第八章光电式传感器

1、概述概述: :概述概述指纹锁指纹锁门禁门禁光光 电电 鼠鼠 标标概述概述光电开关二、光源（发光器件）二、光源（发光器件）1、钨丝白炽灯、钨丝白炽灯 8.1 8.1 光电效应光电效应 传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为： 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 8.1 8.1 光电器件光电器件 光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。 8.1 8.1 光电器件光电器件 在在 光被看作是具有一定能量的光粒子组成，光被看作是具有一

2、定能量的光粒子组成， 光照射物光照射物体时，物体中的电子吸收入射光子的能量，每个光子体时，物体中的电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：具有的能量是： Ehh 8.1 8.1 光电器件光电器件 20012EhmvA 由能量守恒定律有：（爱因斯坦光电效应方程）由能量守恒定律有：（爱因斯坦光电效应方程）u光电导效应：光电导效应： 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。 这种效应几乎所有高电阻这种效应几乎所有高电阻 率半导体都有，为使电子从率半导体都有，为使电子从 价带激发到导带，入射光子价带激发到导带，入射光子 的能量的能量E E0 0

3、应大于禁带宽度应大于禁带宽度EgEg。 8.1 8.1 光电效应光电效应 基于光电导效应的光电器件有基于光电导效应的光电器件有光敏电阻光敏电阻。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1 8.1 光电效应光电效应 u光生伏特效应：光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PNPN结结上产生电动势的效应。上产生电动势的效应。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.18.1.1光敏电阻光敏电阻 1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到

4、红外区范围内。而且体积性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。泛。 A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.18.1.1光敏电阻光敏电阻 1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 2 2）伏安特性：在一定的照度下，流过光敏电阻的电）伏安特性：在一定的照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安流与光敏电阻两端的电压的关系称

5、为光敏电阻的伏安特性。特性。 给定偏压给定偏压 光照越大光电流越大；光照越大光电流越大； 给定光照度给定光照度 电压越大光电流越大；电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、曲线不弯曲、 无饱和，无饱和， 但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 2.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 特性特性4 4） 光谱特性：光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长光谱特性：光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性。的关系称为光敏电阻的光

6、谱特性。 光敏电阻灵敏度与入射光波长有关光敏电阻灵敏度与入射光波长有关; ; 对于不同材料光敏电阻的灵敏度不一样。对于不同材料光敏电阻的灵敏度不一样。 例图：例图： 硫化镉（硫化镉（CdSCdS）0.30.30.8(m)0.8(m)硫化砣（硫化砣（TISTIS）0.30.31.4(m)1.4(m) 硫化铅（硫化铅（PbSPbS）1.01.03.5(m) 3.5(m) 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 2.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 2.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性5 5） 频率特性频率

7、特性 这里所说的频率不是入射光的频率，这里所说的频率不是入射光的频率，而是指入射光强度变化的频率。当光而是指入射光强度变化的频率。当光敏电阻受到脉冲光的作用时，光电流敏电阻受到脉冲光的作用时，光电流并不立即上升到稳态值，这个上升过并不立即上升到稳态值，这个上升过程要经历一段时间，同样，光照停止程要经历一段时间，同样，光照停止后光电流也不立刻从稳态值下降到暗后光电流也不立刻从稳态值下降到暗电流，也需要一段时间。这表明，光电流，也需要一段时间。这表明，光敏电阻中光电流随光强度的变化具有敏电阻中光电流随光强度的变化具有一定的惯性，通常用时间常数一定的惯性，通常用时间常数表示。表示。 6 6） 温度特

8、性温度特性 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 2.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性硅光敏二极管结构硅光敏二极管结构 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.2 光敏晶体管光敏晶体管 1.光敏二极管光敏二极管8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 1.光敏二极管光敏二极管8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 2.光敏晶体管光敏晶体管 与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极- -集电极作为光敏二极管，作为受光结，集电

