光电传感器的应用与新技术doc

光电传感器的应用与新技术--浅谈光电池与CCD摘要：光电传感器是利用光电效应制成的一类传感器的总称，它能将光学量转变为电学量，广泛应用于检测和自动化系统。

光电传感器包括光电池和光电阻传感器。

本文将以下几个方面：1. 什么是光电池和光电阻传感器；2.光电池和光电阻传感器的比较；3.光电传感器的实际应用；4.光电传感器在未来的发展方向，详细地介绍光电传感器，并提出本人对光电传感器在未来的预测。

一光电池和光电阻在介绍光电传感器之前，我们有必要先了解一下光电效应。

光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应三种。

前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应[1]。

它是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。

后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

光电导效应是指当入射光射到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。

光生伏特效应是指当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压的效应[2]。

光电传感器都是利用光电效应制成的。

1.光电池光电池是一种能在光的照射下，不加偏置，产生电动势半导体器件，也属于电能量型传感器。

光电池的种类很多，有硒，氧化亚铜，硫化铊，硫化镉，锗，硅，砷化镓光电池等。

其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传递效率高（接近理论极限17%），能耐高温辐射等[3]。

1.1光电池的工作原理光电池的工作原理是光生伏特效应。

当光子的能量hγ大于半导体材料的禁带宽度时，半导体材料吸收光而产生电子空穴对，这样在半导体材料内部形成载流子的浓度梯度，进而在受照表面和暗面产生一个开路的光电压。

1.2光电池的特性光电池的特性主要有光谱特性，光照特性等。

如图为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，即相对灵敏度与入射光的波长的关系曲线。

从图上可知，不同材料的光谱峰值位置是不同的[4]。

硅光电池的峰值在800微米左右，而锗光电池的峰值在450微米左右。

实际使用时，应根据光源性质来选择光电池，而且要注意的是，光电池的光谱特性还与温度有关。

如图为硅光电池的光照特性。

光生电动势与光照间的特性曲线称为开路电压曲线，光电流密度与光照强度的特性曲线称为短路电流曲线。

由图可知，当光照足够大时，开路电压趋于饱和，因此，可以将光电池当做电流源使用，这是光电池的主要优点之一[5]。

光电池的特性还有频率特性，温度特性，在这儿就不详细叙述了。

1.3光电池的应用光电池至今有两大类型的应用：一类是将光电池作为光伏器件使用，利用光伏作用直接将太阳能转换成电能，即太阳能电池。

太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳能电池地面发射站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。

目前太阳能电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳能电池技术不断发展，成本会逐渐下降，定会获得更广泛的应用。

另一类是将光电池作为光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性。

这一类光电池需要特殊的工艺制造，主要用于光电监测和自动控制系统中[6]。

2.光电阻传感器光电阻传感器是将光信号转换成电阻变化的一种传感器。

若用这种传感器测量其他非电量时，只要将被测信号的变化转换成光信号即可。

此种测量方法具有结构简单，非接触，高可靠性，高精度和反应快等优点。

故广泛应用于自动检测系统中[7]。

光电阻传感器分为光敏电阻和光敏晶体管两类。

光敏晶体管有分为光敏二极管和光敏三极管。

他们的的原理主要基于光电效应，但又有所不同。

2.1光电阻传感器的工作原理2.1.1光电池的工作原理有些半导体当受到光照射时，如果光子的能量大于本征半导体的禁带宽度，电子会吸收光子而跃迁，激发产生电子空穴对，从而导致阻值的变化。

光敏电阻有很高的灵敏度，光谱的响应范围可以从紫外区到红外区。

2.1.2光敏晶体管的工作原理PN结受到光照时，PN结附近产生光生电子-空穴对，他们在PN结内电场作用下定向运动形成光电流。

光的强度越大，光电流越大。

因此在不受光照射时，光敏晶体管处于截止状态，在受到光照射时，光敏晶体管处于导通状态。

光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。

2.2光电阻传感器的工作特性2.2.1光敏电阻的工作特性光敏电阻的光电流和光照强度的关系曲线称为光敏电阻的光照特性。

不同光敏电阻的光照特性是不同的，但在大多数情况下是具有饱和特性的曲线。

由于光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，因此不适宜做线性敏感原件，这是光敏电阻的缺点之一[8]。

