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.docx

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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4

一、绪论6

二、光电传感器在医学领域的应用6

（一）光纤传感器6

1、光纤布拉格光栅6

2.FBG在骨科中的应用7

3.FBG在医疗领域的发展现状7

（二）宽禁带半导体ZnO探测器8

1.ZnO薄膜的光电性质8

2.ZnO在神经检测中的运用8

3.ZnO在医疗领域的发展状况9

三、光电传感器在粒子探测领域的应用9

（一）大气颗粒物检测9

1.PIN光电二极管9

2.PM2.5探测器10

3.大气颗粒物探测器研究现状10

（二）PET探测器10

1.PET探测器10

2.基于MPCC的PET12

3.基于MPCC的PET探测器研究现状13

参考文献:

14

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3

2.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

-

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起点。

3.ZnO在医疗领域的发展状况

该项研究成果由布朗大学工程学院ArtoNurmikko实验室研究团队于2015年10月发表在nature上。

同时该设备的精密加工由ArtoNurmikko实验室研究团队和韩国首尔国立大学的助理研究教授IlkerOzden和Yoon-KyuSong联合开发。

此后，Nurmikko实验室将和Song实验室一起，计划继续在首尔进行该设备的进一步研究，最终实现该设备的无线化连接。

三、光电传感器在粒子探测领域的应用

（一）大气颗粒物检测

1.PIN光电二极管

PIN硅光电二极管的本质是一个反向偏置的半导体二极管，与PN硅光电二极管的结构相比图5,不同之处是:

在重掺杂的上电极P区和N区之间夹有一层叫做本征层（i层）的半导体。

（其工作原由图6所示）。

当PN结受到电板光照射时,光子和半导体晶格原子相互作用,当入射光子能量E=hv一超过硅材料禁带宽度Eg=hvg,就在耗尽区中或离耗尽区边沿一个扩散长度内产生电子——空穴对。

这种电子——空穴对被外加电场拉开,电子向N区漂移，空穴向P区漂移，当载流这就是PIN硅光电二极管的简单工作原理。

由于PIN硅光电二极管能选择耗尽层（即i层）的厚度,使灵敏度和响应速度最佳化,故它是比PN硅光电二极管更为优越的探测器。

图5

图6

2.PM2.5探测器

如果光通过的地方有浮游粒子，光照到浮游粒子上就会产生散射，浮游粒子越多，散射光越强且与浮游粒子的量成比例。

浮游粒子所散射出来的光是比较微弱的，而光电倍增管具有独特的高灵敏度，因此在检测PM2.5的仪器中，用光电倍增管来接收该散射光，将此信号积分后变换成脉冲信号，使其输出和浓度相对应。

这种方法对浓度的变化可以立刻进行跟踪，因此适用于要进行连续且长时间变化检测的场合。

不过，有时候尽管质量浓度一定，也有因粒子形状、折射率不同等引起散射光量变化，这样会一定程度上影响到测量结果的准确性。

为了避免这样的情况，部分仪器则采用了β射线法，β射线在透过物质时，其被吸收的量和物质的质量是成比例的，因此，利用这一方法，可首先让浮游粒子附着在滤纸上，然后通过测量附着前后β线吸收量之差来出求质量。

随着大众对手持PM2.5测量仪器的需求，光电倍增管以及模块化探测器的体积普遍偏大，难以满足手持级设备的需求，如何制作更小的测量仪器成为了新的挑战。

这个时候小尺寸的PIN光电二极管就成为了大家的最爱。

采用PIN光电二极管作为探测器的PM2.5探测仪器一般采用激光散射法进行PM2.5的检测，在方法上也和尘埃粒子计数器相似，通过探测打在尘埃粒子上产生的散射光，来进行PM2.5的检测。

