Transcript seminarski rad iz predmeta senzori i industrijska merenja

SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA
SENZORI I INDUSTRIJSKA
MERENJA
TEMA:
OPTIČKI SENZORI I SENZORI
ZRAČENJA

1.FOTOSENZORI
•Svetlost je kvantno-mehanički fenomen. Kvant svetlosti
nazivamo foton.
• Fotoni imaju:

talasnu dužinu
brzinu
učestanost
energiju
moment
c  3  108 m / s

2c

hc
E

P
h

h  6.67 1034 Js
•Detektori se mogu podeliti u dve osnovne grupe.
•Kvantni detektori pretvaraju dolazno zračenje direktno u elektrone u
poluprovodničkom uređaju i obrađuju rezultujuću struju pomoću
elektronskog kola.
•Toplotni detektori jednostavno apsorbuju energiju i deluju tako što mere
promene temperature sa termometrom.
KVANTNI DETEKTORI
•Osnovna osobina poluprovodnika je ta da dozvoljava postojanje elektrona samo u
određenim energetskim nivoima
•Ako foton poseduje količinu energije koja je dozvoljena elektronu u
poluprovodniku, on može biti apsorbovan. Nakon što se apsorbuje, elektron se
kreće slobodno unutar uređaja zbog uticaja električnog polja Primer uređaja sa
komplikovanom barijerom je p-n spoj tj. dioda
•Fotodioda je inverzno polarisana, tako da je struja veoma slaba
•Za fotodiodu se kaže da ima kritičnu talasnu dužinu
•Fotoni čija je talasna dužina manja od kritične proizvode struju, dok fotoni talasne
dužine veće od kritične ne proizvode struju.
Fotodiode rade na dva različita načina kao solarne i fotoprovodne
Povezivanje fotodiode u solarnom režimu rada
Fotoprovodni način rada
•Pored izrade optičkih detektora od dioda, pomoću dioda se izrađuju i tranzistori
•Ovi uređaji su takođe dostupni u paketima dizajniranim za određene aplikacije.
Uobičajeno je da se koriste svetleća dioda i monitarni detektor u paru tako da
objekat koji se kreće prekida optički zrak između njih.
•U drugom slučaju disk se montira na osovinu motora sa velikom brojem proreza
(otvora). Par detektor-predajnik je montiran tako da su prorezi uzrok oscilacija
signala i pozicija rotacije se može odrediti na osnovu šiljaka (pikova) signala. Ovaj
par se naziva optički koder ili inkrementalni koder
• Većina fototranzistora i fotodioda imaju vrh osetljivosti u blizini talasne
dužine infracrvene svetlosti
• Lokacija ovog vrha zavisi od širine energetskog procepa u silicijumu i nije lako
podesiva
• Tipični spektralni odziv fotodiode dat je na slici
• Fotosenzori mogu biti napravljeni od poluprovodničkih materijala sa
drugačijim energetskim procepom. Oni su prikazani u tabeli 1
•
U uređaju pored fotonosioca mogu postojati i termički generisani nosioci
•
•
Povećanje temperature izaziva povećanje broja termički generisanih nosioca
Silicijumski detektori dobro rade na sobnoj temperaturi, ali zagrijavanje na više od 100
uzrokuje značajno povećanje struje mraka
Postoji gotovo linearna veza između maksimalne radne temperature i kritčne energije
•
•
detektora
Ogroman interes vlada za uređajima sa kritičnom talasnom dužinom 10-20, jer se oni
koriste kod infracrvenih detektora za noćno osmatranje
• Postoji jednostavan odnos između temperature infracrvenog izvora i vrha
talasne dužine spektra crnog tela
m
2898

T
• Materijal koji je najviše proučavan je živa-kadijum-telurid (MCT). On ima
kritičnu talasnu dužinu između 10 i 20 mikrona i nudi izvanredna svojstva za
IC detekciju. Takođe, nudi niske tamne struje, visoku apsorbciju i manje
nosilaca disperzije (rasejanja )
• Ovaj materijal je teško i skupo proizvesti, mora se radiiti na temperaturi od
77K, što stvara dodatne komplikacije
TOPLOTNI DETEKTOR
• Toplotni detektori rade na principu apsorbcije infracrvenog zračenja i merenja
rasta temperature detektora pomoću termometra.
• Performanse toplotnih detektora su ograničene osetljivišću i malim toplotnim
kapacitetom termometra.
• Važna prednost termalnih infracrvenih detektora je odsustvo bilo kakve veze
između talasne dužine apsorbovanog zračenja i odziva detektora. Bilo koja
apsorbovana energija izaziva odziv detektora.
• Moguće je koristiti toplotni infracrveni detektor za detekciju zračenja crnih
tela na sobnoj temperaturi.
• Pretpostavimo da imamo termometar koji je termistor, čiji je temperaturni
koeficijent dat sa:
1 R
 
