光电式传感学习.pptx

《光电式传感学习.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电式传感学习.pptx（98页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1光电器件 光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。一一.外光电效应外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。外光电效应。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。定。若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子

2、逸出，则光子能量h必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即第1页/共98页2二.内光电效应 受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。大类。1 1）光电导效应光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。件有光敏电阻等。

3、2 2）光生伏特效应光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。的器件有光电池和光敏晶体管等。第2页/共98页34.1 光敏二极管1.工作原理与结构光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PN结，两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的PN结状在管壳的顶部，可直接受到光的照射，其结构和电路如图所示。第3页/共98页4没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻

4、挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,PN结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下,P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。第4页/共98页第5页/共98页6光敏二极管组成的电路(防盗报警器)平时开关K受抽屉的推力作用而断开,整个报警器不工作.白天打开抽屉,开关K接通,因VD受光,阻值变小,VT1截止,报警电路不工作,YD没有声音.夜晚打开抽屉

5、,VD阻值变大,VT1获得合适偏流而导通,IC得到工作电压,报警电路工作,并经VT2放大,推动YD发出响亮的警笛声.VD光敏二极管VT1/VT2晶体管YD扬声器IC集成电路输出音频光控开关报警电路第6页/共98页7光敏二极管组成的电路(防止翻车机翻车电路)光线被挡住时，2CU20显高阻态，VT1截止，VT2导通，VT3截止，继电器J释放，红灯亮。如果光线射到2CU20上，显低阻状态，产生光电流，使VT1饱和导通，从而使VT2截止，VT3饱和导通，J吸合，绿灯亮市电经过B降压,VD1VD4整流、C滤波，输出近30V的直流电为电路供电第7页/共98页8光敏二极管组成的电路(节电的走廊灯)白天VD1

6、阻值很小，F3的13脚呈低电位，F4的10脚低电位，VD3截止；F5的6脚呈高电位，F6的8脚低电位，VT也截止，VS无触发电压呈关断状态，H不亮夜晚VD1阻值增大，F3的13脚电位虽上升，但未达到开启F3的阈值，电路处于等待状态，故F6的8脚依然呈低电位，H依然不亮整流电路（二极管VD4VD7）、降压与滤波电路（R10与C4）、受控灯H的控制开关VS（VS导通，H亮）、光控电路（VD1、反相器F3F6、VT），声控电路（声-电转换压电陶瓷片BH，F1F6以及VD3/C3/R8）第8页/共98页9光敏二极管组成的电路(节电的走廊灯)外界有声响，BH输出电信号经过F1、F2变换，F2的4脚输出的

7、信号由C1与R3耦合至F3的13脚并达到阈值电压，F3的12脚呈低电位，F4的10脚为高电位，VD3因有正向偏压而导通，并给C3充电，F5的6脚则下降，F6的8脚呈高位，VS获得高电位而导通，H亮；无声响时，F3的13脚恢复到原电位，VD3截止，C3开始向R8放电，F6的8脚仍维持高电位，H仍亮；但经过一定时间，C3放电至一定低电位，F5的6脚变成高电位，使F6的8脚变低，VS关断，H熄灭。第9页/共98页104.2 光敏三极管光敏三极管简易测试第10页/共98页11光敏三极管组成的电路(门控电灯开关电路)从RS触发真值表可知，只有当R=0（无光），S=1（门开）时，其输出端Q才为“0”，经过

8、IC-4反相后VT2导通，继电器K吸合，电灯亮；当R=1（有光）或S=0（门闭）时，Q=1，经IC-4反相后VT2截止，继电器K释放，灯不亮；VD5、C1等组成延时电路，这样当门被打开、人进（出）后又关上时，电灯并不随之马上关闭，而是延时一段时间后再关闭。门关时，干簧因靠近磁铁被磁化而导通，S接点闭合，输出高电平“1”；门开时，S接点断开，输出低电平“0”。经过IC-3后的门控信号为：门关=0，门开=1第11页/共98页12光敏三极管组成的电路(语言电路)平常光源照射，VT1呈低阻态，VT2饱和导通，IC触发端3脚得不到正触发脉冲而不工作，扬声器无声。当VT1被物体遮挡，产生负脉冲电压，通过C

