生医-传感器：第9章光学传感器

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1、第九章光学传感器生物医学工程教研室冯博华weibo.com/bhvon固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因素作用发生变化，这一原理做成的传感器。这类传感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。与其它传感器相比有以下特点：1.基于物性变化，无运动部件，结构简单，体积小；2.动态响应好、且输出为电量；3.易于集成化、智能化；4.低功耗、安全可靠；主要缺点有：线性度差、温漂大、过载能力差、性能参数离散性大。光敏传感器1.光电效应2.光敏电阻3.光电池4.光敏二极管和光敏三极管5.光电传感器的类型及应用电荷耦合图像传感器1.图像传感器的基本原理2.电荷耦合器

2、件的结构与工作原理3.CCD图像传感器4.CCD图像传感器的特性参数本章重点：1.掌握外光电效应和内光电效应，光敏二极管、三极管及光电池的结构原理；2.掌握CCD结构原理，了解CCD图像传感器工作原理；一、光电效应（一）外光电效应在光作用下，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。光子具有能量，每个光子的能量为若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功时，电子逸出物体表面。要使电子逸出，光子的能量必须大于物体的逸出功，超过部分的能量转化为电子的动能，即光敏传感器由上式可知：①只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才产生光电子。每种物体都对应

3、一个红限频率，当入射光的频率大于该频率时才会产生光电子。②入射光的频谱成分不变时，产生的光电子数量与光强成正比。③光电子逸出物体表面时具有初始动能。金属钨W钙Ca钠Na钾K铷Rb铯Cs极限频率v/1014Hz10.957.735.535.445.154.69逸出功A0/eV4.543.202.292.252.131.94（二）内光电效应内光电效应分为两类：①光导效应。在光线作用下电子吸收光子能量从价带跃迁到导带，引起材料电阻率的变化。称为光导效应。②光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。二、光敏电阻光敏电阻又称为光导管

4、。（一）光敏电阻的原理和结构当光线照射到光电导体上时，若光导体为本征半导体，且光子能量足够高，光电导体内处于价带上的电子将跃迁到导带上去，从而使光电导体的电阻率降低。入射光子能量必须大于光导材料的禁带宽度，即从上式可看出，一种光电导体存在一个波长极限只有波长短于的光线才能使光导体的电阻率降低。光敏电阻的结构参见下图。光辐射功率光谱密度：在单位波长间隔内，光的实际功率(以w为单位)。光通量：能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的量度。单位是Lm(流明)。光通量单位为流明（lm），定义为纯铂在熔化温度（约1770℃）时，其1/60平方米的表面面积于

5、1球面度的立体角内所辐射的光量。式中是一个转换常数，过去也曾称为光功当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一个国际协议值，规定为，即表示在人眼视觉系统最敏感的波长(555nm)上，每瓦光功率相应的流明数。为标准明视觉函数。视觉函数反映了人眼对不同波长光线的敏感程度。明视觉函数，峰值555nm暗视觉函数，峰值505nm波长nm400500600700视觉函数0.81.00.60.40.2照度：单位面积上的光通量。可表示为照度单位为勒克斯（lx，lux）。1lx=1lm/m2。以下是各种环境照度值：单位lux黑夜0.001-0.02，月夜0.02-0.3，阴天

6、室内5–50，阴天室外50–500，晴天室内100–1000，夏季中午太阳光下的照度约为109，阅读书刊时所需的照度50–60。（二）光敏电阻的主要参数和基本特性1.暗电阻、亮电阻、光电流光敏电阻在标准条件下，全暗后经过一段时间后测得的电阻值称为暗电阻，此时的电流称为暗电流。光敏电阻在某一光照条件下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差成为光电流。2.光照特性在一定电压下，光电流与入射光照度的关系，称为光照特性。参见后图。3.光谱特性2006.11.10JC204->光谱特性曲线参见下图。4.伏安特性在一定照度下，光敏电阻两

7、端电压与电流之间的关系。5.频率特性硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性参见下图。6.稳定性参见上图。7.温度特性温度特性参见下图。（三）光敏电阻与负载的匹配每一个光敏电阻都有一个最大耗散功率。因此，有光敏电阻测量电路参见下图。总电流设照度变化时，光敏电阻值的变化量为，则此时电流为由上两式得当电流为时，输出电压为电流为时，输出电压为由上两式得光敏电阻值及电源电压为已知，选择最佳的值，可以获得最大的信号电压，上式对求偏导，并令其为零，得解上式得因此，当负载电阻与光敏电阻值相等时，可得到最大信号电压。上面讨论，是针对直流量考虑的，当用于交流情况时，应选用较小的值，以

8、提高高频响应。三、光电池（一）光电池的结构原理硅光电