新型固态光电传感器.pptx

2024年4月19日1新型传感器技术新型传感器技术张认成张认成华侨大学机电及自动化学院华侨大学机电及自动化学院 硕士研究生系列课程硕士研究生系列课程硕士研究生系列课程硕士研究生系列课程2024年4月19日2第一章第一章 新型固态光电传感器新型固态光电传感器象限探测器象限探测器光敏器件阵列光敏器件阵列自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列光电位置传感器光电位置传感器PSD电荷耦合器件电荷耦合器件CCD以集成电路、半导体加工工艺 以及光电效应为基础的阵列传感器2024年4月19日3本章内容提要本章内容提要u光电效应光电效应u普通光敏器件阵列普通光敏器件阵列u自扫描二极管阵列自扫描二极管阵列u光电位置传感器光电位置传感器PSD2024年4月19日41 光电效应光电效应定义：定义：物物质由于光的作用而由于光的作用而产生生电流、流、电压，或，或电导率率变化的化的现象象分类：分类：外光外光电效效应(电子子发射效射效应)内光内光电效效应光光电导效效应光生伏特效光生伏特效应2024年4月19日51.1 外光电效应外光电效应产生外光电效应的条件：产生外光电效应的条件：入射光的频率必须大于材料的红限入射光的频率必须大于材料的红限+_光电子光电子光子光子光电流光电流方向方向光电子流向光电子流向外光电效应外光电效应2024年4月19日61.1.1 原理与结构 光照光照物物质电子子获能能逸出表面逸出表面光光电流流 (光子光子)(光光电子子)光光电流正比于光流正比于光强度度入射光的入射光的频率必率必须大于材料的大于材料的红限限光光电传感器感器对光具有光具有选择性性光光电材料材料:银氧氧铯锑铯镁化化镉等等举例例:光光电管管光光电倍增管倍增管2024年4月19日71.1.2 真空光电管1.组成：光：光电阴极阳极阴极阳极A透明外壳透明外壳2.结构与测量电路：阳极阳极阴极阴极结构结构IURE测量电路测量电路2024年4月19日8真空光电管的特点线性度好性度好;灵敏度低；灵敏度低；测量弱光量弱光时，光，光电流很小，流很小，测量量误差大。差大。光光电倍增管可提高弱光倍增管可提高弱光测量的灵敏度量的灵敏度 光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度 2024年4月19日91.1.3 光电倍增管组成成：光光电阴极阴极K阳极阳极A倍增极外壳倍增极外壳结构原理及构原理及测量量电路路2024年4月19日10光电倍增管的特点光电倍增管的特点很高的放大倍数（可达很高的放大倍数（可达106）；）；适适应弱光弱光测量；量；工作工作电压高高,一般需冷却。一般需冷却。例如：例如：0.10.1流明（流明（lmlm）光通量时，光电管产生）光通量时，光电管产生光电流为光电流为5A;5A;0.0001 0.0001流明光通量时，光电倍增管的光电流流明光通量时，光电倍增管的光电流为为1000 A1000 A。相差相差1000200倍倍2024年4月19日111.2 内光电效应 光敏器件光敏器件进行光行光电转换的物理基的物理基础光电导效应半半导体材料在光的照射下，体材料在光的照射下，电导率率发生生变化的化的现象。象。光生伏特效应半半导体材料在光的照射下，体材料在光的照射下，在一定方向在一定方向产生生电动势的的现象。象。2024年4月19日121.2.1 光电导效应光敏电组光照光照半半导体材料体材料电子空穴子空穴对激激发分裂分裂 导电粒子增加粒子增加电导率增加率增加光光电流流光的光的选择性性暗暗电阻阻:10100M亮亮电阻阻:10k用途用途:测光光/光光导开关开关材料：硫化材料：硫化镉、硫化、硫化铊、硫化、硫化铅mAI2024年4月19日13光敏电阻的特性紫外10nm-0.4um红外0.76-1000um可见光0.38-0.762024年4月19日14光谱特性硫化硫化镉：可：可见光区域光区域,=0.40.76m 峰峰值0.7m硫化硫化铊：可：可见光及近光及近红外区外区,=0.51.7m 峰峰值:1.21.3m硫化硫化铅：可：可见光至中光至中红外区外区,=0.53m 峰峰值2.5m 根据光根据光谱范范围选用！