新型傳感器技術張認成

華僑大學機電及自動化學院碩士研究生系列課程12/16/20221新型傳感器技術張認成

華僑大學機電及自動化學院碩士研究第一章新型固態光電傳感器象限探測器

光敏器件陣列

自掃描光電二極管陣列

光電位置傳感器PSD

電荷耦合器件CCD—以集成電路、半導體加工工藝以及光電效應為基礎的陣列傳感器12/16/20222第一章新型固態光電傳感器象限探測器

光敏器件陣列

自掃描本章內容提要光電效應普通光敏器件陣列自掃描二極管陣列光電位置傳感器PSD12/16/20223本章內容提要光電效應12/12/202231光電效應定義：物質由于光的作用而產生電流、電壓，或電導率變化的現象分類：外光電效應內光電效應光電導效應光生伏特效應12/16/202241光電效應定義：12/12/202241.1外光電效應產生外光電效應的條件：入射光的頻率必須大于材料的紅限+_光電子光子光電流方向光電子流向外光電效應12/16/202251.1外光電效應產生外光電效應的條件：+_光電子光子光電1.1.1原理與結構光照物質電子獲能逸出表面光電流(光子)(光電子)光電流正比于光強度入射光的頻率必須大于材料的紅限光電傳感器對光具有選擇性光電材料:銀氧銫\銻銫\鎂化鎘等舉例:光電管\光電倍增管12/16/202261.1.1原理與結構光照物質電子獲能逸出表面光電1.1.2真空光電管

1.組成：光電陰極＋陽極A＋透明外殼2.結構與測量電路：陽極陰極結構IURE測量電路12/16/202271.1.2真空光電管

1.組成：光電陰極＋陽極A＋透明真空光電管的特點線性度好;靈敏度低；測量弱光時，光電流很小，測量誤差大。光電倍增管可提高弱光測量的靈敏度光電倍增管可提高弱光測量的靈敏度

12/16/20228真空光電管的特點12/12/202281.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽極A＋倍增極＋外殼結構原理及測量電路12/16/202291.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽極A＋倍增極＋外光電倍增管的特點很高的放大倍數（可達106）；適應弱光測量；工作電壓高,一般需冷卻。

例如：0.1流明（lm）光通量時，光電管產生光電流為5μA;0.0001流明光通量時，光電倍增管的光電流為1000μA。相差1000×200倍12/16/202210光電倍增管的特點很高的放大倍數（可達106）；12/12/21.2內光電效應

——光敏器件進行光電轉換的物理基礎光電導效應—半導體材料在光的照射下，電導率發生變化的現象。光生伏特效應—半導體材料在光的照射下，在一定方向產生電動勢的現象。12/16/2022111.2內光電效應

——光敏器件進行光電轉換的物理1.2.1光電導效應—光敏電組光照半導體材料電子空穴對激發分裂導電粒子增加電導率增加光電流光的選擇性暗電阻:10~100MΩ亮電阻:<10kΩ用途:測光/光導開關材料：硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛mAI12/16/2022121.2.1光電導效應—光敏電組光照半導體材料電子空穴對光敏電阻的特性12/16/202213光敏電阻的特性12/12/202213光譜特性硫化鎘：可見光區域,λ=0.4~0.76μm

峰值0.7μm硫化鉈：可見光及近紅外區,λ=0.5~1.7μm

峰值:1.2~1.3μm硫化鉛：可見光至中紅外區,λ=0.5~3μm

峰值2.5μm根據光譜范圍選用！12/16/202214光譜特性硫化鎘：可見光區域,λ=0.4~0.76μm12/11.2.2光電導效應—光敏晶體管結構與普通晶體管相似，但P-N結具有光敏特性。二極管在電路中處于反向工作狀態。12/16/2022151.2.2光電導效應—光敏晶體管結構12/12/20221光敏二極管無光照時：光電二極管反向截止，回路中只有很小的反向飽和漏電流——暗電流，一般為10-8~10-9A，相當于普通二極管反向截止；

