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光電傳感器中發射器與接收器的匹配

2015/5/10 23:34:46      点击:

光電傳感器的輸出電流是光電傳感器十分關鍵的一個性能參數。光電傳感器的輸出電流不僅與發射器輻射強度和接收器集電極電流的大小、發射器與接收器之間的距離或角度、發射器與接收器前槽孔的大小等設計參數有關,還與元件及外殼的制造工藝控制、裝配過程的工藝控制、測試過程等有關。在分析設計與制造過程中影響光電傳感器輸出電流因素的基礎上,提出了包括合理確定發射器和接收器的輻射強度與集電極電流、加強生産與制造過程工藝控制、分等級匹配等提高産品良品率的措施。

光电传感器广泛应用于生产过程自动化、办公自动化设备、医疗器械、光控玩具等行业,且不断在一些新的研究领域中得以应用,如智能车自动寻迹系统、临床医学检测、焊缝自动跟踪系统、军事装备、能源利用系统等。常用的光电传感器有槽型光电传感器(Transmissive Optical Sensor)、反射型光电传感器(Reflective Optical Sensor)等。槽型和反射型光电传感器均由发光器件即发射器(Emitter)和光接收器件即接收器(Detector)组装而成。槽型光电传感器将发射器与接收器隔开一定距离安装在外壳中,发射器发射的红外或可见光通过外壳的槽缝到达接收器,用以检测发射器与接收器之间是否有物体遮挡。反射型光电传感器则将发射器与接收器按某一角度安装在外壳中,用以检测传感器前是否有反射介质或反射介质的类型。光电传感器的基本特性包括输出电流与接收器两端电压之间的关系曲线、输出电流与发射器输入电流之间的关系曲线、输出电流随温度变化的关系曲线、脉冲响应特性曲线等。尽管从工作原理上槽型和反射型光电传感器都并不复杂,但要设计与制造一款满足要求、性能稳定、可靠性好、成本合理的光电传感器亦并非易事,更何况有些应用场合对传感器性能参数的要求十分苛刻。本文从设计与制造角度讨论影响光电传感器输出电流的因素,并提出提高传感器生产制造过程良品率的一些相应措施。

1發射器與接收器的選取

光电传感器的输出电流ICON是光电传感器一个十分关键的参数。对槽型光电传感器而言,在给定条件下,ICON不仅与发射器辐射强度Ee、接收器集电极电流IC有关,还和发射器与接收器的距离以及发射器与接收器前槽缝的宽度有关。图1为侧面发光发射器与侧面受光接收器之间距离改变时,发射器电流10 mA时测量得到的接收器集电极电流IC随距离的变化曲线。距离越大,相同条件下接收器集电极电流IC就越小。而发射器与接收器前槽缝的宽度越大,相同条件下光电传感器的输出电流ICON就越大。在槽型光电传感器设计过程中,发射器辐射强度与接收器集电极电流应结合发射器与接收器之间的距离,以及槽缝宽度进行选取。


對反射型光電傳感器而言,在給定條件下,ICON不僅與發射器輻射強度Ee、接收器集電極電流IC有關,還與傳感器與反射面之間的距離以及發射器與接收器之間的角度有關。在反射型光電傳感器設計過程中,發射器輻射強度與接收器集電極電流應結合傳感器與反射面之間的距離以及發射器與接收器之間的角度進行選取。

2工藝與制造過程的影響

一般而言,高的發射器輻射強度Ee與高的接收器集電極電流IC裝配組成的光電傳感器,其輸出電流ICON也較高;反之亦然。但由于工藝、測試及制造過程中的變差,例外的情況也不少。圖2中的樣品6與樣品10,盡管兩者的發射器輻射強度Ee接近,樣品10的接收器集電極電流IC高于樣品6的IC,但樣品10的輸出電流ICON卻要低于樣品6的ICON;樣品8與樣品13的發射器輻射強度Ee與接收器集電極電流IC都相近,但樣品8的輸出電流ICON卻高許多;同樣,樣品1與樣品5的發射器輻射強度Ee與接收器集電極電流IC都相近,但樣品5的輸出電流ICON卻要低很多。造成這種情況的影響因素有許多,主要包括塑料外殼注塑過程中引起的尺寸變差、傳感器組裝過程中引起的變差、發射器輻射強度在空間分布的變化以及測試過程中造成的誤差等。


(1)外殼尺寸變差。槽型和反射型光電傳感器絕大多數的外殼采用塑料外殼,模具加工制造、注塑件的注塑以及冷卻過程都會引起同一尺寸在不同塑料外殼之間的變化,這包括槽型光電傳感器發射器與接收器前槽縫寬度的變化、外殼上用于安裝發射器與接收器部分之間距離的變化,反射型光電傳感器發射器與接收器前孔尺寸的改變、外殼上用于安裝發射器與接收器部分之間角度的變化等。這些尺寸的變化將引起傳感器輸出電流的變化。

