光纤传感器的发展课件.ppt

1、第8章 光电式传感器 第8章 光电式传感器 8.1 光电器件光电器件8.2 光纤传感器光纤传感器 光电传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。第8章 光电式传感器 8.1 光电器件光电器件 光子光子:一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：E=h（8-1）h普朗克常数=6.62610-34(Js)光的频率（s-1）。所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。反之，光的波长越长，其光子

2、的能量也就越小。1.外光电效应外光电效应 光电器件是将光信号的变化转换为电信号的一种传感器，是光电传感器的核心部件。光电效应分为外光电效应和内光电效应。第8章 光电式传感器 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。向外发射的电子叫光电子光电子。光电管、光电管、光电倍增管光电倍增管基于外光电效应的光电器件。基于外光电效应的光电器件。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。第8章 光电式传感器 02021AmvhvE（8-2）

3、m电子质量；v0电子逸出速度。光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应器件，外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，光电流产生，为使光电流为零，必须加负的必须加负的截止电压截止电压。2021mv根据能量守恒定理爱因斯坦光电效应方程式光子能量必须超过逸出功光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；第8章 光电式传感器 2.内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应:在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电

4、动势光生电动势的效应称为。内光电效应分类：内光电效应分类：（1）光电导效应光电导效应:在光线作用下，当半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度禁带宽度就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。光敏二极管，光敏二极管，光敏晶体管也是基于内光电效应的。光敏晶体管也是基于内光电效应的。（2）光生伏特效应光生伏特效应:在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为。基于该效应的光电基于该效应的光电器件有光电池。器件有光电池。第8章 光电式传感器 8.1.

5、1 光敏电阻光敏电阻 1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻（光导管）光敏电阻（光导管）:用半导体材料制成的光电器件。原理原理,特点特点:无极性，纯电阻器件，可加交、直流电压。无光照时，电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。在一定波长范围的光照时，阻值（亮电阻）急剧减小电路中电流（亮电流）迅速增大。对光敏电阻的要求对光敏电阻的要求:一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际暗电阻值在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。第8章 光电式传感器 结构结构:金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。光导层光导层在玻璃底板

6、上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为。金属电极金属电极装于半导体的两端，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻装于半导体的两端，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。就通过引出线端接入电路。漆膜漆膜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。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。光敏电阻的电极一般采用梳状图案光敏电阻的电极一般采用梳状图案以提高灵敏度，以提高灵敏度，。金 属 电 极半 导 体

7、玻 璃 底 板电 源检 流 计RLEI(a)(b)(c)Ra图图 8-1 光敏电阻结构光敏电阻结构 光敏电阻结构光敏电阻结构梳状电极梳状电极接线图接线图第8章 光电式传感器 2.光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 (1)暗电阻与暗电流暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。(2)亮电阻与亮电流亮电阻与亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。(3)光电流光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。第8章 光电式传感器 3.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 (1)伏安特性伏安特性 在一定照度下，在一定照度下，流过光敏电阻的电

8、流与光敏电阻两端的流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为。电压的关系称为。由图图 8-2可见，光敏电阻在一定的电压范围内，光敏电阻在一定的电压范围内，其其I-U曲线为直线。说明其阻值与曲线为直线。说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无入射光量有关，而与电压电流无关。关。（2）光照特性）光照特性 描述光电流描述光电流I和光和光照强度之间的关系，不同材料的光照特照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，性是不同的，绝大多数光敏电阻光绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的照特性是非线性的。图图8-3为硫化镉为硫化镉光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光照特性。403020100I/mA1001

9、0001 x500 mW1001 x功 率200U/V101 x图图 8-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性硫化镉光敏电阻的伏安特性 0.050.100.150.200.250.300.350.4000.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4I/mA/lm图图8-3硫化镉光敏电阻的光照特性硫化镉光敏电阻的光照特性 第8章 光电式传感器 (3)光谱特性光谱特性（光谱响应光谱响应）-光敏电阻对入射光的光谱具有选择光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光有不同的灵敏度。光敏电阻的光敏电阻的相相对光敏灵敏度对光敏灵敏度与与

