西北大传感器原理与应用讲义第2章 光敏传感器

1具有可靠性高、抗干扰能力强、不受电磁辐射影响，可以直接检测光信号，也传感器分为外光电效应器件（如光电二极管和光电倍增管）和内光电效应器件22、光电发射检测装置：测定逸出电子随光的强度和光的频率的变化情况。图表示为2-1-3）逸出电子的最大能量。光强增加逸出电子的最大能量保持不变阳极既能吸收阴极发射的电子，又不妨碍照射到阴极上的光线，用32、原理：光照产生光电子,电压使其加速,高速的电子使气体分子电离,形成更同时为降低阴极受正离子的轰击，阴极电比较可知，充气光电二极管的灵敏度高，但随电压显著变化，使其稳定性和频率特性都三、实用光电阴极的光电发射材料应该具同时为降低阴极受正离子的轰击，阴极电比较可知，充气光电二极管的灵敏度高，但随电压显著变化，使其稳定性和频率特性都三、实用光电阴极的光电发射材料应该具4在光子数相同的条件下，不同波长(λ)的光所产生的光电子数目不同，即量子效率η(λ)对不同波长的光有不同的特性响应。电位从阴极到阳极经各个打拿极逐级升高，即每个打拿极电压应满足V11>……2、原理：光照射到阴极上产生光电子,光电子在电场下被加速而投射到第一个若第一个打拿极收集到的光电子数与光照产生的光电子数的比率为收集效率的总增益G表示为：G=J.g1δ1.g2δ2......gnδn（2-1-5）G=J(gδ)n5其单个电极形似半圆柱状的瓦片,聚焦型倍增系统，如图。它几乎能使全部二其特点是：由于电子之间的相互推斥力使电子打在较多的叶片上，倍增极的工作面积便增大了，与大面积光电阴极相配合可以用来探测微弱信号。加之增减级数上一定电压，表示为：SK的比值，表示为：SA指在一定工作电压下阳极电流和阴极电流的比值。可由一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定，即G（2-1-8）6指在全暗条件下工作时阳极上收集到的电流的直流成分。它决定了光电倍增管①欧姆漏电管内残余的碱金属蒸气会凝结在管壁和各绝缘支持体上，造成阴极产生电子被倍增形成部分暗电流。光反馈：大电流轰击倍增极和散射电子轰击⑤其它因素窗材料衰变时产生β粒子、宇宙射线中的μ介子穿过窗材料时取值为20KΩ~1MΩ。），7度，便可以测出射线的强弱与能量的大小。采用两种放大器，一种是高输入阻抗的§2.2光电导效应器件及其应用对于掺有杂质的半导体材料，除了本征材料价带电子激发外，杂质能带中的电=qn0μe+qp0μpσ=qnμe+qpμp（2-2-2）=qΔnμe+qΔpμp（2-2-3）对光电导简化为2-2-5）83.对于本征半导体：相对光电导为2-2-7）0四、光电流密度为:jL=Δσ.E=q(μe+μp)ΔnE（2-2-12）若照射光的频率为γ,则吸收的光子数为αI／hγ。吸收一个光子所产生的电子—空穴对数η称为量子产额(通常τ,因此净复合速率:R(2-2-10)均匀的。可以通过测量光电流密度来测量光电导或电阻的变化，可利用材料电阻的9定电流容量低，如当受光面积为1mm×0.5mm时,光电流仅有几十微安左右,响应时间和延迟时间比较短，只有几毫秒左右。通常用微电子工艺…璃（或陶瓷）1、晶体，2要求此漆膜在光敏电阻材料的最敏感波长范围内透射率最大、对光的吸收少、光电材料光电材料壳（a）光导管的整体（b）折线式光敏电阻其值一般超过1MΩ,高达100MΩ。这时在给定的工作电压下流过光敏电阻的电流称为暗电RL流。亮电流与暗电流之差叫做光电流。一般暗电阻与亮电阻之差越大，其光电流越2.光电灵敏度指单位光通量入射时光敏电阻能输出的光电流的大小，即KS（2-2-10）S积（2-2-11）光强，相同电压下硫化铅光敏电阻的光电流比由于外加电压在光电材料内产生一个电压较低时载流子的漂移速度较慢，部分载流子在运动过程中被复合而不能达到电极，使电流较小；电压值高时载流子的漂移速度增加，从PbS1LXTlS10LX0光敏电阻的电压V(V)TLS100LX部电路横截面的载流子数目与同一时间内光照产生光电流（mA光电流（mA）5011入射光调制频率（Hz）大，这是光强增加时光电导增加即电阻减小的结果。