每一个粒子的散射会产生一次散射光，通过PIN光电二极管测量就会产生一个脉冲信号，而散射光的光强不同又能反应该散射粒子的粒径大小，表现为每个脉冲信号的幅值不同。

这样在测量出一系列的脉冲信号后，就可以通过计算机筛选直径小于等于2.5微米的颗粒物所产生的信号，计算PM2.5的浓度。

这种方法对探测器的要求是要有较高的响应频率，同时有较小的体积。

PIN二极管正好符合这样的要求，它较低的成本也满足了家用产品的价格需求，是生产供个人使用的手持式PM2.5测量计的理想选择。

3.大气颗粒物探测器研究现状

光电探测器不仅可用于探测PM2.5，还可以用来检测可吸入颗粒物、粉尘等气溶胶的探测。

目前关于PM2.5探测器，市面上已经有很成熟的采用光倍增管的仪器。

但值得一提的是滨公司的硅光电二极管S1223-01（见图7），可用于微型探测PM2.5探测。

图7

（二）PET探测器

1.PET探测器

PET是将能放出正电子的同位素标记的药剂注入生物体，从而可以实现对病变和肿瘤的早期诊断、对体内进行动态断层显像的仪器装置。

PET探测时使用的能放出正电子的具有代表性的原子核有11C、13N、15O、18F。

体内放出的正电子和周围组织中的电子结合时，向180o的相反方向发出两个γ射线，根据同时计数法用体外环状排列的探测器进行检测。

将每个角度得到的数据整理后，使用X射线CT等设备依据同样的画像再构成法作成断层图像。

PET的特点是能够对生物体的代谢和血流、神经传达等生理学、生化学的信息定量计测，以往主要是用来进行脑机能的研究和各器官的机能研究。

现在不仅在临床诊断上的应用利用很活跃，在癌的诊断上也发挥着重大作用威力。

PET的探测器是光电倍增管和闪烁体组合而成的。

为了能够高效地检测出体内放出的高能量（511keV）γ射线，闪烁体采用BGO和LSO等具有高γ射线阻止能的晶体。

正在研究通过测试正电子湮灭时发生的γ射线对的飞行时间差，从而了解湮灭位置。

因此，采用快速型光电倍增管和荧光衰减时间短的闪烁体。

第一代PET探测器采用把单个闪烁晶体耦合在光电倍增管（PMT）上的办法,它是在1951年由Wrenn和Sweet首先提出的。

探测器的性能优劣直接决定着PET系统的好坏。

PET系统的空间分辨率常常用线扩展函数（LSF）的半幅值全宽度（FWHM）来描述。

PET系统中心位置的LSF函数的形状是三角形,它的FWHM值是探测器宽度的一半,也就是说减少探测器的宽度可以最大程度地提高系统的空间分辨率。

近10年来,PET系统的分辨率从10～15mm提高到3～5mm左右,都是靠减小探测器的尺寸来取得的。

随着采用的晶体的尺寸越来越小,由于受到PMT的尺寸上的限制,不可能采用单一的晶体耦合在PMT上的方法。

如今的PET系统,探测器一般地成环状配置如图8。

处于视野四周的伽马射线将斜入射到探测器的晶体上,这些伽马射线极有可能透射过这个晶体或产生康普顿散射与相邻的晶体产生作用。

这些作用使得空间分辨率从中心到视野的四周位置呈下降趋势。

为了解决PET分辨率一致性的问题,提出了多种深度检出型探测器解决方案。

图8

图9

M.Schmand等提出了由两层不同的闪烁晶体构成的DOI探测器见图9a。

LSO晶体阵列层、GSO晶体阵列层和导光管叠加放置在4个光电倍增管上。

它利用波形鉴别回路,依靠闪烁晶体衰减时间的差别来区分是由哪一层所产生的信号。

由于GSO晶体的衰减时间较长,所以GSO晶体产生的信号较LSO晶体产生的信号相比在时间上表现为更为滞后。

图9b清楚地表明了这种类型的DOI探测器是如何提高视野四周位置的空间分辨率的。

也有一些研究者试图利用输出脉冲分布的差别来鉴别作用深度的。

对于BGO/GSO晶体组成的探测器,由于BGO晶体与GSO晶体的光输出量差别很大,如图10所示。

因此只要选择一个合适的能量的阈值就可鉴别是BGO事件还是GSO事件。

图10

图11