9、极作为光敏二极管，作为受光结，所以所以基极基极的尺的尺寸做的很大，寸做的很大，以扩大光照面积，且基极无引线，集电以扩大光照面积，且基极无引线，集电极加反偏。光敏晶体管的工作原理分为光电转换和光极加反偏。光敏晶体管的工作原理分为光电转换和光电流放大两个过程。电流放大两个过程。光电池种类很多，光电池种类很多，8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.3 光电池光电池 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.3 光电池光电池 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.3 光电池光电池 （有源器件）（有源器件） 太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能供 LED电警示太阳能电池v 电路连接电路连接 8

10、.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.3 8.1.3 光电池（有源器件）光电池（有源器件） 硅管的发射结导通电压为硅管的发射结导通电压为0.6V0.6V0.7V0.7V，光电池的，光电池的 0.5V0.5V电压起不到控制作用，可将两个光电池串联电压起不到控制作用，可将两个光电池串联 后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。 有光照度变化时，引起基极电流有光照度变化时，引起基极电流IbIb变化，集电极变化，集电极 电流发生电流发生倍的变化。倍的变化。光电池电路连接光电池电路连接 随着光电技术的发展，出现了一种新的功能器件随着光电技术的发展，出现了一种新的功能

11、器件光电耦合器件。光电耦合器件光电耦合器件。光电耦合器件又称光电隔离器。又称光电隔离器。 光电耦合器是将发光器件光电耦合器是将发光器件(LED)(LED)和光敏器件和光敏器件( (光敏二、光敏二、三极管三极管) )紧密组装在一起，密封在一个对外隔光的封装紧密组装在一起，密封在一个对外隔光的封装之内形成的一个电之内形成的一个电- -光光- -电器件。电器件。 这种器件在信息的传输过程中是用光作为媒介把输这种器件在信息的传输过程中是用光作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起的。入边和输出边的电信号耦合在一起的。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件

12、特点：特点：输入输出完全隔离，有独立输入输出完全隔离，有独立的输入输出阻抗，器件有很的输入输出阻抗，器件有很强的抗干扰能力和隔离性能强的抗干扰能力和隔离性能可避免振动、噪声干扰。可避免振动、噪声干扰。 特别适宜做数字电路开关特别适宜做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔离器信号传输、逻辑电路隔离器计算机测量、控制系统中做计算机测量、控制系统中做 无触点开关等。无触点开关等。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 光电隔离器光电隔离器 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 右图是右图是CMOSCMOS电路电电

13、路电平转到平转到TTLTTL电路电平电路电平的电路图。该电路中的电路图。该电路中输入是输入是2020伏到伏到0 0伏伏的脉冲，输出是的脉冲，输出是0 0伏伏到到5 5伏的脉冲，前后伏的脉冲，前后电路完全是隔离的。电路完全是隔离的。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 回路的隔离电路 被控制的回路被控制的回路2 2接接220V220V交流交流电，而回路电，而回路1 1是电源电压很低是电源电压很低的直流控制电路。在使用中，的直流控制电路。在使用中，为了防止被控回路对控制回为了防止被控回路对控制回路的影响，两种电路的电源路的影响，两种电路的电源及信号要

14、求隔离。及信号要求隔离。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.5 8.1.5 光电器件的测量方法光电器件的测量方法. . 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.4 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 光电器件的测量方法光电器件的测量方法 透明度混蚀度纸的白度工件表面粗糙度工件的尺寸振动测量照度计高温计 8.1 8.1 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） ChargeChargeCoupled DevicesCoupled Devices 电荷耦合器件：又称电荷耦合器件：又称CCDCCD图象传感器，是一种大规模图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件。具有光

15、电转换，信息存储、延时、集成电路光电器件。具有光电转换，信息存储、延时、传输、处理等功能。构成具有自扫描功能的图象传感器。传输、处理等功能。构成具有自扫描功能的图象传感器。 特点：集成度高、尺寸小、电压低（特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC7DC712V12V）, ,功功耗小。耗小。 该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。等各个领域。 8.1 8.1 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） ChargeChar

