现代传感器 现代传感器原理——光敏传感器

现代传感器原理——光敏传感器

1．光敏传感器的定义及分类：

（1）定义：将光能变换为相应电能的装置。

（2）分类

1） 光电效应传感器：用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。 分为外光电效应和内

光电效应器件

2） 固态图像传感器：包括电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成的 CCD 图像

传感器和用光敏二极管与 MOS 晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的 CMOS 图

像传感器两大类。

3） 光纤传感器：是唯一的有源光敏传感器，利用发光管或激光管发射的光，通过光纤

传输到被检测对象，经检测对象调制后的光沿着光导纤维反射或发送到光接收器，再经

接受解调后变成电信号。

4） 新型光敏传感器：包括利用各种新型光电转换原理制备的传感器，应用广泛的有激

光传感器、核辐射传感器，高分子光电传感器。

2．外光电效应：在光照下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射的现象，称为外

光电效应。

3．光电导效应：光照射半导体时材料吸收光子而产生电子-空穴对使电导率增加的现象称为

光电导效应。

4．光生伏特效应：受到光照射时产生电位差的现象称为光生伏特效应。

5．PN 结光生伏特效应：将 PN 结受光照后两段产生电动势的现象称为 PN 结光生伏特效应。

6．固态图像传感器的分类：

CMOS 、电荷注入器件 CID 。

7．光纤传感器的基本组成和分类：

（1）基本组成：主要由光源、光纤与光探测器三部分组成。

（2）分类：

8．光纤传感器的调制类型：按调制类型不同，将光纤传感器原理分为强度调制、相位调制、

频率调制、时分调制和偏振调制等。

9．光电发射二极管的工作原理：光照到阴极上产生光电子,阳极电压使其加速,碰撞气体分

子,电离出更多电子和离子，又被加速，碰撞…电离,即发生了电子倍增效应，相当于具有放

大作用，达 10 倍左右。

10．光电倍增管的工作原理：光照到光阴极上产生光电子,在真空电场下被加速，投射到第

一个“打拿极”D1 上，一个光电子可产生多个电子,多次被加速而激发打拿极后电子数目倍

增。

11．光敏三级管的工作原理：无光照时，集电结反偏，热激发少子电子从基区 b 漂移入 c，

空穴自 c 到 b，形成暗电流 Icbo；发射结正偏 Icbo 扩散越过此结。B 区留下的正离子吸引 e

区电子，被 c 收集形成 ce 间的暗电流即反向截止电流 Iceo。有光照时，大量光生电子漂移

到 c，b 留下正离子会吸引 e 的电子，又被 c 收集而形成放大的电流。集电结产生的光电流

为 IL。

12．光敏电阻在自动控制照明装置的应用及其电路分析：见书 P59。

13．光敏三级管在光电脉冲转换电路的应用及其电路分析：见书 P73。

传感器：现代科技的核心与市场展望

传感器作为现代科技的基石，其作用和应用范围日益扩展。这些精密器件能够感知周围环境的变化，并将这些变化转换为电信号或其他形式的输出，从而在各个领域发挥至关重要的作用。

