1、第第9 9章章 光電式傳感器光電式傳感器 將光量轉換為電量的器件稱為光電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：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，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。光然后通過光電轉換元件變換成電信號。光電傳感器的工作基礎是光電效應。電傳感器的工作基礎是光電效應。9.1 9.1 光電器件光電器件 光電效應按其作用原理可分為光電效應按其作用原理可分為外光電效應和內光電效應外光電效應和內光電效應。一一. . 外光電效應外光電效應 在光線作用下，物體內的電子逸出物體表

2、面，向外發射的在光線作用下，物體內的電子逸出物體表面，向外發射的現象稱為現象稱為外光電效應外光電效應。 基于外光電效應的光電器件基于外光電效應的光電器件由光電管、光電倍增管由光電管、光電倍增管等。等。 我們知道，光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能力我們知道，光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能力由下式確定。由下式確定。)s s)(J106.626h -134-光光的的頻頻率率（為為普普朗朗克克常常數數式式中中： hE若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功出功A0A0時，電子就逸出物體表面，產生電子發時，電子就逸出物體表面，產生電子發射。故要使

3、一個電子逸出，則光子能量射。故要使一個電子逸出，則光子能量hh必須必須超出逸出功超出逸出功A0 A0 ，超過部分的能量，表現為逸出，超過部分的能量，表現為逸出電子的動能。即電子的動能。即電電子子逸逸出出速速度度。電電子子質質量量式式中中：-u -m 002021Amuh二二.內光電效應內光電效應 受光照的物體導電率發生變化，或產生光生電受光照的物體導電率發生變化，或產生光生電動勢的效應叫內光電效應。內光電效應又可分動勢的效應叫內光電效應。內光電效應又可分為以下兩大類。為以下兩大類。1 1）光電導效應。在光線作用下，電子吸收光子）光電導效應。在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態

4、，而引起材料能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電阻率變化，這種效應稱為光電導效應。基于電阻率變化，這種效應稱為光電導效應。基于這種效應的器件有這種效應的器件有光敏電阻光敏電阻等。等。2 2）光生伏特效應。在光線作用下能夠使物體產）光生伏特效應。在光線作用下能夠使物體產生一定方向電動勢的現象叫光生伏特效應。基生一定方向電動勢的現象叫光生伏特效應。基于該效應的器件有于該效應的器件有光電池和光敏晶體管光電池和光敏晶體管等。等。光電二極管、光電三極管光電二極管、光電三極管二 光電器件的特性參數 靈敏度 光譜特性 等效噪聲功率 響應時間 線性度 溫度特性9.2.1 外光電效應型光電器件n當光照射到

5、金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，這種現象稱為外光電效應。n即外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的現象。n根據外光電效應做出的光電器件有光電管和光電倍增光電管和光電倍增管。管。9.2 9.2 光電效應與光電器件光電效應與光電器件1、光電管及其基本特性、光電管及其基本特性光電管的伏安特性 光電管的光照特性曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流與光通量呈線性關系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它呈非線性關系 光電特性n光通量光通量：光源單位時間內發出的

6、光量稱為光通量。光通量的單位為流明（lm），通常用符號表示。n光強光強：光源在給定方向的單位立體角中發射的光通量定義為光源在該方向的光強。光強的單位為坎德拉（cd），通常用符號I表示。n照度照度：指被照面上單位面積所接受的光通量的大小（即光通量密度），是表征表面被照明程度的量。照度的單位是勒克斯（lx），通常用符號E表示。光電管的光譜特性不同光電陰極材料的光電管，對同一波長的光有不同的靈敏度；同一種陰極材料的光電管對于不同波長的光的靈敏度也不同，這就是光電管的光譜特性。曲線1、2分別為銫陰極、銻銫陰極對應不同波長光線的靈敏度，3為多種成分（銻、鉀、鈉、銫等）陰極的光譜特性曲線 2、光電倍增管及

7、其基本特性、光電倍增管及其基本特性次級電子增強級倍增級用次級發射材料制成，受一個電子轟擊后，激發數個電子逸出。電位從陰極開始逐級升高。主要參數主要參數 n倍增系數 Mn陽極電流 n光電倍增管的電流放大倍數n光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度n暗電流n光電倍增管的光譜特性nIi Mi /nI i9.2.2 內光電效應型光電器件n內光電效應是指在光線作用下，物體的導電性能發生變化或產生光生電動勢的現象 內光電效應分類內光電效應分類光電導效應 在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度， 就激發出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值

