重大版《生物醫(yī)學傳感器》第八章--光電傳感器(共18頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上第八章 光電傳感器以光為媒介，以光電效應為基礎的傳感器，把光信號電信號§81 光電效應光電效應光照射到物質上引起其電特性（電子發(fā)射、電導率、電位、電流等）發(fā)生變化的現(xiàn)象。一、外光電效應受光照射，物體內的電子吸收光能逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象。如：光電管、光電倍增管。遵循以下兩條基本定律：（1）斯托列夫定律：當入射光的頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（即單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)目的飽和值）與入射光強成正比。（2）愛因斯坦定律：（光電效應方程）光電子的最大動能與入射光的頻率成線性關系，而與入射光強無關。h普朗克常量 入射光頻率 產生光電發(fā)射的極限頻率（光子能量

2、恰好等于逸出功A0）波長閾值 當<，入射光強再大，也不會產生光電效應。當不變，光電流與光強成正比。（斯托列夫定律）二、內光電效應：受光照射，物體電導率發(fā)生變化或產生光電動勢的現(xiàn)象。1、光電導效應：在光照射下，電子吸收光能過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率的變化。如光敏電阻。2、光生伏特效應：在光照射下，使物體產生一定方向的電動勢。如：光電池、光電二極管、光電三極管。§82 光電器件基本特性1、光譜靈敏度光電器件對單色輻射通量的反應，是波長的函數(shù)。 在處的為最大值時，對應的為峰值波長。，單色輻射通量單位時間內發(fā)射的輻射能。2、積分靈敏度 S光電器件對連續(xù)輻射通量的反應程度。3、頻率

3、特性：靈敏度隨射光強調制頻率f變化。4、光照（光電）特性：光電流（或電壓）與入射光通量之間的關系。5、伏安特性：入射光頻譜及光通量一定時，光電流和電壓之間的關系。§83 光電器件一、光電管與光電倍增管1、光電管光照射到涂有光敏材料的陰極，使電子逸出，被陽極吸引，形成光電流。光電管(phototube)的種類很多，其基本結構如圖所示。在真空玻璃泡內有兩個電極：陰極K和陽極A。陰極是在半圓形的金屬片上涂上感光材料，不同的感光材料對光波長敏感程度不同，即光譜特性不同。常用的感光材料有銀、鈣、銻等。在陰極前面的陽極是由環(huán)狀的單根金屬絲構成。光電管工作電路如圖所示。在陰極和陽極之間供給直流電壓

4、E，陽極接電源正極，陰極接電源負極。在沒有受到光照時電路無電流。如果陰極受到光照，將發(fā)射電子，電子在陽極正電動勢吸引下形成電子流，并在輸出負載RL中形成電壓降，這個輸出電壓反映光強度的變化。光電管在很寬的光強度范圍內穩(wěn)定性好，但是靈敏度較低。為獲得更高的靈敏度，可采用光電倍增管。2、光電倍增管(1)光電倍增管(photomultiplier，PMT)的結構和原理 為了提高探測靈敏度，光電倍增管在高真空管中裝入一個光電陰極和多個倍增電極，使用時在各個倍增電極均加上電壓，而且電壓依次升高，形成電子流的不斷倍增，可使極其微弱的入射光轉換成放大電子流，因此具備更靈敏的光檢測能力。在無熱生電子狀態(tài)，光電

5、倍增管甚至可檢測到單個光電子。光電倍增管的結構原理如圖所示。圖中K為陰極，A為陽極。在陰極和陽極之間的Dl、D2、Dn為倍增極。在陰極和陽極之間加入10002500V的高壓。通過電壓分配器使各電極的電位從陰極到陽極逐級升高，一般每相鄰倍增電極間電位相差為100V左右。倍增極用次極發(fā)射材料制成，在受到一個電子轟擊后能釋放出數(shù)個電子。當有微弱光線射入時，若光子打在陰極上發(fā)射出一個電子，極間的電壓差使此電子加速飛向第一倍增極，引起倍增極二次電子發(fā)射，在第一倍增極上有個次極電子打出(>1)，個次極電子經聚焦、加速后轟擊第三倍增極，打出 2個電子依次類推，經過n個倍增極之后，一個電子則變成了n個電

