第9章新型光电传感器.

第9章新型光电传感器传感器原理与应用传感器原理及应用主要内容：9.1新型光电器件9.2电荷耦合器件9.3光纤传感器第9章新型光电传感器传感器原理及应用第9章新型光电传感器所谓新型传感器是指最近十几年来研究开发出来的，已经或正在走向实用化阶段的传感器。新型光电传感器包括：•固态光电传感器:象限探测器、光敏器件阵列、光电位置敏感器件（PSD）自扫描光电二极管阵列（SSPD）、•电荷耦合器件（CCD）•光纤传感器概述传感器原理及应用第9章新型光电式传感器概述指纹锁指纹门禁光纤传感器原理及应用第9章新型光电传感器象限探测器可用来确定光点在二维平面上的位置坐标;用于准直、定位、跟踪。器件工作原理基于各种光电效应。象限探测器结构：利用光刻技术将光敏器件的敏感面分割成若干面积相等、形状相同、位置对称的区域，背面为一整体。•各分割面引出导线就构成了象限探测器。典型的象限探测器有：四象限光电二极管、硅光电池、光电倍增管、二象限硅光电池、光敏电阻等。9.1新型固态光电传感器9.1.1象限探测器传感器原理及应用第9章新型光电传感器9.1.1象限探测器四象限探测器来确定光斑的中心位置(如激光准直);根据探测器坐标轴线和测量系统基准线的安装位置角度不同，可采用不同的数据运算电路。(UA-UC)/(UA+UB+UC+UD)(UD-UB)/(UA+UB+UC+UD)UA+UB+UC+UD4321减法加法器减法除法除法YXXY光斑位置四象限探测器直差电路传感器原理及应用第9章新型光电传感器9.1.1象限探测器器件坐标和测量系统基线成45°角安装，X、Y轴各自具有两个对称的光电器件，可分别两两独立地计算坐标值。对角线信号直接相减，就可确定光点位置，故称“直差”。UY=K[（UA-UC）/（UA+UB+UC+UD）]UX=K[（UD-UB）/（UA+UB+UC+UD）]•（UA+UB+UC+UD）为光斑自身幅值总量;•K为电路放大系数，与光斑直径和功率有关；•UA、UB、UC、UD代表探测器放大后输出电压值.XY0DCBAXY基线光电器件光斑位置输出偏移量为（1）直差电路形式传感器原理及应用第9章新型光电传感器器件坐标和基线成水平安装，只要有两块相对X轴对称的光电器件就可以判断Y坐标。1、4象限合并（UA+UD），2、3象限合并（UB+UC），两者相减（UA+UD）-（UB+UC）得到Y坐标电压值；X坐标同理。电路连接是先计算相邻象限信号和，再计算信号的差，所以称为“和差”电路。1423UY=K[（UA+UD）-（UB+UC）]UX=K[（UA+UB）-（UC+UD）]•UX、UY分别代表在X方向、Y方向偏离探测器中心点的情况。XYXY0输出偏移量为（2）和差电路形式传感器原理及应用第9章新型光电传感器9.1.1象限探测器为消除光斑自身总量的变化，采用和差比幅电路。输出电压为：UY=K[（UA+UD）-（UB+UC）]/(UA+UB+UC+UD)UX=K[（UA+UB）-（UC+UD）]/(UA+UB+UC+UD)UA+UDUB+UCUC+UDUA+UB加法加法加法除法除法1423加法减法加法减法(UA+UD）-（UB+UC）（UA+UB）-（UC+UD）UA+UB+UC+UDBACDX传感器原理及应用第9章新型光电传感器9.1.1象限探测器以上两种电路只是运算电路不同,实际应用时不同探测器放大电路类型不同,不同敏感元件需采用不同的电路.象限探测器的几个缺点:1.分割产生死区,当光斑很小时死区影响明显;2.若光斑全部落入某个象限,输出信号无法表示光斑位置,测量范围受限;3.测量精度与光强有关,与漂移有关,分辨率、精度受限。1423（3）放大图中两个光电位置计算结果相同传感器原理及应用第9章新型光电传感器光电位置传感器PSD（Positionsensitivedetector）是一种新型的横向光电效应器件，也是光点位置敏感，输出信号与光点在光敏面上的位置有关。