传感器原理-4.ppt

1,第二章,光敏传感器(光电传感器),2,v原理：光照射材料引起的电学性质变化。光电材料：能够感应光信号的材料。v特点：可靠性高、抗干扰能力强。v分类：,第二章光敏传感器,3,二、红外热释电探测器：对光谱中长波（红外）敏感的器件。主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势制成的器件。,一、光电效应传感器：v原理：利用光敏材料的光电效应制成的器件。v光电效应：因光照引起物体电学特性改变的现象，分为外光电效应和内光电效应器件。,第二章光敏传感器,4,三、固态图像传感器：,vCCD图像传感器：用CCD的光电转换和电荷转移功能制成的。CCD（charge-coupleddevices)电荷耦合器件。vMOS图像传感器：用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的，又称自扫描光电二极管列阵（SSPA）。,第二章光敏传感器,固态图像传感器,CCD图像传感器MOS图像传感器,5,CCD：,感光器件面积CCD和CMOSCCD/CMOS是感光成像部件CCD/CMOS尺寸越大，成像效果越好。2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸,第二章光敏传感器,6,四、光纤传感器：v是唯一的有光源的光敏传感器v工作过程：由发光管或激光管发射光,经光纤传输到被测对象,光被被测信号调制,光沿着光导纤维反射或送到光接收器,经接收解调后变成电信号。,第二章光敏传感器,7,2.1外光电效应及器件,2.1.1外光电效应及器件,v外光电效应（光电发射效应）:在光照下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射的现象，称为外光电效应（光电发射效应）。,v爱因斯坦假设：,光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关。,8,v光电发射检测装置,2、光电流随光强的变化曲线：在足够的外加电压E下，若入射光的频率一定或频谱成分不变时，饱和光电流（IL）与光强成正比。,1、检测装置：在发射材料上方，放置一个电子接收板，连成一个光电发射检测装置，测定逸出电流随光强度和光频率的变化。,2.1外光电效应及器件,9,3、极限频率0、极限波长0：若入射光子的能量h小于h0，即0时，无论光强多大，都无光电子发射，光电流为0。说明：光的波长必须小于0才能产生光电子，电子吸收h0光子后能量完全用于克服表面逸出功，此波长为阈(yu)波长。,2.1外光电效应及器件,10,2.1.2光电发射二极管,光电二极管:把检测装置中发射电子的极板（阴极）和吸收电子的极板（阳极）封于同一壳内，连上电极。分为真空光电二极管和充气光电二极管两类。,一、真空光电二极管,将阳极和阴极同装于一真空玻璃壳内，引出两个电极。,2.1外光电效应及器件,11,阴极：为有效地吸收最大光强一般具有一定的几何形状（球面或半圆筒状），其凹面上镀有光电发射材料。阳极：既吸收阴极发射的电子，又不妨碍照射到阴极上的光线，用细金属丝（或棒）做阳极。,真空光电二极管结构示意图,2.1外光电效应及器件,12,13,同一光强下，在020V范围内，随着电压U的增大，达到阳极的光电子数目增大，阳极电流急剧增大；当U大于20V后，几乎全部发射电子都巳到达阳极；U再增大，I几乎不变，曲线平坦(饱和区)。一般将工作电压选择在饱和区，但要尽可能小一些，随着光强的增加，产生的光电子数就增多，所以光电流与光强成正比。,2.1外光电效应及器件,14,二、充气光电二极管,结构:与真空光电二极管类似,只是管壳内充有低压惰性气体(氩气和氖气)。