6、子，所有電子最后被陽極收集，形成較強的輸出電流。假設某一光電倍增管的 4，n10，則放大倍數(shù)n 104一106，約為100萬倍?？梢?，光電倍增管對很微弱的光能產生很大的電流。光電倍增管一般使用Sb-Cs或者Ag-Mg涂料，倍增極的數(shù)目多在414之間，值一般為36。光電倍增管工作原理過程簡述：光通量陰極K一次電子qk、電流ik在Uk作用下，加速轟擊D1打擊出二次電子；， 經過n次打擊被陽極吸收, , n 二次發(fā)射極數(shù)。 ,式中 二次電子發(fā)射系數(shù)。陰陽極間電壓為：10002500V，相鄰電極電位相差100V。電流放大倍數(shù)，可達106108。(2)光電倍增管的主要特征參數(shù) 光電倍增管的主要特征參數(shù)有

7、電流放大倍數(shù)、靈敏度和暗電流等。 電流放大倍數(shù)M(電流增益)。電流放大倍數(shù)是指在一定工作電壓下，光電倍增管陽極信號電流IA與陰極電流IK的比值。即MIAIK。在一般正常條件下，M值為104106，與加在光電倍增管上的總電壓(陰極陽極之間的電壓)成正比，穩(wěn)定性為1左右。靈敏度。光電倍增管的靈敏度是指照射的單位光通量使陽極產生的飽和光電流值。它是描述光電倍增管將光信號轉變?yōu)殡娦盘柕哪芰?，其大小與極間所加的電壓有關。圖所示為光電倍增管的特征參數(shù)靈敏度、電流放大倍數(shù)與所加電壓的關系曲線。暗電流。當光電倍增管加有一定的工作電壓，但完全沒有光照時，仍有陽極電流輸出，此電流的直流分量(平均量)稱為暗電流。暗

8、電流的值與工作電壓和溫度有關，但是主要取決于光電倍增管材料本身，例如歐姆漏電、熱發(fā)射等。暗電流決定了光電倍增管可檢測光通量的閾值。3、光電管、光電倍增管的應用 在生物醫(yī)學工程領域，光電管、光電倍增管常用于探測光學信號。這些探測儀器包括生化儀器、醫(yī)用射線儀器等。光電管成本較低，要求直流電壓低，但是靈敏度也低，多用于光信號較強的光學分析儀器。光電倍增管靈敏度高，放大倍數(shù)高，性能穩(wěn)定，因此廣泛用于弱光線的測量，尤其是對各種射線的探測。例如，光電管、光電倍增管在分光光度計中得到應用分光光度計是根據(jù)比爾定律，測定物質對某一區(qū)域不同波長光吸收的大小，進而測出物質在溶液中的濃度和得到其光譜特性，在生化實驗分

9、析中是必不可少的儀器。分光光度計的原理框圖如圖所示。從光源發(fā)出的光經單色光器色散后變?yōu)閱紊?，此單色光透過比色皿內的待測溶液，照射到光電管上。光電管將這隨溶液濃度不同而變化的光信號轉換成電信號，再經放大器放大后，由微安表將透光度或吸光度顯示出來。針對測量較弱的光線，可將光電管換成光電倍 增管，使測量靈敏度增加。二、光敏電阻光照射光敏電阻時，導電性增加，電阻值下降，此時稱為亮阻，不受光照射時電阻為暗阻。暗、亮阻之比，可達102106。工作在可見光紅外區(qū)，弱光下工作靈敏度高于其它器件，頻率特性差，光電特性非線性。三、光電池與光敏管1、光電池結構象二極管，工作面大，受光面為正極。有源器件，不需外接電

10、壓。頻率特性好，光電轉換效率高。光譜范圍寬：0.4511硒光電池：，人眼視覺靈敏度最大點。光電池(photocell)是一種光生伏特效應元件，屬于內光電效應的器件。當它受到光照時不需外加任何形式的能量就會產生電流輸出，其輸出電流與接受的光照有一定的關系，用它可以反映光照強度的大小。光電池是一種用途很廣的光敏器件，其優(yōu)點是體積小、質量輕、結構簡單、壽命長、性能穩(wěn)定、光照靈敏度較高、光譜響應頻帶較寬，尤其在小型化和微功耗儀器中，它是常用的換能器件。一般情況下，光電池按結構可分為兩類：1）利用PN結的光生伏特效應制成的光電池；2）利用半導體與金屬接觸產生光生伏特效應制成的光電池。下面以硅光電池和硒光

