第11章 光電式傳感器

第十一章光電式傳感器11.1光電器件111.2電耦合器件11.3紅外傳感器32概述

光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，具有非接觸、高精度、高可靠性和反應(yīng)快等特點(diǎn)，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。11.1光電器件光電器件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電式傳感器的工作原理如圖所示：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。圖中x1表示被測(cè)量能直接引起光量變化的檢測(cè)方式；x2表示被測(cè)量在光傳播過(guò)程中調(diào)制光量的檢測(cè)方式。

圖

光電式傳感器的工作原理11.1光電器件11.1.1光電效應(yīng)◆光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類(lèi)。1．外光電效應(yīng)◆在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管就屬于這類(lèi)光電器件。

我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能量由下式確定：

式中：h——普朗克常數(shù)，6.626×10（J?s）；υ——光的頻率（s）。11.1光電器件◆若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個(gè)電子逸出，則光子能量hυ必須超出逸出功A0，超過(guò)部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。即

式中：m－電子質(zhì)量；v0－電子逸出速度。該方程稱(chēng)為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。

11.1光電器件◆由式可知：光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同物體具有不同的逸出功，這意味著每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閥值，稱(chēng)為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線頻率小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)逸出光電子?！舢?dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比?！艄怆娮右莩鑫矬w表面具有初始動(dòng)能，因此外光電效應(yīng)器件，如光電管即使沒(méi)有加陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生。11.1光電器件2．內(nèi)光電效應(yīng)◆受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類(lèi)。●光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能量而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。11.1光電器件◆當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，如圖所示：圖：電子能級(jí)示意圖從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的導(dǎo)電率變大。為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即：11.1光電器件●光生伏特效應(yīng)：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。①勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。

②側(cè)向光電效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，由載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。

11.1光電器件11.1.2光電管1．結(jié)構(gòu)與工作原理◆光電管是外光電效應(yīng)的器件，

有真空光電管和充氣光電管

兩類(lèi)?！艄怆婈帢O通常是用逸出功小

的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)

壁上做成，其感光面對(duì)準(zhǔn)光圖

光電管的結(jié)構(gòu)

的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。

11.1光電器件2．主要性能（1）光電管的伏安特性◆在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陽(yáng)極所加電壓與陰極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱(chēng)為光電管的伏安特性?！粽婵展怆姽芎统錃夤怆姽艿姆蔡匦苑謩e如圖（a）和（b）所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。

圖

光電管的伏安特性11.1光電器件（2）光電管的光照特性：通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間的所加電壓一定時(shí)，光通量和光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性?！艄怆姽荜帢O材料不同，其光照特性也不同?！艄庹仗匦郧€的斜率（光電流與入射光通量之比稱(chēng)為光電管的靈敏度。11.1光電器件（3）光電管光譜特性◆一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率v0，因此它們可用于不同的光譜范圍。◆即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率v0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會(huì)不同，即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。◆所以，對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。11.1光電器件11.1.3光電倍增管1．結(jié)構(gòu)與原理◆光電倍增管也是基于

外光電效應(yīng)的器件。

由于真空光電管的靈

敏度較低，因此人們

便研制了光電倍增管，

其工作原理如圖所

示。

圖：光電倍增管的外型和工作原理11.1光電器件2．主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M◆倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射電子δi的乘積。如果n個(gè)倍增電極的δi都一樣，則M=δi

，因此，陽(yáng)極電流I為：◆M與所加電壓有關(guān)，一般在10~10之間。如果電壓有波動(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽(yáng)極和陰極的電壓為1000V－2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電壓差為50V－100V。11.1光電器件（2）陰極靈敏度和總靈敏度一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的放大倍數(shù)或總靈敏度如圖所示。極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽(yáng)極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。圖

光電倍增管的特性曲線11.1光電器件（3）光譜特性◆光電倍增管的光譜特性與相同材料光電管的光譜特性很相似。（4）暗電流及本底電流◆當(dāng)管子不受光照，但極間加入電壓時(shí)在陽(yáng)極上會(huì)收集到電子，這時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流，?！羧绻怆姳对龉芘c閃爍體放在一起，在完全避光情況下，出現(xiàn)的電流稱(chēng)本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的。本底電流具有脈沖形式，因此也成為本底脈沖。11.1光電器件11.1.4光敏電阻1．光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理◆光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管，是內(nèi)光電效應(yīng)器件，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻器以硫化隔制成，所以簡(jiǎn)稱(chēng)為CDS。◆光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。11.1光電器件◆當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小