,倍增效应：光线照到阴极上产生光电子,阳极电压使其加速,加速的电子使气体分子电离,形成更多的电子和离子，又被加速与另外气体分子碰撞使其电离产生更多电子,即发生了倍增效应。此外,气体电离的正离子又与阴极碰撞产生光电子,因此达到阳极的电子数目增大很多，相当于具有一定的放大倍数，可达10倍左右。,2.1外光电效应及器件,15,充气光电二极管的灵敏度高，但其灵敏度随电压显著变化，使其稳定性和频率特性都比真空光电二极管差，所以在实际应用中应选择合适的电压。,2.1外光电效应及器件,16,三、实用光电阴极的光电材料应该具备三个基本条件,1、光吸收系数大。2、光电子在体内传输到体外的过程中能量损失小，使逸出深度大，即一旦产生就能够逸出。3、电子亲和势较低，使表面的逸出几率提高。,纯金属反射强，吸收少，且逸出功大，光电发射效率低。大多数金属只适于做紫外（紫外或远紫外范围）灵敏的光电器件。半导体光电材料，逸出功较小，对可见光、红外光都很敏感。,2.1外光电效应及器件,17,2.1.3光电倍增管,一、工作原理,1、基本原理：光照到阴极上产生光电子,在真空电场作用下被加速投射到第一个倍增极上，一个光电子可以产生多个电子,多次被加速而激发倍增极后电子数目得到倍增。,2.1外光电效应及器件,18,2、工作电压：一般有11个左右的倍增极，工作时，电极电位从阴极到阳极经过各个倍增极逐级升高，即每个倍增极电压应满足：V11V3V2V1,3、二次电子发射:当具有足够动能的电子轰击倍增极时，该倍增极表面将有电子发射出来的现象。一次电子：轰击倍增极的电子二次电子发射系数表示为：,ns为发射出的二次电子数，np为打在物体上的电子数。,2.1外光电效应及器件,19,4、总增益G：若第一倍增极对光电子收集效率为f(收集到的光电子数与光照产生光电子数的比率),n个倍增极的二次电子发射系数分别为n、3、2、1,若极间传递效益分别为gng3、g2、g1，则总增益G为：,如各个倍增极的增益均为,极间传递效益均为g，总增益G为：,2.1外光电效应及器件,20,二、光电倍增管的结构,据工作原理分为两大类：聚焦型、非聚焦型。聚焦-不是指电子束聚焦成一点，而是指由前一级倍增极的电子被加速后会聚在下一级倍增极上，在两个倍增极之间可能发生电子束轨迹的交叉。聚焦型倍增系统：有圆环瓦片式(或鼠笼式)和直线瓦片式。非聚焦型倍增系统：电子轨迹多是平行的，有盒栅式和百叶窗式。,2.1外光电效应及器件,21,1.直线瓦片式倍增系统,电极形似半圆柱状瓦片,电子轨迹会聚在下一级中心。使全部二次电子得到利用。电极形状的调整。,入射光,2.1外光电效应及器件,22,2.圆环瓦片式倍增系统,各瓦片倍增极排列为圆环状，侧窗式结构是入射光通过栅网打在不透明光电阴极0上，倍增极共九个，第十级是收集极。,2.1外光电效应及器件,23,3盒栅式倍增系统,1-2-4-3-5-6-8-7-9-10-A,倍增极是一个圆柱面的1/4。为提高入射倍增极的收集效率，防止二次电子往入射方向逸散，在电子入口处加一个与盒子具有相同电位的金属栅网。优点是收集效率高可达95%结构紧凑，多用于噪声较低、增益较高的光电倍增管中。,2.1外光电效应及器件,24,三、光电倍增管的性能参数,1.灵敏度,分为阴极灵敏度SK和阳极灵敏度SA，测量时所用的光源是钨丝白炽灯。,阴极灵敏度SK：光电阴极本身的积分灵敏度。测量时给光电阴极K和阳极A间加一定电压，照在阴极上的光通量选在10-2-10-5lm范围。,2.1外光电效应及器件,25,阳极灵敏度SA：在一定工作电压下阳极输出电流与照射到阴极面上光通量的比值，包括了放大倍数的贡献，表示为：,式中iA为阳极电流，K为光通量。,2.1外光电效应及器件,2.放大倍数G（电流增益G）,一定工作电压下，阳极电流和阴极电流的比值。主要由倍增系统的能力决定。