8、減低的現象。如光敏電阻光生伏特效應 在光線的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象。如光電池、光電二極管、光電三極管。 （1）光敏電阻）光敏電阻n 1. 光敏電阻的結構與工作原理光敏電阻的結構與工作原理n 光敏電陰是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性， 使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。n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。 n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

9、結構金 屬 電 極半 導 體玻 璃 底 板電 源檢 流 計RLEI(a)(b)(c)Ra光敏電阻結構 (a) 光敏電阻結構； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖2. 光敏電阻的主要參數光敏電阻的主要參數n暗電阻 n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。 n亮電阻 n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。 n光電流 n亮電流與暗電流之差3、光敏電阻的基本特性n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。403020100I / mA10010001 x500 mW1001 x功率200U / V101

10、x圖 10.9硫化鎘光敏電阻的伏安特性 一定光照，一定光照，R R一定，一定，I I正正比于比于U U。一定電壓，一定電壓，I I隨著光照隨著光照E E增強而增大。增強而增大。 ERIERI。光照特性n指光敏電阻的光電流I和光照強度之間的關系光敏電阻的光照特性 光譜特性n光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關系。即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。Sr / (%) / A2040608010001.53硫化鉛硫化鉈硫化鎘 光敏電阻的光譜特性 不同材料，其峰值波長不同材料，其峰值波長不同。不同。同一種材料，對不同波同一種材料，對不同波長的入射光，其相

11、對靈敏長的入射光，其相對靈敏度不同，響應電流不同。度不同，響應電流不同。應根據光源的性質，選擇應根據光源的性質，選擇合適的光電元件（匹配）合適的光電元件（匹配）使光電元件得到較高得相使光電元件得到較高得相對靈敏度。對靈敏度。溫度特性n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、靈敏度和暗電阻。n硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。1.02.03.04.00204060801002020 / mS / (%)硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 硫化鉛光敏電阻的光譜溫硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線度特性曲線, , 它的峰值隨它的峰值隨著溫度上升向波長短的方著溫度上升向波

12、長短的方向移動。向移動。因此因此, , 硫化鉛光硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。條件下使用。 對于可見對于可見光的光敏電阻光的光敏電阻, , 其溫度影其溫度影響要小一些。響要小一些。 光敏電阻的應用光敏電阻的應用1.光照度計光照度計 農作物日照時數測定。農作物日照時數測定。 輸出接單片機的輸出接單片機的I/OI/O口，口，每每2 2分鐘對此口查詢分鐘對此口查詢1 1次，次，為高電平，計數一次，為高電平，計數一次，為低電平，不計數。為低電平，不計數。1 1天天查詢查詢720720次。次。 無光照無光照V0=VL V0=VL 。有光照。有光照V0=VHV0=VH。w

13、R9013CRGRA0V)(24720hNH2.帶材跑偏檢測儀帶材跑偏檢測儀（2）光電池）光電池n光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。即電源。 n工作原理：基于“光生伏特效應”。n光電池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。光電池結構、符號光電池結構、符號光電池種類光電池種類 n光電池的種類很多，有硅光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等n最受人們重視的是硅光電

14、池。因為它具有性能穩定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉換效率高、能耐高溫輻射、價格便宜、壽命長等特點。它不僅廣泛應用于人造衛星和宇宙飛船作為太陽能電池，而且也廣泛應用于自動檢測和其它測試系統中n硒光電池由于其光譜峰值位于人眼的視覺范圍，所以在很多分析儀器、測量儀表中也常常用到。光電池基本特性n光譜特性 n光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。0400600800 1000120020406080100 / nmS / %硒硅硅光電池的光譜特性 光照特性n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0.30.20.10光生電流 / mA0.60.40.202 00

15、04 000短路電流開路電壓光生電壓 / V照度 / lx 硅光電池的光照特性 頻率特性1500 3000 4500 6000 7500020406080100f / Hz相對光電流 / (%)硒光電池硅光電池溫度特性n是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。2040608010001002003004005002.22.01.8開路電壓短路電流溫度 / U / mVI / mA 硅光電池的溫度特性 光敏二極管與三極管光敏二極管與三極管一一. 光敏二極管光敏二極管1.1.工作原理與結構工作原理與結構光敏二極管的結構與普通二極管一樣，都有一個光敏二極管的結構與普通二極管一樣，都有一個P