9、1耦合到VT2的基极，VT2截止，IC获得一正触发脉冲而工作，输出音频信号通过VT3放大，推动扬声器发出声响。VT1、VT2，电阻R1R3和电容C1/C2构成光控开关电路。语音集成电路IC及VT3，电阻R4、R5构成语音放大电路。第12页/共98页13光敏二极管和光敏三极管 比较光敏二极管光敏三极管光敏二极管光敏三极管第13页/共98页144.3 光敏电阻为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。1.光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接

10、入电路。第14页/共98页15第15页/共98页16第16页/共98页17第17页/共98页18光敏电阻组成的电路(延迟节能灯)白天,光敏电阻GR受光,阻值变小,与非门D1的1脚为低电平,输出锁定为高电平,与2脚输入高低无关,所以电路封锁了声音通道,即灯泡亮灭不受声音控制,这时,门D1输出的高电平经过3次反相后D4输出的为低电平,晶闸管VS不导通,灯不亮;夜间,GR呈高阻,门D1的1脚为高电平,其输出状态受2脚控制(高则D1输出为低,低则D1输出为高),没有声音时,VT7工作在饱和状态,2脚为低电平,此时D1输出为高,则同样灯不亮;夜间有声音,VT7进入放大状态,2脚为高电平,则D1输出为低,

11、经D2时给C2充电,经过D4后输出高电平,VS导通,灯亮;声音消失后,D2为低电平,因此VD6阻断,C2通过R5放电,仍能使VS导通,灯亮,当C2放电完毕,VS关断,灯自动熄灭.第18页/共98页19光敏电阻组成的电路(鉴别物体运动方向)测量时,当物体由下往上运动时候,Rs2首先被遮光,阻值增大,Rs1被光照,阻值较小,电桥失衡,UAUB,UAB0V,则VT1,VT2截止,VT3,VT4导通,继电器J1保持断开,J2吸合.当物体继续向上运动到RS1位置时,情况相反,J1吸合,J2打开.如果物体由上向下运动,则与上述情况相反,J1先吸合,J2后吸合.第19页/共98页20R RL LI I-mA

12、mAV V+P NP N当光照到当光照到PNPN结区时，如果光子能量足够大，将在结区结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子附近激发出电子-空穴对，空穴对，在在N N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P P区聚区聚积正电荷，积正电荷，这样这样N N区和区和P P区之间出现电位差。区之间出现电位差。若将若将PNPN结两端用导线连起来，电路中就结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测有电流流过。若将外电路断开，就可测出出光生电动势。光生电动势。4.4 4.4 光电池光电池第20页/共98页21特性参数第21页/共98页222.2.基本特性基本特性（）光谱特性（）光谱特性

13、故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。硅光电池的光谱峰值在硅光电池的光谱峰值在800nm800nm附附近，硒的在近，硒的在540nm540nm附近。附近。2020404060608080100100硒硒硅硅入射光波长入射光波长/nm/nm0 0 400 400 600 600 800 800 1000 1000 12001200相相对对灵灵敏敏度度/%光电池的光谱特性光电池的光谱特性第22页/共98页23(2)(2)光照特性光照特性不同光照射下有不同光电流和光生电动势。短路电流在很大范

14、围内与光强成线性关系。光电池的光照特性开路电压开路电压0.10.10.30.30.20.2照度照度/lx/lx0 2000 4000 0 2000 4000 光光生生电电流流/mmA A0.20.20.60.60.40.4光光生生电电压压/V V短路电流短路电流开路电压与光强是非线性的，且在2000 lx时趋于饱和。光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。第23页/共98页24(3)(3)频率特性频率特性硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。光电池的频率特性是反映光的交

15、光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。变频率和光电池输出电流的关系。光电池的频率特性2020404060608080100100硒光电池硒光电池硅光电池硅光电池0 0 1500 1500 3000 3000 4500 4500 6000 6000 75007500相相对对光光电电流流/%入射光调制频率入射光调制频率/Hz/Hz第24页/共98页25(4)(4)温度特性温度特性主要描述光电池的主要描述光电池的开路电压开路电压和和短路短路电流电流随温度变化的情况。随温度变化的情况。开路电压开路电压随温度升高而下降的速度较快。随温度升高而下降的速度较快。短路电流短路电流随温度升高

