新型固态光电传感器.pptx

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1、2023年2月12日1第一章 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第1页/共77页2023年2月12日2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器PSD第2页/共77页2023年2月12日31 光电效应定义：物质由于光的作用而产生电流、电压，或电导率变化的现象分类：外光电效应(电子发射效应)内光电效应光电导效应光

2、生伏特效应第3页/共77页2023年2月12日41.1 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+_光电子光子光电流方向光电子流向外光电效应第4页/共77页2023年2月12日51.1.1 原理与结构 光照物质电子获能逸出表面光电流 (光子)(光电子)光电流正比于光强度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材料:银氧铯锑铯镁化镉等举例:光电管光电倍增管第5页/共77页2023年2月12日61.1.2 1.1.2 真空光电管1.组成：光电阴极阳极A透明外壳2.结构与测量电路：阳极阴极结构IURE测量电路

3、第6页/共77页2023年2月12日7真空光电管的特点线性度好;灵敏度低；测量弱光时，光电流很小，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 第7页/共77页2023年2月12日81.1.3 光电倍增管组成：光电阴极K阳极A倍增极外壳结构原理及测量电路第8页/共77页2023年2月12日9光电倍增管的特点很高的放大倍数（可达106）；适应弱光测量；工作电压高,一般需冷却。例如：0.1流明（lm）光通量时，光电管产生光电流为5A;0.0001流明光通量时，光电倍增管的光电流为1000 A。相差1000200倍第9页/共77页2023年2月12日101.2 1.

4、2 内光电效应 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，在一定方向产生电动势的现象。第10页/共77页2023年2月12日111.2.1 光电导效应光敏电组光照半导体材料电子空穴对激发分裂 导电粒子增加电导率增加光电流光的选择性暗电阻:10100M亮电阻:10k用途:测光/光导开关材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅mAI第11页/共77页2023年2月12日12光敏电阻的特性紫外10nm-0.4um红外0.76-1000um可见光0.38-0.76第12页/共77页2023年2月12日13光谱特性硫化镉：可见光区域,=

5、0.40.76m 峰值0.7m硫化铊：可见光及近红外区,=0.51.7m 峰值:1.21.3m硫化铅：可见光至中红外区,=0.53m 峰值2.5m 根据光谱范围选用！第13页/共77页2023年2月12日141.2.2 光电导效应光敏晶体管结构与普通晶体管相似，但P-N结具有光敏特性。二极管在电路中处于反向工作状态。第14页/共77页2023年2月12日15光敏二极管无光照时：光电二极管反向截止，回路中只有很小的反向饱和漏电流暗电流，一般为10-810-9A，相当于普通二极管反向截止；+RL漏电流无光照第15页/共77页2023年2月12日16续有光照时：P-N结吸收光子能量，产生大量的电子/

6、孔穴对，P区和N区的少数载流子浓度提高，在反向电压的作用下反向饱和电流显著增加，形成光电流。+RL光电流有光照第16页/共77页2023年2月12日17性能与用途光电流与光通量成线性关系，适应于光照检测方面的应用；光电二极管动态性能好，响应速度快（10s）；但灵敏度低，温度稳定性差。光电三极管可以克服这些缺点。第17页/共77页2023年2月12日18光敏三极管电路集电结反向偏置基极无引出线图2-8 NPN光敏三极管电路IeIeboIcboIc第18页/共77页2023年2月12日19原理无光照时有光照时Icbo反向饱和漏电流Iceo光敏三极管暗电流Ic集电结反向饱和电流Ie光敏三极管光电流图

7、2-8 NPN光敏三极管电路IeIeboIcbo第19页/共77页2023年2月12日20应用 “电眼睛”光电编码器火灾报警器光电控制自动化产生条形码读出器机器安全设施等第20页/共77页2023年2月12日21光电晶体管特性光谱、伏安特性第21页/共77页2023年2月12日22光电晶体管特性温度、频率特性u温度的变化对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。第22页/共77页2023年2月12日231.2.3 光生伏特效应光电池物理基础光生伏特效应半导体材料在光的作用下产生电动

8、势的现象类型硒光电池、硅光电池第23页/共77页2023年2月12日24硒光电池原理无光照时，载流子扩散形成阻挡层，阻止硒中空穴的进一步扩散，动平衡；有光照时，硒中激发出电子空穴对，电子穿过阻挡层，空穴留在硒中；电荷积累的结果：硒半导体成为正极，金属成为负极。连接极，产生连续的光电流P-硒N-金属阻挡层第24页/共77页2023年2月12日25光谱特性光谱特性硒光电池光谱响应范围：0.30.7m硅光电池光谱响应范围：0.51m第25页/共77页2023年2月12日26光谱特性光电、温度特性短路工作状态短路工作状态温度补偿！温度补偿！第26页/共77页2023年2月12日271.3 普通光敏器件