16、NPN結，兩結，兩根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向導電性。不根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向導電性。不同之處在于光敏二極管的同之處在于光敏二極管的PNPN結狀在管殼的頂部，可直接受結狀在管殼的頂部，可直接受到光的照射，其結構和電路如圖所示。到光的照射，其結構和電路如圖所示。沒有光照射時沒有光照射時，處于反向偏置的光敏二極管，處于反向偏置的光敏二極管，工作于截止狀態工作于截止狀態, , 這時只有少數載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成這時只有少數載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。這時反向電阻很大。微小的反向電流即暗電流。這時反向電阻很大。 當

17、光照射在當光照射在PNPN結上時結上時, , 光子打在光子打在PNPN結附近結附近, PN, PN結附近產生結附近產生光生電子和光生空穴對。從而使光生電子和光生空穴對。從而使P P區和區和N N區的少數載流子濃度大區的少數載流子濃度大大增加大增加，因此在反向外加電壓和內電場的作用下，因此在反向外加電壓和內電場的作用下,P,P區的少數載區的少數載流子渡越阻擋層進入流子渡越阻擋層進入N N區，區， N N區的少數載流子渡越阻擋層進入區的少數載流子渡越阻擋層進入P P區區，從而使通過從而使通過PNPN結的反向電流大為增加，形成結的反向電流大為增加，形成光電流光電流。這時。這時二極管處于導通狀態。光的

18、照度越大二極管處于導通狀態。光的照度越大, , 光電流越大。光電流越大。等效電路2.2.光敏二極管的基本特性光敏二極管的基本特性1 1）光譜特性）光譜特性 在入射度一定時，在入射度一定時，輸出的光電流輸出的光電流（或相對靈敏度）（或相對靈敏度）隨光波波長的變隨光波波長的變化而變化。一種化而變化。一種光敏二極管只對光敏二極管只對一定波長的入射一定波長的入射光敏感，這就是光敏感，這就是它的光譜特性。它的光譜特性。如圖所示。如圖所示。2）伏安特性）伏安特性3 3）光照特性）光照特性4 4）溫度特性）溫度特性溫度變化對光敏二極管輸出電流影響較小溫度變化對光敏二極管輸出電流影響較小, ,但對暗電流的影響

19、但對暗電流的影響卻十分顯著卻十分顯著. .3.光敏二極管的應用光敏二極管的應用1 1）光電路燈控制電路）光電路燈控制電路二二. 光敏三級管光敏三級管光電三極管比具有相同有效面積的光電二極管的光電光電三極管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，但相應速度較二極管差。流大幾十至幾百倍，但相應速度較二極管差。1.1.工作原理與結構工作原理與結構基極開路，集電極與發射極之間加正電壓。當光照射在集電基極開路，集電極與發射極之間加正電壓。當光照射在集電結上時結上時, , 在結附近產生電子在結附近產生電子- -空穴對空穴對, , 電子在結電場的作用電子在結電場的作用下，由下，由P P區向區向

20、N N區運動，形成基極電流，放大區運動，形成基極電流，放大倍形成集電極倍形成集電極電流（光電流）電流（光電流）, , 所以光電三極管有放大作用。所以光電三極管有放大作用。 NPN型光敏晶體管結構和基本電路 達林頓光敏管的等效電路 ce溫度特性與光照特性溫度特性與光照特性 溫度特性與光敏二極管溫度特性與光敏二極管相同，光照特性如圖相同，光照特性如圖光敏管的基本特性n光敏晶體管的光譜特性 n伏安特性 光照特性 光敏二極管和三極管的主要差別 n光電流n光敏二極管一般只有幾微安到幾百微安，而光敏三極管一般都在幾毫安以上，至少也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極管與光敏三極管的暗電流則相差不大，一

21、般都不超過1uA。n響應時間n光敏二極管的響應時間在100ns以下，而光敏三極管為510us。因此，當工作頻率較高時，應選用光敏二極管；只有在工作頻率較低時，才選用光敏三極管。n輸出特性n光敏二極管有很好的線性特性，而光敏三極管的線性較差。光敏管的應用3.光敏三極管的應用光敏三極管的應用2.轉速傳感器轉速傳感器7.2.4 光電耦合器件光電耦合器件 光電耦合器件是由發光元件(如發光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。根據其結構和用途不同，它又可分為用于實現電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關。 1. 光電耦合器光電耦合器 光電耦合器的發光元件和接收元件都封裝