10、入射波长入射波长的关的关系称为光敏电阻的光谱特性。系称为光敏电阻的光谱特性。图图8-4 为几种不同材料光敏电阻的光为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。谱特性。对应于不同波长，光敏电对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。的光敏电阻光谱响应曲线也不同。从图中可见硫化镉光敏电阻的从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区，红外区，常用做火焰探测器

11、的探头。常用做火焰探测器的探头。图8-4 光敏电阻的光谱特性 Sr/(%)/A2040608010001.53硫 化 铅硫 化 铊硫 化 镉第8章 光电式传感器 （4）频率特性频率特性 时间常数时间常数:实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。性通常用时间常数表示。大多数的光敏电阻时间常数都较大多数的光敏电阻时间常数都较大，大，这是它的缺点之一。这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级），时间常数（毫秒数量级），因而它们因而

12、它们的频率特性也就各不相同。的频率特性也就各不相同。图图8-5为硫化镉和硫化铅光敏电阻为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性，的频率特性，相比较，硫化铅的使用相比较，硫化铅的使用频率范围较大。频率范围较大。图8-5 光敏电阻的频率特性 100806040200101001 000 10 000硫 化 镉硫 化 铅S /(%)f/Hz第8章 光电式传感器 图 8-6 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 1.02.03.04.0020406080100 20 20/mS /(%)(5)温度特性温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，变化时，影响光敏电阻

13、的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图8-6为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线峰值随着温度上升向波峰值随着温度上升向波长短的方向移动。长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在低硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。第8章 光电式传感器 光敏电阻的优点光敏电阻的优点:具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点光敏电阻的缺

14、点:是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件常用作开关式光电信号的传感元件。第8章 光电式传感器 表表 8-1 几种光敏电阻的特性参数几种光敏电阻的特性参数 第8章 光电式传感器 1.光敏二极管结构原理光敏二极管结构原理结构结构:与一般二极管相似。装在透明玻与一般二极管相似。装在透明玻璃外壳中，其璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以结装在管的顶部，可以直接受到光照射（图直接受到光照射（图8-7）。在）。在电路中一电路中一般是处于反向工作状态般是处于反向工作状态（图（图8-8）NP光原理原理:无光照射时，反向电阻很大，

15、反向电流（暗无光照射时，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小电流）很小;当光照射在当光照射在PN结上，光子打在结上，光子打在PN结附近结附近PN结附近产生结附近产生光生电子和光生空穴对光生电子和光生空穴对，它们在，它们在PN结处结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态截止状态，受光照射时处于导通状态。图图 8-7 光敏二极管结光敏二极管结构简图和符号构简图和符号 图图 8-8 光敏二极管接线图光敏二极管接线图 RLE8.1.

16、2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管NP光第8章 光电式传感器 2.光敏晶体管结构原理光敏晶体管结构原理结构结构:光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结（图8-9（a）,发射极一边做得很大扩大光的照射面积。原理原理:接线（图8-9（b），大多数光敏晶体管的基极无引出线大多数光敏晶体管的基极无引出线.当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时,集电结就是反向集电结就是反向偏压，偏压，当光照射在集电结时当光照射在集电结时结附近产生电子结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴电极，基区留下空穴

17、使基极与发射极间的电压升高使基极与发射极间的电压升高有大量的电子流向集有大量的电子流向集电极，形成输出电流，电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶倍，所以光敏晶体管有放大作用。体管有放大作用。NPc光Nebbec(a)(b)RLE图图 8-9 NPN型光型光敏晶体管结构简图敏晶体管结构简图和基本电路和基本电路 第8章 光电式传感器 光敏晶体管的达林顿光敏管的等效电路光敏晶体管的达林顿光敏管的等效电路:光敏晶体管的光电灵敏度比光敏二极光敏晶体管的光电灵敏度比光敏二极管高得多管高得多;但在需要但在需要高增益或大电流输出高增益或大电流输出的场合，的场合，需采用达