9、阵列象限探测器光敏器件阵列第27页/共77页2023年2月12日281.3.1 象限探测器作用确定光点在平面上的位置坐标；用于准直、定位、跟踪等。结构利用光刻技术，将一整块圆形或正方形光敏器件敏感面分割成若干区域；各个区域各面积相等、形状相同、位置对称；背面仍为一体。第28页/共77页2023年2月12日29划分形式：第29页/共77页2023年2月12日30原理光点投射到探测器上；各象限上光斑大小不同；光生电动势也不同：U2U1U3U4；可断定光心在第4象限；标定后，可知光心在X、Y方向的坐标。3241U4U3U2U1XY第30页/共77页2023年2月12日31n和差坐标换算和差坐标换算Y

10、方向：X方向：3241U4U3U2U1Y第31页/共77页2023年2月12日32n和差测量电路和差测量电路第32页/共77页2023年2月12日33n直差坐标换算直差坐标换算器件旋转器件旋转45Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y第33页/共77页2023年2月12日34n直差测量电路直差测量电路第34页/共77页2023年2月12日35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；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。第35页/共77页2023年2月12日361.3.2 光敏二极管阵列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集

11、成度一般为1032像素片；集成封装，独立引线；电路复杂，用多路开关简化电路。第36页/共77页2023年2月12日37多路开关输出第37页/共77页2023年2月12日381.4 自扫描光电二极管阵列SSPD普通光电二级管阵列数字位移寄存器输出电路简化集成度提高：64，128，256，5124096线阵、面阵两种形式电荷储存工作方式工作原理复杂第38页/共77页2023年2月12日391.4.1 像元结构N型硅表面扩散P型硅材料，形成P-N结蒸涂SiO2（透明）覆盖铝膜，氧化层部分外露引出栅极、漏极、源极形成MOSFET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第3

12、9页/共77页2023年2月12日40等效电路VD：理想光敏二极管Cd：结电容Ug：栅极控制电压1通；0短Uc：PN结反偏电压RL：负载电阻IL ：负载电流VT：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第40页/共77页2023年2月12日411.4.2 工作过程预充电放电(积分)充电(信号输出)放电充电.循环往复,负载上周期性的输出像元上的光信号.Ug栅极控制电压RLUcVDCdILVTU0第41页/共77页2023年2月12日42预充电Ug=1,VT开VD反向截止电源Uc经RL给Cd充电UcCdVTRLP-N结上所充电荷QQ=CdUc充电结束

13、Ug=1RLUcVDCdILVTU0+第42页/共77页2023年2月12日43放电(积分)Ug=0,VT关断Cd经VD放电CdVDCd放电荷为QQ=(Ip+Id)Ts IpTsCd电压减小为UcdUcd=Uc-Q/CdUg=0RLUcVDCdILVTU0+暗电流IdIp亮电流第43页/共77页2023年2月12日44循环充电(信号输出)Ug=1，VT开VD反向截止Uc经CdVTRL充电,Cd电压由Ucd开始至UcCd上充电量为QRl上最大电压增量为Uomax=Q/Cd =Ip(Ts/Cd)Ip与光强成正比Ug=1RLUcVDCdILVTU0+UcdIL Ip E第44页/共77页2023年2

14、月12日451.4.3 线阵SSPD结构感光阵列+多路开关+移位寄存器公共端相连(COM)各管性能相同多路开关多选一在时钟与脉冲的 作用下依此输出第45页/共77页2023年2月12日46移位输出_以以4 4像素像素SSPDSSPD为例为例预充电:S=1 1 1 1 循环输出U0U2U1U3 1 1 1 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT第46页/共77页2023年2月12日47U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 第47页/共77页2023年2月12日481周期:S=0 1 1 1 VT1关闭,VD1放

15、电其余截止无输出U2U1U3 0 1 1 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU0XS1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U1 1 3 5U2U3U4 2 4 第48页/共77页2023年2月12日492周期:S=1 0 1 1VT1通,VD1充电VD1输出至U0VT2关闭,VD2放电U2U1U3 1 0 1 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 第49页/共77页2023年2月12日503周期:S=1 1 0 1VT

