生物医学传感器：光电式传感器

第三章物理传感器光电式传感器1000,000nm10nm780nm380nm可见光红外光紫外光光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电效应。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。系统构成光源＋光路＋光电器件＋信号调理电路测量原理被测量光学量光电器件电量

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，基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。一、光电效应当光照射到物体上时，物体受到光子的轰击，吸收光子能量而产生电效应，称为光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。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式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有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，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。

当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ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）光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。2.内光电效应过程：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。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即（2）光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。①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。②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，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。如果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（PSD）。二、光电器件的基本特性参数1.响应度k

光敏器件输出电压VO与入射功率PI之比：k=VO/PI2.光谱特性光敏器件的响应度与入射波长的关系。3.噪声等效功率NEP入射到光敏器件上的辐射功率所产生的响应电压，恰好等于该器件的噪声电压值，那么该辐射功率就称为噪声等效功率NEP.NEP越小，光敏器件性能越好。4.响应时间描述光敏器件对入射光辐射响应快慢的参数，决定了其频率响应特性。5.线性度指光敏器件输出光电流（或电压）与输入功率成线性比例的程度和范围。结构：光电阴极＋阳极＋真空玻璃罩光电材料：银氧铯\锑铯\镁化镉原理无光照时，回路无电流；光打在阴极上，阴极电子得能量逸出材料表面外(光电子);在外加电场作用下，光电子被阳极吸收，阴阳极间形成电子流;回路中产生电流(光电流)——与光的强度成正比.外光电效应的条件——“红限”光光电阴极阳极三、光电管材料的逸出功光电子逸出的初速度入射光的频率必须大于光电阴极材料的红限I提高光电管的灵敏度由光电阴极＋若干个倍增极＋阳极＋真空玻璃罩极间电位依次升高.原理阴极光照产生光电子；经电场加速打击到倍增极D1，产生更多的光电子(二次光电子)；依次类推，在阳极吸收大量的二次光电子，得较强得电流；二次电子发射系数为σ，若倍增极有n，则倍增率为σn四、光电倍增管光电倍增管的主要特征参数(1)电流放大倍数：M=IA/IK(2)灵敏度: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换为电信号的能力，其大小与极间所加电压有关。(3)暗电流：无光照时，阳极输出电流，与工作电压和温度有关，但主要取决于光电倍增管材料本身。光电特性阳极电压不变时，阳极电流I与光通量φ的关系(线性)，可做测量元件.伏安特性光通量不变时，阳极电流I与阳极电压关系(线性)具有饱和性，饱和时光电子被全部吸收光谱特性光通量和阳极电压不变时，光电流与入射光波长的关系器件对波长具有选择性铯氧银锑化银人视觉光谱光电倍增管的性能曲线五、光敏电阻半导体材料在光的作用下，电阻率发生变化的现象称为光导效应。结构与原理12345671--光导层

2--玻璃窗口3--金属外壳4--电极5--陶瓷基座6--黑色绝缘玻璃7--引线mAI无光照时,半导体材料载流子极少,电阻很高(暗电阻),电路中无电流流过；有光照时,半导体中载流子剧增,电阻极剧下降(亮电阻),电路中有对应的电流产生.暗电阻:10~100MΩ亮电阻:<10kΩ材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅光敏电阻的性能曲线光电特性电源电压不变时，电流I与光通量φ的关系(非线性)，可做测光元件或光控开关.伏安特性光通量不变时，电流I与电压关系(线性)光谱特性光通量和电压不变时，器件对波长具有选择性.可探测波长比其他光子探测器宽得多.频率特性硫化铅高频，硫化铊低频EuA+-I六、光敏二级管、光敏晶体管结构

与普通二极管相似，只是其PN结具有光敏特性.原理光敏二极管的PN结在电路中反向偏置;无光照时,结内仅有极少数载流子,回路中只有极小的反向饱和漏电流(暗电流10-8~10-9A);有光照时,结内激发大量载流子,反向漏电流显著增加(亮电流,与光照成正比).PN光敏二极管的光电流与光通量成线性关系，适应于光的检测；动态性能好，响应速度快(<10μs)；但灵敏度低，温度稳定性差。原理光敏三极管的集电结具有光敏特性;集电结相当于一个光敏二极管;无光照时,集电结只有极小的反向饱和漏电流,经三极管放大后成为暗电流;有光照时,集电结内激发出大量载流子,反向饱和漏电流显著增加,经放大后形成亮电流.光敏三极管比光敏二极管灵敏度高数十倍,适用于弱光的测量.NPPcebEuA+-I光敏晶体管特性曲线光电特性:线性,测量元件.伏安特性:与普通晶体管类似;反向饱和电流即为光电流.光谱特性:波长选择性频率特性:高频测量,负载电阻越小频带越宽温度特性输出电流影响小暗电流影响大七、光电池光生伏特效应

某些半导体材料受光照时在一定方向产生电动势，具有光生伏特效应的器件被称为光电池.材料硅(红外)、硒(可见光)结构由N型半导体(或金属)与P型半导体组成的PN结硅光电池(太阳能电池)N型单晶硅片+P型薄层+电极

PN结;N中电子向P中扩散，P中空穴向N中扩散;无光照时，载流子扩散形成阻挡层，阻止P中空穴的进一步扩散，动平衡；N型SiP型层PN结电极有光照时，PN结附近P型层中激发出电子空穴对，电子穿过阻挡层，积累在N型硅，空穴留在P型层中;两电极间电场逐渐增强，直至电场足以抵制电荷的进一步漂移；当光强度一定时，电动势达到动态平衡,相当于一个电池;连接两级，由电流流过。N为负极，P为正极。硒光电池中，金属板代替N型硅，原理相同特性曲线光电特性开路电压与光照度成非线性关系;短路电流与光照度成线性关系;光电池以电流输出,负载<100Ω.光谱特性硒光电池光谱范围：0.3~0.7μm硅光电池光谱范围：0.5~1μm频率特性温度特性:温度补偿模拟式光电传感器将被测量转换成连续变化的电信号，与被测量间呈单值对应关系，主要有四种基本形式。

光电元件的应用方式（a）吸收式；（b）反射式；（c）遮光式；（d）辐射式八、光电式传感器的应用1.模拟式光电传感器2.脉冲式光电传感器

光电元件的输出仅有两种稳定状态，即“通”和“断”的开关状态，称为光电元件的开关应用状态。这种形式的光电传感器主要用于光电式转速表、光电计数器、光电继电器等。分光光度计分光光度计组成原理图吸收式烟尘浊度监测系统组成框图

吸收式烟尘浊度检测仪光电比色高温计1－物镜；2－平面玻璃；3－光阑；4－光导棒；5－分光镜；6－滤光片；7－硅光电池；8－滤光片；9－硅光电池；10－瞄准反射镜；11－圆柱反射镜；12－目镜；13－多夫棱镜14、15－硅光电池负载电阻；16－可逆