1、2023年1月28日1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2023年1月28日2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2023年1月28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PSD2023年1月28日41 光电效应光电效应 定义：定义：物质由于光的作用而产生电流、物质由于光的作用而产生电流、电压，或电
2、导率变化的现象电压，或电导率变化的现象 分类：分类：外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应2023年1月28日51.1 外光电效应外光电效应Amvh2021逸出条件：hE:光子能量hA/0材料红限：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2023年1月28日61.1.1 原理与结构 光照光照物质物质电子获能电子获能逸出表面逸出表面光电流光电流 (光子光子)(光电子光电子)光电流正比于光强度光电流正
3、比于光强度 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 光电传感器对光具有选择性光电传感器对光具有选择性 光电材料光电材料:银氧铯银氧铯锑铯锑铯镁化镉等镁化镉等 举例举例:光电管光电管光电倍增管光电倍增管2023年1月28日71.1.2 真空光电管1.组成：光电阴极阳极：光电阴极阳极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2023年1月28日8真空光电管的特点线性度好线性度好;灵敏度低；灵敏度低；测量弱光时，光电流很小，测量误差大。测量弱光时，光电流很小，测量误差大。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
4、 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 2023年1月28日91.1.3 光电倍增管组成组成：光电阴极光电阴极K阳极阳极A倍增极外壳倍增极外壳结构原理及测量电路结构原理及测量电路2023年1月28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）；）；适应弱光测量；适应弱光测量；工作电压高工作电压高,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
5、为1000 A1000 A。相差相差1000200倍倍2023年1月28日111.2 内光电效应 光敏器件进行光电转换的物理基础光敏器件进行光电转换的物理基础 光电导效应半导体材料在光的照射下，电半导体材料在光的照射下，电导率发生变化的现象。导率发生变化的现象。光生伏特效应半导体材料在光的照射下，半导体材料在光的照射下，在一定方向产生电动势的现象。在一定方向产生电动势的现象。2023年1月28日121.2.1 光电导效应光敏电组 光照光照半导体材料半导体材料电子空穴对激发分裂电子空穴对激发分裂 导电粒子增加导电粒子增加电导率增加电导率增加光电流光电流 光的选择性光的选择性 暗电阻暗电阻:101
6、00M 亮电阻亮电阻:10k 用途用途:测光测光/光导开关光导开关 材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅mAI2023年1月28日13光敏电阻的特性2023年1月28日14光谱特性 硫化镉：可见光区域硫化镉：可见光区域,=0.40.76m 峰值峰值0.7m 硫化铊：可见光及近红外区硫化铊：可见光及近红外区,=0.51.7m 峰值峰值:1.21.3m 硫化铅：可见光至中红外区硫化铅：可见光至中红外区,=0.53m 峰值峰值2.5m 根据光谱范围选用！根据光谱范围选用！2023年1月28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
7、有光敏特性。结具有光敏特性。二极管在电路中处于反向工作状态。二极管在电路中处于反向工作状态。2023年1月28日16光敏二极管光敏二极管 无光照时无光照时：光电二极管：光电二极管反向截止，回路中只有反向截止，回路中只有很小的反向饱和漏电很小的反向饱和漏电流流暗电流暗电流，一般为，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2023年1月28日17续续 有光照时有光照时：P-N结结吸收光子能量，产吸收光子能量，产生大量的电子生大量的电子/孔孔穴对，穴对，P区和区和N区区的少数载流子浓度的少数载流子浓度提高，在反向电压提高，在反向电压的作用下反
