《型固态光电传感器》PPT课件.ppt

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1、新型传感器技术新型传感器技术张认成张认成华侨大学机电及自动化学院华侨大学机电及自动化学院 硕士研究生系列课程硕士研究生系列课程硕士研究生系列课程硕士研究生系列课程10/25/20221第一章第一章 新型固态光电传感器新型固态光电传感器象限探测器象限探测器光敏器件阵列光敏器件阵列自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列光电位置传感器光电位置传感器PSD电荷耦合器件电荷耦合器件CCD以集成电路、半导体加工工艺 以及光电效应为基础的阵列传感器10/25/20222本章内容提要本章内容提要u光电效应光电效应u普通光敏器件阵列普通光敏器件阵列u自扫描二极管阵列自扫描二极管阵列u光电位置传感器光电位置传感

2、器PSD10/25/202231 光电效应光电效应定义：定义：物质由于光的作用而产生电流、物质由于光的作用而产生电流、电压，或电导率变化的现象电压，或电导率变化的现象分类：分类：外光电效应外光电效应(电子发射效应电子发射效应)内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应10/25/202241.1 外光电效应外光电效应产生外光电效应的条件：产生外光电效应的条件：入射光的频率必须大于材料的红限入射光的频率必须大于材料的红限+_光电子光电子光子光子光电流光电流方向方向光电子流向光电子流向外光电效应外光电效应10/25/202251.1.1 原理与结构 光照光照物质物质电子获能电

3、子获能逸出表面逸出表面光电流光电流 (光子光子)(光电子光电子)光电流正比于光强度光电流正比于光强度入射光的频率必须大于材料的红限入射光的频率必须大于材料的红限光电传感器对光具有选择性光电传感器对光具有选择性光电材料光电材料:银氧铯银氧铯锑铯锑铯镁化镉等镁化镉等举例举例:光电管光电管光电倍增管光电倍增管10/25/202261.1.2 真空光电管1.组成：光电阴极阳极：光电阴极阳极A透明外壳透明外壳2.结构与测量电路：阳极阳极阴极阴极结构结构IURE测量电路测量电路10/25/20227真空光电管的特点线性度好线性度好;灵敏度低；灵敏度低；测量弱光时，光电流很小，测量误差大。测量弱光时，光电流

4、很小，测量误差大。光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度 光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度 10/25/202281.1.3 光电倍增管组成组成：光电阴极光电阴极K阳极阳极A倍增极外壳倍增极外壳结构原理及测量电路结构原理及测量电路10/25/20229光电倍增管的特点光电倍增管的特点很高的放大倍数（可达很高的放大倍数（可达106）；）；适应弱光测量；适应弱光测量；工作电压高工作电压高,一般需冷却。一般需冷却。例如：例如：流明（流明（lmlm）光通量时，光电管产生光电）光通量时，光电管产生光电流为流为5A;5A;流明光通量时，光电倍增管的

5、光电流为流明光通量时，光电倍增管的光电流为1000 1000 AA。相差相差1000200倍倍10/25/2022101.2 内光电效应 光敏器件进行光电转换的物理基础光敏器件进行光电转换的物理基础光电导效应半导体材料在光的照射下，电半导体材料在光的照射下，电导率发生变化的现象。导率发生变化的现象。光生伏特效应半导体材料在光的照射下，半导体材料在光的照射下，在一定方向产生电动势的现象。在一定方向产生电动势的现象。10/25/2022111.2.1 光电导效应光敏电组光照光照半导体材料半导体材料电子空穴对激发分裂电子空穴对激发分裂 导电粒子增加导电粒子增加电导率增加电导率增加光电流光电流光的选择

6、性光的选择性暗电阻暗电阻:10100M亮电阻亮电阻:10k用途用途:测光测光/光导开关光导开关材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅mAI10/25/202212光敏电阻的特性紫外10nm-0.4um红外0.76-1000um可见光0.38-0.7610/25/202213光谱特性硫化镉：可见光区域硫化镉：可见光区域 峰值峰值硫化铊：可见光及近红外区硫化铊：可见光及近红外区 峰值峰值硫化铅：可见光至中红外区硫化铅：可见光至中红外区,=0.53m 峰值峰值 根据光谱范围选用！根据光谱范围选用！10/25/2022141.2.2 光电导效应光敏晶体管结构与普通晶体管相似，但与普通

