集成硅基光傳感器的選擇
摘要： 光傳感器,，也稱為光探測(cè)器，可以生長(zhǎng)在各種不同的襯底上：鍺,、砷化鎵銦,、磷化鎵以及硅。所有這些光傳感器都具有可變的光譜和時(shí)間響應(yīng)及應(yīng)用功能,，但是這類非硅基傳感器的應(yīng)用空間相對(duì)較窄,，而硅基傳感器則廣泛適用于醫(yī)療、工業(yè)及商業(yè)等領(lǐng)域,。
Abstract：
Key words :
</a>光傳感器" title="光傳感器">光傳感器" title="光傳感器">光傳感器,，也稱為光探測(cè)器，可以生長(zhǎng)在各種不同的襯底上：鍺,、砷化鎵銦,、磷化鎵以及硅。所有這些光傳感器都具有可變的光譜和時(shí)間響應(yīng)及應(yīng)用功能,，但是這類非硅基傳感器的應(yīng)用空間相對(duì)較窄,，而硅基傳感器則廣泛適用于醫(yī)療、工業(yè)及商業(yè)等領(lǐng)域,。
硅基光探測(cè)器,，比如集成了RGB濾波器的TAOS TCS230色彩傳感器，為用戶提供了眾多選項(xiàng),，以適應(yīng)其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,。與其他光探測(cè)器相比，硅基光傳感器不僅具有更廣泛的用途,，而且它們與其他電路的集成也非常容易,，通常這使得它們成為更節(jié)省成本的解決方案。這也是它們的采用率如此之高的部分原因,。盡管硅基光傳感器應(yīng)用廣泛,，但能否選擇到最合適的該種儀器將對(duì)設(shè)計(jì)性能產(chǎn)成巨大的影響,。幸運(yùn)的是，根據(jù)大量應(yīng)用,，現(xiàn)在已形成了用于選擇集成硅基光傳感器的通用標(biāo)準(zhǔn),。
通用標(biāo)準(zhǔn)
在硅基IC探測(cè)器領(lǐng)域，為特定的應(yīng)用選擇最適合的探測(cè)器需要考慮諸多因素,。這些因素包括光轉(zhuǎn)換的類型,、轉(zhuǎn)換速率以及光譜響應(yīng)。集成的光傳感器可以將光轉(zhuǎn)換成不同種類的輸出,，包括將光轉(zhuǎn)換成電流(LTC),，電壓(LTV)，頻率(LTF)以及數(shù)字信號(hào)(LTD),。它們對(duì)光做出響應(yīng)并以快慢不等的相應(yīng)速度輸出,，速度(響應(yīng)時(shí)間)從幾毫秒到幾納秒不等。硅基探測(cè)器的光譜響分布于電磁頻譜近紫外(300nm)到近紅外(1100nm)這一范圍內(nèi),，包含了可見(jiàn)光(400～700nm),。應(yīng)當(dāng)注意的是，在這一范圍內(nèi),，光譜響應(yīng)并不一致,。雖然上述3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)并不是選擇光傳感器時(shí)需要考慮的唯一因素，但它們極大地縮小了選擇范圍,，這樣可以對(duì)相似的器件類型使用最后的標(biāo)準(zhǔn)(比如成本和封裝)進(jìn)行選擇,。
光轉(zhuǎn)換
LTV和LTC器件分別將光能轉(zhuǎn)換成電壓和電流輸出,。這兩種器件有許多相同的應(yīng)用并可以交互使用,。所以，請(qǐng)記住,，在下面有關(guān)LTV器件的討論中,，如果你使用電流替換電壓，那么討論結(jié)果也將適用于LTC器件,。LTV器件在感應(yīng)到光的強(qiáng)度時(shí),，它的輸出電壓會(huì)增大或減小。器件的動(dòng)態(tài)范圍是介于最小和最大輸出電壓之間的范圍,。最小的電壓等級(jí)/輸出稱為暗電壓(Vd),，出現(xiàn)在輸入光強(qiáng)度為0的時(shí)候。最大或飽和電壓級(jí)別對(duì)應(yīng)于光電二極管能夠轉(zhuǎn)換的最大光能量的輸入;即使光能量輸入超過(guò)該值,，輸出電壓仍將保持不變,。 LTV/C探測(cè)器適用于需要監(jiān)測(cè)光強(qiáng)瞬間變化的應(yīng)用領(lǐng)域,，例如,，在某條生產(chǎn)線上,，有必要檢測(cè)快速移動(dòng)的傳送帶上每個(gè)物體經(jīng)過(guò)某一點(diǎn)時(shí)光強(qiáng)的變化。通常,，需要安裝一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器,，作為傳感器和微處理器或其他類型控制器之間的接口。LTF器件將光能轉(zhuǎn)換成某種波形,，波形的頻率與被感應(yīng)的光強(qiáng)成正比,。LTF器件的動(dòng)態(tài)范圍由它的最小和最大輸出頻率決定。當(dāng)輸入光強(qiáng)為0時(shí),，輸出是最小頻率或暗頻率,。而最大或滿刻度頻率是輸出頻率不再隨著光強(qiáng)的增加而增加時(shí)的頻率。