可由一定工作电压下，阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值，即：,式中iA是阳极电流，iK是阴极电流。,26,3.暗电流,在全暗条件下工作时,阳极上收集到的输出电流的直流成分。它决定了光电倍增管可测光通量的最小值。形成主要原因：,欧姆漏电,热电子发射,反馈效应,场致发射,其它因素,4.光电特性：阳极电流随光通量而增加，且在很宽的范围是线性的，所以适合测量辐射光通量较大的场合。,2.1外光电效应及器件,27,1、原理：闪烁计数器是一种精密核辐射探测器。核辐射的粒子、闪烁体（荧光体）、闪光（光子）、倍增管的光阴极、光电子。探测脉冲信号的数目及幅度，测出射线的强弱与能量的大小。,闪烁计数器原理图,2.1.4光电倍增管在闪烁计数器中的应用,2.1外光电效应及器件,28,2.2.1光电导效应,一、定义:光照射半导体材料时，材料吸收光子而产生电子-空穴对，使电导率增加的现象称为光电导效应，又称内光电效应。,二、原理：,2.2光电导效应器件及其应用,29,1、光照引起载流子密度的变化，使电导率的变化。v光照射本征半导体：若光子能量h大于此材料的禁带宽度Eg，使载流子数目增多。v光照射杂质半导体：除本征价带电子激发外，杂质能带中的电子受光子激发，到达导带形成电子和离子，使载流子数目增多得更多。,2.2光电导效应器件及其应用,30,n0和p0为热平衡时自由电子和空穴的浓度，n、p分别为电子和空穴其迁移率。,暗电导0：没有光照时，半导体材料的电导率。,2.2光电导效应器件及其应用,2、按电导率分类,31,v亮电导:在光照后，材料的电导率。,v附加电导(光电导)：光照后，材料的电导率增量。,式中n和p分别为光照后自由电子和空穴的增量。,相对光电导(光电导灵敏度):将光电导与暗电导的比值。,2.2光电导效应器件及其应用,32,三、本征半导体的最小频率和最长波长,说明只有频率大于一定值、波长小于一定值才能产生光电导。,四、光敏材料环保光敏材料，欧盟ROHS标准，禁用含铅、隔的材料。,2.2光电导效应器件及其应用,33,2.2.2光敏电阻器,是利用光敏材料的光电导效应制成的光电元件。,1、晶体，2、玻璃，3、支架，4、引线，5、透光窗,工艺：晶体贴于玻璃上后，固定到支架上引出电极引线，封上透光窗。,1、单晶光敏电阻结构图,2.2光电导效应器件及其应用,34,2、实际结构：大面积感光，表面结构有：折线式光敏电阻和梳状电极结构，得到比较大的光电流。,2.2光电导效应器件及其应用,35,工艺：玻璃（或陶瓷）基片、涂敷薄层光电导多晶材料、蒸镀金（或铟）电极、覆盖漆保护膜。要求：1、漆膜在光敏材料的最敏感波长。2、防潮：将整个管子密封于金属外壳和玻璃窗内。3、光敏电阻散热：给内部充入氢气。,光导管的整体折线式光敏电阻梳状电极结构,2.2光电导效应器件及其应用,36,暗电流-在给定的工作电压下，没有光照时测得电路的电流。亮电流-有光照时的电流。光电流-亮电流与暗电流之差即因光照所增加的电流。因当光强增大光电导增大，光电流就成比例增大。CdS、CdSe单晶光敏电阻用于可见光及近红外区的检测；大面积多晶光敏电阻的光谱范围较宽可由紫光延伸到红光。,3、光敏电阻电流测量电路图,2.2光电导效应器件及其应用,光谱！,37,2.2.3光敏电阻的参数及特性,1.暗电阻和亮电阻：暗电阻R0：在全暗条件下所测得的电阻值，一般超过1M，甚至达100M。亮电阻RL：受到光照时测得的电阻值，一般在几千欧以下。一般暗电阻与亮电阻之差越大，其光电流差越大，灵敏度越高。暗电阻与亮电阻之比一般在102106之间。,2.光电灵敏度：单位光通量时光敏电阻能输出的光电流的大小。S=dI/d光通量单位：流明(lm),2.2光电导效应器件及其应用,38,39,40,7.光谱温度特性,光敏电阻多为半导体材料，暗电阻和灵敏度都受温度T影响。