7、晶体管相似，但P-N结具有光敏特性。结具有光敏特性。二极管在电路中处于反向工作状态。二极管在电路中处于反向工作状态。10/25/202215光敏二极管光敏二极管无光照时无光照时：光电二极管：光电二极管反向截止，回路中只有反向截止，回路中只有很小的反向饱和漏电流很小的反向饱和漏电流暗电流暗电流，一般为，一般为10-810-9A，相当于普，相当于普通二极管反向截止；通二极管反向截止；+RL漏电流无光照10/25/202216续续有光照时有光照时：P-N结结吸收光子能量，产吸收光子能量，产生大量的电子生大量的电子/孔孔穴对，穴对，P区和区和N区区的少数载流子浓度的少数载流子浓度提高，在反向电压提高，

8、在反向电压的作用下反向饱和的作用下反向饱和电流显著增加，形电流显著增加，形成成光电流光电流。+RL光电流有光照10/25/202217性能与用途性能与用途光电流与光通量成线性关系，适应于光照检光电流与光通量成线性关系，适应于光照检测方面的应用；测方面的应用；光电二极管动态性能好，响应速度快光电二极管动态性能好，响应速度快（10s10s）；）；但灵敏度低，温度稳定性差。但灵敏度低，温度稳定性差。光电三极管可以克服这些缺点光电三极管可以克服这些缺点。10/25/202218光敏三极管电路光敏三极管电路集电结反向偏置集电结反向偏置基极无引出线基极无引出线图2-8 NPN光敏三极管电路IeIeboIc

9、boIc10/25/202219原理原理无光照时无光照时有光照时有光照时I Icbocbo反向饱和漏电流反向饱和漏电流I Iceoceo光敏三极管暗电流光敏三极管暗电流I Ic c集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流I Ie e光敏三极管光电流光敏三极管光电流图2-8 NPN光敏三极管电路IeIeboIcbo10/25/202220应用应用 “电眼睛”光电编码器光电编码器火灾报警器火灾报警器光电控制光电控制自动化产生自动化产生条形码读出器条形码读出器机器安全设施等机器安全设施等10/25/202221光电晶体管特性光谱、伏安特性10/25/202222光电晶体管特性温度、频率特性u温度的变化对

10、光敏晶体管的亮电流和暗电温度的变化对光敏晶体管的亮电流和暗电流的影响十分显著。流的影响十分显著。u在低照度下工作时应选择锗管。在低照度下工作时应选择锗管。10/25/2022231.2.3 光生伏特效应光生伏特效应光电池光电池物理基础物理基础光生伏特效应光生伏特效应半导体材料在光的作用下产生电动势半导体材料在光的作用下产生电动势的现象的现象类型类型硒光电池硒光电池、硅光电池、硅光电池10/25/202224硒光电池原理硒光电池原理无光照时，无光照时，载流子扩散形成载流子扩散形成阻挡层阻挡层，阻止硒中空穴的进，阻止硒中空穴的进一步扩散，动平衡；一步扩散，动平衡；有光照时，有光照时，硒中激发出电子

11、硒中激发出电子空穴对空穴对，电子穿过阻挡层，电子穿过阻挡层，空穴留在硒中；空穴留在硒中；电荷积累电荷积累的结果：硒半导体的结果：硒半导体成为正极，金属成为负极。成为正极，金属成为负极。连接连接极，产生连续的光极，产生连续的光电流电流P-硒N-金属阻挡层10/25/202225光谱特性光谱特性光谱特性光谱特性硒光电池光谱响应范围：硒光电池光谱响应范围：硅光电池光谱响应范围：硅光电池光谱响应范围：0.51m10/25/202226光谱特性光谱特性光电、温度特性光电、温度特性短路工作状态短路工作状态温度补偿！温度补偿！10/25/2022271.3 普通光敏器件阵列象限探测器象限探测器光敏器件阵列光