光敏电阻对于不同波长的入射光，其相对灵敏度是不同的。

各种材料的光谱特性曲线如图所示，由此可以看出，硫化镉的峰值在可见光区，而硫化铅的峰值在红外区[9]。

光敏电阻的特性还有频率特性，温度特性，在这儿就不详细叙述了。

2.2.2光敏晶体管的工作特性如图为光敏晶体管的光谱特性曲线。

不同材料的光敏晶体管，峰值出现在不同区域，一般来说，在可见光或探测炽热状态的物体时，都采用硅管，而在红外探测时，一般采用锗管[10]。

如图，光敏晶体管的输出电流和光照之间可以看作是线性关系。

光敏晶体管的特性还有伏安特性，温度特性等，在这儿就不详细叙述了。

2.3光电阻传感器的应用2.3.1光敏电阻的应用光敏电阻的应用广泛，例如：照相机自动测光、光电控制、室内光线控制、报警器、工业控制、光控开关、光控灯、电子玩具、光控音乐IC、电子验钞机等各个领域。

2.3.2光敏晶体管的应用光敏晶体管在自动测试系统中有着广泛的应用。

典型的运用有光耦合器，光电式传感器等。

光耦合器实现了电隔离，提高了抗干扰性能，并且由于他具有单向信号传递功能，因而有脉冲转换和直流电平转换功能。

在逻辑电路中课作为不同逻辑电路间的接口；在逻辑信号驱动电路中，可以作为输入信号与高压间的隔离原件。

光电式传感器可用于测速，这种测速方法具有结构简单，测量精度高等优点[11]。

二光电池与光电阻传感器的比较空间飞行器上的太阳电池方阵，按结构可分为两大类：一类是壳体式，另一类是展开式，按基板结构的不同，有可分为刚性的，半刚性的，柔性的，混合式的多种。

当飞行器的功率较小时。

可以采用壳体式方阵。

这种方阵，太阳电池能电池，大部分处于阴影去，因而利用率低，当飞行器需要较大的功率时，壳体式方阵便不能满足要求，必须采取展开式方阵，这种方阵在使用前，紧附在飞行器的外壁上，使用时才展开，由于电池始终对准太阳，因而利用率较高。

我国于1958年开始研制硅太阳电池，1971年3月3日发射的科学实验卫星上，首次成功的应用了国产的太阳电池作为电源，在卫星飞行的八年多的时间内，太阳电池能源系统一切正常。

3.2光敏传感器在感光器件CCD上的使用CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。

可以称为CCD图像传感器。

它是一种日常生活中常见的光敏传感器。

CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。

CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。

一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。

CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。

CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。

经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

CCD广泛应用在数位摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如Lucky imaging。

CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y 两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成[13]。

3.2.1CCD基本工作原理[15][16]CCD 是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个MOS（金属—氧化物—半导体）电容器。

CCD 中的MOS 电容器的形成方法是这样的：在P 型或N 型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100～150nm 的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS 电容器。

1.电荷存储 当一束光投射到MOS 电容器上时，光子透过金属电极和氧化层，进入Si 衬底，衬底每吸收一个光子，就会产生一个电子—空穴对，其中的电子被吸引到电荷反型区存储。

2.电荷转移 CCD 的电荷耦合（传输）方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向，逐个单元的转移。

另外必须强调指出的是，CCD 电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极下转移到相邻电极下。

3. 电荷的注入和检测 CCD 中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。

光注入就是当光照射CCD 硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。

而所谓电注入，就是CCD 通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。

转移到CCD 输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷/电压（电流）的线性变换，称之为电荷检测。

3.2.2CCD 的特征参数[17]电荷转移效率为 电荷转移损失率为 电荷转移率与损失率的关系为 驱动频率的下限 电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t ，少数载流子的平均寿命为τi 则 驱动频率的上限 电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间为τg 则3.2.3典型CCD 图像传感器[18])0()(1)0()()0(Q t Q Q t Q Q -=-=η)0()(Q t Q =εεη-=1i31τ≥f g31τ≤fCCD图像传感器有一维与二维之分，通常将一维CCD图像传感器称为线阵CCD 或线阵CCD图像传感器，将二维CCD图像传感器称为面阵CCD图像传感器。

由两个转移沟道构成的线阵CCD称为双沟道线阵CCD，TCD1251D器件为典型性的双沟道CCD器件，该器件广泛应用于物体外形尺寸的非接触自动测量领域，是一种较为理想的一维光电探测器件。

1. TCD1251D的基本结构如图所示为TCD1251D器件的原理结构图。

它由2752个pn结光电二极管构成光敏单元阵列，其中前27个和后11个是用作暗电流检测而被遮蔽的pn结，图中用符号Di(i=13,14,15…)表示；中间的2700个光电二极管为光像敏单元，图中用Si(i=1,2,3…)表示。

每个光敏单元的尺寸为11µm长、11µm高，中心距亦为11µm，光敏元阵列总长为29.7mm。

光敏单元阵列的两侧是用作存储光生电荷的MOS电容存储栅极。

2. TCD1251D的工作原理TCD1251D在如图所示的驱动脉冲作用下工作。