现代传感技术第2章课件.ppt

1、光电传感技术v 2.1 电磁波谱电磁波谱v 2.2 辐射源特性及其度量辐射源特性及其度量v 2.3 光电效应光电效应v 2.4 光电探测传感器件光电探测传感器件v 2.5 光电位置传感器（光电位置传感器（PSD）v 2.6 光电传感技术应用光电传感技术应用电磁波谱图图2-1 电磁波谱电磁波谱辐射源特性及其度量v 辐射源特性辐射源特性（1）光谱特性）光谱特性 （2）能量特性）能量特性 （3）角度特性）角度特性 v 辐射源的度量辐射源的度量 对辐射源的度量有两种：光度量制和辐射度量制。对辐射源的度量有两种：光度量制和辐射度量制。光度量制以人眼或经视见函数校正过的照度计作为探测器；光度量制以人眼或经

2、视见函数校正过的照度计作为探测器；辐射度量制以无光谱选择性的真空热电偶作为探测器辐射度量制以无光谱选择性的真空热电偶作为探测器 光电效应v 光电效应是指因光照而引起物体电学特性改变的现象。电光电效应是指因光照而引起物体电学特性改变的现象。电学特性变化是指光照射物体时，物体发射电子、电导率发学特性变化是指光照射物体时，物体发射电子、电导率发生变化或产生光电动势等。生变化或产生光电动势等。v 光电效应大致可归纳为两大类：光电效应大致可归纳为两大类：外光电效应外光电效应物质受到光照后向外发射电子的现象，这种效应物质受到光照后向外发射电子的现象，这种效应多发生于金属和金属氧化物；多发生于金属和金属氧化

3、物；内光电效应内光电效应物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动，而不会逸出物质外部的现象，这种效应多发生于半导体内。动，而不会逸出物质外部的现象，这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应。内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应v 光电导效应是指物体受光照射后，其内部产生光生载流子，光电导效应是指物体受光照射后，其内部产生光生载流子，使物体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。使物体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。这种效应在大多数半导体和绝缘体中都存在。这种效应在大多数半导体和绝缘体中都存在。而金属

4、的电子能态与半导体和绝缘体不同，在光照下电阻没有改而金属的电子能态与半导体和绝缘体不同，在光照下电阻没有改变，因此不产生光电导效应。变，因此不产生光电导效应。v 表征光电导体器件，最重要的参数为表征光电导体器件，最重要的参数为 灵敏度灵敏度 弛豫时间（惰性）弛豫时间（惰性）光谱分布光谱分布光生伏特效应v 光生伏特效应是指，光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生伏特效应是指，光照使不均匀半导体或均匀半导体中光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，是把光能光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，是把光能变为电能的一种效应。变为电能的一种效应。v 因此光照在半导体因此光照在半导体PN结或金属半导体

5、接触面上时，在结或金属半导体接触面上时，在PN结或金属半导体接触的两侧会产生光生电动势。结或金属半导体接触的两侧会产生光生电动势。光电发射效应v 光敏物质吸收光子后，电子从基态被激发到高能态而脱离光敏物质吸收光子后，电子从基态被激发到高能态而脱离原子核的束缚，从而在外电场作用下参与导电，即发生内原子核的束缚，从而在外电场作用下参与导电，即发生内光电效应。光电效应。v 如果被激发的电子能逸出光敏物质的表面而在外电场作用如果被激发的电子能逸出光敏物质的表面而在外电场作用下形成光电子流，这就是外光电效应或称光电发射效应。下形成光电子流，这就是外光电效应或称光电发射效应。v 在光电器件中，光电管、光电

6、倍增管等光电器件，都是基在光电器件中，光电管、光电倍增管等光电器件，都是基于外光电效应理论的。于外光电效应理论的。1.斯托列托夫定律（光电发射第一定律）；斯托列托夫定律（光电发射第一定律）；2.爱因斯坦（爱因斯坦（Einstein）定律（光电发射第二定律）定律（光电发射第二定律）3.光电发射的红限光电发射的红限 4.光电发射的瞬时性光电发射的瞬时性光电探测传感器件v 利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件称为光利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件称为光电探测传感器件，有时也称光电探测传感器件。电探测传感器件，有时也称光电探测传感器件。v 根据对辐射的作用方式不同（或说工作机理的不

