義光傳感器課件

義光傳感器課件第1頁/共227頁光電效應(yīng)分類：光電子發(fā)射效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)1.外光電效應(yīng)（光電子發(fā)射效應(yīng)）在光的作用下，電子逸出物體表面，向外發(fā)射，稱為外光電效應(yīng)。第2頁/共226頁第2頁/共227頁金屬電子勢阱：金屬中，電子自由運動；能級低于體外，欲使逸出，外界供給能量，如同在勢阱中運動。EoAm(EF)m第3頁/共226頁第3頁/共227頁E0:真空中靜止電子能量

EF:金屬的費米能級

AM:功函數(shù)①金屬功函數(shù)：

Eo與EF之差，是電子逸出的最小能量。

Am=Fo-(EF)m

金屬功函數(shù)的量級：電子伏特級。例：銫的功函數(shù)最低，為1.92eV.

鉑的功函數(shù)最高，為5.65eV.

鉬：4.6

銀：4.26

鎢：4.55

第4頁/共226頁第4頁/共227頁②光子能量：

Q=hvh:普朗克常量6.626×10-34JSv：光的頻率第5頁/共226頁第5頁/共227頁③逸出條件：

e吸收Q，Q>Ahv>A0Ahv半無限空間(頻率限制)臨界波長第6頁/共226頁第6頁/共227頁④逸出電子的動能由能量守恒定律（愛因斯坦光電效應(yīng)方程）

：逸出速度：電子質(zhì)量

第7頁/共226頁第7頁/共227頁⑤,光敏電流密度ip設(shè)：入射光功率P，則有，每秒入射光子數(shù)生成載流子數(shù)第8頁/共226頁第8頁/共227頁2、內(nèi)光電效應(yīng)①光電導(dǎo)效應(yīng)：光作用下引起物質(zhì)（半導(dǎo)體）電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光作用→電子吸收光能量→束縛態(tài)變?yōu)樽杂蓱B(tài)→材料電導(dǎo)率變化第9頁/共226頁第9頁/共227頁例：半導(dǎo)體EdEvhνEg躍遷條件：臨界波長第10頁/共226頁第10頁/共227頁例：Si（硅）第11頁/共226頁第11頁/共227頁②光生伏特效應(yīng)在光照下，內(nèi)建電場引起半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢原理：a、PN結(jié)PN擴(kuò)散++--PN第12頁/共226頁第12頁/共227頁++--PN-+E內(nèi)建電場

動態(tài)平衡擴(kuò)散與內(nèi)建電場E拉回動態(tài)平衡第13頁/共226頁第13頁/共227頁

b、光生伏特光照PN結(jié)—吸收躍遷—電子孔穴對內(nèi)建電場作用—電子N區(qū)，空穴P區(qū)-+PN+-Edpdn○++++----第14頁/共226頁第14頁/共227頁c、產(chǎn)生條件光子能量擴(kuò)散長度（壽命）第15頁/共226頁第15頁/共227頁二.光的吸收系數(shù)α光是否可以在半導(dǎo)體材料中傳播？光照射在半導(dǎo)體材料上是否都進(jìn)入？為什么傳播很短？衰減的原因是什么？光可以在其中傳播多深？第16頁/共226頁第16頁/共227頁第17頁/共226頁第17頁/共227頁第18頁/共226頁第18頁/共227頁第19頁/共226頁第19頁/共227頁以Si為例：由圖可見第20頁/共226頁第20頁/共227頁同學(xué)們早晨好第21頁/共226頁第21頁/共227頁三、特性

1.靈敏度S

表示方法S=

光度學(xué):對可見光的能量計量輻射度量學(xué):對x,紫外,紅外,電磁的能量計量光電流(A)｛光通量流明靈敏度受光面照強(qiáng)度勒克斯靈敏度輻射通量輻射靈敏度第22頁/共226頁第22頁/共227頁輸入量表示方法:(光度學(xué)中的表示)a)光通量lmlm流明:

某一發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉的點光源在該方向單位立體角內(nèi)傳送出的光通量為1流明(lumen)第23頁/共226頁第23頁/共227頁

1坎德拉:2042

(1769鉑的凝固點),氣壓為101325牛頓/

,面積為1/60的絕對黑體沿法線方向發(fā)出的光強(qiáng)為1光強(qiáng)單位,稱為1坎德拉b)照度勒克斯(Lux)1流明的光通量均勻分布在1m平面產(chǎn)生的照度為1勒克斯單位為1流明/米第24頁/共226頁第24頁/共227頁c)輻射通量單位時間內(nèi)通過元面積ds所有波長的能量為該元面積的輻射通量單位為瓦特

1瓦特=685流明即輸入量為能量,不同的輸入量有不同的靈敏度第25頁/共226頁第25頁/共227頁

2、光譜靈敏度度與峰值波長

=

=

S(λ)輸出量輸入量U(λ)Ф(λ)S(λ)單色輻射通量器件反映第26頁/共226頁第26頁/共227頁有寬度機(jī)理第27頁/共226頁第27頁/共227頁3.相對光譜靈敏度Sr(λ)光譜靈敏度與最大光譜靈敏度之比最大Sr(λ)均為1第28頁/共226頁第28頁/共227頁表示本身光譜選擇性的優(yōu)劣例如：都在處三個不同器件的大不一樣，是否大的就好或不好。對于不同的用途來評價其優(yōu)劣：對于廣譜輸入，選擇性差的優(yōu)。 對于窄譜輸入，選擇性好的優(yōu)。 對于抗干擾，選擇性好的為優(yōu)。第29頁/共226頁第29頁/共227頁指連續(xù)輻射通量與輸出之比

測量是采用標(biāo)準(zhǔn)輻射源，探測器不同，材料不同，響應(yīng)不同。

為什么？峰值波長不同4.積分靈敏度（靜態(tài)特性）第30頁/共226頁第30頁/共227頁5.通量閾意義：能檢測的最小檢測輻射通量，最小檢測輻射通量。存在組件固有噪聲，只有大于固有噪聲才能被檢測輸出產(chǎn)生的電信號與固有噪聲電平相等時輻射射通量為通量閾。

