重大版《生物医学传感器》第八章--光电传感器.doc
53页
Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.------------------------------------------author------------------------------------------date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§8—1 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 ①当<，入射光强再大，也不会产生光电效应。
②当不变，光电流与光强成正比斯托列夫定律）二、内光电效应：受光照射，物体电导率发生变化或产生光电动势的现象1、光电导效应：在光照射下，电子吸收光能过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化如光敏电阻2、光生伏特效应：在光照射下，使物体产生一定方向的电动势如：光电池、光电二极管、光电三极管§8—2 光电器件基本特性1、光谱灵敏度——光电器件对单色辐射通量的反应，是波长的函数 在处的为最大值时，对应的为峰值波长单色辐射通量——单位时间内发射的辐射能2、积分灵敏度 S——光电器件对连续辐射通量的反应程度3、频率特性：灵敏度随射光强调制频率f变化4、光照（光电）特性：光电流（或电压）与入射光通量之间的关系5、伏安特性：入射光频谱及光通量一定时，光电流和电压之间的关系§8—3 光电器件一、光电管与光电倍增管1、光电管光照射到涂有光敏材料的阴极，使电子逸出，被阳极吸引，形成光电流光电管(phototube)的种类很多，其基本结构如图所示在真空玻璃泡内有两个电极：阴极K和阳极A阴极是在半圆形的金属片上涂上感光材料，不同的感光材料对光波长敏感程度不同，即光谱特性不同常用的感光材料有银、钙、锑等在阴极前面的阳极是由环状的单根金属丝构成。
光电管工作电路如图所示在阴极和阳极之间供给直流电压E，阳极接电源正极，阴极接电源负极在没有受到光照时电路无电流如果阴极受到光照，将发射电子，电子在阳极正电动势吸引下形成电子流，并在输出负载RL中形成电压降，这个输出电压反映光强度的变化光电管在很宽的光强度范围内稳定性好，但是灵敏度较低为获得更高的灵敏度，可采用光电倍增管2、光电倍增管(1)光电倍增管(photomultiplier，PMT)的结构和原理 为了提高探测灵敏度，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，使用时在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，光电倍增管甚至可检测到单个光电子光电倍增管的结构原理如图所示图中K为阴极，A为阳极在阴极和阳极之间的Dl、D2、…、Dn为倍增极在阴极和阳极之间加入1000～2500V的高压通过电压分配器使各电极的电位从阴极到阳极逐级升高，一般每相邻倍增电极间电位相差为100V左右倍增极用次极发射材料制成，在受到一个电子轰击后能释放出数个电子当有微弱光线射入时，若光子打在阴极上发射出一个电子，极间的电压差使此电子加速飞向第一倍增极，引起倍增极二次电子发射，在第一倍增极上有δ个次极电子打出(δ>1)，δ个次极电子经聚焦、加速后轰击第三倍增极，打出 δ2个电子……依次类推，经过n个倍增极之后，一个电子则变成了δn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 δ＝4，δn＝10，则放大倍数δn ＝ 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4～14之间，δ值一般为3～6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：1000~2500V，相邻电极电位相差100V电流放大倍数，可达106~1082)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① 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M＝IA／IK在一般正常条件下，M值为104～106，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②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③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102~106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：0.45~11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0.4～1.2 范围内最大灵敏峰在0.8左右；硒光电池适用的光波长在0.3～0.7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RL
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4MΩ，有光照时，反向电阻1KΩ~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Ⅲ象限。