用！2024年4月19日151.2.2 光电导效应光敏晶体管结构与普通晶体管相似，但与普通晶体管相似，但P-N结具有光敏特性。具有光敏特性。二极管在二极管在电路中路中处于反向工作状于反向工作状态。2024年4月19日16光敏二极管光敏二极管无光照时无光照时：光：光电二极管二极管反向截止，回路中只有反向截止，回路中只有很小的反向很小的反向饱和漏和漏电流流暗电流暗电流，一般，一般为10-810-9A，相当于普，相当于普通二极管反向截止；通二极管反向截止；+RL漏电流无光照2024年4月19日17续续有光照时有光照时：P-N结吸收光子能量，吸收光子能量，产生大量的生大量的电子子/孔穴孔穴对，P区和区和N区的区的少数少数载流子流子浓度提度提高，在反向高，在反向电压的的作用下反向作用下反向饱和和电流流显著增加，形成著增加，形成光电流光电流。+RL光电流有光照2024年4月19日18性能与用途性能与用途光光电流与光通量成流与光通量成线性关系，适性关系，适应于光照于光照检测方面的方面的应用；用；光光电二极管二极管动态性能好，响性能好，响应速度快速度快（10s10s）；）；但灵敏度低，温度但灵敏度低，温度稳定性差。定性差。光电三极管可以克服这些缺点光电三极管可以克服这些缺点。2024年4月19日19光敏三极管电路光敏三极管电路集电结反向偏置集电结反向偏置基极无引出线基极无引出线图2-8 NPN光敏三极管电路IeIeboIcboIc2024年4月19日20原理原理无光照无光照时有光照有光照时I Icbocbo反向饱和漏电流反向饱和漏电流I Iceoceo光敏三极管暗电流光敏三极管暗电流I Ic c集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流I Ie e光敏三极管光电流光敏三极管光电流图2-8 NPN光敏三极管电路IeIeboIcbo2024年4月19日21应用应用 “电眼睛”光光电编码器器火灾火灾报警器警器光光电控制控制自自动化化产生生条形条形码读出器出器机器安全机器安全设施等施等2024年4月19日22光电晶体管特性光谱、伏安特性2024年4月19日23光电晶体管特性温度、频率特性u温度的变化对光敏晶体管的亮电流和暗电温度的变化对光敏晶体管的亮电流和暗电流的影响十分显著。流的影响十分显著。u在低照度下工作时应选择锗管。在低照度下工作时应选择锗管。2024年4月19日241.2.3 光生伏特效应光生伏特效应光电池光电池物理基础物理基础光生伏特效光生伏特效应半半导体材料在光的作用下体材料在光的作用下产生生电动势的的现象象类型类型硒光硒光电池池、硅光、硅光电池池2024年4月19日25硒光电池原理硒光电池原理无光照无光照时，载流子扩散形成载流子扩散形成阻挡层阻挡层，阻止硒中空穴的，阻止硒中空穴的进一步一步扩散，散，动平衡；平衡；有光照有光照时，硒中激发出电子硒中激发出电子空穴对空穴对，电子穿子穿过阻阻挡层，空穴留在硒中；空穴留在硒中；电荷积累电荷积累的的结果：硒半果：硒半导体体成成为正极，金属成正极，金属成为负极。极。连接接极，极，产生生连续的光的光电流流P-硒N-金属阻挡层2024年4月19日26光谱特性光谱特性光谱特性光谱特性硒光硒光电池光池光谱响响应范范围：0.30.7m硅光硅光电池光池光谱响响应范范围：0.51m2024年4月19日27光谱特性光谱特性光电、温度特性光电、温度特性短路工作状态短路工作状态温度补偿！温度补偿！2024年4月19日281.3 普通光敏器件阵列象限探象限探测器器光敏器件光敏器件阵列列2024年4月19日291.3.1 象限探测器作用作用确定光点在平面上的位置坐确定光点在平面上的位置坐标；用于准直、定位、跟踪等。