新型固態(tài)光電傳感器-Read課件

新型傳感器技術(shù)張認(rèn)成

華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生系列課程9/27/20231新型傳感器技術(shù)張認(rèn)成

華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院碩士研究第一章新型固態(tài)光電傳感器象限探測器

光敏器件陣列

自掃描光電二極管陣列

光電位置傳感器PSD

電荷耦合器件CCD—以集成電路、半導(dǎo)體加工工藝以及光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的陣列傳感器9/27/20232第一章新型固態(tài)光電傳感器象限探測器

光敏器件陣列

自掃描本章內(nèi)容提要光電效應(yīng)普通光敏器件陣列自掃描二極管陣列光電位置傳感器PSD9/27/20233本章內(nèi)容提要光電效應(yīng)8/6/202331光電效應(yīng)定義：物質(zhì)由于光的作用而產(chǎn)生電流、電壓，或電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象分類：外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)9/27/202341光電效應(yīng)定義：8/6/202341.1外光電效應(yīng)產(chǎn)生外光電效應(yīng)的條件：入射光的頻率必須大于材料的紅限+_光電子光子光電流方向光電子流向外光電效應(yīng)9/27/202351.1外光電效應(yīng)產(chǎn)生外光電效應(yīng)的條件：+_光電子光子光電1.1.1原理與結(jié)構(gòu)光照

物質(zhì)電子獲能逸出表面光電流(光子)(光電子)光電流正比于光強(qiáng)度入射光的頻率必須大于材料的紅限光電傳感器對(duì)光具有選擇性光電材料:銀氧銫\銻銫\鎂化鎘等舉例:光電管\光電倍增管9/27/202361.1.1原理與結(jié)構(gòu)光照物質(zhì)電子獲能逸出表面光電1.1.2真空光電管

1.組成：光電陰極＋陽極A＋透明外殼2.結(jié)構(gòu)與測量電路：陽極陰極結(jié)構(gòu)IURE測量電路9/27/202371.1.2真空光電管

1.組成：光電陰極＋陽極A＋透明真空光電管的特點(diǎn)線性度好;靈敏度低；測量弱光時(shí)，光電流很小，測量誤差大。光電倍增管可提高弱光測量的靈敏度光電倍增管可提高弱光測量的靈敏度

9/27/20238真空光電管的特點(diǎn)8/6/202381.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽極A＋倍增極＋外殼結(jié)構(gòu)原理及測量電路9/27/202391.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽極A＋倍增極＋外光電倍增管的特點(diǎn)很高的放大倍數(shù)（可達(dá)106）；適應(yīng)弱光測量；工作電壓高,一般需冷卻。

例如：0.1流明（lm）光通量時(shí)，光電管產(chǎn)生光電流為5μA;0.0001流明光通量時(shí)，光電倍增管的光電流為1000μA。相差1000×200倍9/27/202310光電倍增管的特點(diǎn)很高的放大倍數(shù)（可達(dá)106）；8/6/2021.2內(nèi)光電效應(yīng)

——光敏器件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)光電導(dǎo)效應(yīng)—半導(dǎo)體材料在光的照射下，電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)—半導(dǎo)體材料在光的照射下，在一定方向產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。9/27/2023111.2內(nèi)光電效應(yīng)

——光敏器件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的物理1.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏電組光照半導(dǎo)體材料電子空穴對(duì)激發(fā)分裂導(dǎo)電粒子增加電導(dǎo)率增加光電流光的選擇性暗電阻:10~100MΩ亮電阻:<10kΩ用途:測光/光導(dǎo)開關(guān)材料：硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛mAI9/27/2023121.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏電組光照半導(dǎo)體材料電子空穴對(duì)光敏電阻的特性9/27/202313光敏電阻的特性8/6/202313光譜特性硫化鎘：可見光區(qū)域,λ=0.4~0.76μm

峰值0.7μm硫化鉈：可見光及近紅外區(qū),λ=0.5~1.7μm

峰值:1.2~1.3μm硫化鉛：可見光至中紅外區(qū),λ=0.5~3μm

峰值2.5μm根據(jù)光譜范圍選用！9/27/202314光譜特性硫化鎘：可見光區(qū)域,λ=0.4~0.76μm8/6/1.2.2光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏晶體管結(jié)構(gòu)與普通晶體管相似，但P-N結(jié)具有光敏特性。二極管在電路中處于反向工作狀態(tài)。9/27/2023151.2.2光電導(dǎo)效應(yīng)—光敏晶體管結(jié)構(gòu)8/6/202315光敏二極管無光照時(shí)：光電二極管反向截止，回路中只有很小的反向飽和漏電流——暗電流，一般為10-8~10-9A，相當(dāng)于普通二極管反向截止；

