(现代生物医学传感器技术基础之3)

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1、第五章现代生物医学传感器技术基础之3概述：光学传感器是将光信号转换成电信号的器件。主要有光电传感器、光纤传感器和红外传感器等。光学传感器的特点是反应速度快、检测灵敏度高、可靠性好、抗干扰能力强、结构简单等。光学传感器虽发展较迟，但其发展速度和应用范围均远超过其它类型传感器，特别是半导体光学传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、功耗低、易于集成等优点，应用更为广泛。第一节光学传感器一、光电传感器1、光电效应（1）光的本质根据光的量子学说，光可以被看成是具有一定能量的粒子流，这些粒子即为光子。其中：h---普朗克常量（h=6.626×10-

2、34J·S）；ν----光的频率；c----光速光子的质量：光子的能量：因光照而引起物体电学特性改变的现象统称为光电效应。----光照射到物体上可以看成是一连串的粒子（即光子）轰击到物体上，光电效应就是由于物体吸收了光子的能量而产生的电效应。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应。（2）光电效应外光电效应（光电子发射效应）：应用：光电管、光电倍增管电子逸出功电子逸出物质表面时的动能光子能量（v0：电子逸出速度）电子逸出当光照射某物质时，若入射的光子能量足够大，入射光子和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面的现象。入射的光子能量必

3、须大于逸出功，才能使电子有足够的动能逸出表面。逸出的电子数越多，产生的光电流越大。应用：光电池、光电二极管、光电三极管和光敏场效应管等。内光电效应半导体材料电导率变化光作用产生光电动势光电导效应光生伏特效应当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收，会在半导体材料内部激发出电子-空穴对，即载流子，使物质的电导率发生变化或产生光电动势的现象。应用：光敏电阻（光导管）（3）光电传感器：亦称为光敏传感器，是以光为媒介、以光电效应为物理基础的一种能量转换器件，是利用光敏材料的光电效应制作的光敏器件。常见的类型：光电传感器光电管、光电倍增管基于内光

4、电效应：光电导效应：光导管、光敏电阻等光生伏特效应：光电池、光电二极管、光电三极管等基于外光电效应：光电二极管光电三极管光电管光电倍增管部分光电传感器图片：硅光电池光敏电阻（光导管）光耦合器件感光材料（银、钙、铯、锑等）单根金属丝2、光电管、光电倍增管（外光电效应型）（1）真空光电管结构原理：光窗光照→阴极发射电子→阳极正电势吸引→管内形成电子流→外电路形成电流→RL中形成压降工作电路光电管在真空玻璃泡内有两个电极：阴极K和阳极A，阴极有些是在半圆瓦形的金属片上涂上感光材料，有些是将感光材料贴附在玻璃泡内壁上。不同的感光材料所敏感的光

5、波长不同，即具有不同的光谱特性。在阴极前面的阳极是由环状的单根金属丝构成。真空光电管的光电特性（输入-输出特性）：阳极电压不变时，光通量与光电流间的关系。线性正比光通量指人眼所能感觉到的辐射功率。单位：流明（lm）真空光电管的光谱特性：I---铯氧阴极；Ⅱ--锑铯阴极；Ⅲ--人眼睛的视觉特性。灵敏度指单位入射光功率作用下器件的输出信号电压/电流。光谱特性是指在单位入射光功率下，光电管的饱和光电流与光波波长的关系。光谱特性主要取决于阴极材料。（2）充气光电管：充气光电管是在真空光电管中充入低压惰性气体（如氩、氖等），在阴极和阳极间供给直

6、流电压E，阳极接电源正极，阴极接电源负极，则阴极发出的电子在向阳极运动的过程中要撞击惰性气体，使其产生电离，电离后正离子向阴极运动，使光电流增加，这样提高了光电管的灵敏度。类型优点缺点真空光电管线性度好，测量精确度高；响应时间短。灵敏度低充气光电管灵敏度高稳定性差、线性度低；暗电流、噪声较大；响应时间长。（3）光电倍增管结构和原理：阴极阳极倍增极相邻极间电势差约100V聚焦倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料在高真空管中装入一个光电阴极和多个次级电子增强电极，倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高,可使

7、微弱的入射光转换成电子流，并将电子流放大，因此是更灵敏的光检测器。在没有热生电子状态，甚至可以检测到单个光子。阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射。二次电子发射系数δ=二次发射电子数／入射电子数，若倍增极有n，则倍增率为δn如：δ=4，n=10时，将收集到410≈106≈100万倍（放大倍数），形成较强的输出电流。（4）光电管、光电倍增管的应用：常用于生化仪器、医用射线仪器中。类别成本所加直流电压性能应用光电管低低压、单一灵敏度低光信号较强的生化测量仪器。光电倍增管高高压、数种灵敏度高、放大倍数高、性能稳定弱光线的测量

8、，尤其是各种射线探测中。光电管、光电倍增管在分光光度计中的应用分光光度计是测量溶液浓度的仪器。其原理是用被测物质吸收光的量来测量物质的成分。被测物质显示透光度或吸光度从光源灯发出的光经单色器色散变为单色光，此单色光透过比