光电集成电场传感器的论述.docx

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光电集成电场传感器的论述

光电集成电场传感器的设计

应用、改良、或维护等等即可，内容不要很多，20多页即可。

摘要

在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。

由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。

这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。

基于光电集成技术的电场传感器具有良好的抗电磁干扰能力和很快的响应速度。

为了能够测量高电压电力系统中的瞬变电场，该文在基于光电集成技术的电场传感器工作原理的基础上，提出了一种适用于强电场测量的光电集成传感器设计方案。

该文将电场传感器分解为调制器和偶极子天线，给出了传感器的等效电路，分别计算了调制器和偶极子天线的参数，最后对电场传感器传递函数的幅频特性及最大可测电场进行了计算。

分析计算的结果表明，所设计的电场传感器最大可测电场幅值接近lO6V／m，同时具有较好的频响特性。

　关键字：

光电效应　光电元件　光电特性　传感器分类　传感器应用　电场传感器

Summar

Therapiddevelopmentofscienceandtechnologyinthemodernsociety,humanbeingshaveintotherapidlychanginginformationera,peopleindailylife,theproductionprocess,relymainlyonthedetectionofinformationtechnologybyacquiring,screeningandtransmission,toachievethebrakecontrol,automaticadjustment,atpresentourcountryhasputdetectiontechniqueslistedinoneoftheprioritytothedevelopmentofscienceandtechnology.Becauseofmicroelectronicstechnology,photoelectricsemiconductortechnology,opticalfibertechnologyandgratingtechnicaldevelopmentmakestheapplicationofthephotoelectricsensorisgrowing.Thesensorhassimplestructure,non-contact,highreliability,highprecision,measurableparametersandquickresponseandmoresimplestructure,formwidelyappliedinphotoelectriceffectasthetheoreticalbasis,thedevicebyphotoelectricmaterialcomposition.Basedonthephotoelectricintegrationtechnologyelectricfieldsensorpossessesexcellentantielectromagneticinterferenceabilityandsoonresponsespeed.Inordertobeabletomeasurethehighvoltagepowersystemtransientelectricfield,thispaperbasedonthephotoelectricintegrationtechnologyintheelectricfieldsensorbasedonprincipleofwork,thispaperputsforwardakindofsuitableforstrongelectricfieldmeasurementphotoelectricintegratedsensordesign.Thispaperwillfieldsensorisdecomposedintomodulatoranddipoleantenna,giventheequivalentcircuit,sensorwascalculatedrespectivelymodulatoranddipoleantennaparameters,finallytoelectricfieldsensortransferfunctionofamplitudefrequencycharacteristicsandmaximummeasurableelectricfieldwerecalculated.Analysisshowsthatthedesignoftheelectricfieldsensor（maximummeasurableelectricfieldamplitudeclosetolO6V/m,andhasbetterfrequencyresponsecharacteristics.

