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Sensori ottici e dispositivi optoelettronici

Presentazione a cura di:Nicolò PifferettiMatteo Cilloni

Corso di controlli digitali A.A. 2012-2013

Sensori otticiA effetto fotoelettrico a semiconduttore:

• Fotodiodo• Fototransistor• Fotoresistenza

Effetto fotoelettrico:• Fototubo• Fotomoltiplicatore

A Riscaldamento:• Bolometro• Cella di Golay• Rivelatore piroelettrico

Sensori a effetto fotoelettricoA effetto fotoelettrico a semiconduttore:

• Fotodiodo• Fototransistor• Fotoresistenza

Effetto fotoelettrico:• Fototubo• Fotomoltiplicatore

1 CANDELA (cd)

(lm)

(lx)1 m2

1 sr

Grandezze misurabili•Intensità luminosa, Candela [Cd], fondamentale SIUna candela è pari all'intensità luminosa, in una data direzione, di una sorgente emettente radiazione monocromatica alla frequenza di 540 × 1012 hertz con intensità radiante (in quella direzione) pari a 1/683 watt per steradiante

•Flusso luminoso, Lumen [lm]Equivale al flusso luminoso visibile emesso da una sorgente isotropica con intensità luminosa di 1 candela in un angolo solido di 1 steradiante.

•Illuminamento, Lux [lx]Equivale al flusso luminoso visibile emesso da una sorgente isotropica con intensità luminosa di 1 candela in un angolo solido di 1 steradiante, su una superficie di 1m2

Grandezze misurabili

Unità di misura:

Caso particolare dell’effetto fotoelettrico; effetto che vede la promozione in banda di conduzione dalla banda di valenza di un elettrone, acquisendo da un fotone incidente l’energia necessaria a vincere un energy gap.

• Semiconduttori del gruppo IV (Si, Ge..)• Sfruttato in giunzioni PN o PiN• Generazione di carica “mobile”,

quindi di corrente.

Effetto Fotovoltaico

Efficienza quantica (QE): •Rapporto tra numero di cariche emesse e fotoni incidenti.

Giunzione PN illuminataIntensità luminosa incidente in giunzione:

P0 < P1 < P2

+ - + -•Regione Fotoconduttiva•Polarizzazione Inversa•Fotodiodo

•Regione Fotovoltaica•Polarizzazione Diretta•Cella Fotovoltaica

Fotocorrente prodotta in giunzione:

Tensione [V]

Fotodiodo

Giunzione PiN polarizzata in inversa, scorre una corrente proporzionale in base alla radiazione luminosa incidente.

Banda Valenza

Banda Conduzione

Fotodiodo

Caratteristiche:• Costruiti in Si, Ge, AsInGa, PbS• Giunzioni PN, PiN, APD (effetto

valanga)

Fotodiodo

Utilizzi:• Fibre ottiche• Supporti ottici (cd dvd)• Fotografia Digitale (matrici)• Encoder• Optoisolatori• Dispositivi Biomedici• Sensori prossimità• Luxometri• Fotocellule• Telecomandi

FotodiodoVantaggi:• Costi contenuti• Dimensioni• Funzionamento lineare• Bassa tensione di

alimentazione• Buona efficienza quantica

(PiN)• Rapidità di risposta

Svantaggi:• Rumore (polariz. inversa)• Sensibilità (eccetto APD)• Influenzati da temperatura

Optoisolatore Dispositivo composto da un fotodiodo e da un diodo led che

permette la trasmissione di un segnale mantendo i due circuiti elettronicamente separati. Garantendo quindi l’isolamento galvanico.

INGRESSO

Fototransistor

Transistor bipolare strutturato in modo da permettere il passaggio di luce alla giunzione base-collettore. Quindi per effetto fotoelettrico si genera una corrente che manda in regione attiva diretta il transistor.

Fototransistor

Caratteristiche:• Funzionamento analogo a fotodiodo, con differenza che la

corrente di base è amplificata di un fattore β, guadagna quindi in sensibilità.

