光電傳感技術

第2章光電式傳感器

將光量轉換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后通過光電轉換元件變換成電信號。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此在檢測和控制領域內得到廣泛應用。光電傳感器的工作基礎是光電效應。光輻射測量方法人眼照片膠片光電探測器光探測器2.1光電傳感器的物理效應因光照而引起物體電學特性的改變統(tǒng)稱為光電效應1905年愛因斯坦發(fā)表的相對論而聞名于世1925年他獲得諾貝爾獎是因發(fā)現(xiàn)光電效應光電傳感器的物理效應分類光電傳感器光熱效應光子效應外光電效應

內光電效應

光電發(fā)射效應

光電管、光電倍增管光電導光敏電阻、光導管光生伏特

光電池、光電二極管

測輻射熱

熱敏電阻、測輻射熱計

溫差電

熱電，熱電堆

熱釋電

熱釋電探測器

金屬或半導體受光照時，如果入射的光子能量hν足夠大，它和物質中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱為外光電效應

當光照射到物體上使物體向真空中發(fā)射電子

當光照物體時，光電子不逸出體外的光電效應稱為內光電效應光照使材料的電導率發(fā)生變化光照使材料產生產生光生電動勢

單個光子直接對產生光電子起作用的光電效應探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內部電子狀態(tài)的改變，而把吸收的光能轉變?yōu)榫Ц駸徇\動，引起探測元件溫度上升；溫升使探測元件的電學性質發(fā)生變化外光電效應

一束光是由一束以光速運動的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。光子具有能量，每個光子具有的能量由下式確定：

E=hυ（2-1）式中：h——普朗克常數(shù)=6.626×10-34(J·s)

υ——光的頻率（s-1）。

所以光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。在光線作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫光電子?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽堋⒐怆姳对龉艿?。光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面，產生光電子發(fā)射，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。根據(jù)能量守恒定理E=hυ（2-2）式中：m——電子質量；

v0——電子逸出速度。

式（2-2）為愛因斯坦光電效應方程式,由式可知：光子能量必須超過逸出功A0，才能產生光電子；入射光的頻譜成分不變，產生的光電子與光強成正比；光電子逸出物體表面時具有初始動能 ，因此對于外光電效應器件，即使不加初始陽極電壓，也會有光電流產生，為使光電流為零，必須加負的截止電壓。優(yōu)異的光電發(fā)射材料應滿足：（1）對光的吸收系數(shù)大，以便體內有較多的電子受到激發(fā)；（2）受激電子最好是發(fā)生在表面附近，這樣向表面運動過程中損失的能量少；（3）材料的逸出功要小，使到達真空界面的電子能夠比較容易地逸出；（4）另外，作為光電陰極，其材料還要有一定的電導率，以便能夠通過外電源來補充因光電發(fā)射所失去的電子。常規(guī)光電陰極

用于常用真空光電器件中。根據(jù)國際電子工業(yè)協(xié)會規(guī)定，按其出現(xiàn)的先后順序，以S為字頭排成序號。光譜響應編號光電發(fā)射材料窗材料工作方式半透為T反射為R峰值波長mm積分靈敏度mA

lm-1

max處輻射響應度

max處量子效率%25?C下暗電流fA

mm-2S-1Ag-O-Cs石灰玻璃T,R0.800302.80.43900S-3Ag-O-Rb石灰玻璃R0.426.51.80.53~S-4Cs-Sb石灰玻璃R0.40404012.40.2S-5Cs-Sb9741玻璃R0.34406018.20.3

2.內光電效應

在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產生光生電動勢的效應稱為內光電效應。內光電效應又可分為以下兩類：

（1）光電導效應

某些半導體材料受到光照射時，其電導率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光照射到半導體上，價帶上的電子接受能量，使電子脫離共價鍵。當光提供的能量達到禁帶寬度的能量值時，價帶的電子躍遷到導帶，在晶體中就會產生一個自由電子和一個空穴，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。

導帶禁帶價帶半導體能帶圖光生伏特效應

在光線的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應?；谠撔墓怆娖骷泄怆姵?、光敏二極管、光敏三極管、半導體位置敏感器件傳感器

。光子照射PN結產生了電壓（光生電動勢），當兩端短接時所產生短路電流。（內光電效應，photovoltagePV）光伏效應是基于p－S、n－S兩種材料相接觸時形成的內建勢壘內建電場掃向勢壘兩邊產生載流子形成光生電動勢光輻射（2）光伏效應pn結形成過程p－S、n－S兩種材料相接觸→兩邊存在載流子的濃度差→產生擴散運動→產生空間電荷區(qū)→產生內建電場→阻止擴散、產生漂移→當擴散電流=漂移電流→形成平衡pn結（勢壘區(qū)），流過pn結的凈電流為零。（2）光伏效應pn結特性當將p區(qū)n區(qū)用導線短接，電流表讀數(shù)為零。當給pn結加正向偏置電壓時（p正n負），隨正偏電壓的增加，正向電流呈指數(shù)上升。當給pn結加反向偏置電壓時（p負n正），有很小反向電流流過pn結；該電流為無光照時的pn結電流，稱為暗電流（2）光伏效應在零偏壓，光照下光照p區(qū)（p區(qū)極?。?，當光波長激發(fā)光生電子——空穴對光生電子向p區(qū)體內擴散，p區(qū)極薄小于電子擴散長度，內建電場將光生電子掃向n區(qū)，空穴留在p區(qū)，此時，pn結兩端有電壓，稱為開路電壓uoc。當將p區(qū)n區(qū)用導線短接，電流表讀數(shù)不為零；此電流稱為短路電流isc。(2)光伏效應5.光伏效應的傳感器 光電池——光照零偏pn結 光敏二極管——光照反偏pn結1.結構和原理

光敏二極管的結構與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管的頂部，可以直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結上，光子打在PN結附近，使PN結附近產生光生電子和光生空穴對，它們在PN結處的內電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態(tài)，受光照射時處于導通狀態(tài)。2.2光敏二極管2.基本特性光敏二極管的基本特性包括光譜特性、伏安特性、光照特性、溫度特性好響應特性。

