探秘光敏传感器技术

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：光敏传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。近年来，随着光电技术的发展，光敏传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格产品，在各种轻工自动机上获得广泛的应用。光敏传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。

光敏传感器是采用光电元件作为检测元件，把被测量的变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光敏传感器一般由光源、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，体积小。近年来，随着光电技术的发展，光敏传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格产品，在各种轻工自动机上获得广泛的应用。

光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光敏传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光敏传感器的种类繁多，主要有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。

1.外光电转换元件及特性

根据外光电效应制造的光电元件有光电管和光电倍增管。

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，它的外形和结构如图5-7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hv。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（1／2）mv2。

光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图5-8所示。在入射光频率大于“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5-8中，电流和电阻上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。当光线照射到光电管阴极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R L上的电压为U n。

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5-9所示为光电倍增管结构示意图。

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图5-7　光电管的外形和结构

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图5-8　光电管测量

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图5-9　光电倍增管结构示意图

从图5-9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间的电场加速，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1 mA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。

2.内光电转换元件及特性

根据内光电效应制造的光电元件有光敏电阻、光电池等。

1）光敏电阻

当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图5-10所示，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。

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图5-10　光敏电阻的结构

如图5-11所示，管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光电导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案。

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。

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图5-11　金属封装的硫化镉光敏电阻结构

2）光电池

光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变成电能，因此又称太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射到PN结上时，在PN结的两端产生电动势。

光敏传感器由于非接触、高可靠性等优点，在测量时对被测物体损害小，所以自其发明以来就在测量领域有着举足轻重的地位，目前它已广泛应用于测量机械量、热工量、成分量、智能车系统等。

光敏传感器具有其他传感器所不能取代的优越性，因此发展前景非常好，应用也越来越广泛。

探秘光敏传感器技术

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