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如何给光电传感器确定合理的辐射强度与集电极电流?

作者:德宝传感器人气:

 光电传感器的输出电流是光电传感器非常关键的一个性能参数。光电传感器的输出电流不只与发射器辐射强度和接纳器集电极电流的大小、发射器与接纳器之间的间隔或角度、发射器与接纳器前槽孔的大小等设计参数有关,还与元件及外壳的制造工艺控制、装配过程的工艺控制、测试过程等有关。在剖析设计与制造过程中影响光电传感器输出电流要素的根底上,提出了包括合理肯定发射器和接纳器的辐射强度与集电极电流、增强消费与制造过程工艺控制、分等级匹配等进步产品良品率的措施。

光电传感器普遍应用于消费过程自动化、办公自动化设备、医疗器械、光控玩具等行业,且不时在一些新的研讨范畴中得以应用,如智能车自动寻迹系统、临床医学检测、焊缝自动跟踪系统、军事配备、能源应用系统等。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)和光接纳器件即接纳器(Detector)组装而成。槽型光电传感器将发射器与接纳器隔开一定间隔装置在外壳中,发射器发射的红外或可见光经过外壳的槽缝抵达接纳器,用以检测发射器与接纳器之间能否有物体遮挡。反射型光电传感器则将发射器与接纳器按某一角度装置在外壳中,用以检测传感器前能否有反射介质或反射介质的类型。光电传感器的根本特性包括输出电流与接纳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。虽然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请求、性能稳定、牢靠性好、本钱合理的光电传感器亦并非易事,更何况有些应用场所对传感器性能参数的请求非常苛刻。本文从设计与制造角度讨论影响光电传感器输出电流的要素,并提出进步传感器消费制造过程良品率的一些相应措施。

1发射器与接纳器的选取

光电传感器的输出电流ICON是光电传感器一个非常关键的参数。对槽型光电传感器而言,在给定条件下,ICON不只与发射器辐射强度Ee、接纳器集电极电流IC有关,还和发射器与接纳器的间隔以及发射器与接纳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纳器之间间隔改动时,发射器电流10 mA时丈量得到的接纳器集电极电流IC随间隔的变化曲线。间隔越大,相同条件下接纳器集电极电流IC就越小。而发射器与接纳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纳器集电极电流应分离发射器与接纳器之间的间隔,以及槽缝宽度停止选取。

对反射型光电传感器而言,在给定条件下,ICON不只与发射器辐射强度Ee、接纳器集电极电流IC有关,还与传感器与反射面之间的间隔以及发射器与接纳器之间的角度有关。在反射型光电传感器设计过程中,发射器辐射强度与接纳器集电极电流应分离传感器与反射面之间的间隔以及发射器与接纳器之间的角度停止选取。

2工艺与制造过程的影响

 

普通而言,高的发射器辐射强度Ee与高的接纳器集电极电流IC装配组成的光电传感器,其输出电流ICON也较高;反之亦然。但由于工艺、测试及制造过程中的变差,例外的状况也不少。图2中的样品6与样品10,虽然两者的发射器辐射强度Ee接近,样品10的接纳器集电极电流IC高于样品6的IC,但样品10的输出电流ICON却要低于样品6的ICON;样品8与样品13的发射器辐射强度Ee与接纳器集电极电流IC都相近,但样品8的输出电流ICON却高许多;同样,样品1与样品5的发射器辐射强度Ee与接纳器集电极电流IC都相近,但样品5的输出电流ICON却要低很多。形成这种状况的影响要素有许多,主要包括塑料外壳注塑过程中惹起的尺寸变差、传感器组装过程中惹起的变差、发射器辐射强度在空间散布的变化以及测试过程中形成的误差等。

(1)外壳尺寸变差。槽型和反射型光电传感器绝大多数的外壳采用塑料外壳,模具加工制造、注塑件的注塑以及冷却过程都会惹起同一尺寸在不同塑料外壳之间的变化,这包括槽型光电传感器发射器与接纳器前槽缝宽度的变化、外壳上用于装置发射器与接纳器局部之间间隔的变化,反射型光电传感器发射器与接纳器前孔尺寸的改动、外壳上用于装置发射器与接纳器局部之间角度的变化等。这些尺寸的变化将惹起传感器输出电流的变化。

