CN85101204A

CN85101204A - 光电检测装置

Info

Publication number: CN85101204A
Application number: CN 85101204
Authority: CN
Inventors: 下谷隆雄; 鹤田捗
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1987-01-24

Abstract

本发明涉及一种光电检测装置，其结构是把光电变换元件，电路元件和放大器都设置在同一基座上，并进行封固冷却。由于这种结构，提高了它的信噪比，使之成为一种比光电倍增管更好的光电检测器。而且，由于把电路元件等电子部件都保持在规定的温度范围内，也提高了稳定性。

Description

本实用新型通过将半导体光电转换元件、电路元件和放大器等混合组装在同一块基片上组成一种新型光电检测装置。

作为分析烟道气体或汽车排出的废气中所含一氧化氮（NO）的仪器，是采用根据化学发光原理制成的分析装置。这种装置是在一氧化氮（NO）和臭氧（O₃）发生反应过程（NO+O₃→NO₂+O₂）中进行分析，测定处于电子激励状态的NO₂转变为基态时（NO₂→NO₂+hγ）产生的发光强度，并测定一氧化氮的浓度。

过去是使用光电子倍增管来检测这种发光量。根据这种检测方法，让可见光射到阴极光电面上后，发射光电子，并让这些光电子有顺序地轰击若干个倍增管电极，再从倍增管电极放射出二次电子，最后从倍增管的阳极得到倍增的电流。然而这种光电子倍增管本身体积大，而且寿命也短只有1-2年。

因此，最近开始利用半导体光电转换元件来检测可见光。由于射到这种半导体光电转换元件上的可见光是微量的，所以其输出也是微弱的，因此，通常是利用放大装置将其输出放大到一定幅值。但是，由于这种检测装置过去是将装有半导体光电转换元件的光电转换部分和放大部分分开设置的，两者中间用导线相联，因此整个装置的体积较大。另外，装有半导体光电转换元件的光电转换器是用来检测微量可见光的，它装在暗箱内，当没有可见光射入时，半导体光电转换元件的阻抗增大，呈高阻抗状态，通过微弱的暗电流。因而连接半导体光电转换元件和放大器件的导线上也通有微弱的暗电流。这样就容易受到外部噪音的干扰，从而可能使检测产生误差。另外，由于半导体光电转换元件和放大器件暴露在空气中，所以使用时要受温度和湿度等因素的影响，从而使检测装置工作的稳定性和可靠性下降。

本实用新型旨在提供一种新的光电检测装置，它可以克服原有技术存在的缺点。具体办法是通过将半导体光电转换元件、电路元件和放大器安装在同一块基片上，并将上述器件加以密封和冷却，从而缩小整个装置的体积，并提高其工作的可靠性和稳定性。

本实用新型的结构是，将用第1和第2两片陶瓷基片夹住的电子冷却元件固定在铝制金属基座上，将半导体光电转换元件以及用来处理半导体光电转换元件输出的放大器和电路元件安装在第1片陶瓷基片上，再将带有透光窗的铝制或其他金属制密封壳体固定在基座上，从而可缩小体积，提高装置的可靠性和稳定性，并防止透光窗结露水。

根据本实用新型制成的一个光电检测装置做如下说明。

图1是这种光电检测装置的剖视图。

图2是装有半导体光电转换元件、放大器和电路元件的陶瓷基片的俯视图。

图3是图2所示器件的电路图。

在图1中，1是由铝或其他金属制成的基座，3为电子冷却元件，其作用是提高光电检测装置的稳定性与可靠性，它为第1片陶瓷基片2a和第2片陶瓷基片2b所夹持并被固定在基座1上。电子冷却元件3是利用珀尔帖效应即通过给电子冷却元件加电来进行冷却的一种冷却元件。4是半导体光电转换元件（比如它是由硅半导体制成的），它安装在用来夹持电子冷却元件3的陶瓷基片2a的中央部位。在陶瓷基片2a上半导体光电转换元件的周围装有各种电路元件，这里包括放大用的操作放大器（它是用来处理半导体光电转换元件输出电流的放大器）变换阻抗用的操作放大器、片电容和片电阻等，这些电路元件通过集成电路技术已实现了集成电路化。6是由铝或其他金属制成的密封壳体，它通过压入或锡焊被固定在基座1上，密封壳体内部注有惰性气体，或呈真空状态。在密封壳上，由玻璃或塑料等材料做成的透光窗7安装在与半导体光电转换元件4正相对的位置上。

8a和8b是为了给电子冷却元件供电的插脚，8c是提供电流以激励装在陶瓷基片2a上的操作放大器的插脚。另外，插脚8c只标出一个，其他都省略没标。8d是用来对安装在陶瓷基片2a上的半导体光电转换元件4的输出加以放大，经过阻抗转换后再输出的插脚，8e是共用线路的插脚。另外，插脚8d和8e在被敷镀在陶瓷基片2a上的电路中，通过导线L₁和L₂与输出端子和共用线路相连。