(1)光譜特性光敏二極管對不同波長的光的靈敏度是不同的。光敏管的光譜特性是指在一定照度時，輸出的光電流（或用相對靈敏度表示）與入射光波長的關系。一種光敏二極管只對一定波長的入射光敏感。光敏二極(晶體)管的光譜特性硅和鍺光敏二（晶體）極管的光譜特性曲線如圖所示。從曲線可以看出，硅的峰值波長約為1.1μm，鍺的峰值波長約為1.8μm，此時靈敏度最大，而當入射光的波長增長或縮短時，相對靈敏度都會下降。一般來講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外光的探測，用鍺管較為適宜。

右圖為硅光敏二極管的伏安特性，橫坐標表示所加的反向偏壓。當光照時，反向電流隨著光照強度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒達到飽和值，它的輸出實際上不受偏壓大小的影響。

(2)伏安特性指在一定照度下的電流電壓特性。3）光照特性指在外加電壓恒定時，光敏二極管的光電流與照度之間的關系。如圖光照特性近于線性，即輸出電流隨光照線性增加。說明光敏二極管適合作檢測元件。

（3）頻率特性光敏管的頻率特性是指在同樣的電壓和同樣幅值的光強度下，當入射光強度以不同的正弦交變頻率調制時，光敏管輸出的光電流（或相對靈敏度）隨調制頻率變化的關系。光敏二極管的頻率特性是半導體光電器件中最好的一種，普通光敏二極管頻率響應時間達10μs。因此特別適合快速變化的光信號探測。(4)溫度特性光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關系。光敏晶體管的溫度特性曲線如圖所示。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流影響很小(圖(b))，而對暗電流影響很大(圖(a))，所以在電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。

表2-12CU型硅光敏二極管的基本參數(shù)3.光敏二極管的應用1）光電路燈控制電路在無光照時，光敏二極管（反向）截止，電阻R1上的壓降很小，則晶體管T1截止，T2截止，繼電器J不動作，路燈保持亮。有光照時，光敏管產生光電流IL，R1電壓上升，光強達到某一值時T1導通，T2導通，J動作常閉端打開，使路燈滅。即白天燈滅，晚上燈亮，起到了自動控制的作用。2）光強測量電路這是一個由穩(wěn)壓管，光敏二極管和電橋組成的測量電路。無光照時，VA很大，F(xiàn)ET場效應管導通，調整RW，使電橋平衡，即指針為0。有光照時，光敏管產生IL，A點電位VA下降，R2上電流下降，VB減小，光照不同，IL不同，VA不同，R2上壓降不同，光強可以通過電流計讀數(shù)顯示出來。

2.3光敏三級管光電三極管有兩個PN結，從而可以獲得電流增益。比具有相同有效面積的光電二極管的光電流大幾十至幾百倍，但響應速度較二極管差，既頻率特性較差。1.工作原理與結構基極開路，集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當光照射在集電結上時,在結附近產生電子-空穴對,電子受集電結電場的吸引流向集電區(qū)，基區(qū)中留下的空穴構成“純正電荷”，使基區(qū)電壓提高，致使電子從發(fā)射區(qū)流向基區(qū)，由于基區(qū)很薄，所以，只有一小部分從發(fā)射區(qū)來的電子與基區(qū)的空穴結合，而大部分電子穿過基區(qū)流向集電區(qū)，這一段過程與普通三極管的電流放大作用相似。集電極電流Ic是原始光電流的?倍2、光敏三極管的主要特性：光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結，因而使相對靈敏度下降。（1）光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?400080001200016000100806040200硅的峰值波長為9000?，鍺的峰值波長為15000?。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。2.光敏三極管的基本特性

（2）伏安特性光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在PN結附近，所產生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。光敏晶體管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉換元件，也可作開關元件。暗電流/mA光電流/mA10203040506070T/oC2505010002003004001020304050607080T/oC光敏晶體管的溫度特性（4）溫度特性

光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大．所以電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。（5）光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光調制頻率/HZ相對靈敏度/%圖4.3-15光敏晶體管的頻率特性表2-23DU型硅光敏晶體管的基本參數(shù)3.光敏三極管的應用1）脈沖編碼器Vi為24V電源電壓，VO為輸出電壓，N為光柵轉盤上總的光柵輻條數(shù)，R1和R2為限流電阻器，A和B分別是發(fā)光二極管的發(fā)射端和光敏三極管的接收端。當轉軸受外部因素的影響而以某一轉速n轉動時，光柵轉盤也隨著以同樣的速度轉動。所以，在轉軸轉動一圈的時間內，接收端將接收到N個光信號，從而在其輸出端輸出N個電脈沖信號。由此可知，脈沖編碼器輸出的電信號VO的頻率f是由轉軸的轉速n確定的。所以：

f=nN上式決定了脈沖編碼器輸出信號的頻率f與轉軸的轉速之間的關系。

2）轉速傳感器T1為光敏三極管，當光線照射T1時，產生光電流，使R1上壓降增大，導致晶體管T2導通，觸發(fā)由晶體管T3和T4組成的射極耦合觸發(fā)器，使UO為高電位。反之，VO為低電位。該脈沖信號V可送到計數(shù)電路計數(shù)。

許多會議室、賓館房間的天花板上都裝有火災報警器，火災報警器是光傳感器應用的又一實例。3）煙霧散射式火災報警器工作原理:報警器帶孔的罩子內裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管和不透明的擋板.平時,光電三極管收不到LED發(fā)出的光,呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)．煙霧進入罩內后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三極管上，其電阻變小．與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發(fā)出警報．

3）煙霧散射式火災報警器2.4光敏電阻

1.光敏電阻的結構與工作原理光敏電阻又稱光導管，它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，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，此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級，亮電阻值在幾千歐以下。

光敏電阻的結構很簡單，圖（a）為金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結構圖。在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導體物質，稱為光導層。半導體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質的影響，在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內透射率最大。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，如圖（b）所示。圖（c）為光敏電阻的接線圖。