22、在一個外殼內， 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發光器件通常采用砷化鎵發光二極管，其管芯由一個PN結組成，隨著正向電壓的增大，正向電流增加，發光二極管產生的光通量也增加。光電接收元件可以是光敏二極管和光敏三極管，也可以是達林頓光敏管。圖7-20為光敏三極管和達林頓光敏管輸出型的光電耦合器。為了保證光電耦合器有較高的靈敏度， 應使發光元件和接收元件的波長匹配。 圖7-20 光電耦合器組合形式 輸入輸出輸入輸出(a)(b)光電耦合器的主要特性參數n輸入參數：最大工作電流IFM、正向壓降VF、反向漏電流IR。n輸出參數：輸出電流Io、飽和壓降Vcesn傳輸特性（電流傳輸比CTP、傳輸線性、隔離特性、傳

23、輸速度）n特點及用途光電耦合器的應用 2. 光電開關光電開關 光電開關是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收， 并進行光電轉換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、 “關”信號的器件。 圖7-21為典型的光電開關結構圖。圖(a)是一種透射式的光電開關，它的發光元件和接收元件的光軸是重合的。當不透明的物體位于或經過它們之間時，會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發光元件的光，這樣就起到了檢測作用。 圖(b)是一種反射式的光電開關，它的發光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。當有物體經過時，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時

24、則接收不到。光電開關的特點是小型、高速、非接觸，而且與TTL、 MOS等電路容易結合。 圖7-21 光電開關的結構(a) 透射式； (b) 反射式 發光元件窗接收元件殼體導線接收元件發光元件殼體導線(a)(b)反射物 用光電開關檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高-低” (1-0) 之分即可。 圖8 - 22 是光電開關的基本電路示例。圖（a）、（b）表示負載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時的情況，圖（c）表示用晶體管放大光電流的情況。 光電開關廣泛應用于工業控制、自動化包裝線及安全裝置中作為光控制和光探測裝置。可在自動控制系統中用作物體檢測， 產品計數， 料位檢測，尺寸控制， 安全報警

25、及計算機輸入接口等。 圖7-22 光電開關的基本電路 R VccCD4584(a)R Vcc(b)R Vcc(c)SN74149.4 光光 纖纖 傳傳 感感 器器 光纖傳感器(Fiber Optical Sensor，FOS)是1970年代中期發展起來的一種新技術，它是伴隨著光纖及光通信技術的發展而逐步形成的。 光纖傳感器和傳統的各類傳感器相比有一定的優點，如不受電磁干擾，體積小，重量輕，可繞曲，靈敏度高，耐腐蝕， 高絕緣強度，防爆性好，集傳感與傳輸于一體，能與數字通信系統兼容等。光纖傳感器能用于溫度、壓力、應變、位移、速度、加速度、磁、電、 聲和PH值等70多個物理量的測量，在自動控制、在線

26、檢測、故障診斷、安全報警等方面具有極為廣泛的應用潛力和發展前景。 9.4光纖傳感器光纖傳感器n光纖傳感器的特點：n極高的靈敏度和精度n固有的安全性好n抗電磁干擾n高絕緣強度n耐腐蝕n集傳感與傳輸于一體n能與數字通信系統兼容等n光纖傳感器受到世界各國的廣泛重視。光纖傳感器已用于位移、振動、轉動、壓力、速度、加速度、電流、磁場、電壓、溫度等70多個物理量的測量n在生產過程自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警等方面有廣泛的應用前景。1、光纖的結構2、光纖的傳光原理2ciin0n2n1纖 芯包 層光纖的傳光原理ic光全反射條件：根據斯涅耳（Snell）光的折射定律，由圖7-34可得 sinsinsi

27、nsin2110nnnnii（7-4） （7-5） 式中，n0為光纖外界介質的折射率。 若要在纖芯和包層的界面上發生全反射， 則界面上的光線臨界折射角c=90，即 c=90。 而 212121111sin1sin1cos2sinsinnnnnnnniii當=c=90時，有 cinnnnnsinsinsin0022211(7-7) (7-6) 所以，為滿足光在光纖內的全內反射， 光入射到光纖端面的入射角i應滿足 222101arcsinnnnci一般光纖所處環境為空氣，則n0=1，這樣式（7-8）可表示為 2221arcsinnnci 實際工作時需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍然繼續前