18、林顿光敏管。需采用达林顿光敏管。图8-10是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流放大，所以输出电流能力输出电流能力大大加强大大加强，甚至可以不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也增大，因此适合于适合于开关状态或位式信号的光电变换开关状态或位式信号的光电变换。图图8-10 达林顿光敏达林顿光敏 管的等效电路管的等效电路(a)结构简化模型结构简化模型(b)基本电路基本电路 ce第8章 光电式传感器 3.光敏管的基本特性光敏管的基本特性 (1)光谱特性光谱特性 指在一定照度时，指在一定照度时，输出的输

19、出的光电流（或用相对灵敏度表光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系示）与入射光波长的关系。图8-11硅和锗光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线。峰值波长峰值波长硅约0.9m，锗约1.5 m，此时灵敏度最大，当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。通常锗管暗电流较大性能较差在可见光或探测赤热状态物体时，在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光的探测，一般都用硅管。但对红外光的探测，用锗管较为适宜。用锗管较为适宜。图图 8-11 光敏二极光敏二极(晶体晶体)管的光谱特性管的光谱特性10080604020041028102121021610220102入射光锗硅/nmS/(

20、%)第8章 光电式传感器 横坐标横坐标所加反向偏压所加反向偏压,纵坐标为光纵坐标为光电流。光照时，反向电流随着光电流。光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大照强度的增大而增大;不同照度下不同照度下曲线几乎平行曲线几乎平行所以所以只要没达到只要没达到饱和值，它的输出实际上不受饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响偏压大小的影响0.100.080.060.040.02I/mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x0 10 20 30 40 5010864201020304050500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI/mA反 向 电

21、压/V集 电 极 发 射 极 电 压/V(a)(b)图8-12（b）。横坐标为集电横坐标为集电极极-发射极电压，纵坐标为光电发射极电压，纵坐标为光电流流。由于晶体管的放大作用，由于晶体管的放大作用，在在同样照度下，同样照度下，其光电流其光电流比相应的二极管大上百倍比相应的二极管大上百倍。图图 8-12 硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性(a)硅光敏二极管硅光敏二极管;(b)硅光敏晶体管硅光敏晶体管 硅光敏晶体管的伏安特性硅光敏晶体管的伏安特性硅光敏二极管的伏安特性硅光敏二极管的伏安特性(2)伏安特性（硅光敏管）伏安特性（硅光敏管）第8章 光电式传感器 （3）频率特性频率特性 指光敏指光敏管输

22、出的光电流（或相对灵管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性光敏二极管的频率特性:是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10s。光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性:图8-13 受负载电阻的影响，减受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也应范围，但输出电压响应也减小。减小。图图8-13 光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性 100806040200110100100 k10 kRL 1 kS/(%)f/kHz第8章 光电式传感器(4)温度特性温度特性-指光敏管的暗

23、电流及光电流与温度的关系指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。例例:光敏晶体管的温度特性曲线如图8-14所示。温度变化对光电流影响很小(图(b)，而对暗电流影响很大(图(a)在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。图图 8-14 光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性100255020 30 40 50 60 7010 20 30 40 50 60 70 80100200300400温度/暗电流/mA光电流/A温度/(a)(b)第8章 光电式传感器 表表 8-2 2CU型硅光敏二极管的基本参数型硅光敏二极管的基本参数 第8章 光电式传感器 表表8-3 3DU型硅光敏晶体管

24、的基本参数型硅光敏晶体管的基本参数 第8章 光电式传感器-是一种直接将光能转换为电能的光电器件。在有光线作用时实质就是电源，是一种直接将光能转换为电能的光电器件。在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。电路中有了这种器件就不需要外加电源。工作原理工作原理:光电池的是基于光电池的是基于“光生伏特效应光生伏特效应”。实质实质一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴电子-空穴对从表面向内迅速扩散在结电在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。场的作用下，最后建立