7、同），光根据对辐射的作用方式不同（或说工作机理的不同），光电探测传感器件（光电探测传感器件）可分为电探测传感器件（光电探测传感器件）可分为 光子探测传感器件光子探测传感器件 热电探测传感器件热电探测传感器件光电探测传感器件 光电管光电管 外光电效应外光电效应 光电倍增管光电倍增管 本征型本征型 单晶型单晶型 光子探测传感器件光子探测传感器件 掺杂型掺杂型 （基于量子效应）（基于量子效应）光敏电阻光敏电阻 多晶型多晶型 （基于光电导效应）（基于光电导效应）合金型合金型 内光电效应内光电效应 光敏二极管光敏二极管光电探测传感器件光电探测传感器件 光生伏特效应光生伏特效应 光敏晶体管光敏晶体管 （基

8、于光生伏特效应）（基于光生伏特效应）光光 电电 池池 雪崩光电管雪崩光电管 热电堆热电堆 热电偶热电偶 热电探测传感器件热电探测传感器件 热释电探测器热释电探测器 （基于热效应）（基于热效应）热敏电阻热敏电阻 表表 2 4 各类光电效应及其相应器件各类光电效应及其相应器件 光电探测传感器件v 光电探测传感器件的基本特性参数光电探测传感器件的基本特性参数 响应度响应度 响应时间响应时间 频率响应参数频率响应参数v 描述噪声的基本参数描述噪声的基本参数v 半导体光电探测传感器件半导体光电探测传感器件v 光电探测传感器件主要特性比较与选用原则光电探测传感器件主要特性比较与选用原则光电探测传感器件的基

9、本特性参数v 1.响应度（或称为灵敏度）响应度（或称为灵敏度）响应度是用来衡量光电探测传感器件的光响应度是用来衡量光电探测传感器件的光-电转换效能，定义为光电转换效能，定义为光电传感器输出电压电传感器输出电压 或输出电流或输出电流 与入射光功率与入射光功率 （或通量（或通量 ）之比。即之比。即 式中，式中，和和 分别称为电压响应度和电流响应度。分别称为电压响应度和电流响应度。由于光电传感器的响应度随入射光的波长而变化，因此由于光电传感器的响应度随入射光的波长而变化，因此 又有光谱又有光谱响应度和积分响应度。响应度和积分响应度。（2-3）光电探测传感器件的基本特性参数v 2.光谱响应度光谱响应度

10、 光谱响应度光谱响应度 （单位为（单位为V/W或或A/W）是光电传感器的输出电压）是光电传感器的输出电压或输出电流与入射到传感器上的单色辐通量（光通量）之比。或输出电流与入射到传感器上的单色辐通量（光通量）之比。即即式中，式中，为光谱响应度；为光谱响应度；为入射的单色辐通量或光通量。为入射的单色辐通量或光通量。从式从式(2-4)可看出，传感器的输出电压（或电流）值愈大意味可看出，传感器的输出电压（或电流）值愈大意味 着传着传感器愈灵敏。感器愈灵敏。（2-4）光电探测传感器件的基本特性参数v 3.积分响应度积分响应度 积分响应度表示传感器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长积分响应度表示传

11、感器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为的辐射光源，总光通量为 ，光电传感器输出的电流或电，光电传感器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应度。由于光电传感器输出的光电流压与入射总光通量之比称为积分响应度。由于光电传感器输出的光电流是由不同的波长的光辐射引起的，所以输出光电流应为是由不同的波长的光辐射引起的，所以输出光电流应为 积分响应度为积分响应度为 由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同一辐射源所发生的光谱由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温。通量分布也不相同，因此提

12、供数据时应指明采用的辐射源及其色温。光电传感器的长波限光电传感器的长波限光电传感器的短波限光电传感器的短波限光电探测传感器件的基本特性参数v 4.响应时间响应时间 响应时间是描述光电传感器对响应时间是描述光电传感器对入射辐射响应快慢的一个参数，入射辐射响应快慢的一个参数，即当入射辐射到光电传感器后即当入射辐射到光电传感器后或入射辐射遮断后，光电传感或入射辐射遮断后，光电传感器的输出上升到稳定值或下降器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响到照射前的值所需时间称为响应时间。应时间。常用时间常数的大小来表示。常用时间常数的大小来表示。当用一个辐射脉冲照射光电传当用一个辐射脉冲照射光电传

13、感器，如果这个脉冲的上升和感器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短（如方波），则下降时间很短（如方波），则光电传感器的输出由于器件的光电传感器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从惰性而有延迟，把从10%上升上升到到90%峰值处所需的时间称为峰值处所需的时间称为传感器的上升时间，而把从传感器的上升时间，而把从90%下降到下降到10%处所需的时间处所需的时间称为下降时间，如图称为下降时间，如图2-4所示。所示。图图2-4 上升时间和下降时间上升时间和下降时间光电探测传感器件的基本特性参数v 5.频率响应频率响应 由于光电传感器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入由于光电传感器信号的产生和消失存在

