2023年9月2日1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2023年9月2日2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2023年9月2日3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PSD2023年9月2日41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(電子發射效應)內光電效應光電導效應光生伏特效應2023年9月2日51.1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2023年9月2日61.1.1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2023年9月2日71.1.2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2023年9月2日8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

2023年9月2日91.1.3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2023年9月2日10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2023年9月2日111.2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。2023年9月2日121.2.1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mAI2023年9月2日13光敏電阻的特性紫外10nm-0.4um紅外0.76-1000um可見光0.38-0.762023年9月2日14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！2023年9月2日151.2.2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。2023年9月2日16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2023年9月2日17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2023年9月2日18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。2023年9月2日19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IeIeboIcboIc2023年9月2日20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IeIeboIcbo2023年9月2日21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2023年9月2日22光電晶體管特性—光譜、伏安特性2023年9月2日23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。2023年9月2日241.2.3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2023年9月2日25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2023年9月2日26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：0.5~1μm2023年9月2日27光譜特性—光電、溫度特性短路工作狀態溫度補償！2023年9月2日281.3普通光敏器件陣列象限探測器光敏器件陣列2023年9月2日291.3.1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。2023年9月2日30劃分形式：2023年9月2日31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。3241U4U3U2U1XY2023年9月2日32和差坐標換算Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y2023年9月2日33和差測量電路2023年9月2日34直差坐標換算—器件旋轉45°Y方向：X方向：3241U4U3U2U1Y2023年9月2日35直差測量電路2023年9月2日36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。2023年9月2日371.3.2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。2023年9月2日38多路開關輸出2023年9月2日391.4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2023年9月2日401.4.1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2023年9月2日41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2023年9月2日421.4.2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RLUcVDCdILVTU02023年9月2日43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++2023年9月2日44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2023年9月2日45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~E2023年9月2日461.4.3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2023年9月2日47移位輸出_以4像素SSPD為例預充電:S=[1111]循環輸出U0U2U1U31111φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT2023年9月2日48U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ42023年9月2日49Φ1周期:S=[0111]VT1關閉,VD1放電其余截止無輸出U2U1U3

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

φ5U2U3U4φ2φ42023年9月2日50Φ2周期:S=[1011]VT1通,VD1充電VD1輸出至U0VT2關閉,VD2放電U2U1U31011φSVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1φ1φ3

φ5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4φ2φ42023年9月2日51Φ3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=1110U3U4φ2φ42023年9月2日52電流放大輸出+_ILU0RsRf2023年9月2日53SSPD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10－510H1010－3Qmax2023年9月2日541.5PSD光電位置傳感器PositionSensitiveDetector

連續檢測光點位置的光電元件2023年9月2日55一、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2023年9月2日56光點位移與光電流的關系圖2－10PSD結構示意圖2023年9月2日57PSD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；2023年9月2日58PSD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。2023年9月2日59PSD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2023年9月2日60二、PSD結構及其轉換電路一維PSD圖2－10PSD結構示意圖2023年9月2日61一維PSD轉換電路圖2－13一維PSD轉換電路圖2023年9月2日62三、二維PSD結構及其轉換電路圖2－12二維PSD的結構二維PSD2023年9月2日63二維PSD轉換電路圖2－14二維PSD轉換電路圖2023年9月2日641.6光電傳感器的應用2023年9月2日65一、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2023年9月2日66二、光電轉速傳感器

圖2-11光電轉速測量略去2例2023年9月2日67光電脈沖轉換電路

圖2-12光電脈沖轉換電路2023年9月2日68三、路燈自動控制

圖2-13路燈自動控制器2023年9月2日69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，B