16、2通,VD2充电VD2输出至U0VT3关闭,VD3放电以此类推.n+1周期输出VDn充电时间时钟周期U2U1U3 1 1 0 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU2U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 第50页/共77页2023年2月12日51电流放大输出+_ILU0RsRf第51页/共77页2023年2月12日52SSPD特点光电线性：Q曝光量（ETs)；暗电流：室温下1pA随温升加大，1倍7随积分时间增大液氮致冷：积分时间可延至几小时，测微光信号动态范围：500:1 输出饱和信号与暗电流之比代替象限探

17、测器105 10 H10103Qmax第52页/共77页2023年2月12日531.5 PSD光电位置传感器 Position Sensitive Detector 连续检测光点位置的光电元件第53页/共77页2023年2月12日54一、PSD的工作原理基于内光电效应。具有PIN三层结构的平板半导体硅片图210 PSD结构示意图第54页/共77页2023年2月12日55光点位移与光电流的关系光点位移与光电流的关系图210 PSD结构示意图第55页/共77页2023年2月12日56PSD的特点的特点1）响应速度快，可靠性高。2）光点位置测量精度与光斑的形状 无关，只与光斑的能量中心有关，减小杂光

18、日光的干扰；第56页/共77页2023年2月12日57PSD的特点的特点3）光敏面上无须分割，消除了死区，可连续测量光斑的位置，分辨率高，一维PSD可达0.02m；4）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，两极电流之差反映光点的位置。第57页/共77页2023年2月12日58PSD的特点的特点5）PSD对光的波长具有选择性。如图211是S1543的光谱特性图，这种器件的响应范围在3001100nm内，峰值波长在900nm左右的红外区。图211S1543 PSD的光谱响应曲线第58页/共77页2023年2月12日59二、PSD结构及其转换电路一维PSD图210 PSD结构示

19、意图第59页/共77页2023年2月12日60一维一维PSDPSD转换电路转换电路图213 一维PSD转换电路图第60页/共77页2023年2月12日61三、二维PSD结构及其转换电路图212 二维PSD的结构二维PSD第61页/共77页2023年2月12日62二维二维PSDPSD转换电路转换电路图214 二维PSD转换电路图第62页/共77页2023年2月12日631.6 1.6 光电传感器的应用第63页/共77页2023年2月12日64一、烟尘浊度检测仪光源：400nm700nm光检测器范围：400600nm图2-10 吸收式烟尘浊度检测仪框图第64页/共77页2023年2月12日65二、

20、光电转速传感器 图2-11 光电转速测量略去2例第65页/共77页2023年2月12日66光电脉冲转换电路 图2-12 光电脉冲转换电路第66页/共77页2023年2月12日67三、路灯自动控制三、路灯自动控制 图2-13 路灯自动控制器第67页/共77页2023年2月12日68原理当天亮时，硅光电池受光照射后，它产生0.20.5电动势，使BG1正偏压而截止，后面多级放大器不工作，BG4截止，继电器不动作，路灯回路触头断开，路灯不亮；当天黑无光照时，光电池无光生电动势，使BG1的基极为低电位，BG1导通，经BG2、BG3、BG4构成多级直流放大，BG4导通使继电器动作，从而接通交流接触器，使常

21、开触头闭合，路灯亮。调节R1可改变自动开关的灵敏度。第68页/共77页2023年2月12日69四、光断续器应用四、光断续器应用 图2-14 料位检测透射式+5V+12VU0R1R2物料物体物料发光二极管光敏三极管第69页/共77页2023年2月12日70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)VccVout第70页/共77页2023年2月12日71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第71页/共77页2023年2月12日72五、光控自动水龙头五、光控自动水龙头 图21

22、7 光控水龙头电路图第72页/共77页2023年2月12日73六、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第73页/共77页2023年2月12日74思考题1 光电效应有哪三种类型?对每一种效应,举出一种传感器,说明其转换原理.2 与普通象限探测器相比较,自扫描光电二极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何优越性?简述线阵PSD的工作原理.第74页/共77页2023年2月12日75综合题目设计一个料位控制系统,功能能要求：当料位低于A点时自动加料;当料位高于B点时停止加料;当料位在A、B之间时，保持状态不变。设计内容选择传感器；确定光电传感器安装位置，设计加料电动机控制电路物料发光二极管光敏三极管AB第75页/共77页2023年2月12日76谢谢！谢谢！第76页/共77页2023年2月12日77感谢您的观看。第77页/共77页