11、電池為例，介紹光電池的基本性能。(1)光譜特性： 硅光電池適用的光波長在0.41.2 范圍內最大靈敏峰在0.8左右；硒光電池適用的光波長在0.30.7范圍內，最大靈敏峰在0.5左右。(2)頻率特性： 一般來說，硅光電池比硒光電池的頻率響應高得多，而且負載電阻越小，頻率響應越好，因而需要快速響應的場合可采用硅光電池，例如高速計數(shù)儀器上。硅光電池性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好，因此使用最廣泛。圖所示為光電池最基本的特性，光電池僅與電阻連接，當光照增加(減少)時，負載RL中的電流隨之增加(減少)。(3)光電池的伏安特性曲線 光電池的伏安特性曲線圖所示。由圖可以看出，為了使光電池的輸出電壓U或電流I

12、與入射光光照度E之間保持良好的線性關系，必須正確地選擇負載電阻RL。 伏安特性曲線中最佳負載線為Rj，把光電池特性曲線分成兩個區(qū)，其中線性區(qū)有RL<Rj，在這個區(qū)域內光電流I與光照度正成正比，基本保持線性關系。 該區(qū)域也稱為光電流區(qū)，一般用于線性測量中。在對數(shù)區(qū)RI>Rj，在這個區(qū)域內光電池的輸出電壓與光照度正的對數(shù)成正比，此區(qū)也稱為光電壓區(qū)域。在光電壓區(qū)，光電流與光照度E不存在線性關系，不能用于光探測電路，即不能用于線性測量中。 作為光電池的應用舉例，給出一個光電比色計。光電比色計屬于光學分析儀器，其原理圖如圖所示。 從光源發(fā)出的光束分成左右兩路，其中右邊一路光程中放有標準樣品，

13、左邊一路光程中放有被測溶液。兩路測量裝置采用兩個特性完全相同的光電池完成光電轉換，兩光電池的信號經輸入放大器放大后送到計算機進行計算處理，然后輸出在表頭上顯示。顯示值正比于被分析樣品的某項指標，如顏色、濃度、渾濁度等。2、光敏二極管（光電二極管）結構與PN結二極管相似，工作要加反向偏壓無光照，反向電阻達4M，有光照時，反向電阻1K幾百歐。頻率特性好，弱光靈敏度低。光照特性線性好。光敏二極管(photodiode)亦稱光電二極管，是一種半導體光電轉換器件，其基本工作原理是當光照射半導體的PN結時，在反向電壓的作用下，其反向電流隨光照度變化而變化，實現(xiàn)將光信號轉換成電信號的功能。光敏二極管響應速度

14、快，體積小，價格低，堅實耐用，所以目前已得到廣泛的應用。光敏二極管的結構與普通二極管相似，由一個PN結組成，封裝在透明外殼中，引出兩個電極。光敏二極管的頂部有受光窗口和透鏡，以便接受光的照射。與普通二極管相比，光敏二極管的特點是結面積較大。光敏二極管在無光照時，外加反向工作電壓使光敏二極管的PN結空間電荷區(qū)增寬，電路中只有很小的反向漏電流，稱為光敏二極管的暗電流。暗電流主要是由PN結中少數(shù)載流子運動形成。當光照射光敏二極管時，光子打在PN結附近，使PN結空間電荷區(qū)產生電子空穴對，它們在外電場的作用下，與P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子做定向運動而形成電流，此時的電流要比無光照時的漏電流大得多。這種因光照