越好，此時(shí)光敏電阻的靈

敏度高。實(shí)際光敏電阻的

暗電阻值一般在兆歐級(jí)，

亮電阻在幾千歐以下?！魣D為光敏電阻的原理

結(jié)構(gòu)。

圖

光敏電阻結(jié)構(gòu)11.1光電器件2．光敏電阻的主要參數(shù)（1）暗電阻◆光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱(chēng)為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流。（2）亮電阻◆光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱(chēng)為亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。（3）光電流◆亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流。11.1光電器件3．光敏電阻的基本特性（1）伏安特性◆在一定照度下，流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱(chēng)為光敏電阻的伏安特性。圖為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖可見(jiàn)，光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I-U曲線為直線，說(shuō)明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓、電流無(wú)關(guān)。

圖：硫化鎘光敏電阻的伏安特性11.1光電器件（2）光譜特性◆光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱(chēng)為光譜特性，亦稱(chēng)為光譜響應(yīng)。圖為幾種不同材料

光敏電阻的光譜特性。

對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)，光

敏電阻的靈敏度是不

同的。

圖：光敏電阻的光譜特性11.1光電器件（3）光照特性◆光敏電阻的光照特性是光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系，如圖所示?！粲捎诠饷綦娮璧墓庹?/p>

特性呈非線性，因此

不宜作為測(cè)量元件，

一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)

中常用作開(kāi)關(guān)式光電

信號(hào)傳感元件。圖：光敏電阻的光照特性11.1光電器件（4）溫度特性◆光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻和靈敏度都下降。◆溫度變化影響光敏電

阻的光譜響應(yīng)，尤其

是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫

化鉛光敏電阻受溫度

影響更大。圖為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線。圖

硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線

11.1光電器件（5）光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間和頻率特性◆實(shí)驗(yàn)證明，光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后，通常用時(shí)間常數(shù)t來(lái)描述，這叫做光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。所謂時(shí)間常數(shù)即為光敏電阻自停止光照起到電流下降到原來(lái)的63%所需的時(shí)間，因此，t越小，響應(yīng)越迅速，但大多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都較大，這是它的缺點(diǎn)之一。圖所示為硫化鎘和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性。圖

光敏電阻的頻率特性11.1光電器件4．光敏電阻基本應(yīng)用電路◆在圖所示的電路中，我們利用光敏電阻將光線的強(qiáng)弱變?yōu)殡娮柚档淖兓?，以達(dá)到光控制電路的目的。

圖：CDS實(shí)驗(yàn)電路11.1光電器件11.1.5光敏二極管和光敏晶體管1．結(jié)構(gòu)原理◆光敏二極管的結(jié)

構(gòu)與一般二極管

相似。它裝在透

明玻璃外殼中，圖：光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理

其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射（見(jiàn)圖a）。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見(jiàn)圖b所示），在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱(chēng)為暗電流。11.1光電器件◆如圖所示為NPN型光

敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

圖和基本電路。大

多數(shù)光敏晶體管的

基極無(wú)引出線，當(dāng)

集電極加上相對(duì)于圖：NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路

發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而形成光電流，相當(dāng)于三極管的基極電流。由于基極電流的增加，因此集電極電流是光生電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。11.1光電器件2．基本特性（1）光譜特性◆光敏二極管和晶體管的光

譜特性曲線如圖所示。

從曲線可以看出，硅的峰

值波長(zhǎng)約為0.9μm，鍺的

峰值波長(zhǎng)約為1.5μm，此特性時(shí)靈敏度最大，而當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加或縮短時(shí)，相對(duì)靈敏度也下降。一般來(lái)講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，鍺管較為適宜。圖：光敏晶體（二）級(jí)管的光譜11.1光電器件（2）伏安特性◆圖為硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線。從圖中可見(jiàn)，光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。圖：硅光敏管的伏安特性11.1光電器件（3）溫度特性◆光敏晶體管的

溫度特性是指

其暗電流及光

電流與溫度的

關(guān)系。光敏晶

體管的溫度特圖：光敏晶體管的溫度特性

性曲線如圖所示。從特性曲線可以看出，溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大，所以在電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。11.1光電器件11.1.6光電池◆光電池是在光線照射下，

直接將光能轉(zhuǎn)換為電能

的光電器件。光電池在

有光線作用下實(shí)質(zhì)就是

電源，電路中有了這種

器件就不需要外加電源。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。圖為光電池的工作原理圖。圖：光電池工作原理11.1光電器件1．基本特性（1）光譜特性◆光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度