12、敏器件阵列10/25/2022281.3.1 象限探测器作用作用确定光点在平面上的位置坐标；确定光点在平面上的位置坐标；用于准直、定位、跟踪等。用于准直、定位、跟踪等。结构结构利用光刻技术，将一整块圆形或正方形光敏器利用光刻技术，将一整块圆形或正方形光敏器件敏感面分割成若干区域；件敏感面分割成若干区域；各个区域各面积相等、形状相同、位置对称；各个区域各面积相等、形状相同、位置对称；背面仍为一体。背面仍为一体。10/25/202229划分形式：划分形式：10/25/202230原理原理光点投射到探测器上；光点投射到探测器上；各象限上光斑大小不同；各象限上光斑大小不同；光生电动势也不同：光生电动势

13、也不同：U2U1U3U4；可断定光心在第可断定光心在第4象限；象限；标定后，可知光心在标定后，可知光心在X、Y方向的坐标。方向的坐标。3241U4U3U2U1XY10/25/202231n和差坐标换算和差坐标换算Y方向：方向：X方向：方向：3241U4U3U2U1Y10/25/202232n和差测量电路和差测量电路10/25/202233n直差坐标换算直差坐标换算器件旋转器件旋转45Y方向：方向：X方向：方向：3241U4U3U2U1Y10/25/202234n直差测量电路直差测量电路10/25/202235象限探测器的特点测量精度与光强无关，只与光心位置有关；测量精度与光强无关，只与光心位置

14、有关；存在死区，光斑很小时特明显，分辨率低；存在死区，光斑很小时特明显，分辨率低；光斑落在一个象限时，失效，测量范围小。光斑落在一个象限时，失效，测量范围小。10/25/2022361.3.2 光敏二极管阵列一种低集成度的集成传感器一种低集成度的集成传感器多个光敏晶体管等间隔线性排列多个光敏晶体管等间隔线性排列集成度一般为集成度一般为1032像素片；像素片；集成封装，独立引线；集成封装，独立引线；电路复杂，用多路开关简化电路。电路复杂，用多路开关简化电路。10/25/202237多路开关输出多路开关输出10/25/2022381.4 自扫描光电二极管阵列SSPD普通光电二级管阵列普通光电二级管

15、阵列数字位移寄存器数字位移寄存器输出电路简化输出电路简化集成度提高：集成度提高：64，128，256，5124096线阵、面阵两种形式线阵、面阵两种形式电荷储存工作方式电荷储存工作方式工作原理复杂工作原理复杂10/25/2022391.4.1 像元结构N型硅表面扩散型硅表面扩散P型硅材型硅材料，形成料，形成P-N结结蒸涂蒸涂SiO2（透明）（透明）覆盖铝膜，氧化层部分覆盖铝膜，氧化层部分外露外露引出栅极、漏极、源极引出栅极、漏极、源极形成形成MOSFET场效应管场效应管SiO2N-SiP栅极栅极Al膜膜漏极漏极源极源极玻璃罩玻璃罩10/25/202240等效电路VD：理想光敏二极管：理想光敏二

16、极管Cd：结电容：结电容Ug：栅极控制电压：栅极控制电压1通；通；0短短Uc：PN结反偏电压结反偏电压RL：负载电阻：负载电阻IL ：负载电流：负载电流VT：场效应管（开关）：场效应管（开关）Ug栅极控制电压RLUcVDCdILVTU0开关开关光敏二极管光敏二极管10/25/2022411.4.2 工作过程预充电预充电放电放电(积分积分)充电充电(信号输出信号输出)放放电电充电充电.循环往复循环往复,负载上周期性的输出像元上的光信负载上周期性的输出像元上的光信号号.Ug栅极控制电压RLUcVDCdILVTU010/25/202242预充电预充电Ug=1,VT开开VD反向截止反向截止电源电源Uc