25、一个与光照强度有关的电动势。A硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片PN结电极AII(a)(b)图图 8-15 硅光电池原理图硅光电池原理图(a)结构示意图；结构示意图；(b)等效电路等效电路 8.1.3 光电池光电池第8章 光电式传感器 光电池基本特性光电池基本特性：(1)光谱特性光谱特性不同光波长不同光波长灵灵敏度不同。敏度不同。例:图8-16 硅、硒光电池的光谱特性 光电池材料不同光电池材料不同光谱响应光谱响应峰值所对应的入射光波长不同峰值所对应的入射光波长不同:硅光电池 入射波长:0.8m附近 光谱响应波长范围0.41.2m硒光电池 入射波长:0.5m附近 光谱响应波长范围0.380.75

26、m 可见，硅光电池可以在很硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。宽的波长范围内得到应用。图图8-16 硅、硒光电池硅、硒光电池的光谱特性的光谱特性 0400 600 800 1000 120020406080100/nmS/%硒硅第8章 光电式传感器 (2)光照特性光照特性 不同光照度下不同光照度下光电流和光生电动势不同，光电流和光生电动势不同，它们之间的关系就是光照特性。它们之间的关系就是光照特性。图8-17为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。开路电压（即负载电阻开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性无限大时）与光照度的关系是非线性的的，并且当照度在2000

27、lx时就趋于饱和了。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系 因此作为作为测量元件测量元件时时把光电池当作电流源的形式来使用，把光电池当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。不宜用作电压源。图图 8-17 硅硅光电池的光光电池的光照特性照特性 0.30.20.10光 生 电 流 /mA0.60.40.202 0004 000短 路 电 流开 路 电 压光 生 电 压 /V照 度 /lx第8章 光电式传感器 （3）频率特性频率特性 图8-18分别给出硅、硒光电池的频率特性，横坐标光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。图8-18 硅、硒光电池的频

28、率特性 15003000450060007500020406080100f/Hz相 对 光 电 流 /(%)硒 光 电 池硅 光 电 池第8章 光电式传感器 (4)温度特性温度特性 描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。图8-19 由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而开路电压随温度升高而下降的速度较快，下降的速度较快，而短路电而短路电流随温度升高而缓慢增加。流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。2040608

29、010001002003004005002.22.01.8开路电压短 路 电 流温 度 /U/mVI/mA图 8-19 硅光电池的温度特性 第8章 光电式传感器 表表8-4 硅光电池硅光电池2CR型特性参数型特性参数 第8章 光电式传感器 表表8-4 硅光电池硅光电池2CR型特性参数型特性参数 第8章 光电式传感器 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 光电耦合器件光电耦合器件:是由发光元件是由发光元件(如发光二极管如发光二极管)和光电接收元件和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。分类分类:根据结构和用途不同，分为 用于实现电隔离的用

30、于实现电隔离的光电耦合器光电耦合器 用于检测有无物体的用于检测有无物体的光电开关光电开关。1.光电耦合器光电耦合器 结构结构:其发光元件和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。发光器件发光器件通常采用砷化镓发光二极管砷化镓发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。光电接收元件光电接收元件可以是光敏二极管和光敏三极管，也可以是可以是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。达林顿光敏管。第8章 光电式传感器 图8-20 光电耦合器组合形式 输入输出输入输出(a)(b)图8-20为光敏三极管和达林顿光敏管输出型的光电

31、耦合器。为了保证光电耦合器有较高的灵敏度，应使发光元应使发光元件和接收元件的波长匹配。件和接收元件的波长匹配。光敏三极管光敏三极管达林顿光敏管达林顿光敏管第8章 光电式传感器 2.光电开关光电开关 光电开关光电开关一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出控制输出“开开”、“关关”信号的器件。信号的器件。典型结构图典型结构图透射式的光电开关透射式的光电开关:它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。它的发光元件和接收元件的光轴是重合的