LTF的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)LTV器件,，它適用于需要更高分辨率的應(yīng)用場(chǎng)合,。例如，動(dòng)態(tài)范圍是4V而噪聲(暗電壓)是4mV的線性LTV器件可以提供1000個(gè)階梯,，而動(dòng)態(tài)范圍是1MHz,，噪聲(暗頻率)是0.5Hz的LTF可以提供200萬(wàn)個(gè)階梯，TAOSTSL237即為一例,。LTF的頻率輸出需要使用一個(gè)頻率計(jì)數(shù)器或者微處理器進(jìn)行處理,。LTD器件將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后,，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被存儲(chǔ)在內(nèi)部寄存器之中,，在那里，數(shù)據(jù)將隨著落在傳感器上的光強(qiáng)變化而成正比變化,。LTD器件與微處理器之間通常使用各種不同協(xié)議之中的某一種作為接口,，其中包括SMbus、I2C和SPI,。這種器件的動(dòng)態(tài)范圍是寄存器最大和最小取值之差,。其數(shù)字接口也使得這些器件有一定的可編程性，可用來(lái)控制增益以及積分時(shí)間等量,。大多數(shù)LTD器件是可尋址的,，這意味著多個(gè)器件可以在單根總線上共存，從而將互連成本降到最低,。TAOSTSL2563是帶有可編程增益和積分時(shí)間的LTD器件的一個(gè)例子,。這個(gè)傳感器通過(guò)I2C接口為編程狀態(tài)提供了中斷功能。
轉(zhuǎn)換速率
在許多應(yīng)用中,，光探測(cè)器能否將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換成有用輸出的速度是應(yīng)考慮的一項(xiàng)重要因素,。與輸出類型無(wú)關(guān)，光電二極管的偏置和尺寸是決定傳感器轉(zhuǎn)換速度的主要因素：光電二極管越大,，電容越大,，對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)就越慢,。因此，反向偏壓被用來(lái)增加轉(zhuǎn)換速率,。請(qǐng)注意,，通常情況下，對(duì)于集成傳感器轉(zhuǎn)換速度的確定起限制作用的因素是集成電路,，而不是光電二極管,。盡管略有不同，但是LTV和LTC器件都可以被共同歸類為光模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換(LTA)器件,。因?yàn)槌斯怆姸O管之外,，LTA器件只需要很少的電路——電流放大器(CA)或者跨阻放大器(TIA)，所以該種器件提供了比LTF或LTD器件更快的響應(yīng)時(shí)間,。LTA器件的速度可通過(guò)輸出的上升和下降時(shí)間進(jìn)行測(cè)量,。如上所述，它不僅受偏置和光電二極管尺寸的影響,，而且還與CA或者TIA的電容有關(guān),。除了受光電二極管的限制，LTF器件還增加了電流到頻率的轉(zhuǎn)換時(shí)間,。通常,，轉(zhuǎn)換會(huì)在電流轉(zhuǎn)換到目標(biāo)頻率輸出的一個(gè)周期內(nèi)完成。因此,，LTF器件響應(yīng)產(chǎn)生1kHz波形的光強(qiáng)比響應(yīng)產(chǎn)生1MHz波形的光強(qiáng)要慢,。如果要測(cè)量極弱的光強(qiáng)，對(duì)這一點(diǎn)的考慮會(huì)非常重要,。LTD器件的速度與LTA或者LTF器件有些不同,，因?yàn)長(zhǎng)TD器件通常不是連續(xù)地在輸出總線上放置數(shù)據(jù);并且通常只有在控制器發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，它才提供數(shù)據(jù),。此時(shí),，數(shù)據(jù)才會(huì)被載入到數(shù)據(jù)寄存器,。因而,，轉(zhuǎn)換速率由總線的速度決定。
光譜響應(yīng)
