集成硅基光傳感器的選擇
摘要： 光傳感器，也稱為光探測器，可以生長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間響應及應用功能，但是這類非硅基傳感器的應用空間相對較窄，而硅基傳感器則廣泛適用于醫療、工業及商業等領域。
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，也稱為光探測器，可以生長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間響應及應用功能，但是這類非硅基傳感器的應用空間相對較窄，而硅基傳感器則廣泛適用于醫療、工業及商業等領域。
硅基光探測器，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，以適應其廣泛的應用領域。與其他光探測器相比，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用廣泛，但能否選擇到最合適的該種儀器將對設計性能產成巨大的影響。幸運的是，根據大量應用，現在已形成了用于選擇集成硅基光傳感器的通用標準。
通用標準
在硅基IC探測器領域，為特定的應用選擇最適合的探測器需要考慮諸多因素。這些因素包括光轉換的類型、轉換速率以及光譜響應。集成的光傳感器可以將光轉換成不同種類的輸出，包括將光轉換成電流(LTC)，電壓(LTV)，頻率(LTF)以及數字信號(LTD)。它們對光做出響應并以快慢不等的相應速度輸出，速度(響應時間)從幾毫秒到幾納秒不等。硅基探測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，包含了可見光(400～700nm)。應當注意的是，在這一范圍內，光譜響應并不一致。雖然上述3項標準并不是選擇光傳感器時需要考慮的唯一因素，但它們極大地縮小了選擇范圍，這樣可以對相似的器件類型使用最后的標準(比如成本和封裝)進行選擇。
光轉換
LTV和LTC器件分別將光能轉換成電壓和電流輸出。這兩種器件有許多相同的應用并可以交互使用。所以，請記住，在下面有關LTV器件的討論中，如果你使用電流替換電壓，那么討論結果也將適用于LTC器件。LTV器件在感應到光的強度時，它的輸出電壓會增大或減小。器件的動態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/輸出稱為暗電壓(Vd)，出現在輸入光強度為0的時候。最大或飽和電壓級別對應于光電二極管能夠轉換的最大光能量的輸入;即使光能量輸入超過該值，輸出電壓仍將保持不變?！TV/C探測器適用于需要監測光強瞬間變化的應用領域，例如，在某條生產線上，有必要檢測快速移動的傳送帶上每個物體經過某一點時光強的變化。通常，需要安裝一個A/D轉換器，作為傳感器和微處理器或其他類型控制器之間的接口。LTF器件將光能轉換成某種波形，波形的頻率與被感應的光強成正比。LTF器件的動態范圍由它的最小和最大輸出頻率決定。當輸入光強為0時，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的增加而增加時的頻率。
LTF的動態范圍遠遠超過LTV器件，它適用于需要更高分辨率的應用場合。例如，動態范圍是4V而噪聲(暗電壓)是4mV的線性LTV器件可以提供1000個階梯，而動態范圍是1MHz，噪聲(暗頻率)是0.5Hz的LTF可以提供200萬個階梯，TAOSTSL237即為一例。LTF的頻率輸出需要使用一個頻率計數器或者微處理器進行處理。LTD器件將光強轉換成數字數據。然后，數字數據被存儲在內部寄存器之中，在那里，數據將隨著落在傳感器上的光強變化而成正比變化。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。這種器件的動態范圍是寄存器最大和最小取值之差。其數字接口也使得這些器件有一定的可編程性，可用來控制增益以及積分時間等量。大多數LTD器件是可尋址的，這意味著多個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間的LTD器件的一個例子。這個傳感器通過I2C接口為編程狀態提供了中斷功能。
轉換速率
在許多應用中，光探測器能否將光強的變化轉換成有用輸出的速度是應考慮的一項重要因素。與輸出類型無關，光電二極管的偏置和尺寸是決定傳感器轉換速度的主要因素：光電二極管越大，電容越大，對光強的響應就越慢。因此，反向偏壓被用來增加轉換速率。請注意，通常情況下，對于集成傳感器轉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轉換(LTA)器件。因為除了光電二極管之外，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器件更快的響應時間。LTA器件的速度可通過輸出的上升和下降時間進行測量。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。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換時間。通常，轉換會在電流轉換到目標頻率輸出的一個周期內完成。因此，LTF器件響應產生1kHz波形的光強比響應產生1MHz波形的光強要慢。如果要測量極弱的光強，對這一點的考慮會非常重要。LTD器件的速度與LTA或者LTF器件有些不同，因為LTD器件通常不是連續地在輸出總線上放置數據;并且通常只有在控制器發出請求時，它才提供數據。此時，數據才會被載入到數據寄存器。因而，轉換速率由總線的速度決定。
