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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，碑化镓光电池 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，传递效率局（接近理论极限17%，能耐局温辐射等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h丫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 牌 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打 池，而且要注意的是，光电池的光谱特性还与温度有基仲 关。事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：一类是利用光 太阳能电池已在宇宙开发、航日常生活和交通事业中得到广泛应用。 但是随着太阳能电池技术不断 另一类是将光电池作为光电转这一类光电池需要将光电池作为光伏器件使用，伏作用直接将 太阳能转换成电能，即太阳能电池空、通信 设施、太阳能电池地面发射站、目前太阳能 电池发电成本尚不能与常规能源竞争， 发展，成本会逐渐下降，定会获得更广泛的 应用换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、 响应时间短等特性。特殊的工艺制造，主要用于光电监测和自动控制系统中62.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/口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"路也心照位牯件九i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io u in如 图为 光敏 晶体 管的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光电池与光电阻传感器有着明显的区别。从原理上说，光电池是利用光电效应的光生 伏特效应，而光敏电阻是利用的物质的光导效应，而光敏晶体管则可能是两者都有，光电 池是一种在光的照射下能产生电动势的半导体元件，在接受光照的情况下，可使用高内阻电压表测到光生电动势；光电阻传感器是一种在光的照射下 会产生更多的电子空穴对，致使导电能力增加，电阻率减小的半导体元件。在接受光照的 情况下，可以测量到它的电阻值减小。从分类上说，光电池属于电能量传感器，而由光敏电 阻及光敏晶体管组成的光电阻传感器则属于电参数传感器。F表从各个方面比较了几种光敏电阻，光敏晶体管和光电池CdS光 敏电阻CdSe 光 敏电阻Si光电池Se光电池Si光敏二极 管Si光敏三极 管波长响 应范围（nm400-64 0300-750400-800350-550400-750400-750最大灵 敏度1A/lm.V1A/lm.V0.3-0.65A/W0.3-0.65A/W0.3-0.96A/W0.1-0.2A/W输出 电流10mA-1 A10mA-1A1A （最大）150mA （中）1mA以下（最小）1-50mA（小）光特性 直线性差差好好好较好动态范 围1KHz（差）1KHz（差）50KHz （良）5KHz （良）200K-10MH zr导如、100KHz（良）外加电压（V）要要不要不要不要最好）不要受光面积大大最大最大小小稳定性一般一般最好一般最好良外形尺 寸中中中中最小小价格低低中中低:低主要特 点多元阵 列开关， 输出电流 大多元阵列 开关，输出 电流大象限光电流 输出大光谱接近人的视觉范围高灵敏度，小 型，高速传感 口口 器有电流放大 小型传感器上升时 间0.2-1m s0.2-10m s0.5-100US1ms<2us0.2-100mS三光电传感器的实际应用3.1光电池在航空领域的应用14在能源领域，利用光电池发电，在现在的技术看来，并不是很划算。但随着技术的发 展，光电池的成本将逐渐降低，而且常规能源的价格近年来一路走高，加之太阳能是一种取 之不尽，用之不竭的清洁能源，相信在未来，利用光电池发电会形成一个很大的产业。目前 光电池的应用领域仍然不多，仍集中在航天，或一些偏远地区，无法通过常规能源获得电能 的地方。接下来，我将简略的讲一下，光电池在航空领域的应用。在短期飞行的宇宙飞船上，一般使用蓄电池（化学电源）作为他的基本能源。在长期 飞行的宇宙飞行器上，由于太阳电池功率高，寿命长，可靠性好，应用方便，因而太阳电 池是理想的电源。据统计，从1961到1965年美国发射的卫星 所用的太阳电池总和为 140KW_ 一 F9-，U，11，人造卫星的太阳电池电源系统由太阳电I池方阵，蓄电池组，充电控制器及配电的调'本 £一 大节线路和负载组成，其系统框图如下所示。 i拧网I为了满足各种空间飞行器的供电要求保证电源系统的特电池如 高度可靠性，设计太阳电池方阵是应考虑的因素如图物坦条件所示：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CCDt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±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 imagi ngCCD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两个方CCD即包括x、y向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完 成133.2.1CCD基本工作原理1516CCD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 （金属一 氧化物一半导体）电容器。CCD中的MOSfe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MOSI 容1. 电荷存储当一束光投射到MOSfe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，就会产生一个电子一空穴对，其中的电子被吸引到电荷反型区存 储。2. 电荷转移CCD勺电荷耦合（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一空穴对，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CCDS 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 俞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17Q(0) Q(t) Q(t)电荷转移效率为-Q(0)- - Q(0)Q(t)电荷转移损失率为二Q(0)电荷转移率与损失率的关系为=1 -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T i则f _i- 3需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T g则3TS3.2.3典型CCD图像传感器18CCDB像传感器有一维与二维之分，通常将一维CCDS像传感器称为线阵CCD或线 阵CCDS像传感器，将二维CCDS像传感器称为面阵CCDffl像传感器。