重大版《生物医学传感器》第八章--光电传感器

第八章 光电传感器以光为媒介，以光电效应为基础的传感器，把光信号电信号81 光电效应光电效应光照射到物质上引起其电特性（电子发射、电导率、电位、电流等）发生变化的现象。一、外光电效应受光照射，物体内的电子吸收光能逸出物体表面，向外发射的现象。如：光电管、光电倍增管。遵循以下两条基本定律：（1）斯托列夫定律：当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目的饱和值）与入射光强成正比。（2）爱因斯坦定律：（光电效应方程）光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光强无关。h普朗克常量 入射光频率 产生光电发射的极限频率（光子能量恰好等于逸出功A0）波长阈值 当1)，个次极电子经聚焦、加速后轰击第三倍增极，打出 2个电子依次类推，经过n个倍增极之后，一个电子则变成了n个电子，所有电子最后被阳极收集，形成较强的输出电流。假设某一光电倍增管的 4，n10，则放大倍数n 104一106，约为100万倍。可见，光电倍增管对很微弱的光能产生很大的电流。光电倍增管一般使用Sb-Cs或者Ag-Mg涂料，倍增极的数目多在414之间，值一般为36。光电倍增管工作原理过程简述：光通量阴极K一次电子qk、电流ik在Uk作用下，加速轰击D1打击出二次电子；， 经过n次打击被阳极吸收, , n 二次发射极数。 ,式中 二次电子发射系数。阴阳极间电压为：10002500V，相邻电极电位相差100V。电流放大倍数，可达106108。(2)光电倍增管的主要特征参数 光电倍增管的主要特征参数有电流放大倍数、灵敏度和暗电流等。 电流放大倍数M(电流增益)。电流放大倍数是指在一定工作电压下，光电倍增管阳极信号电流IA与阴极电流IK的比值。即MIAIK。在一般正常条件下，M值为104106，与加在光电倍增管上的总电压(阴极阳极之间的电压)成正比，稳定性为1左右。灵敏度。光电倍增管的灵敏度是指照射的单位光通量使阳极产生的饱和光电流值。它是描述光电倍增管将光信号转变为电信号的能力，其大小与极间所加的电压有关。图所示为光电倍增管的特征参数灵敏度、电流放大倍数与所加电压的关系曲线。暗电流。当光电倍增管加有一定的工作电压，但完全没有光照时，仍有阳极电流输出，此电流的直流分量(平均量)称为暗电流。暗电流的值与工作电压和温度有关，但是主要取决于光电倍增管材料本身，例如欧姆漏电、热发射等。暗电流决定了光电倍增管可检测光通量的阈值。3、光电管、光电倍增管的应用 在生物医学工程领域，光电管、光电倍增管常用于探测光学信号。这些探测仪器包括生化仪器、医用射线仪器等。光电管成本较低，要求直流电压低，但是灵敏度也低，多用于光信号较强的光学分析仪器。光电倍增管灵敏度高，放大倍数高，性能稳定，因此广泛用于弱光线的测量，尤其是对各种射线的探测。例如，光电管、光电倍增管在分光光度计中得到应用分光光度计是根据比尔定律，测定物质对某一区域不同波长光吸收的大小，进而测出物质在溶液中的浓度和得到其光谱特性，在生化实验分析中是必不可少的仪器。分光光度计的原理框图如图所示。从光源发出的光经单色光器色散后变为单色光，此单色光透过比色皿内的待测溶液，照射到光电管上。光电管将这随溶液浓度不同而变化的光信号转换成电信号，再经放大器放大后，由微安表将透光度或吸光度显示出来。针对测量较弱的光线，可将光电管换成光电倍 增管，使测量灵敏度增加。二、光敏电阻光照射光敏电阻时，导电性增加，电阻值下降，此时称为亮阻，不受光照射时电阻为暗阻。暗、亮阻之比，可达102106。