+RL漏電流無光照12/16/202216光敏二極管無光照時：光電二極管反向截止，回路中只有很小的反向續有光照時：P-N結吸收光子能量，產生大量的電子/孔穴對，P區和N區的少數載流子濃度提高，在反向電壓的作用下反向飽和電流顯著增加，形成光電流。+RL光電流有光照12/16/202217續有光照時：P-N結吸收光子能量，產生大量的電子/孔穴對，P性能與用途光電流與光通量成線性關系，適應于光照檢測方面的應用；光電二極管動態性能好，響應速度快（<10μs）；但靈敏度低，溫度穩定性差。光電三極管可以克服這些缺點。12/16/202218性能與用途光電流與光通量成線性關系，適應于光照檢測方面的應用光敏三極管電路集電結反向偏置基極無引出線圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcboIc12/16/202219光敏三極管電路集電結反向偏置圖2-8NPN光敏三極管電路I原理無光照時有光照時Icbo—反向飽和漏電流Iceo—光敏三極管暗電流Ic—集電結反向飽和電流Ie—光敏三極管光電流圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcbo12/16/202220原理無光照時圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcb應用

—“電眼睛”

光電編碼器火災報警器光電控制自動化產生條形碼讀出器機器安全設施等12/16/202221應用—“電眼睛”光電編碼器12/12/202221光電晶體管特性—光譜、伏安特性12/16/202222光電晶體管特性—光譜、伏安特性12/12/202222光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對光敏晶體管的亮電流和暗電流的影響十分顯著。在低照度下工作時應選擇鍺管。12/16/202223光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對光敏晶體管的亮電流1.2.3光生伏特效應—光電池物理基礎—光生伏特效應半導體材料在光的作用下產生電動勢的現象類型—硒光電池、硅光電池12/16/2022241.2.3光生伏特效應—光電池物理基礎—光生伏特效應12/硒光電池原理無光照時，載流子擴散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進一步擴散，動平衡；有光照時，硒中激發出電子空穴對，電子穿過阻擋層，空穴留在硒中；電荷積累的結果：硒半導體成為正極，金屬成為負極。連接＋—極，產生連續的光電流P-硒N-金屬阻擋層12/16/202225硒光電池原理無光照時，載流子擴散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進光譜特性—光譜特性硒光電池光譜響應范圍：0.3~0.7μm硅光電池光譜響應范圍：0.5~1μm12/16/202226光譜特性—光譜特性硒光電池光譜響應范圍：0.3~0.7μm1光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態溫度補償！12/16/202227光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態溫度補償！12/12/21.3普通光敏器件陣列象限探測器光敏器件陣列12/16/2022281.3普通光敏器件陣列象限探測器12/12/2022281.3.1象限探測器作用確定光點在平面上的位置坐標；用于準直、定位、跟蹤等。結構利用光刻技術，將一整塊圓形或正方形光敏器件敏感面分割成若干區域；各個區域各面積相等、形狀相同、位置對稱；背面仍為一體。12/16/2022291.3.1象限探測器作用12/12/202229劃分形式：12/16/202230劃分形式：12/12/202230原理光點投射到探測器上；各象限上光斑大小不同；光生電動勢也不同：U2<U1<U3<U4；可斷定光心在第4象限；標定后，可知光心在X、Y方向的坐標。