Оптоэлектронные датчики — принципы измерения

Внутренний фотоэлектрический эффект

Основой оптоэлектронных сенсорных элементов является внутренний фотоэлектрический эффект. Свет можно рассматривать как поток отдельных фотонов света. Энергия E_Ph фотона зависит только от его частоты (обозначается также как v) или его длины волны λ:

(1) E_Ph = h·f = h·c/λ

h - постоянная Планка
с - скорость света

Если фотоны встречаются с атомами, то при достаточном количестве энергии они могут высвободиться из своей электронной оболочки. Энергия, необходимая для высвобождения, равна разнице между уровнем энергии Е_V валентной зоны атома и уровнем E_L зоны проводимости, т.е. энергетической щели E_g.

(2) E_g = E_L - E_V

Для высвобождения электрона энергия фотона E_Ph должна быть больше его энергетической щели E_g. В чистом полупроводнике за счет абсорбции световых фотонов формируются электронно-дырочные пары (электроны и дырки). Энергетическая щель, которую предстоит преодолеть, составляет, например, у кремния при комнатной температуре E_g=1,12 эВ. Без принятия специальных мер сформировавшиеся электронно-дырочные пары опять рекомбинируются через короткий промежуток времени. Возникающий при этом поток (излучение) у кремния находится в невидимом диапазоне.

В сильнолегированных полупроводниках возникает вместе с ранее названным внутренним фотоэффектом еще и фотоэффект дефектов. Поскольку в таких внешних датчиках энергетическая щель, которую предстоит преодолеть, значительно меньше, они подходят также для излучения волн больших длин (ИК-диапазон).

Для энергий Е_Ph < E_g высвобождение уже не происходит. В соответствии с Уравнением (1) этот показатель для кремния соответствует предельной длине волны λ_g=1,1 мкм (ближние ИК-волны). Свет с большей длиной волн или более низкой частотой не абсорбируется, в этом случае кремний станет прозрачным.

Светочувствительные элементы датчика

Фоторезисторы

За счет попадания света в датчике, изготовленном как элемент сопротивления (резистор) (LDR, Light Dependent Resistor) формируются электронно-дырочные пары, повышающие проводимость G. Практически сразу они опять рекомбинируются через короткий промежуток времени (мс-диапазон); но все-таки в стационарном равновесии концентрация носителей заряда возрастает с интенсивностью освещения Е, а именно, согласно следующему закону:

(3) G = const·Еγ = 0,7...1

В качестве светочувствительного материала чаще всего используют сульфид кадмия CdS (E_g=1,8 эВ; λ_g=0,7 мкм) и селенид кадмия CdSe (E_g=1,5 эВ; λ_g=0,8 мкм) на керамических носителях.

Полупроводниковые p-n-переходы

Между фотоэлементом, фотодиодом и фототранзистором не существует принципиальной разницы. Они используют в качестве измерительного эффекта фототок или напряжение холостого хода в освещаемых р-п-полупроводниковых контактах. Названные элементы различаются, однако, по принципу действия.

Носители заряда, формирующиеся за свет внутреннего фотоэффекта в запирающем слое р-п-полупроводникового контакта (рис. 1), непосредственно с помощью электрического поля, существующего в той области объемного заряда с небольшой концентрацией носителей заряда, определяют в этом слое ускорение, благодаря которому носители заряда разделяются сразу после их формирования (дрейфовый ток). Таким образом, их рекомбинация практически исключается и значительно повышается фоточувствительность.




Фотоэлементы

Фотоэлементы используются без внешнего предварительного напряжения и могут работать как при холостом ходе (фотоэлектрический эффект), так и в коротком замыкании. Кроме того, они обладают низким уровнем собственного шума и высокой чувствительностью обнаружения.



Графические характеристики, действительные для данных режимов работы (рис. 2), легко определить по диоду, поляризованному с помощью напряжения U в пропускном направлении, с термически обусловленным блокирующим током насыщения I_S и по фотоэлектронному току I_ph, также проходящему в запирающем направлении, в качестве особых случаев:

(4) I = I_S·exp(e·U/kT) - I_S - I_ph

при е - элементарный заряд, k - постоянная Больцманна, Т - абсолютная температура.