工作在可见光红外区，弱光下工作灵敏度高于其它器件，频率特性差，光电特性非线性。三、光电池与光敏管1、光电池结构象二极管，工作面大，受光面为正极。有源器件，不需外接电压。频率特性好，光电转换效率高。光谱范围宽：0.4511硒光电池：，人眼视觉灵敏度最大点。光电池(photocell)是一种光生伏特效应元件，属于内光电效应的器件。当它受到光照时不需外加任何形式的能量就会产生电流输出，其输出电流与接受的光照有一定的关系，用它可以反映光照强度的大小。光电池是一种用途很广的光敏器件，其优点是体积小、质量轻、结构简单、寿命长、性能稳定、光照灵敏度较高、光谱响应频带较宽，尤其在小型化和微功耗仪器中，它是常用的换能器件。一般情况下，光电池按结构可分为两类：1）利用PN结的光生伏特效应制成的光电池；2）利用半导体与金属接触产生光生伏特效应制成的光电池。下面以硅光电池和硒光电池为例，介绍光电池的基本性能。(1)光谱特性： 硅光电池适用的光波长在0.41.2 范围内最大灵敏峰在0.8左右；硒光电池适用的光波长在0.30.7范围内，最大灵敏峰在0.5左右。(2)频率特性： 一般来说，硅光电池比硒光电池的频率响应高得多，而且负载电阻越小，频率响应越好，因而需要快速响应的场合可采用硅光电池，例如高速计数仪器上。硅光电池性能稳定、光谱范围宽、频率特性好，因此使用最广泛。图所示为光电池最基本的特性，光电池仅与电阻连接，当光照增加(减少)时，负载RL中的电流随之增加(减少)。(3)光电池的伏安特性曲线 光电池的伏安特性曲线图所示。由图可以看出，为了使光电池的输出电压U或电流I与入射光光照度E之间保持良好的线性关系，必须正确地选择负载电阻RL。 伏安特性曲线中最佳负载线为Rj，把光电池特性曲线分成两个区，其中线性区有RLRj，在这个区域内光电池的输出电压与光照度正的对数成正比，此区也称为光电压区域。在光电压区，光电流与光照度E不存在线性关系，不能用于光探测电路，即不能用于线性测量中。 作为光电池的应用举例，给出一个光电比色计。光电比色计属于光学分析仪器，其原理图如图所示。 从光源发出的光束分成左右两路，其中右边一路光程中放有标准样品，左边一路光程中放有被测溶液。两路测量装置采用两个特性完全相同的光电池完成光电转换，两光电池的信号经输入放大器放大后送到计算机进行计算处理，然后输出在表头上显示。显示值正比于被分析样品的某项指标，如颜色、浓度、浑浊度等。2、光敏二极管（光电二极管）结构与PN结二极管相似，工作要加反向偏压无光照，反向电阻达4M，有光照时，反向电阻1K几百欧。频率特性好，弱光灵敏度低。光照特性线性好。光敏二极管(photodiode)亦称光电二极管，是一种半导体光电转换器件，其基本工作原理是当光照射半导体的PN结时，在反向电压的作用下，其反向电流随光照度变化而变化，实现将光信号转换成电信号的功能。光敏二极管响应速度快，体积小，价格低，坚实耐用，所以目前已得到广泛的应用。光敏二极管的结构与普通二极管相似，由一个PN结组成，封装在透明外壳中，引出两个电极。光敏二极管的顶部有受光窗口和透镜，以便接受光的照射。与普通二极管相比，光敏二极管的特点是结面积较大。光敏二极管在无光照时，外加反向工作电压使光敏二极管的PN结空间电荷区增宽，电路中只有很小的反向漏电流，称为光敏二极管的暗电流。暗电流主要是由PN结中少数载流子运动形成。当光照射光敏二极管时，光子打在PN结附近，使PN结空间电荷区产生电子空穴对，它们在外电场的作用下，与P区和N区的少数载流子做定向运动而形成电流，此时的电流要比无光照时的漏电流大得多。这种因光照而大大增加的反向电流称为光敏二极管的光电流。