是不同的。圖為硅光電池和

硒光電池的光譜特性曲線。從圖

中可知，不同材料的光電池，光響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)是不同的，硅光電池在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.4~1.2μm，而硒光電池的范圍只能為0.38~0.75μm?？梢?jiàn)硅光電池可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用。圖：光電池的光譜特性譜11.1光電器件（2）光照特性◆光電池在不同光照度下，

光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是

不同的，它們之間的關(guān)

系就是光照特性。圖

為硅光電池的開(kāi)路

電壓和短路電流與光照

的關(guān)系曲線。

圖：硅光電池的光照特性11.1光電器件（3）溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，

影響到測(cè)量精度或控

制精度等重要指標(biāo)，

因此溫度特性是光電

池的重要特性之一。

光電池的溫度特性如

圖所示。圖：硅光電池的溫度特性11.1光電器件（4）頻率特性◆光電池的頻率特性就是反

映光的交變頻率和光電池

輸出電流的關(guān)系，如圖

所示。從曲線可以看

出，硅光電池有很高的頻

率響應(yīng)，可用在高速計(jì)

數(shù)、有聲電影等方面。這

就是硅光電池在所以光電

元件中最為突出的優(yōu)點(diǎn)。圖：光電池的頻率特性11.1光電器件2．應(yīng)用電路◆光電池轉(zhuǎn)換電路如圖所示，能將光的照度轉(zhuǎn)換為電壓形式輸出，本電路所使用的光電池，其外型是由四個(gè)相同

的光電池

串聯(lián)而成，

其開(kāi)路電

壓約為2V，

短路電流

約為0.08μA／lx。

圖：光電池轉(zhuǎn)換電路11.1光電器件◆由光電池特性得知，光電池的開(kāi)路電壓Vop與入射光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比，成非線性關(guān)系，而短路電流Ish卻是與照度成正比，所以一般轉(zhuǎn)換電路大都采用短路電流做轉(zhuǎn)換，而不采用開(kāi)路電壓。圖的U1為一個(gè)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，可將光電池的短路電流轉(zhuǎn)換成電壓。因運(yùn)算放大器有虛接地的特性，且光電池接在運(yùn)算放大器的正負(fù)兩端相當(dāng)于光電池短路。又因運(yùn)算放大器的輸入電流幾乎為零，所以全部的Ish流到R6與R7，使U1的輸出電壓V1=Ish(R6+R7)。所以可調(diào)整R7的大小，使得輸出電壓為1mV／lx，這種調(diào)整方式，稱(chēng)為擴(kuò)展率調(diào)整(Spanadjust)。11.1光電器件◆若現(xiàn)場(chǎng)含有AC110V，60Hz的交流成分存在。由R8(10K)，C1(10μF)所組成的低通濾波器，可將120Hz的交流成分濾除，使得轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓為平均照度的電壓信號(hào)。而U2為一電壓跟隨器（AV≈1），作為緩沖器。11.1光電器件11.1.7光電耦合器件◆光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開(kāi)關(guān)。

11.1光電器件1．光電耦合器◆光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。耦合器常見(jiàn)的組合形式如圖所示：圖：光電耦合器組合形式11.1光電器件2．光電開(kāi)關(guān)◆光電開(kāi)關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲

得最終的控制輸出“開(kāi)”、“關(guān)”信號(hào)的器件。

圖：光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)11.1光電器件圖（a）是一種透射式的光電開(kāi)關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過(guò)它們之間時(shí)，會(huì)阻斷光路，使接收元件接收不到來(lái)自發(fā)光元件的光，這樣起到檢測(cè)作用。圖（b）是一種反射式的光電開(kāi)關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點(diǎn)一般即為待測(cè)物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)時(shí)，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒(méi)有物體時(shí)則接收不到。光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。11.1光電器件◆用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號(hào)有“高-低”（1-0）之分即可。圖是基本電路的示例。（a）、（b）表示負(fù)載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時(shí)的情況，（c）表示用晶體管放大光電流的情況。圖：光電開(kāi)關(guān)的基本電路◆光電開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置。11.2電偶合器件11.2電荷耦合器件◆電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡(jiǎn)稱(chēng)CCD）是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路器件。它以電荷作為信號(hào)，基本功能是進(jìn)行電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。CCD自1970年問(wèn)世以來(lái)，由于其低噪聲等特點(diǎn)而發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于在微光電視攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。一、CCD結(jié)構(gòu)◆構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器，如圖所示。與其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲(chǔ)電荷。