当入射光点照在光敏面上时由于光生载流子的流动产生光生电流I，经运算后即可知光点的位置。广泛应用于激光光束对准、位移、振动测量、平面度检测、坐标平面度检测、二维坐标检测系统。与象限探测器相比特点是：9.1.2光电位置式传感器（PSD）•对光斑的形状无要求，输出信号与光的聚焦无关，只与光的能量中心位置有关，给测量带来方便；•光敏面无须分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，分辨率高；•可同时检测位置和光强，输出总电流与入射光强有关。传感器原理及应用第9章新型光电传感器（1）PSD的工作原理I本征区PNLLI0123XAI1I2A中心P层作光敏层，还是个均匀的电阻层，在外电场作用下光电流通过电阻层由电极输出；电极1、电极2，分别输出电流I1、I2;电流与光点到各电极的距离（电阻）成反比；PSD的断面结构为PIN型半导体，在硅片上分为三层：P—上层，N—下层，I—中间层（本征区）设电极距光敏面中心点距离为L，电极3处中心位置，XA为光点距中心点的距离；电极上光电流分别为I1、I2，I0为总电流。传感器原理及应用第9章新型光电传感器（1）PSD的工作原理I0为总电流不变102ALXIIL202ALXIIL2121210AIIIIXLLIII012III可见，光斑能量中心相对器件中心的位置只与电极电流的差值和总电流的比值有关，与入射光能量的大小无关。•光斑离中心点的距离为：I本征区PNLLI0123XAI1I2A中心•电极上光电流分别为I1、I2传感器原理及应用第9章新型光电传感器（2）一维PSD及等效电路一维PSD主要用来测量光点在一维坐标（X）方向上的位置PSD;等效电路中：IP光电流、VD理想二极管、RD定位电阻、Cj结电容、Rsh结电阻12312RD3VDRshIPCj等效电路结构示意图9.1.2光电位置式传感器（PSD）传感器原理及应用第9章新型光电传感器二维PSD主要用来测量平面光点的（X、Y）坐标，感光的方型面比一维多一对电极，按结构分为两类：•两面分离型PSD两对垂直信号电极在上下两个表面，与光点位置有关的信号电流先在一个面上（上）形成Ix和Ix’，汇总后又在另一个面（下）形成两路电流Iy和Iy’。•表面分离型PSD1234VDRshIPCj12RDIyIy’34Ix’IxRD（3）二维PSD及等效电路二维PSD结构等效电路9.1.2光电位置式传感器（PSD）传感器原理及应用第9章新型光电传感器（4）PSD及转换电路转换电路首先对PSD输出的光电流进行电流-电压转换放大，通过加、减运算放大器进行预置相加和加减运算，最后通过模拟除法器得到光的位置信号（与光的能量无关）。所有运放采用低漂移运算放大器，反馈电阻Rf的阻值大小决定入射光强以及后续电路最大输入电压。二维系统可分别采用两套这样的转换电路。IxI’xIyI’yUR9.1.2光电位置式传感器（PSD）传感器原理及应用第9章新型光电传感器（4）PSD及转换电路一维PSD转换电路IxI’xIyI’yURRfRf9.1.2光电位置式传感器（PSD）2121210AIIIIXLLIII加法器减法器传感器原理及应用第9章新型光电传感器9.1新型固态光电传感器器件封装形式MUXV+ABCOUT9.1.3光敏管阵列电路连接结构:将N个光敏管集成在一个硅片上，各管的一端连接在一起，另一端各自单独输出。工作原理与光敏二极管（晶体管）完全相同，只是组成的结构形式不同而已。传感器原理及应用第9章新型光电传感器阵列的每个光敏管称像元，也称连续工作方式。光敏像元的个数为10-32个，外围电路根据普通光敏管电路设计。每个像元信号需要一个独立的信号放大和处理电路，过于复杂，为化减外围电路结构采用多路模拟开关，通过地址A、B、C选通阵列中每个光敏元；扫描检测输出可用放大解调电路，这种形式适用微机测试系统。如果像元很多（64路以上）光敏元阵列外围电路过于复杂。这种器件主要用于光信号位移检测。