16、而缓慢增加。随温度升高而缓慢增加。因此作测量元件时应考虑进行温补。因此作测量元件时应考虑进行温补。光电池的温度特性开路电压开路电压温度温度/光光生生电电流流/mmA A1.81.82.22.22.02.0光光生生电电压压/V V短路电流短路电流1001002002003003004004005005000 20 40 60 80 1000 20 40 60 80 100第25页/共98页26(5)(5)伏安特性伏安特性当硅光电池接上负载当硅光电池接上负载R R时时,硅光电池可以工作在反向偏硅光电池可以工作在反向偏置电压状态或无偏压状态置电压状态或无偏压状态:有图可看到有图可看到,在一定光照下在

17、一定光照下,负载曲线在电流轴上的截距负载曲线在电流轴上的截距是是短路电流短路电流,在电压轴上的截距即为在电压轴上的截距即为开路电压。开路电压。第26页/共98页274.5 4.5 高速光电二极管高速光电二极管1.PIN1.PIN结光电二极管结光电二极管P PI IN N P P、N N间加了层很厚的高电阻率间加了层很厚的高电阻率 的本征半的本征半 导体导体I I。P P层做的很薄层做的很薄。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。第27页/共98页28 PIN光电二极管偏压偏压价带价带导带导带信号光信号光信号光信号光电极电极电极电极输出端输出端P I NP I

18、N由于由于P P层很薄，大量的光被较厚的层很薄，大量的光被较厚的I I层吸收，层吸收，激发较多的载流子形成光电流；激发较多的载流子形成光电流；又又PINPIN结光电二极管加较高的反偏置电压，结光电二极管加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。使其耗尽层加宽。在交界处形成电子和空穴的浓度差别，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，N N区区的电子要向的电子要向P P区扩散区扩散,留下带正电的杂质离留下带正电的杂质离子，子，P P区空穴向区空穴向N N区扩散区扩散,留下带负电的杂质留下带负电的杂质离子，即在交界处形成了很薄的空间电荷离子，即在交界处形成了很薄的空间电荷区区(耗尽层耗尽层)，耗尽层的电阻率很

19、高。，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，扩散越强，耗尽层越宽，PNPN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。PINPIN结光电二极管仍然具有一般结光电二极管仍然具有一般PNPN结光电二极管的线性特性。结光电二极管的线性特性。工作原理第28页/共98页29 4.4.雪崩式光电二极管（雪崩式光电二极管（APDAPD）在在PNPN结的结的P P区外增加一层掺杂区外增加一层掺杂浓度极高的浓度极高的P P+层，且在其上层，且在其上加上加上高反偏压。高反偏压。偏压偏压输出端输出端价

20、带价带导带导带信号光信号光信号光信号光电极电极电极电极P P+I N I N 雪崩式二极管当光入射到当光入射到PNPN结时，结时，光子被吸收光子被吸收而产生电子而产生电子-空穴对。如果电压增空穴对。如果电压增加到使电场达到加到使电场达到200 kV/cm200 kV/cm以上，以上，初始电子（一次电子）在高电场区初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电使晶格原子电离，产生新的电子离，产生新的电子-空穴对空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，新产生的二次电子再次和原子

21、碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增 第29页/共98页30光电转换效率高光电转换效率高漂移时间小，响应速度高漂移时间小，响应速度高（2 2）APDAPD雪崩式光电二极管雪崩式光电二极管（1 1）PINPIN结光电二极管结光电二极管高掺杂浓度的高掺杂浓度的P P+层，层，响应时间极短响应时间极短碰撞电离，碰撞电离，二次电子发射二次电子发射雪崩倍增，灵敏度高雪崩倍增，灵敏度高高速高速二极二极管基管基本特本特性性第30页/共98页31由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料锑

22、铯锑铯做成，次阴极做成，次阴极是是在镍或铜在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达形成。次阴极可达3030级。通常为级。通常为12141214级。级。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。4.6 4.6 光电倍增管及其基本特性光电倍增管及其基本特性IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT第31页/共98页32入入射射光光阴极阴极K K第第一一倍倍增增