28、進。可見這里的光線“轉彎”實際上是由光的全反射所形成的。 （7-8）（7-9）3、光導纖維的主要參數n數值孔徑數值孔徑NA 2212NAsincnnNA反應了光纖對入射光的接受能力，NA越大，說明光纖能夠使光線全反射的入射角范圍越大，接受能力越強。傳播損耗傳播損耗 n光信號在光纖中的傳播不可避免地存在著損耗。n光纖傳輸損耗主要有材料吸收損耗（因材料密度及濃度不均勻引起）、散射損耗（因光纖拉制時粗細不均勻引起）、光波導彎曲損耗（因光纖在使用中可能發生彎曲引起）。光纖模式光纖模式n光波在光纖中的傳播途徑和方式光波在光纖中的傳播途徑和方式稱為光纖模式光纖模式。對于不同入射角的光線，在界面反射的次數是

29、不同的，傳遞的光波間的干涉也是不同的，這就是傳播模式不同。一般總希望光纖信號的模式數量要少，以減小信號畸變的可能。n單模光纖直徑較小，只能傳輸一種模式。其優點是：信號畸變小、信息容量大、線性好、靈敏度高；缺點：纖芯較小，制造、連接、耦合較困難。n多模光纖直徑較大，傳輸模式不只一種，其缺點是：性能較差。優點：纖芯面積較大，制造、連接、耦合容易。光纖傳感器n工作原理工作原理n由于外界因素（溫度、壓力、電場、磁場、振動等）對光纖的作用，會引起光波特征參量（振幅、相位、頻率、偏振態等）發生變化，只要能測出這些參量隨外界因素的變化關系，就可以用它作為傳感元件來檢測對應物理量的變化 光纖傳感器的組成光纖傳

30、感器的組成n由光源、光纖耦合器、光纖、光探測器等組成。由光源、光纖耦合器、光纖、光探測器等組成。n光源光源n一般要求光源的體積盡量小，以利于它與光纖耦合；光源發出的光波長應合適，以便減少光在光纖中傳輸的損失；光源要有足夠亮度，以便提高傳感器的輸出信號。另外還要求光源穩定性好、噪聲小、安裝方便和壽命長等。n 光纖傳感器使用的光源種類很多，按照光的相干性可分為相干光和非相干光。非相干光源有白熾光、發光二極管；相干光源包括各種激光器，如氦氖激光器、半導體激光二極管等。n光探測器光探測器n 光探測器的作用是把傳送到接收端的光信號轉換成電信號，以便作進一步的處理。它和光源的作用相反，常用的光探測器有光敏

31、二極管、光敏三極管、光電倍增管等。被 測 對 象光 纖 敏 感 元 件光 源光 探 測 器至 信 號 處 理 系 統光 纖光 源光 探 測 器至 信 號 處 理 系 統光 纖被 測 對 象光 敏 感 元 件(a)(b)光纖傳感器組成示意圖（a） 傳感型； （b） 傳光型 光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類 n按光纖在傳感器中功能的不同可分為：按光纖在傳感器中功能的不同可分為：n功能型（傳感型）光纖傳感器n是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內傳輸的光進行調制，使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振等特性發生變化，再通過對被調制過的信號進行解調，從而得出被測信號。n非功能型（傳光型）光

32、纖傳感器n是利用其他敏感元件感受被測量的變化，與其它敏感元件組合而成的傳感器，光纖只作為光的傳輸介質。按光纖傳感器調制的光波參數不同按光纖傳感器調制的光波參數不同n強度調制光纖傳感器 n相位調制光纖傳感器n偏振調制光纖傳感器 n波長（頻率）調制光纖傳感器 按光纖傳感器檢測對象不同按光纖傳感器檢測對象不同n光纖溫度傳感器n光纖位移傳感器n光纖電流傳感器n光纖流速傳感器等等。 2. 光纖傳感器的應用光纖傳感器的應用 （1） 光纖加速度傳感器 光纖加速度傳感器的組成結構如圖7-36所示。它是一種簡諧振子的結構形式。激光束通過分光板后分為兩束光，透射光作為參考光束， 反射光作為測量光束。當傳感器感受加