積分靈敏度S=等效噪聲均方根輸出U輸入Ф第31頁/共226頁第31頁/共227頁6.歸一劃探測率

問題：不同的(通量閾)探測器是否小的一定好？先看是怎樣測量的△f第32頁/共226頁第32頁/共227頁阿

儀器的帶寬

不一樣，又因噪聲頻譜非常寬，越大，測量的噪聲功率越大，也越大。即噪聲功率沒有反映出儀器不同造成的差別。第33頁/共226頁第33頁/共227頁阿再看探測器的面積不同對噪聲的貢獻(xiàn)：設(shè)：有一受光面積為A的器件是全同單元是每一單元的噪聲功率第34頁/共226頁第34頁/共227頁阿如果兩探測器材料相同，環(huán)境相同是常數(shù)，則有噪聲功率也沒有反映出面積的差別兩項因素都考慮進(jìn)去第35頁/共226頁第35頁/共227頁問題怎樣消除其不平等因素：歸一化用去消除，即單位的

第36頁/共226頁第36頁/共227頁8.頻率特性：定義：相對光譜靈敏度隨入射輻射通量的調(diào)制頻率變化的特性。原因：響應(yīng)為粒子過程。DD7.轉(zhuǎn)換特性及響應(yīng)時間（小信號條件）轉(zhuǎn)換特性：輸入為階躍信號時的光電器件的響應(yīng)。響應(yīng)時間：光電器件輸出電壓達(dá)到最大值的0.63時的時間。第37頁/共226頁第37頁/共227頁9.光照特性10.溫度特性11.伏安特性f=0時響應(yīng)時間響應(yīng)頻率一般關(guān)系：第38頁/共226頁第38頁/共227頁四、光電傳感器1.光電管原理:外光電效應(yīng)光照-發(fā)射電子-電場加速-陽極收集第39頁/共226頁第39頁/共227頁2)結(jié)構(gòu)(氬、氖、氦）第40頁/共226頁第40頁/共227頁3)伏安特性陽極電流(μA)V陽極電壓飽合點第41頁/共226頁第41頁/共227頁比較：1.共同點:一定光照時,陽極電壓達(dá)到一定程度飽合.2.不同點:電子越多,更大的陽極電壓才能收集完,飽合點不同.3、充氣光電管在在充氣離子化電壓附近時陽極電流急速上升。第42頁/共226頁第42頁/共227頁4、改進(jìn):提高靈敏度,增加電流(氣體電離電)充氣.

特點:靈敏度增加(斜率大)

穩(wěn)定性,頻率特性變差5、響應(yīng)特性光電變換時間短---10-12S電子輸運時間為主第43頁/共226頁第43頁/共227頁2.光電倍增管1)原理:外光電效應(yīng),電子二次釋放效應(yīng).

高速電子撞擊固體表面,再次發(fā)射.光照固體表面二次電子釋放特點:由于一次發(fā)射后被加速,能量增加,撞擊后更多的電子發(fā)射.第44頁/共226頁第44頁/共227頁2)倍增率δ二次電子數(shù)轟擊固體物質(zhì)的電子數(shù)第45頁/共226頁第45頁/共227頁3)電流放大增益G在一定工作電壓下,陽極電流與陰極電流之比iA/ik設(shè):有N個倍增極平均倍增率為δ

光電轉(zhuǎn)換后能夠到達(dá)第一倍極的電子收集率為f

倍增極之間的傳遞率為g

則:第46頁/共226頁第46頁/共227頁理論與實驗結(jié)論:

當(dāng)外加極間電壓Ud一定時,倍增率δ一定G可表示為:公式含義:增益與是指數(shù)關(guān)系,所以G受它影響很大.

外加倍增極電壓要求有極好的穩(wěn)定性.第47頁/共226頁第47頁/共227頁4）典型結(jié)構(gòu)注：最后幾極電流大，易造成電壓波動，用電容去耦合穩(wěn)壓。第48頁/共226頁第48頁/共227頁5）特性：輻射靈敏度：陰極光照靈敏度：陽極光照靈敏度：第49頁/共226頁第49頁/共227頁電流增益：暗電流Id：Id為全暗條件下的陽極電流第50頁/共226頁第50頁/共227頁3：光敏電阻

1）原理：光電導(dǎo)效應(yīng)（光照躍遷導(dǎo)電率變化）2）工藝：薄膜（光電導(dǎo)效應(yīng)只限于薄層）第51頁/共226頁第51頁/共227頁

3）結(jié)構(gòu)：第52頁/共226頁第52頁/共227頁Sλ不同材料峰值不同展寬原因：E>Eg

分布不同

4）特性光譜特性第53頁/共226頁第53頁/共227頁光照特性：第54頁/共226頁第54頁/共227頁伏安特性：第55頁/共226頁第55頁/共227頁響應(yīng)時間：第56頁/共226頁第56頁/共227頁溫度特性：溫度升高，暗電阻下降，靈敏度下降原因：背景躍遷增加，湮沒光躍遷溫度升高：峰值波長向短波方向移動原因：EgT第57頁/共226頁第57頁/共227頁5)基本電路第58頁/共226頁第58頁/共227頁2）結(jié)構(gòu)4。光電晶體管1）光電二極管原理：內(nèi)光電效應(yīng)第59頁/共226頁第59頁/共227頁3）工作原理無光照：微小暗電流