光电流随入射光光照度而做相应变化，光照度越强则光电流越大。使用中，光敏二极管的正极与电源的负极相连，负极通过负载电阻只接电源的正极。光敏二极管结构和引脚图如图所示。普通的PN结型光敏二极管的暗电流较大，响应速度也不快，在要求响应速度快，线性度好和微弱信号检测的测量系统中常采用PIN型光敏二极管和雪崩型光敏二极管。光敏二极管的伏安特性曲线如图所示。无光照时，光敏二极管的电压电流特性与一般二极管一样，如图中无光照曲线所示，特性曲线在第象限。对光敏二极管施加正向电压时，正向电流将几乎随电压升高而按指数规律上升，如图中第象限虚线所示。如图导通的二极管，不可用于光电测量。特性曲线在第象限时，表明光敏二极管反向偏置，这是光敏二极管的工作区第象限的特性曲线表明，反向电流随入射光光照度的增强而增大，在一定的反向电压范围内，反向电流的大小几乎与反向电压的高低无关，但是与光照度成正比例。这正是光敏二极管用作光电探测器时的工作区域。所以在入射光光照度一定的条件下，反向偏置的光敏二极管相当于一个恒流源。光敏二极管欲正确使用，通常应选择合适的工作点(I0，U0)和输出的负载RL，如图所示，保证光敏二极管工作在线性区。负载电阻过大和过小都会使光敏二极管偏离线性工作区特性曲线在第象限时，表示光敏二极管呈“发电”特性，此时光敏二极管在光照下相当于光电池的特性。光敏二极管欲正确使用，应对光敏二极管加反向电压并工作在第象限。光敏二极管的测量电路图3所示。光敏二极管加反向电压正，选择合适的负载电阻使其工作在线性区，光电流在负载电阻RL上产生成比例的电压，对于交流信号采用电容耦合后接交流放大器。图3(a)和(b)中输出信号电压与负载RL的信号电压成正比。若输入光信号是正脉冲，图3(a)接法在RL上也得到正脉冲电压，而在图3(b)接法在RL上得到负脉冲电压。图3(c)用于直流信号的测量，这种电路由于不受电容影响，适合于高频脉冲状态。3、光敏晶体管（光电三极管）光敏晶体管与光敏二极管一样，光敏晶体管(phototransistor)也是一种半导体光电转换器件，兼有晶体管的放大特点，光敏感性比光敏二极管更好，是常用的光电转换器件之一。光敏晶体管由两个PN结组成，有NPN型，也有PNP型，其中以NPN型为常见。与普通晶体管相比，在内部结构上，光敏晶体管的集电结面积较大，发射结面积较小，目的是扩大光照面积；在外形上多数只有集电极c，发射极e，引线基极b作为光敏感极无引线接出。光照射发射结产生的光电流相当于基极电流，集电极电流是光电流的倍。基极与集电极之间相当于反向偏置的光敏二极管，光敏晶体管的顶部有受光窗口和透镜，以便接受光的照射。光敏晶体管结构原理图和符号图如图所示。光敏晶体管的灵敏度比二极管要高，但有更大的暗电流和较大的噪声，稳定性比光电二极管差，且响应速度慢于光敏二极管。光敏晶体管的输出特性如图所示。常见的光敏晶体管有硅光敏晶体管和锗光敏晶体管，二者相比，硅光敏晶体管稳定性较好，最高使用温度为125左右。锗光敏晶体管一般暗电流较大，最高使用温度约50C。光敏器件的主要特性曲线如下图所示： 各种光电元件，峰值波长相差较大，应选用与之匹配的光源。4、雪崩二极管（APD）在PN结的P型区再设置一层掺杂浓度很高的P+层，工作电压接近击穿的反向偏压，光子激发的电子在P+区受强大的内部电场作用，加速轰向P区。通过反向电压击穿，引起电流增益，类似光电倍增管的工作原理，功率比一般二极管大104倍，工作电压比光电倍增管低。（约几百伏）一个入射光子激发出一个电子，通过碰撞电离产生更多的二次电子空穴对，频响103MHz以上，灵敏度极高，。