但实际使用时，受到耗散功率的限制，其两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为最大连续耗散功率为正常电压下载流子的运动速度并不是很大,从其产生位置到达电极可能会发生部分-1)-1)对红外光（760-6000nm）敏感的有PbS、PbTe、InSb、Te、掺有杂质（Au、Sb6.响应时间和频率特性光电流不立刻随着光照量的改变而立即改变，用时相对灵敏度%相对灵敏度%20010100100010000硫化铅硫化镉10080604010002001000200300400λ（nm）+20℃-20℃300200图2-2-9为光敏电阻测量辐射热计时图2-2-9为光敏电阻测量辐射热计时为77K光电导器件的恒流偏置—电压放大电路。图中暗电阻R0=1.8和T2组成电压串联负反馈电压50uFInSb50uFInSbR62.2KR4T1R1D1/\C1250uFR922K4uFRL20KC30.5uFR556KR85.6KCRFR333K-15VD2C2T2R782放大器，输入电阻Ri=40KΩ,远大于源电阻。的暗电阻R0小得多的负载电阻RL构成恒压RLRLCPbSR0=200K4.7u+18VR3T2T1R2R1R4F+24VCC268nFTPbS光敏电阻R0=200KR1120KR2120KC150uFR3220KVT+-22K10KVT1EVT2SVT3EsRCdSCRP1S2J122K10KVT1EVT2SVT3EsRCdSCRP1S2J1脉冲开始时刻由开关S1确定，结束时刻由电路时间常数确EFN构qVD=EFn_EFp（2-3-2）NENE自LIAPEI=Is(eqV/kT_1)（2-3-3）I=Is(eqV/kT_1)_IL（2-3-4）I=IS(e0_1)_IL=_ILI=Is(eqV/kT_1)_IL=0VOC光强(LX)-NE自+U反N++P------+ n+衬底在无光时，结中无电子空穴对，不会发生在无光时，结中无电子空穴对，不会发生URNP制备工艺为…nncp无光照时，因热激发而产生少数载流子，集电结反偏电场很强，热电子从基区进入集电极，空穴自集电极运动到基极，形成基极开路集电结基极反向偏置电流，移留下的正离子吸引射极电子，被集电极收集形成集射极间的暗电流即正常晶体管的反向截止电流，表示为：Iceo=(1+β)Icbo光照射集电结会产生光生载流子。在反向偏置电集电极，基区留下正离子，会吸引发射极的大量电子向基Ie=(1+β)IL电流进一步放大，表示为：Ie2=(1+β)2ILCC600LX400LX后，IC趋于饱和。光照度增加光电流增VVGVVGVDRGP3P1pnpS看作是光敏二极管与场效应晶体管ΔVGS=IPRG（2-3-11）RD上压将变化为：ΔVD=ΔIDRD=IPRGRDGm（2-3-13）SP（2-3-14）in=10-5ISC1ISC2PD1PD2时，p1n1层吸收光子产生电子空穴对，形成电流ISC1ISC2PD1PD2Isc1=I1+I2Isc2=I3+I4SC1SC2均有一个最灵敏SC1SC2主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制器和阻塞二极管组成。如图2-3-24调节控制器是实现充、放电自动控制的。在充电电压达到蓄电池上限电压时，它能自动切断充电电路，停止对蓄电池充电。