在图2中，陶瓷基片2a上敷镀有电路图，并装有半导体光电转换元件4，集成式放大用操作放大器5a、低阻抗变换用操作放大器5b片电阻5c和5d以及片电容5e。这样，由于在同一片陶瓷基片上装有半导体光电转换元件、放大用操作放大器、低阻抗变换用操作放大器片电阻和片电容，因此能够使装置的体积小型化;另外连接半导体光电转换元件和处理变换元件输出的操作放大器以及电路元件的导线非常短，因此可以大大减少外部噪音干扰。

在图3中，由片电容5e和片电阻5c组成的并联电路连接放大用操作放大器5a，其输出端接在低阻抗变换用操作放大器5b的输入端。操作放大器5b的输出端接在片电阻5d上，这个片电阻5d又通过导线L₁与插脚8d相接。

下面对拥有上述结构的检测装置的作用做一说明。8a～8e的各个插脚与安装在注入一氧化氮和臭氧的暗容器内的连接器相连，加电以后电子冷却元件3即能将安装在陶瓷基片2a上的半导体光电转换元件4、放大用操作放大器5a、低阻抗变换用操作放大器5b、片电阻5c和5d以及片电容5e冷却至即定温度。在这种状态下，就象在“原有技术的缺点”一节中说明的那样，引进一氧化氮和臭氧以后，就会发生NO+O₃→NO^＊ ₂+O₂反应，在这个过程中当受到电子激励的NO^＊ ₂转变为基态时就会发出光亮，通过透光窗7使这种可见光射到半导体光电转换元件4上，该元件4将其变化为电流输入给操作放大器放大，再通过操作放大器5b进行低阻抗变换，并输入给数据处理装置（没有图示）。由于是进行低阻抗变换后才输出，所以当可见光不照射半导体光电转换元件4时，即会呈现高阻抗状态，而只有微弱的暗电流通过。操作放大器5b和数据处理装置（没有图示）之间用导线相连，即便从导线引入外部噪音，但由于转换为低阻抗，可有相当于保持一定幅值的暗电流的电流通过，因而很少受到外界噪音的干扰，也就不会进行错误检测。

另外，由于密封壳体7可以阻止外界含有尘埃和水分的气体侵入，也可以防止由于外界带电体所造成的静电感应干扰。

当含有湿度的一氧化氮或臭氧被吹到透光窗7上冷却后，会在透光窗7的外侧产生露水。由于电子冷却元件利用了珀耳帖效应，所以陶瓷基片2a处于低温状态，而陶瓷基片2b则温度很高。陶瓷基片2b的高温传递给铝制基座1和铝制密封壳体6，用此法从透光窗周围给透光窗7加温，就可以防止透光窗产生露水。

以上仅就光电检测装置作为一氧化氮分析仪使用的情况做了说明，然而，如果采用检测波长不同的半导体光电转换元件，那么它不仅可以检测一氧化氮，也可以检测其他气体，还可以用来检测液体色谱或液体浓度等。

如上所述，根据本实用新型制成的光电检测装置采用如下结构：由两片陶瓷基片固定夹持的电子冷却元件固定在铝制或其他金属制基座上，在第1片陶瓷基片上装有半导体光电转换元件及处理其输出的放大器和电路元件;在上述基座上还装有带透光窗的铝等金属制密封壳体。由于采用这种结构，故能缩小装置的体积，防止尘埃和水分等侵入装置内部，阻止透光窗结露水，通过冷却来提高检测工作的稳定性和可靠性，同时还能减少由于外界噪音的混入所带来的影响。半导体光电转换元件与光电倍增管相比，其灵敏度通常要低10^-2～10^-3，但是如果象本实用新型那样，采用内装电子冷却元件和放大器等措施，便可以提高信噪比，使之成为胜过光电子倍增管的光电检测器。

另外，由于这种检测器的电路元件等电子部件（集成电路）能够保持低温，所以可提高其工作稳定性。

图1是本实用新型光电检测装置的剖视图。图2是图1所示之陶瓷基片（上面安装有半导体光电转换元件、操作放大器、片电阻和片电容）的俯视图。图3是图2所示器件的电路图。

1表示基座，2a和2b是陶瓷基片，3是电子冷却元件，4是半导体光电转换元件，5a是放大用操作放大器，5b是阻抗变换用操作放大器，5c和5d是片电阻，5c是片电容，6是密封体，7是透光窗，8a、8b、8c、8d、8e是插脚，L₁和L₂表示导线。

Claims

凡由下述器件组成的光电检测装置，均属本专利申请范围，这些器件包括铝制金属基座、用第1和第2两块陶瓷基片夹住并固定在铝制基座上的电子冷却元件、安装在第1块陶瓷基片上的半导体光电转换元件、用于处理该半导体光电转换元件输出的放大器和电路元件、装有透光窗并固定在上述基座上的铝制金属密封体。