15、而大大增加的反向電流稱為光敏二極管的光電流。光電流隨入射光光照度而做相應變化，光照度越強則光電流越大。使用中，光敏二極管的正極與電源的負極相連，負極通過負載電阻只接電源的正極。光敏二極管結構和引腳圖如圖所示。普通的PN結型光敏二極管的暗電流較大，響應速度也不快，在要求響應速度快，線性度好和微弱信號檢測的測量系統(tǒng)中常采用PIN型光敏二極管和雪崩型光敏二極管。光敏二極管的伏安特性曲線如圖所示。無光照時，光敏二極管的電壓電流特性與一般二極管一樣，如圖中無光照曲線所示，特性曲線在第象限。對光敏二極管施加正向電壓時，正向電流將幾乎隨電壓升高而按指數(shù)規(guī)律上升，如圖中第象限虛線所示。如圖導通的二極管，不可用

16、于光電測量。特性曲線在第象限時，表明光敏二極管反向偏置，這是光敏二極管的工作區(qū)第象限的特性曲線表明，反向電流隨入射光光照度的增強而增大，在一定的反向電壓范圍內，反向電流的大小幾乎與反向電壓的高低無關，但是與光照度成正比例。這正是光敏二極管用作光電探測器時的工作區(qū)域。所以在入射光光照度一定的條件下，反向偏置的光敏二極管相當于一個恒流源。光敏二極管欲正確使用，通常應選擇合適的工作點(I0，U0)和輸出的負載RL，如圖所示，保證光敏二極管工作在線性區(qū)。負載電阻過大和過小都會使光敏二極管偏離線性工作區(qū)特性曲線在第象限時，表示光敏二極管呈“發(fā)電”特性，此時光敏二極管在光照下相當于光電池的特性。光敏二極管

17、欲正確使用，應對光敏二極管加反向電壓并工作在第象限。光敏二極管的測量電路圖3所示。光敏二極管加反向電壓正，選擇合適的負載電阻使其工作在線性區(qū)，光電流在負載電阻RL上產生成比例的電壓，對于交流信號采用電容耦合后接交流放大器。圖3(a)和(b)中輸出信號電壓與負載RL的信號電壓成正比。若輸入光信號是正脈沖，圖3(a)接法在RL上也得到正脈沖電壓，而在圖3(b)接法在RL上得到負脈沖電壓。圖3(c)用于直流信號的測量，這種電路由于不受電容影響，適合于高頻脈沖狀態(tài)。3、光敏晶體管（光電三極管）光敏晶體管與光敏二極管一樣，光敏晶體管(phototransistor)也是一種半導體光電轉換器件，兼有晶體管

18、的放大特點，光敏感性比光敏二極管更好，是常用的光電轉換器件之一。光敏晶體管由兩個PN結組成，有NPN型，也有PNP型，其中以NPN型為常見。與普通晶體管相比，在內部結構上，光敏晶體管的集電結面積較大，發(fā)射結面積較小，目的是擴大光照面積；在外形上多數(shù)只有集電極c，發(fā)射極e，引線基極b作為光敏感極無引線接出。光照射發(fā)射結產生的光電流相當于基極電流，集電極電流是光電流的倍?；鶚O與集電極之間相當于反向偏置的光敏二極管，光敏晶體管的頂部有受光窗口和透鏡，以便接受光的照射。光敏晶體管結構原理圖和符號圖如圖所示。光敏晶體管的靈敏度比二極管要高，但有更大的暗電流和較大的噪聲，穩(wěn)定性比光電二極管差，且響應速度慢

19、于光敏二極管。光敏晶體管的輸出特性如圖所示。常見的光敏晶體管有硅光敏晶體管和鍺光敏晶體管，二者相比，硅光敏晶體管穩(wěn)定性較好，最高使用溫度為125左右。鍺光敏晶體管一般暗電流較大，最高使用溫度約50C。光敏器件的主要特性曲線如下圖所示： 各種光電元件，峰值波長相差較大，應選用與之匹配的光源。4、雪崩二極管（APD）在PN結的P型區(qū)再設置一層摻雜濃度很高的P+層，工作電壓接近擊穿的反向偏壓，光子激發(fā)的電子在P+區(qū)受強大的內部電場作用，加速轟向P區(qū)。通過反向電壓擊穿，引起電流增益，類似光電倍增管的工作原理，功率比一般二極管大104倍，工作電壓比光電倍增管低。（約幾百伏）一個入射光子激發(fā)出一個電子，通