光譜響應
了解應用的光譜感應要求，并使用具有合適的光譜響應的傳感器與之匹配，這是一項重要的系統考慮。例如，使用近紅外LED的接近探測器，需要只對近紅外區域光譜能量進行響應的傳感器。并且這個傳感器一定不能對可見光區域的光能進行響應。要達到這樣的目的，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器。如果應用需要只對可見光區域響應，也需要進行同樣的考慮，比如色度測量。這需要濾除太陽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。這種類型的應用也需要紅、綠和藍(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
光學列陣
一些應用有時需要搜集空間信息。這時可以采用許多分立器件或者集成光學線性列陣來完成。集成的光學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，通常以每英寸內的點數(dpi)給出。400dpi器件的像素截距是63.5μm?？臻g分辨率直接與dpi數值對應;dpi越大，空間分辨率越高。對于給定的dpi，像素集的數目決定了器件的有效長度;例如，400dpi128像素的TAOS TSL1401的有效長度大約為8mm。這些器件的輸出可以是模擬的(通常是電壓)或數字的。這些器件的速度由積分時間(光被允許照射器件的時間)和時鐘速率決定。對大多數應用而言，線性列陣是通過像素數、有效長度、分辨率和時鐘速率來選擇的。線性列陣是掃描型應用最理想的選擇，但是它也適用于位置和邊緣探測。
結束選擇
一旦根據轉換類型、速率以及光譜響應縮小了選擇范圍，最后的選擇就要基于其他標準，比如封裝類型、溫度范圍，當然還有成本。典型的工作溫度范圍是商用(0～70℃)，工業用(-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。光的應用傾向于更高的系統集成，見圖1，集成度越高，傳感器的復雜度越高，但各部件對應用所起的作用卻越低。
硅基光探測器，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，以適應其廣泛的應用領域。與其他光探測器相比，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用廣泛，但能否選擇到最合適的該種儀器將對設計性能產成巨大的影響。幸運的是，根據大量應用，現在已形成了用于選擇集成硅基光傳感器的通用標準。
通用標準
在硅基IC探測器領域，為特定的應用選擇最適合的探測器需要考慮諸多因素。這些因素包括光轉換的類型、轉換速率以及光譜響應。集成的光傳感器可以將光轉換成不同種類的輸出，包括將光轉換成電流(LTC)，電壓(LTV)，頻率(LTF)以及數字信號(LTD)。它們對光做出響應并以快慢不等的相應速度輸出，速度(響應時間)從幾毫秒到幾納秒不等。硅基探測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，包含了可見光(400～700nm)。應當注意的是，在這一范圍內，光譜響應并不一致。雖然上述3項標準并不是選擇光傳感器時需要考慮的唯一因素，但它們極大地縮小了選擇范圍，這樣可以對相似的器件類型使用最后的標準(比如成本和封裝)進行選擇。
光轉換
LTV和LTC器件分別將光能轉換成電壓和電流輸出。這兩種器件有許多相同的應用并可以交互使用。所以，請記住，在下面有關LTV器件的討論中，如果你使用電流替換電壓，那么討論結果也將適用于LTC器件。LTV器件在感應到光的強度時，它的輸出電壓會增大或減小。器件的動態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/輸出稱為暗電壓(Vd)，出現在輸入光強度為0的時候。最大或飽和電壓級別對應于光電二極管能夠轉換的最大光能量的輸入;即使光能量輸入超過該值，輸出電壓仍將保持不變?！TV/C探測器適用于需要監測光強瞬間變化的應用領域，例如，在某條生產線上，有必要檢測快速移動的傳送帶上每個物體經過某一點時光強的變化。通常，需要安裝一個A/D轉換器，作為傳感器和微處理器或其他類型控制器之間的接口。LTF器件將光能轉換成某種波形，波形的頻率與被感應的光強成正比。LTF器件的動態范圍由它的最小和最大輸出頻率決定。當輸入光強為0時，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的增加而增加時的頻率。