8、向饱和的作用下反向饱和电流显著增加，形电流显著增加，形成成光电流光电流。+RL光电流有光照2023年1月28日18性能与用途性能与用途 光电流与光通量成线性关系，适应于光照检光电流与光通量成线性关系，适应于光照检测方面的应用；测方面的应用；光电二极管动态性能好，响应速度快光电二极管动态性能好，响应速度快（10s10s）；）；但灵敏度低，温度稳定性差。但灵敏度低，温度稳定性差。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。2023年1月28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IeIeboIcboIc202
9、3年1月28日20原理原理无光照时无光照时有光照时有光照时 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cboFEceoIhI)1(cFEeIhI)1(图2-8 NPN光敏三极管电路IeIeboIcbo2023年1月28日21应用应用 “电眼睛”光电编码器光电编码器 火灾报警器火灾报警器 光电控制光电控制 自动化产生自动化产生 条形码读出器条形码读出器 机器安全设施等机器安全设施等2023年1月28日22光电晶体管特性光谱、伏安特性2023年1月
10、28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。2023年1月28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应光生伏特效应 半导体材料在光的作用下产生电动势半导体材料在光的作用下产生电动势的现象的现象 类型类型硒光电池硒光电池、硅光电池、硅光电池2023年1月28日25硒光电池原理硒光电池原理 无光照时，无光照时，载流子扩散形成载流子扩散形成阻挡层阻挡层，阻止硒中空穴的进，阻止硒中空穴的进一步扩散，
11、动平衡；一步扩散，动平衡；有光照时，有光照时，硒中激发出电子硒中激发出电子空穴对空穴对，电子穿过阻挡层，电子穿过阻挡层，空穴留在硒中；空穴留在硒中；电荷积累电荷积累的结果：硒半导体的结果：硒半导体成为正极，金属成为负极。成为正极，金属成为负极。连接连接极，产生连续的光极，产生连续的光电流电流P-硒N-金属阻挡层100LR2023年1月28日26光谱特性光谱特性光谱特性光谱特性 硒光电池光谱响应范围：硒光电池光谱响应范围：0.30.7m 硅光电池光谱响应范围：硅光电池光谱响应范围：0.51m2023年1月28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
12、补偿！2023年1月28日281.3 普通光敏器件阵列 象限探测器象限探测器 光敏器件阵列光敏器件阵列2023年1月28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标；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。结构结构 利用光刻技术，将一整块圆形或正方形光敏器利用光刻技术，将一整块圆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；各个区域各面积相等、形状相同、位置对称；各个区域各面积相等、形状相同、位置对称；背面仍为一体。背面仍为一体。2023年1月28日30 划分形式：划分形式：2023年1月28日31 原理原理 光点投射
13、到探测器上；光点投射到探测器上；各象限上光斑大小不同；各象限上光斑大小不同；光生电动势也不同：光生电动势也不同：U2U1U3U4；可断定光心在第可断定光心在第4象限；象限；标定后，可知光心在标定后，可知光心在X、Y方向的坐标。方向的坐标。3241U4U3U2U1XY2023年1月28日32n和差坐标换算和差坐标换算 Y方向：方向：X方向：方向：4321)43()21(UUUUUUUUKUy3241U4U3U2U1Y4321)32()41(UUUUUUUUKUx2023年1月28日33n和差测量电路和差测量电路2023年1月28日34n直差坐标换算直差坐标换算器件旋转器件旋转45 Y方向：方向：
14、X方向：方向：432131UUUUUUKUy3241U4U3U2U1Y432124UUUUUUKUx2023年1月28日35n直差测量电路直差测量电路2023年1月28日36象限探测器的特点 测量精度与光强无关，只与光心位置有关；测量精度与光强无关，只与光心位置有关；存在死区，光斑很小时特明显，分辨率低；存在死区，光斑很小时特明显，分辨率低；光斑落在一个象限时，失效，测量范围小。光斑落在一个象限时，失效，测量范围小。2023年1月28日371.3.2 光敏二极管阵列 一种低集成度的集成传感器一种低集成度的集成传感器 多个光敏晶体管等间隔线性排列多个光敏晶体管等间隔线性排列 集成度一般为集成度一
15、般为1032像素片；像素片；集成封装，独立引线；集成封装，独立引线；电路复杂，用多路开关简化电路。电路复杂，用多路开关简化电路。2023年1月28日38 多路开关输出多路开关输出2023年1月28日391.4 自扫描光电二极管阵列SSPD 普通光电二级管阵列普通光电二级管阵列数字位移寄存器数字位移寄存器 输出电路简化输出电路简化 集成度提高：集成度提高：64，128，256，5124096 线阵、面阵两种形式线阵、面阵两种形式 电荷储存工作方式电荷储存工作方式 工作原理复杂工作原理复杂2023年1月28日401.4.1 像元结构 N型硅表面扩散型硅表面扩散P型硅材型硅材料，形成料，形成P-N结