23、极极第第二二倍倍增增极极第第三三倍倍增增极极第第四四倍倍增增极极阳极阳极A A当光子照射至光阴极上时当光子照射至光阴极上时,由于光电效应由于光电效应,致使从光阴极表面上逸出相应数目的光电子致使从光阴极表面上逸出相应数目的光电子.由于相邻电极之间的电压逐渐增高由于相邻电极之间的电压逐渐增高,在电场作用下在电场作用下,电子将被加速轰击到第一倍增极上电子将被加速轰击到第一倍增极上,发发射出成倍的二次电子射出成倍的二次电子.继而它们又轰击第二倍增极继而它们又轰击第二倍增极,依次下去依次下去,电子逐级倍增电子逐级倍增.最后聚集到阳极上的电子数目最后聚集到阳极上的电子数目,可以达到阴极发射电子的可以达到阴

24、极发射电子的10108 8倍倍.第32页/共98页33光电倍增管的电流放大倍数为如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则in 因此阳极电流为i in,M与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。主要参数：主要参数：1.倍增系数M：等于各个倍增电极的二次发射电子数i的乘积。第33页/共98页34一个光子在阴极能够打出的平均电子一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做数叫做光电阴极的灵敏度光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电子数一个光子在阳极上产生的平均电子数叫叫光电倍增管的总灵敏度光电倍增管的总灵敏度.(2)(2)光电阴极

25、灵敏度和光电管的总灵敏度光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度由图可见由图可见,最大灵敏度可达最大灵敏度可达10A/lm10A/lm极间电压越高极间电压越高,灵敏度越高灵敏度越高;但极间电压也不能太高但极间电压也不能太高,太高反而太高反而会使阳极电流不稳会使阳极电流不稳.25 50 75 100 12525 50 75 100 12510106 6极间电压极间电压/V/V倍增系数倍增系数MM10105 510104 410103 3第34页/共98页35（3 3）暗电流和本底电流）暗电流和本底电流由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有

26、光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。在阴极前面放置的在阴极前面放置的闪烁体闪烁体受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管会有电流信号输出电倍增管会有电流信号输出,称为本底脉冲。称为本底脉冲。(4)(4)光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的相似。与相同材料的光电管的相似。第35页/共98页36国产光电倍增管的技术参数国产光电倍增管的技术参数第36页/共98页374.7 色敏光电传感器1.结构与基本原理u色敏光电传感器相当于两支结构不同的光电二极管的组合，故又称光电双结二极管

27、uP+-N-P不是晶体管，而是结深不同的两个P-N结二极管，浅结的二极管是P+-N结；深结的二极管是P-N结。u不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件第37页/共98页382.基本特性1）光谱特性u图中VD1代表浅结二极管 VD2代表深结二极管第38页/共98页392）短路电流比波长特性 短路电流比波长特性是表征半导体色敏器件对波长的短路电流比波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。第39页/共98页404.84.8、光位置传感器、光位置传感器光位置传感器的结

28、构光位置传感器的结构二维面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器第40页/共98页411.PSD器件的工作原理 当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出。设p型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过n型层上电极的电流I0为I1和I2之和。I0=I1+I2 第41页/共98页421.一维PSD器件 一维PSD器件主要用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量的装置。图3-34（a）为典型一维PSD器件S1543的结构示意图，其中1和2为信号电极，3为

29、公共电极。它的光敏面为细长的矩形条。第42页/共98页43 图3-35所示，为一维PSD位置检测电路原理图，光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4，放大器A3为加法电路，完成光电流I1与I2相加的运算（放大器A5用来调整运算后信号的相位）；放大器A4用作减法电路，完成光电流I2与I1相减的运算。第43页/共98页442.二维PSD器件 如图3-36（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上设置2对电极，分别标注为Y1，Y2和X3，X4，其公共N极常接电源Ubb。二维PSD器件的等效电路如图3-36（b）所示 第44