MOS基本單元是在P型或N型的硅半導(dǎo)體襯底上覆蓋一層約120nm的SiO2，在其表面依次沉積一層金屬電極構(gòu)成。這樣的一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)稱(chēng)為一個(gè)光敏元或一個(gè)像素。圖：MOS電容器的結(jié)構(gòu)11.2電偶合器件一、CCD結(jié)構(gòu)根據(jù)不同要求將MOS陣列加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCD器件。如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓時(shí)，在其電極下形成帶負(fù)電荷的所謂耗盡層，由于那里的電子勢(shì)能很低，形成了表面勢(shì)阱，如圖所示，成為蓄積電荷的場(chǎng)所。圖：勢(shì)阱的形成11.2電偶合器件對(duì)于P型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時(shí)，耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)形成電荷包（勢(shì)阱）。對(duì)于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。

CCD電荷的產(chǎn)生有兩種方式：電注入和光注入。

CCD用作光學(xué)圖像傳感器時(shí)，采用光注入。即光信號(hào)照在CCD硅片上，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，多數(shù)空穴流入襯底，少數(shù)電子被收集在勢(shì)阱中，形成儲(chǔ)存電荷。儲(chǔ)存電荷正比于照射的光強(qiáng)；

CCD用作信號(hào)處理或儲(chǔ)存器件時(shí)，采用電注入。即CCD通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流采樣，并轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)。注入電荷量Q＝ID△t

（△t

－正脈沖的寬度）

二、CCD電荷的產(chǎn)生11.2電偶合器件三、CCD電荷的轉(zhuǎn)移

外加在MOS電容器上的電壓越高，產(chǎn)生的勢(shì)阱越深；外加電壓一定，勢(shì)阱深度隨勢(shì)阱中電荷量的增加而線性下降。

利用此特性，通過(guò)控制相鄰的MOS電容柵極電壓的高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱的深淺，讓MOS電容間排列足夠緊密，使相鄰MOS電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合，就可以使電荷由勢(shì)阱淺處流向勢(shì)阱深處，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移。

電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類(lèi)似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程，見(jiàn)下圖。11.2電偶合器件11.2電偶合器件電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程四、CCD電荷的輸出

輸出端被讀出有兩種方式：利用二極管的輸出結(jié)構(gòu)和浮置柵MOS管輸出，如書(shū)P204圖10－7所示。11.2電偶合器件五、CCD固態(tài)圖像傳感器◆電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中，作為攝像或像敏的器件。CCD固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。感光部分是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元組成的陣列元件，光敏單元簡(jiǎn)稱(chēng)“像素”?！艄虘B(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)“圖像”，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將電信號(hào)“圖像”轉(zhuǎn)送，經(jīng)輸出放大器輸出。11.2電偶合器件◆根據(jù)光敏元件排列形式的不同，CCD固態(tài)圖像傳感器可分為線型和面型兩種。（1）線型CCD圖像傳感器－獲取線圖像◆典型的線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件和兩列電荷轉(zhuǎn)移部件組成，在它們之間設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，如圖所示。

圖：線型CCD圖像傳感器11.2電偶合器件（2）面型CCD圖像傳感器－獲取面圖像◆按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成面型CCD圖像傳感器。

◆面型CCD圖像傳感器有三種基本類(lèi)型：線轉(zhuǎn)移、幀轉(zhuǎn)移和隔列轉(zhuǎn)移。如圖。圖：線轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖

11.2電偶合器件圖a：幀轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖圖b：隔離轉(zhuǎn)移型CCD的結(jié)構(gòu)圖11.2電偶合器件六、固態(tài)圖像傳感器的主要特性參數(shù)（書(shū)P214）◆光－電轉(zhuǎn)換特性◆分辨率◆輸出飽和特性◆暗電流◆靈敏度◆光譜響應(yīng)及背面照光11.2電偶合器件七、CCD圖像傳感器應(yīng)用◆前面介紹的CCD具有將光像轉(zhuǎn)換為電荷分布，以及電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移等功能，所以它是構(gòu)成CCD固態(tài)圖像傳感器的主要光敏器件，取代了攝像裝置中的光學(xué)掃描系統(tǒng)或電子束掃描系統(tǒng)?！鬋CD圖像傳感器具有高分辨力和高靈敏度，具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，這些特點(diǎn)決定了它可以廣泛用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量，尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。11.2電偶合器件◆CCD圖像傳感器在檢測(cè)物體的位置、工件尺寸的精確測(cè)量及工件缺陷的檢測(cè)方面有獨(dú)到之處。◆圖為應(yīng)用線型CCD圖像傳感器測(cè)量物體尺寸系統(tǒng)。圖：CCD圖像傳感器工件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)11.2電偶合器件◆物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，視頻處理器對(duì)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理，整個(gè)過(guò)程由微機(jī)控制完成。根據(jù)幾何光學(xué)原理，可以推導(dǎo)被測(cè)物體尺寸D計(jì)算公式，即：