有光照：光生載流子第60頁/共226頁第60頁/共227頁4).偏置狀態(tài)

a.無偏置第61頁/共226頁第61頁/共227頁b.反偏置第62頁/共226頁第62頁/共227頁c.PIN管加大光生載流子產(chǎn)生區(qū)，提高靈敏度，反應(yīng)速度工作原理：光照—穿透P區(qū)—在i區(qū)被吸收—電子＋空穴第63頁/共226頁第63頁/共227頁d.雪崩光電管雪崩效應(yīng)：如果在大外場作用下，電子獲取能量，碰撞產(chǎn)生電離，產(chǎn)生電子和空穴，增加增益和速度第64頁/共226頁第64頁/共227頁重要參數(shù)：描述雪崩效果倍增因子M:U：外加電壓UB：擊穿電壓第65頁/共226頁第65頁/共227頁5).特性光譜特性：不同材料的響應(yīng)峰值波長不同第66頁/共226頁第66頁/共227頁e)光電三極管第67頁/共226頁第67頁/共227頁基本電路第68頁/共226頁第68頁/共227頁結(jié)構(gòu)第69頁/共226頁第69頁/共227頁將b－c結(jié)作為光敏二極管第70頁/共226頁第70頁/共227頁結(jié)構(gòu)第71頁/共226頁第71頁/共227頁基本電路第72頁/共226頁第72頁/共227頁光信號控制開關(guān)電路A第73頁/共226頁第73頁/共227頁光照特性與伏安特性即：光照一定，I-V之間的關(guān)系光電池短路電流可見：短路電流特性宜作測量用第74頁/共226頁第74頁/共227頁由公式也可知（對數(shù)關(guān)系）（線性關(guān)系）第75頁/共226頁第75頁/共227頁硅光電池的伏安特性負(fù)載對線性的變化軸上為開路電壓可見：負(fù)載越小越接近短路，線性越好第76頁/共226頁第76頁/共227頁光二極管光照特性第77頁/共226頁第77頁/共227頁伏安特性光電流（ma）反向電壓（v）200lx1200lx1000lx600lx0.020.040.061.0負(fù)載線第78頁/共226頁第78頁/共227頁光電三極管第79頁/共226頁第79頁/共227頁5.半導(dǎo)體色敏傳感器1)結(jié)構(gòu)Eg1>Eg2>Eg3第80頁/共226頁第80頁/共227頁第81頁/共226頁第81頁/共227頁2)光譜響應(yīng)第82頁/共226頁第82頁/共227頁3)光電過程 設(shè)有，，

<

<>

>>>>>>第83頁/共226頁第83頁/共227頁第84頁/共226頁第84頁/共227頁4)電流比與波長對應(yīng)關(guān)系即第85頁/共226頁第85頁/共227頁做出其關(guān)系第86頁/共226頁第86頁/共227頁6、光電閘流晶體管

光閘晶體管結(jié)構(gòu)電路原理第87頁/共226頁第87頁/共227頁7、CCD圖像傳感器（電荷耦合器件）1）半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)金屬與半導(dǎo)體接觸第88頁/共226頁第88頁/共227頁表面帶負(fù)電荷表面帶正電荷第89頁/共226頁第89頁/共227頁2）勢阱深度與存儲電荷能力a）電子阱的概念QG：柵電荷Qf：自由電荷（落入阱中）QD：固定電荷d：耗盡層厚度COX：單位面積氧化層電容CD：單位面積耗盡層電容第90頁/共226頁第90頁/共227頁根據(jù)半導(dǎo)體物理理論由于表面加正電壓，吸引電子并束縛，相當(dāng)于掉在阱里，跑不掉，

故稱為電子阱（載流子阱）（落入阱中電荷）平帶電壓第91頁/共226頁第91頁/共227頁結(jié)論與討論：外加電壓越大勢阱越深勢阱深度隨阱中電荷量增加而下降每增加表面勢下降當(dāng)表面勢下降到，電子不能再增加，不破壞耗盡條件，此時稱阱已滿變淺勢阱中電荷轉(zhuǎn)移至深阱中第92頁/共226頁第92頁/共227頁3）電子來源1.注入2.光生：光照產(chǎn)生載流子光電轉(zhuǎn)換電流注入法：信號未來，IG小電壓，有一小阱，高電壓，有一深阱；信號來時，加一正向?qū)妷?，是注入二極管導(dǎo)通，注入載流子第93頁/共226頁第93頁/共227頁4）光生載流子的轉(zhuǎn)移（光電轉(zhuǎn)換）光積分區(qū)透光電極轉(zhuǎn)移輸出①光照光生載流子②轉(zhuǎn)移載流子進(jìn)入轉(zhuǎn)移區(qū)③切斷轉(zhuǎn)移電壓，電荷存在轉(zhuǎn)移區(qū)對應(yīng)單元中④輸出第94頁/共226頁第94頁/共227頁5）轉(zhuǎn)移方法電荷轉(zhuǎn)移工作原理第95頁/共226頁第95頁/共227頁6）三相轉(zhuǎn)移原理第96頁/共226頁第96頁/共227頁第97頁/共226頁第97頁/共227頁7）輸出用反偏二極管取出轉(zhuǎn)移過來的電荷第98頁/共226頁第98頁/共227頁8、光纖傳感器一.光纖均勻光纖結(jié)構(gòu)（子午幾何光線分析）第99頁/共226頁第99頁/共227頁二.光在光纖中的傳播第100頁/共226頁第100頁/共227頁1.分立的模式問題：是否滿足全反射條件的光線都能傳輸？P1BA第101頁/共226頁第101頁/共227頁設(shè):A為一反射前進(jìn)波

B為另一反射前進(jìn)波

A,B在點同相討論點的情況Ａ，Ｂ在點相干加強(qiáng)的條件是兩光線相位差為（m=0,1,2…)使之成立的普遍條件是每一光線折返一周的相位差為，因此傳播條件是折返一周的相位差為的整數(shù)倍2π2mπ2π第102頁/共226頁第102頁/共227頁設(shè)直徑為d，波矢在在直徑方向的分量為