R T
Na osnovu naponskog delitelja imamo
Vout
Rt
 Vin
RL  Rt
Vout  Vin
Rt
RL
RL  Rt
• Osetljivost sistema data je sledećom relacijom:
Vout
Rt
osetljivost 
 Vin
T
RL
Termalni detektor
• Na osnovu bilansa energija, dobijena energija je jednaka promeni energije u
termometru:
T
Pin  G (Tc  T0 )  C
t
Sada, pretpostavimo da snaga i temperatura termometra osciluju:
Pin  Pin1  Pin2 e
Tc  Tc1  Tc2 e
it
it
• Uvrstimo ove izraze u izraz za balans energije:
it
it
Pin1  Pin2 e  G(Tc1  Tc2 e  T0 )  iCTc2 e
Ako konstante i oscilatorne delove uzmemo kao nezavisne imamo:
Pin1  G(Tc1  Tc2 )  0
Pin2  G(Tc 2 )  iCTc 2
Ovo se svodi na:
Tc1
Pin1
 T0 
G
Tc 2
Pin2

iC  G
it
• Dakle, osetljivost ovog uređaja je:
Rt
V V T
1
osetljivost 

 Vin
P T P
RL iC  G
Da bi poboljšali osetljivost, važno je izabrati termometar sa velikim
temperaturnim koeficijentom i malim toplotnim kapacitetom.
Iz ovog izraza možemo videti da odziv detektora ima jedan pol,
što će reći da je frekventno nezavisan za učestanosti manje od
kritične i opada 1/f za učestanosti veće od kritične. Odziv je identičan
odzivu NF filtra. Postoji nekoliko različitih infracrvenih detektora koji
su zasnovani na ovom konceptu. U stvari, skoro svaki afirmisani
termometar takođe je optimizovan kao infracrveni detektor
PRIMER FOTOTRANZISTORA
• Fototranzistor je uređaj koji radi na principu pretvaranja fotona u elektrone u
bazi bipolarnog tranzistora. Što se tiče takvog tranzistora, bazna struja povlači
veću struju kolektor-emitor. Najlakši način za detekciju struje jeste da se ona
pomoću otpornika konvertuje u napon
• Oscilatorno kolo se napaja svetlećom diodom, uzrokujući oscilacije od 1kHz.
Kolo konvertuje struju u napon promenljivim otpornikom, propušta signal
kroz VF filter i konvertuje ga u pravougaone impulse pomoću komparatora.
• Struja koja teče kroz tranzostor ne može da premaši struju zasićenja:
I st
Vbias  o.6V

R pd
Ako je pozadina veoma svetla, struja koja teče kroz uređaj može
biti blizu struje zasićenja i dodatno osvetljenje ne proizvodi mnogo
dodatnih signala. U zavisnosti od količine osvetljenja pozadine,
moguće je zasititi detektor, čime se smanjuje osetljivost na signale.
TOPLOTNI INFRACRVENI DETEKTORI
• Ovi detektori su zasnovani na otpornošću termometra.
• Crtež mikro bolometra prikazan je na slici
• Lagana platforma silicijum nitrida dimenzija 50x50x0.5 nalazi se paralelno sa
silicijumskom podlogom. Oslanja se na par nožica i obložena je otpornim
materijalom sa dobrim koeficijentom toplotne otpornosti. Ispod platforme je
tranzistor koji povezuje strujno merno kolo sa uređajem, i pri tom koristi
konvencionalne tehnike red-kolona, za adresiranje. Struja iz uređaja ističe iz
radnog kola na obod uređaja preko x i z metalnih žica.
• Ovaj uređaj mora se nalaziti na temperaturama blizu sobne, da bi radio sa
dobrom osetljivošću.
• Poslednjih godina pojavila se još jedna veoma važna tehnologija za jeftini
infracrveni detektor u formi piroelektričnog materijala
• Najpoznatiji materijal sa najboljim piroelektričnim koeficijentom je
Deuterated Tri-Glycine Sulfide (DTGS). Obično se koristi za IC detekciju u
laboratorijskoj spektroskopiji i u ranijim sistemima za detekciju pokreta.
• Postoje aplikacije u kojima nije potreban detektor sa najboljim
performansama. U tim aplikacijama, PVDF opna (prevlaka, film) postaje
najbolji izbor, pre svega zbog izuzetno niske cene materijala. Primer aplikacije
sa niskim performansama je infracrveni dtetektor pokreta.
• Uobičajeno je da su u ponudi zajedno PVDF detektor i jeftini optički paket,
koji koristi sočiva od teflona da fokusira svetlost. Teflon je jeftin materijal i
transmituje IC, što ga čini povoljnim za posao.
• Tipična teflon sočiva, koja se koriste za detekciju kretanja, imaju neravnu
površinu sa nekoliko kružnih ispupčenja. Ova ispupčenja deluju kao
fokusirana sočiva i donose svetlost od određenog mesta ka detektoru. Kako se
topli objekat kreće i zračenje se povremeno usmerava ka detektoru