+RL漏電流無光照9/27/202316光敏二極管無光照時(shí)：光電二極管反向截止，回路中只有很小的反向續(xù)有光照時(shí)：P-N結(jié)吸收光子能量，產(chǎn)生大量的電子/孔穴對(duì)，P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度提高，在反向電壓的作用下反向飽和電流顯著增加，形成光電流。+RL光電流有光照9/27/202317續(xù)有光照時(shí)：P-N結(jié)吸收光子能量，產(chǎn)生大量的電子/孔穴對(duì)，P性能與用途光電流與光通量成線性關(guān)系，適應(yīng)于光照檢測方面的應(yīng)用；光電二極管動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快（<10μs）；但靈敏度低，溫度穩(wěn)定性差。光電三極管可以克服這些缺點(diǎn)。9/27/202318性能與用途光電流與光通量成線性關(guān)系，適應(yīng)于光照檢測方面的應(yīng)用光敏三極管電路集電結(jié)反向偏置基極無引出線圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcboIc9/27/202319光敏三極管電路集電結(jié)反向偏置圖2-8NPN光敏三極管電路I原理無光照時(shí)有光照時(shí)Icbo—反向飽和漏電流Iceo—光敏三極管暗電流Ic—集電結(jié)反向飽和電流Ie—光敏三極管光電流圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcbo9/27/202320原理無光照時(shí)圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcb應(yīng)用

—“電眼睛”

