sensori ottici e dispositivi optoelettronici presentazione a cura di: nicolò pifferetti matteo...
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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