当蓄电池电压低于下限值时，能自动图2-3-25主回路由交流接触器CJD-10的三个常开触头并联以适应较大负荷的需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把加到发光器的电信号作为输入信号，光接收器件上的电输出信号作为输出信具有输入输出电隔离，抗干扰性强，响应速度快，灵敏度高，无触点，可靠性好，体积小，耐冲击，容易与逻辑电路配合等特点，对电压和阻抗不同的电路之间发光二极管的发射端和接收端。N为光栅转盘上总的光栅辐条数，在转轴转动f=nN（2-3-15）一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的。（a）透光式利用双张纸比单张纸厚一倍，其透光率将小一半的原理实现对纸张监控。电路和渐变折射率，且两者只是引起光的传播形式的不同。目的都是要使光线无耗地从一端传当入射角θ1大于临界角时，光线就不会透过其界面lg（2-6-3）10～20%,②用聚焦透镜耦合的光耦合器，将透镜和光纤都固定于支架，它的耦合效率比较高，可达70％。死接头一般是用光纤融接器将二光纤对接，或将带尾的发光二到被测物理量的变化。当然还可采用可动透射调制器三种强度调制原理制器中出射光纤能出射射光纤射出的光斑光光源入射光纤出射光纤入射出射入射在反射屏上形成的微弯调制器可动反射调制器可动透射调制器参考参考臂探测器激光器信号臂两类：一类是将机械效应转变为相位调勒效应。单色光照射到运动物体上后，反射回来时，由于多普勒效应f移后f0（2-6-4） >>—w- >>—w-图为一个光纤电流传感器的结构工业用内窥镜用于检查系统的内CCD信号处理被观测物体光纤传感阵列就是指由多个相同或不同的传感器以某种拓扑结构连结起来构成的多点BBBBCBBBnCCC调制信号，并通过光延迟形成调制脉冲序列实现时分复用。而脉冲间隔T为：则调制脉冲重复率为：f阵列激励脉冲最大采样速率fsm：fsm感元，并在物理场的作用下产生调制“亮场”信号，而后经时分复用（TOM）将信号送入I=I0e_τl有点类似于前面讲的光吸收的关系DLlg式中L为光通过的路径长度。耦合耦合器He-Ne激光器分路器透镜组浓度场探测器光纤记录记录仪器后转达为电信号，由记录仪记录。制造。如静电感应晶体管SIT（StaticInductionTransistor）摄像器、CMD(Charge这种摄像器件的电流增幅率高达10。它是非破坏性读出，它的读出电路如图(b)所示，读 (CMD)摄像器，其代所示。像素主体是浓度n型部分兼作>光栅漏n>光栅漏n+基板分离区OUTLMDD0CGMSMSDGSMSCj=CGS+CDSCGDCAVM（b)像素（b)像素电路结构ΔΔCR源I漏R（a）像素构造TVD-+CLRfyVDVDj该固体摄像器的光电变换层是使用雪崩倍增垂直像素选择Δ漏线垂直扫描电路垂直扫描电路垂直选择线源板光它使用了一个单芯片如曝光控制和色彩平衡算像元速度功能所要求的较为细致的计算，如色彩修据的计算则是由摄像器芯MMMM寄存文件MXX系数存储标准化8B初始值MMGMAC单元MAC单元G初始值MMM8MREG1REG2REG3SRAM888RMAC单元8R初始值个乘法—累加(MAC)单元。为了通过主机软件促进自动曝光控制和色彩平衡，摄像器集综合性极强的边缘科学。其中，触觉传感器是实现机器人触觉的关键技术。全内反射(TIR)光学阵列触觉传感器正是基于这光学阵列触觉传感器正是基于这明橡胶波导板和弹性膜之间有一层空板的材料折射率也缆光源透镜1透镜2传像光缆监视器传光光可见光具有响应特性的PVK（聚乙烯咔唑ka垒。因此，将形成欧姆接触的金属和形成阻塞接触的金属，中间夹一层有机薄膜(P型半导池结构。我们知道Al和半导体之间形成的是欧姆接触，因为半体薄膜物性本身。大多数有机半导体层(共轭型导电高分子除外)由于存在较大的禁带宽度，是以绝缘体或高阻半导体工作的。因此，用纯光电流，当光强增大时光电导增大，光电流就成比一些铁电晶体吸收红外光后被加热，温度升高到一定如果连续光照，最后会达到热平衡，即吸热等于放热时，温度不再变化，那么