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粉體顆粒的粒度分布是決定物料性能的重要參數(shù)之一，食品、醫(yī)藥、化工、電池等眾多行業(yè)對顆粒的粒度分布都有嚴格的要求。例如，水泥中顆粒大小不合理可能會造成混凝土的開裂或強度降低；牙膏中磨料顆粒的粒度直接關(guān)系到產(chǎn)品的清潔力和牙釉質(zhì)的損害；巧克力中的顆料粒度分布是決定其口感好壞的重要因素；在鋰離子電池行業(yè)，正極材料如磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等，負極材料如石墨等，由于原料的粒徑大小、粒度分布以及顆粒形狀的不同，會導(dǎo)致電池的實際充放電量、循環(huán)壽命等關(guān)鍵性能差異甚遠。

粒度測量的方法有很多種，如沉降法、篩分法、圖像法、電阻法、激光衍射法等。激光衍射法具有操作簡便，自動化程度高，測試速度快，測試范圍廣，重復(fù)性和準確性好，可進行在線測量，不受顆粒物態(tài)的影響(固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)顆粒均可測量)等優(yōu)勢，在各種粉體行業(yè)(醫(yī)藥、電池等)得到了廣泛的應(yīng)用。

激光粒度儀的原理是基于Fraunhofer衍射理論或Mie光散射理論，當光線行進過程中遇到顆粒時，會發(fā)生偏離其直線傳播方向的散射或衍射現(xiàn)象，通過一個位于Fourier透鏡后焦面上的多元光電探測器測量散射光的強度，將顆粒散射的光能分布轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，然后由計算機采集、處理并最后給出被測試樣的粒度大小及分布。不同廠家的激光粒度儀因具體應(yīng)用不同，儀器的構(gòu)造有所差異，但總體結(jié)構(gòu)基本相同，主要由激光器、光學(xué)透鏡系統(tǒng)、樣品池、光電探測器、信號放大及A/D轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)據(jù)處理及控制軟件(計算機)組成，如下圖所示。

激光粒度儀的測試性能取決于光路系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化，激光源的質(zhì)量和穩(wěn)定性，光電探測器的數(shù)量與排列方式，信噪比水平，以及數(shù)學(xué)模型(算法)的先進性。

從近些年激光粒度儀測試技術(shù)的發(fā)展來看，主要方向在于提高分辨率和擴大測量范圍的各種技術(shù)路線，采取的措施主要是優(yōu)化光路設(shè)計和光信號探測方案，配合更先進的數(shù)據(jù)算法，擴展了儀器的測量下限/上限，提升了儀器分辨多峰分布粒徑的能力，進一步提高測量結(jié)果的準確性和重現(xiàn)性，激光粒度儀也逐步成為粉體產(chǎn)品質(zhì)量評定的理想工具。如歐美克公司為代表的匯聚光傅立葉變換結(jié)構(gòu)，附加側(cè)向或后向獨立探測器，多光源等硬件技術(shù)，代表了當今國產(chǎn)儀器發(fā)展的先進水平。

在實際應(yīng)用上，探測器對不同波長光源的響應(yīng)度不同，不同種類探測器的靈敏度也不同，如果測量光路有兩條或以上，不同光路的信號探測能力也不同。從而對探測器的設(shè)計制造提出了很高的技術(shù)要求。歐美克公司在探測器的尺寸和排列方式，材料和工藝選擇等方面做了許多研究。

探測器種類

在光衍射(散射)激光粒度測量方法中，衍射光信號較弱，對光電探測器的要求較高。通常用作激光粒度信號采集的光電探測器有CCD、硅光電探測器(光電池)、自掃描硅光電二極管陣列(SSPD)、雪崩光電二極管(多用于動態(tài)光散射法)等。

CCD器件的分辨率比較高，但動態(tài)范圍較小，激光粒度儀比較少采用CCD器件作為主要探測器。

硅光電池的工作原理是光生伏特效應(yīng)，當光照在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征或雜質(zhì)吸收時，價帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光電子在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，并分別向圖示的方向運動，形成光生伏特電壓或電流。