16、结 蒸涂蒸涂SiO2（透明）（透明）覆盖铝膜，氧化层部分覆盖铝膜，氧化层部分外露外露 引出栅极、漏极、源极引出栅极、漏极、源极 形成形成MOSFET场效应管场效应管SiO2N-SiP栅极栅极Al膜膜漏极漏极源极源极玻璃罩玻璃罩2023年1月28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：结电容 Ug：栅极控制电压：栅极控制电压 1通；通；0短短 Uc：PN结反偏电压结反偏电压 RL：负载电阻：负载电阻 IL ：负载电流：负载电流 VT：场效应管（开关）：场效应管（开关）Ug栅极控制电压RLUcVDCdILVTU0开关开关光敏二极管光敏二极管2023年1月28日421.4
17、.2 工作过程 预充电预充电放电放电(积分积分)充电充电(信号输出信号输出)放电放电充电充电.循环往复循环往复,负载上周期性的输出像元上的光信负载上周期性的输出像元上的光信号号.Ug栅极控制电压RLUcVDCdILVTU02023年1月28日43预充电预充电 Ug=1,VT开开 VD反向截止反向截止 电源电源Uc经经RL给给Cd充电充电 UcCdVTRL P-N结上所充电荷结上所充电荷Q Q=CdUc 充电结束充电结束Ug=1RLUcVDCdILVTU0+2023年1月28日44放电放电(积分积分)Ug=0,VT关断关断 Cd经经VD放电放电 CdVDCd 放电荷为放电荷为Q Q=(Ip+Id
18、)Ts IpTs Cd电压减小为电压减小为Ucd Ucd=Uc-Q/CdUg=0RLUcVDCdILVTU0+暗电流暗电流IdIp亮电流亮电流2023年1月28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经经CdVTRL充电充电,Cd电压电压由由Ucd开始至开始至Uc Cd上充电量为上充电量为Q Rl上最大电压增量为上最大电压增量为 Uomax=Q/Cd =Ip(Ts/Cd)Ip与光强成正比与光强成正比Ug=1RLUcVDCdILVTU0+UcdIL Ip E2023年1月28日461.4.3 线阵SSPD 结构结构 感光阵列感光阵列+多路开关多路开
19、关+移位寄存器移位寄存器 公共端相连公共端相连(COM)各管性能相同各管性能相同 多路开关多路开关多选一多选一 在时钟与脉冲的在时钟与脉冲的 作用下依此输出作用下依此输出2023年1月28日47移位输出_以以4 4像素像素SSPDSSPD为例为例 预充电预充电:S=1 1 1 1 循环输出循环输出U0U2U1U3 1 1 1 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVT2023年1月28日48U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 2023年1月28日49 1周期周期:S=0 1 1 1 VT1关闭关闭,VD1放电放
20、电 其余截止其余截止 无输出无输出U2U1U3 0 1 1 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU0XS1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U1 1 3 5U2U3U4 2 4 2023年1月28日50 2周期周期:S=1 0 1 1 VT1通通,VD1充电充电 VD1输出至输出至U0 VT2关闭关闭,VD2放电放电U2U1U3 1 0 1 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU1U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 2023年1月28日51 3周期周期:S
21、=1 1 0 1 VT2通通,VD2充电充电 VD2输出至输出至U0 VT3关闭关闭,VD3放电放电 以此类推以此类推.n+1周期输出周期输出VDn 充电时间充电时间时钟周期时钟周期U2U1U3 1 1 0 1SVDCdVTVDCdVTVDCdVTU4RLUcVDCdILVTU2U1 1 3 5U2S1=0111S2=1011S3=1101S4=1110U3U4 2 4 2023年1月28日52电流放大输出+_ILU0RsRfflRIU 02023年1月28日53SSPD特点 光电线性：光电线性：Q曝光量（曝光量（ETs)；暗电流：暗电流：室温下室温下1pA 随温升加大，随温升加大，1倍倍7
22、随积分时间增大随积分时间增大 液氮致冷：积分时间可延至几小时，测微光信号液氮致冷：积分时间可延至几小时，测微光信号 动态范围：动态范围：500:1 输出饱和信号与暗电流之比输出饱和信号与暗电流之比 代替象限探测器代替象限探测器105 10 H10103Qmax2023年1月28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电元件连续检测光点位置的光电元件2023年1月28日55一、一、PSD的工作原理的工作原理 基于内光电效应。基于内光电效应。具有具有PIN三层结构的平板半导体硅片三层结构的平板半导体硅片图210