結(jié)論：當(dāng)d，K，，確定后，只允許某些特定的存在（分立值）當(dāng)光線入射小于臨界時不能在纖芯中傳輸即傳輸截止2Kxd

-

2φ12-2φ12=2mπdKx=2φ12

+mπKx第103頁/共226頁第103頁/共227頁

由于不僅僅只子午光線,實際上要復(fù)雜的多

光纖的分析方法涉及的問題：光纖結(jié)構(gòu)；光纖模式；本征值方程；截止條件；單模條件；傳輸特性；特殊光纖2)分析方法：第104頁/共226頁第104頁/共227頁

在特定的結(jié)構(gòu)下解波動方程；求出本征值方程；研究模式、截止、單模條件等問題選定坐標(biāo)選定坐標(biāo)下的波動方程（標(biāo)量近似解或矢量嚴(yán)格解）用分離變量法解方程討論貝塞爾函數(shù)的斂散性光纖模式本征值方程截止條件第105頁/共226頁第105頁/共227頁時間：2010-04-1407:49:40

地點：青海省玉樹藏族自治州玉樹縣

震級(M)：7.1

震源深度：

33千米

第106頁/共226頁第106頁/共227頁單模光纖的極化特性特殊光纖傳輸特性

吸收損耗

散射損耗彎曲損耗端面傾斜對傳播的影響第107頁/共226頁第107頁/共227頁3.光纖中的模式考慮三條光線，三個角度入射只有小于臨界角的光線才能在光纖中傳播基模：直線總能傳播高階模：第一個偏離直線而又滿足2πm

條件的的光線第二個偏離直線而又滿足2πm

條件的的光線。。。結(jié)論：從高階模到低階模順序截至（隨頻率、隨光線直徑變化）

第108頁/共226頁第108頁/共227頁光纖中模式的截止:模式分類(m)u值(n)TEon,TMon

2.4

5.52

EH1n,HE1n0

3.833.83

7.017.01

EH2n,HE2n

2.4

5.135.52

8.41EH3n,HE3n

3.83

截止順序第109頁/共226頁第109頁/共227頁HE11

TE01

TM01

HE21

EH11

HE31

第110頁/共226頁第110頁/共227頁場型圖第111頁/共226頁第111頁/共227頁(a)光能量閉鎖較好的情況(b)臨近截止的情況第112頁/共226頁第112頁/共227頁4.光纖中的傳播模式數(shù)V5.單模條件第113頁/共226頁第113頁/共227頁6.數(shù)值孔徑NA:NumericalAperture定義：sinθ=NANA越大θ越大，進(jìn)入光線的的光越多第114頁/共226頁第114頁/共227頁7、傳輸損耗定義：單位長度上輸入功率與輸出功率的比值損耗原因：吸收損耗，散射損耗，彎曲損耗等。吸收損耗（1）本征吸收（非缺陷吸收）起因：原子振動（吸收光能轉(zhuǎn)化為振動 與固有振蕩頻率有關(guān)——與光譜有關(guān)）第115頁/共226頁第115頁/共227頁兩個吸收帶：

紫外區(qū)中心吸收帶尾延伸至

紅外區(qū)

中心吸收帶尾延伸至

兩吸收帶都影響至傳輸窗口

第116頁/共226頁第116頁/共227頁（2）雜質(zhì)吸收（雜質(zhì)吸收）

起因：雜質(zhì)吸收光能，振動→熱能

影響最大的雜質(zhì)根，

銅，鐵，鎳?yán)焊?，振動基頻釩，鉻，鎂其諧波吸收譜如右圖，若

要求

第117頁/共226頁第117頁/共227頁其濃度應(yīng)為

（重量為百萬分之一）若要求吸收峰值，則濃度為（重量十億分之一）吸收峰值，則濃度為（3）原子缺陷吸收在成纖時產(chǎn)生的原子缺陷第118頁/共226頁第118頁/共227頁散射損耗（1）本征散射原因：在加熱過程中，熱騷動使原子受壓縮，起伏，引起物質(zhì)

密度不均勻→導(dǎo)致折射率不均勻。折射率不均勻→產(chǎn)生散射特點：缺陷尺寸與波長相比較小瑞利散射分子散射是由瑞利提出的，散射光強(qiáng)和波長的四次方成反比其核心理論是小質(zhì)點的散射(2)第119頁/共226頁第119頁/共227頁散射光譜較寬在長波長工作散射較小

例：熔融二氧化硅，散射極限值（最低極限值）

第120頁/共226頁第120頁/共227頁彎曲損耗由于光纖彎曲，可以破壞原來的傳播特性。光纖直徑為dCX為彎—直部分界線CO為曲率半徑R

為直部處入射角為彎曲處入射角（外表面）為彎曲處入射角（內(nèi)表面）第121頁/共226頁第121頁/共227頁應(yīng)用正弦定理于

第122頁/共226頁第122頁/共227頁同理： 結(jié)論：當(dāng)R過小時（嚴(yán)重彎曲），可使之不滿足全反射條件，輻射損耗當(dāng)R變小到某一程度時，變?yōu)橹本€傳播，不經(jīng)內(nèi)表面反射。第123頁/共226頁第123頁/共227頁4、光纖端面傾斜對傳播的影響

實際上，端面與軸線有一定不垂直度

有時故意做成某種形狀激光器與光纖耦合第124頁/共226頁第124頁/共227頁α第125頁/共226頁第125頁/共227頁端面傾斜角為第126頁/共226頁第126頁/共227頁第127頁/共226頁第127頁/共227頁因為是臨界角,即為數(shù)值孔徑如果法線α上方入射,分析可得(利用)前面講過數(shù)值孔徑第128頁/共226頁第128頁/共227頁如果(無傾斜),則與原來一樣討論極端情況,集光最大(所有方向上的光均能進(jìn)入光纖)第129頁/共226頁第129頁/共227頁這時,NA為可能大于1(如:α=45度)說明端面傾斜對入射光來說有利于集光但是討論出射:第130頁/共226頁第130頁/共227頁代入前面的公式:當(dāng)θ≥90度時第131頁/共226頁第131頁/共227頁如果前面算出的比上式大,則要產(chǎn)生全反射,而不能出射.因此,出射的限制,受到限制.第132頁/共226頁第132頁/共227頁二、光纖傳感器■問題：被測信號如何與光纖的各種特性相聯(lián)系？

◆光纖有哪些特點？

◆作為傳輸媒質(zhì)：物理量：n、n的分布幾何量：r、l、橢圓度

◆被傳導(dǎo)的光的性質(zhì)：強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)、光的干涉、衍射等

◆被測信號：力學(xué)量、電學(xué)量、化學(xué)量等

???光和光線如何能夠感知被測信號???