四、半导体位置传感器（PSD）基于侧向光电效应，A、B间产生的侧向光电势的大小、方向与光斑相对灵敏面中心位置有关。当x较小时，N区电阻率 N区厚度I总光电流 2r接点间距五、CCD固态图像传感器CCD固态图像传感器集光电转换，电荷存贮，电荷转移为一体 一个脉冲反映1个光敏元受光情况光信号CCD（电荷耦合器件）电脉冲信号 幅度受光强弱顺序光能元位置光生电荷与入射光成正比。常用面阵CCD器件、摄像头。84 光电传感器的计算一、光通量的计算 ， 波长为的光源的发光强度。球面面积 整个球面立体度：光学元件（透镜）对点光源所张的立体角，接收的光通量A光学元件面积 R光源与光学元件之间的距离 若考虑光学元件的吸收和反射损耗反射系数 光谱透射比 l光学元件内路径长二、光电流的计算单色光源： 光谱灵敏度非单色光源：三、电路分析计算按晶体管电路理论分析计算：表8-1。输入光通量或光照度E代替晶体管输入电流Ib，以灵敏度代替晶体管电流放大倍数。减小暗电流（噪声电流）的措施。如图所示：1、桥式补偿电路：二个相同的光电元件，一个接收信号，一个在暗盒中。2、负温度系数的热敏电阻：T，I暗，RT，Ub基本稳定。3、光电三极管有基极引线，基射之间接入Rb，Ube，并趋于稳定。4、二极管电压负温度特性：T，I暗，URb，但UD2，Ub基本不变。85 光电传感器的类型一、基本类型1、透射式：由测吸收被测量2、反射式：由测=反射被测量3、辐射式：光源=被测对象 测被测量4、遮挡式：5、开关式二、双光路光电传感器 目的：减少电源波动，光路干扰等引起的测量误差。工作原理：初始时，调整光楔6改变两个光电元件输出相等电桥平衡测量中：外界干扰两光路同时变化在电桥中抵消86 光电传感器在生物医学中的应用一、光电式脉博波检测1、光电式脉博波传感器利用近红外单色光在一般组织中的穿透性比血液中大几十倍的现象，被测部位的透光率随血管博动而变化。血液中血红蛋白含量的增减（血流量），使组织对光的吸收量发生改变。2、光电脉博波测量血压当P袖P动脉，动脉被阻断，脉博波消失最高血压（收缩压）脉博振幅最大点P袖=P动脉平均血压光源手指（透射法）当V血管容积变化V吸光物质变化透射变化二、生物化学光谱分析仪可见光分光光度计、紫外光分光光度计、红外光、荧光分光光度计（框图）。测量原理：不同物质吸收光波长不同，物质本身具有自己的吸收光谱：测出吸收光谱曲线，就可以对物质进行定位、定量分析。吸收曲线与物质浓度成正比。朗伯-比尔定律： I透射光强度 C溶液浓度I0入射光强度 L溶液厚度K消光系数（吸收系数）当I0、K、L不变时，浓度C越大，I越小，光被吸收越多。要满足使用条件；溶液浓度太大，比尔定律不成立。朗伯定律：AL 比尔定律：ACA光的吸收程度（吸光度）棱镜色散波长越短，色散程度越好。紫外区分辨率可达0.2nm，长波段只能达5nm。衍射光栅较长的光波偏折角大，较短的光波偏折的角度小，因而形成光谱。棱镜色散后起分光作用，只允许待测溶液所能吸收的单色光射出。单色器可由：滤光片、棱镜、光栅等得到波长的单色光。三、光电法测血氧饱和度血氧饱和度被氧结合的氧合血红蛋白（HbO2）的容量点全部可结合的血红蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中的血氧浓度。根据LambertBeer定律E吸光系数 C血液中HbO2浓度L动脉血液光路长度（溶液厚度）吸光度：动脉博动时，不变，吸光度变化：透射光强由Imax减少到两种波长（，）吸光度的变化为： 考虑到，式中： 当=805nm，E1=E2=E简化而得到A、B要求B尽量小，可选=650nm，此时差最大。E1、C1动脉血液中HbO2的