33、速度時，由于質量塊M對光纖的作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變。 相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會合產生干涉效應。 激光干涉儀干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉換為電信號， 經過信號處理電路處理后便可以正確地測出加速度值。 圖7-36 光纖加速度傳感器結構簡圖 激 光 器干 涉 儀處 理 電 路質 量 塊固 定 座單 模 參 考 光 纖單 模 測 量 光 纖 （2） 光纖溫度傳感器 光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而被廣泛使用的光纖傳感器。根據工作原理它可分為相位調制型、光強調制型和偏振光型等。這里僅介紹一種光強調制型的半導體光吸收型光纖傳感器，圖7-37為這種傳感

34、器的結構原理圖。 傳感器是由傳感器是由半導體光吸收器、光纖、光源和包括光探測器在內的信號處理系半導體光吸收器、光纖、光源和包括光探測器在內的信號處理系統等組成的統等組成的。光纖是用來傳輸信號，半導體光吸收器是光敏感元半導體光吸收器是光敏感元件，在一定的波長范圍內，它對光的吸收隨溫度件，在一定的波長范圍內，它對光的吸收隨溫度T變化而變化變化而變化。 圖7-38為半導體的光透過率特性。半導體材料的光透過率特性曲線隨溫度的增加向長波方向移動，如果適當地選定一種在該材料工作波長范圍內的光源，那么就可以使透射過半導體材料的光強隨溫度而變化，探測器檢測輸出光強的變化即達到測量溫度的目的。 圖7-37 半導

35、體光吸收型光纖溫度傳感器結構原理圖 光 源輸 入 光 纖輸 出 光 纖不 銹 鋼 套半 導 體 光 吸 收 器探 測 器圖7-38 半導體的光透過率特性 100T1T2T3g12T1 T2 T3透過率 / (%)01光源光譜分布；2吸收邊沿透射率f (, T ) 這種半導體光吸收型光纖傳感器的測量范圍隨半導體材料和光源而變，一般在-100300溫度范圍內進行測量，響應時間約為2 s。它的特點是體積小、結構簡單、時間響應快、工作穩定、成本低、便于推廣應用。 9.3 CCD固體圖像傳感器n電荷耦合器件（Charge Couple Device, 縮寫為CCD）是一種大規模金屬氧化物半導體（MOS）

36、集成電路光電器件。n它以電荷為信號， 具有光電信號轉換、光電信號轉換、 存儲、存儲、 轉移并讀出信號電荷轉移并讀出信號電荷的功能。 1. CCD的工作原理的工作原理（1） 結構結構 CCD是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導體）電容器， 如7-23(a)所示。它以P型（或N型）半導體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120 nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極而構成MOS電容轉移器件。這樣一個MOS結構稱為一個光敏元或一個像素。將MOS陣列加上輸入、 輸出結構就構成了CCD器件。 圖7-23 MOS電容器（a） MOS電容截面； （b） 勢阱圖 金 屬U

37、g氧 化 物 SiO2溝 阻耗 盡 區(勢 阱 )襯 底少 數 載 流 子P Si勢 阱信 號 電 荷表 面 勢(a)(b) (2) 工作原理 構成CCD的基本單元是MOS電容器。與其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。如果MOS電容器中的半導體是P型硅，當在金屬電極上施加一個正電壓Ug時，P型硅中的多數載流子（空穴）受到排斥，半導體內的少數載流子（電子）吸引到P-Si界面處來，從而在界面附近形成一個帶負電荷的耗盡區，也稱表面勢阱，如圖7-23(b)所示。 對帶負電的電子來說，耗盡區是個勢能很低的區域。 如果有光照射在硅片上，在如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導體硅產生了電子光子作用

38、下，半導體硅產生了電子-空穴對，空穴對，由此產生的光生電子就被附近的勢阱所吸由此產生的光生電子就被附近的勢阱所吸收，勢阱內所吸收的光生電子數量與入射收，勢阱內所吸收的光生電子數量與入射到該勢阱附近的光強成正比到該勢阱附近的光強成正比，存儲了電荷的勢阱被稱為電荷包，而同時產生的空穴被排斥出耗盡區。并且在一定的條件下，所加正電壓Ug越大，耗盡層就越深，Si表面吸收少數載流子表面勢(半導體表面對于襯底的電勢差)也越大，這時勢阱所能容納的少數載流子電荷的量就越大。 金 屬Ug氧 化 物 SiO2溝 阻耗 盡 區(勢 阱 )襯 底少 數 載 流 子P Si勢 阱信 號 電 荷表 面 勢(a)(b) CC