17、经经RL给给Cd充电充电UcCdVTRLP-N结上所充电荷结上所充电荷QQ=CdUc充电结束充电结束Ug=1RLUcVDCdILVTU0+10/25/202243放电放电(积分积分)Ug=0,VT关断关断Cd经经VD放电放电CdVDCd放电荷为放电荷为QQ=(Ip+Id)Ts IpTsCd电压减小为电压减小为UcdUcd=Uc-Q/CdUg=0RLUcVDCdILVTU0+暗电流暗电流IdIp亮电流亮电流10/25/202244循环充电循环充电(信号输出信号输出)Ug=1，VT开开VD反向截止反向截止Uc经经CdVTRL充电充电,Cd电压电压由由Ucd开始至开始至UcCd上充电量为上充电量为Q

18、Rl上最大电压增量为上最大电压增量为Uomax=Q/Cd =Ip(Ts/Cd)Ip与光强成正比与光强成正比Ug=1RLUcVDCdILVTU0+UcdIL Ip E10/25/2022451.4.3 线阵SSPD结构结构感光阵列感光阵列+多路开关多路开关+移位寄存器移位寄存器公共端相连公共端相连(COM)各管性能相同各管性能相同多路开关多路开关多选一多选一在时钟与脉冲的在时钟与脉冲的 作用下依此输出作用下依此输出10/25/202246移位输出_以以4 4像素像素SSPDSSPD为例为例预充电预充电:S=1 1 1 1 循环输出循环输出U0U2U1U3 1 1 1 1SVDCdVTVDCdVT

19、VDCdVTU4RLUcVDCdILVT10/25/202247U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 10/25/2022481周期周期:S=0 1 1 1 VT1关闭关闭,VD1放电放电其余截止其余截止无输出无输出U2U1U3 0 1 1 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU0XS1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U1 1 3 5U2U3U4 2 4 10/25/2022492周期周期:S=1 0 1 1VT1通通,VD1充电充电VD1输出至输出至U0VT2关闭关闭,VD2放电放电U

20、2U1U3 1 0 1 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 10/25/2022503周期周期:S=1 1 0 1VT2通通,VD2充电充电VD2输出至输出至U0VT3关闭关闭,VD3放电放电以此类推以此类推.n+1周期输出周期输出VDn充电时间充电时间时钟周期时钟周期U2U1U3 1 1 0 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU2U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 10/2

21、5/202251电流放大输出+_ILU0RsRf10/25/202252SSPD特点光电线性：光电线性：Q曝光量（曝光量（ETs)；暗电流：暗电流：室温下室温下1pA随温升加大，随温升加大，1倍倍7随积分时间增大随积分时间增大液氮致冷：积分时间可延至几小时，测微光信号液氮致冷：积分时间可延至几小时，测微光信号动态范围：动态范围：500:1 输出饱和信号与暗电流之比输出饱和信号与暗电流之比代替象限探测器代替象限探测器105 10 H10103Qmax10/25/2022531.5 PSD光电位置传感器光电位置传感器 Position Sensitive Detector 连续检测光点位置的光电元

22、件连续检测光点位置的光电元件10/25/202254一、一、PSD的工作原理的工作原理基于内光电效应。基于内光电效应。具有具有PIN三层结构的平板半导体硅片三层结构的平板半导体硅片图210 PSD结构示意图10/25/202255光点位移与光电流的关系图210 PSD结构示意图10/25/202256PSD的特点1）响应速度快，可靠性高。响应速度快，可靠性高。2）光光点点位位置置测测量量精精度度与与光光斑斑的的形形状状 无无关关，只只与与光光斑斑的的能能量量中中心心有有关关，减减小杂光日光的干扰；小杂光日光的干扰；10/25/202257PSD的特点3）光敏面上无须分割，消除了死区，光敏面上无

23、须分割，消除了死区，可连续测量光斑的位置，分辨率高，一可连续测量光斑的位置，分辨率高，一维维PSDm；4）可同时检测光点的位置和强度，）可同时检测光点的位置和强度，PSD总输出电流反映光点的光强，两极总输出电流反映光点的光强，两极电流之差反映光点的位置。电流之差反映光点的位置。10/25/202258PSD的特点5）PSD对光的波长具有对光的波长具有选择性。如图选择性。如图211是是S1543的光谱特性图，这的光谱特性图，这种器件的响应范围在种器件的响应范围在3001100nm内，峰值波长内，峰值波长在在900nm左右的红外区。左右的红外区。图211S1543 PSD的光谱响应曲线10/25/