硅光電池的加工工藝相對比較簡單，可以采用標準擴散工藝或離子注入工藝，可在一塊硅片上制作任意形狀的PN結(jié)；它在不需要外加電源的情況下可直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，暗電流小，使用方便；硅光電池應(yīng)用的波長范圍較廣，可達到400nm~1200nm；其短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強度呈線性關(guān)系，且隨溫度升高緩慢增加；硅光電池響應(yīng)速度快，光電轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)度高，可以獲得很大的動態(tài)范圍。因此，硅光電池一直作為激光粒度儀探測光電信號的理想器件。

探測器結(jié)構(gòu)

激光粒度儀的光電探測器一般為半徑成幾何比例增大的同心環(huán)形或扇形結(jié)構(gòu)，以圓心和入射光中心為光軸，衍射角越大，探測環(huán)面積越大。如下示意圖。

同心環(huán)形探測器                          
扇形探測器

探測器的加工工藝

光電探測器件的主要特性之一是響應(yīng)特性。響應(yīng)特性指光電器件在入射光作用下，產(chǎn)生輸出信號的大小和快慢的能力，對信號大小的響應(yīng)度可用輸出光電流與輸入光功率的比值表示。很顯然，為使儀器的測量結(jié)果可靠、正確，要求作為儀器關(guān)鍵部件的光電探測器能夠無畸變地將空間光能分布轉(zhuǎn)換成電信號，也即光電探測器各環(huán)對光能的響應(yīng)能力應(yīng)完全一致。然而，由于半導(dǎo)體加工工藝的限制，各環(huán)的響應(yīng)能力常有較大差別，對儀器的測量精度有著十分重要的影響。

半導(dǎo)體制造行業(yè)在國內(nèi)的研究基礎(chǔ)和生產(chǎn)工藝相比較國外發(fā)達國家來說有一定程度代際差異，國內(nèi)的制造企業(yè)與世界整體水平目前還有一定的差距。光電探測器的成本受硅原材料、化學(xué)品、設(shè)備和工藝制程的代差(先進性)等影響，其質(zhì)量與成本基本上是正相關(guān)。我們在儀器的研發(fā)過程中對不同成本的光電池做了考察，對比了低成本光電池(國產(chǎn)供應(yīng)商)和高成本光電池(進口供應(yīng)商)的光電性能。在光電轉(zhuǎn)換效率方面，如下圖所示，高成本的進口光電池比低成本的國產(chǎn)光電池的光電轉(zhuǎn)換效率要高，并且高成本光電池的各環(huán)一致性要更好，其各環(huán)輸出的信噪比差異也會更小。在進口供應(yīng)商的光電池中，更高成本的代號1004光電池比成本相對低一些的代號1001和1003光電池的光電轉(zhuǎn)換效率和各環(huán)一致性都更優(yōu)異一些。

硅材料在半導(dǎo)體工業(yè)上的應(yīng)用十分廣泛，有單晶硅、多晶硅及重摻型硅晶圓等，目前用于激光粒度儀半導(dǎo)體集成電路的襯底幾乎全為單晶硅，單晶硅的晶向不同，其原子密度、費米能級不同，加工的器件在速度、電阻率等方面也有所不同。

集成電路的制造必然受到工藝技術(shù)水平的限制，受到器件物理參數(shù)的制約。加工工藝水平直接影響探測器的物理條件，影響其良品率和穩(wěn)定性，從而影響測量精度。我們在考察探測器的加工質(zhì)量時，發(fā)現(xiàn)低成本探測器的工藝水平穩(wěn)定性欠佳，產(chǎn)品一致性不夠好。以探測器的0環(huán)孔質(zhì)量為例，0環(huán)孔的同心性、圓度、邊緣粗糙度等會影響到光路準直和小角度光散射信號。在考察的樣品中有些存在0環(huán)孔邊緣粗糙，圓度較差，圓心位置偏移的情況。如果使用了這種低成本探測器，會直接影響到儀器的一致性和數(shù)據(jù)的準確性。
0環(huán)孔邊緣粗糙不良示意圖