30、页/共98页454.9 热探测器一一.红外辐射红外辐射 红外辐射俗称红外辐射俗称红外线红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76-0.76-1000m,1000m,红外线在电磁波谱中的位置如下图。红外线在电磁波谱中的位置如下图。红外辐射的物理本质:热辐射,一个物体向外辐射的能量大部分通过红外线辐射.物体表面温度越高,辐射的红外线越多,能量就越强.物体吸收红外线转变成热能.第45页/共98页46二.红外光传感器的工作原理与结构 红外光传感器按工作原理可分

31、为红外光传感器按工作原理可分为光量子型光量子型和和热电型热电型两两大类。大类。光量子型光量子型可直接把红外光转换成电能可直接把红外光转换成电能。如，红外光敏。如，红外光敏电阻和红外电阻和红外PNPN结型光生伏特器件，用于遥感成像方面。结型光生伏特器件，用于遥感成像方面。热电型热电型吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，电学性能发生变化电学性能发生变化，人们利用这个现象制成了测量光，人们利用这个现象制成了测量光辐射的器件。如红外热释电传感器。辐射的器件。如红外热释电传感器。红外光电能热能第46页/共98页471.热释电效应对于某些材料对于某些材料 (如锆

32、钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘肽等如锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘肽等)，具有，具有自发极化自发极化的特征。的特征。自发极化与温度有很大关系。若温度因吸收红外光而升高，则极自发极化与温度有很大关系。若温度因吸收红外光而升高，则极化强度减少，使单位面积上极化电荷减少，释放一定量的吸附电化强度减少，使单位面积上极化电荷减少，释放一定量的吸附电荷；荷；若与一个电阻连成回路，会形成电流，如图所示。若与一个电阻连成回路，会形成电流，如图所示。这种因温度变化引起自发极化值发生变化的现象称为热释电效应第47页/共98页48通过采用陶瓷薄片使光照材料的温度达到热平衡(吸热等于放热时温度不再变化),此时热

33、释电效应只能探测辐射的变化.由实验证实，电阻上压降的变化为由于dT/dt与红外线强度的变化成正比，结合上式，可得出输出电压正比与红外线强度的变化。第48页/共98页492.单元件热释电传感器的结构和等效电路第49页/共98页503.双元件（双元型）红外传感器 此传感器专门用来检测人体此传感器专门用来检测人体辐射的红外线能量。市场上常辐射的红外线能量。市场上常见有国产的见有国产的SD02SD02、PH5324PH5324，日，日本的本的SCA02-1SCA02-1，美国的，美国的P2288P2288等。等。SD02SD02由由敏感单元、场效应管、敏感单元、场效应管、高阻抗变换管、滤光窗高阻抗变换

34、管、滤光窗等组成，等组成，并在并在氦气环境下封装氦气环境下封装而成。而成。第50页/共98页51应用(红外测温仪)红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。第51页/共98页52应用(红外线气体分析仪)红外线气体分析仪是根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而工作的分析仪表。测量这种吸收光谱可判别出气体的种类；测量吸收强度可

35、确定被测气体的浓度。红外线分析仪的使用范围宽，不仅可分析气体成分，也可分析溶液成分，且灵敏度较高，反应迅速,能在线连续指示,也可组成调节系统。工业上常用的红外线气体分析仪的检测部分由两个并列的结构相同的光学系统组成。第52页/共98页53一个是测量室，一个是参比室。两室通过切光板以一定周期同时或交替开闭光路。在测量室中导入被测气体后，具有被测气体特有波长的光被吸收，从而使透过测量室这一光路而进入红外线接收气室的光通量减少。气体浓度越高，进入到红外线接收气室的光通量就越少；而透过参比室的光通量是一定的，进入到红外线接收气室的光通量也一定。因此，被测气体浓度越高，透过测量室和参比室的光通量差值就越

36、大。这个光通量差值是以一定周期振动的振幅投射到红外线接收气室的。接收气室用几微米厚的金属薄膜分隔为两半部，室内封有浓度较大的被测组分气体，在吸收波长范围内能将射入的红外线全部吸收，从而使脉动的光通量变为温度的周期变化，再可根据气态方程使温度的变化转换为压力的变化，然后用电容式传感器来检测，经过放大处理后指示出被测气体浓度。第53页/共98页54除用电容式传感器外，也可用直接检测红外线的量子式红外线传感器，并采用红外干涉滤光片进行波长选择和配以可调激光器作光源，形成一种崭新的全固体式红外气体分析仪。这种分析仪只用一个光源、一个测量室、一个红外线传感器就能完成气体浓度的测量。此外，若采用装有多个不