32、。当不透明的物体位于或经过它们之间时，当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。发 光 元 件窗接 收 元 件壳 体导 线接 收 元 件发 光 元 件壳 体导 线(a)(b)反 射 物图图8-21 光电开关的结构光电开关的结构(a)透射式；透射式；(b)反射式反射式第8章 光电式传感器 反射式的光电开关反射式的光电开关:发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射当有物体经过时，接收

33、元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点光电开关的特点:小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。发 光 元 件窗接 收 元 件壳 体导 线接 收 元 件发 光 元 件壳 体导 线(a)(b)反 射 物图图8-21 光电开关的结构光电开关的结构(a)透射式；透射式；(b)反射式反射式第8章 光电式传感器 R VccCD4584(a)R Vcc(b)R Vcc(c)SN7414 用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高高-低低”(1-0)之分即可。之分即可。光电开关的基本

34、电路示例光电开关的基本电路示例。图（图（a）、（）、（b）表示负载为）表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况，比较器等高输入阻抗电路时的情况，（c）表示用晶体管放大光电流的情况。）表示用晶体管放大光电流的情况。光电开关的应用光电开关的应用广泛用于工业控制、自动化包装线及安全装置广泛用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测，中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测，产品计产品计数，数，料位检测，尺寸控制，料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等。安全报警及计算机输入接口等。图8-22 光电开关的基本电路 第8章

35、光电式传感器 8.1.5 电荷耦合器件电荷耦合器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Couple Device,缩写为缩写为CCD）:一种大规模金属氧化物半导体（一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成）集成电路光电器件。电路光电器件。它以电荷为信号，它以电荷为信号，具有光电信号转换、具有光电信号转换、存储、存储、转移并读出信号电荷的功能。转移并读出信号电荷的功能。CCD自自1970年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，广泛应用于航天、遥感、广泛应用于航天、遥感、工业、农业、天文及通讯等军用及民用工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域信息存储

36、及信息处理等方面，领域信息存储及信息处理等方面，尤其适用以上领域中的图像识尤其适用以上领域中的图像识别技术。别技术。第8章 光电式传感器 1.CCD的结构及工作原理的结构及工作原理 （1）结构结构:CCD由若干个电荷耦合单元组成的由若干个电荷耦合单元组成的。基本单元基本单元:MOS（金属（金属-氧化物氧化物-半导体）电容器，半导体）电容器，如如8-23(a)所示。所示。它以它以P型（或型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约型）半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约120 nm的的SiO2，再在，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个

37、电容转移器件。这样一个MOS结结构称为一个光敏元或一个像素。构称为一个光敏元或一个像素。输入、输入、输出结构输出结构:将将MOS阵列加上输入、阵列加上输入、输出结构就构成了输出结构就构成了CCD器件器件。金属Ug氧化物SiO2沟阻耗尽区(势阱)衬底少数载流子PSi势阱信号电荷表面势(a)(b)图图8-23 MOS电容器电容器（a）MOS电容截面；电容截面；（b）势阱图势阱图 第8章 光电式传感器 (2)工作原理工作原理 构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS电容器。与其它电电容器。与其它电容器一样，容器一样，MOS电容器能够存储电荷。电容器能够存储电荷。如果如果MOS电容器中的半导体电容

38、器中的半导体是是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，时，P型硅中的多数载流子（空型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区（也称表面势阱），在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区（也称表面势阱），如图如图8-23(b)所示。所示。对带负电的电子来说，对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。耗尽区是个势能很低的区域。当光照射在硅片上，当光照射在硅片上，在光子作用下在光子作用下半导体硅产生了电子半导体硅产生了电