2.光敏電阻的主要參數(shù)

光敏電阻的主要參數(shù)有：

(1)暗電阻光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。

(2)亮電流光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。

(3)光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。3.光敏電阻的基本特性

(1)伏安特性在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱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，光敏電阻在一定的電壓范圍內，其I-U曲線為直線。說明其阻值與入射光量有關，而與電壓電流無關。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。

硫化鎘光敏電阻的光照特性（2）光照特性光敏電阻的光照特性是描述光電流I和光照強度（光通量）之間的關系，不同材料的光照特性是不同的，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性是非線性的。故光敏電阻不宜作定量檢測元件，而常在自動控制中作光電開關。

(3)光譜特性光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應。圖為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。對應于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應曲線也不同。應根據(jù)光源的性質，選擇合適的光電元件（匹配）使光電元件得到較高得相對靈敏度。從圖中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光區(qū)域，常被用作光度量測量（照度計）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區(qū)，常用做火焰探測器的探頭。

（4）頻率特性實驗證明，光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示。大多數(shù)的光敏電阻時間常數(shù)都較大，這是它的缺點之一。不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數(shù)（毫秒數(shù)量級），因而它們的頻率特性也就各不相同。圖為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性，相比較，硫化鉛的使用頻率范圍較大。

(5)溫度特性光敏電阻和其它半導體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應，同時光敏電阻的靈敏度和暗電阻也隨之改變，尤其是響應于紅外區(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，它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此，硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對于可見光的光敏電阻，其溫度影響要小一些。

硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性（6）穩(wěn)定性

圖中曲線1、2分別表示兩種型號CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內機構工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質的作用還沒有達到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負載情況下，經一至二周的老化，性能可達穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，有些樣品阻值上I/%408012016021T/h040080012001600升，有些樣品阻值下降，但最后達到一個穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長的。

光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小等優(yōu)點，所以應用廣泛。此外許多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區(qū)工作。光敏電阻的缺點是型號相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合，常用作開關式光電信號的傳感元件。幾種光敏電阻的特性參數(shù)5.光敏電阻的應用1）光照度計農作物日照時數(shù)測定。輸出接單片機的I/O口，每2分鐘對此口查詢1次，為高電平，計數(shù)一次，為低電平，不計數(shù)。1天查詢720次。無光照V0=VL。有光照V0=VH。2）環(huán)境照度監(jiān)視器3）帶材跑偏檢測儀2.5光電池

光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池在有光線作用時實質就是電源，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”。它實質上是一個大面積的PN結，當光照射到PN結的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內迅速擴散，在結電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢。硅光電池原理圖(a)結構示意圖；(b)等效電路

光電池基本特性有以下幾種：

(1)光譜特性光電池對不同波長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，光譜響應峰值所對應的入射光波長是不同的，硅光電池波長在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應波長范圍為0.4~1.2μm，而硒光電池只能為0.38~0.75μm?？梢姡韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內得到應用。

(2)光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關系就是光照特性。圖為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關系曲線。從圖中看出，短路電流在很大范圍內與光照強度呈線性關系，開路電壓（即負載電阻RL無限大時）與光照度的關系是非線性的，并且當照度在2000lx時就趨于飽和了。因此用光電池作為測量元件時，應把它當作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。

（3）頻率特性圖7-18分別給出硅光電池和硒光電池的頻率特性，橫坐標表示光的調制頻率。由圖可見，硅光電池有較好的頻率響應。

圖7-18硅光電池的頻率特性

(4)溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關系到應用光電池的儀器或設備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標，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。從圖中看出，開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量元件使用時，最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。

硅光電池2CR型特性參數(shù)硅光電池2CR型特性參數(shù)三、光電池應用

光電池主要有兩大類型的應用：將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉換成電能，即太陽能電池。太陽能是未來最清潔、安全和可靠的能源。太陽能電池已在宇宙開發(fā)、航空、通信設施、太陽電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應用。目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競爭，但是隨著太陽電池技術不斷發(fā)展，成本會逐漸下降，太陽電池定將獲得更廣泛的應用。將光電池作光電轉換器件應用，需要光電池具有靈敏度高、響應時間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中。光電池應用舉例如下：1．太陽電池電源

太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載供電，則加一個直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。

調節(jié)控制器逆變器

交流負載太陽電池方陣

直流負載太陽能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管一般太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調節(jié)控制器和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載供電，則可加一個直流—交流變換器。其中，太陽電池方陣是按輸出功率和電壓的要求，選用若干片性能相近的單體光電池，經串聯(lián)、并聯(lián)連接后封裝成一個可以單獨作電源使用的太陽電池組件。有光照射時，太陽電池方陣發(fā)電并對負載供電，同時，也對蓄電池組充電，以存儲能量，供無太陽光照射時使用。無光照時，蓄電池組給負載供電，阻塞二極管反偏防止給光電池供電，即二極管逆流造成浪費（放電）。調節(jié)控制器是將太陽電池方陣、蓄電池組和負載連接起來，實現(xiàn)充、放電自動控制的中間控制器。當蓄電池電壓低于下限值時，能自動切斷輸出電路。因此，調節(jié)控制器不僅能使蓄電池供電電壓保持在一定范圍，而且，能防止蓄電池因充電電壓過高或過低而損傷。逆變器是將直流電轉換為交流電的裝置。2．光電池在光電檢測和自動控制方面的應用光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結構和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時不需要外加電壓；光電轉換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。(a)光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

圖(a)為光電地構成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當入射光通量相同時，執(zhí)行機構按預定的方式工作或進行跟蹤。當系統(tǒng)略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構進行糾正，以此達到跟蹤的目的。光電池在檢測和控制方面應用中的幾種基本電路BG2BG1+12VCJR1R2(b)光電開關

圖(b)所示電路為光電開關，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當光電池受光照射時，產生較高的電動勢，只要光強大于某一設定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達到開關目的。(c)光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