传感器的定义和基本原理

定义：传感器是一种检测设备，能够感知特定的输入（如热量、光线、压力、运动等），并以适合于输出或显示的方式响应这些输入。

基本原理：传感器工作的基础是将物理量转换为电量。这包括多种原理，如电阻变化、电容变化、电感变化、压电效应、磁电效应、热电效应等。

传感器的分类与应用

1. 电阻式传感器

原理：工作基于电阻值随被测量物体的形态（如压力、温度）变化而变化的原理。

应用：例如，温度测量中的热敏电阻、压力测量中的应变片。

2. 电容式传感器

原理：利用电容变化来检测各种物理或化学过程引起的距离或介质变化。

应用：如用于触摸屏技术的电容屏、湿度检测中的湿度传感器。

3. 电感式传感器

原理：基于电感量变化来检测距离、位置、金属物体等。

应用：如用于测量旋转轴的位置的电感式位置传感器。

4. 压电传感器

原理：利用某些材料在受力时产生电压的特性。

应用：如用于检测引擎震动的汽车震动传感器。

5. 磁电式传感器

原理：检测磁场变化来感知物体的存在或位置。

应用：如测量车速的ABS轮速传感器。

6. 热电传感器

原理：基于温差产生电压的原理。

应用：如温度测量中的热电偶。

7. 光学传感器

原理：利用光的变化来检测物理量，如光强、光谱、光的偏振状态等。

应用：如用于测量光线强度的光敏电阻器、用于医疗成像的光学成像传感器。

8. 化学传感器

原理：能够检测特定化学物质的存在或浓度。

应用：如用于检测血糖水平的葡萄糖传感器、环境监测中的气体传感器。

9. 生物传感器

原理：结合生物识别元件与物理传感器，用于检测生物体中的特定化学或物理过程。

应用：如用于血液分析的生物化学传感器。

传感器的应用领域

1. 工业领域

应用案例：在工业自动化中，传感器用于监测机器的运行状态、控制生产线的速度和质量。例如，流量传感器用于控制化工过程中的液体流动。

2. 消费电子领域

应用案例：在智能手机中，加速度传感器用于检测设备的方向，光学传感器用于相机的自动对焦。

3. 通信电子领域

应用案例：用于增强通信设备的性能，如用于信号强度检测的电磁传感器。

4. 汽车电子领域

应用案例：汽车中的温度传感器用于监控引擎温度，而压力传感器则用于监测轮胎气压。

5. 物联网领域

应用案例：家庭自动化系统中的光线传感器用于根据外部光线调节室内照明。

6. 医疗保健领域

应用案例：可穿戴设备中的心率传感器用于监测用户的心跳和运动。

全球传感器市场概览

根据Yole Development的数据，2022年全球传感器市场规模达到了1900亿美元。这一市场的分布在各个领域呈现多样化，其中：

汽车电子领域：占全球市场的24%，表明了汽车智能化和电动化趋势对传感器需求的显著推动作用。

工业制造领域：占比21%，反映了工业自动化和智能制造对高精度传感器的需求。

网络通信领域：同样占比21%，突出了通信技术在传感器市场的重要地位。

消费电子领域：占比15%，显示了智能设备对传感器技术的广泛应用。

医疗电子领域：占比7%，随着医疗技术的发展，传感器在这一领域的应用也在增加。

传感器主要企业市场占比

2022年，全球传感器市场前十大企业共占市场份额的66%，显示了这些领先企业的市场统治力。具体来看：

博世（Bosch）：占据20%的市场份额，凸显其在全球传感器市场的领导地位。

英飞凌（Infineon）：以15%的市场份额紧随其后。

安森美（Onsemi）：占据12%的市场份额，显示其在市场上的强势影响力。

德州仪器（Texas Instruments）、霍尼韦尔（Honeywell）、瑞萨电子（Renesas）、意法半导体（STMicroelectronics）、恩智浦（NXP Semiconductors） 等其他企业也在传感器市场中占有重要位置。

中国传感器企业的市场影响

中国传感器企业在全球传感器市场中约占20%的份额，其中，韦尔股份、歌尔股份、敏芯科技等在国内市场展现出强大竞争力。这些企业在MEMS传感器、图像传感器等技术领域取得显著成就，正逐渐缩小与国际企业的差距。

随着技术进步和新应用领域的出现，传感器市场预计将继续保持增长势头。到2028年，预计全球传感器市场规模将达到4200亿美元。这一增长将由以下几个关键因素驱动：

汽车行业的智能化：随着自动驾驶技术的发展，汽车对高精度传感器的需求将进一步增长。

工业4.0：工业自动化和智能制造的推进将增加对各类工业传感器的需求。

物联网的扩展：物联网的发展将在家居自动化、城市基础设施等领域创造新的传感器应用。

医疗健康技术的进步：随着可穿戴设备和健康监测技术的普及，传感器在医疗保健领域的应用将显著增加。

全球传感器市场由几家主导企业占据大部分市场份额，表明了这些企业在技术创新、产品质量、市场渗透方面的领先地位。同时，中国企业在全球传感器市场中的份额持续增长，显示了其不断提升的技术水平和市场竞争力。随着各行业对高性能传感器需求的增加，全球传感器市场预计将继续扩大，且竞争格局可能会有新的变化。

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