39、子-空穴对空穴对产产生的光生电子就被附近的势阱所吸收，势阱内所吸收的光生电子数量与入射生的光生电子就被附近的势阱所吸收，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比，到该势阱附近的光强成正比，存储了电荷的势阱被称为电荷包，存储了电荷的势阱被称为电荷包，而同时产生而同时产生的空穴被排斥出耗尽区。的空穴被排斥出耗尽区。在一定的条件下，所加正电压在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，越大，耗尽层就越深，Si表面吸收少数表面吸收少数载流子表面势载流子表面势(半导体表面对于衬底的电势差半导体表面对于衬底的电势差)也越大，这时势阱所能容纳的也越大，这时势阱所能容纳的少数载流子电荷的

40、量就越大。少数载流子电荷的量就越大。第8章 光电式传感器 CCD的信号（的信号（电荷）电荷产生方式）电荷产生方式:光信号注入和电信号注光信号注入和电信号注入入光信号注入光信号注入:CCD用作固态图像传感器时，接收的是光信号用作固态图像传感器时，接收的是光信号，即。图即。图8-24（a）是背面光注入方法，如果用透明电极也可用正面光注入方法。）是背面光注入方法，如果用透明电极也可用正面光注入方法。当当CCD器件受光照射时器件受光照射时栅极附近的半导体内产生电子栅极附近的半导体内产生电子-空穴对，空穴对，其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底，而少数载流子（电子）则被收其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底

41、，而少数载流子（电子）则被收集在势阱中，集在势阱中，形成信号电荷，形成信号电荷，并存储起来。并存储起来。存储电荷的多少正比于照射的光强存储电荷的多少正比于照射的光强反映图像的明暗程反映图像的明暗程度，度，实现光信号与电信号之间的转换。实现光信号与电信号之间的转换。PSi(a)tIDnIG1231PSiQ IDt(b)8-24 电荷注入方法电荷注入方法（a）背面光注入背面光注入;（b）电注入电注入 第8章 光电式传感器 8-24 电荷注入方法电荷注入方法（a）背面光注入；背面光注入；（b）电注入电注入 PSi(a)tIDnIG1231PSiQ IDt(b)电信号注入电信号注入:即即CCD通过输入

42、结构对信号电压或电流进行采样，通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换成信号电荷。将信号电压或电流转换成信号电荷。图图8-24（b）用输入二极管进行电注入，该二极管是在输入栅衬底上扩散）用输入二极管进行电注入，该二极管是在输入栅衬底上扩散形成的。当输入栅形成的。当输入栅IG加上宽度为加上宽度为t的正脉冲时，输入二极管的正脉冲时，输入二极管PN结的少数结的少数载流子通过输入栅下的沟道注入载流子通过输入栅下的沟道注入1电极下的势阱中，注入电荷量电极下的势阱中，注入电荷量Q=IDt。第8章 光电式传感器 自学：自学：CCD最基本的结构最基本的结构:是一系列彼此非常靠近的MOS电容器

43、，这些电容器用同一半导体衬底（上面涂覆一层氧化层）制成，衬底上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足相位要求，下面以三相（也有二相和四相）时钟脉冲控制方式为例说明电荷定向转移的过程。把MOS光敏元电极分成三组，在其上面分别施加三个相位不同的控制电压1、2、3，见图8-25（b），控制电压1、2、3的波形见图8-25（a）所示。第8章 光电式传感器 图8-25 三相CCD时钟电压与电荷转移的关系(a)三相时钟脉冲波形；(b)电荷转移过程

44、123t1t2t3t4(a)ot第8章 光电式传感器 图图8-25 三相三相CCD时钟电压与电荷转移的关系时钟电压与电荷转移的关系123t1t2t3t4(a)ot(b)电荷转移过程电荷转移过程 213123456一 级二 级t t1t t2t t3t t4(b)PSi(a)三相时钟脉冲波形；三相时钟脉冲波形；123第8章 光电式传感器 当当t=t1时，时，1相处于高电相处于高电平，平，2、3相处于低电平，相处于低电平，在电极在电极1、4下面出现势阱，下面出现势阱，存储了电荷。存储了电荷。在在t=t2时，时，2相也处于高相也处于高电平，电平，电极电极2、5下面出现势下面出现势阱。阱。由于相邻电极

