高等教育生物医学传感器光电课件

1、高等教育生物医学传感器光电光电传感器高等教育生物医学传感器光电光电传感器 采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。 按工作原理分类光电效应传感器红外热释电探测器固体图像传感器光纤传感器 高等教育生物医学传感器光电光电效应传感器 应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。红外热释电探测器 主要利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。固体图像传感器 结构上分

2、为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半导体图像传感器。光纤传感器 它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。高等教育生物医学传感器光电光电效应传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光源 光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为 式中， 为光波频率；h为普朗克常数， h6.63Eh-3410 J s高等教育生物医学传感器光电常见光

3、源热辐射光源气体放电光源电致发光器件发光二极管激光器高等教育生物医学传感器光电光电元件 光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光敏二极管和三极管、光敏场效应管等。 原理光电效应高等教育生物医学传感器光电光电效应 物体吸收光能后，转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应光电材料包括：硫化镉(Cds)、锑化铟(InSb)、硒(Se)和半导体等高等教育生物医学传感器光电外光电效应（光电管、光电倍增管） 光作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。 光电子、光电流u 光电子产生条件u 光电流大小与光强u 外光电效应瞬时发生u 光电子具有初始动能(红限

4、频率)高等教育生物医学传感器光电内光电效应 （光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等)光电导效应 物体受光照后，吸收的入射光能量激发内部载流子，使其电导率增加，电阻值下降的现象。高等教育生物医学传感器光电光生伏特效应 光照作用下，能使物体在一定方向上产生电动势的现象。侧向光生伏特效应PN结光生伏特效应光电磁效应贝克勒尔效应高等教育生物医学传感器光电外光电效应器件光电管（真空光电管和充气光电管）光电管结构示意图光电管测量电路图阴极阳极IU0RLE 光光阳极阳极光电阴极光电阴极光窗光窗高等教育生物医学传感器光电主要特性伏安特性 光通量一定时，光电器件电压与光电流之间 的关系，是应用光电传感器参

5、数的主要依据。光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/ A高等教育生物医学传感器光电光电特性 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光电管的光电特性1、氧铯阴极 2、锑铯阴极255075100200.51.5 2.0/1mIA/ A1.02.51高等教育生物医学传感器光电光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。所以，对各种不同

6、波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。高等教育生物医学传感器光电暗电流 将光电管置于无光的黑暗条件下，当施加正常使用电压时，光电管产生的微弱电流。高等教育生物医学传感器光电光电倍增管D1D2D3D4D5D6AKU0IRL光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成光电倍增管结构示意图K1D2D3D4D5DA高等教育生物医学传感器光电主要特性伏安特性、暗电流与光电管相似倍增系数M=灵敏度 一个光子在阳极上产生的平均电子数，单位A/lm，表征光电倍增管将光信号转换为电信号的能力。n高等教育生物医学传感器光电内光电效应器件光敏电阻金 属 电 极半 导 体玻 璃 底 板电 源检 流 计RLEI(a

7、)(b)(c)RaA金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体高等教育生物医学传感器光电mAI光敏电阻结构示意图及符号 高等教育生物医学传感器光电光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。 高等教育生物医学传感器光电 基本特性和参数 1)暗电阻、亮电阻光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。 光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差称为光电流。高等教育生物医学传

8、感器光电 2)伏安特性高等教育生物医学传感器光电 光敏电阻的光照特性 0.050.100.150.200.250.300.350.4000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4I / mA / lm 3)光照特性高等教育生物医学传感器光电 4)光谱特性 高等教育生物医学传感器光电 5)温度特性 高等教育生物医学传感器光电光敏二极管NP光光敏二极管结构简图和符号 n光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态高等教育生物医学传感器光电光敏二极管接线图 RLE高等教育生物医学传感器光电光敏三极管NPc光Nebbec(a)(b)RLE NPN型光敏三极管结构简图和基本电路 基极无引出线，集电

9、极相对于发射极为正电压。当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管的基极电流。因此集电极电流是光生电流的倍, 所以光敏晶体管有放大作用。高等教育生物医学传感器光电光敏晶体管基本特性1)光谱特性 在入射光照度一定时，光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化高等教育生物医学传感器光电 2)伏安特性硅光敏二极管伏安特性0.100.080.060.040.02I / mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x010 2030405010864201020304050500 1x400 1x300 1x200 1x10

10、0 1xI / mA反向电压/ V集电极发射极电压/ V(a)(b)硅光敏三极管伏安特性高等教育生物医学传感器光电 3)温度特性 高等教育生物医学传感器光电光电池PN结NPEa)结构示意图b) 图形符号PN结类光电池高等教育生物医学传感器光电常见有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。 硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。 硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此

11、，它主要用于宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源。高等教育生物医学传感器光电硅光电池原理图 (a) 结构示意图； (b) 等效电路 A硼 扩 散 层SiO2膜P型 电 极N型 硅 片PN结电 极AII(a)(b)高等教育生物医学传感器光电基本特性 1)光谱特性 高等教育生物医学传感器光电 2)光电特性0.30.20.10光 生 电 流 / mA0.60.40.202 0004 000短 路 电 流开 路 电 压光 生 电 压 / V照 度 / lx硅光电池的光电特性 02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0高等教育生物医学传感器光电3)

