光电检测技术应用及其前景

光电检测技术与应用

论文

论文题目:

光电检测技术应用及其前景

院系应用物理与材料学院

专业应用物理

学号11060112

学生姓名郭梓浩

指导教师孙鲁

完成日期 2014年6月10日

摘要在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。

关键词传感器微电子半导体自动检测

Abstract In the high-speed development of science and technology of modern society, mankind has into rapidly changing information era, people in daily life, the production process, rely mainly on detection techniques of information by acquiring, screening and transmission, to achieve the brake control, automatic adjustment, at present our country has put detection techniques listed in one of the priority to the development of science and technology.Because of microelectronics technology, photoelectric semiconductor technology, the development of optical fiber and grating technology, makes the application of the photoelectric sensor is growing.This kind of sensor has the advantages of simple structure, non-contact, high reliability, high precision, measurable parameters, quick reaction and simple structure, the advantages of flexible and varied in form, has been widely applied in the automatic detection technology, it is a kind of based on the theoretical basis of the photoelectric effect, composed of photoelectric material device.

Key words The sensor microelectronics

semiconductor Automatic detection

目录

第1章绪论 (1)

1.1引言 (1)

1.2 光电检测技术 (1)

1.3 发展趋势 (2)

第2章光电检测技术传感器 (3)

2.1 理论基础——光电效应 (3)

2.2光电元件及特性 (3)

2.3、光电传感器 (6)

2.3.1光电传感器的基本结构 (6)

2.3.2光敏三极管 (6)

2.3.3硅光敏二极管 (7)

第3章应用前景 (9)

第4章结论 (10)

参考文献 (11)

图标目录

图1:光电检测系统工作原理图......................................................... (1)

图2光电光结构示意图 (4)

图3光电管测量电路 (4)

图4光电管的光电特性 (4)

图5光电倍增结构示意图 (4)

图6光敏电阻的伏安特性......................................................... . (5)

图7光电传感器的基本结构......................................................... (6)

图8 光敏电阻测量电路......................................................... . (7)

图9 光敏晶体管测量电路

........................................................... . (7)

图10 光电池测量电路......................................................... (7)

图11 使用放大器的光敏元件放大电路 (8)

第1章绪论

1.1引言

随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，[1]已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测技术具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点，令其发展十分迅速，并推动着信息科学技术的发展。它将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。本文从光电检测技术本身特点出发，分析其发展趋势及应用前景[2]。

1.2 光电检测技术

光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，它是以激光、红外、光纤等现代光电子其件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模 / 数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数。其工作原理如图1所示：

图1:光电检测系统工作原理图

其技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，它具有如下特点：

1.高精度。光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。如用激光干涉法测量长度的精度可达 0.05μm/m；光栅莫尔条纹法测角可达到；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。

2.高速度。光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。

3.远距离、大量程。光是最便于远距离粗寒痹的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。

4.非接触测量。光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种[3]。

1.3 发展趋势

从上面对光电检测技术特点的分析，并随着世界各国的激烈竞争正以日新月异的速度突飞猛进及科研技术的提高，光电检测技术的发展趋势主要表现在：高精度方向发展：检测精度向高精度方向发展，纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术是今后的发展热点；智能化方向发展：检测系统向智能化方向发展，如光电跟踪与光电扫描测量技术；数字化方向发展：检测结果向数字化，实现光电测量与光电控制一体化方向发展；多元化方向发展：光电检测仪器的检测功能向综合性、多参数、多维测量等多元化方向发展，并向人们无法触及的领域发展，如微空间三维测量技术和大空间三维测量技术；微型化方向发展：光电检测仪器所用电子元件及电路向集成化方向发展；光电检测系统朝着小型、快速的微型光、机、电检测系统发展；自动化方向发展：检测技术向自动化，非接触、快速在线测量方向发展，检测状态向动态测量方向发展；以上这些发展趋势是现代化生产的需要，是现代科学技术发展的需要，是国防建设的需要[4]。

第2章 光电检测技术传感器

2.1 理论基础——光电效应

光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。

光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象称为外光电效应[5]。 根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v 为光波频率，h 为普朗克常数，h ＝6.63*10-34J ·s)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：

式中，m 为电子质量,v 为电子逸出的初速度,A 微电子所做的功。 由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A 。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为

式中c 为光速，A 为逸出功。 2.2光电元件及特性

根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。

1.光电管 光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光它的外形和结构如图2所示，半圆筒形金属片制成的阴极K 和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A 封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量

A -h m 2

12νν=A

hc

K =λ