圖(c)為光電池觸發(fā)電路。當光電池受光照射時，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導通。+12V5G23(d)光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖(d)為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場合，可用該電路作前置級，把微弱光電信號進行線性放大，然后帶動指示機構或二次儀表進行讀數(shù)或記錄。

在實際應用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本電路與其它電子線路的組合可實現(xiàn)或自動控制的目的。220VC1路燈CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路燈自動控制器BG2BG3BG42CR2.6高速光電二極管(1)PIN管結光電二極管

PIN管是光電二極管中的一種。它的結構特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結的內電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。由式τ=CjRL與f=1/2πτ知，Cj小，τ則小，頻帶將變寬。PIN管結構示意圖712、PIN光電二極管工作原理PIN光電二極管工作原理

當光從P區(qū)一側入射，則光能量在被吸收的同時仍繼續(xù)向N區(qū)一側延伸吸收，在經過耗盡層時，由于吸收光子能量，電子從價帶被激勵到導帶而產生電子空穴對（即光生載流子），并且在耗盡層空間電場作用下，分別向N型區(qū)和P型區(qū)相互逆方向作漂移運動，并在外部電路形成光電流。

然而，在耗盡層以外的區(qū)域因為沒有電場作用，所以由光電效應產生的電子空穴對，在擴散運動中相遇發(fā)生復合，從而消失。由于擴散運動與漂移運動相比是一慢過程，因而由擴散運動產生的光電流不能快速響應輸入光強的變化，減少了光電二極管的頻率響應。最大特點：頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。PIN光電二極管在光通信、光雷達和快速光電自動控制領域有著廣泛的應用。

（2）雪崩光電二極管(APD)

雪崩光電二極管(APD)的結構與PIN不同表現(xiàn)在增加了一個附加層，以實現(xiàn)碰撞電離產生二次電子—空穴對，在反向時夾在I

層和N層間的P層中存在高電場，該層稱為倍增區(qū)或增益區(qū)雪崩區(qū)),耗盡層仍為I層，起產生一次電子-空穴對的作用。76APD的雪崩倍增效應2雪崩光電二極管(APD)的工作原理

當外加的反向偏壓(約100V-150V)比PIN情況下高得多時，這個電壓幾乎都降到PN結上。特別是在高阻的PN結附近，電場強度可高達105V/cm，已經高出碰撞電離的電場。SAM-APD管在外加的反向偏壓(約50V-150V)下的場分布如圖所示。2雪崩光電二極管(APD)的工作原理

此時若光從P區(qū)照射，則和PIN一樣，大部分光子將在較厚的I層被吸收，因而產生電子、空穴對。

入射光功率產生的電子空穴對經過高場區(qū)時不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子或空穴在運動過程中與價帶中的束縛電子碰撞，使晶格中的原子電離，產生新的電子-空穴對。

新的電子空穴對受到同樣加速運動，又與原子碰撞電離，產生電子空穴對，稱為二次電子空穴對。如此重復，使強電場區(qū)域中的電子和空穴成倍的增加，載流子和反向光生電流迅速增大，產生雪崩現(xiàn)象,這個物理過程稱為雪崩倍增效應。雪崩過程倍增了一次光生電流，因此，在雪崩光電二極管內部就產生了放大作用。雪崩光電二極管就是這樣既可以檢測光信號，又能放大光信號電流。其頻率響應很高，帶寬可達100GHz。是目前響應最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、激光測距及其他微弱光的探測等。2.7

外光電效應器件

利用物質在光照射下發(fā)射電子的外光電效應而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。一、光電管及其基本特性光電管的結構示意圖1.結構與工作原理

光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。兩者結構相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。

光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應時間、峰值探測率和溫度特性來描述。2.主要性能（1）光電管的伏安特性光電流的大小有入射到光電陰極的光通量決定。當光通量一定時，陽極電壓與電流的關系曲線稱為光電管的伏安特性曲線。當光通量一定時，隨著陽極電壓增大，光電流趨于一定值。此時光通量與陽極輸出電流之間就有良好的線性關系，光電管的工作就選在該區(qū)域內

當入射光比較微弱時，光電管能產生的光電流就很小，信噪比也很小，因此往往采用倍增管。光電管的伏安特性陽極與末級倍增極間的電壓/V5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012IA/μA（2）

光電管的光照特性

通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51

國產GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。其紅限λ0=7000?，它對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉換效率：25%~30%。它適用于白光光源，因而被廣泛地應用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構成紅外傳感器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為3000~8500?，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜有很大差異，因而在測量技術中，這些光電管可以擔負人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。一般充氣光電管當入射光頻率大于8000Hz時，光電流將有下降趨勢，頻率愈高，下降得愈多。二、光電倍增管及其基本特性

當入射光很微弱時，普通光電管產生的光電流很小，只有零點幾μA，不容易探測，需要用光電倍增管對電流進行放大。1.光電倍增管結構和工作原理由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達30級；陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105~108倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達幾萬到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產生很大的光電流。原理：光→陰極→光電倍增極→陽極→電流在工作時,這些電極的電位是逐級增高的。光線→光電陰極(D1正電位作用)→加速并打在第一倍增極D1上,使其放出的電子增多，稱為二次電子，從而產生二次發(fā)射；

D1的二次發(fā)射電子(D2正電位作用)→加速入射到電極D2上；

…這樣逐級前進,一直到達陽極A為止。由上述的工作過程可見,光電流是逐級遞增的,因此光電倍增管具有很高的靈敏度。

（1）倍增系數(shù)M

倍增系數(shù)M等于n個倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ的乘積。如果n個倍增電極的δ都相同，則M=因此，陽極電流I為

I=i·

i—光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)β為

β=I/i=M與所加電壓有關，M在105~108之間，穩(wěn)定性為1％左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1％以內。如果有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計漲落，從而減小測量誤差。2.主要參數(shù)103104105106255075100125極間電壓/V

放大倍數(shù)光電倍增管的特性曲線（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個光子在陽極上產生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強光照射，否則將會損壞。