式中：n-覆蓋的光敏像素?cái)?shù)；P-像素間距；M-倍率?！粑C(jī)可對(duì)多次測(cè)量求平均值，精確得到被測(cè)物體的尺寸。任何能夠用光學(xué)成像的零件都可以用這種方法，實(shí)現(xiàn)不接觸的在線自動(dòng)檢測(cè)的目的。11.2電偶合器件11.3紅外傳感器11.3紅外傳感器紅外傳感器按其應(yīng)用可分為以下幾方面：①紅外輻射計(jì)，用于輻射和光譜輻射測(cè)量；②搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；③熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等；④紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)；⑤混合系統(tǒng)，是指以上各類(lèi)系統(tǒng)中的兩個(gè)或多個(gè)的組合。11.3紅外傳感器圖：電磁波譜圖11.3.1紅外輻射◆紅外輻射俗稱(chēng)紅外線，它是一種不可見(jiàn)光，由于是位于可見(jiàn)光中紅色光以外的光線，故稱(chēng)紅外線。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.75μm

～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置如圖所示。11.3紅外傳感器◆工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。◆紅外線的最大特點(diǎn)是具有光熱效應(yīng)，可以輻射熱量，它是光譜中的最大光熱效應(yīng)區(qū)。一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過(guò)紅外線輻射出來(lái)的?！粑矬w的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。而且，紅外線被物體吸收時(shí)，可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋艏t外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時(shí)，大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的。11.3紅外傳感器11.3.2紅外探測(cè)器（傳感器）◆能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的裝置稱(chēng)為紅外探測(cè)器或紅外傳感器?！艏t外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。◆紅外探測(cè)器種類(lèi)很多，根據(jù)溫度可分為：低溫、中溫、室溫；根據(jù)響應(yīng)波長(zhǎng)可分為：近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外；根據(jù)用途分為：?jiǎn)卧?、多元陣列、成像傳感器；根?jù)探測(cè)機(jī)理可分為兩大類(lèi)：熱傳感器和光子傳感器。11.3紅外傳感器11.3.2紅外傳感器的性能參數(shù)（書(shū)P188）◆電壓響應(yīng)率；◆響應(yīng)波長(zhǎng)范圍；◆噪聲等效功率；◆探測(cè)率與比探測(cè)率◆時(shí)間常數(shù)11.3紅外傳感器11.3.3．熱傳感器◆熱傳感器對(duì)入射的各種波長(zhǎng)的輻射能量全波吸收，它是一種對(duì)紅外光波無(wú)選擇的紅外傳感器?！魝鞲衅鞯拿舾性蛰椛淠芎笠饻囟壬?，進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化，便可確定傳感器所吸收的紅外輻射?！襞c光子傳感器相比，熱傳感器的探測(cè)率比光子傳感器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。但熱傳感器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在室溫下工作，使用方便，應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛。11.3紅外傳感器◆熱傳感器定義：利用輻射熱效應(yīng)，使探測(cè)器吸收紅外輻射后溫度升高，進(jìn)而使傳感器中依賴(lài)于溫度的某些物理性質(zhì)發(fā)生變化，這種變化與吸收的紅外輻射能成一定關(guān)系?！魺醾鞲衅髦饕?lèi)型有熱敏電阻型、熱電偶型和高萊氣體型、熱釋電型傳感器。1、熱敏電阻型紅外傳感器原理：利用固體材料的電阻率隨溫度變化的特性特性：熱敏電阻一般制成薄片狀，紅外輻射照射在熱敏電阻上使其溫度升高，電阻值減小，測(cè)量電阻值的變化就可知入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，從而判斷產(chǎn)生紅外輻射的物體的溫度。2、熱電偶型紅外傳感器原理：利用熱電效應(yīng)，當(dāng)紅外輻射照射到熱電偶的熱端時(shí)，該端溫度升高，而冷端溫度保持不變。此