第133頁/共226頁第133頁/共227頁1.強(qiáng)度調(diào)制傳感器(傳輸損耗)原理:被測量調(diào)制光強(qiáng)特點:技術(shù)簡單,可靠原理圖:

光

強(qiáng)度調(diào)制區(qū)D第134頁/共226頁第134頁/共227頁

裝置(1)微彎效應(yīng)

光D位移第135頁/共226頁第135頁/共227頁強(qiáng)度變化原因:a)彎曲損耗(射線光學(xué))b)模間耦合(波動理論)當(dāng)一對模式的有效傳播常數(shù)之差時,其兩模式之間的耦合程度最強(qiáng).如果β1為導(dǎo)波模式,β2為包層模式.對于階躍光纖,當(dāng)時,有最大耦合效果.(a為纖芯半徑,Δ為相對折射率差)第136頁/共226頁第136頁/共227頁(2)光強(qiáng)度外調(diào)制特點:光纖只起接收光和傳光作用.第137頁/共226頁第137頁/共227頁2.相位調(diào)制傳感器原理:

由于外部被測量的作用使光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化,利用干涉測量技術(shù),將相位變化變換為振幅變化,通過光電探測器進(jìn)行檢測.第138頁/共226頁第138頁/共227頁(1)邁克爾遜干涉儀第139頁/共226頁第139頁/共227頁(2).馬赫―澤德(Mach―Zehnder)干涉儀第140頁/共226頁第140頁/共227頁(3).薩格奈克(Sagnac)干涉儀第141頁/共226頁第141頁/共227頁(4).法布里―珀羅(Fabry―Perol)干涉儀第142頁/共226頁第142頁/共227頁(5)光纖干涉儀耦合的概念耦合的方法:光纖并行.耦合的效果:耦合可控制,使之達(dá)到能量分配目的.例如,可實現(xiàn)一半功率的耦合(3db)第143頁/共226頁第143頁/共227頁“全光纖”干涉儀結(jié)構(gòu)第144頁/共226頁第144頁/共227頁第145頁/共226頁第145頁/共227頁兩光纖光的干涉外界信號調(diào)制使測量光纖伸長（6）相位檢測問題：

光電探測器對光強(qiáng)敏感，對相位不敏感如何使相位變化轉(zhuǎn)換對應(yīng)成光強(qiáng)變化？第146頁/共226頁第146頁/共227頁阿第147頁/共226頁第147頁/共227頁考慮特殊點的情況靈敏度如果光纖的變化比波長大很多，周期變化頻率與信號變化對應(yīng)。如果光纖的變化比波長小很多，采用零差檢測等技術(shù)。第148頁/共226頁第148頁/共227頁a光源差分放大器積分放大器帶通濾波器鎖相放大器數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示移項控制整形電路3db3db第149頁/共226頁第149頁/共227頁阿

被測信號使光線變化（長度：L，應(yīng)變；折射率；彈光效應(yīng)直徑：泊松效應(yīng)考慮：參考臂和測量臂中通過的光第150頁/共226頁第150頁/共227頁第151頁/共226頁第151頁/共227頁a第152頁/共226頁第152頁/共227頁第153頁/共226頁第153頁/共227頁a白光溫度熱變色溶液黑體輻射波長調(diào)制波長調(diào)制原理：被測變量調(diào)制光波長特點：解調(diào)技術(shù)復(fù)雜（分光儀）穩(wěn)定性好第154頁/共226頁第154頁/共227頁阿黑體探頭透鏡雙波長檢測器溫度利用黑體探頭吸集光譜輻射

CCD陣列濾光器波長調(diào)制濾光器：法布里鉑羅標(biāo)準(zhǔn)具外界參數(shù)引起標(biāo)準(zhǔn)具變化白光大芯徑光線數(shù)據(jù)處理第155頁/共226頁第155頁/共227頁阿布拉格盒探測器處理聲光調(diào)制混頻通過測量可求出速度頻率調(diào)制原理：被測參數(shù)調(diào)制頻率多普勒效應(yīng)：

f入射到相對于探測器速度為v的運動物體上，從運動物體反射的光為：第156頁/共226頁第156頁/共227頁L+-偏振態(tài)調(diào)制原理：被測量改變偏振態(tài)法拉第效應(yīng)：在磁場作用下產(chǎn)生旋光效應(yīng)，稱為磁致旋光效應(yīng)，也稱為法拉第效應(yīng)。對于給定介質(zhì)，震動面的旋轉(zhuǎn)角與樣品長度和磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比磁致旋光方向與磁場方向有關(guān)，與光的傳播方向無關(guān)第157頁/共226頁第157頁/共227頁ii光探測電流傳感器第158頁/共226頁第158頁/共227頁DD12I激光器激光器---起偏器----線偏振光----透鏡耦合入纖----導(dǎo)體通有電流----

----纏繞光纖產(chǎn)生磁光效應(yīng)（光纖要求：低雙折射）----

----光纖中偏振光偏振面旋轉(zhuǎn)角----出射光經(jīng)透鏡到wallaston棱鏡

----w棱鏡將入射光分成振動方向相互垂直的兩束偏振光----探測處理第159頁/共226頁第159頁/共227頁濾波基帶信號D時分多路解調(diào)反射式光傳感器透射式時分調(diào)制原理：被測參量調(diào)制返回信號的基帶頻譜，通過檢測基帶的延遲時間、幅度大小等的變化來測量各種物理量和空間分布。特點：可測量空間分布第160頁/共226頁第160頁/共227頁第161頁/共226頁第161頁/共227頁a三、光耦合器光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。

