传感器原理及应用-第8章

物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》传感器原理及应用PrinciplesandApplicationsofSensors主讲：王殿生教授物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第八章作业第二版教材152页：练习题：8-2，8-3，8-6，8-7第三版教材148~149页：练习题：8-2，8-3，8-6，8-7物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》光电器件被测非电量电信号测量电路U、I第八章光电式传感器光电式传感器的定义以光电器件或传播光路为敏感元件，将被测量通过光信号的变化转换为电信号变化的传感器。光电式传感器的物理基础和组成物理基础：光电效应。光源、光学元件和光电元件三部分。光电式传感器的感测量位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。光电式传感器的种类根据工作原理：内光电效应型和外光电效应型。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第八章光电式传感器§8.1光的特性与光源§8.2光电效应§8.3光电器件§8.4光纤传感器§8.5光电式传感器应用物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》光波：波长10~106nm电磁波。可见光波长：380~780nm；紫外线波长：10~380nm；红外线波长：780~106nm。一、光的特性§8.1光的特性与光源hE光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。光的粒子性：光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。电磁波谱图物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》一、光的特性§8.1光的特性与光源电磁波谱图物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》二、常用光源§8.1光的特性与光源常用光源发光器件物体辐射光白炽光源气体放电光源发光二极管激光器GaP、SiC可见光LEDGaAs红外LED物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》二、常用光源§8.1光的特性与光源808nm大功率LD650nmLD1.55umLD模块物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第八章光电式传感器§8.1光的特性与光源§8.2光电效应§8.3光电器件§8.4光纤传感器§8.5光电式传感器应用物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》一、光电效应基本概念§8.2光电效应金属金属氧化物半导体光照电子光电效应是光电传感器的基本转换原理。外光电效应和内光电效应。内光电效应光照半导体电子在物体内部运动外光电效应金属金属氧化物光照电子逸出物体表面物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》外光电效应：物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。二、外光电效应02021Amh（3）逸出的光电子具有动能。（4）从光照至发射电子，时间10-9s。爱因斯坦光电效应方程：（1）光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功。（2）入射光频谱成分一定时，产生的光电流和光强成正比。§8.2光电效应物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》内光电效应：当光照在物体上，使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应。光电导效应和光生伏特效应。三、内光电效应基于这种效应的光电器件有光敏电阻等。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。§8.2光电效应1、光电导效应禁带导带价带Eg电子能量E自由电子所占能带hυ≧Eg不存在电子所占能带价电子所占能带禁带导带价带Eg电子能量Eh光生电子空穴对物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（1）势垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若hυ≧Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。三、内光电效应在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管等。§8.2光电效应2、光生伏特效应PNS0Pxnxx物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（2）侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，因载流子浓度梯度而产生侧向光电效应。光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对，光照部分载流子浓度比未受光照部分的大，就出现浓度梯度，因而载流子要扩散。三、内光电效应（3）处于反偏的PN结无光照时，反向电阻很大，反向电流很小。§8.2光电效应2、光生伏特效应有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。器件：光敏二、三极管。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第八章光电式传感器§8.1光的特性与光源§8.2光电效应§8.3光电器件§8.4光纤传感器§8.5光电式传感器应用物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》光电管：外光电效应器件。一、光电管光强IUout当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量大于电子的逸出功，会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻RL上产生正比于电流大小的压降。§8.3光电器件物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器多使用光电倍增管做光电转换元件。二、光电倍增管光电倍增管工作原理：利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。§8.3光电器件IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT光电倍增管结构：由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。次阴极可达30级，通常为12~14级。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》光敏电阻：内光电效应器件。三、光敏电阻基本结构：在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，在半导体上覆盖一层漆膜。§8.3光电器件梳状电极光电导梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AA1、基本结构与工作原理工作原理：光电导效应。当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流暗电阻：光敏电阻在未受到光照时的阻值，此时流过的电流为暗电流。亮电阻：在受到光照时的电阻，此时的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。§8.3光电器件三、光敏电阻2、主要参数和基本特性00.20.40.60.81.01.20.300.250.200.150.100.05)(lm入射光通量)(mA光电流光敏电阻的光照特性（2）光照特性描述光电流与光照强度之间的关系。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（3）光谱特性光谱响应：光敏电阻灵敏度与入射波长有关。光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关。材料与相对灵敏度峰位波长：硫化镉，300～800nm，在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。硫化铅，1000～2500nm，响应于近红外和中红外区,常用做火焰探测器的探头。§8.3光电器件三、光敏电阻2、主要参数和基本特性0.51.01.52.02.53.03.5100806040200)(um入射光波长%相对灵敏度光敏电阻的光谱特性硫化镉硫化铊硫化铅选用时要综合考虑元件和光源物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（4）伏安特性所加电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。但受最大功耗限制。在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。（5）温度特性光敏电阻硫化铅的温度特性，峰值随温度上升向波长短的方向移动。§8.3光电器件三、光敏电阻2、主要参数和基本特性50100654321)(VU电压)(uAI电流硫化铅硫化铊01.02.03.04.010080604020)(um入射波长)(uAI电流C20C20物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（6）稳定性初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。§8.3光电器件三、光敏电阻2、主要参数和基本特性物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（1）光敏二极管结构与一般二极管相似。在透明玻璃外壳中，PN结装在管的顶部，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，在没有光照射时反向电流很小，称为暗电流；光照射在PN结上，PN结附近产生光生电子—空穴对，在PN结处内电场作用下定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。光敏晶体管工作原理：基于光生伏特效应。§8.3光电器件四、光敏二极管和光敏三极管1、结构与原理入射光玻璃透镜管壳引脚管芯PNLR因此，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（2）光敏三极管与一般晶体管相似，具有两个PN结，只是发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。§8.3光电器件四、光敏二极管和光敏三极管1、结构与原理型衬底N结PN型P扩散层保护层2SiO光敏面铝电极光敏二极管PNNecPNN2SiO入射光光敏三极管大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，在结附近产生电子—空穴对，会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（3）达林顿光敏管光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。§8.3光电器件四、光敏二极管和光敏三极管1、结构与原理达林顿光敏管的等效电路：一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。增加了一级电流放大，输出电流能力大大加强，甚至可不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但无光照时暗电流也增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（1）光谱特性光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。硅和锗光敏管光谱特性曲线：硅的峰值波长约为0.9μm，锗的峰值波长约为1.5μm，此时灵敏度最大，当入射光波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。§8.3光电器件四、光敏二极管和光敏三极管2、基本特性40060080010001200140016001800100806040200)(nm入射光波长%相对灵敏度硅光敏三极管锗光敏三极管一般锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光的探测，用锗管较为适宜。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（2）伏安特性硅光敏晶体管的伏安特性，纵坐标为光电流，横坐标为集电极-发射极电压。与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只需把光通量看作基极电流即可。晶体管具有放大作用，在同样照度下，光电流比相应的二极管大上百倍。§8.3光电器件四、光敏二极管和光敏三极管2、基本特性246810121443210)(mAI)(VUcelm5