Keywords：

Photoelectriceffect

optoelectronics

Photoelectriccharacteristics

Sensorclassification

Sensorapplications

Electricfieldsensor

一光电传感器基本知识

1、光电传感器的概述

2、光电传感器的原理

2、1光的性质

2、2光源

2、3光纤型

二光电元件及特性

1、光电管

2、光电倍曾管

3、光敏电阻

三、光电传感器

四光电转换器

1、光电转换器

2、线缆选型

2.1光缆的选择

2.2双绞线的选择

五传感器的分类

1、标准光电传感器

2、安全光电传感器

3、门控光电传感器

六光电传感器特点

七传感器的静态特性

八传感器的动态特性

九传感器的线性度

十传感器的灵敏度

十一传感器的分辨力

十二传感器的迟滞特性

十三内光电效应

1、半导体的内光电效应

十四外光电效应

1、外光电效应定义

十五生伏特效应

1、价带

2、导带

3、能带

十六PN结光伏效应的应用

1、太阳能电池

2、光电探测器

十七光生伏特效应

1、光电伏特效应概述

1.1P-N结

1.2光生伏特效应

1、3光电伏特效应的应用

1、4光电伏特效应与光电池

1、5光电池基本特性的种类

十八光电传感器的作用

十九创新应用举例

1、测温功能

2、火焰探测报警器

3、光控大门

4、烟尘浊度监测仪

5、光电池在光电检测和自动控制方面的应用

结论53

致谢54

参考文献55

一  光电传感器基本知识

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

1光电传感器的概述

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的

简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

2光电传感器的原理

　　由光通量对光电元件的作用原理[1]不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件（光学测控系统）输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法可分为透射（吸收）式,漫反射式,遮光式（光束阻档）三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关.

　光敏二极管是最常见的光传感器。

光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，

反向电流很小（＜µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电光电传感器载流子。

在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。

光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

　　光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。

为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。

工作时集电结反偏，发射结正偏。

在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

2、1光的性质

直射 光在空气中和水中时，总是直线传播。

使用对射型传感器外置的开叉来检测微小物体的示例便是运用了这种原理

曲折 曲折是指光射入到曲折率不同的界面上时，通过该界面后，改变行进方向的现象。

反射（正反射、回归反射、扩散反射）在镜面和玻璃平面上，光会以与入射角相同的角度反射，称为正反射。

偏光  光线可以表现为与其行进方向垂直的振动波。

作为光电传感器的光源，主要使用LED。

从LED投射的光线，会在与行进方向垂直的各个方向上振动，这种状态的光称为无偏光。

将无偏光的光的振动方向限制在一个方向上的光学过滤器称为偏光过滤器。

即从LED投光，并通过偏光过滤器的光线只在一个方向上振动，这种状态称为偏光

2、2光源

光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数光电传感器都离不开光源。

光电式传感器对光源的选择要考虑很多因素，例如波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。

常用的光源可分为四大类：

热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光器件等。

①热辐射光源

热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。

物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。

白炽灯就是一种典型的热辐射光源。

钨丝密封在玻璃泡内，泡内充以惰性气体或者保持真空，钨丝被电加热到白炽状态而发光。

白炽灯的寿命取决于很多因素，包括供电电压等，在经济成本下寿命可以达到几千小时。

热辐射光源输出功率大，但对电源的响应速度慢，调制频率一般低于1kHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制

②气体放电光源

电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。

气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。

改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。

若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。

目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。

短弧氙灯的电弧长几毫米，是高亮度的点光源。

但氙灯的电源系统复杂，需用高电压触发放电

③电致发光器件——发光二极管

　　固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。

利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。

　　发光二极管典型结构如图7-2所示，在N型半导体上扩散或者外延生长一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。

当PN结接正向电压时，N区电子向P区运动，与P区空穴结合时发出一定频率的光，光子频率取决于PN结的价带和导带之间的能隙，改变能隙大小可以改变二极管的发光频谱。

发光二极管的发光效率很大程度上取决于有多少光能够逸出二极管表面，因为大多数半导体材料折射率较高，到达二极管表面的光线大部分将被反射回去。

发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流范围约在几十毫安之内，进一步增加会引起发光二极管输出光强饱和直至损坏器件，使用时常串联电阻使发光二极管的电流不会超过允许值。

　　发光二极管具有体积小、寿命长（106~109h）、工作电压低（1~2V）、响应速度快（几个纳秒至几十纳秒）的优点，在实践中得到了广泛的应用。

　　④激光器

激光器是“光受激辐射放大”的缩写。

某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子（受激发射）。

由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。

具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。

激光器的突出优点是单色性好、方向性好和亮度高，不同激光器在这些特点上又各有不同的侧重。

2、3光纤型

光纤由中间的核心和外围部分曲折率较小的外包金属构成。

如果光线入射到核心部分，光线将会在与外包金属的交界面上一边反复进行全反射，一边行进。

通过光纤

内部从端面发出的光线以约60°的角度扩散，照射到检测物体上。

光电转换器是一种类似于基带MODEM（数字调制解调器）的设备，和基带MODEM不同的是接入的是光纤专线，是光信号。

二光电元件及特性

根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。

1光电管

光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光它的外形和结构如图1所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h。