結(jié)構(gòu)：

由發(fā)光源和受光器兩部分組成。發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。

發(fā)光源為輸入端受光器為輸出端，

受光器：光敏二極管、光敏三極管、光電三極管、光敏電阻型、光控晶閘管、光電達(dá)林頓、集成電路等型式。第162頁/共226頁第162頁/共227頁a

工作原理

在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。

工作特性（以光敏三極管為例）

1、共模抑制比很高

發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很?。?pF以內(nèi)）對輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。

2、輸出特性

發(fā)光二極管不發(fā)光時，光敏晶體管集電極輸出電流

暗電流很小。發(fā)光二極管發(fā)光時，輸入輸出電流之間的變化成線性關(guān)系。

3、光電耦合器可作為線性耦合器使用。

在發(fā)光二極管上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號，其輸出電流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號。在傳輸脈沖信號時，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時間相差很大

第163頁/共226頁第163頁/共227頁a

3、光電耦合器可作為線性耦合器使用

在發(fā)光二極管上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號，其輸出電流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號。光電耦合器具體應(yīng)用

1.組成開關(guān)電路

2．組成邏輯電路

3．組成隔離耦合電路

4．組成高壓穩(wěn)壓電路

5.組成門廳照明燈自動控制電路

第164頁/共226頁第164頁/共227頁a光電耦合器的分類(1)按光路徑：外光路光電耦合器、內(nèi)光路光電耦合器。

(2)按輸出形式：

a、光敏器件輸出型：光敏二極管輸出型，光敏三極管輸出型等

b、NPN三極管輸出型：交流輸入型、直流輸入型等。

c、達(dá)林頓三極管輸出型：交流輸入型、直流輸入型。

d、邏輯門電路輸出型：門電路輸出型，施密特觸發(fā)輸出型，三態(tài)門電路輸出型等。

e、低導(dǎo)通輸出型（輸出低電平毫伏數(shù)量級）。

f、光開關(guān)輸出型（導(dǎo)通電阻小余10Ω）。

g、功率輸出型（IGBT/MOSFET等輸出）。(3)按封裝形式：同軸型、雙列直插型、TO封裝型、扁平封裝型、貼片封裝型、以及光纖傳輸型等。(4)按傳輸信號：數(shù)字型光電耦合器、線性光電耦合器(5)按速度：低速光電耦合器（光敏三極管、光電池等輸出型）高速光電耦合器（光敏二極管帶信號處理電路或者光敏集成電路輸出型）(6)按通道：單通道、雙通道、多通道光電耦合器。(7)按隔離特性：普通隔離光電耦合器（一般光學(xué)膠灌封低于5000V，空封低于2000V）高壓隔離光電耦合器（可分為10kV,20kV,30kV等）。(8)按工作電壓：可分為低電源電壓型光電耦合器（一般5～15V）和高電源電壓型光電耦合器（一般大于30V）。

第165頁/共226頁第165頁/共227頁一、氣體傳感器概述：氣體的特點：大部分是混合體。對傳感器的要求：能選擇性地檢測某一單一氣體。

氣體是以濃度的變化為其存在表現(xiàn)的強(qiáng)度。對傳感器的要求：有滿足要求的靈敏度，實現(xiàn)測量范圍。響應(yīng)速度，穩(wěn)定性，價格體積第六章其他類型傳感器氣體傳感器是能夠感知氣體種類及其含量并轉(zhuǎn)換成可用信號（電信號）輸出的器件或裝置第166頁/共226頁第166頁/共227頁阿★由于氣體種類繁多單一型傳感器不能檢測所有氣體。表面聲波氣敏傳感器：

主要測量：各有機(jī)氣體如：有機(jī)磷化合物鹵化物苯乙烯碳酸氯固態(tài)電解質(zhì)氣敏傳感器：

主要測量：無機(jī)氣體如：二氧化碳，氯氣，一氧化碳

特點：選擇性好，靈敏度不高

材料：ZrO2,氧化鋯，二氧化銫等。金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器

主要測量：各種還原性氣體

特點：選擇性差，成本低，測量簡單，靈敏度高，應(yīng)用最為普遍。第167頁/共226頁第167頁/共227頁阿1、接觸燃燒式氣體傳感器

原理：被測氣體的濃度或含量與進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時產(chǎn)生熱量的多少具有對應(yīng)關(guān)系熱量可導(dǎo)致某些材料的物理性質(zhì)發(fā)生變化，例如金屬的阻值。

被測氣體：可燃?xì)怏w工作方式：直接接觸燃燒、催化接觸燃燒氧化鋁觸膜鉑絲（氧化鋁外面可再涂鉑鈀催化劑）工作原理：可燃?xì)怏w在表面或在催化劑的作用下燃燒，使得波斯溫度升高從而電阻發(fā)生變化。利用橋路即可測得。還可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。第168頁/共226頁第168頁/共227頁去2、氧化物半導(dǎo)體傳感器參數(shù)：

1）電阻比靈敏度2）輸出電壓比靈敏度

3）氣敏元件分辨率

4）響應(yīng)時間

5）恢復(fù)時間

6）加熱功率第169頁/共226頁第169頁/共227頁阿第170頁/共226頁第170頁/共227頁2、氧化物半導(dǎo)體傳感器

1）半導(dǎo)體材料

N型氧化物：ZnO,

Fe2O3,

SnO2P型氧化物：除NiO外等其它因工作穩(wěn)定性差，靈敏度不等而不用。

2)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型:

a)表面電阻控制型:

分為薄膜型燒結(jié)型厚膜第171頁/共226頁第171頁/共227頁

薄模型電極加熱氧化物半導(dǎo)體基片燒結(jié)型加熱第172頁/共226頁第172頁/共227頁厚模型加熱材料三氧化二鋁二氧化釕氧化硅絕緣層二氧化錫第173頁/共226頁第173頁/共227頁機(jī)理:

