一種光傳感器及其光譜測量方法與流程
2023-04-25 09:26:31
本發明涉及光傳感器領域，具體地，涉及一種光傳感器及其光譜測量方法。
背景技術：
在採用目前的光傳感器進行光譜測量時，為了同時測得光譜中不同波長的光的強度分布，需要採用分光設備(例如，分光稜鏡、光柵等)，這增加了光譜測量的繁瑣性。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種光傳感器及其光譜測量方法，其不需要採用分光設備，而且具有良好的感光靈敏度和極快的響應速度。
為了實現上述目的，本發明提供一種光傳感器，該光傳感器包括位於絕緣基底上的多個光敏單元，每個光敏單元包括一個或並聯的多個半導體納米線或納米帶以及位於所述半導體納米線或納米帶的兩端上的兩個電極，且各個所述光敏單元的光電響應特性互不相同。
本發明還提供一種光譜測量方法，該方法包括：用被測光照射多個光敏單元，每個所述光敏單元包括一個或並聯的多個半導體納米線或納米帶以及位於所述半導體納米線或納米帶的兩端上的兩個電極，且各個所述光敏單元的光電響應特性互不相同；獲得各個所述光敏單元的光電響應相對強度；計算所述多個光敏單元中每兩個光敏單元的光電響應相對強度比值；依據大於預設值的所述光電響應相對強度比值來確定所述被測光的波長。
通過上述技術方案，由於光傳感器具有光電響應特性互不相同的多個光 敏單元，且是利用這多個光敏單元進行光譜測量，因此能夠在不需要分光設備的情況下同時測得光譜中不同波長的光的強度分布，而且具有良好的感光靈敏度和極快的光電響應速度。
本發明的其它特徵和優點將在隨後的具體實施方式部分予以詳細說明。
附圖說明
附圖是用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本發明，但並不構成對本發明的限制。在附圖中：
圖1是根據本發明一種實施方式的光傳感器的俯視示意圖；
圖2是根據本發明一種實施方式的光傳感器中的單個光敏單元的剖面示意圖；
圖3是根據本發明一種實施方式的光傳感器中的單個光敏單元的電鏡圖示；
圖4是根據本發明一種實施方式的光傳感器中的單個光敏單元的光電響應相對強度與光照頻率的示例性關係圖；
圖5是根據本發明一種實施方式的示例性光譜測量方法流程圖；
圖6是兩個光敏單元的示例性光電響應曲線；以及
圖7是兩個光敏單元的光電響應相對強度比值與波長的示例性函數關係。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本發明，並不用於限制本發明。
如圖1和圖2所示，根據本發明一種實施方式的光傳感器包括位於絕緣基底5上的多個光敏單元4，每個光敏單元4包括一個或並聯的多個半導體納米線或納米帶1以及位於所述半導體納米線或納米帶1的兩端上的兩個電極2，且各個所述光敏單元4的光電響應特性互不相同。這樣，就能夠在不需要分光設備的情況下同時測得光譜中不同波長的光的強度分布，而且具有良好的感光靈敏度和極快的光電響應速度和恢復速度以及溫度調諧特性。
電極2可由銀、金以及其他導電材料製成。將每個光敏單元4的電極2連接到外部電路，就能夠在根據本發明的光傳感器被光照射的情況下獲得各個光敏單元4的光電響應特性。
所述半導體納米線或納米帶1可以通過改性處理而使得各個所述光敏單元4的光電響應特性互不相同，但是同一所述光敏單元4中的半導體納米線或納米帶1的改性處理相同以便同一光敏單元4中的各個半導體納米線或納米帶的光電響應特性相同。例如，可以通過摻雜來實現改性處理，例如可以採用熱擴散、磁控濺射、雷射感應複合加熱等方法進行摻雜處理。由於隨著摻雜濃度的增加，半導體材料的能帶帶隙變窄，光吸收峰發生紅移，也即摻雜後載流子濃度發生變化，導致半導體能帶結構改變，進而影響半導體材料的光電響應特性，因此，通過調控摻入半導體納米線或納米帶1內的元素類別和濃度，能夠得到具有不同能帶結構和光電響應特性的半導體納米線或納米帶，例如，摻入磷、砷等元素，能夠獲得N型半導體納米線或納米帶。
優選地，所述半導體納米線或納米帶1可以為硒、矽、氧化鋅、二氧化錫、氮化鎵、CdSxSe1-x(0≤x≤1)、ZnSxSe1-x(0≤x≤1)納米線或納米帶中的至少一者。另外，當半導體納米線或納米帶1是硒納米線或納米帶時，由於硒納米線或納米帶無毒無害，使得根據本發明的光傳感器還具有很好的生物兼容性。