用于准直、定位、跟踪等。结构构利用光刻技利用光刻技术，将一整，将一整块圆形或正方形光敏器形或正方形光敏器件敏感面分割成若干区域；件敏感面分割成若干区域；各个区域各面各个区域各面积相等、形状相同、位置相等、形状相同、位置对称；称；背面仍背面仍为一体。一体。2024年4月19日30划分形式：划分形式：2024年4月19日31原理原理光点投射到探光点投射到探测器上；器上；各象限上光斑大小不同；各象限上光斑大小不同；光生光生电动势也不同：也不同：U2U1U3U4；可断定光心在第可断定光心在第4象限；象限；标定后，可知光心在定后，可知光心在X、Y方向的坐方向的坐标。3241U4U3U2U1XY2024年4月19日32n和差坐标换算和差坐标换算Y方向：方向：X方向：方向：3241U4U3U2U1Y2024年4月19日33n和差测量电路和差测量电路2024年4月19日34n直差坐标换算直差坐标换算器件旋转器件旋转45Y方向：方向：X方向：方向：3241U4U3U2U1Y2024年4月19日35n直差测量电路直差测量电路2024年4月19日36象限探测器的特点测量精度与光量精度与光强无关，只与光心位置有关；无关，只与光心位置有关；存在死区，光斑很小存在死区，光斑很小时特明特明显，分辨率低；，分辨率低；光斑落在一个象限光斑落在一个象限时，失效，失效，测量范量范围小。小。2024年4月19日371.3.2 光敏二极管阵列一种低集成度的集成一种低集成度的集成传感器感器多个光敏晶体管等多个光敏晶体管等间隔隔线性排列性排列集成度一般集成度一般为1032像素片；像素片；集成封装，独立引集成封装，独立引线；电路复路复杂，用多路开关，用多路开关简化化电路。路。2024年4月19日38多路开关多路开关输出出2024年4月19日391.4 自扫描光电二极管阵列SSPD普通光普通光电二二级管管阵列列数字位移寄存器数字位移寄存器输出出电路路简化化集成度提高：集成度提高：64，128，256，5124096线阵、面、面阵两种形式两种形式电荷荷储存工作方式存工作方式工作原理复工作原理复杂2024年4月19日401.4.1 像元结构N型硅表面型硅表面扩散散P型硅材型硅材料，形成料，形成P-N结蒸涂蒸涂SiO2（透明）（透明）覆盖覆盖铝膜，氧化膜，氧化层部分部分外露外露引出引出栅极、漏极、源极极、漏极、源极形成形成MOSFET场效效应管管SiO2N-SiP栅极栅极Al膜膜漏极漏极源极源极玻璃罩玻璃罩2024年4月19日41等效电路VD：理想光敏二极管：理想光敏二极管Cd：结电容容Ug：栅极控制极控制电压1通；通；0短短Uc：PN结反偏反偏电压RL：负载电阻阻IL ：负载电流流VT：场效效应管（开关）管（开关）Ug栅极控制电压RLUcVDCdILVTU0开关开关光敏二极管光敏二极管2024年4月19日421.4.2 工作过程预充充电放放电(积分分)充充电(信号信号输出出)放放电充充电.循循环往复往复,负载上周期性的上周期性的输出像元上的光信出像元上的光信号号.Ug栅极控制电压RLUcVDCdILVTU02024年4月19日43预充电预充电Ug=1,VT开开VD反向截止反向截止电源源Uc经RL给Cd充充电UcCdVTRLP-N结上所充上所充电荷荷QQ=CdUc充充电结束束Ug=1RLUcVDCdILVTU0+2024年4月19日44放电放电(积分积分)Ug=0,VT关断关断Cd经VD放放电CdVDCd放放电荷荷为QQ=(Ip+Id)Ts IpTsCd电压减小减小为UcdUcd=Uc-Q/CdUg=0RLUcVDCdILVTU0+暗电流暗电流IdIp亮电流亮电流2024年4月19日45循环充电循环充电(信号输出信号输出)Ug=1，VT开开VD反向截止反向截止Uc经CdVTRL充充电,Cd电压由由Ucd开始至开始至UcCd上充上充电量量为QRl上最大上最大电压增量增量为Uomax=Q/Cd =Ip(Ts/Cd)Ip与光与光强成正比成正比Ug=1RLUcVDCdILVTU0+UcdIL Ip E2024年4月19日461.4.3 线阵SSPD结构构感光感光阵列列+多路开关多路开关+移位寄存器移位寄存器公共端相公共端相连(COM)各管性能相同各管性能相同多路开关多路开关多多选一一在在时钟与脉冲的与脉冲的 作用下依此作用下依此输出出2024年4月19日47移位输出_以以4 4像素像素SSPDSSPD为例为例预充充电:S=1 1 1 1 循循环输出出U0U2U1U3 1 1 1 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT2024年4月19日48U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 2024年4月19日491周期周期:S=0 1 1 1 VT1关关闭,VD1放放电其余截止其余截止无无输出出U2U1U3 0 1 1 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU0XS1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U1 1 3 5U2U3U4 2 4 2024年4月19日502周期周期:S=1 0 1 1VT1通通,VD1充充电VD1输出至出至U0VT2关关闭,VD2放放电U2U1U3 1 0 1 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 2024年4月19日513周期周期:S=1 1 0 1VT2通通,VD2充充电VD2输出至出至U0VT3关关闭,VD3放放电以此以此类推推.n+1周期周期输出出VDn充充电时间时钟周期周期U2U1U3 1 1 0 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU2U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 2024年4月19日52电流放大输出+_ILU0RsRf2024年4月19日53SSPD特点光光电线性：性：Q 曝光量（曝光量（ETs)；暗暗电流：流：室温下室温下1pA随温升加大，随温升加大，1倍倍7随随积分分时间增大增大液氮致冷：液氮致冷：积分分时间可延至几小可延至几小时，测微光信号微光信号动态范范围：500:1 输出出饱和信号与暗和信号与暗电流之比流之比代替象限探代替象限探测器器105 10 H10103Qmax2024年4月19日541.5 PSD光电位置传感器光电位置传感器 Position Sensitive Detector 连续检测光点位置的光光点位置的光电元件元件2024年4月19日55一、一、PSD的工作原理的工作原理基于内光基于内光电效效应。具有具有PIN三三层结构的平板半构的平板半导体硅片体硅片图210 PSD结构示意图2024年4月19日56光点位移与光电流的关系图210 PSD结构示意图2024年4月19日57PSD的特点1）响响应速度快，可靠性高。速度快，可靠性高。2）光光点点位位置置测量量精精度度与与光光斑斑的的形形状状 无无关关，只只与与光光斑斑的的能能量量中中心心有有关关，减减小小杂光日光的干光日光的干扰；2024年4月19日58PSD的特点3）光敏面上无光敏面上无须分割，消除了死区，分割，消除了死区，可可连续测量光斑的位置，分辨率高，一量光斑的位置，分辨率高，一维PSD可达可达0.02m；4）可同）可同时检测光点的位置和光点的位置和强度，度，PSD总输出出电流反映光点的光流反映光点的光强，两极，两极电流之差反映光点的位置。流之差反映光点的位置。2024年4月19日59PSD的特点5）PSD对光的波光的波长具有具有选择性。如性。