20、過碰撞電離產生更多的二次電子空穴對，頻響103MHz以上，靈敏度極高，。四、半導體位置傳感器（PSD）基于側向光電效應，A、B間產生的側向光電勢的大小、方向與光斑相對靈敏面中心位置有關。當x較小時，N區(qū)電阻率 N區(qū)厚度I總光電流 2r接點間距五、CCD固態(tài)圖像傳感器CCD固態(tài)圖像傳感器集光電轉換，電荷存貯，電荷轉移為一體 一個脈沖反映1個光敏元受光情況光信號CCD（電荷耦合器件）電脈沖信號 幅度受光強弱順序光能元位置光生電荷與入射光成正比。常用面陣CCD器件、攝像頭。§84 光電傳感器的計算一、光通量的計算 ， 波長為的光源的發(fā)光強度。球面面積 整個球面立體度：光學元件（透鏡）對點光

21、源所張的立體角，接收的光通量A光學元件面積 R光源與光學元件之間的距離 若考慮光學元件的吸收和反射損耗反射系數(shù) 光譜透射比 l光學元件內路徑長二、光電流的計算單色光源： 光譜靈敏度非單色光源：三、電路分析計算按晶體管電路理論分析計算：表8-1。輸入光通量或光照度E代替晶體管輸入電流Ib，以靈敏度代替晶體管電流放大倍數(shù)。減小暗電流（噪聲電流）的措施。如圖所示：1、橋式補償電路：二個相同的光電元件，一個接收信號，一個在暗盒中。2、負溫度系數(shù)的熱敏電阻：T，I暗，RT，Ub基本穩(wěn)定。3、光電三極管有基極引線，基射之間接入Rb，Ube，并趨于穩(wěn)定。4、二極管電壓負溫度特性：T，I暗，URb，但UD2，

22、Ub基本不變。§85 光電傳感器的類型一、基本類型1、透射式：由測吸收被測量2、反射式：由測=反射被測量3、輻射式：光源=被測對象 測被測量4、遮擋式：5、開關式二、雙光路光電傳感器 目的：減少電源波動，光路干擾等引起的測量誤差。工作原理：初始時，調整光楔6改變兩個光電元件輸出相等電橋平衡測量中：外界干擾兩光路同時變化在電橋中抵消§86 光電傳感器在生物醫(yī)學中的應用一、光電式脈博波檢測1、光電式脈博波傳感器利用近紅外單色光在一般組織中的穿透性比血液中大幾十倍的現(xiàn)象，被測部位的透光率隨血管博動而變化。血液中血紅蛋白含量的增減（血流量），使組織對光的吸收量發(fā)生改變。2、光電脈博

23、波測量血壓當P袖>P動脈，動脈被阻斷，脈博波消失最高血壓（收縮壓）脈博振幅最大點P袖=P動脈平均血壓光源手指（透射法）當V血管容積變化V吸光物質變化透射變化二、生物化學光譜分析儀可見光分光光度計、紫外光分光光度計、紅外光、熒光分光光度計（框圖）。測量原理：不同物質吸收光波長不同，物質本身具有自己的吸收光譜：測出吸收光譜曲線，就可以對物質進行定位、定量分析。吸收曲線與物質濃度成正比。朗伯-比爾定律： I透射光強度 C溶液濃度I0入射光強度 L溶液厚度K消光系數(shù)（吸收系數(shù)）當I0、K、L不變時，濃度C越大，I越小，光被吸收越多。要滿足使用條件；溶液濃度太大，比爾定律不成立。朗伯定律：AL 比爾定律：ACA光的吸收程度（吸光度）棱鏡色散波長越短，色散程度越好。紫外區(qū)分辨率可達0.2nm，長波段只能達5nm。衍射光柵較長的光波偏折角大，較短的光波偏折的角度小，因而形成光譜。棱鏡色散后起分光作用，只允許待測溶液所能吸收的單色光射出。單色器可由：濾光片、棱鏡、光柵等得到波長的單色光。三、光電法測血氧飽和度血氧飽和度被氧結合的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量點全部可結合的血紅蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中的血氧濃度。根據(jù)LambertBeer定律E吸光系數(shù) C血液中HbO2濃度L動脈血液光路長度（溶液厚