LTF的動態范圍遠遠超過LTV器件，它適用于需要更高分辨率的應用場合。例如，動態范圍是4V而噪聲(暗電壓)是4mV的線性LTV器件可以提供1000個階梯，而動態范圍是1MHz，噪聲(暗頻率)是0.5Hz的LTF可以提供200萬個階梯，TAOSTSL237即為一例。LTF的頻率輸出需要使用一個頻率計數器或者微處理器進行處理。LTD器件將光強轉換成數字數據。然后，數字數據被存儲在內部寄存器之中，在那里，數據將隨著落在傳感器上的光強變化而成正比變化。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。這種器件的動態范圍是寄存器最大和最小取值之差。其數字接口也使得這些器件有一定的可編程性，可用來控制增益以及積分時間等量。大多數LTD器件是可尋址的，這意味著多個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間的LTD器件的一個例子。這個傳感器通過I2C接口為編程狀態提供了中斷功能。
轉換速率
在許多應用中，光探測器能否將光強的變化轉換成有用輸出的速度是應考慮的一項重要因素。與輸出類型無關，光電二極管的偏置和尺寸是決定傳感器轉換速度的主要因素：光電二極管越大，電容越大，對光強的響應就越慢。因此，反向偏壓被用來增加轉換速率。請注意，通常情況下，對于集成傳感器轉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轉換(LTA)器件。因為除了光電二極管之外，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器件更快的響應時間。LTA器件的速度可通過輸出的上升和下降時間進行測量。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。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換時間。通常，轉換會在電流轉換到目標頻率輸出的一個周期內完成。因此，LTF器件響應產生1kHz波形的光強比響應產生1MHz波形的光強要慢。如果要測量極弱的光強，對這一點的考慮會非常重要。LTD器件的速度與LTA或者LTF器件有些不同，因為LTD器件通常不是連續地在輸出總線上放置數據;并且通常只有在控制器發出請求時，它才提供數據。此時，數據才會被載入到數據寄存器。因而，轉換速率由總線的速度決定。
光譜響應
了解應用的光譜感應要求，并使用具有合適的光譜響應的傳感器與之匹配，這是一項重要的系統考慮。例如，使用近紅外LED的接近探測器，需要只對近紅外區域光譜能量進行響應的傳感器。并且這個傳感器一定不能對可見光區域的光能進行響應。要達到這樣的目的，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器。如果應用需要只對可見光區域響應，也需要進行同樣的考慮，比如色度測量。這需要濾除太陽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。這種類型的應用也需要紅、綠和藍(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
光學列陣
一些應用有時需要搜集空間信息。這時可以采用許多分立器件或者集成光學線性列陣來完成。集成的光學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，通常以每英寸內的點數(dpi)給出。400dpi器件的像素截距是63.5μm?？臻g分辨率直接與dpi數值對應;dpi越大，空間分辨率越高。對于給定的dpi，像素集的數目決定了器件的有效長度;例如，400dpi128像素的TAOS TSL1401的有效長度大約為8mm。這些器件的輸出可以是模擬的(通常是電壓)或數字的。這些器件的速度由積分時間(光被允許照射器件的時間)和時鐘速率決定。對大多數應用而言，線性列陣是通過像素數、有效長度、分辨率和時鐘速率來選擇的。線性列陣是掃描型應用最理想的選擇，但是它也適用于位置和邊緣探測。
結束選擇
一旦根據轉換類型、速率以及光譜響應縮小了選擇范圍，最后的選擇就要基于其他標準，比如封裝類型、溫度范圍，當然還有成本。典型的工作溫度范圍是商用(0～70℃)，工業用(-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。光的應用傾向于更高的系統集成，見圖1，集成度越高，傳感器的復雜度越高，但各部件對應用所起的作用卻越低。
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