3241U4U3U2U1XY12/16/202231原理3241U4U3U2U1XY12/12/202231和差坐標換算Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y12/16/202232和差坐標換算Y方向：3241U4U3U2U1Y12/12/2和差測量電路12/16/202233和差測量電路12/12/202233直差坐標換算—器件旋轉45°Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y12/16/202234直差坐標換算—器件旋轉45°Y方向：3241U4U3U2U1直差測量電路12/16/202235直差測量電路12/12/202235象限探測器的特點測量精度與光強無關，只與光心位置有關；存在死區，光斑很小時特明顯，分辨率低；光斑落在一個象限時，失效，測量范圍小。12/16/202236象限探測器的特點測量精度與光強無關，只與光心位置有關；12/1.3.2光敏二極管陣列一種低集成度的集成傳感器多個光敏晶體管等間隔線性排列集成度一般為10～32像素／片；集成封裝，獨立引線；電路復雜，用多路開關簡化電路。12/16/2022371.3.2光敏二極管陣列一種低集成度的集成傳感器12/1多路開關輸出12/16/202238多路開關輸出12/12/2022381.4自掃描光電二極管陣列SSPD普通光電二級管陣列＋數字位移寄存器輸出電路簡化集成度提高：64，128，256，512～4096線陣、面陣兩種形式電荷儲存工作方式工作原理復雜12/16/2022391.4自掃描光電二極管陣列SSPD普通光電二級管陣列＋數1.4.1像元結構N型硅表面擴散P型硅材料，形成P-N結蒸涂SiO2（透明）覆蓋鋁膜，氧化層部分外露引出柵極、漏極、源極形成MOSFET場效應管SiO2N-SiP柵極Al膜漏極源極玻璃罩12/16/2022401.4.1像元結構N型硅表面擴散P型硅材料，形成P-N結等效電路VD：理想光敏二極管Cd：結電容Ug：柵極控制電壓1－通；0－短Uc：PN結反偏電壓RL：負載電阻IL：負載電流VT：場效應管（開關）Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU0開關光敏二極管12/16/202241等效電路VD：理想光敏二極管Ug柵極控制電壓RLUcVDCd1.4.2工作過程預充電放電(積分)充電(信號輸出)放電充電......循環往復,負載上周期性的輸出像元上的光信號.Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU012/16/2022421.4.2工作過程預充電放電(積分)充電(信號輸出)預充電Ug=1,VT開VD反向截止電源Uc經RL給Cd充電UcCdVTRLP-N結上所充電荷QQ=CdUc充電結束Ug=1RLUcVDCdILVTU0++12/16/202243預充電Ug=1,VT開Ug=1RLUcVDCdILVTU0放電(積分)Ug=0,VT關斷Cd經VD放電CdVDCd放電荷為ΔQΔQ=(Ip+Id)Ts≈IpTsCd電壓減小為UcdUcd=Uc-ΔQ/CdUg=0RLUcVDCdILVTU0++暗電流Id<<Ip亮電流12/16/202244放電(積分)Ug=0,VT關斷Ug=0RLUcVDCdIL循環充電(信號輸出)Ug=1，VT開VD反向截止Uc經CdVTRL充電,Cd電壓由Ucd開始至UcCd上充電量為ΔQRl上最大電壓增量為Uomax=ΔQ/Cd=Ip(Ts/Cd)Ip與光強成正比Ug=1RLUcVDCdILVTU0++UcdIL≈Ip~E12/16/202245循環充電(信號輸出)Ug=1，VT開Ug=1RLUcVDC1.4.3線陣SSPD結構感光陣列+多路開關+移位寄存器公共端相連(COM)各管性能相同多路開關多選一在時鐘與脈沖的作用下依此輸出12/16/2022461.4.3線陣SSPD結構12/12/202246移位輸出_以4像素SSPD為例預充電:S=[1111]循環輸出U0U2U1U31111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT12/16/202247移位輸出_以4像素SSPD為例預充電:S=[1111U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/202248U1φ1φ3φ5U2S1=011Φ1周期:S=[0111]VT1關閉,VD1放電其余截止無輸出U2U1U3

0111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU0XS1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U1φ1φ3