45、之间的间由于相邻电极之间的间隙很小，电极隙很小，电极1、2及及4、5下下面的势阱互相耦合，使电极面的势阱互相耦合，使电极1、4下的电荷向电极下的电荷向电极2、5下面势下面势阱转移。阱转移。随着随着1电压下降，电压下降，电极电极1、4下的势阱相应变浅。下的势阱相应变浅。在在t=t3时，有更多的电荷时，有更多的电荷转移到电极转移到电极2、5下势阱内。下势阱内。在在t=t4时，只有时，只有2处于高处于高电平，信号电荷全部转移到电平，信号电荷全部转移到电极电极2、5下面的势阱内。下面的势阱内。随随着控制脉冲的变化，信号电着控制脉冲的变化，信号电荷便从荷便从CCD的一端转移到终的一端转移到终端，端，实现

46、了电荷的耦合与转实现了电荷的耦合与转移。移。213123456一级二级t t1t t2t t3t t4(b)PSi123123t1t2t3t4(a)ot第8章 光电式传感器 ERLUoIoOG321PSiNSiCCD输出端结构示意图输出端结构示意图。它实际上是在CCD阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载RL上就形成脉冲电流Io。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻RL变为信号电压Uo输出。图图8-26 CCD输出端结构输出端结构 第8章 光电式传感器 2.CCD的应用（的应用

47、（CCD固态图像传感器）固态图像传感器）电荷耦合器件的应用电荷耦合器件的应用:用于固态图像传感器中，用于固态图像传感器中，作为摄作为摄像或像敏的器件。像或像敏的器件。CCD固态图像传感器的组成固态图像传感器的组成:感光部分和移位寄存器。感光部分和移位寄存器。感光部分感光部分:指在同一半导体衬底上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称光敏单元简称“像素像素”。固态图像传感器的工作原理固态图像传感器的工作原理:利用光敏单元的光电转换功能利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像图像”，即将光强的空，即将光强的空间分布转

48、换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将电信号移位寄存器的移位功能将电信号“图像图像”传送，传送，经输出放大器输出。经输出放大器输出。第8章 光电式传感器 CCD固态图像传感器的分类（固态图像传感器的分类（按光敏元件排列形式）:线型和面线型和面型型 （1）线型）线型CCD图像传感器图像传感器:由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成的，光敏单元与移位寄存器之间有一个转移控制栅，基本结构如图8-27（a）所示。转移控制栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间光转移控制栅控制光电荷向移位

49、寄存器转移，一般使信号转移时间光积分时间。在光积分周期里，各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏元上所积分时间。在光积分周期里，各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏元上所接收的光照强度和光积分时间成正比，接收的光照强度和光积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅开启时，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到当转移控制栅开启时，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移移位寄存器的相应单元。位寄存器的相应单元。当转移控制栅关闭时，当转移控制栅关闭时，MOS光敏元阵列又开始下一行光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲，将已转移

50、到的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲，将已转移到CCD移位移位寄存器内的上一行的信号电荷由移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。寄存器内的上一行的信号电荷由移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。转 移 栅转 移 栅光 敏 单 元移 位 寄 存 器光 敏 单 元输 出输 出(a)(b)移 位 寄 存 器 1移 位 寄 存 器 2图图8-27 线型线型CCD图像传感器图像传感器（a）单行结构；单行结构；（b）双行结构双行结构 第8章 光电式传感器 转移栅转移栅光敏单元移位寄存器光敏单元输出输出(a)(b)移位寄存器1移位寄存器2 图图8-27（b）为）为CCD的双行结构图。的双行结构图