（3）暗電流和本底脈沖一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除。如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對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。光電倍增管的光照特性與直線最大偏離是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA處飽和10－1410－1010－610－2光通量/1m陽極電流/A（4）光電倍增管的光照特性光照特性反應了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關系。對于較好的管子，在很寬的范圍之內，這個關系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時，有較好的線性關系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。應用光電倍增管（PMT）是光子技術器件中的一個重要產品，它是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件?？蓮V泛應用于光子計數(shù)、極微弱光探測、化學發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計、旋光儀、色度計、照度計、塵埃計、濁度計、光密度計、熱釋光量儀、輻射量熱計、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設備中。光電倍增光在閃爍計數(shù)器中的應用

閃爍計數(shù)器是一種通用的精密核輻射探測器。核輻射源輻射的粒子能量被爍體（熒光體）吸收轉換為微弱的閃光（光子），閃光傳輸?shù)奖对龉艿墓怅帢O轉換為光電子，經倍增放大后輸出電脈沖信號至記錄設備中，圖6—16為閃爍計數(shù)器原理圖。只要探測出脈沖信號的數(shù)目及幅度，便可以測出射線的強弱與能量的大小。

2.7色敏光電傳感器

半導體色敏傳感器是半導體光敏器件的一種。它也是基于半導體的內光效應，將光信號變成為電信號的光輻射探測器件。但是不管是光電導器件還是光生伏特效應器件，它們檢測的都是在一定波長范圍內光的強度，或者說光子的數(shù)目。而半導體色敏器件則可用來直接測量從可見光到近紅外波段內單色輻射的波長。這是近年來出現(xiàn)的一種新型光敏器件。半導體色敏傳感器相當于兩只結深不同的光電二極管的組合，故又稱雙結光電二極管。其結構原理及等效電路示于圖。電極1電極2電極3P+NPSiO2123色敏光電傳感器和等效電路在圖中所表示的P+-N-P不是三極管，而是結深不同的兩個P-N結二極管。淺結的二極管是P+-N結；深結的二極管是N-P結。當有入射光照射時P+、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系數(shù)大，經很短距離已基本吸收完畢。因此，淺結的那只光電二極管對紫外光的靈敏度高。而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類波長的光子則主要在深結區(qū)被吸收，因此深結的那只光電二極管對紅外光的靈敏度高。這就是說，在半導體中不同的區(qū)域對不同的波長分別具有不同的靈敏度。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色識別的可能性，即可以用來測量入射光的波長。將兩只結深不同的光電二極管組合，就構成了可以測定波長的半導體色敏傳感器。在具體應用時，應先對該色敏器件進行標定。也就是測定不同波長的光照射下，該器件中兩只光電二極管短路電流的比值ＩSD2/ＩSD1。ＩSD1是淺結二極管的短路電流，它在短波區(qū)較大。ＩSD2是深結二極管的短路電流，它在長波區(qū)較大。因而兩者的比值與入射單色光波長的關系就可以確定。電極1電極2電極3P+NPSiO2123

圖為不同結深二極管的光譜響應曲線。圖中PD1代表淺結二極管，PD2代表深結二極管。半導體色敏器件特性（a）光譜特性;（b）短路電流比—波長特性

二、半導體色敏傳感器的基本特征半導體色敏器件的光譜特性光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍，圖給出了國產CS-1型半導體色敏器件的光譜特性；其波長范圍是400～1000nm。

2.短路電流比—波長特性

短路電流比—波長特性是表征半導體色敏器件對波長的識別能力，是賴以確定被測波長的基本特性。圖（b）表示上述CS—1型半導體色敏器件的短路電流比—波長特性曲線。

3.溫度特性由于半導體色敏器件測定的是兩只光電二極管短路電流之比，而這兩只光電二極管是做在同一塊材料上的，具有相同的溫度系數(shù)，這種內部補償作用使半導體色敏器件的短路電流比對溫度不十分敏感，所以通?？刹豢紤]溫度的影響。應用舉例彩色信號處理電路

圖為檢測光波長（即顏色）處理電路。它由色敏半導體傳感器、兩路對數(shù)放大器電路及運算放大器OP3構成。色彩信號處理電路

要識別色彩，必須獲得兩只光電二極管的短路電流比。故采用對數(shù)放大器電路，在電流較小的時候，二極管兩端加上的電壓和流過電流之間存在近似對數(shù)關系，即OP1、OP2輸出分別跟lnISD1、lnISD2成比例，OP3取出它們的差。輸出為

其正比于短路電流比ISD2/ISD1的對數(shù)。其中C為比例常數(shù)。將電路輸出電壓經A/D變換、處理后即可判斷出與電平相對應的波長（即顏色）。

2.8光電位置傳感器（PSD)PositionSensitiveDetectors

光電位置傳感器是一種硅光電二極管，它對入射到光敏面上的光點位置敏感，其輸出信號與光點在光敏面上的位置有關。

它對光斑的形狀無嚴格要求

,即輸出信號與光的聚焦無關，只與光的能量中心位置有關；

光敏面無需分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測量光斑位置，位置分辨率很高，一維可以達到0.2um；

可同時檢測位置和光強。如機械加工中的定位裝置、作為機器人的眼睛和其他位置檢測。特點：位置敏感器件（PSD-PositionalSensingDevice）

原理：光→光電二極管→空穴由N向P移動空穴→1端→I1

空穴→2端→I2

比值：應用：位置檢測(一維、二維)，從而確定目標方位，同時可起制導、跟蹤、搜索、定位等作用。1.PSD器件的工作原理

設p型層的電阻是均勻的，兩電極間的距離為2L，流過兩電極的電流分別為I1和I2，則流過n型層上電極的電流I0為I1和I2之和。

當光束入射到PSD器件光敏層上距中心點的距離為xA時，在入射位置上產生與入射輻射成正比的信號電荷，此電荷形成的光電流通過電阻p型層分別由電極1與2輸出。I0=I1+I2

2.一維PSD器件

一維PSD器件主要用來測量光斑在一維方向上的位置或位置移動量的裝置。圖3-34（a）為典型一維PSD器件S1543的結構示意圖，其中1和2為信號電極，3為公共電極。它的光敏面為細長的矩形條。