φ5U2U3U4φ2φ412/16/202249Φ1周期:S=[0111]U2U1U30Φ2周期:S=[1011]VT1通,VD1充電VD1輸出至U0VT2關閉,VD2放電U2U1U31011φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/202250Φ2周期:S=[1011]U2U1U31Φ3周期:S=[1101]VT2通,VD2充電VD2輸出至U0VT3關閉,VD3放電以此類推......Φn+1周期輸出VDn充電時間<<時鐘周期U2U1U31101φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU2U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/202251Φ3周期:S=[1101]U2U1U31電流放大輸出+_ILU0RsRf12/16/202252電流放大輸出+ILU0RsRf12/12/202252SSPD特點光電線性：Q∝曝光量（E＊Ts)；暗電流：室溫下1pA隨溫升加大，1倍／7℃隨積分時間增大液氮致冷：積分時間可延至幾小時，測微光信號動態范圍：500:1輸出飽和信號與暗電流之比代替象限探測器10－510H1010－3Qmax12/16/202253SSPD特點光電線性：Q∝曝光量（E＊Ts)；10－51.5PSD光電位置傳感器PositionSensitiveDetector連續檢測光點位置的光電元件12/16/2022541.5PSD光電位置傳感器Positio一、PSD的工作原理基于內光電效應。具有PIN三層結構的平板半導體硅片圖2－10PSD結構示意圖12/16/202255一、PSD的工作原理基于內光電效應。圖2－10PSD結構光點位移與光電流的關系圖2－10PSD結構示意圖12/16/202256光點位移與光電流的關系圖2－10PSD結構示意圖12/1PSD的特點1）響應速度快，可靠性高。2）光點位置測量精度與光斑的形狀

無關，只與光斑的能量中心有關，減小雜光日光的干擾；12/16/202257PSD的特點1）響應速度快，可靠性高。12/12/20225PSD的特點3）光敏面上無須分割，消除了死區，可連續測量光斑的位置，分辨率高，一維PSD可達0.02μm；4）可同時檢測光點的位置和強度，PSD總輸出電流反映光點的光強，兩極電流之差反映光點的位置。12/16/202258PSD的特點3）光敏面上無須分割，消除了死區，可連續測量光斑PSD的特點5）PSD對光的波長具有選擇性。如圖2－11是S1543的光譜特性圖，這種器件的響應范圍在300～1100nm內，峰值波長在900nm左右的紅外區。圖2－11S1543PSD的光譜響應曲線12/16/202259PSD的特點5）PSD對光的波長具有選擇性。如圖2－11是S二、PSD結構及其轉換電路一維PSD圖2－10PSD結構示意圖12/16/202260二、PSD結構及其轉換電路一維PSD圖2－1012/12/一維PSD轉換電路圖2－13一維PSD轉換電路圖12/16/202261一維PSD轉換電路圖2－13一維PSD轉換電路圖12/1三、二維PSD結構及其轉換電路圖2－12二維PSD的結構二維PSD12/16/202262三、二維PSD結構及其轉換電路圖2－12二維PSD12/二維PSD轉換電路圖2－14二維PSD轉換電路圖12/16/202263二維PSD轉換電路圖2－14二維PSD轉換電路圖12/11.6光電傳感器的應用12/16/2022641.6光電傳感器的應用12/12/202264一、煙塵濁度檢測儀光源：400nm~700nm光檢測器范圍：400~600nm圖2-10吸收式煙塵濁度檢測儀框圖12/16/202265一、煙塵濁度檢測儀光源：400nm~700nm圖2-10二、光電轉速傳感器

圖2-11光電轉速測量略去2例12/16/202266二、光電轉速傳感器圖2-11光電轉速測量略去2例12/1光電脈沖轉換電路

圖2-12光電脈沖轉換電路12/16/202267光電脈沖轉換電路圖2-12光電脈沖轉換電路12/12/三、路燈自動控制

圖2-13路燈自動控制器12/16/202268三、路燈自動控制圖2-13路燈自動控制器12/12/原理當天亮時，硅光電池受光照射后，它產生0.2～0.5Ｖ電動勢，使BG1正偏壓而截止，后面多級放大器不工作，BG4截止，繼電器Ｊ不動作，路燈回路觸頭斷開，路燈不亮；當天黑無光照時，光電池無光生電動勢，使BG1的基極為低電位，BG1導通，經BG2、BG3、BG4構成多級直流放大，BG4導通使繼電器Ｊ動作，從而接通交流接觸器，使常開觸頭閉合，路燈亮。調節R1可改變自動開關的靈敏度。