了解應(yīng)用的光譜感應(yīng)要求,，并使用具有合適的光譜響應(yīng)的傳感器與之匹配,，這是一項(xiàng)重要的系統(tǒng)考慮。例如,，使用近紅外LED的接近探測(cè)器,，需要只對(duì)近紅外區(qū)域光譜能量進(jìn)行響應(yīng)的傳感器。并且這個(gè)傳感器一定不能對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域的光能進(jìn)行響應(yīng),。要達(dá)到這樣的目的,，可以使用外部可見(jiàn)光阻擋濾波器,，或者選擇帶有集成濾波器的探測(cè)器。如果應(yīng)用需要只對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域響應(yīng),，也需要進(jìn)行同樣的考慮,，比如色度測(cè)量。這需要濾除太陽(yáng)以及其他光源的近紅外能量,，方法是使用外部或者集成的紅外阻擋濾波器,。這種類型的應(yīng)用也需要紅、綠和藍(lán)(RGB)濾波器,，外部的或者集成的都可以,。
圖1 傳感類型與集成度
光學(xué)列陣
一些應(yīng)用有時(shí)需要搜集空間信息。這時(shí)可以采用許多分立器件或者集成光學(xué)線性列陣來(lái)完成,。集成的光學(xué)線性列陣由許多像元或像素組成,，它們通常排列在一條直線上。像素中心之間的距離被稱為像素截距,，通常以每英寸內(nèi)的點(diǎn)數(shù)(dpi)給出,。400dpi器件的像素截距是63.5μm?？臻g分辨率直接與dpi數(shù)值對(duì)應(yīng);dpi越大,，空間分辨率越高。對(duì)于給定的dpi,，像素集的數(shù)目決定了器件的有效長(zhǎng)度;例如,，400dpi128像素的TAOS TSL1401的有效長(zhǎng)度大約為8mm。這些器件的輸出可以是模擬的(通常是電壓)或數(shù)字的,。這些器件的速度由積分時(shí)間(光被允許照射器件的時(shí)間)和時(shí)鐘速率決定,。對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言，線性列陣是通過(guò)像素?cái)?shù),、有效長(zhǎng)度,、分辨率和時(shí)鐘速率來(lái)選擇的。線性列陣是掃描型應(yīng)用最理想的選擇,，但是它也適用于位置和邊緣探測(cè),。
結(jié)束選擇
一旦根據(jù)轉(zhuǎn)換類型、速率以及光譜響應(yīng)縮小了選擇范圍,，最后的選擇就要基于其他標(biāo)準(zhǔn),，比如封裝類型、溫度范圍,，當(dāng)然還有成本,。典型的工作溫度范圍是商用(0～70℃)，工業(yè)用(-40～85℃),，汽車(-40～105℃)以及軍用(-55～125℃)通常,，成本與硅的尺寸成正比,。并且，硅基尺寸越大,，成本越高,。光的應(yīng)用傾向于更高的系統(tǒng)集成，見(jiàn)圖1,，集成度越高,，傳感器的復(fù)雜度越高，但各部件對(duì)應(yīng)用所起的作用卻越低,。
硅基光探測(cè)器,，比如集成了RGB濾波器的TAOS TCS230色彩傳感器，為用戶提供了眾多選項(xiàng),，以適應(yīng)其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,。與其他光探測(cè)器相比，硅基光傳感器不僅具有更廣泛的用途,，而且它們與其他電路的集成也非常容易,，通常這使得它們成為更節(jié)省成本的解決方案。這也是它們的采用率如此之高的部分原因,。盡管硅基光傳感器應(yīng)用廣泛,，但能否選擇到最合適的該種儀器將對(duì)設(shè)計(jì)性能產(chǎn)成巨大的影響,。幸運(yùn)的是，根據(jù)大量應(yīng)用,，現(xiàn)在已形成了用于選擇集成硅基光傳感器的通用標(biāo)準(zhǔn),。
通用標(biāo)準(zhǔn)
在硅基IC探測(cè)器領(lǐng)域，為特定的應(yīng)用選擇最適合的探測(cè)器需要考慮諸多因素,。這些因素包括光轉(zhuǎn)換的類型,、轉(zhuǎn)換速率以及光譜響應(yīng)。集成的光傳感器可以將光轉(zhuǎn)換成不同種類的輸出,，包括將光轉(zhuǎn)換成電流(LTC),，電壓(LTV)，頻率(LTF)以及數(shù)字信號(hào)(LTD),。它們對(duì)光做出響應(yīng)并以快慢不等的相應(yīng)速度輸出,，速度(響應(yīng)時(shí)間)從幾毫秒到幾納秒不等。硅基探測(cè)器的光譜響分布于電磁頻譜近紫外(300nm)到近紅外(1100nm)這一范圍內(nèi),，包含了可見(jiàn)光(400～700nm),。應(yīng)當(dāng)注意的是，在這一范圍內(nèi),，光譜響應(yīng)并不一致,。雖然上述3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)并不是選擇光傳感器時(shí)需要考慮的唯一因素，但它們極大地縮小了選擇范圍,，這樣可以對(duì)相似的器件類型使用最后的標(biāo)準(zhǔn)(比如成本和封裝)進(jìn)行選擇,。