24、202259二、二、PSD结构及其转换电路结构及其转换电路一维一维PSD图210 PSD结构示意图10/25/202260一维PSD转换电路图213 一维PSD转换电路图10/25/202261三、二维三、二维PSD结构及其转换电路结构及其转换电路图212 二维PSD的结构二维二维PSD10/25/202262二维PSD转换电路图214 二维PSD转换电路图10/25/2022631.6 1.6 光电传感器的应用光电传感器的应用10/25/202264一、烟尘浊度检测仪一、烟尘浊度检测仪光源：光源：400nm700nm光检测器范围：光检测器范围：400600nm图2-10 吸收式烟尘浊度检测仪

25、框图10/25/202265二、光电转速传感器二、光电转速传感器 图2-11 光电转速测量略去略去2例例10/25/202266光电脉冲转换电路光电脉冲转换电路 图2-12 光电脉冲转换电路10/25/202267三、路灯自动控制三、路灯自动控制 图2-13 路灯自动控制器10/25/202268原理原理当天亮时，硅光电池受光照射后，它产生当天亮时，硅光电池受光照射后，它产生电动势，使电动势，使BGBG1 1正偏压而截止，后面多级放大正偏压而截止，后面多级放大器不工作，器不工作，BGBG4 4截止，继电器不动作，路灯截止，继电器不动作，路灯回路触头断开，路灯不亮；回路触头断开，路灯不亮；当天黑

26、无光照时当天黑无光照时 ，光电池无光生电动势，使，光电池无光生电动势，使BGBG1 1的基极为低电位，的基极为低电位，BGBG1 1导通，经导通，经BGBG2 2、BGBG3 3、BGBG4 4构成多级直流放大，构成多级直流放大，BGBG4 4导通使继电器动导通使继电器动作，从而接通交流接触器，使常开触头闭合，作，从而接通交流接触器，使常开触头闭合，路灯亮。路灯亮。调节调节R R1 1可改变自动开关的灵敏度。可改变自动开关的灵敏度。10/25/202269四、光断续器应用四、光断续器应用 图2-14 料位检测透射式透射式+5V+12VU0R1R2物料物体物料发光二极管光敏三极管10/25/20

27、2270反射式反射式1-红外发光二极管 2-光敏三极管 3-外壳 4-引脚 5-物体图2-15 透射式（a）反射式光断续器(a)(b)VccVout10/25/202271产生线上的自动计数产生线上的自动计数V运输带 产品图2-16 产生线上的自动计数 发光二极管光电三极管10/25/202272五、光控自动水龙头五、光控自动水龙头 图217 光控水龙头电路图10/25/202273六、声控光敏延时开关六、声控光敏延时开关 图218 声控光敏延时开关电路10/25/202274思考题1 光电效应有哪三种类型光电效应有哪三种类型?对每一种效应对每一种效应,举举出一种传感器出一种传感器,说明其转换

28、原理说明其转换原理.2 与普通象限探测器相比较与普通象限探测器相比较,自扫描光电二极自扫描光电二极管阵列有哪些突出的优点管阵列有哪些突出的优点?3 简述自扫描光电二极管阵列的结构和光电简述自扫描光电二极管阵列的结构和光电流信号的输出过程流信号的输出过程.4 PSD光电位置传感器与象限探测器相比有光电位置传感器与象限探测器相比有何优越性何优越性?简述线阵简述线阵PSD的工作原理的工作原理.10/25/202275综合题目设计一个料位控制系统设计一个料位控制系统,功能功能能要求：能要求：当料位低于当料位低于A点时自动加料点时自动加料;当料位高于当料位高于B点时停止加料点时停止加料;当料位在当料位在A、B之间时，保持状之间时，保持状态不变。态不变。设计内容设计内容选择传感器；选择传感器；确定光电传感器安装位置，确定光电传感器安装位置，设计加料电动机控制电路设计加料电动机控制电路物料发光二极管光敏三极管AB10/25/202276谢谢！10/25/202277