半导体颜色传感器

(陈伟秀)人的眼睛能对380～780mm波长范围内的可见光，作出选择性的反应，从而看到各种颜色，这就是所谓人的颜色视觉特性。但是，人们对千变万化的颜色的分辨能力以及不同的人对同一颜色的判断都存在着很大的差异，很难客观地反映各种物体的颜色。因此，根据人的颜色视觉特性，研制和开发各种不同用途的测量颜色的仪器，就成为当今颜色光学研究的重要课题。近几年来，作为代替人的颜色感官的半导体颜色传感器，越来越受到人们的重视。

半导体色敏器件，实际上就是一种新型的半导体光敏元件，它的核心部件就是光敏二极管。

光敏二极管的一个重要特性是光谱灵敏度特性。就是说，当入射到光敏二极管上的光照强度保持一定的情况下，输出的光电流会随着入射光的波长的改变而改变。这种变化关系是由半导体材料的光吸收特性决定的。

光敏二极管的光谱特性是从PN结的硅表面开始，按深度而变化的。硅光敏二极管的这种光吸收特性，就是用来制造硅色敏器件的理论基础。

双色硅色敏器件，由于结构简单、成本低廉，作为一种粗略地区分颜色的装置，具有重大的实用价值。图1为一种最简单的双色硅色敏器件——武汉大学最近研制的CS—1型双色硅色敏器件的结构示意图和外形图。这种结构的色敏器件，是在同一块硅基片上制作两个深浅不同的PN结，构成双结硅光伏二极管。结深较浅的PN结光伏二极管PD\(_{1}\)主要吸收短波长的蓝光，而对长波长的红光和红外光吸收很少，所以浅结硅光伏二极管PD1的蓝光响应好，红光响应差；而深结硅光伏二极管PD\(_{2}\)则相反，它主要吸收长波长的红光，所以它有很好的红光响应，蓝光灵敏度则变得很小，从而得到如图2所示的双结硅光伏二极管的光谱响应曲线。

当然，在利用双结硅光伏二极管作为测色元件时，只靠图2所示的光谱响应曲线是不够的，还必须计算（测量）出不同波长下，两个光伏二极管的短路电流I\(_{SC2}\)、ISC1的比值I\(_{SC2}\)／ISC1，从而得到如图3所示的双色硅色敏器件短路电流比与入射光波长的关系曲线。从图中可以清楚地看到，光的波长（颜色）与短路电流比的关系，它与光的强弱无关。因此，只要测量出了1\(_{Sc2}\)/ISc1的值，利用图3所示的关系曲线就可以确定所测光的波长。

双色硅色敏器件对于精确地检测多种波长组成的混合色光是有困难的，特别是在识别印刷物或颜料的颜色时，既使是了解了这些混合色光的光谱特性，计算也有困难。

最近，日本研制出了可以识别混合色光的硅集成化三色色敏器件，图4为它的结构示意图。在同一块非晶硅基片上制作出三个非晶硅检出部分，并分别配上红、绿、蓝三块滤色片，构成一个整体，就可以得到了如图5所示的非晶硅全色色敏器件的光谱特性。因此，通过比较R、G、B的输出，就能够识别出物体的颜色。

一、双色硅色敏器件的实际检测电路

图6是双色硅色敏器件的一种有代表性的信号处理电路。图中PD\(_{1}\)、PD2为双结硅光伏二极管，它们的输出分别连接到运算放大器OP\(_{1}\)和OP2的反相输入端。连接到OP\(_{1}\)和OP2的输入与输出之间的D\(_{1}\)和D2是对数变换元件，OP\(_{3}\)为一差动放大器，用以实现其对两个输入电压（即OP1和OP\(_{2}\)的输出电压）的减法运算，最后在电路的输出端得到对应于不同颜色波长的输出电压值：

只要测量出电路的输出电压值Vo，就可以直接在曲线上确定待测光的波长，确定颜色。

二、硅集成三色色敏器件的颜色识别电路

图7为一种RGB识别电路方框图。从RGB三个敏感元件的检出部分得到不同的输出电流，经运算放大器放大后，进入A/D转换器变换成数字信号，输入到微机中。微机根据方程进行颜色判断，最后显示出待测光的颜色。

半导体色敏器件具有结构简单、体积小、成本低等特点，其用途见表。