光電編碼器火災(zāi)報(bào)警器光電控制自動(dòng)化產(chǎn)生條形碼讀出器機(jī)器安全設(shè)施等9/27/202321應(yīng)用—“電眼睛”光電編碼器8/6/202321光電晶體管特性—光譜、伏安特性9/27/202322光電晶體管特性—光譜、伏安特性8/6/202322光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對(duì)光敏晶體管的亮電流和暗電流的影響十分顯著。在低照度下工作時(shí)應(yīng)選擇鍺管。9/27/202323光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對(duì)光敏晶體管的亮電流1.2.3光生伏特效應(yīng)—光電池物理基礎(chǔ)—光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體材料在光的作用下產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象類型—硒光電池、硅光電池9/27/2023241.2.3光生伏特效應(yīng)—光電池物理基礎(chǔ)—光生伏特效應(yīng)8/6硒光電池原理無光照時(shí)，載流子擴(kuò)散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散，動(dòng)平衡；有光照時(shí)，硒中激發(fā)出電子空穴對(duì)，電子穿過阻擋層，空穴留在硒中；電荷積累的結(jié)果：硒半導(dǎo)體成為正極，金屬成為負(fù)極。連接＋—極，產(chǎn)生連續(xù)的光電流P-硒N-金屬阻擋層9/27/202325硒光電池原理無光照時(shí)，載流子擴(kuò)散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進(jìn)光譜特性—光譜特性硒光電池光譜響應(yīng)范圍：0.3~0.7μm硅光電池光譜響應(yīng)范圍：0.5~1μm9/27/202326光譜特性—光譜特性硒光電池光譜響應(yīng)范圍：0.3~0.7μm8光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態(tài)溫度補(bǔ)償！9/27/202327光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態(tài)溫度補(bǔ)償！8/6/2021.3普通光敏器件陣列象限探測器光敏器件陣列9/27/2023281.3普通光敏器件陣列象限探測器8/6/2023281.3.1象限探測器作用確定光點(diǎn)在平面上的位置坐標(biāo)；用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等。結(jié)構(gòu)利用光刻技術(shù)，將一整塊圓形或正方形光敏器件敏感面分割成若干區(qū)域；各個(gè)區(qū)域各面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱；背面仍為一體。9/27/2023291.3.1象限探測器作用8/6/202329劃分形式：9/27/202330劃分形式：8/6/202330原理光點(diǎn)投射到探測器上；各象限上光斑大小不同；光生電動(dòng)勢也不同：U2<U1<U3<U4；可斷定光心在第4象限；標(biāo)定后，可知光心在X、Y方向的坐標(biāo)。3241U4U3U2U1XY9/27/202331原理3241U4U3U2U1XY8/6/202331和差坐標(biāo)換算Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y9/27/202332和差坐標(biāo)換算Y方向：3241U4U3U2U1Y8/6/202和差測量電路9/27/202333和差測量電路8/6/202333直差坐標(biāo)換算—器件旋轉(zhuǎn)45°Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y9/27/202334直差坐標(biāo)換算—器件旋轉(zhuǎn)45°Y方向：3241U4U3U2U1直差測量電路9/27/202335直差測量電路8/6/202335象限探測器的特點(diǎn)測量精度與光強(qiáng)無關(guān)，只與光心位置有關(guān)；存在死區(qū)，光斑很小時(shí)特明顯，分辨率低；光斑落在一個(gè)象限時(shí)，失效，測量范圍小。9/27/202336象限探測器的特點(diǎn)測量精度與光強(qiáng)無關(guān)，只與光心位置有關(guān)；8/61.3.2光敏二極管陣列一種低集成度的集成傳感器多個(gè)光敏晶體管等間隔線性排列集成度一般為10～32像素／片；集成封裝，獨(dú)立引線；電路復(fù)雜，用多路開關(guān)簡化電路。9/27/2023371.3.2光敏二極管陣列一種低集成度的集成傳感器8/6/多路開關(guān)輸出9/27/202338多路開關(guān)輸出8/6/2023381.4自掃描光電二極管陣列SSPD普通光電二級(jí)管陣列＋數(shù)字位移寄存器輸出電路簡化集成度提高：64，128，256，512～4096線陣、面陣兩種形式電荷儲(chǔ)存工作方式工作原理復(fù)雜9/27/2023391.4自掃描光電二極管陣列SSPD普通光電二級(jí)管陣列＋數(shù)1.4.1像元結(jié)構(gòu)N型硅表面擴(kuò)散P型硅材料，形成P-N結(jié)蒸涂SiO2（透明）覆蓋鋁膜，氧化層部分外露引出柵極、漏極、源極形成MOSFET場效應(yīng)管SiO2N-SiP柵極Al膜漏極源極玻璃罩9/27/2023401.4.1像元結(jié)構(gòu)N型硅表面擴(kuò)散P型硅材料，形成P-N結(jié)等效電路VD：理想光敏二極管Cd：結(jié)電容Ug：柵極控制電壓1－通；0－短Uc：PN結(jié)反偏電壓RL：負(fù)載電阻IL：負(fù)載電流VT：場效應(yīng)管（開關(guān)）Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU0開關(guān)光敏二極管9/27/202341等效電路VD：理想光敏二極管Ug柵極控制電壓RLUcVDCd1.4.2工作過程預(yù)充電放電(積分)充電(信號(hào)輸出)放電充電......循環(huán)往復(fù),負(fù)載上周期性的輸出像元上的光信號(hào).Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU09/27/2023421.4.2工作過程預(yù)充電放電(積分)充電(信號(hào)輸出)預(yù)充電Ug=1,VT開VD反向截止電源Uc經(jīng)RL給Cd充電UcCdVTRLP-N結(jié)上所充電荷QQ=CdUc充電結(jié)束Ug=1RLUcVDCdILVTU0++9/27/202343預(yù)充電Ug=1,VT開Ug=1RLUcVDCdILVTU0放電(積分)Ug=0,VT關(guān)斷Cd經(jīng)VD放電CdVDCd放電荷為ΔQΔQ=(Ip+Id)Ts≈IpTsCd電壓減小為UcdUcd=Uc-ΔQ/CdUg=0RLUcVDCdILVTU0++暗電流Id<<Ip亮電流9/27/202344放電(積分)Ug=0,VT關(guān)斷Ug=0RLUcVDCdIL循環(huán)充電(信號(hào)輸出)Ug=1，VT開VD反向截止Uc經(jīng)CdVTRL充電,Cd電壓由Ucd開始至UcCd上充電量為ΔQRl上最大電壓增量為Uomax=ΔQ/Cd=Ip(Ts/Cd)Ip與光強(qiáng)成正比Ug=1RLUcVDCdILVTU0++UcdIL≈Ip~E9/27/202345循環(huán)充電(信號(hào)輸出)Ug=1，VT開Ug=1RLUcVDC1.4.3線陣SSPD結(jié)構(gòu)感光陣列+多路開關(guān)+移位寄存器公共端相連(COM)各管性能相同多路開關(guān)多選一在時(shí)鐘與脈沖的作用下依此輸出9/27/2023461.4.3線陣SSPD結(jié)構(gòu)8/6/202346移位輸出_以4像素SSPD為例預(yù)充電:S=[1111]循環(huán)輸出U0U2U1U31111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT9/27/202347移位輸出_以4像素SSPD為例預(yù)充電:S=[1111U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ49/27/202348U1φ1φ3φ5U2S1=011Φ1周期:S=[0111]VT1關(guān)閉,VD1放電其余截止無輸出U2U1U3

0111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU0XS1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U1φ1φ3