Особые случаи:

(5) U = 0 (короткое замыкание) → I = I_К = -I_ph

(6) I = 0 (холостой ход) → U = U_L = rT/e·ln(I_ph/I_S+l)

Фотоэлементы часто рассчитаны на очень большую площадь, воспринимающую освещение, и вырабатывают также достаточно высокие фотоэлектрические токи (например, I_ph=250 мкА при Е=1000 люкс). Их временная постоянная относительно высока и составляет обычно ок. 20 мс.


Фотодиоды, фототранзисторы

Фотодиоды работают при постоянном напряжении смещения U_S в запирающем направлении, при этом протекающий фотоэлектрический ток в качестве запирающего тока линейно зависит от интенсивности освещения Е (рис. 3). Благодаря подаче напряжения область объемного заряда увеличивается. За счет этого снижается барьерная емкость p-n-перехода, так что предельная частота такого фотодиода стандартно равна нескольким МГц.



На фототранзистор, изображенный на рис. 4а, (тип n-p-n), оказывает действие диод коллектор-база, поляризованный в запирающем направлении, в качестве фотодиода. Таким образом, коллектор, как в любом транзисторе, вырабатывает фотоэлектрический ток, больший на коэффициент усиления тока В=(100...500) (соответствует базовому току). Более высокая чувствительность приобретается за счет худшей частотной динамики и небольшого ухудшения температурного режима.

Использование

Несмотря на то, что оптоэлектрические датчики очень дешевы, из-за своих проблем, связанных с загрязнением и вызываемых этим поломок в автомобиле, они стали применяться достаточно поздно. В датчиках дождя и грязи система, в которую они интегрированы, самостоятельно заботится о регулярной очистке оптически чувствительных поверхностей.

Датчики изображения

В то время как выходные сигналы ранее описанных конструкций датчиков соответствуют мгновенному значению светового потока или интенсивности освещения, обе следующие конструкции имеют интегрированный характер. Их сигнал соответствует общему числу фотонов, которые в период освещения бомбардируют датчик. Такие датчики необходимы в первую очередь для изготовления линейных и плоскостных массивов датчиков по принципу CCD.

Интегрируемые фотодиоды

В таких p-n-фотодиодах только небольшая часть р-п-перехода воспринимает излучения из-за напыленного экрана. Заряды, производимые фотоэлектрическим током, все-таки распределяются на всю область объемного заряда и сохраняются там (MOS-конденсатор). За счет замыкания MOSFET-переключателя они могут стекать на сигнальный провод общего пользования (видеовыход). Переключатель управляется генератором тактовых импульсов (рис. 5). Заряды, протекающие серийно через видеопровод, являются мерой дозы излучения управляемого фотодиода (пиксель).



MOS-конденсаторы

Если на металлический электрод MOS-элемента (рис. 6) подается положительное напряжение, под изолированным оксидным слоем возникает область объемного заряда из неподвижных положительных зарядов. При проникновении света через прозрачный изолированный электрод (экранирование спереди) или через субстрат (экранирование сзади) в этой области скапливаются электроны, произведенные фотоэлектрическим током, без рекомбинации или стекания.



Чтобы иметь возможность сместить экспонирование измерительного заряда в горизонтальном направлении, рядом с экспонируемой зоной или скоплением электродов направляют другие электроды, как показано на рис. 7, которые в ходе интеграционной фазы имеют нулевой потенциал. Если затем увеличить потенциал поперечного (трансферного) электрода, одновременно снизив потенциал скопления электродов до положительного значения, то заряд можно сместить в соседний MOS-элемент, который экранирован от попадания света с помощью экрана.



Этот принцип перемещения заряда является основой устройства прибора Charge-Coupled Devices (CCD). По такому принципу можно смещать и перемещать аналоговые заряды через несколько станций без значительных потерь до тех пор, пока в конце транспортной цепочки, например, с помощью усилителя заряда, они не будут преобразованы в сигнал напряжения, который можно будет передать на быстрый AD-транформатор.