如图211是是S1543的光的光谱特性特性图，这种器件的响种器件的响应范范围在在3001100nm内，峰内，峰值波波长在在900nm左右的左右的红外区。外区。图211S1543 PSD的光谱响应曲线2024年4月19日60二、二、PSD结构及其转换电路结构及其转换电路一一维PSD图210 PSD结构示意图2024年4月19日61一维PSD转换电路图213 一维PSD转换电路图2024年4月19日62三、二维三、二维PSD结构及其转换电路结构及其转换电路图212 二维PSD的结构二维二维PSD2024年4月19日63二维PSD转换电路图214 二维PSD转换电路图2024年4月19日641.6 1.6 光电传感器的应用光电传感器的应用2024年4月19日65一、烟尘浊度检测仪一、烟尘浊度检测仪光源：光源：400nm700nm光光检测器范器范围：400600nm图2-10 吸收式烟尘浊度检测仪框图2024年4月19日66二、光电转速传感器二、光电转速传感器 图2-11 光电转速测量略去略去2例例2024年4月19日67光电脉冲转换电路光电脉冲转换电路 图2-12 光电脉冲转换电路2024年4月19日68三、路灯自动控制三、路灯自动控制 图2-13 路灯自动控制器2024年4月19日69原理原理当天亮时，硅光电池受光照射后，它产生当天亮时，硅光电池受光照射后，它产生0.20.20.50.5电动势，使电动势，使BGBG1 1正偏压而截止，后面多正偏压而截止，后面多级放大器不工作，级放大器不工作，BGBG4 4截止，继电器不动作，截止，继电器不动作，路灯回路触头断开，路灯不亮；路灯回路触头断开，路灯不亮；当天黑无光照时当天黑无光照时 ，光电池无光生电动势，使，光电池无光生电动势，使BGBG1 1的基极为低电位，的基极为低电位，BGBG1 1导通，经导通，经BGBG2 2、BGBG3 3、BGBG4 4构成多级直流放大，构成多级直流放大，BGBG4 4导通使继电器动导通使继电器动作，从而接通交流接触器，使常开触头闭合，作，从而接通交流接触器，使常开触头闭合，路灯亮。路灯亮。调节调节R R1 1可改变自动开关的灵敏度。可改变自动开关的灵敏度。2024年4月19日70四、光断续器应用四、光断续器应用 图2-14 料位检测透射式透射式+5V+12VU0R1R2物料物体物料发光二极管光敏三极管2024年4月19日71反射式反射式1-红外发光二极管 2-光敏三极管 3-外壳 4-引脚 5-物体图2-15 透射式（a）反射式光断续器(a)(b)VccVout2024年4月19日72产生线上的自动计数产生线上的自动计数V运输带 产品图2-16 产生线上的自动计数 发光二极管光电三极管2024年4月19日73五、光控自动水龙头五、光控自动水龙头 图217 光控水龙头电路图2024年4月19日74六、声控光敏延时开关六、声控光敏延时开关 图218 声控光敏延时开关电路2024年4月19日75思考题1 光光电效效应有哪三种有哪三种类型型?对每一种效每一种效应,举出一种出一种传感器感器,说明其明其转换原理原理.2 与普通象限探与普通象限探测器相比器相比较,自自扫描光描光电二极二极管管阵列有哪些突出的列有哪些突出的优点点?3 简述自述自扫描光描光电二极管二极管阵列的列的结构和光构和光电流信号的流信号的输出出过程程.4 PSD光光电位置位置传感器与象限探感器与象限探测器相比有器相比有何何优越性越性?简述述线阵PSD的工作原理的工作原理.2024年4月19日76综合题目设计一个料位控制系一个料位控制系统,功能功能能要求：能要求：当料位低于当料位低于A点点时自自动加料加料;当料位高于当料位高于B点点时停止加料停止加料;当料位在当料位在A、B之之间时，保持状，保持状态不不变。设计内容内容选择传感器；感器；确定光确定光电传感器安装位置，感器安装位置，设计加料加料电动机控制机控制电路路物料发光二极管光敏三极管AB2024年4月19日77谢谢！