光轉(zhuǎn)換
LTV和LTC器件分別將光能轉(zhuǎn)換成電壓和電流輸出,。這兩種器件有許多相同的應(yīng)用并可以交互使用,。所以，請(qǐng)記住,，在下面有關(guān)LTV器件的討論中,，如果你使用電流替換電壓，那么討論結(jié)果也將適用于LTC器件,。LTV器件在感應(yīng)到光的強(qiáng)度時(shí),，它的輸出電壓會(huì)增大或減小。器件的動(dòng)態(tài)范圍是介于最小和最大輸出電壓之間的范圍,。最小的電壓等級(jí)/輸出稱為暗電壓(Vd),，出現(xiàn)在輸入光強(qiáng)度為0的時(shí)候。最大或飽和電壓級(jí)別對(duì)應(yīng)于光電二極管能夠轉(zhuǎn)換的最大光能量的輸入;即使光能量輸入超過(guò)該值,，輸出電壓仍將保持不變,。 LTV/C探測(cè)器適用于需要監(jiān)測(cè)光強(qiáng)瞬間變化的應(yīng)用領(lǐng)域,，例如,，在某條生產(chǎn)線上,，有必要檢測(cè)快速移動(dòng)的傳送帶上每個(gè)物體經(jīng)過(guò)某一點(diǎn)時(shí)光強(qiáng)的變化。通常,，需要安裝一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器,，作為傳感器和微處理器或其他類型控制器之間的接口。LTF器件將光能轉(zhuǎn)換成某種波形,，波形的頻率與被感應(yīng)的光強(qiáng)成正比,。LTF器件的動(dòng)態(tài)范圍由它的最小和最大輸出頻率決定。當(dāng)輸入光強(qiáng)為0時(shí),，輸出是最小頻率或暗頻率,。而最大或滿刻度頻率是輸出頻率不再隨著光強(qiáng)的增加而增加時(shí)的頻率。
LTF的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)LTV器件,，它適用于需要更高分辨率的應(yīng)用場(chǎng)合,。例如，動(dòng)態(tài)范圍是4V而噪聲(暗電壓)是4mV的線性LTV器件可以提供1000個(gè)階梯,，而動(dòng)態(tài)范圍是1MHz,，噪聲(暗頻率)是0.5Hz的LTF可以提供200萬(wàn)個(gè)階梯，TAOSTSL237即為一例,。LTF的頻率輸出需要使用一個(gè)頻率計(jì)數(shù)器或者微處理器進(jìn)行處理,。LTD器件將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后,，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被存儲(chǔ)在內(nèi)部寄存器之中,，在那里，數(shù)據(jù)將隨著落在傳感器上的光強(qiáng)變化而成正比變化,。LTD器件與微處理器之間通常使用各種不同協(xié)議之中的某一種作為接口,，其中包括SMbus、I2C和SPI,。這種器件的動(dòng)態(tài)范圍是寄存器最大和最小取值之差,。其數(shù)字接口也使得這些器件有一定的可編程性，可用來(lái)控制增益以及積分時(shí)間等量,。大多數(shù)LTD器件是可尋址的,，這意味著多個(gè)器件可以在單根總線上共存，從而將互連成本降到最低,。TAOSTSL2563是帶有可編程增益和積分時(shí)間的LTD器件的一個(gè)例子,。這個(gè)傳感器通過(guò)I2C接口為編程狀態(tài)提供了中斷功能。
轉(zhuǎn)換速率
在許多應(yīng)用中,，光探測(cè)器能否將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換成有用輸出的速度是應(yīng)考慮的一項(xiàng)重要因素,。與輸出類型無(wú)關(guān)，光電二極管的偏置和尺寸是決定傳感器轉(zhuǎn)換速度的主要因素：光電二極管越大,，電容越大,，對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)就越慢,。因此，反向偏壓被用來(lái)增加轉(zhuǎn)換速率,。請(qǐng)注意,，通常情況下，對(duì)于集成傳感器轉(zhuǎn)換速度的確定起限制作用的因素是集成電路,，而不是光電二極管,。盡管略有不同，但是LTV和LTC器件都可以被共同歸類為光模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換(LTA)器件,。