16、geCoupled DevicesCoupled Devices 8.1 8.1 光电器件光电器件 电荷耦合器件电荷耦合器件 8.1 8.1 光电器件光电器件 电荷耦合器件电荷耦合器件 基于基于CCDCCD光电耦器件的输入光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机机、平板扫描仪、指纹机 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.5 8.1.5 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 一个一个MOSMOS光敏元结构光敏元结构 MOSMOS光敏单元光敏单元CCDCCD结构及工作原理：结构及工作原理： CCD CCD器件的基本单元结构是器件的基本单元结

17、构是MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半半导体）结构。即在导体）结构。即在P P型硅衬底上生长一层型硅衬底上生长一层SiOSiO2 2(120nm),(120nm),再在再在SiOSiO2 2层上沉积金属构成层上沉积金属构成MOSMOS结构，它是结构，它是CCDCCD器件的器件的最小工作单元最小工作单元。 因为它是由金属因为它是由金属(M)(M)氧化物氧化物(O)(O)半导体半导体(S)(S)三三层所组成，故称层所组成，故称MOSMOS结构。结构。构成构成CCDCCD的基本的基本单元是单元是MOSMOS电容电容器，与其它电器，与其它电容器一样，容器一样，MOSMOS电容器能够存电容器能够存储

18、电荷。储电荷。一个一个MOSMOS光敏元结构光敏元结构 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.5 8.1.5 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） CCDCCD结构及工作原理：结构及工作原理： 当在金属电极上施加一个正电压当在金属电极上施加一个正电压U Ug g时，时，P P型硅中的型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到子（电子）吸引到P-SiP-Si界面处来，从而在界面附近形界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱，势阱的深成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱，势阱的深浅取决于浅取决

19、于Ug的大小。对带负电的电子来说，耗尽区是的大小。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。个势能很低的区域。 当有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子当有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的电子数与光强度成正比。势阱（俘获），此时势阱内吸的电子数与光强度成正比。存储了电荷的势阱被称为电荷包，而同时产生的空穴被存储了电荷的势阱被称为电荷包，而同时产生的空穴被排斥出耗尽区。并且在一定的条件下，所加正电压排斥出耗尽区。并且在一定的条件下，所加正电压U Ug g越越大，

20、耗尽层就越深，这时势阱所能大，耗尽层就越深，这时势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。容纳的少数载流子电荷的量就越大。 一个一个MOSMOS光敏元结构光敏元结构 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.5 8.1.5 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） CCDCCD结构及工作原理：结构及工作原理：CCDCCD结构示意图结构示意图 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.5 8.1.5 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 8.1 8.1 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 一个一个MOSMOS结构元称为结构元称为MOSMOS光敏元或一个光敏元或一个

21、像素，像素，CCDCCD器器件内是在硅片上制作成千上万的件内是在硅片上制作成千上万的MOSMOS元，每个金属电极元，每个金属电极加电压，就形成成千上加电压，就形成成千上万万个势阱；个势阱； 存储电荷的多少正比于照射的光强，存储电荷的多少正比于照射的光强，如果照射在如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度相应的光生电荷图象。元就感生出一幅与光照度相应的光生电荷图象。 这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。 8.1 8.1 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（

22、CCDCCD） 2651801339066453322 8.1 8.1 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） a）单行结构）单行结构 b）双行结构）双行结构线型线型CCD图像传感器图像传感器 8.1 8.1 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 电荷转移原理电荷转移原理 8.1 8.1 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 读出移位寄存器结构读出移位寄存器结构当当t = t1t = t1时刻，时刻，11电极下出现势阱存入光电荷电极下出现势阱存入光电荷 当当t = t2t = t2时刻，两个势阱形成大的势阱存入光电荷。时刻，

