選擇集成硅基光傳感器

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，TAOS TSL237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。TAOS TSL2563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，400dpi 128像素的TAOS TSL 1401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。