12、温度特性高等教育生物医学传感器光电光敏元件主要特性暗电流伏安特性光电特性光谱特性温度特性高等教育生物医学传感器光电光电耦合器件光电耦合器 由一发光元件和一光电元件同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光敏三极管塑料发光二极管光敏三极管透明树脂采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。(a)金属密封型(b)塑料密封型采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。高等教育生物医学传感器光电输入输出输入输出(a)(b)光电耦合器组合形式 高等教育生

13、物医学传感器光电发光元件窗接收元件壳体导线接收元件发光元件壳体导线(a)(b)反射物光电开关的结构(a) 透射式； (b) 反射式 光电开关高等教育生物医学传感器光电v光电传感器 通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成模拟式光电传感器接收的光通量随被测量连续变化脉冲式光电传感器接收的光信号断续变化v模拟式光电传感器的常见形式高等教育生物医学传感器光电（1）辐射式s光辐射能源本身是被测物s由被测物发出的光通量到达电元件上 这种形式的光电传感器可用于光电比色高温计中，它的光通量的强度和光谱的强度分布都是被测温度的函数。高等教育生物医学传感器光电（2）吸收式s恒光源是白炽灯（或其它任何光源）s光通

14、量穿过被测物，部分被吸收，而后到达光电元件上s吸收量决定于被检测介质的被测参数测液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计、混浊度计的传感器等。高等教育生物医学传感器光电（3）遮挡式s从恒光源发射到光电元件的光通量遇到被测物被遮蔽了一部分，由此改变了照射到光电元件上的光通量。光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置 在某些检测尺寸或振动等仪器中，常采用这种传感器。高等教育生物医学传感器光电（4）反射式s恒光源发出光通量到被测物，再从被测物体表面反射出来的光通量投射到光电元件上。 测量表面粗糙度、纸张的白度等仪器的传感器高等教育生物医学传感器光电v光电传感器医学应用高等教育生物医学传感器光电高等教育生

15、物医学传感器光电半导体色敏传感器结构和等效电路半导体色敏器件P+NPSiO2电极电极1电极电极2电极3132高等教育生物医学传感器光电 双结光电二极管的P+-N结为浅结，N-P结为深结。当光照射时，P+，N，P三个区域及PN结区均有光子吸收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离就被吸收完毕；因此，浅结对紫外光有较高灵敏度。而红外光部分吸收系数小，光子主要在深结处被吸收；因此，深结对红外光有较高的灵敏度。即半导体中不同的区域对不同波长分别具有不同灵敏度。利用不同结深二极管的组合，即可构成测定波长的半导体色敏传感器。高等教育生物医学传感器光电双结硅色敏器件双结硅色敏器件检测电路2

16、0Tsc2sc11lglgRUUIIR对应于不同波长的光输出电压值：高等教育生物医学传感器光电单色光波长的识别：测出其中两个硅光电二极管的短路电流比的对数值(1g(Isc2Isc1)与入射光波长的关系，如图1所示。根据短路电流比值的不同来判别入射光的波长。测出信号处理电路的输出电压，确定被测光的波长并识别颜色。输出电压U0与入射波长之间的关系，如图2所示。图1 短路电流比与入射波长的关系曲线 图2 入射波长与输出电压的关系 高等教育生物医学传感器光电混合色光波长的识别集成全色色敏器件是在同一块非晶体硅基片上制作3个深浅不同的PN结，并分别配上红、绿、蓝3块滤色片而构成一个整体。通过R、G、B这

17、3个不同结输出电流的大小比较识别各种颜色。 集成全色色敏器件高等教育生物医学传感器光电光纤传感器 工作原理组成：信号的转换、传输、接收与处理。信号的转换将被测参数转换成为便于传输的光信号。 信号的传输利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输。 信号的接收与处理将来自光导纤维的信号送入测量电路，由测量电路进行处理并输出。 高等教育生物医学传感器光电光纤传感器的结构高等教育生物医学传感器光电分类功能型（传感型）高等教育生物医学传感器光电传感型光纤传感器测流速工作原理高等教育生物医学传感器光电非功能型（传光型）高等教育生物医学传感器光电高等教育生物医学传感器光电高等教育生物医学传感器光电CCD固态图

18、像传感器Charge Coupled Devices1CCD的结构和基本原理基本组成MOS光敏元阵列读出移位寄存器高等教育生物医学传感器光电?MOS光敏元结构高等教育生物医学传感器光电MOS光敏元工作原理光线光线高等教育生物医学传感器光电MOS电荷存储原理构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样， MOS电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区， 也称表面势阱。对带负电的电子来说， 耗尽区是个势能很低的区域。在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。 如果有光照射在硅片上， 在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。高等教育生物医学传感器光电?读出移位寄存器高等教育生物医学传感器