MUXV+ABCOUT9.1.3光敏管阵列传感器原理及应用第9章新型光电传感器9.1.3光敏管阵列传感器原理及应用第9章新型光电传感器•自扫描光电二极管也是将N个光敏管集成在一个硅片上，在器件内部集成了光敏管和数字移位寄存器电路。•工作方式为电荷存储方式，根据像元的排列不同自扫描二极管阵列可分为线阵、面阵、特殊阵列。•线阵像元有64、128、256、512….4096等。UcVB1VBNVT2VD2CdRLI0VTNVDNCdVT1VD1Cd数字移位寄存器EOSSφU09.1.4自扫描光电二极管阵列（SSPD）1.SSPD结构传感器原理及应用第9章新型光电传感器SSPD的像元依据预充电放电充电放电充电这样的循环往复过程工作，主要有放电（积分）充电（输出）两个阶段。一个像元结构SSPD器件单元结构与普通MOSFET结构几乎相同，区别是氧化层部分裸露，光线可以透过氧化层直接照到半导体层。源极ShvAL膜漏极D栅极GSiO2光电二极管N—SiSiO2P9.1.4自扫描光电二极管阵列（SSPD）2.电荷存储工作原理传感器原理及应用第9章新型光电传感器VDVTUg=LCdRLI0UcIP+IDSSPD器件一个像元结构等效电路V0VTVDUg=HCdRLI0Uc栅极G9.1.4自扫描光电二极管阵列（SSPD）图为一个像元电路，虚线框内为光电二极管等效电路；Cd等效结电容；Uc二极管反向偏置电压；RL负载电阻；场效应管VT充当开关，栅极Ug电压高、低控制VD通断，使结电容Cd处于不同工作状态。传感器原理及应用第9章新型光电传感器URLUgtontoffUDUcUcd预充电过程曲线在ton段IP+ID9.1.4自扫描光电二极管阵列（SSPD）V0VTVDUg=HCdRLI0Uc栅极G预充电•栅极Ug高电平，开关管VT闭合；偏置电压Uc通过负载电阻RL向光电二极管充电；•由于光电流Ip和暗电流Id相对电源电流I0很小，所以二极管等效结电容Cd的主要充电电流以电源为主；当充电达到稳定后，P-N结上电压基本为电源电压Uc；•等效结电容Cd上的电荷为Q=CdUc传感器原理及应用第9章新型光电传感器•栅极Ug（L）低电平时，开关管VT（off）断开；由于光电流Ip和暗电流Id的存在，二极管等效结电容Cd上电压将缓慢放电；•设VT断开时间Ts为电荷积分时间，暴光过程在积分时间内产生的平均光电流为Ip，暴光过程中Cd上释放的电荷是：△Q=（Ip+Id)Ts≈IpTs•室温下暗电流很小（pA）可忽略，此时结电容上电压因放电而下降，下降到Ucd=Uc-△Q/Cd暴光过程曲线在（toff）段9.1.4自扫描光电二极管阵列（SSPD）URLUgtontoffUDUcUcdV0VTVDUg=LCdRLI0Uc栅极GIP+ID暴光过程传感器原理及应用第9章新型光电传感器循环再充电再充电曲线在（ton’）段9.1.4自扫描光电二极管阵列（SSPD）显然补充的电荷等于暴光过程中Cd上释放的电荷，再次充电电流I0在RL上的压降URL等于光电流在负载电阻上的压降。最大值为：ULMax=Uc–Ucd=△Q/CdV0VTVDUg=LCdRLI0Uc栅极GIP+ID•栅极Ug再次高电平时开关管VT闭合；光电二极管上信号经过Ts积分时间后，结电容Cd上的电压为Ucd，以该电压做起始值，电源Uc经负载RL向结电容Cd再次充电直到Cd上电压再次达到Uc。URLUgtontoffUDUcUcdton，传感器原理及应用第9章新型光电传感器输出信号UL9.1.4自扫描光电二极管阵列（SSPD）•输出信号与照度和积分时间成正比，与时间常数成反比，减小电容Cd可提高灵敏度。•MOSFET周期通断电路不断充、放电过程，负载上信号反映该像元的光照度大小。URLUgtontoffUDUcUcd•负载电阻上的压降最大值：ULMax=Uc–Ucd=△Q/Cd输出峰值电压反映光电二极管的光生电信号的大小，•带入后有：ULMax=△Q/Cd=IpT