39、D的信號是電荷，那么信號電荷是怎樣產生的呢？CCD的信號電荷產生有兩種方式： 光信號注入和電信號注入。CCD用作固態圖像傳感器時， 接收的是光信號， 即光信號注入。 7-24 電荷注入方法（a） 背面光注入； （b） 電注入 PSi(a)tIDnIG1231PSiQ IDt(b) 圖7-24（a）是背面光注入方法，如果用透明電極也可用正面光注入方法。 當CCD器件受光照射時，在柵極附近的半導體內產生電子-空穴對，其多數載流子（空穴）被排斥進入襯底，而少數載流子（電子）則被收集在勢阱中， 形成信號電荷， 并存儲起來。 存儲電荷的多少正比于照射的光強，從而可以反映圖像的明暗程度， 實現光信號與電信

40、號之間的轉換。 所謂電信號注入，就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉換成信號電荷。 圖7-24（b）是用輸入二極管進行電注入，該二極管是在輸入柵襯底上擴散形成的。當輸入柵IG加上寬度為t的正脈沖時，輸入二極管PN結的少數載流子通過輸入柵下的溝道注入1電極下的勢阱中，注入電荷量Q=IDt。 CCD最基本的結構是一系列彼此非常靠近的MOS電容器， 這些電容器用同一半導體襯底制成，襯底上面涂覆一層氧化層， 并在其上制作許多互相絕緣的金屬電極，相鄰電極之間僅隔極小的距離，保證相鄰勢阱耦合及電荷轉移。對于可移動的電荷對于可移動的電荷信號都將力圖向表面勢大的位置移動信號都將力

41、圖向表面勢大的位置移動。為保證信號電荷按確定為保證信號電荷按確定方向和路線轉移，在各電極上所加的電壓嚴格滿足相位要求。方向和路線轉移，在各電極上所加的電壓嚴格滿足相位要求。下面以三相（也有二相和四相）時鐘脈沖控制方式為例說明電荷定向轉移的過程。把MOS光敏元電極分成三組， 在其上面分別施加三個相位不同的控制電壓1、2、3， 控制電壓1、2、3的波形見圖7 - 25（a）所示。 圖7-25 三相CCD時鐘電壓與電荷轉移的關系 (a) 三相時鐘脈沖波形； (b) 電荷轉移過程 123t1t2t3t4(a)ot圖7-25 三相CCD時鐘電壓與電荷轉移的關系 (a) 三相時鐘脈沖波形； (b) 電荷轉

42、移過程 213123456一級二級t t1t t2t t3t t4(b)PSi 當t=t1時，1相處于高電平，2、3相處于低電平，在電極1、4下面出現勢阱，存儲了電荷。在t=t2時，2相也處于高電平， 電極2、5下面出現勢阱。 由于相鄰電極之間的間隙很小，電極1、 2及4、 5下面的勢阱互相耦合，使電極1、 4下的電荷向電極2、 5下面勢阱轉移。 隨著1電壓下降，電極1、4下的勢阱相應變淺。 在t=t3時，有更多的電荷轉移到電極2、5下勢阱內。在t=t4時，只有2處于高電平，信號電荷全部轉移到電極2、5下面的勢阱內。 隨著控制脈沖的變化，信號電荷便從CCD的一端轉移到終端， 實現了電荷的耦合與

43、轉移。 圖7-26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變為信號電壓Uo輸出。 圖圖7-26 CCD輸出端結構輸出端結構 ERLUoIoOG321P SiN Si9.3.2 CCD固體圖像傳感器的分類n線陣型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器可以直接接收一維光信息，不能直接將二維圖像轉變為視頻信號輸出，為了得到整個二維圖像的視頻信號， 就必須用掃描的方法。n面陣型CCD圖像傳感器面型CCD圖像傳感器 按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構成面型CCD圖像傳感器。 9.3.3 CCD圖像傳感器的特性參數圖像傳感器的特性參數1.1.轉移效率轉移效率 當當CCDCCD中電荷包從一個勢阱轉移到另一個勢阱時，若中電荷包從一個勢阱轉移到另一個勢阱時，若Q Q