由於對於半導體納米線而言，無論光從哪個角度入射，半導體納米線吸 收的光的量都是一樣的，因此光線的入射角度對光譜測量的影響是很小的；而對於半導體納米帶而言，入射光的角度變化對光譜測量角度的影響較大。因此，光敏單元4優選採用半導體納米線來實現。
優選地，所述多個光敏單元4中的各個半導體納米線或納米帶1是等間距排列的。但是本領域技術人員應當理解的是，其他的排列方式也是可行的，例如非等間距排列，或者按需進行排列。
優選地，各個所述光敏單元4的兩個電極2之間的間距是相等的，也即根據本發明的光傳感器中的所有半導體納米線或納米帶1的長度是相等的，進而保證各個光敏單元4吸收的光的量是一致的；但是本領域技術人員應當理解的是，半導體納米線或納米帶1的長度也可以是不相等的。
優選地，所述半導體納米線或納米帶1的長徑比可以為100-10000。優選地，所述半導體納米線或納米帶1的寬度可以為100nm-500nm，長度可以為幾十至幾百微米。
優選地，所述絕緣基底5可以為硬性(例如，石英玻璃)或柔性絕緣基底。
另外，圖3和圖4還分別示出了根據本發明一種實施方式的光傳感器中的單個光敏單元的電鏡圖示和光電響應相對強度與光照頻率的示例性關係圖。從圖4可以看出，根據本發明的光傳感器能夠檢測可見光的光譜，即能夠檢測波長範圍在300nm-800nm內的光。但是由於通過改性處理之後，不同的半導體納米線或納米帶能夠檢測的光波長的範圍也會不同，因此經過適當的改性處理，根據本發明的光傳感器還能夠檢測可見光之外的光的光譜。
本發明還提供一種光譜測量方法，如圖5所示，該方法包括以下步驟：
步驟501、用被測光照射多個光敏單元，每個所述光敏單元包括一個或並聯的多個半導體納米線或納米帶以及位於所述半導體納米線或納米帶的兩端上的兩個電極，且各個所述光敏單元的光電響應特性互不相同。
其中，所述被測光可以為可見光。當然，非可見光也是可行的。這與光敏單元的光譜測量範圍有關。
步驟502、獲得各個所述光敏單元的光譜響應相對強度RI。
其中，在光敏單元進行光電響應之後，可以通過計算擬合得出光敏單元的光電響應曲線，並從該光電響應曲線中獲得各個所述光敏單元的光電響應相對強度RI。圖6a和6b分別示出了兩個光敏單元的示例性光電響應曲線。
步驟503、計算所述多個光敏單元中每兩個光敏單元的光電響應相對強度比值。
步驟504、依據大於預設值的所述光電響應相對強度比值來確定所述被測光的波長。
由于波長與光譜響應相對強度比值的函數關係可以定義為：其中λ為波長，RI1和RI2分別為光敏單元1和光敏單元2的光電響應相對強度。因此，在獲得了每兩個光敏單元的光電響應相對強度比值之後，就能夠依據該光電響應相對強度比值來確定所述被測光的波長，進而還能夠確定被測光的強度。圖7示出了兩個光敏單元的光電響應相對強度比值與波長的示例性函數關係。應當理解的是，圖6和圖7僅是示例，光敏單元中的半導體納米線或納米帶的改性不同，所得到的光電響應曲線以及光電響應相對強度比值與波長的函數關係曲線也會不同。
優選地，所述預設值不小於3。也即，只有在光電響應相對強度比值大於一定數值的情況下，通過其獲得該光電響應相對強度比值的那兩個光敏單元(便於描述起見，假設為光敏單元1和2)所測得光譜的值才是有效的。以圖7為例，當光電響應相對強度比值大於3，則通過其獲得該光電響應相對強度比值的那兩個光敏單元(例如光敏單元1和2)的工作範圍為720-760nm。而波長處於其他區間的光的波長值則需要通過另兩個改性處理 後的光敏單元(例如光敏單元2和3)來確定。例如，假設一束光的光譜為從400nm至800nm，則在對該束光的光譜進行測量時，其720-760nm範圍內的光譜就需要用圖7中的那種組合進行測量，而其他波段的光譜就需要其他的光敏單元組合來測量，這樣就可以保證光譜測量的精度，而且還能夠確定一束光大概是什麼顏色、強度有多大等等。
以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本發明的保護範圍。
此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。