12/16/202269原理當天亮時，硅光電池受光照射后，它產生0.2～0.5Ｖ電動四、光斷續器應用

圖2-14料位檢測透射式+5V+12VU0R1R2物料物體物料發光二極管光敏三極管12/16/202270四、光斷續器應用圖2-14料位檢測透射式+5V+12V反射式1-紅外發光二極管2-光敏三極管3-外殼4-引腳5-物體圖2-15透射式（a）反射式光斷續器(a)(b)VccVout12/16/202271反射式1-紅外發光二極管2-光敏三極管3-外殼4產生線上的自動計數V運輸帶產品圖2-16產生線上的自動計數發光二極管光電三極管12/16/202272產生線上的自動計數V運輸帶產品圖2-16產生線上的自動計五、光控自動水龍頭

圖2－17光控水龍頭電路圖12/16/202273五、光控自動水龍頭圖2－17光控水龍頭電路圖12/12六、聲控光敏延時開關

圖2－18聲控光敏延時開關電路12/16/202274六、聲控光敏延時開關圖2－18聲控光敏延時開關電路12思考題1光電效應有哪三種類型?對每一種效應,舉出一種傳感器,說明其轉換原理.2與普通象限探測器相比較,自掃描光電二極管陣列有哪些突出的優點?3簡述自掃描光電二極管陣列的結構和光電流信號的輸出過程.4PSD光電位置傳感器與象限探測器相比有何優越性?簡述線陣PSD的工作原理.12/16/202275思考題1光電效應有哪三種類型?對每一種效應,舉出一種傳感綜合題目設計一個料位控制系統,功能能要求：當料位低于A點時自動加料;當料位高于B點時停止加料;當料位在A、B之間時，保持狀態不變。設計內容選擇傳感器；確定光電傳感器安裝位置，設計加料電動機控制電路物料發光二極管光敏三極管AB12/16/202276綜合題目設計一個料位控制系統,功能能要求：物料發光光敏AB1謝謝！12/16/202277謝謝！12/12/202277新型傳感器技術張認成

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光敏器件陣列

自掃描光電二極管陣列

光電位置傳感器PSD

電荷耦合器件CCD—以集成電路、半導體加工工藝以及光電效應為基礎的陣列傳感器12/16/202279第一章新型固態光電傳感器象限探測器

光敏器件陣列

自掃描本章內容提要光電效應普通光敏器件陣列自掃描二極管陣列光電位置傳感器PSD12/16/202280本章內容提要光電效應12/12/202231光電效應定義：物質由于光的作用而產生電流、電壓，或電導率變化的現象分類：外光電效應內光電效應光電導效應光生伏特效應12/16/2022811光電效應定義：12/12/202241.1外光電效應產生外光電效應的條件：入射光的頻率必須大于材料的紅限+_光電子光子光電流方向光電子流向外光電效應12/16/2022821.1外光電效應產生外光電效應的條件：+_光電子光子光電1.1.1原理與結構光照物質電子獲能逸出表面光電流(光子)(光電子)光電流正比于光強度入射光的頻率必須大于材料的紅限光電傳感器對光具有選擇性光電材料:銀氧銫\銻銫\鎂化鎘等舉例:光電管\光電倍增管12/16/2022831.1.1原理與結構光照物質電子獲能逸出表面光電1.1.2真空光電管

1.組成：光電陰極＋陽極A＋透明外殼2.結構與測量電路：陽極陰極結構IURE測量電路12/16/2022841.1.2真空光電管

1.組成：光電陰極＋陽極A＋透明真空光電管的特點線性度好;靈敏度低；測量弱光時，光電流很小，測量誤差大。光電倍增管可提高弱光測量的靈敏度光電倍增管可提高弱光測量的靈敏度

