3.7 光电传感器.ppt

1、3.7 光学传感器及其医学应用,常向荣 ,主要内容,3.7.1 光学效应 3.7.2 光电器件的基本特性参数 3.7.3 光电管、 光电倍增管 3.7.4 光电池 3.7.5 光敏二极管和光敏晶体管 3.7.6 生物化学谱分析仪器光学测量原理 3.7.7 光固态图像传感器,光学传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。也称为光电式传感器 从而实现非电量的光信号电测量。 光电传感器具有反应速度快、检测灵敏度高、可靠性好、抗干扰能力强、结构简单等一系列优点，因此在生物医学测量系统中得到了广泛的应用。,本节课简要,光 对光的利用 怎样把光转换成电的器件 怎样利用被测量改变了光的辐照度，由此利用本节的

2、器件转换成电，进行测量 一句话：输入是光，输出是电，研究光电之间的关系 （改变光的其它性能在3.9光纤传感器有介绍）,光的基本特性,一、光谱 光波：波长为10106nm的电磁波 紫外线：波长10380nm， 波长10200nm称为极远紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长300380nm称为近紫外线 可见光： 波长380750nm 红外线：波长750106nm 波长0.78m 3m以下的称近红外线 波长3.06m的红外线称为中红外线 波长超过61000 m的红外线称为远红外线。,3.7.1 光电效应,光电效应： 指当光照射到物体上时,物体受到一连串具有能量光子的轰击。于是物体中的电子吸

3、收了光子的能量而产生电效应，包括发射电子，产生电动势或改变电导率等。 光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类 主要表现有：发射电子、产生电动势或改变电导率等。,3.7.1.1 外光电效应,在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,光可以被看成是具有一定能量的粒子流,这些粒子即为光子，每个光子所具有的能量E正比于光的频率(s-1),即光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：,E=h,h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）,光电效应遵循两个定律： 斯托列夫定律： 频率不变，饱

4、和光电流与入射光强度成正比。 是光电管与光电倍增管检测的基础 爱因斯坦定律 光电子最大动能，与入射光频率成线性关系，与入射光强度无关。,3.7.1.1 外光电效应,根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。 根据能量守恒定理,光电子最大动能，与入射光频率成线性关系，与入射光强度无关。,光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有

5、一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。,当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,3.7.1.2 内光电效应,当光照射在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。,（1） 光电导效应,光电导体 在光作用下，其电导率发生变化的现象。 光照射到

6、绝大多数高电阻率半导体材料，引起该材料的电阻率下降而易于导电的现象。,过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。材料的光导性能决定于禁带宽度,无光照射时材料的电导率称为暗电导，有光照射时电导率的增量称为光电导,（2） 光生伏特效应,某些半导体或电解质材料，在光线的作用下，产生一定方向的电动势的现象。 势垒效应（结光电效应）。 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽

7、度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。,侧向光电效应。 当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。 当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件

8、（PSD）,（2） 光生伏特效应,3.7.2 光电器件的基本特性参数,光辐射能量的强度与光敏器件产生的电学性能之间的关系 3.7.2.1 响应度 光敏器件输出电压与入射光功率之比,响应度表征光敏器件输出信号能力的特征,3.7.2.2 光谱特性,光敏器件对不同波长的同强度的辐射响应度不一样，表征波长与响应度之间的关系称为光谱特性,硅光电池的光谱特性,截止波长,3.7.2.3 噪声等效功率,当入射到光敏器件面上的辐射功率所产生的响应电压，刚好等于该器件噪声电压时，那么这个辐射功率称为噪声等效功率（最小可探测光功率 ）。,信噪比等于1时，入射辐射功率值 表示该光敏器件检测信号时的阈值，低于这个阈值的