日本滨松公司的清水、山下贵司和渡边光男等人使用两个PS-PMT同时耦合在BGO晶体阵列的两端构成了一种新型探测器。

如图11a所示。

这样伽马射线的作用深度可以通过计算两个PS-PMTs的输出信号之比而得到。

另一方面利用Si-PD或APD等常规半导体器件加上闪烁晶体构造PET探测器也成为一个重要的研究方向。

而且使用半导体器件,也为开发新型的DOI探测器创造了条件。

图11b显示了由美国加州大学（UCLA）的Moses和Derenzo设计的一种新型PET探测器。

8×8的PIN-PD阵列耦合在闪烁晶体阵列的一端,而闪烁晶体阵列的另一端耦合在光电倍增管上,因此利用PIN-PD和PMT的输出信号比,可以得到伽马射线的作用深度。

另一种新型PET探测器是利用半导体材料,如CdTe,CdZnTe等。

这种探测器的优点是直接把伽马射线转换成电子,而不再借助于闪烁晶体。

最近的实验表明利用CdZnTe可以获得高的能量分辨率,可惜的是它的时间分辨率极低。

而PET系统要求要有高的时间分辨率来消除随机噪声。

利用CdZnTe构造的PET探测器要实用化,还有很长的一段路要走,最近的实验表明CdTe形成的载流子的速度比CdZnTe要快,因而有可能获得高的时间分辨率,在PET应用领域,一些研究者预言CdTe要取代CdZnTe.

2.基于MPCC的PET

硅光电倍增器（MPCC，SIPM）是一种新型的弱光探测器，有探测效率高、工作电压低、体积小等优

MPCC由数百至数万个直径为几到几十微米的雪崩光电二极管（APD）单元阵列并联在一起构成，等效电路如图12所示。

每个APD单元工作在盖革模式下，接收光子将发生雪崩击穿产生较大电流，当电流超过一定值，会被串联的数百千欧电阻淬灭，使APD单元恢复到初始状态，以便接收下一个光子。

由于器件可像PMT一样进行单光子探测，因此称为硅光电倍增器。

基于半导体技术的MPCC与基于真空管技术的PMT相比，有工作电压低、对磁场不敏感、易于集成等优点。

MPCC与PMT的性能比较列于图表1。

图12

基于MPCC的PET探测器具有可在低电压下工作的优点，并有着高增益、高光子探测效率、快速响应、优良的时间分辨率和宽光谱响应范围等特点。

除此之外，也有着抗磁场干扰性和耐机械冲击性，这都是固体器件所独有的优势。

3.基于MPCC的PET探测器研究现状

2006年4月10日，皇家飞利浦电子科技有限公司申请了用于to-pet的数字硅光电倍增管的专利。

2015年5月第73届中国国际医疗器械（春季）博览会（CMEF）上滨松展出了新型硅PM产品滨松MPPC（多像素光子计数器）作为最具潜力的PET探测器在核医学领域已经崭露头角。

图13

参考文献:

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2.洪瑞金贺洪波邵建达范正修宽禁带氧化锌半导体薄膜的研究进展.激光与光电子学进展2005年2月第42卷第2期

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5.蒋阳揭建胜王辉仲洪海王莉II－VI族半导体纳米结构的光电子器件研究报告.2013年9月14日

6.梁春雷黄惠杰任冰强赵永凯杜龙龙激光尘埃粒子计数器微型光学传感器的研究.光学学报2005年9月第25卷第9期

7.王子孟PIN硅光电二极管的原理和应用.光学仪器1984年第4期第6卷

8.刘华锋鲍超PET探测器的现状及发展趋势.仪表技术与传感器2000年第7期

9.MultiPixelPhotonCounters（MPPC）asanAlternativetoAPDinPETApplications.IEEETransactionsonNuclearScience 2010,57（3）

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11.陈宗德王玥李晨晖陈文飞杨茹梁琨韩德俊PET应用中的硅光电倍增器研究.原子能科学技术2014年10月第48卷增刊