37、同波长的滤光盘，则能同时分别测定多组分气体中的各种气体的浓度。与红外线分析仪原理相似的还有紫外线分析仪、光电比色分析仪等，在工业上也用得较多。第54页/共98页554.10 4.10 光固态图象传感器光固态图象传感器 光固态图象传感器由光固态图象传感器由光敏元件阵列光敏元件阵列和和电荷转移器件电荷转移器件集合而成。集合而成。它的核心是电荷转移器件它的核心是电荷转移器件CTDCTD（Charge Transfer DeviceCharge Transfer Device），最），最常用的是电荷耦合器件常用的是电荷耦合器件CCDCCD（Charge Coupled DeviceCharge Cou

38、pled Device）。由于它）。由于它具有具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，等功能，以及集成度高、功耗低的优点，因此被广泛地应用。以及集成度高、功耗低的优点，因此被广泛地应用。广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。第55页/共98页561 1CCDCCD的结构和基本原理的结构和基本原理uuCCDCCD是一种半导体器件，由若干个电荷耦合单元组成。是一种半导体器件，由若干个电荷耦合单元组成。uuCCDCCD的最小单元是在的最小单元是在P P型（或型（或N N型）硅衬底上生长一层厚约型）硅衬底上生长一层厚约120n

39、m120nm的的SiOSiO2 2，再在，再在SiOSiO2 2层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属构成金属-氧化物氧化物-半导体的电容式转移器。半导体的电容式转移器。uu其中，其中，“金属金属”为为SiOSiO2 2层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅栅极极”；半导体硅作为底电极，俗称；半导体硅作为底电极，俗称“衬底衬底”；“氧化物氧化物”为两电极之间为两电极之间夹的绝缘体夹的绝缘体SiOSiO2 2。第56页/共98页57当有当有1 1束光线投射到束光线投射到MOSMOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进

40、入电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P P型型SiSi衬衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子空穴对，电子空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的电子跃迁形成电子空穴对，电子空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱势阱”中。中。第57页/共98页58A、势阱的产生 MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电

41、的载流子形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于U的大小。第58页/共98页59在在金金属属电电极极（栅栅极极）上上加加正正向向电电压压 GG时时，由由此此形形成成的的电电场场穿穿过过SiOSiO2 2 薄薄层层，吸吸引引硅硅中中的的电电子子在在SiSiOSiSiO2 2的的界界面面上上，而而排排斥斥SiSiSiOSiO2 2界界面面附附近近的的空空穴穴，因因此此形形成成一一个个表表面面带带负负电电荷荷，而而里里面面没没有电子和空穴的耗尽区。有电子和空穴的耗尽区。与与此此同同时时，SiSiSiOSiO2 2界界面面处处的的电电势势（称称表表面面势势 S S）发发生生相相应应变变化化，若若取

42、取硅硅衬衬底底内内的的电电位位为为零零，表表面面势势 S S的的正正值值方方向向朝朝下下。当当金金属属电电极极上上所所加加的的电电压压 GG超超过过MOSMOS晶晶体体上上开开启启电电压压时时，SiSiSiOSiO2 2界界面面可可存存储储电电子子。由由于于电电子子在在那那里里势势能能较较低低，可可以以形形象象地地说说，半半导导体体表表面面形形成成了了电电子子势势阱阱，习惯称贮存在习惯称贮存在MOSMOS势阱中的电荷为电荷包。势阱中的电荷为电荷包。对于对于N N型硅衬底的型硅衬底的CCDCCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。第59页/共98页60

43、B、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。第60页/共98页612.读出移位寄存器是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移并传输出来。A、电荷的定向转移 当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。第61页/共98页6