12/16/202285真空光電管的特點12/12/202281.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽極A＋倍增極＋外殼結構原理及測量電路12/16/2022861.1.3光電倍增管組成：光電陰極K＋陽極A＋倍增極＋外光電倍增管的特點很高的放大倍數（可達106）；適應弱光測量；工作電壓高,一般需冷卻。

例如：0.1流明（lm）光通量時，光電管產生光電流為5μA;0.0001流明光通量時，光電倍增管的光電流為1000μA。相差1000×200倍12/16/202287光電倍增管的特點很高的放大倍數（可達106）；12/12/21.2內光電效應

——光敏器件進行光電轉換的物理基礎光電導效應—半導體材料在光的照射下，電導率發生變化的現象。光生伏特效應—半導體材料在光的照射下，在一定方向產生電動勢的現象。12/16/2022881.2內光電效應

——光敏器件進行光電轉換的物理1.2.1光電導效應—光敏電組光照半導體材料電子空穴對激發分裂導電粒子增加電導率增加光電流光的選擇性暗電阻:10~100MΩ亮電阻:<10kΩ用途:測光/光導開關材料：硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛mAI12/16/2022891.2.1光電導效應—光敏電組光照半導體材料電子空穴對光敏電阻的特性12/16/202290光敏電阻的特性12/12/202213光譜特性硫化鎘：可見光區域,λ=0.4~0.76μm

峰值0.7μm硫化鉈：可見光及近紅外區,λ=0.5~1.7μm

峰值:1.2~1.3μm硫化鉛：可見光至中紅外區,λ=0.5~3μm

峰值2.5μm根據光譜范圍選用！12/16/202291光譜特性硫化鎘：可見光區域,λ=0.4~0.76μm12/11.2.2光電導效應—光敏晶體管結構與普通晶體管相似，但P-N結具有光敏特性。二極管在電路中處于反向工作狀態。12/16/2022921.2.2光電導效應—光敏晶體管結構12/12/20221光敏二極管無光照時：光電二極管反向截止，回路中只有很小的反向飽和漏電流——暗電流，一般為10-8~10-9A，相當于普通二極管反向截止；

+RL漏電流無光照12/16/202293光敏二極管無光照時：光電二極管反向截止，回路中只有很小的反向續有光照時：P-N結吸收光子能量，產生大量的電子/孔穴對，P區和N區的少數載流子濃度提高，在反向電壓的作用下反向飽和電流顯著增加，形成光電流。+RL光電流有光照12/16/202294續有光照時：P-N結吸收光子能量，產生大量的電子/孔穴對，P性能與用途光電流與光通量成線性關系，適應于光照檢測方面的應用；光電二極管動態性能好，響應速度快（<10μs）；但靈敏度低，溫度穩定性差。光電三極管可以克服這些缺點。12/16/202295性能與用途光電流與光通量成線性關系，適應于光照檢測方面的應用光敏三極管電路集電結反向偏置基極無引出線圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcboIc12/16/202296光敏三極管電路集電結反向偏置圖2-8NPN光敏三極管電路I原理無光照時有光照時Icbo—反向飽和漏電流Iceo—光敏三極管暗電流Ic—集電結反向飽和電流Ie—光敏三極管光電流圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcbo12/16/202297原理無光照時圖2-8NPN光敏三極管電路IeIeboIcb應用

—“電眼睛”