Этот метод смещения заряда, который можно рассматривать как один из видов аналогового сдвигового регистра, позволяет создать простую конструкцию из длинных ячейкообразных многочленных структур, а также из матричных структур, которые обозначаются как датчики изображения (англ.: Imager). Отдельный элемент такой структуры обозначает также как пиксель (англ.: picture element; нем.: Bildpunkt). На сегодняшний день максимально возможное число пикселей однострочных фото-ПЗС составляет ок. 6000, для матричных датчиков — ок. 2000х2000, т.е. ок. 4 миллионов. Для выполнения сложных технических задач автомобилестроения датчики изображения предпочтительно должны иметь количество пикселей, превышающее названные цифры в 4 раза, т.е. разрешение 4000х4000 пикселя.

Размер пикселей, которые получают свет из обычной оптики, составляет сегодня в среднем 5...20 мкм длины кромки. Площадь чипа датчика находится в диапазоне ок. 1 см². Если для увеличения разрешения или снижения затрат на изготовление чипа производители захотят уменьшить размер отдельного пикселя еще больше, то им следует подумать о том, что одновременно уменьшится и число фотонов на пиксель. Разумное уменьшение размера все-таки регламентируется неизбежными границами шумов. Увеличенное пиксельное разрешение будет сведено на нет из-за возрастания уровня шума.

Заряд, принимаемый отдельными, интегрировано действующими ячейками, ограничен. Если нарушить установленные границы, то заряд «перепрыгнет» в соседние ячейки. Это явление также называют «эффектом Блуминга». Оно принципиально ограничивает динамику светотени технологии CCD. С помощью дополнительных защитных мер, направленных на преодоление эффекта Блуминга, эту динамику можно повысить без использования таких вспомогательных средств, как варьируемый экран и время экранирования, до значения не выше чем на ок. 50 дБ.

CCD-датчики изображения

На рис. 9 схематически изображено, как свет, проходящий через прозрачный (не изображенный на рисунке) электрод, вырабатывает фотоэлектрические заряды. Они сначала смещаются из экранируемой зоны в поперечную щелевую структуру с помощью трансферных электродов и управляющих сигналов, синхронизированных по времени.



Как показано на рис. 8, заряды всех щелей смещаются по одному и тому же принципу синфазно (вниз), где они построчно входят в горизонтальный сдвиговый регистр. Оттуда они после-дователыю отбираются и подвергаются дальнейшей обработке.



CCD-датчики изображения являются на сегодняшний день представителями все еще самой распространенной технологии датчиков изображения на полупроводниковой основе. Их ограниченная динамика светотени, достаточно высокая потребляемая мощность в сравнении с другими технологиями и ограниченный температурный диапазон являлись препятствием их более широкому использованию в автомобилестроении.

CMOS-датчики изображения

CMOS-датчики изображения по сравнению с датчиками CCD считаются на сегодняшний день более современным вариантом, который в будущем будет использоваться в различных сферах. При этом обозначение CMOS-датчик может ввести в заблуждение, поскольку технологией CMOS обозначают специальную полупроводниковую технологию, а не CCD-технологию (она также содержит MOS-структуры). Серьезным отличием от CCD-датчиков является собственно не технология изготовления, а совокупность признаков:

• пиксели вызываются не последовательно, а по отдельности управляемыми — как в накопительной строке в RAM — einzeln ansteuerbar. Для этого к каждому пикселю интегрируется активная электроника (APS, Active Pixel Sensor);
• интегрированные фотоэлектрические сенсорные структуры (фотодиоды) не используются, применяются структуры, не зависимые от времени экспозиции;
• параметры яркости преобразовываются в электрические сигналы не пропорционально, а логарифмировано по их считыванию. Поэтому они имеют характеристику, подобную человеческому глазу. Уже за счет этого действия динамику светотени можно расширить на более чем шесть декад (десятичных разрядов) без использования дополнительных мер (при преобразовании в линейные дуально соответствует примерно 20 битам).