由两个转移沟道构成的线阵CCD称为双沟道线阵CCDTCD1251DS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TCD1251DS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11 (jm长、11高，中心距亦为11 jm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。亢电HTI- |2. TCD1251D的工作原理TCD1251在如图所示的驱动脉冲作用下工作枳分时仙mi 1 §§ft1 尺1 j| r"LrmArm rLr"Lr"Lr"LnArLr"LT"Lri n nAn_j_Lr"Lr"Ln n rLJALJ.hnnAnnnnnniAinnnnnrAinnnnnn An r"'TninRSjuUUUjjtnjLJuLnuLnjuuyLnjLnjuuuiKJUuyuuLnjuuLJiJLnjuuuuyumnju-注"止旧®*决缶器潦翌第W二 口口 f -方里os innnmnnnnniinnfiff舍羊百甘 承程E野-=EE!L3个加汝航尤剖牛瞄翩I冲比i k>s innnnhrLnnnnArLnnnnnrLmnrLnrAVinrLnnnnmnniAnnnmnnnnnnnnnAnnrLnnr40亍鳖蔽单术总计即眈个吩兀irinnnru AnrLnnnr:叽LL 27QO* 元-*H牛昭出单元>4-5vT01 ir LTa) L2S1D_jrxos ZAA_ZJVT2rci 74tCiO4P TRI: 25AI0I5Y IR2 25AI015Y3. TCD1251D驱动电路TCDI251D的驱动电路如图所示。由如图所示的驱动脉冲发生器产生 的转移脉冲、驱动脉冲、和复位脉冲等 四路驱动脉冲经反向器74HC04F反向后加到TCD1251 n的相OS DOS OD RS NCCRI NCNCN应管脚上。该器件将输出OS信号与DOS言号。其中OS言号含有效光电信号，DOS俞出为补偿信号。4. TCDI251D的特点与特性(1) 驱动简便在TCD1251DS件的内部设置有电平转换驱动电路，只要提供0.3V5V 的驱动脉冲器件就可以正常工作，极大地方便了用户。(2) 灵敏度高TCD1251D的光电灵敏度为35V/lx.s,它的饱和曝光量为0.05lx.s , 动态范围为3800,属于高灵敏高动态范围的器件。IIIU 4()0即町 900 1000 non«#£(3)光谱响应 如图所示TCD1251D勺光谱响 应曲线。其峰值响应波长 入m为550nm与人眼的 光谱响应峰值波长很接近；长波截止波长为1100nm 在近红外区有较好的响应；短波截止波长可延长到紫 外谱区，接近250nm光谱响应范围宽是它的另一个 特点。该器件在整个可见光谱区的响应高于70%是 比较理想的光谱探测器件。另外，它像敏单元尺寸小(11 n mx 11 p m分辨率高，又是性能优良的尺寸 检测探测器件。四光电传感器在未来的发展方向随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵 敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。幸 好，随着技术的发展，传感器的生产技术也在不断的发展之中。由我看，未来的光电传感 器将向以下几个方向发展1. 新材料的开发利用传统的光电传感器主要是利用硅和锗这类半导体制成的。硅和锗开启了人类的数字化时代，被誉为人类20世纪最伟大的发明之一。但近年来，硅材料固有的缺点开始 出现，开始成为半导体发展的瓶颈。对此，人们开始研制新的半导体材料，以替代硅。比 较被人们看好的是碳化硅，相信在不久的将来，随着对碳化硅材料研究的深入，碳化硅会 给人们一个奇迹。2. 往数字化方向发展传统的光电传感器的输出，都是模拟信号。模拟信号与数字信号相比，有着固有的一 些缺点，如容易受到干扰，抗干扰能力差，保密性差，不能长距离传输等。数字信号与模 拟信号相比，提高了抗干扰能力，提高了保密性，能够长距离传输等。未来的光电传感器 一定会朝着数字化的方向发展，用数字信号进行传输。3. 往嵌入式方向发展采用数字信号处理，就要求光电传感器必须要有数字信号的处理电路，或处理芯片。 鉴于传感器一般都安装在工业生产的前线，不可能用庞大的计算机进行处理，所以嵌入式系统是光电传感器数字化的唯一发展道路。常见的嵌入式系统可以用单片机，FPGA ARM DSP PLC等。要实现数字化处理，还需要AD和DA鉴于传 感器的精度要求很高，所以AD, DA要用高分辨率的AD DA4. 向微型化发展各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感 器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传 感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定 性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互 换性可靠性都较好。5. 向高可靠性、宽温度范围发展传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围 的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在 -20 C70C,在军用系统中要求工作温度在-40 C85C范围，而汽车锅炉等场合要求传感 器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。6. 向低功耗或无源化方向发展传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网 的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然 的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。7. 向智能化方向发展19智能光电传感器是当今国际科技界研究的热点、尚无统一的、确切的定义。目前国内 外学者普遍认为，智能光电传感器是由传统的光电传感器和微处理器（或微计算机）相结 合而构成的，它充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳智能光电传感器的功 能有：自补偿能力。自校准功能，自诊断功能，数值处理功能，双向通信功能，信息存储和记忆功能，数字量输出功能参考文献1百度百科 1 12 维基百科http:/zh.wikipedia.org/zh-c n/%E5%86%85%E5%85%89%E7%94%B5%E6%95%88%E5%BA%943 常健生主编.检测与转换技术M.第三版.北京：机械工业出版社，2009.P1474 常健生主编.检测与转换技术M.第三版.北京：机械工业出版社，2009.P1474常健生主编.检测与转换技术M.第三版.北京：机械工业出版社，2009.P148百度百科 1 1 7常健生主编.检测与转换技术M.第三版.北京：机械工业出版社，2009.P1878 常健生主编.检测与转换技术M.第三版.北京：机械工业出版社，2009.P1889 常健生主编.检测与转换技术M.第三版.北京：机械工业出版社，2009.P18910 常健生主编检测与转换技术M.第三版.北京：机械工业出版社，2009. P19011 常健生主编.检测与转换技术M.第三版.北京：机械工业出版社，2009. P19212 流年岁月主编.浅谈光电池与光电阻.4/13 百度百科14 不详.光电池及其应用M.不详，不详15 我心永飞翔主编.CCD的基本工作原理 16 映美精公司.彩色相机工作原理PDF17 王庆有主编.光电传感器应用技术M.北京：机械工业出版社，201018 王庆有主编.光电传感器应用技术M.北京：机械工业出版社，201019 谢望主编。光电传感器技术的新发展及应用PDF.天津工业大学