(2)裝配過程中産生的變差。槽型和反射型光電傳感器中發射器、接收器與外殼間的裝配與固定需要通過一定的工藝來完成,如槽型光電傳感器,對一些外殼材料可通過熱壓的方式將發射器和接收器與外殼固定。在裝配過程中,對槽式光電傳感器,發射器透鏡的光軸並不能保證與接收器透鏡光軸在同一條線上,一些産品偏離設計要求小一些,而另一些則偏離大一些;同樣,對反射型光電傳感器,發射器透鏡的光軸與接收器透鏡光軸的交點也不可能都如設計所要求正好位于反射物的表面上,有些産品的交點靠前,而另一些則可能靠後一些。這些裝配過程中的變差也會引起傳感器輸出電流的變化。

(3)发射器辐射强度及其空间分布上的变化晶片位置对发射器辐射强度及在空间分布有影响。在设计条件下,晶片位于发射器透镜的中心线上。但在发射器的生产制造过程中,固晶(die_attach)和封胶(encapsulation)这两道工序都可能使晶片偏离中心线,而封胶过程造成的偏离一般会更大。图3为同一晶圆(wafer)不同批次(lot)发射器辐射强度的分布。由图可见,批次1辐射强度在0.07~0.08 mW/10°范围内发射器的比例为34.2%,而批次2辐射强度在相同范围内的比例为41.8%。由于发射器辐射强度的测试与发射器在光电传感器中的使用条件一般并不相同,辐射强度在空间分布的变化有可能导致在相同条件下,装配测试得到的高辐射强度发射器的光电传感器,其输出电流反而比装配测试得到的低辐射强度发射器的光电传感器低。另外,通常情况下用于填充反射杯和覆盖晶片的硅胶的折射率与封胶用的环氧树脂(epoxy)的折射率十分接近,故硅胶与环氧树脂交界面的形状对发射器的辐射强度分布的影响很小。但若两者有一定差别,则交界面的形状会对发射器的辐射强度分布产生影响,这种情况下控制点胶工序中所用硅胶的量相同或相近十分重要,以便使不同发射器硅胶与环氧树脂交界面的形状保持一致,避免由此引起发射器辐射强度在空间分布的变化。

(4)测试误差。在发射器与接收器测试过程中,由于机台、测试人员不同,会导致测试结果的变差。图4为3位测试人员在同一机台测试相同的三个接收器样品得到的结果。由图可见,样品2不同集电极电流测试值之间的最大差值甚至略高于0.5 mA.测试误差与机台的测量精度、测试过程中用于固定元件的夹具的精度等有关。


3提高産品良品率的措施

(1)合理確定光電傳感器輸出電流的範圍。根據應用場合的不同,光電傳感器輸出電流的範圍有寬有窄。對輸出電流的範圍有較高要求的應用場合,需合理確定範圍,過高的要求會導致産品良品率的下降,導致成本增加。

(2)樣品應具代表性。在樣品制作階段,應從不同生産批次中抽取發射器和接收器來組裝傳感器樣品,從而在設計階段對一個批次中可用的發射器和接收器的比例有正確的估計,避免批量生産時良品率偏低。

(3)工藝與制造過程的控制。外殼尺寸的變化、裝配中發射器與接收器的固定、晶片位置的變化以及測試誤差都會導致傳感器輸出電流的變化,嚴格控制外殼注塑工藝過程、傳感器的裝配過程、發射器與接收器的制造過程,是提高傳感器良品率的必要條件。另外,發射器與接收器測試前都應采用標准元件對測試機台進行校准。

(4)分等級匹配。若光電傳感器輸出電流的範圍要求比較窄,可考慮將同一批次的發射器或接收器按輻射強度或集電極電流分成兩至三個等級,高輻射強度發射器與低集電極電流接收器相匹配,或低輻射強度發射器與高集電極電流接收器相匹配,以提高同一批次中可用發射器和接收器的比例。在特定情況下,如外殼成本較高,甚至可考慮增加返工工序,替換不合格産品中的發射器或接收器,使其滿足對輸出電流的要求。

4結論

大多數應用場合對光電傳感器的輸出電流的範圍有一定要求,有些場合的要求還很苛刻,如何合理確定發射器的輻射強度與接收器的集電極電流,以及光電傳感器的其他一些設計參數,是光電傳感器設計與研發中的一個關鍵。同時,發射器與接收器制造過程中的一些變差、外殼注塑及裝配過程中的變差、測試誤差等都會影響光電傳感器的輸出,需要對這些工藝及制造過程進行嚴格控制。對輸出電流要求苛刻的光電傳感器,在制造過程中,還可考慮將接收器與發射器按輻射強度與集電極電流進行分等級匹配,以提高産品良品率。

作者:安全光柵傳感器佛山AG体育官网游戏