圖3-35所示，為一維PSD位置檢測電路原理圖，光電流I1經反向放大器A1放大后分別送給放大器A3與A4，而光電流I2經反向放大器A2放大后也分別送給放大器A3與A4，放大器A3為加法電路，完成光電流I1與I2相加的運算（放大器A5用來調整運算后信號的相位）；放大器A4用作減法電路，完成光電流I2與I1相減的運算。3.二維PSD器件

如圖3-36（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上設置2對電極，分別標注為Y1，Y2和X3，X4，其公共N極常接電源Ubb。二維PSD器件的等效電路如圖3-36（b）所示

為了減少測量誤差常將二維PSD器件的光敏面進行改進，改進后的PSD光敏面如圖3-37所示圖形，四個引出線分別從四個對角線端引出，光敏面的形狀好似正方形產生了枕形畸變。這種結構的優(yōu)點是光斑在邊緣的測量誤差被大大地減少。

2.9紅外光傳感器紅外輻射技術作為一門新興技術科學，在科學研究、軍事工程和醫(yī)學方面起著極其重要的作用。應用領域十分廣闊，例如紅外制導火箭、紅外成像、紅外遙感等。紅外輻射技術的核心是紅外輻射傳感器。一、紅外輻射的基本特點紅外輻射就是紅外光，其波長從1～1000μm。紅外光是太陽光譜的一部分，其波長范圍及在電磁波譜中的位置如圖所示。

紅外光的最大特點就是具有光熱效應，輻射熱量，在絕對零度(-273℃)以上的物體都輻射紅外能量，它是光譜中最大光熱效應區(qū)。紅外光是一種不可見光，與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質。紅外光在真空中的傳播速度為3×108m/s。紅外光在介質中傳播會產生衰減，在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大。不同的氣體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明，對于波長為2～5μm、8～14μm區(qū)域的紅外光具有比較大的“透明度”。即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。

二、紅外探測器(傳感器)

能將紅外輻射量變化轉換成電量變換的裝置稱為紅外探測器(紅外傳感器)，紅外探測器是根據(jù)熱電效應和光子效應制成的。前者為熱敏探測器，后者為光子探測器。從理論上講，熱探測器對入射的各種波長的輻射能量全部吸收，它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。光子探測器常用的光子效應有外光電效應、內光電效應(光生伏特效應、光電導效應)和光電磁效應。熱敏探測器對紅外輻射的響應時間比光電探測器的響應時間要長得多。前者的響應時間一般在ms以上，而后者只有ns量級。熱探測器不需要冷卻，光子探測器多數(shù)要冷卻。這里主要介紹紅外光敏熱釋電傳感器。熱釋電效應1．熱釋電材料極性晶類，晶體內正、負電荷中心并不重合，晶體原子具有一定電矩；也就是說晶體本身具有自發(fā)極化特性。熱釋電效應2．熱釋電材料單疇極化對熱釋電材料施加直流電場,自發(fā)極化矢量將趨向于一致排列（形成單疇極化），總的電極化矢量加大。當電場去掉后，總的仍能保持下來。熱釋電效應2．熱釋電材料單疇極化由于保持下來的，將在材料表面吸附表面電荷，其面電荷密度單疇極化后的熱電體，其電極化矢量值是溫度的函數(shù)，溫度升高使極化強度減小，釋放一定量的吸附電荷。熱釋電效應3．熱釋電效應定義某些物質（如硫酸三甘肽、鈮酸鋰等）吸收光輻射后將其轉換成熱能，這個熱能使晶體的溫度升高，溫度變化將引起居里溫度以下的自發(fā)極化強度的變化，從而在晶體的特定方向上引起表面電荷的變化，這就是熱釋電效應。

光輻射T↑↓σ↓光輻射→T↑→面束縛電荷變化↓→晶體表面上出現(xiàn)所測量出的電荷↓

熱釋電效應4．熱釋電材料最高工作溫度當T↑＝Tc（居里溫度時）單疇極化的消失＝0熱釋電現(xiàn)象消失即當T＜Tc時，才有熱釋電現(xiàn)象居里溫度Tc——評價熱釋電探測器的品質因數(shù)，希望Tc越高越好。熱釋電紅外傳感器及其應用常見熱釋電紅外傳感器的外形

熱釋電紅外傳感器是一種被動式調制型溫度敏感器件，利用熱釋電效應工作，它是通過目標與背景的溫差來探測目標的。其響應速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關，容易使用。這種探測器，靈敏度高，探測面廣，是一種可靠性很強的探測器。因此廣泛應用于各類入侵報警器，自動開關、非接觸測溫、火焰報警器等，目前生產有單元、雙元、四元、180°等傳感器和帶有PCB控制電路的傳感器。常用的熱釋電探測器如：硫酸三甘鈦（TGS）探測器、鈮酸鍶鋇（SBN）探測器、鉭酸鋰（LiTaO3）探測器、鋯鈦酸鉛（PZT）探測器等。

1.熱釋電紅外傳感器的結構常見的熱釋電紅外傳感器的外形如上圖所示。

熱釋電傳感器的內部結構

⑴敏感元敏感元用紅外熱釋電材料—鋯鈦酸鉛(PZT)制成，經極化處理后，其剩余極化強度隨溫度T升高而下降。制作敏感元件時，將熱釋電材料制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構成有極性的小電容。把兩個極性相反的熱釋電敏感元做在同一晶片上，由于環(huán)境溫度的變化影響整個晶片產生溫度變化時，兩個敏感元產生的熱釋電信號互相抵消，傳感器無輸出，起到補償作用。熱釋電傳感器的特點是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時，才會給出一個相應的電信號，當溫度的變化趨于穩(wěn)定后，就再沒有信號輸出，即熱釋電信號與它本身的溫度的變化率成正比。因此，熱釋電傳感器只對運動的人體或物體敏感。使用熱釋電傳感器時，通常要在使用菲涅爾透鏡將外來紅外輻射通過透鏡會聚光于一個傳感元上，它產生的信號不會被抵消。熱釋電紅外傳感器傳感器由敏感元、場效應管、高阻電阻、濾光窗等組成，并向殼內充入氮氣封裝起來，內部結構如右圖所示。傳感器內部接線圖