14、着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电传感器的响应将会有较大的影响。射光辐射的频率对光电传感器的响应将会有较大的影响。光电传感器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率光电传感器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。响应。利用时间常数可得到光电传感器响应度与入射调制频率的关系，其表利用时间常数可得到光电传感器响应度与入射调制频率的关系，其表达式为达式为式中，式中，为频率是为频率是f时的响应度；时的响应度；为频率是零时的响应度；为频率是零时的响应度；为为时间常数，时间常数，。当当 时，可得放大器的上限截止频率为时，可得放大器的上限截止频率为显然，时间常数决定了光电传感器频

15、率响应的带宽。显然，时间常数决定了光电传感器频率响应的带宽。t tt t=RC描述噪声的基本参数v 1.热噪声热噪声v 2.散粒噪声散粒噪声v 3.产生产生-复合噪声复合噪声v 4.1/f 噪声噪声v 5.衡量噪声的参数衡量噪声的参数（1）信噪比（）信噪比（S/N）（2）等效噪声输入（）等效噪声输入（ENI）（3）噪声等效功率（）噪声等效功率（NEP）（4）探测率）探测率D与归一化探测率与归一化探测率 （5）暗电流）暗电流 dID半导体光电探测传感器件v 1.光敏电阻光敏电阻 光敏电阻是光电导型器件。它是在绝缘材料上将梳状光电导体封光敏电阻是光电导型器件。它是在绝缘材料上将梳状光电导体封闭在金

16、属或塑料外壳内，再在两端连上欧姆接触的电极而成。闭在金属或塑料外壳内，再在两端连上欧姆接触的电极而成。v 2.光电池光电池 根据光生伏特效应制成的光电池是将光能转变成电能的一种器件。根据光生伏特效应制成的光电池是将光能转变成电能的一种器件。v 3.光敏二极管光敏二极管 由于半导体光敏二极管有一个由于半导体光敏二极管有一个PN结，因此属于单向导电性的非线结，因此属于单向导电性的非线性光电器件。性光电器件。v 4.光敏晶体管光敏晶体管 光敏晶体管是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管且光敏晶体管是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管且电流加以放大的普通晶体管，因此，结构与一般晶体管相类

17、似。电流加以放大的普通晶体管，因此，结构与一般晶体管相类似。光电探测传感器件主要特性比较与选用原则v 光电探测传感器件的选用原则光电探测传感器件的选用原则 光电探测传感器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹光电探测传感器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配，即必须根据工作波长或波段，选用光谱响应好的光电探测传配，即必须根据工作波长或波段，选用光谱响应好的光电探测传感器件。感器件。光电探测传感器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。光电探测传感器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。光电探测传感器件有良好的频率响应特性，即必须和光信号的调光电探测传感器件有良好的频率响应特性

18、，即必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以获得无频率失真的输出波形制形式、信号频率及波形相匹配，以获得无频率失真的输出波形和良好的时间响应。和良好的时间响应。光电探测传感器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保光电探测传感器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。光电位置传感器（PSD）光电位置传感器常称光电位置传感器常称PSD（Position Sensitive Detector），是一种），是一种能在其感光表面连续移动光点位置的位置敏感检测器。能在其感光表面

19、连续移动光点位置的位置敏感检测器。它与分立元素探测器相比，具有位置分辨率高、反应电流简单快速、它与分立元素探测器相比，具有位置分辨率高、反应电流简单快速、检测数据只与光点的位置和能量中心有关（与光点形状无关）、可以检测数据只与光点的位置和能量中心有关（与光点形状无关）、可以同时测量位置和强度等优点，因此是目前应用较为广泛的一种光电器同时测量位置和强度等优点，因此是目前应用较为广泛的一种光电器件。件。半导体位置传感器的原理是基于光敏二极管的纵向光电效应。半导体位置传感器的原理是基于光敏二极管的纵向光电效应。图图2-13 横向和纵向光电效应横向和纵向光电效应光电式带材跑偏检测器 带材跑偏检测器用来

20、检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，为纠偏控制电路提供纠偏信号，主要用于印染、送纸、及方向，为纠偏控制电路提供纠偏信号，主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。胶片、磁带生产过程中。光电式带材跑偏检测器原理如图光电式带材跑偏检测器原理如图2-21a所示。所示。光源发出的光线经过透镜光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束，投向透镜会聚为平行光束，投向透镜2，随后被会聚，随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中，有部分光线受到被测的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。