Оптические сенсоры в электронике: как они работают, типы и приложения

Эта статья объясняет, как оптические сенсоры конвертируют свет в электрические сигналы, обводит их основные типы, ключевые критерии отбора и реальные юзкейсы по отраслям, здравоохранению и потребительской электронике.

Оптические сенсоры — компактные электронные компоненты, детектирующие падающий свет и трансформирующие его в измеримые электрические сигналы. В зависимости от дизайна они могут kvantифицировать интенсивность света, расстояние, температуру или присутствие объектов, обеспечивая точный контроль в широком массиве систем.

Ниже мы покрываем базовые принципы, общие семейства сенсоров, дизайн-соображения и секторы, которые больше всего выигрывают от этой технологии.

Пример оптического сенсора. Изображение courtesy of ROHM

Приложения оптических сенсоров

Оптические сенсоры интегральны для современной электроники и машины в промышленных, потребительских, здравоохранения и авто доменах.

Медицина и здравоохранение

Во время пандемии COVID-19 спрос на бесконтактный мониторинг взлетел. Оптические сенсоры теперь питают диспенсеры санитайзера, обеспечивая соблюдение гигиены в долговременных уходовых объектах. Другие медицинские юзкейсы включают системы анализа дыхания, использующие tunable diode лазеры и фотоплетизмографию (PPG) устройства, мониторящие частоту сердца путем измерения отраженного света от кожи. Носимые трекеры здоровья также полагаются на оптические сенсоры для непрерывного мониторинга жизненных признаков.

Промышленное и коммерческое

В мануфактуринге и процессном контроле оптические сенсоры выполняют детекцию расстояния, температуры и уровня. Например, инфракрасные LED-базированные уровнемеры измеряют нефтяные уровни в танк-фермах, в то время как фотоинтерраптеры верифицируют размещение компонентов на сборочных линиях, поддерживая автоматизацию Industry 4.0.

Потребительская электроника

Смартфоны используют ambient-light сенсоры для регулировки яркости дисплея, продлевая жизнь батареи. Схема ниже демонстрирует, как микроконтроллер и LED driver IC генерируют ток, пропорциональный окружающему свету, мимикрируя чувствительность человеческого глаза.

Рисунок 1. Блок-диаграмма IC ambient light сенсора. Изображение courtesy of ROHM

Фотоинтерраптеры и рефлективные сенсоры находят применение в принтерах, 3D сканерах и системах наблюдения, детектируя движение и предотвращая вторжения.

Типы оптических сенсоров

Ключевые семейства сенсоров включают:

• Трансмиссионные фотоинтерраптеры — детектируют присутствие объекта прерыванием луча света; используются для позиционирования и скоростного чутвения.
• Рефлективные фотосенсоры — чувствуют движение через изменения интенсивности отраженного света.
• Фотопроводящие устройства — становятся проводящими при освещении, обеспечивая ток-базированную детекцию.
• Фотодиоды — конвертируют падающие фотоны напрямую в электрический ток.
• Фототранзисторы — похожи на фотодиоды, но предлагают внутреннее усиление, идеально для low-light приложений.

Операция оптических сенсоров

Эффективное оптическое чутвение требует стабильного, монохроматического источника света. LEDs и лазеры — самые частые из-за их компактности и надежности. LEDs испускают фотоны, когда электроны рекомбинируют с дырочками на p-n переходе, в то время как лазеры достигают когерентного света через стимулированную эмиссию в материалах вроде стекла или кристалла.

Рисунок 2. Блок-диаграмма оптического proximity сенсора. Изображение courtesy of ROHM

Каждый тип сенсора по-разному реагирует на свет. Например, выход фотоинтерраптера LOW, когда свет достигает фототранзистора (нет объекта) и HIGH, когда луч заблокирован, позволяя прямую интеграцию с микроконтроллерами.

Рисунок 3. Конструкция фотоинтерраптера. Изображение courtesy of ROHM

Дизайн-соображения

Инженеры должны балансировать response time, стоимость, размер и чувствительность при отборе сенсора:

• Response time — критично для высокоскоростных приложений; многие сенсоры включают встроенные тайминговые цепи для управления rise и fall задержками.
• Стоимость — влияют мануфактуринг, тестирование и R&D; bulk закупка может снизить unit цены.
• Размер — варьируется от 3.6×3.3 mm до 8×4.2 mm для фотоинтерраптеров; тренды миниатюризации фаворят меньшие, высокопроизводительные модули.
• Чувствительность — сенсоры с ±40% спектральной чувствительностью могут достигать до 4x более быстрых proximity или ambient-light измерений.

Рисунок 4. Изображение продукта RPI-246 (слева) и RPI-44C1E (справа). Изображение courtesy of ROHM

Преимущества оптических сенсоров

• Легковесные, компактные пакеты
• Иммунитет к электромагнитным интерференциям (EMI)
• Высокая надежность и широкий динамический диапазон
• Высокая чувствительность по видимому и инфракрасному спектрам
• Химическая инертность, подходящая для опасных сред

Эти атрибуты делают оптические сенсоры идеальными для бесконтактного, высокоточного измерения в safety-critical настройках, особенно на фоне повышенных требований гигиены.

ROHM решения для оптического чутвения

ROHM предлагает портфолио высокопроизводительных оптических сенсоров — включая proximity и ambient-light модули, фотоинтерраптеры, инфракрасные LEDs, фотодиоды и фототранзисторы — спроектированных для автоматизации, детекции движения и безопасности. С операционным температурным диапазоном –25°C до +85°C и ультра-компактными пакетами, решения ROHM обслуживают требовательные промышленные и потребительские приложения.

Для большей информации о решениях ROHM для оптического чутвения, пожалуйста, посетите сайт ROHM.

Industry Articles — форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits способом, не подходящим для редакционного контента. Все Industry Articles подлежат строгим редакционным гайдлайнам с намерением предложить читателям полезные новости, техническую экспертизу или истории. Взгляды и мнения, выраженные в Industry Articles, являются взглядами партнера и не обязательно All About Circuits или его авторов.