44、2(a)(a)初初 始始 状状 态态；(b)(b)电电 荷荷 由由 电电 极极 向向 电电 极极 转转 移移；(c)(c)电电 荷荷 在在、电电 极极 下下 均均 匀匀 分分 布布；(d)(d)电荷继续由电荷继续由电极向电极向电极转移；电极转移；(e)(e)电荷完全转移到电荷完全转移到电极；电极；(f)3(f)3相交叠脉冲。相交叠脉冲。(a)(b)(c)(e)(f)(g)第62页/共98页63假假设设电电荷荷最最初初存存储储在在电电极极(加加有有10V10V电电压压)下下面面的的势势阱阱中中，如如图图2(a)2(a)所所示示，加加在在CCDCCD所所有有电电极极上上的的电电压压，通通常常都都要

45、要保保持持在在高高于于某某一一临临界界值值电电压压VthVth，VthVth称称为为CCDCCD阈阈值值电电压压，设设Vth=2VVth=2V。所所以以每每个个电电极极下下面面都都有有一一定定深深度度的的势势阱阱。显显然然，电电极极下下面面的的势势阱阱最最深深，如如果果逐逐渐渐将将电电极极的的电电压压由由2V2V增增加加到到10V10V，这这时时，、两两个个电电极极下下面面的的势势阱阱具具有有同同样样的的深深度度，并并合合并并在在一一起起，原原先先存存储储在在电电极极下下面面的的电电荷荷就就要要在在两两个个电电极极下下面面均均匀匀分分布布，如如图图2(b)2(b)和和(c)(c)所所示示，然然

46、后后再再逐逐渐渐将将电电极极下下面面的的电电压压降降到到2V2V，使使其其势势阱阱深深度度降降低低，如如图图2 2中中(d)(d)和和(e)(e)所所示示，这这时时电电荷荷全全部部转转移移到到电电极极下下面面的的势势阱阱中中，此此过过程程就就是是电电荷荷从从电电极极到到电电极极的的转转移移过过程程。如如果果电电极极有有许许多多个个，可可将将其其电电极极按按照照1 1、4 4、77，2 2、5 5、88和和3 3、6 6、99的的顺顺序序分分别别连连在在一一起起，加加上上一一定定时时序序的的驱驱动动脉脉冲冲，如如图图2(f)2(f)所所示示，即即可可完完成成电电荷荷从从左左向向右右转转移移的的过

47、过程程。用用3 3相时钟驱动的相时钟驱动的CCDCCD称为称为3 3相相CCDCCD。(a)(b)(c)(e)(f)(g)第63页/共98页64B、三相、三相CCD电极的结构电极的结构 MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由接在一起。由3个相位差个相位差120时钟脉冲驱动。时钟脉冲驱动。第64页/共98页65C、电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管.二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。第65页/共98页663

48、线型CCD图像传感器 线线型型CCDCCD图图像像传传感感器器由由一一列列光光敏敏元元件件与与一一列列CCDCCD并并行行且且对对应应的的构构成成一一个个主主体体,在在它它们们之之间间设设有有一一个个转转移移控控制制栅栅,如如图图所所示示。在在每每一一个个光光敏敏元元件件上上都都有有一一个个梳梳状状公公共共电电极极,由由一一个个P P型型沟沟阻阻使使其其在在电电气气上上隔隔开开。当当入入射射光光照照射射在在光光敏敏元元件件阵阵列列上上,梳梳状状电电极极施施加加高高电电压压时时,光光敏敏元元件件聚聚集集光光电电荷荷,进进行行光光积分积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。光电荷与光照强度和光积

49、分时间成正比。在光积分时间结束时在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高转移栅上的电压提高(平时低电压平时低电压),),与与CCDCCD对应的电极也同时处于高电压状态。对应的电极也同时处于高电压状态。然后然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕毕,转移栅电压降低转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时准备下一次光积分周期。同时,在电荷在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储

50、的电荷从将存储的电荷从CCDCCD中转移中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。从而读出电荷图形。第66页/共98页67实实用用的的线线型型CCDCCD图图像像传传感感器器为为双双行行结结构构，如如图图（b b）所所示示。单单、双双数数光光敏敏元元件件中中的的信信号号电电荷荷分分别别转转移移到到上上、下下方方的的移移位位寄寄存存器器中中，在在控控制制脉脉冲冲的的作作用用下下，自自左左向右移动，在输出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序。向右移动，在输出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序