量子传感器、制冷传感器,2.2光电导效应器件及其应用,41,42,2.3.2主要的光生伏特探测器,一、PN结光电池,光照使PN结就起到电源的作用。Si光电池结构：P型区为受光区，面积很大的特点,2.3光生伏特效应器件,43,44,45,2.3.3光生伏特效应器件的应用,2.3光生伏特效应器件,1.太阳电池电源,组成：,蓄电池组,46,功能：,2.3光生伏特效应器件,太阳电池方阵：串联、并联后封装、有硅光电池和硒光电池。有光照时，对负载供电、对蓄电池组充电。蓄电池组：无光照时，给负载供电。调节控制器：实现蓄电池组充、放电自动控制。阻塞二极管：反偏、防止蓄电池给太阳电池供电。直流-交流变换器：向交流负载供电。,47,v把发光器件与光接收器件组装在同一密闭管壳内，或用一根光导纤维把两部分连接起来。v以光为媒介完成电信号的传输。器件的输入与输出之间是电绝缘的。v光电接收元件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等;v必须使发光器与接收器的波长匹配：若选用GaAs或GaAlAs发光二极管，常选用硅光电二极管、光敏晶体管或光可控管（光晶闸管）等。GaAs砷化镓GaAlAs砷铝化镓,2.光电耦合器件,2.3光生伏特效应器件,48,49,3.光电转速传感器,透光式：待测转速轴、带孔调置盘、白炽灯的恒定光、光敏二极管、电脉冲信号、脉冲频率、转速反光式：待测转速轴、涂有黑白相间条纹的圆盘，不同的反射信号，电脉冲信号、脉冲频率、转速,2.3光生伏特效应器件,(a)透光式(b)反光式,50,2.4红外热释电光敏器件,高于绝对温度(-273K)的物体产生红外光谱。人一般发出10mm左右特定波长的红外线。红外线敏感器件的分类：,51,2.4红外热释电光敏器件,v自发极化：单位晶胞内正负电荷中心不重合、晶胞形成电偶极子。v电子极化:原子的电子云相对原子核发生微小位移，原子形成电偶极子。v离子极化:分子的正负离子发生微小位移，分子形成电偶极子。v取向极化：无序排列的有极分子转为有序排列，形成合成电矩。,52,2.4红外热释电光敏器件,热释电效应：自极化现象、表明极化电荷、吸附空气中电荷、吸收红外光、材料温度T升高、极化强度减小、极化电荷减少、释放吸附电荷。铁电陶瓷、压电陶瓷只能测试辐射的变化,若与一个电阻连成回路，会形成电流IS，电阻上可产生一定的压降(U)。,53,54,2.结构两个极性相反的敏感单元制作在同一晶片上。环境的影响使晶片温度T发生变化，极性相反的敏感单元产生的热释电信号相互抵消，无输出。当人体静止在检测范围内时也无信号输出。只对运动的人体敏感。,2.4红外热释电光敏器件,55,2.4红外热释电光敏器件,4.滤光窗为对人体发出的红外线最敏感，在薄玻璃片上镀多层滤光层薄膜，有效地滤除7.0-14m波长以外的红外线。,56,2.5固态图像传感器,固态图像传感器的特点：v高度集成，包括光电信号转换、信号存储和传输、处理。v以电荷转移为核心。v体积小、重量轻、功耗小、成本低。v广泛用于图像识别和传送。,固态图像传感器的分类：v电荷耦合器件(CCD)vMOS型图像传感器(自扫描光电二极管阵列)v电荷注入器件,57,将光信号变为电荷包，以电荷包的形式存贮和传递信息。又称为“排列起来的MOS电容阵列”。,一、MOS光敏元的结构及原理,半导体与SiO2界面电荷分布图,工艺：先在P-Si片上氧化一层SiO2介质层，其上再沉积一层金属Al作为栅极，在P-Si半导体上制作下电极。,2.5.1电荷耦合器件（CCD）,2.5固态图像传感器,58,给栅极加一个VG正脉冲；SiO2附近出现耗尽层；半导体表面处有贮存电荷的能力。表面的这种状态称为电子势阱或表面势阱。,1、势阱的形成,2、电子的堆积光照MOS电容器时，产生电子空穴对；光强越大，势阱中收集的电子数就越多；MOS电容器实现了光信号向电荷信号的转变。