⑵場效應管及高阻值電阻Rg

敏感元的阻值可達1013Ω，因此需用場效應管進行阻抗變換才能應用。場效應管常用2SK303V3，2SK94X3等型號，用來構成源極跟隨器。高阻值電阻Rg的作用是釋放柵極電荷，使場效應管安全正常工作，源極輸出接法時，源極電壓約0.4一1.0V。如傳感器內部接線圖如下圖所示。紅外濾光片透射曲線

⑶濾光片(FT)PZT制成的敏感元件是一種廣譜材料，能探測各種波長輻射。為了使傳感器對人體最敏感，而對太陽、電燈光等有抗干擾性，傳感器采用了濾光片作窗口。濾光片是在Si基片上鍍多層膜制成的。每個物體都能發(fā)出紅外輻射，對于人體體溫(約36℃)，輻射的最長波長為

λm=2898／309=9.4μm，也就是說，人體輻射在9.4μm處最強，紅外濾光片選取了7.5～14μm波段，能有效地選取人體的紅外輻射。紅外濾光片透射曲線如上圖所示。由圖可見，小于6.5μm的光銳減至0，6.5～15.0μm的輻射，其透射率達60％以上，因此，F(xiàn)T可以有效地防止、抑制電燈、太陽光的干擾，但對電燈發(fā)熱引起的紅外輻射光有時也能產生誤動作。熱釋電傳感器常用于防盜報警、自動門、自動燈等。

2.熱釋電紅外傳感器的應用⑴人體探測／防盜報警器①菲涅爾透鏡(FRESNELLENS)

熱釋電傳感器的前面要加菲涅爾透鏡才能增加探測距離。菲涅爾透鏡是一種由塑料制成的特殊設計的透鏡組，它上面的每個單元透鏡一般都只有一個不大的視場，而相鄰的兩個單元透鏡的視場既不連續(xù)，也不重疊，都相隔一個盲區(qū)。它的外型如下圖所示。菲涅爾透鏡的外形

CE-024型菲涅爾透鏡的視場如下圖所示。當人體在這一監(jiān)視范圍內運動時，順次地進入某一單元透鏡的視場，又走出這一視場，熱釋電傳感器對運動的人體一會兒看到，一會兒看不到，再過一會又看到，之后又看不到，于是人體的紅外輻射不斷地改變熱釋電菲涅爾透鏡的視場的溫度，使它輸出一個又一個相應的信號。從圖示的視場圖可以看出，菲涅爾透鏡是有防盜盲區(qū)的，安裝在2m高處的菲涅爾透鏡存在著小于1m的盲區(qū)，在圖示的黑影之下。不加菲涅爾透鏡，探測距離僅為2m左右，加上菲涅爾透鏡后，其探測距離可達10米，若采用雙重反射型菲涅爾透鏡，其探測距離可達20m以上。

②探測電路人體進入探測范圍內，傳感器的輸出信號頻率大約為0.1～10Hz，這頻率范圍是由菲涅爾送人體運動速度和熱釋電傳感器本身的特性決定的。其探測電路由檢測、放大、比較電路、延時電路與驅動電路組成。

①檢測放大電路：檢測放大電路由熱釋電傳感器SD02及濾波放大器A1、A2等組成，具有4000多倍的放大能力。②比較器電路：A3組成電壓比較器，無報警信號時輸出低電平；當有人入侵時，比較器翻轉LED亮，當人體運動時則輸出一串脈沖。③延時驅動電路：555Ⅰ，555Ⅱ和VT2組成延時、驅動電路。當A3輸出一個正脈沖脈沖，C12充電，無脈沖C12將通過R17放電；有人在報警區(qū)移動，C12不斷允電，當達到一定電壓時，VT1觸發(fā)555Ⅰ，使VT2導通，吸合繼電器，使其控制報警器。555Ⅱ組成延時電路。避免開機瞬間的誤報警。

⑵集成紅外探測報警器①被動紅外探測控制集成電路TWH9511TWH系列PIR(熱釋電傳感器)控制電路采用大規(guī)模CMOS數(shù)字電路及微型元件固化封裝，具有性能指標高，一致性好，外圍電路簡單，安裝方便，無需調試等特點。該電路按信號輸出表10.1.1方式可分為三種：交流供電繼電器輸出型TWH9511；交流供電可控硅輸出型TWH9512；直流供電集電極輸出型TWH9513。

TWH95系列控制電路內部設計有兩個高阻抗輸入低噪聲運算放大器，其總增益限制在67dB之內，靈敏度可通過外接電阻進行調整。比較器為一個典型的窗口比較電路，其上下閾值經若干次選擇后，確定出最佳門限值。其比較放大電路由內部4V穩(wěn)壓電路供電，設有溫度補償電路，因此增益不會隨外界溫度的變化而改變。這種電路能抑制熱氣團流動所產生的紅外干擾，誤報率低，其探測距離達12米以上。TWH95系列電路，均有使能控制端RD，該腳懸空時為自動狀態(tài)，接入光控元件可使電路白天待機，晚上恢復自動工作。電路內部均有為PIR預熱的開機自動延時電路，延遲時間為45秒，使PIR預熱后建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)。內部還設置了輸出延時系統(tǒng)電路，

②電路工作原理：接通電源后，電路處于開機延時狀態(tài)，PIR傳感器加電預熱45秒，延時結束，電路進入自動檢測狀態(tài)。如果有人進入探測區(qū)，人體輻射的紅外線被PIR傳感器探測到，輸出幅度約1mV，頻率在0.3～7Hz(與人體移動速度及透鏡型號有關)的微弱信號，此信號經一組高頻濾波和阻抗匹配網(wǎng)絡，饋入控制電路輸入端S，微弱信號由內部兩級帶通選頻放大后送至窗口比較器進行電壓比較，輸出觸發(fā)電平，此觸發(fā)信號通過一系列內部系統(tǒng)計數(shù)、延時、控制處理及驅動電路，最后推動繼電器或可控硅，達到人體探測防盜報警的目的或實現(xiàn)對自動門、照明燈的控制。