因?yàn)槌斯怆姸O管之外,，LTA器件只需要很少的電路——電流放大器(CA)或者跨阻放大器(TIA)，所以該種器件提供了比LTF或LTD器件更快的響應(yīng)時(shí)間,。LTA器件的速度可通過(guò)輸出的上升和下降時(shí)間進(jìn)行測(cè)量,。如上所述，它不僅受偏置和光電二極管尺寸的影響,，而且還與CA或者TIA的電容有關(guān),。除了受光電二極管的限制，LTF器件還增加了電流到頻率的轉(zhuǎn)換時(shí)間,。通常,，轉(zhuǎn)換會(huì)在電流轉(zhuǎn)換到目標(biāo)頻率輸出的一個(gè)周期內(nèi)完成。因此,，LTF器件響應(yīng)產(chǎn)生1kHz波形的光強(qiáng)比響應(yīng)產(chǎn)生1MHz波形的光強(qiáng)要慢,。如果要測(cè)量極弱的光強(qiáng)，對(duì)這一點(diǎn)的考慮會(huì)非常重要,。LTD器件的速度與LTA或者LTF器件有些不同,，因?yàn)長(zhǎng)TD器件通常不是連續(xù)地在輸出總線上放置數(shù)據(jù);并且通常只有在控制器發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，它才提供數(shù)據(jù),。此時(shí),，數(shù)據(jù)才會(huì)被載入到數(shù)據(jù)寄存器,。因而,，轉(zhuǎn)換速率由總線的速度決定。
光譜響應(yīng)
了解應(yīng)用的光譜感應(yīng)要求,，并使用具有合適的光譜響應(yīng)的傳感器與之匹配,，這是一項(xiàng)重要的系統(tǒng)考慮。例如,，使用近紅外LED的接近探測(cè)器,，需要只對(duì)近紅外區(qū)域光譜能量進(jìn)行響應(yīng)的傳感器。并且這個(gè)傳感器一定不能對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域的光能進(jìn)行響應(yīng),。要達(dá)到這樣的目的,，可以使用外部可見(jiàn)光阻擋濾波器,，或者選擇帶有集成濾波器的探測(cè)器。如果應(yīng)用需要只對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域響應(yīng),，也需要進(jìn)行同樣的考慮,，比如色度測(cè)量。這需要濾除太陽(yáng)以及其他光源的近紅外能量,，方法是使用外部或者集成的紅外阻擋濾波器,。這種類型的應(yīng)用也需要紅、綠和藍(lán)(RGB)濾波器,，外部的或者集成的都可以,。
圖1 傳感類型與集成度
光學(xué)列陣
一些應(yīng)用有時(shí)需要搜集空間信息。這時(shí)可以采用許多分立器件或者集成光學(xué)線性列陣來(lái)完成,。集成的光學(xué)線性列陣由許多像元或像素組成,，它們通常排列在一條直線上。像素中心之間的距離被稱為像素截距,，通常以每英寸內(nèi)的點(diǎn)數(shù)(dpi)給出,。400dpi器件的像素截距是63.5μm?？臻g分辨率直接與dpi數(shù)值對(duì)應(yīng);dpi越大,，空間分辨率越高。對(duì)于給定的dpi,，像素集的數(shù)目決定了器件的有效長(zhǎng)度;例如,，400dpi128像素的TAOS TSL1401的有效長(zhǎng)度大約為8mm。這些器件的輸出可以是模擬的(通常是電壓)或數(shù)字的,。這些器件的速度由積分時(shí)間(光被允許照射器件的時(shí)間)和時(shí)鐘速率決定,。對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言，線性列陣是通過(guò)像素?cái)?shù),、有效長(zhǎng)度,、分辨率和時(shí)鐘速率來(lái)選擇的。線性列陣是掃描型應(yīng)用最理想的選擇,，但是它也適用于位置和邊緣探測(cè),。
結(jié)束選擇
一旦根據(jù)轉(zhuǎn)換類型、速率以及光譜響應(yīng)縮小了選擇范圍,，最后的選擇就要基于其他標(biāo)準(zhǔn),，比如封裝類型、溫度范圍,，當(dāng)然還有成本,。典型的工作溫度范圍是商用(0～70℃)，工業(yè)用(-40～85℃),，汽車(-40～105℃)以及軍用(-55～125℃)通常,，成本與硅的尺寸成正比,。并且，硅基尺寸越大,，成本越高,。光的應(yīng)用傾向于更高的系統(tǒng)集成，見(jiàn)圖1,，集成度越高,，傳感器的復(fù)雜度越高，但各部件對(duì)應(yīng)用所起的作用卻越低,。
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