23、两个势阱形成大的势阱存入光电荷。 当当t = t3t = t3时刻，时刻，11中电荷全部转移至中电荷全部转移至22。 当当t = t4t = t4时刻，时刻，22中电荷向中电荷向33势阱转移。势阱转移。 当当t = t5t = t5时刻，时刻，33中电荷向下一个中电荷向下一个11势阱转移。势阱转移。 8.1 8.1 光电器件光电器件 8.1.5 8.1.5 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 读出移位寄存器三相时钟脉冲读出移位寄存器三相时钟脉冲 8.1 8.1 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） v 电荷转移原理电荷转移原理 这一传输过程依次下去，信号电荷按设

24、计好的这一传输过程依次下去，信号电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到另一端。另一端。 这样一个传输过程，实际上是一个这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过电荷耦合过程程，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。称移位寄存器。 8.1 8.1 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 光导纤维光导纤维简称光纤简称光纤 光纤传感器是光纤传感器是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一门新技年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展术，光

25、纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：器有如下特点： 不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火； 可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 可以用于高温、高压可以用于高温、高压. .绝缘性能好，耐腐蚀。绝缘性能好，耐腐蚀。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量

26、8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.18.2.1光纤的结构及其传光光纤的结构及其传光 1)1)光纤结构：光纤结构： 12sinsinirnn 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.18.2.1光纤的结构及其传光光纤的结构及其传光 2)2)光纤传光原理：光纤传光原理： 光的折射示意图光的折射示意图临界状态示意图临界状态示意图光的全反射示意图光的全反射示意图122sinsin90cnnn21sincnn21arcsincnn0112sinsinsinsiniinnnn10sinsininn90i 21sinsininn21111000022221

27、212010sinsinsin(90)cos1 sin11 (sin)siniiiinnnnnnnnnnnnnnn 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.18.2.1光纤的结构及其传光原理光纤的结构及其传光原理 2)2)光纤传光原理：光纤传光原理： 2212sincnnNAsincNC 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.18.2.1光纤的结构及其传光光纤的结构及其传光 2)2)光纤传光原理：光纤传光原理： 2221201sinsininnn 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角 度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；度入射到光

28、纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； v 光线在光纤端面入射角光线在光纤端面入射角减小到某一角度减小到某一角度cc时，时，光线全部反射。光线全部反射。 v 只要只要2c2c，光在纤芯和包层界面上经若干次，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。全反射向前传播，最后从另一端面射出。 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.18.2.1光纤的结构和传光原理光纤的结构和传光原理 2)2)光纤的传光原理：光纤的传光原理：8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器8.2.28.2.2光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数） 数值孔径（数值孔径（NANA） 临界入射角临界

29、入射角cc的正弦函数定义为光纤的数值孔径的正弦函数定义为光纤的数值孔径. . 221201sincNAnnn空气中：空气中：2212NAnn12()nnv 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（质（N1N1、N2N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。）决定的，与光纤的几何尺寸无关。NANA意义讨论：意义讨论： NANA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在大，只要在2c2c张角之内的入射光才能被光纤接收、张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏传播。若入射

30、角超出这一范围，光线会进入包层漏光。光。 一般一般NANA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但容易。但NANA越大光信号畸变越大，要选择适当。越大光信号畸变越大，要选择适当。 产品光纤不给出折射率产品光纤不给出折射率N N，只给数值孔径，只给数值孔径NANA，石英光，石英光纤的数值孔径一般为：纤的数值孔径一般为：0.20.4NA光纤模式光纤模式 光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以上有本质的差别。传统传感器是以机机电测量电测量为基础，而光纤传为基础，

31、而光纤传感器则以感器则以光学测量光学测量为基础。为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的到极远紫外线的10nm。它的。它的物理作用物理作用和和生物化学作用生物化学作用主要因其中的电场而引起。主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即的振动，即A电场电场E的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振动频率；光波的振动频率；光相位；光相位；t光的传播时间。光的传播时间。 可见，只要使光的可见，只要使光的强度强度、偏振态偏振态( (矢量矢量A的方向的方向) )、频率频率和和相位相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调