采用TWH9511組成的人體探測／防盜電路如右圖所示，它由交流220V供電。PIR熱釋電傳感器前要加菲涅爾透鏡。探測靈敏度由4、5腳的可變電阻調節(jié)。傳感器探測部分進入TWH9511的三根引線應采用屏蔽三芯電線，以防噪聲影響；9與10腳接繼電器線圈J，線圈的直流電阻應大于或等于400歐，使電流限制在40mA以下，繼電器的常開觸頭去控制發(fā)聲或發(fā)光報警裝置。生物機電2、熱釋電紅外傳感器的應用

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測器。它正在被廣泛的應用到各種自動化控制裝置中。除了在我們熟知的樓道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域應用前景看好。比如：在房間無人時會自動停機的空調機、飲水機。電視機能判斷無人觀看或觀眾已經睡覺后自動關機的機構。開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應用。結合攝影機或數(shù)碼照相機自動記錄動物或人的活動等等……。您可以根據(jù)自己的奇思妙想，結合其它電路開發(fā)出更加優(yōu)秀的新產品?；蜃詣踊刂蒲b置。

紅外自動干手機

制作干手機可參考隨機延時電路和固定延時電路。交流負載采用光電耦合式過零模塊為佳。注意：人感器必須隔熱，出風口與感應窗口要分離。生物機電飲水機自控電路

人在感應范圍，飲水機加熱或者制冷；人不在感應范圍，15分鐘后自動關機。2.11光固態(tài)圖像傳感器

固態(tài)圖像傳感器(SolidStateImagingSensor——縮寫為SSIS)按其結構可分為三類：電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice簡稱CCD）MOS圖像傳感器又稱自掃描光電二極管列陣(SelfScannedPhotodiodeArray，簡稱SSPA)電荷注入器件（ChargeInjectionDevice，簡稱CID）。目前，前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與識別。例如，攝像機、數(shù)碼照相機、掃描儀、復印機和機器人的眼睛等。

一.電荷耦合器件(CCD)

電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡稱CCD），是由美國貝爾實驗室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯于1969年發(fā)明。1973年美國仙童公司制成CCD攝像傳感器，CCD遂從實驗室進入工業(yè)生產的實用階段。

中國于1975年研制出32位CCD移位寄存器。中國的CCD研制工作主要集中于CCD成像和信號處理。CCD單元部分，就是一個由金屬-氧化物-半導體組成的電容器，簡稱MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）結構。它由一組規(guī)則排列的金屬-氧化物-半導體（MOS）電容器陣列和輸入、輸出電路組成。它以電荷作為信號,

基本功能是進行光電轉換電荷的存儲和電荷的轉移輸出。

廣泛應用于自動控制和自動測量,尤其適用于圖像識別技術。1.MOS光敏單元的結構及原理CCD器件完成對物體的成像，在其內部形成與光像圖形相對應的電荷分布圖形。這就要求它的基本單元具有存儲電荷的功能，同時還具有電荷轉移輸出功能。CCD由一系列排得很緊密的MOS電容器組成。在P型硅襯底上生長一層SiO2(120nm)介質層,再在SiO2層上沉積金屬鋁構成MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）結構，它是CCD器件的最小工作單元。A、勢阱的產生

MOS的金屬電極加正壓，電極下的P型硅區(qū)域內空穴被趕盡，留下帶負電荷的負離子，其中無導電的載流子，形成耗盡層。它是電子的勢阱。勢阱的深淺取決于U的大小。B、電荷的存儲勢阱具有存儲電荷的功能。當光照射MOS電容器時，半導體吸收光子，產生電子-空穴對，少數(shù)電子會被吸收到勢阱中，光強越大，產生電子-空穴對越多，勢阱內所吸收的光生電子數(shù)量就越多。因此勢阱中的電子數(shù)目的多少可以反映光的強弱，說明圖像的明暗程度。

CCD器件將物體的光像形成對應的電像時，就是CCD器件中上千個相互獨立的MOS單元勢阱中存儲與光像對應的電荷量。

CCD單元的結構及電荷存儲原理示意圖2.讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路如何實現(xiàn)勢阱下的電荷從一個MOS元位置轉移到另一個MOS元位置，并依次轉移并傳輸出來呢？

CCD是由若干個電荷耦合單元組成。A、電荷的定向轉移

當外加電壓一定時，勢阱的深度隨勢阱中的電荷量的增加而線性減少。由此通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調節(jié)勢阱的深淺。當電壓VG增加，勢阱變深；當電壓VG減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處移動。要求：多個MOS電容緊密排列且勢阱相互溝通。金屬電極上加電壓脈沖嚴格滿足相位要求。B、三相CCD電極的結構

MOS上三個相鄰電極，每隔兩個所有電極接在一起。由3個相位差120°時鐘脈沖驅動。設Φ1Φ2Φ3為三個驅動脈沖，它們波形完全相同。

經過一個時鐘周期T后，（即一個柵周期），電荷也將右移三個電極位置，因此，時鐘的周期變化，可使CCD中的電荷包在電極下被轉移到輸出端?！愃茢?shù)字電路中的——移位寄存器。C、電荷的輸出CCD輸出端結構下圖是CCD輸出端結構示意圖。它實際上是在CCD陣列的末端襯底上制作一個輸出二極管，當輸出二極管加上反向偏壓時，轉移到終端的電荷在時鐘脈沖作用下移向輸出二極管，被二極管的PN結所收集，在負載RL上就形成脈沖電流Io。輸出電流的大小與信號電荷大小成正比，并通過負載電阻RL變?yōu)樾盘栯妷篣o輸出。

二.CCD圖像傳感器

CCD固態(tài)圖