(2)装配过程中产生的变差。槽型和反射型光电传感器中发射器、接纳器与外壳间的装配与固定需求经过一定的工艺来完成,如槽型光电传感器,对一些外壳资料可经过热压的方式将发射器和接纳器与外壳固定。在装配过程中,对槽式光电传感器,发射器透镜的光轴并不能保证与接纳器透镜光轴在同一条线上,一些产品偏离设计请求小一些,而另一些则偏离大一些;同样,对反射型光电传感器,发射器透镜的光轴与接纳器透镜光轴的交点也不可能都如设计所请求正好位于反射物的外表上,有些产品的交点靠前,而另一些则可能靠后一些。这些装配过程中的变差也会惹起传感器输出电流的变化。

(3)发射器辐射强度及其空间散布上的变化晶片位置对发射器辐射强度及在空间散布有影响。在设计条件下,晶片位于发射器透镜的中心线上。但在发射器的消费制造过程中,固晶(die_attach)和封胶(encapsulation)这两道工序都可能使晶片偏离中心线,而封胶过程形成的偏离普通会更大。图3为同一晶圆(wafer)不同批次(lot)发射器辐射强度的散布。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运用条件普通并不相同,辐射强度在空间散布的变化有可能招致在相同条件下,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,通常状况下用于填充反射杯和掩盖晶片的硅胶的折射率与封胶用的环氧树脂(epoxy)的折射率非常接近,故硅胶与环氧树脂接壤面的外形对发射器的辐射强度散布的影响很小。但若两者有一定差异,则接壤面的外形会对发射器的辐射强度散布产生影响,这种状况下控制点胶工序中所用硅胶的量相同或相近非常重要,以便使不同发射器硅胶与环氧树脂接壤面的外形坚持分歧,防止由此惹起发射器辐射强度在空间散布的变化。

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

3进步产品良品率的措施

(1)合理肯定光电传感器输出电流的范围。依据应用场所的不同,光电传感器输出电流的范围有宽有窄。对输出电流的范围有较高请求的应用场所,需合理肯定范围,过高的请求会招致产品良品率的降落,招致本钱增加。

(2)样品应具代表性。在样品制造阶段,应从不同消费批次中抽取发射器和接纳器来组装传感器样品,从而在设计阶段对一个批次中可用的发射器和接纳器的比例有正确的估量,防止批量消费时良品率偏低。

(3)工艺与制造过程的控制。外壳尺寸的变化、装配中发射器与接纳器的固定、晶片位置的变化以及测试误差都会招致传感器输出电流的变化,严厉控制外壳注塑工艺过程、传感器的装配过程、发射器与接纳器的制造过程,是进步传感器良品率的必要条件。另外,发射器与接纳器测试前都应采用规范元件对测试机台停止校准。

(4)分等级匹配。若光电传感器输出电流的范围请求比拟窄,可思索将同一批次的发射器或接纳器按辐射强度或集电极电流分红两至三个等级,高辐射强度发射器与低集电极电流接纳器相匹配,或低辐射强度发射器与高集电极电流接纳器相匹配,以进步同一批次中可用发射器和接纳器的比例。在特定状况下,如外壳本钱较高,以至可思索增加返工工序,交换不合格产品中的发射器或接纳器,使其满足对输出电流的请求。

4结论

 

大多数应用场所对光电传感器的输出电流的范围有一定请求,有些场所的请求还很苛刻,如何合理肯定发射器的辐射强度与接纳器的集电极电流,以及光电传感器的其他一些设计参数,是光电传感器设计与研发中的一个关键。同时,发射器与接纳器制造过程中的一些变差、外壳注塑及装配过程中的变差、测试误差等都会影响光电传感器的输出,需求对这些工艺及制造过程停止严厉控制。对输出电流请求苛刻的光电传感器,在制造过程中,还可思索将接纳器与发射器按辐射强度与集电极电流停止分等级匹配,以进步产品良品率。

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