9、辐射信号是无法检测到的 描述器件的品质优劣,3.7.2.4 响应时间,是描述光敏器件对入射光辐射响应快慢的参数。 入射光具有一定的频率，光敏器件对不同频率的响应不同，对于该器件有一定的频率范围，定义： 从响应的峰值到下降3dB时，称为截止频率。 响应时间决定了光敏器的频率响应的带宽。（如何理解？）,3.7.2.5 线性度,是指光敏器件输出光电流（或电压）与输入光功率成线性比例的程度和范围,3.7.3 光电管与光电倍增管,3.7.3.1 光电管 基于外光电效应的基本光电转换器件。 光电管可使光信号转换成电信号。 分真空光电管和充气光电管两种。 光电管的典型结构 是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面

10、上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。 若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵敏度。 在电场的作用下，光电子在极间作加速运动,最后被高电位的阳极接收,在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。 用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替。,3.7.3.1 光电管,RL上的输出电压反映光强度的变化,阴极是在半圆形的金属片上涂上感光材料,不同的感光材料光谱特性不同。 常用的感光材料有：银、钙、锑等。阳极

11、是由环状的单根金属丝构成。,光电管工作电路：直流电源E,阳极接电源正极,阴极接负极。在没光照时电路无电流。 阴极受到光照发射电子，电子在阳极正电势吸引下形成电子流,并在负载RL形成电压降, 输出电压反映光强度变化。光电管在很宽的光强范围内稳定性好，但是灵敏度较低。,2光电倍增管（PMT),光电倍增管在高真空管中装入一个光电阴极和多个倍增电极,各个倍增电极均加上电压，而且电压依次升高，形成电子流的不断倍增。 可使极其微弱的入射光转换成放大电子流,因此具备更灵敏的光检测能力。 在无热生电子状态,它甚至可检测到单个光电子。,3.7.3.2 光电倍增管,一次发射：光子 电子 二次发射：电子 电子 物体

12、二次发射能力表示：,二次发射,二次发射系数 ，是一次发射能量 的函数 具有极大值， 不同材料的 相差悬殊 金属：0.50.8 半导体：36 负电子亲和势发电体：500 才使得电子数倍增。,电子亲和势指的是半导体导带底部到真空能级间的能量值，它表征材料在发生光电效应时，电子逸出材料的难易程度。 电子亲和势越小，就越容易逸出。 如果电子亲和势为零或负值，则意味着电子处于随时可以脱离的状态， 用电子亲和势为负值的材料制作的光电阴极，由光子激发出的电子只要能扩散到表面就能逸出，因此灵敏度极高。,光电倍增管,原理： 微弱光微弱电子二次发射获得大的电流,计算： =4，n=10 放大倍数为多少？,假设某一光

13、电倍增管的=4，n=10 则放大倍数n = 410106 ,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。 光电倍增管倍增极数目多在414之间, 值一般为36。,3.7.3.2 光电倍增管,主要特征参数 电流放大倍数M 是指在一定的工作电压下，光电倍增管阳极信号电流IA与印记电流IK之间的比值。 与加在光电倍增管上的总电压成正比 灵敏度 是指照射的单位光通量使阳极产生的饱和光电流。 可以理解为入射一个光子后在阳极上能够收集到的平均电子数 描述光电倍增管将光信号转换成电信号的能力,一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫

14、做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。,特征参数 暗电流 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 如何产生？ 与工作电压和温度有关 材料特性 决定了光电倍增管可检测光通量的阈值,3.7.3.2 光电倍增管,3.7.3.3 光电管、光电倍增管的应用,光电倍增管的应用（一）,核素成像中的应用 核素成像的主要原理 采用光电倍增管检测 射线激起的光信号 示踪同位素发出 射线典化钠晶体光信号光电倍增管电

15、信号。, 照相机原理,光电倍增管应用（二）,通过测定甲状腺典摄入量的改变，来诊断其功能障碍程度。,甲状腺具有摄取和浓聚碘离子的能力, 它吸取碘离子的数量和速度与它的功能状态有密切关系 示踪剂量可以从 l2微居里至数十微居里 探测技术有：计数管直接放在甲状腺部位进行测量的直接测量法，把闪烁探头或Y计数管与颈部保持一定距离进行测量的远距离测量法 测量时间有一次法，多次动态法，快速连续纪录法等 测定结果国内一般地区都以24h甲状腺吸131碘率1545为正常范围小于 15为功能低下大于45为高于正常,甲状腺摄取I的测定,甲状腺准直器NaI闪烁晶体光电倍增管放大器脉冲高度鉴别器计数器,通过这两个例子可得