氣體吸附親電性低(還原性氣體)

施放電子成為正離子電導(dǎo)率親電性高(氧化性氣體)

奪取電子成為正離子電導(dǎo)率第174頁/共226頁第174頁/共227頁b)體電阻控制型

加熱機(jī)理:熱敏型氣敏器件(對可燃性氣體)

可燃?xì)怏w吸附-燃燒-溫度-阻值吸附氣體-新能級+晶格缺陷-體電阻氧化,還原過程中,形成離子增減.第175頁/共226頁第175頁/共227頁第176頁/共226頁第176頁/共227頁3）氣敏選擇性

提高氣體選擇性的途徑a)選擇工作溫度第177頁/共226頁第177頁/共227頁b)氣體過濾膜

二氧化硅阻止比氫氣大的其它氣體c)催化劑某些催化劑有選擇性地對被測氣體進(jìn)行催化氧化氧化物體催化劑使用溫度氣體范圍二氧化錫

二氯化鈀

200-300還原性氣體二氧化錫

二氧化釷

150-200氫、一氧化碳二氧化錫

金常溫硫化氫氧化鋅

鈀

400-500氫、一氧化碳氧化鋅

鉑常溫烷烴氧化釩

銀

300二氧化氮第178頁/共226頁第178頁/共227頁2,肖特基二極管氣敏傳感器結(jié)構(gòu)第179頁/共226頁第179頁/共227頁機(jī)理:孤立狀態(tài)肖特基勢壘第180頁/共226頁第180頁/共227頁接觸狀態(tài)第181頁/共226頁第181頁/共227頁當(dāng)氣體(H2)濃度增高時

(Pd)金屬的功函數(shù)會降低，勢壘降低第182頁/共226頁第182頁/共227頁Pd-TiO2二極管的V-I特性（25°C）濃度：a=0b=14c=140d=1400e=7150f=10000g=15000濃度增加電流增加第183頁/共226頁第183頁/共227頁3.MOSFET氣敏器件金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)（n溝道）機(jī)理：氣體降低了柵金屬功函數(shù)，使VT下降，VT（閾值電壓）第184頁/共226頁第184頁/共227頁4、氧化鋯氧氣傳感器材料性質(zhì)：

★不同溫度下添加雜質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)不同

2500度立方晶系2700度添加某些雜質(zhì)正方晶系

★添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂產(chǎn)生氧空位形成離子電導(dǎo)特性

★在一定的溫度條件下，如果在二氧化鋯塊狀陶瓷兩側(cè)的氣體中分別存在著不同的氧分壓(即氧濃度)時，二氧化鋯陶瓷內(nèi)部將產(chǎn)生一系列的反應(yīng)，和氧離子的遷移。這時通過二氧化鋯兩側(cè)的引出電極，可測到穩(wěn)定的毫伏級信號，我們稱之為氧電勢。氧化鋯氧濃度高第185頁/共226頁第185頁/共227頁二濕度傳感器件水蒸氣質(zhì)量氣體體積絕對濕度１．濕度的概念表征方法：１)絕對濕度（ＡＨ）PV(AbsolutelyHumidity）一定溫度，壓力單位體積混合氣體中含水蒸氣的質(zhì)量，為絕對濕度第186頁/共226頁第186頁/共227頁

２)相對濕度（ＲＨ）

H(RelativeHumidity)

絕對濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比

相對濕度絕對濕度同一溫度飽和狀態(tài)絕對濕度第187頁/共226頁第187頁/共227頁a

３)露點濕度壓力一定，Ｔ，結(jié)霜4)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)=所含水蒸汽質(zhì)量/混合氣體質(zhì)量

=m/M×100%

體積分?jǐn)?shù)=含水蒸氣體積/混合氣體體積

=v/V×100%２、濕度傳感器參數(shù)１）濕度量程感濕范圍

0——40%低濕型﹥70%高濕型

0——100%全濕型第188頁/共226頁第188頁/共227頁A

2）感濕靈敏度

相對濕度改變1%時，傳感器參量的變化值或百分比。

3）特征溫度系數(shù)

4）響應(yīng)時間濕度穩(wěn)定的90%

5）電壓特性加交流直流引起被測水分子分解

6）頻率特性頻率太高阻值變化，小于千赫顧及直流的分解不能太低第189頁/共226頁第189頁/共227頁?。病穸葌鞲衅鳎保┰恚豪貌牧系奈锢硖匦粤侩S材料所處的環(huán)境濕度而有規(guī)律的變化材料特征量Ｒ，Ｃ變換信號S(t)第190頁/共226頁第190頁/共227頁2)元素半導(dǎo)體濕敏器件

1.材料：單元素Ge鍺Se硒2.物理特征R電阻3.結(jié)構(gòu)硒膜鉑電極第191頁/共226頁第191頁/共227頁相對濕度電阻*1000000

1101000.10.01406080硒—濕度第192頁/共226頁第192頁/共227頁

4.機(jī)理多晶結(jié)構(gòu)晶粒界面電導(dǎo)＋表面電導(dǎo)改變表面態(tài)及晶粒間界面勢壘同時要求界面電導(dǎo)+表面電導(dǎo)＝主導(dǎo)電導(dǎo)多晶，薄膜（很薄）5.制作工藝：蒸發(fā)膜否則體電導(dǎo)為主電導(dǎo)第193頁/共226頁第193頁/共227頁3）金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕度器件1.材料