光電編碼器火災報警器光電控制自動化產生條形碼讀出器機器安全設施等12/16/202298應用—“電眼睛”光電編碼器12/12/202221光電晶體管特性—光譜、伏安特性12/16/202299光電晶體管特性—光譜、伏安特性12/12/202222光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對光敏晶體管的亮電流和暗電流的影響十分顯著。在低照度下工作時應選擇鍺管。12/16/2022100光電晶體管特性—溫度、頻率特性溫度的變化對光敏晶體管的亮電流1.2.3光生伏特效應—光電池物理基礎—光生伏特效應半導體材料在光的作用下產生電動勢的現象類型—硒光電池、硅光電池12/16/20221011.2.3光生伏特效應—光電池物理基礎—光生伏特效應12/硒光電池原理無光照時，載流子擴散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進一步擴散，動平衡；有光照時，硒中激發出電子空穴對，電子穿過阻擋層，空穴留在硒中；電荷積累的結果：硒半導體成為正極，金屬成為負極。連接＋—極，產生連續的光電流P-硒N-金屬阻擋層12/16/2022102硒光電池原理無光照時，載流子擴散形成阻擋層，阻止硒中空穴的進光譜特性—光譜特性硒光電池光譜響應范圍：0.3~0.7μm硅光電池光譜響應范圍：0.5~1μm12/16/2022103光譜特性—光譜特性硒光電池光譜響應范圍：0.3~0.7μm1光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態溫度補償！12/16/2022104光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態溫度補償！12/12/21.3普通光敏器件陣列象限探測器光敏器件陣列12/16/20221051.3普通光敏器件陣列象限探測器12/12/2022281.3.1象限探測器作用確定光點在平面上的位置坐標；用于準直、定位、跟蹤等。結構利用光刻技術，將一整塊圓形或正方形光敏器件敏感面分割成若干區域；各個區域各面積相等、形狀相同、位置對稱；背面仍為一體。12/16/20221061.3.1象限探測器作用12/12/202229劃分形式：12/16/2022107劃分形式：12/12/202230原理光點投射到探測器上；各象限上光斑大小不同；光生電動勢也不同：U2<U1<U3<U4；可斷定光心在第4象限；標定后，可知光心在X、Y方向的坐標。3241U4U3U2U1XY12/16/2022108原理3241U4U3U2U1XY12/12/202231和差坐標換算Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y12/16/2022109和差坐標換算Y方向：3241U4U3U2U1Y12/12/2和差測量電路12/16/2022110和差測量電路12/12/202233直差坐標換算—器件旋轉45°Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y12/16/2022111直差坐標換算—器件旋轉45°Y方向：3241U4U3U2U1直差測量電路12/16/2022112直差測量電路12/12/202235象限探測器的特點測量精度與光強無關，只與光心位置有關；存在死區，光斑很小時特明顯，分辨率低；光斑落在一個象限時，失效，測量范圍小。12/16/2022113象限探測器的特點測量精度與光強無關，只與光心位置有關；12/1.3.2光敏二極管陣列一種低集成度的集成傳感器多個光敏晶體管等間隔線性排列集成度一般為10～32像素／片；集成封裝，獨立引線；電路復雜，用多路開關簡化電路。12/16/20221141.3.2光敏二極管陣列一種低集成度的集成傳感器12/1多路開關輸出12/16/2022115多路開關輸出12/12/2022381.4自掃描光電二極管陣列SSPD普通光電二級管陣列＋數字位移寄存器輸出電路簡化集成度提高：64，128，256，512～4096線陣、面陣兩種形式電荷儲存工作方式工作原理復雜12/16/20221161.4自掃描光電二極管陣列SSPD普通光電二級管陣列＋數1.4.1像元結構N型硅表面擴散P型硅材料，形成P-N結蒸涂SiO2（透明）覆蓋鋁膜，氧化層部分外露引出柵極、漏極、源極形成MOSFET場效應管SiO2N-SiP柵極Al膜漏極源極玻璃罩12/16/20221171.4.1像元結構N型硅表面擴散P型硅材料，形成P-N結等效電路VD：理想光敏二極管Cd：結電容Ug：柵極控制電壓1－通；0－短Uc：PN結反偏電壓RL：負載電阻IL：負載電流VT：場效應管（開關）Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU0開關光敏二極管12/16/2022118等效電路VD：理想光敏二極管Ug柵極控制電壓RLUcVDCd1.4.2工作過程預充電放電(積分)充電(信號輸出)放電充電......循環往復,負載上周期性的輸出像元上的光信號.Ug柵極控制電壓RLUcVDCdILVTU012/16/20221191.4.2工作過程預充電放電(積分)充電(信號輸出)預充電Ug=1,VT開VD反向截止電源Uc經RL給Cd充電UcCdVTRLP-N結上所充電荷QQ=CdUc充電結束Ug=1RLUcVDCdILVTU0++12/16/2022120預充電Ug=1,VT開Ug=1RLUcVDCdILVTU0放電(積分)Ug=0,VT關斷Cd經VD放電CdVDCd放電荷為ΔQΔQ=(Ip+Id)Ts≈IpTsCd電壓減小為UcdUcd=Uc-ΔQ/CdUg=0RLUcVDCdILVTU0++暗電流Id<<Ip亮電流12/16/2022121放電(積分)Ug=0,VT關斷Ug=0RLUcVDCdIL循環充電(信號輸出)Ug=1，VT開VD反向截止Uc經CdVTRL充電,Cd電壓由Ucd開始至UcCd上充電量為ΔQRl上最大電壓增量為Uomax=ΔQ/Cd=Ip(Ts/Cd)Ip與光強成正比Ug=1RLUcVDCdILVTU0++UcdIL≈Ip~E12/16/2022122循環充電(信號輸出)Ug=1，VT開Ug=1RLUcVDC1.4.3線陣SSPD結構感光陣列+多路開關+移位寄存器公共端相連(COM)各管性能相同多路開關多選一在時鐘與脈沖的作用下依此輸出12/16/20221231.4.3線陣SSPD結構12/12/202246移位輸出_以4像素SSPD為例預充電:S=[1111]循環輸出U0U2U1U31111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT12/16/2022124移位輸出_以4像素SSPD為例預充電:S=[1111U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/2022125U1φ1φ3φ5U2S1=011Φ1周期:S=[0111]VT1關閉,VD1放電其余截止無輸出U2U1U3