16、到的信息,待测体可使某物理量发生改变 测量物理量引起光的改变 光的改变转换成电的改变 通过特定的电路进行接收显示，从而表征待测体的变化,3.7.4 光电池,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，不需要外加任何型式的能量就会产生电流输出 输出的电流与接受的光照有一定的关系，用它可以反应光照强度的大小,3.7.4 光电池,按结构分类： PN结 制成的光电池（光电二极管） 硅光电池、锗光电池 性能稳定，光谱范围宽，频率性能好，效率高，耐高温，耐辐射等优点。 半导体与金属接触制成的光电池 在半导体上蒸发一层半透明的薄膜。 硒光电池、氧化亚铜光电池,1、PN结类 光电池,势垒效应

17、（结光电效应）。 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。,PN结光生伏特效应PN结的形成,外加正偏电压：P N，外电场使内电场变窄，利于多子扩散。,外加反偏电压：N P，外电场使内电场变宽，抑制多子扩散，利于少子漂移。,现在：光照射到PN结上，产生载流子。在内电场的作用下，电子N，空穴P。中和了原来的内电场，形成了新的电位差。

18、 光电流与入射光照度和电子空穴的收集率有关 等效于一个恒流源与一个理想的二极管,PN结光生伏特效应光照后,光电池的特性 光电池与电阻连接, 当光照增加(减少)时，负载RL中的电流随之增加(减少)。 光电池特性曲线在第象限,光电池的伏安特性曲线,在给定光照下，最佳负载线RL=Rj将把光电池特性曲线分成两个区：线性区和对数区,线性区: RLRj 光电池输出电压与光照L的对数成正比,输出电压高但线性关系差,称为光电压区域。一般用于对线性无要求的开关电路 为保持良好线性关系,必须正确选择负载电阻RL。,硅光电池的测量电路,图3.7.9 光电池的基本特性,恒流源Ip-光生电流 Rsh为结泄露电阻 Ish

19、为结泄露电流 Rs为光电池的串联电阻 C为结电容 RL为负载电阻,光电池的基本特性,光谱特性 硅光电池：适用光波长为0.41.2um，最大灵敏度在0.8um 硒光电池：0.30.7um，最大灵敏度在0.5um,频率特性 硅光电池比硒光电池频率响应高,光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。,（3） 光生伏特的伏安特性,光电池的输出特性（伏安特性） 光电池与光照输入输出之间的关系

20、 开路电压光强 短路电流光强,如图，短路电流光强成线性，可做传感器使用。 做电源使用时，尽量使得输出功率最大,3.7.4.2 光电池用于线性测量电路,光电池作测量使用时,不作电压源使用,应作电流源使用 光电池给负载光电流随光照强度变化而变化,放大则应选电流放大器。 光电池负载线越靠近电流轴,即R L越小,输出电流就越大,越接近短路电流。显然,这种工作情况要求负载电阻RL(或放大器的输入阻抗Rj)尽量小,硅光电池处于零偏置状态,其等值负载电阻为零。运放的输出电压等于硅光电池短路电流Isc与反馈电阻R1的乘积, U0 = IscR1 输出电压与入射光照度有良好线性关系。,3集成光电放大器OPT10

21、1,OPT101是采用光电转换器件和单电源运算放大器集成的单片器件。 OPT101片内有一个互跨阻抗放大器和一个光电二极管。输出电压随光亮度线性增加,此放大器可用单电源或双电源工作,因此对于电池供电很理想。其结构和接线见图。,其输出电压: Vo=IDRF + 7.510-3 (V) 约7.5mV的基电压是为单电源工作引入的。 没有光照时输出直流电压为7.5mV,并随着光亮度的增加而增加。 使用片内1M反馈电阻后,输出电压响应度在波长为650nm时大约为0.45V/W。,应用实例1:一个测量物质光吸收曲线的装置,应用实例1:光电比色计原理图 1聚光镜,2滤光器,3硒光电池, 4被分析样品，5标准

