北航光电子试验与技术大作业试论光电探测器件的最新进展

试论光电探测器件的最新进展院系名称：仪器科学与光电工程学院班级：学号：姓名：2016年5月2日摘要光电探测器是一种采用光电元件作为检测元件的传感器。它具有非接触、响应快、可靠性强等优点。近年来光电探测器飞速发展在各个领域也占据着重要的地位。本文介绍了光电探测器应用的两种领域，以及在该领域中，光电探测器的最新发展状况。通过对新探测器的工作原理、材料、性能指标参数、典型应用实例等探讨，从而对光电探测器有进一步的认识。关键词：巴拉格光栅、氧化锌半导体、PIN光电二极管、硅光电倍增管摘要--------------------------------------------------------------------------------------------------------------2一、绪论----------------------------------------------------------------------------------------------------------4二、光电传感器在医学领域的应用-----------------------------------------------------------------------4（一）光纤传感器---------------------------------------------------------------------------------------41、光纤布拉格光栅-------------------------------------------------------------------------------42.FBG在骨科中的应用---------------------------------------------------------------------------53.FBG在医疗领域的发展现状-----------------------------------------------------------------5（二）宽禁带半导体ZnO探测器-------------------------------------------------------------------61.ZnO薄膜的光电性质---------------------------------------------------------------------------62.ZnO在神经检测中的运用--------------------------------------------------------------------63.ZnO在医疗领域的发展状况-----------------------------------------------------------------7三、光电传感器在粒子探测领域的应用----------------------------------------------------------------7（一）大气颗粒物检测--------------------------------------------------------------------------------71.PIN光电二极管----------------------------------------------------------------------------------72.PM2.5探测器-------------------------------------------------------------------------------------83.大气颗粒物探测器研究现状-----------------------------------------------------------------8（二）PET探测器----------------------------------------------------------------------------------------81.PET探测器----------------------------------------------------------------------------------------82.基于MPCC的PET-----------------------------------------------------------------------------103.基于MPCC的PET探测器研究现状-----------------------------------------------------11参考文献:-------------------------------------------------------------------------------------------------------12一、绪论传感器是测量的第一环节，它在对物体从定性描述到定量描述起了非常重要的作用。随着材料性能的改进与制造工艺的不断完善，光电探测器也向着阵列化、集成化、便携化发展。光电探测器作为一个发展迅速，性能优秀的探测器件，已经广泛应用于航天、遥感、材料、生物、医学等领域。二、光电传感器在医学领域的应用医学传感器是连接医学器件与人体部位的关键器件。而光电传感器作为医用传感器有速度快、灵敏度高、结构简单、体积小、可靠性高等优点。（一）光纤传感器1、光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating,FBG）传感器是一种近年来发展起来的新型光纤传感器。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，于是特定波长（布拉格反射光）的光波在这个区域内将被反射。反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效折射率有关。