中科大新型传感器原理及应用课件02新型固态光电传感器

第二章新型固态光电传感器象限探测器、光敏器件阵列等第一节普通光敏器件阵列一、象限探测器利用光刻技术，将一整块圆形或方形光敏器件的敏感面分成若干对称部分形成。作用：确定光点在二维坐标的位置，进行目标的准值，定位和跟踪。以四象限探测器为例，说明运算方法。1.直差电路形式UX=K·Uy=K·特点:电路简单,但灵敏度不高.2.和差电路形式坐标线和基准线成水平安装UX=K·Uy=K·3.放大电路对输出UXUy信号放大,便于检测.象限探测器的缺点:因分割带来死区.若光斑落在一个象限内,无法测量.光强影响测量,因此分辨率和精度不高.二、光敏管阵列将N个光敏管（像元）集成在一个硅片上，形成测量电路。第二节自扫描光电二极管阵列

(SSPD)自扫描,分线阵和面阵一、电荷存储原理预充电—放电（积分）--充电（信号输出）--放电（积分）--充电（信号输出）--（1）预充电：Q=CdUc（2-4）（2）曝光（放电）：ΔQ=（Ip+ID）Ts≈IpTs（2-5）

放电结束：Ucd=Uc-ΔQ/Cd（2-6）（3）再充电（信号输出）：

ULmax=Uc-Ucd=ΔQ/Cd（2-7）ULmax=IpTs/Cd=SpETs/Cd（2-8）IL=Ulmax/RL=IpTs/τ；τ=RLCd（2-9）最大曝光量Hmax=（ETs）max=CdUc/Sp（2-10）τ

二、SSPD器件1.线阵SSPD(1)感光部分;(2)多路开关;(3)移位寄存器.波形图:2.面阵SSPD二维扫描(水平和垂直);视频Uout增加控制先行后列,换行时留出2个像元采样时间,便于消隐.波形自阅.3.开关噪声及补偿有两种补偿方法:(1)阵列补偿

(2)邻近位三、SSPD主要特性参数（自阅）四、SSPD信号读出及放大电路1.电流放大输出

Uo=IosRf(2-11)Rs调整合适2.电荷积分输出Uo=CdUd/Cf(2-12)特点:信噪比高,动态范围宽.但读出速度低.第三节光电位置传感器（PSD）与象限探测器比较,有如下优点:对光斑形状要求不严,便于测量光敏面无需分割,消除了死区,分辨率高.可同时检测位置和光强一、PSD的工作原理和位置表达式光点距中心位置:

I2-I1XA=---------L(2-14)I2+I1I0=I2+11与入射光能成正比二、一维PSD及等效电路三、二维PSD及其等效电路用于测定光点在二维平面（x，y）的坐标。1.两面分离型PSD:互相垂直的两对电极分两层.灵敏度,线性度和分辨率高.2.表面分离性PSD:互相垂直的两对电极在同一表面.加偏压容易,暗电流小,响应速度快.3.改进的表面分离性PSD

多四个电阻见下图2-20I’x-IxI’y-IyX=-------L;y=--------L;(2-15)Ix+I’xIy+I’y两种PSD的特性曲线:3.PSD转换电路对输出的光电流进行电流-电压转换并放大.第四节输液过程中的光点传感器光电传感器作为信息采集元件的优点:非接触.响应速度快(10-1~10-6s).受环境影响小.测量精度高缺点:信号弱;背景光干扰等应用实例:医用静脉输液液滴检测系统.茂非式滴管,每一滴1/15mL,检测液滴数量.一、液滴的光学特性液体有透明、半透明和不透明的。先以透明液体分析。设液体的光学折射率与水相近，n=4/3；液滴的横截面直径为2r，则O与O’的距离

2r2l=r+------------------=2r（2-17）

nr+2（n-1）r一般为2.5~3mm设光源强度为φ0;φ’0为O’的光强度;φ’’0为光敏元件接收的光强.则:φ’’0=4πφ’0sin2(α/4)(2-18)tan(α/2)=D2/X2(2-19)D2为光敏面直径;X2为光敏面到O’的距离为获得最佳测量效果,应使φ’’0等于φ0的一半;有液滴的光电流为无液滴的光电流的一半.

则:D3=21/2D2(2-20)2r/D1≈X2/D3;X2≈(23/2D2/D1)r(2-21)X1=2r+X2(2-22)对于半透明和不透明的液滴情况更简单。二、光电式液滴传感器由红外发光、光电二极管构成。D1=3mm；D2=3mm；X1不小于4.1r三、信号调理电路为消除日光、灯光等背景光的干扰，将发光的光强调制成10kHz的载波。

芯片用LM567；每个脉冲1/15mL的液