• Configurazioni di tipo PNP e NPN

• La base è solitamente lasciata disconnessa (in alcuni componenti non è nemmeno presente il terminale)

Fototransistor

Utilizzi:• Fotografia Digitale• Encoder• Optoisolatori• Sensori prossimità• Luxometri• Fotocellule

OSRAMSFH3410-Z

VISHAY SEMICONDUCTOR BPW77NA

FototransistorVantaggi:• Costi contenuti• Dimensioni• Funzionamento lineare• Bassa tensione di

alimentazione• Buona efficienza quantica• Elevata sensibilità

Svantaggi:• Rumore• Influenzati da temperatura• Risposta lenta (rispetto a diodi)

OSRAMSFH3410-Z

VISHAY SEMICONDUCTOR BPW77NA

Fotodarlington

Per aumentare ulteriormente il guadagno si possono utilizzare particolari dispositivi costutiuti da due fototransistor collegati in cascata. (Darlington)

HONEYWELLSDP8105-001

LITEON tech CoLTV-8141

Fototubo

Tubo a vuoto costituito da un fotocatodo e da un anodo, a questi è applicata una tensione che genera un elevato campo elettrico. Il fotocatodo se colpito da fotoni emette elettroni per effetto fotoelettrico, i quali migrano all’anodo generando corrente

Fototubo

Caratteristiche:• Elevata tensione per creare il

campo elettrico (100 ÷ 1000 V)• Fotodiodo a vuoto• Fotocatodo ampio per captare

maggior radiazione luminosa• Anodo poco ampio• Diversi tipi di fotocatodo con

differente sensibilità spettrale

Fototubo

Utilizzi:• Spettrometria• Audio in pellicole

cinematografiche• Usati un tempo per

crepuscolari, luxometri, oggi sostituti da componenti a semiconduttore.

Fototubo

Vantaggi:• Rapidità di risposta• Elevata area attiva• Banda elevata

Svantaggi:• Costi• Sensibilità• Fragilità• Potenziale di polarizzazione

elevato• Dimensioni

Fotomoltiplicatore

Dispositivo composto da un fototubo integrato ad un moltiplicatore elettronico. La corrente generata dall’emissione di elettroni del fotocatodo viene amplificata grazie ad una struttura multistadio composta da dinodi interni al tubo per effetto fotoelettrico secondario.

Effetto fotoelettrico secondario

Caratteristiche:• Elettrone ad alta energia

cinetica incidente sul dinodo• Ionizzazione di f elettroni del

dinodo e loro emissione• Accelerazione degli elettroni

a bassa energia cinetica verso il dinodo successivo

• Iterazione della sequenza n volte

Guadagno: G=fn

Fotomoltiplicatore

Caratteristiche:• Fotocatodo analogo a

fototubo• Necessità di mantenere i

campi elettrici tra i vari elettrodi

• Elettroni accelerati dal campo elettrico tra un dinodo e il successivo

• 8-12 stadii• Guadagni molto elevati (104 ÷

108) • Dinodi in Cs3Sb, ossidi cesiati,

fosfuro di gallio cesiato

Fotomoltiplicatore

Utilizzi:• Spettroscopia• Esperimenti ad alte energie• Dispositivi per diagnosi

medica• Analisi ambientali• Astronomia

Fotomoltiplicatore

Vantaggi:• Sensibilità Elevata (massima per

questi dispositivi)• Velocità risposta• Banda elevata• Rumore Basso• Guadagno elevato

Svantaggi:• Costi• Fragilità• Potenziale di polarizzazione molto

elevato (2KV)• Dimensioni

Fotoresistenza Elemento fotosensibile composto da semiconduttore,

quando illuminato è soggetto fotoconduttivo, varia quindi la propria impedenza.