,2.5固态图像传感器,59,二、电荷转移原理,若两个相邻MOS光敏元加的栅压分别为VG1、VG2，且VG11,则VG2吸引电子能力强，形成的势阱深，则1中电子有向2中下移的趋势。若串联很多光敏元，且使VG1VG2VGN,可形成一个输运电子路径,实现电子的转移。,电子转移示意图,2.5固态图像传感器,60,三、CCD图像传感器的特性参数,1、转移效率,当CCD中电荷包转移时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，转移效率定义为：,2、分辨率,指分辨图像细节的能力，光像的两个相邻光强度最大值之间的间隔，主要取决于感光单元的尺寸和间隔。根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0（即毫米中的线对）的一半，即：,2.5固态图像传感器,61,3、暗电流,起因于热激发产生的电子-空穴对。电荷的积累时间越长，影响越大。暗电流产生不均匀总出现在固定图形、相同的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存贮在PROM（可编程只读存贮器）中，就能消除影响。限制了器件的灵敏度和动态范围。,4、灵敏度,指单位发射照度H下，单位时间、单位面积A收集的电量。,NS为t时间内收集的载流子数，单位为mA/W。,2.5固态图像传感器,62,5、噪声,CCD是低噪声器件。由于噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷受到干扰。噪声的来源有转移噪声、电注入噪声、信号输出噪声、散粒噪声等。前三种可以采用有效措施来降低或消除，但散粒噪声不能消除，决定了图像传感器的噪声极限值。在低照度、低反差下应用时更为显著。,2.5固态图像传感器,63,2.6光纤传感器,2.6.1光纤的传光原理,将待测量与光纤内的导光联系起来形成光纤传感器。,一、光纤结构是一种多层介质结构的对称圆柱体，包括纤芯、包层、涂敷层及护套。使光线无耗地从一端传向另一端。,64,2.6光纤传感器,光线入射,折射反射,二、传光原理,v临界入射角c：当入射角增大到c时，折射角2=90o，即折射光折向界面方向，该入射角c为临界角。,65,2.6光纤传感器,v全反射：当入射角1c时，光线就不会透过界面射出纤芯，全部反射到纤芯内，即发生全反射。光不断地在纤芯和包层界面产生全反射，光线呈锯齿状轨迹向前传播。,全反射原理是光纤传光原理的基础。,66,2.6光纤传感器,一般光纤损耗在310dB/km，最低0.2dB/km。能量损耗的原因：1.吸收损耗(本征吸收)与光纤材料的电子受激跃迁和分子共振有关。2.微弯损耗由于光纤护套的不均匀性或光纤成缆时产生的不均匀侧向压力引起的曲率半径很大的轻度弯曲；某些地方光线不满足全反射，进入包层，形成能量损耗。,67,3.散射损耗由于光纤材料密度的微观变化、成分起伏以及制造光纤过程中产生的结构不均匀性或缺陷，使纤芯材料各部分的折射率存在差异，使一部分光波散射到各个方向，不能传输到终点，造成能量损耗。,2.6光纤传感器,68,2.6光纤传感器,v传光型光纤传感器光纤只起传导功能；调制器感觉信息，调制器使待测信号与光互相作用，导致光的性质发生变化；光探测器，解调后获得被测的信息。,传光型光纤传感器的原理示意图,69,2.6光纤传感器,v传感型光传感器光纤传导光光纤敏感外界信号，使入射光的光学性质发生变化。,70,1、强度调制原理被测物理量通过调制器改变光纤的强度，检测光强变化解算出被测物理量。,2.6光纤传感器,71,三种强度调制原理示意图,2.6光纤传感器,被测量,72,光纤微弯传感器,位移或压力,变形器,光纤微弯曲,光强变化,大型结构健康监测构