光電式感測器

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更新時間: 2013-12-12

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光電式感測器(photoelectric transducer),是基於光電效應的感測器,在受到可見光照射后即產生光電效應,將光信號轉換成電信號輸出。

光電式感測器 -光電式感測器

 

光電式感測器 -正文
  
光電式感測器電子-內部結構模型圖
基於光電效應的感測器。光電式感測器在受到可見光照射后即產生光電效應,將光信號轉換成電信號輸出。它除能測量光強之外,還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量,如尺寸、位移、速度、溫度等,因而是一種應用極廣泛的重要敏感器件。光電測量時不與被測對象直接接觸,光束的質量又近似為零,在測量中不存在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力。因此在許多應用場合,光電式感測器比其他感測器有明顯的優越性。其缺點是在某些應用方面,光學器件和電子器件價格較貴,並且對測量的環境條件要求較高。
  光電效應  它是光照射到某些物質上,使該物質的電特性發生變化的一種物理現象,可分為外光電效應和內光電效應兩類。外光電效應是指,在光線作用下物體內的電子逸出物體表面向外發射的物理現象。光子是以量子化「粒子」的形式對可見光波段內電磁波的描述。光子具有能量hv,h為普朗克常數,v為光頻。光子通量則相應於光強。外光電效應由愛因斯坦光電效應方程描述:   

光電式感測器

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式中m為電子質量,v0為電子逸出速度。當光子能量等於或大於逸出功時才能產生外光電效應。因此每一種物體都有一個對應於光電效應的光頻閾值,稱為紅限頻率。對於紅限頻率以上的入射光,外生光電流與光強成正比。內光電效應又分為光電導效應和光生伏打效應兩類。光電導效應是指,半導體材料在光照下禁帶中的電子受到能量不低于禁帶寬度的光子的激發而躍遷到導帶,從而增加電導率的現象。能量對應于禁帶寬度的光子的波長稱光電導效應的臨界波長。光生伏打效應是指光線作用能使半導體材料產生一定方向電動勢的現象。光生伏打效應又可分為勢壘效應(結光電效應)和側向光電效應。勢壘效應的機理是在金屬和半導體的接觸區(或在PN結)中,電子受光子的激發脫離勢壘(或禁帶)的束縛而產生電子空穴對,在阻擋層內電場的作用下電子移向 N區外側,空穴移向 P區外側,形成光生電動勢。側向光電效應是當光電器件敏感面受光照不均勻時,受光激發而產生的電子空穴對的濃度也不均勻,電子向未被照射部分擴散,引起光照部分帶正電、未被光照部分帶負電的一種現象。
  分類  基於外光電效應的光電敏感器件有光電管和光電倍增管。基於光電導效應的有光敏電阻。基於勢壘效應的有光電二極體和光電三極體(見半導體光敏元件)。基於側向光電效應的有反轉光敏二極體。光電式感測器還可按信號形式分為模擬式光電感測器(見位移感測器)和數字式光電感測器(見轉速感測器、光柵式感測器、數字式感測器)。光電式感測器還有光纖感測器、固體圖像感測器等。
  發展狀況  1839年A.E.貝可勒爾發現當光線落在浸沒於電介液中的兩個金屬電極上,它們之間就產生電勢,後來稱這種現象為光生伏打效應。1873年W.史密斯和Ch.梅伊發現硒的光電導效應。1887年H.R.赫茲發現外光電效應。基於外光電效應的光電管和光電倍增管屬真空電子管或離子管器件,曾在50~60年代廣泛應用,直到目前仍在某些場合繼續使用。雖然早在1919年T.W.凱斯就已取得硫化鉈光導探測器的專利權,但半導體光敏元件卻是在60年代以後隨著半導體技術的發展而開始迅速發展的。在此期間各種光電材料都得到了全面的研究和廣泛的應用。它們的結構有單晶和多晶薄膜的,也有非晶的,它們的成分有元素半導體的和化合物半導體的,也有多元混晶的。其中最重要的兩種是硅和碲鎘汞。硅的原料豐富,工藝成熟,是製造從近紅外到紫外波段光電器件的優良材料。碲鎘汞是碲化汞和碲化鎘的混晶,是優良的紅外光敏材料。通過對光電效應和器件原理的研究已發展了多種光電器件(如光敏電阻、光電二極體、光電三極體、場效應光電管、雪崩光電二極體、電荷耦合器件等),適用於不同的場合。光電式感測器的製造工藝也隨薄膜工藝、平面工藝和大規模集成電路技術的發展而達到很高的水平,並使產品的成本大為降低。被稱為新一代攝像器件的聚焦平面集成光敏陣列正在取代傳統的掃描攝像系統。光電式感測器的最新發展方向是採用有機化學汽相沉積、分子束外延、單分子膜生長等新技術和異質結等新工藝。光電式感測器的應用領域已擴大到紡織、造紙、印刷、醫療、環境保護等領域。在紅外探測、輻射測量、光纖通信,自動控制等傳統應用領域的研究也有新發展。例如,硅光電二極體自校準技術的提出為光輻射的絕對測量提供了一種很有前途的新方法。
  參考書目
 齊丕智等編著:《光敏器件及其應用》,科學出版社,北京,1987。
 袁希光主編:《感測器技術手冊》,國防工業出版社,北京,1986。

 

光電式感測器 -配圖

 

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