CMOS-датчики изображения не реализованы широко в стандартной технологии CMOS. Используется не более одного фотоэлектрического элемента, усовершенствованного по CMOS-технологии, который из-за гораздо более меньшей потребляемой мощности по сравнению с датчиками CCD позволяет осуществить интеграцию на чип датчика изображения другой управляющей и анализирующей электроники. Поскольку время обращения к отдельным пикселям находится в диапазоне нескольких 10 не, с помощью датчиков CMOS можно получить картинку с более высокой частотой считывания, особенно тогда, когда используется возможность считывания части изображения (subframing), что невозможно в датчиках CCD.

На рис. 10 схематично изображена конструкция HDRC-пикселя (High Dynamic Range CMOS-технология). В качестве светочувствительного элемента этой модели CMOS-датчика служит поляризованный фотодиод (PD), который расположен последовательно по отношению к PMOS-транзистору Ml, работающему в диапазоне ниже его напряжения отпирания.



Ток диода, пропорциональный освещенности, должен течь через заблокированный транзистор Ml. Его напряжение GateSource UGS в очень широком диапазоне почти идеально логарифмически зависит от протекающего тока стока (= фототока). Оба других транзистора М2 и М3 служат для вывода сигнала, который подается через умножитель на быстрый 10-битный AD-преобразователь.

Применение

Оптоэлектронные датчики изображения предназначены для того, чтобы поддерживать схождение в области видимого или инфракрасного света. Они могут использоваться в этой области для наблюдения за внутренним пространством, но прежде всего они также направлены наружу для наблюдения за окружающей средой.

С помощью датчиков изображения осуществляется попытка воспроизвести оценивающую способность человеческого глаза и связанную с ней ментальную оценку (пока что в очень скромном объеме). Они уже давно широко используются в промышленной измерительной технологии—особенно в автоматических манипуляторах (роботах). Затраты на изготовление датчиков изображения и мощных процессоров, используемых для интерпретации изображения (DSP) уже вошли в диапазон, который позволил бы их использование в автомобильной промышленности.

Широко использующиеся датчики изображения в отличие от человеческого глаза воспринимают также и близкий ИК-диапазон (длина волны ок. 1 мкм). Благодаря соответствующему невидимому ИК-освещению можно реализовать все возможные задачи в ночном режиме эксплуатации. Для применения в зоне видимого света датчики изображения подключатся чаще всего через ИК-фильтр, чтобы избежать искажения цвета и плохой резкости.



Датчики изображения могли бы разнообразно применяться для наблюдения за обстановкой внутри автомобильного салона (положение сидений, смещение вперед при аварии, наличие и рост пассажиров и пр.) и вокруг автомобиля (продольная устойчивость, избежание аварийных ситуаций, помощь при парковке и движение заднем ходом, распознавание дорожных знаков и пр.). Уже в серийном масштабе оснащение включает в себя прибор ночного видения (Night Vision), который воспроизводит на дисплее ситуацию на дороге, освещаемую ИК-фарами и записываемую ИК-камерой. Благодаря этому обеспечивается дополнительная безопасность движения в плохих условиях видимости (темнота, туман и пр.).

Миниатюрные датчики

Микромеханика позволяет датчикам выполнять измерительные функции в минимальном пространстве. Стандартные механические размеры находятся в диапазоне микрометров. Именно кремний благодаря своим особым свойствам является подходящим материалом для изготовления очень маленьких филигранных механических структур. Его эластичность в сочетании с его электрическими свойствами почти идеально подходят для производства датчиков. Благодаря изменяющимся процессам полупроводниковой технологии можно интегрировать механические и электронные функции на одном чипе или другим способом.

В 1994 году датчик давления на всасывании для регистрации нагрузки в автомобиле вошел в серийное производство как первый продукт с микромеханической измерительной ячейкой фирмы «Bosch». Последними примерами миниатюризации являются микромеханические датчики ускорения и скорости вращения в системах безопасности движения для защиты пассажиров и регулирования динамики движения. Приведенные ниже изображения наглядно демонстрируют минимальные соотношения размеров.