23、PSD结构示意图2023年1月28日56光点位移与光电流的关系LIIIIxILxLIILxLIIIIAAA1212020121022图210 PSD结构示意图2023年1月28日57PSD的特点1）响应速度快，可靠性高。响应速度快，可靠性高。2）光点位置测量精度与光斑的形状光点位置测量精度与光斑的形状 无关，只与光斑的能量中心有关，减无关，只与光斑的能量中心有关，减小杂光日光的干扰；小杂光日光的干扰；2023年1月28日58PSD的特点3）光敏面上无须分割，消除了死区，光敏面上无须分割，消除了死区，可连续测量光斑的位置，分辨率高，一可连续测量光斑的位置，分辨率高，一维维PSD可达可达0.02m
24、；4）可同时检测光点的位置和强度，）可同时检测光点的位置和强度，PSD总输出电流反映光点的光强，两极总输出电流反映光点的光强，两极电流之差反映光点的位置。电流之差反映光点的位置。2023年1月28日59PSD的特点 5）PSD对光的波长具有对光的波长具有选择性。如图选择性。如图211是是S1543的光谱特性图，的光谱特性图，这种器件的响应范围在这种器件的响应范围在3001100nm内，峰值内，峰值波长在波长在900nm左右的红左右的红外区。外区。图211S1543 PSD的光谱响应曲线2023年1月28日60二、二、PSD结构及其转换电路结构及其转换电路 一维一维PSDLIIIIxILxLII
25、LxLIIIIAAA1212020121022图210 PSD结构示意图2023年1月28日61一维PSD转换电路图213 一维PSD转换电路图2023年1月28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PSDLIIIIyLIIIIxyyyyxxxx2023年1月28日63二维PSD转换电路图214 二维PSD转换电路图2023年1月28日641.6 1.6 光电传感器的应用光电传感器的应用2023年1月28日65一、烟尘浊度检测仪一、烟尘浊度检测仪 光源：光源：400nm700nm 光检测器范围：光检测器范围：400600nm图2-10 吸
26、收式烟尘浊度检测仪框图2023年1月28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zfn60略去略去2例例2023年1月28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2023年1月28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2023年1月28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，后正偏压而截止，后面多级放大器不工作，面多级放大器不工作，BGBG4 4截止，继电器不截止，继电器不动作，路灯回路触头断
27、开，路灯不亮；动作，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。2023年1月28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+12VU0R
28、1R2物料物体物料发光二极管光敏三极管2023年1月28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)VccVout2023年1月28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2023年1月28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2023年1月28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2023年1月28日75思考题 1 光电效应有哪三种类型光电效应有哪三种类型?对每一种效
29、应对每一种效应,举举出一种传感器出一种传感器,说明其转换原理说明其转换原理.2 与普通象限探测器相比较与普通象限探测器相比较,自扫描光电二极自扫描光电二极管阵列有哪些突出的优点管阵列有哪些突出的优点?3 简述自扫描光电二极管阵列的结构和光电简述自扫描光电二极管阵列的结构和光电流信号的输出过程流信号的输出过程.4 PSD光电位置传感器与象限探测器相比有光电位置传感器与象限探测器相比有何优越性何优越性?简述线阵简述线阵PSD的工作原理的工作原理.2023年1月28日76综合题目 设计一个料位控制系统设计一个料位控制系统,功能功能能要求：能要求：当料位低于当料位低于A点时自动加料点时自动加料;当料位高于当料位高于B点时停止加料点时停止加料;当料位在当料位在A、B之间时，保持状之间时，保持状态不变。态不变。设计内容设计内容 选择传感器；选择传感器；确定光电传感器安装位置，确定光电传感器安装位置，设计加料电动机控制电路设计加料电动机控制电路物料发光二极管光敏三极管AB2023年1月28日77谢谢！