系系系

加入是為了改善機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)點：熱穩(wěn)定、抗污、長壽命、響應(yīng)快、精度高、范圍寬2.特征量R第194頁/共226頁第194頁/共227頁3.結(jié)構(gòu)薄厚膜電極膜第195頁/共226頁第195頁/共227頁④機(jī)理1.一般理解（看法不一致）◆材料屬于多晶◆晶粒間界結(jié)構(gòu)不夠致密，沒有規(guī)律◆載流子濃度比晶粒內(nèi)部小的多，載流子遷移率也低△水分子中的氫原子具有很強(qiáng)正電場△附著時從材料表面俘獲電子，表面帶負(fù)電（表面電勢變負(fù)）第196頁/共226頁第196頁/共227頁△對于P型材料：表面負(fù)電勢吸引空穴到表面，電阻，負(fù)性△對于N型材料：表面負(fù)電勢使表面層電子耗盡負(fù)性吸引大量空穴到表面，反型電阻第197頁/共226頁第197頁/共227頁第198頁/共226頁第198頁/共227頁另一類材料，如結(jié)構(gòu)，電子能量狀態(tài)與負(fù)性不一樣水分子附著，表面電勢變負(fù)，表面層電子濃度下降，但不反型，R第199頁/共226頁第199頁/共227頁⑤工藝：絲網(wǎng)印刷絲網(wǎng)（孔數(shù)/nm2）貼感光膜，光刻成型，印刷燒結(jié)陶瓷，材料，成型，1300℃燒制－瓷體，切片涂覆：噴涂，印刷第200頁/共226頁第200頁/共227頁4）厚膜陶瓷濕度傳感器

5）薄膜陶瓷濕度傳感器材料

物理量結(jié)構(gòu)機(jī)理吸附水使電容量變化等第201頁/共226頁第201頁/共227頁6）MOSFET濕敏器件材料：感濕薄膜物理特征量：電荷E、電場結(jié)構(gòu)機(jī)理：沒有薄膜加一脈沖（正）形成溝道，導(dǎo)電，然后變化有薄膜第202頁/共226頁第202頁/共227頁7）結(jié)型濕敏器件

材料：薄膜

物理量：

結(jié)構(gòu)水機(jī)吸附、正電場——耗盡工藝制備反向電流相對濕度10nm第203頁/共226頁第203頁/共227頁比較：元素半導(dǎo)體電阻高——適用于高濕度測量第204頁/共226頁第204頁/共227頁金屬氧化物涂覆燒結(jié)厚膜MFET特性穩(wěn)定感濕范圍寬重復(fù)性好易于微型化、集成化工藝簡單溫度系數(shù)較小體積小濕度量程寬響應(yīng)時間短重量輕重復(fù)性好易于集成壽命長成本低第205頁/共226頁第205頁/共227頁1889年巴黎1851年倫敦2010年上海2010年北京第206頁/共226頁第206頁/共227頁阿

一、概論生物傳感器(化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)…..)

生物傳感器是利用生物關(guān)聯(lián)物質(zhì)選擇分子的功能的化學(xué)傳感器（敏感元件：生物材料，轉(zhuǎn)換元件：電極）

生物感應(yīng)元件的專一性/能夠產(chǎn)生和待測物濃度成比例的信號傳導(dǎo)器/與其它傳感器不同的是生物傳感器是以生物學(xué)組件作為主要功能性元件，能夠感受規(guī)定的被測量

/是基于它的生物敏感材料來自生物體。生物傳感器的工作原理主要決定于生物敏感元件與待測物質(zhì)之間的相互作用，主要有化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為電信號、將熱變化轉(zhuǎn)化為電信號、將光效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號、直接產(chǎn)生電信號方式等方式

特點：選擇性好、噪聲低、重復(fù)性好、能以電信號直接輸出

測量范圍：低分子—高分子：酶、微生物、免疫體、復(fù)雜蛋白質(zhì)等現(xiàn)有傳感器：酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、熱生物傳感器、光生物傳感器、壓電生物傳感器三、生物傳感器第207頁/共226頁第207頁/共227頁生物傳感器的分類1：按識別功能膜分類按信號轉(zhuǎn)換分類按材料第208頁/共226頁第208頁/共227頁生物傳感器的分類2：根據(jù)被測物與分子識別元件相互作用產(chǎn)生傳感器輸出信號的方式分類：

1）生物親和型生物傳感器

被測物與分子識別元件上敏感物質(zhì)具有生物親和作用。即二者間能特異地相結(jié)合，同時引起敏感材料上生物分子的結(jié)構(gòu)和固定介質(zhì)發(fā)生物理變化，例如電荷、厚度、溫度、光學(xué)性質(zhì)(顏色或熒光)等變化。這類傳感器稱為生物親和型生物傳感器。

2）代謝型或催化型生物傳感器

被測物與分子識別元件上的敏感物質(zhì)相作用并產(chǎn)生產(chǎn)物，信號換能器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?，這類傳感器稱為代謝型或催化型生物傳感器。第209頁/共226頁第209頁/共227頁二、生物傳感器的工作原理

1、生物識別功能

生物體內(nèi)具有各種選擇性地識別特定化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)受體

化學(xué)受體：分子識別部位或信號轉(zhuǎn)換部位識別功能物質(zhì)：酶高選擇性、起催化作用氧化還原酶水解酶（葡萄糖氧化酶）（尿素酶）

抗體與免疫有關(guān)

激素受體、結(jié)合蛋白質(zhì)微生物特殊酶活性的小器官

第210頁/共226頁第210頁/共227頁a被測物敏感膜透氣膜電流電壓電流透過膜透過膜玻璃膜透過膜透過膜

2、生物信號轉(zhuǎn)換方式

1）化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號方式第211頁/共226頁第211頁/共227頁

2、生物信號轉(zhuǎn)換方式

1）化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號方式

酶與被識別分子發(fā)生特異反應(yīng)，產(chǎn)生特定物質(zhì)的增減，并將特定物質(zhì)的增減量轉(zhuǎn)換為電信號

2）熱轉(zhuǎn)換為電信號方式

進(jìn)行分子識別時產(chǎn)生熱變化，并將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號

3）光轉(zhuǎn)換為電信號方式很多酶進(jìn)行分子識別時產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，并將光變化轉(zhuǎn)換為電信號

4）直接誘導(dǎo)式電信號進(jìn)行分子識別時產(chǎn)生電信號變化第212頁/共226頁第212頁/共227頁

3、換能