φ5U2U3U4φ2φ49/27/202349Φ1周期:S=[0111]U2U1U30Φ2周期:S=[1011]VT1通,VD1充電VD1輸出至U0VT2關(guān)閉,VD2放電U2U1U31011φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ49/27/202350Φ2周期:S=[1011]U2U1U31Φ3周期:S=[1101]VT2通,VD2充電VD2輸出至U0VT3關(guān)閉,VD3放電以此類推......Φn+1周期輸出VDn充電時(shí)間<<時(shí)鐘周期U2U1U31101φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU2U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ49/27/202351Φ3周期:S=[1101]U2U1U31電流放大輸出+_ILU0RsRf9/27/202352電流放大輸出+ILU0RsRf8/6/202352SSPD特點(diǎn)光電線性：Q∝曝光量（E＊Ts)；暗電流：室溫下1pA隨溫升加大，1倍／7℃隨積分時(shí)間增大液氮致冷：積分時(shí)間可延至幾小時(shí)，測微光信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍：500:1輸出飽和信號(hào)與暗電流之比代替象限探測器10－510H1010－3Qmax9/27/202353SSPD特點(diǎn)光電線性：Q∝曝光量（E＊Ts)；10－51.5PSD光電位置傳感器PositionSensitiveDetector連續(xù)檢測光點(diǎn)位置的光電元件9/27/2023541.5PSD光電位置傳感器Positio一、PSD的工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)。具有PIN三層結(jié)構(gòu)的平板半導(dǎo)體硅片圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖9/27/202355一、PSD的工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)。圖2－10PSD結(jié)構(gòu)光點(diǎn)位移與光電流的關(guān)系圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖9/27/202356光點(diǎn)位移與光電流的關(guān)系圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖8/6/PSD的特點(diǎn)1）響應(yīng)速度快，可靠性高。2）光點(diǎn)位置測量精度與光斑的形狀

無關(guān)，只與光斑的能量中心有關(guān)，減小雜光日光的干擾；9/27/202357PSD的特點(diǎn)1）響應(yīng)速度快，可靠性高。8/6/202357PSD的特點(diǎn)3）光敏面上無須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測量光斑的位置，分辨率高，一維PSD可達(dá)0.02μm；4）可同時(shí)檢測光點(diǎn)的位置和強(qiáng)度，PSD總輸出電流反映光點(diǎn)的光強(qiáng)，兩極電流之差反映光點(diǎn)的位置。9/27/202358PSD的特點(diǎn)3）光敏面上無須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測量光斑PSD的特點(diǎn)5）PSD對(duì)光的波長具有選擇性。如圖2－11是S1543的光譜特性圖，這種器件的響應(yīng)范圍在300～1100nm內(nèi)，峰值波長在900nm左右的紅外區(qū)。圖2－11S1543PSD的光譜響應(yīng)曲線9/27/202359PSD的特點(diǎn)5）PSD對(duì)光的波長具有選擇性。如圖2－11是S二、PSD結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換電路一維PSD圖2－10PSD結(jié)構(gòu)示意圖9/27/202360二、PSD結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換電路一維PSD圖2－108/6/20一維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2－13一維PSD轉(zhuǎn)換電路圖9/27/202361一維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2－13一維PSD轉(zhuǎn)換電路圖8/6/三、二維PSD結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換電路圖2－12二維PSD的結(jié)構(gòu)二維PSD9/27/202362三、二維PSD結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換電路圖2－12二維PSD8/6二維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2－14二維PSD轉(zhuǎn)換電路圖9/27/202363二維PSD轉(zhuǎn)換電路圖2－14二維PSD轉(zhuǎn)換電路圖8/6/1.6光電傳感器的應(yīng)用9/27/2023641.6光電傳感器的應(yīng)用8/6/202364一、煙塵濁度檢測儀光源：400nm~700nm光檢測器范圍：400~600nm圖2-10吸收式煙塵濁度檢測儀框圖9/27/202365一、煙塵濁度檢測儀光源：400nm~700nm圖2-10二、光電轉(zhuǎn)速傳感器

圖2-11光電轉(zhuǎn)速測量略去2例9/27/202366二、光電轉(zhuǎn)速傳感器圖2-11光電轉(zhuǎn)速測量略去2例8/6/光電脈沖轉(zhuǎn)換電路

圖2-12光電脈沖轉(zhuǎn)換電路9/27/202367光電脈沖轉(zhuǎn)換電路圖2-12光電脈沖轉(zhuǎn)換電路8/6/20三、路燈自動(dòng)控制

圖2-13路燈自動(dòng)控制器9/27/202368三、路燈自動(dòng)控制圖2-13路燈自動(dòng)控制器8/6/20原理當(dāng)天亮?xí)r，硅光電池受光照射后，它產(chǎn)生0.2～0.5Ｖ電動(dòng)勢，使BG1正偏壓而截止，后面多級(jí)放大器不工作，BG4截止，繼電器Ｊ不動(dòng)作，路燈回路觸頭斷開，路燈不亮；當(dāng)天黑無光照時(shí)，光電池?zé)o光生電動(dòng)勢，使BG1的基極為低電位，BG1導(dǎo)通，經(jīng)BG2、BG3、BG4構(gòu)成多級(jí)直流放大，