第4章 光電式傳感器-2

1、1主講教師主講教師: : 陳銀銀陳銀銀158248077831582480778321 1：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器通過(guò)測(cè)量光敏元件輸出的脈沖頻率，得被測(cè)轉(zhuǎn)速通過(guò)測(cè)量光敏元件輸出的脈沖頻率，得被測(cè)轉(zhuǎn)速 n=f/Nn=f/Nnn轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速； ff脈沖頻率；脈沖頻率； NN圓盤孔數(shù)。圓盤孔數(shù)。32 2：感煙傳感器：感煙傳感器( (火災(zāi)報(bào)警器的一部分火災(zāi)報(bào)警器的一部分) ) 由紅外發(fā)光二極管及光電由紅外發(fā)光二極管及光電三極管組成，但二者不在同一平面上三極管組成，但二者不在同一平面上( (有一定角度有一定角度) )。在無(wú)煙狀態(tài)。在無(wú)煙狀態(tài)時(shí)，光電三極管接收不到紅外線；時(shí)，光電三極管接

2、收不到紅外線；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，產(chǎn)生大量煙霧，煙霧粒子進(jìn)入感煙傳感器時(shí)，由當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，產(chǎn)生大量煙霧，煙霧粒子進(jìn)入感煙傳感器時(shí)，由于紅外線受煙霧粒的折射作用，光電三極管接收到紅外線，給出于紅外線受煙霧粒的折射作用，光電三極管接收到紅外線，給出煙霧報(bào)警信號(hào)。煙霧報(bào)警信號(hào)。4 3 3、防盜報(bào)警電路、防盜報(bào)警電路54 4：太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)：太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng) 阻塞二極管蓄電池組由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制器和阻塞二極管組成。由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制器和阻塞二極管組成。調(diào)節(jié)控制器：充放電自動(dòng)控制調(diào)節(jié)控制器：充放電自動(dòng)控制阻塞二極管：避免蓄電池對(duì)太陽(yáng)電池放電阻塞二極管：避免蓄電池對(duì)太陽(yáng)電池

3、放電65 5：條形碼掃描筆：條形碼掃描筆掃描筆光敏三極管發(fā)光二極管條形碼卡片條形碼掃描方向光電掃描筆脈沖列OUTU76 6：吸收式煙塵濁度檢測(cè)儀：吸收式煙塵濁度檢測(cè)儀煙筒87 7、光電液位檢測(cè)、光電液位檢測(cè)98 8、自動(dòng)照明燈、自動(dòng)照明燈10119 9、路障燈、航標(biāo)指示燈電路、路障燈、航標(biāo)指示燈電路12 光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTDCTD（Charge Transfer Charge Transfer Device)Device)，最常用的是電荷耦合器件，最常用的是

4、電荷耦合器件CCD(Charge Coupled CCD(Charge Coupled Device)Device)。 CCDCCD具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)、延時(shí)和將電信號(hào)按順序具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)、延時(shí)和將電信號(hào)按順序傳送等功能，以及集成度高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。傳送等功能，以及集成度高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。1314基于CCD光電耦器件的輸入設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī)15CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱輸出脈沖的順序可以反映一個(gè)光敏元的位置完成圖像傳感16特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號(hào)電荷的產(chǎn)

5、生信號(hào)電荷的產(chǎn)生信號(hào)電荷的存貯信號(hào)電荷的存貯信號(hào)電荷的傳輸信號(hào)電荷的傳輸信號(hào)電荷的檢測(cè)信號(hào)電荷的檢測(cè)17 CCD 的工作過(guò)程的工作過(guò)程1. 有一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個(gè)感光有一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個(gè)感光像素上的光子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)量的電荷。像素上的光子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)量的電荷。182. 這些電荷可以被儲(chǔ)存起來(lái)。這些電荷可以被儲(chǔ)存起來(lái)。193. 電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。2021基本結(jié)構(gòu) CCD 是由規(guī)則排列的金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor,MOS）電容陣列組成。 MetalOxideSemiconductor 以

6、P型（或N型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極而構(gòu)成MOS電容轉(zhuǎn)移器件。這樣一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)光敏元或一個(gè)像素。22CCD結(jié)構(gòu)示意圖 顯微鏡下的MOS元表面電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬(wàn)）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。232651801339066453322分辨率（MOS元多少）不同的圖象比較2425當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓V VGG時(shí)，時(shí)，P P型硅中的多數(shù)載流型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，少數(shù)載流子（電子）吸引到子（空穴）受到排斥，少數(shù)載流子

7、（電子）吸引到P-SiP-Si界面界面處來(lái)，從而在界面附近形成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)，處來(lái)，從而在界面附近形成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)， 也稱表也稱表面勢(shì)阱。對(duì)帶負(fù)電的電子來(lái)說(shuō)，面勢(shì)阱。對(duì)帶負(fù)電的電子來(lái)說(shuō)， 耗盡區(qū)是個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域。耗盡區(qū)是個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域。26 在一定的條件下，所加正電壓在一定的條件下，所加正電壓V VGG越大，耗盡層就越深，越大，耗盡層就越深，勢(shì)阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。勢(shì)阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。 如果有光照射在硅片上，如果有光照射在硅片上， 在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子生了電子- -空穴對(duì)，光生電子被附近的勢(shì)阱所吸收，而空

8、空穴對(duì)，光生電子被附近的勢(shì)阱所吸收，而空穴被排斥出耗盡區(qū)。勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入穴被排斥出耗盡區(qū)。勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。射到該勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。271將將MOSMOS陣列加上輸入、陣列加上輸入、 輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCDCCD器件。器件。28電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下圖以三相控制方式為例說(shuō)也有二相、三相等控制方式之分。下圖以三相控制方式為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。 P P1 1 P P1 1 P P2 2 P P2 2 P P3 3 P P3 3 P P1 1 P P1 1 P P2 2 P P2 2 P P3 3 P P3 3 P P1 1 P P1 1 P P2 2 P P2 2 P P3 3 P