当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。

这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为

光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。

在人射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。

此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。

在图2所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。

当光线照射到光电阴极K上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流I，在负载电阻上的电压

光电管的光电特性如图3所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。

图1光电光结构示意图

图2光电管测量电路

  图3光电管的光电特性

2光电倍曾管

由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。

图4是光电倍增管结构示意图。

图4光电倍增结构示意图

从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极K和一个阳极A，与光电管不同的是在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2、D3…它们称为第一倍增电极、第二倍增电极、…，倍增电极通常为10～15级。

光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。

当入射光照射阴极K时，从阴极逸出的光电子被第一倍增电极D1加速，以高速轰击D1，引起二次电子发射，一个入射的光电子可以产生多个二次电子，D1发射出的二次电子又被D1、D2问的电场加速，射向D2并再次产生二次电子发射……，这样逐级产生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。

若倍增电极有n级，各级的倍增率为σ，则光电倍增管的倍增率可以认为是σN，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。

在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。

光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。

3光敏电阻

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。

光敏电阻的特性和参数如下：

3、1暗电阻、

光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。

3、2亮电阻

光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。

3、3伏安特性

光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如图5所示。

从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。

图5光敏电阻的伏安特性

3、4光电特性

光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。

光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。

3、5响应时间

光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。

同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这就是光敏电阻的时延特性。

光敏电阻上升响应时间和下降响应时间约为10-1～10-3s，即频率响应为10Hz～1000Hz，可见光敏电阻不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个主要缺点。

3、6温度特性

光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电流增大，灵敏度下降，这也是光敏电阻的另一缺点。

3、7频率特性

频率特性是指外加电压和入射光强一定是，光电流I与入射光的调制频率f之间的关系，，光电二极管的频率特性较光电三极管的频率特性好，这是由于光电三极管的基射结存在电容和载流子基区需要时间的缘故。

利用内光电效率原理制造的光电元件的频率特性最差，这是由于俘获载流子和释放电荷都需要一定时间的缘故。

三光电传感器

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图6，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.

光电传感器一般由三部分构成，它们分为：

发送器、接收器和检测电路，如图7所示，发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维，三角反射板是结构牢固的发射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

                  图7

  光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种：

①发光二极管

是一种把电能转变成光能的半导体器件。

它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。

因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。

②丝灯泡

这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。

如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。

③激光

激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。

 由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。

测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。

不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。

下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路。

 半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。

在要求较大的输出功率时，可用图8所示的电路。

图9（a）给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。

当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的，温度的变化将造成电桥输出电压的漂移，必须进行补偿。

图中一个光敏二极管做为检测元件，另一个装在暗盒里，置于相邻桥臂中，温度的变化对两只光敏二极管的影响相同，因此，可消除桥路输出随温度的漂移。

光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如图9所示。

由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压也仅0.6V，还不能使下一级晶体管有较大的电流输出，故必须加正向偏压，如图9（a）所示。

为了减小晶体管基极电路阻抗变化，尽量降低光电池在无光照时承受的反向偏压，可在光电池两端并联一个电阻。

或者象图9（b）所示的那样利用锗二极管产生的正向压降和光电池受到光照时产生的电压叠加，使硅管e、b极间电压大于0.7V，而导通工作。

这种情况下也可以使用硅光电池组，如图10（c）所示。

  半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器。

硅光敏二极管通过集成运放可得到较大输出幅度，如图11（a）所示。

当光照产生的光电流为时，输出电压为了保证光敏二极管处于反向偏置，在它的正极要加一个负电压。

图11（b）给出硅光电池的光电转换电路，由于光电池的短路电流和光照成线性关系，因此将它接在运放的正、反相输入端之间，利用这两端电位差接近于