Fotoresistenza

Caratteristiche:• Costruiti in Solfuro di Cadmio

(CdS), Solfuro di Piombo (PbS) Selenio (Se) e antimoniuro di indio (InSb).

• Differentemente dal fotodiodo non richiede polarizzazione, segue la legge di Ohm.

Fotoresitenza

Vantaggi:• Costi contenuti• Funzionamento lineare• Rapidità di risposta• Funzionamento in AC e DC• RobustezzaSvantaggi:• Banda limitata• Buona sensibilità con ampia

superficie• Influenzati da temperatura• Risposta lenta

Fotoresitenza

Utilizzi:• Interrutori crepuscolari• Misuratori di lumiosità• Inseguitori solari

Inseguitore solare

Fonte: adem kader , mas chano, Solar Seeker. http://www.sccs.swarthmore.edu/users/06/adem/engin/e72/lab7/

Interrutore crepuscolare

• Risparmio energetico• Non necessita di

programmazione• Si integra ad impianti

esistenti• Importante allocare

correttamente la fotoresistenza

Sensori a effetto termico

A Riscaldamento:

• Bolometro• Cella di Golay• Rivelatore piroelettrico

Banda Valenza

Banda Conduzione

Qualora l’energia del fotone non sia sufficiente a superare l’energy gap dei comuni semiconduttori (anche drogati), si richiede l’uso di altri dispositivi che sfruttano la termalizzazione dell’energia del fotone.

BolometroDispositivo che misura la radiazione incidente tramite una resistenza sensibile alla variazione di temperatura indotta dal raggio, posta in un ramo di un ponte di Wheatstone.

Bolometro

Componente resistivo termosensibile:• Metallo (Pt, Au anneriti)• Semiconduttore (Si, Ge, Ossidi di Ni,

Mn, Co)• Superconduttori (Nitruro di Niobio

NbN)

Bolometro

Utilizzi:• Astronomia• Rilevatori di particelleVantaggi:• Banda elevata• Miglior rivelatore per lunghezze

d’onda sub millimetriche

Svantaggi:• Sensibilità• Necessita di temperature

criogeniche per il funzionamento• Ingombro

Rilevatori PiroelettriciDispositivo per la rilevazione di onde elettromagnetiche infrarosse, che sfrutta la piroelettricità caratteristica di alcuni materiali, la generazione di carica quando sottoposto ad una differenza di temperatura.

Pyroelectric material

Effetto Piroelettrico• Variazione di temperatura• Variazione della posizione

degli atomi all’interno del cristallo

• Modifica della polarizzazione del materiale per accumulo di carica sulle facce.

• Asse termico a potenziale nullo

• Faccia caricata positivamente è detta polo analogo (+), l’opposta polo antilogo (-)

Rilevatori Piroelettrici

Utilizzi:• Rilevatori di movimento

e presenza

Vantaggi:• Economico• Robusto• Facilmente interfacciabile

Svantaggi:• Influenzabile da fonti di

calore

GENTECQS-L

PerkinelmerLhi778

Cella di Golay

Cella che misura la radiazione infrarossa incidente, sfruttando la dilatazione per effetto termico del gas Xenon.

1. Assorbimento della radiazione da parte della piastra

2. Riscaldamento del gas tramite la piastra

3. Dilatazione Gas4. Spostamento della

membrana5. Deviazione di raggi

luminosi (o variazione di una capacità).

Cella di Golay

Utilizzi:• Calibrazioni• Studi chimici • Spettroscopia

Vantaggi:• Risposta costante su

larga banda• Elevata sensibilità

Svantaggi:• Fragilità• Scarsa dinamica • Costo elevato

Bibliografia

• Silvano Donati: Fotorivelatori – Editori AEI (Associazione Elettronica ed Elettrotecnica Italiana, Milano 1977• M.Brenci: Appunti di optoeltrinica• Massimo Di Giulio – appunti su fotomoltiplicatori• Articoli di periodici, documentazione varia reperibile sul web

Grazie per l’attenzione