22、样品,3.7.4.3 集成光电放大器OPT101,课外作业： 该器件的性能与应用,光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。 优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。 不足：需要外部电源，有电流时会发热。,光敏电阻,3.7.5 光敏二极管和光敏晶体管,光敏二极管 光照使得二极管导通，具有光电转换功能 工作状态：反偏，在无光照情况下，反向电阻很大，此时反向电流（暗电流） 光照射二极管PN结，产生的载流子在内电场的作用下，形成光电流,3.7.5.1 光敏二极管,光电二极管和光电池一样，其基本结构

23、也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。,3.7.5.1 光敏二极管,光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,3.7.5.1 光敏二

24、极管,光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流 当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流； 当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。 受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。 光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是

25、线性的，所以适合检测等方面的应用。,（1） PIN管结光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。 由式 = CRL与 f = 1/2知，C小，则小，频带将变宽。,P-Si,N-Si,I-Si,PIN管结构示意图,（1） PIN管结光电二极管,最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容

26、要进一步减小，使频带宽度变宽。 不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。,（2） 雪崩光电二极管(APD),雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达103MHz，是目前响应

27、速度最快的一种光电二极管。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。 由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。,3.7.5.2 光敏三极管,光敏三极管有PNP型和NPN型两种。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益, 只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。 当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。 当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与

28、发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。,3.7.5.2 光敏三极管,光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。 因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,（2）伏安特性,3.7.5.3 生物医学测量中的应用光电式脉搏传感器,光电容积描记法 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，可以制成指尖脉搏传感器， 血流流经指尖血管时，被测部位的透光率将随着血管波

29、动而变化，被调制后的光强度通过光电转换器件转换成电信号，以此描述血管搏动情况,3.7.6 生物化学光谱分析仪器,生化分析仪是临床诊断常用的重要仪器之一。它是通过对血液和其他体液的分析来测定各种生化指标：如血红蛋白、胆固醇、肌肝、转氨酶、葡萄糖、无机磷、淀粉酶、白蛋白、总蛋白、钙等。结合其它临床资料，进行综合分析，可帮助诊断疾病，对器官功能作出估价，并可鉴别并发因子以及决定今后治疗的基准等。,生物化学光谱分析仪器有： 可见光分光光度计 紫外光分光光度计 红外光分光光度计 荧光分光光度计 这些仪器所用的检测器件就是光电管、光电倍增管和光电池等各种光学器件 测量原理： 在分光光度计中,将不同波长的光

30、连续地照射到一定浓度的样品溶液时,便可得到与众不同波长相对应的吸收强度. 如以波长()为横坐标,吸收强度(A)为纵坐标,就可绘出该物质的吸收光谱曲线.利用该曲线进行物质定性、定量的分析方法,称为分光光度法,也称为吸收光谱法. 用紫外光源测定无色物质的方法,称为紫外分光光度法;用可见光光源测定有色物质的方法,称为可见光光度法.它们与比色法一样,都以Beer-Lambert定律为基础.,3.7.6 生物化学光谱分析仪器,3.7.7 光固态图像传感器,光学图像信号转换成相应的电信号的物理器件 由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成 CCD的基本功能是将动态图像转换成电信号,是MOS晶体管与PN结光敏二

31、极管组成。,3.7.7.1 CCD的结构和基本原理,CCD是由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结构如图所示。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积铝电极而构成MOS的电容式转移器。将MOS阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。,固态图像传感器的基本构成,光电转换部分 读出蓄积电荷的扫描部分 读出电荷的输出部分,一、烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。,光电传感器的应用实例,平行 光源,光电 探测,放大,显示,刻度 校正,报警器,吸收式烟尘浊度检测系统原理图,烟道,二、光电转速传感器,下图是光电数字式转速表的工作原理图。 图(a)是在待测转速轴上固定