将光栅区用作传感区，当被传感物质温度、结构或是位置发生变化的时候，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变Bragg中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的Bragg波长进行检测就可以获得待测参量的变化情况（见图1）。图1一般反射光中心波长变化为皮米(pm)量级，热胀冷缩的温度特性一般为10pm／C，拉伸挤压应变特性为1．2pm／微应变，所以FBG的测量灵敏度极高。FBG技术允许在一根光纤上串联多个传感光栅，同时测量多个位置的应变、温度等参数，不同光栅之间通过光纤首尾连接，一条光纤可以覆盖多个待测区域。FBG准分布式系统见图2。将整个FBG传感器与FBG解调仪联接，组成完整的FBG测量系统，见图3。将光栅安装在人体关节处或骨折处，可以测量关节骨骼应力；贴装在四肢体表，可以测量运动恢复过程中的体温变化。当FBG传感器受到外部机械应力或温度变化的影响时，FBG传感器发生轴向应变，导致光栅周期发生变化，引起反射光谱和投射光谱均发生变化，可通过光谱分析仪采集和分析。图2图32.FBG在骨科中的应用了解骨骼疾病和设计骨科相关的器械必须充分掌握骨骼肌肉系统的生物力学特点。现今测量骨骼受力变形应用最广泛的是应变计(straingauge，SG)测量方法，可用于模型试验、实体试验、静态测试和动态测试中进行拉伸、压缩、弯曲、扭转等方面的检测，其电阻变化与应变成比例，可以检测骨骼在负载下发生的变形。有学者尝试把FBG传感器用于体内作为骨应变测量工具，认为FBG在许多方面均比SG表现出更多的优点，例如FBG的主要材料为硅酸盐，生物相容性极好。Carvalho等将FBG传感器安置在成骨细胞培养环境中，观察其传感能力是否会受到影响，发现成骨细胞的不断发育确实会对FBG传感器和光导纤维等产生很强的黏附和包裹作用，但在整个成骨细胞的培养阶段，光纤光栅的传感能力几乎没有受到影响，由此可见FBG技术具有良好的细胞相容能力和可靠的光学传感能力。FBG传感器导致患者发生排异反应和感染的风险相对SG会小很多；FBG传感器体积小，可以封装成多种形式和形状，可以非常方便附着在不规则的骨骼表面；FBG具有很强的抗电磁干扰的特点，可以被用于各种电磁环境。3.FBG在医疗领域的发展现状目前FBG技术已经成功应用于多种生物力学研究领域中，与传统技术相比具有许多显著优点，如体积小、重量轻、传感器外形多样化、耐腐蚀、抗电磁干扰、生物相容性好等。虽然FBG技术已经逐步证明了它的优越性和可行性，在许多方面均超过现行的传统技术，但是还没有被广泛推广和应用。尽管FBG传感器在骨科相关领域的应用潜力很大，但仍存在一些有待解决的问题。布置在体内的FBG传感器需要过光纤与体外的分析处理设备相连接，这些设备的体积和重量虽然不算很大，但是依然与医生和患者的期望有很大差距，还有FBG传感器的封装形式还需进一步改进。由于FBG传感器本身只是要求光路和光源，传感器本身并不需要任何能源配套就能独立工作，鉴于这一独特优势，北科星达科技有限公司与河北医科大学已经联手开始通过“多光纤技术”和“改善光源”等技术手段达到FBG传感器与分析系统主机分离的构想。在国外，日本奥林巴斯医疗株式会社已经申请了具有FBG传感器的插入形状检测探头图4的专利。该专利于2006年申请，于2011年公开。现在已经大批量生产应用于临床检测中。图4加之FBG传感器极好的组织相容性，其有可能更为灵活地应用在更多测量环境下，甚至是活体体内。总之，FBG技术还需要不断改进和完善，使其体积更小、使用更灵活、体内植入时创伤更小，在生物力学，特别是骨骼生物力学方面具有更广阔的应用前景。（二）宽禁带半导体ZnO探测器1.ZnO薄膜的光电性质氧化锌是一种新型的II-VI族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，室温下的禁带宽度为3.36eV，激子结合能高达60meV，具有优异的光学和电学特性，具备了发射蓝光或近紫外光的优越条件。氧化锌薄膜的高电阻率与单一的C轴结晶择优取向决定了它具有良好的压电常数与机电耦合系数，可用作各种压电、电声与声光器件。早在1976年，ParadisEL就曾报道，由于压电材料为光信号处理提供了一个主动媒介（activemedium），氧化锌压电薄膜在集成光学领域便很有用武之地。由于氧化锌薄膜能够在低温下沉积于熔石英基底上，所以在集成光路中主动元件的制备方面有着巨大的应用潜力。由于光波导中要求光的散射损耗必须很小，而c轴择优取向性强的氧化锌薄膜能使元件的电光(electro-optic)和声光(a-cousto-optic)效应达到最大限度，所以制备这些主动元件需要有接近单晶结构性能的氧化锌薄膜。此外，氧化锌具有很高的导电性，它还和其他氧化物一样具有很高的化学稳定性和耐高温性质。而且它的来源丰富，价格低廉。这些优点使它成为制备光电子器件的优良材料，极具开发和应用的价值。2.ZnO在神经检测中的运用2005年左右，光遗传学丰富了神经科学家对大脑功能的理解力，科学家进行了包括基因工程神经元传递光敏蛋白质膜在内的各种研究。利用蛋白质的传递，脉冲光可以用来促进或抑制这些特定的细胞的活动。理论上可以为研究人员提供前所未有的在特定的时间特定的脑细胞的能力。但是，同时迅速刺激和记录多个感兴趣点的脑内微电路的大脑活动是十分困难的。这需要一种既能产生光脉冲的空间区域，也能以动态模式检测兴奋细胞的活动所产生的影响的装置。以前科学家曾试图将发光和电子传感独立组件组装起来制备该装置。但这种探测器身体笨重，不适合插入人的大脑。由于发射器和传感器相隔数百微米，这是一段相当远的距离，刺激和记录信号之间的联系也是模棱两可的。因为ZnO具有优越的发光特性和光电特性，因此它可以同时用于激发与检测。由ZnO制成的透明紧凑性器件具有产生光脉冲和感应电流的功能。当光功率的范围扩大到三个数量级以上时，可得到一系列神经网络相关反应，复制一种在大脑中自然产生的活动模式。这种器件的发明开启了光遗传学运作神经网络的新