0111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU0XS1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U1φ1φ3

φ5U2U3U4φ2φ412/16/2022126Φ1周期:S=[0111]U2U1U30Φ2周期:S=[1011]VT1通,VD1充電VD1輸出至U0VT2關閉,VD2放電U2U1U31011φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/2022127Φ2周期:S=[1011]U2U1U31Φ3周期:S=[1101]VT2通,VD2充電VD2輸出至U0VT3關閉,VD3放電以此類推......Φn+1周期輸出VDn充電時間<<時鐘周期U2U1U31101φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU2U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ412/16/2022128Φ3周期:S=[1101]U2U1U31電流放大輸出+_ILU0RsRf12/16/2022129電流放大輸出+ILU0RsRf12/12/202252SSPD特點光電線性：Q∝曝光量（E＊Ts)；暗電流：室溫下1pA隨溫升加大，1倍／7℃隨積分時間增大液氮致冷：積分時間可延至幾小時，測微光信號動態范圍：500:1輸出飽和信號與暗電流之比代替象限探測器10－510H1010－3Qmax12/16/2022130SSPD特點光電線性：Q∝曝光量（E＊Ts)；10－51.5PSD光電位置傳感器PositionSensitiveDetector連續檢測光點位置的光電元件12/16/20221311.5PSD光電位置傳感器Positio一、PSD的工作原理基于內光電效應。具有PIN三層結構的平板半導體硅片圖2－10PSD結構示意圖12/16/2022132一、PSD的工作原理基于內光電效應。圖2－10PSD結構光點位移與光電流的關系圖2－10PSD結構示意圖12/16/2022133光點位移與光電流的關系圖2－10PSD結構示意圖12/1PSD的特點1）響應速度快，可靠性高。2）光點位置測量精度與光斑的形狀

無關，只與光斑的能量中心有關，減小雜光日光的干擾；12/16/2022134PSD的特點1）響應速度快，可靠性高。12/12/20225PSD的特點3）光敏面上無須分割，消除了死區，可連續測量光斑的位置，分辨率高，一維PSD可達0.02μm；4）可同時檢測光點的位置和強度，PSD總輸出電流反映光點的光強，兩極電流之差反映光點的位置。12/16/2022135PSD的特點3）光敏面上無須分割，消除了死區，可連續測量光斑PSD的特點5）PSD對光的波長具