傳感器技術(shù) 課件 第9章 光電式傳感器

第9章

光電式傳感器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)。特點：光電傳感器一般情況下，非接觸測量、高精度、高分辨率、高可靠性、反應(yīng)快。

9.1光電效應(yīng)由光的粒子學(xué)說可知，光可以認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個光子所具有的能量E與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量為E的粒子轟擊在物體上。光電效應(yīng)：由于物體吸收了能量為E的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。

光電傳感器的工作原理基于光電效應(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。1、外光電效應(yīng)在光線的作用下，物體內(nèi)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(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。愛因斯坦光電效應(yīng)方程：式中：

h—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；f—入射光頻率；m—電子質(zhì)量；v—電子逸出速度；A—物體的逸出功。

①光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。②當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。③光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。光電效應(yīng)方程表明：

當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：（1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。2、內(nèi)光電效應(yīng)過程：

當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg（2）光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。①勢壘效應(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，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。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，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢。基于該效應(yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。9.2光電器件及其特性9.2.1光電管

一構(gòu)造與工作原理

1光電管

光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。它們結(jié)構(gòu)相似，由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)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。光電管的結(jié)構(gòu)示意圖光陽極光電陰極光窗1光電特性表示當(dāng)光電管的陽級電壓一定時，陽極電流I與入射在陰極上光通量φ之間的關(guān)系。二特性

光電管的伏安特性5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012陽極與末級倍增極間的電壓/VIA/μA2伏安特性當(dāng)入射光的頻譜及光通量一定時，陽極與陰極之間的電壓同光電流的關(guān)系叫伏安特性。3光譜特性由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。4其他特性光電管尚有溫度特性、疲勞特性、慣性特性、暗電流和衰老特性等。光電倍增管其他主要參數(shù)：倍增系數(shù)M

，光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度，暗電流和本底電流，飛行時間及其漲落等使用時應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書和有關(guān)手冊合理選用。光電倍增管由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極多的可達(dá)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105~106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產(chǎn)生很大的光電流。9.2.2光電倍增管

當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾μA，很不容易探測。這時常用光電倍增管對電流進(jìn)行放大。9.2.3光敏電阻光敏電阻是用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。光敏電阻優(yōu)點：靈敏度高，體積小、重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動，壽命長。光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號A

金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流越小越好。光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線電極引線光電導(dǎo)體

光敏電阻的基本應(yīng)用電路a）UＯ與光照變化趨勢相同的電路b）UＯ與光照變化趨勢相反的電路

光敏電阻開關(guān)電路9.2.4光敏二極管和光敏晶體管當(dāng)二極管和三極管的PN結(jié)接受到光照射時，通過PN結(jié)的電流將增大。光敏二極管和光敏晶體（光敏三極管）則必須使PN結(jié)能受到最大的光照射。PN光光敏二極管符號RL

光PN光敏二極管接線

光敏晶體管（光敏三極管）光敏二極管和光敏三極管實物圖半導(dǎo)體光電元件的特性一、光電特性光電特性是指這些半導(dǎo)體光電元件產(chǎn)生的光電流與光照之間的關(guān)系。二、伏安特性伏安特性是指光照一定時，這些光電元件的端電壓U與電流I之間的關(guān)系。三、光譜特性

半導(dǎo)體光電元件對不同波長的光，其靈敏度是不同的，因為只有能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子--空穴對。而光子能量的大小與光的波長有關(guān)。9.2.5光電池

光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。+光PN－SiO2RL(a)光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b)光電池的工作原理示意圖

P

N光電池的示意圖光電池外形光敏面其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池

9.3電荷耦合器件CCD

電荷耦合器件(CCD)是典型的固體圖象傳感器，它是1970年貝爾實驗室的W·S·Boyle和G·E·Smith發(fā)明的，它與光敏二極管陣列集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的CCD圖象傳感器。它不僅作為高質(zhì)量固體化的攝象器件成功地應(yīng)用于廣播電視、可視電話和無線電傳真，而且在生產(chǎn)過程自動檢測和控制等領(lǐng)域已顯示出廣闊的前景和巨大的潛力。CCD的工作原理CCD是一種半導(dǎo)體器件，在N型或P型硅襯底上生長一層很薄的SiO2，再在SiO2薄層上依次序沉積金屬電極，這種規(guī)則排列的MOS電容陣列再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。CCD可以把光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。每一個脈沖只反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強(qiáng)弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就起到圖象傳感器的作用。

CCD有線陣和面陣兩種。線陣64位CCD結(jié)構(gòu)示意圖二相驅(qū)動視頻輸出

行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動感光區(qū)溝阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3感光區(qū)存儲區(qū)析像單元視頻輸出輸出柵串行讀出面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)(a)(b)電荷轉(zhuǎn)移過程：

三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極P1,P2,P3，次在其上施加三個相位不同的控制脈沖Φ1，Φ2，Φ3。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實現(xiàn)電荷移動。電荷輸出的順序可表示光敏元的位置，電荷的多少可以表示光敏元的受光強(qiáng)弱。光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的，每一根光導(dǎo)纖維由一個圓柱形纖芯和色層組成，而且纖芯的折射率n1略大于色層的折射率n2，它們的相對折射率差用Δ表示，Δ=1-n2/n1通常Δ為0.005～0.14。

當(dāng)光的入射角大于纖芯與包層間的臨界角時，光就會在光纖的界面上產(chǎn)生全反射，并在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次反射，直至傳播到另一端面。一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理9.4光纖傳感器二、光導(dǎo)纖維的種類

1光導(dǎo)纖維按其折射變化情況分為：階躍型：光導(dǎo)纖維的纖芯與包層之間的折射率是突變的。漸變型：光導(dǎo)纖維的纖芯的中心處折射率最大，由中心向外逐漸減小。2按其傳輸模式多少來分類，則有單模和多模兩種單模：通常指躍變形光纖中纖芯尺寸很小、傳輸模式很少，原則上只能傳送一種模式的光纖；多模：通常指躍變形光纖中纖芯尺寸較大、傳輸模式很多的光纖。階躍型

漸變型三、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用實例

由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺詈蠼?jīng)信號處理得到所期待的被測量。光纖信號處理光發(fā)送器敏感元件光接收器光纖傳感器光纖由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量。

光纖傳感器按其工作原理來分：1、功能型(或稱物性型、傳感型)其光纖不僅作為光傳播的波導(dǎo)而且具有測量的功能。它可以利用外界物理因素改變光纖中光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)或波長，從而對外界因素進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)傳輸。功能型光纖傳感器分為振幅調(diào)制型、相位調(diào)制型及偏振態(tài)調(diào)制型。光是一種電磁波，其波長從極遠(yuǎn)紅外的1mm到極遠(yuǎn)紫外線的10nm。式中

A——振幅矢量；ω——光波的振動頻率；φ——光相位；t——光的傳播時間。

可見，只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調(diào)制，那么，通過對光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測量的信息。

馬赫·琴特干涉儀原理圖（光相位調(diào)制型）2、非功能型（或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型）其光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其他敏感元件才能組成傳感器。例：光纖位移傳感器光纖測溫傳感器光頻率調(diào)制型光纖傳感器光纖位移傳感器原理圖綜合應(yīng)用：激光多普勒光纖流速測量系統(tǒng)

9.5光電傳感器及其應(yīng)用（1）光源本身是被