SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA SENZORI I INDUSTRIJSKA MERENJA

1. SEMINARSKI RAD IZ PREDMETASENZORI I INDUSTRIJSKA MERENJA TEMA: OPTIČKI SENZORI I SENZORI ZRAČENJA

2. 1.FOTOSENZORI Svetlost je kvantno-mehanički fenomen. Kvant svetlosti nazivamo foton. Fotoni imaju: talasnu dužinu brzinu učestanost energiju moment

3. 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.

4. 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.

5. Fotodiode rade na dva različitanačina kao solarne i fotoprovodnePovezivanje fotodiode u solarnom režimu rada

6. Fotoprovodni način rada

7. 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

9. 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

10. Fotosenzori mogu biti napravljeni od poluprovodničkih materijala sa drugačijim energetskim procepom. Oni su prikazani u tabeli 1

11. 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

12. 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

13. 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:

14. Na osnovu naponskog delitelja imamo

15. Osetljivost sistema data je sledećom relacijom: Termalni detektor

16. Na osnovu bilansa energija, dobijena energija je jednakapromeni energije u termometru: Sada, pretpostavimo da snaga i temperatura termometra osciluju:

17. Uvrstimo ove izraze u izraz za balans energije: Ako konstante i oscilatorne delove uzmemo kao nezavisne imamo: Ovo se svodi na:

18. Dakle, osetljivost ovog uređaja je: 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

19. 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

20. 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: 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.

21. TOPLOTNI INFRACRVENI DETEKTORI • Ovi detektori su zasnovani na otpornošću termometra. • Crtež mikro bolometra prikazan je na slici

22. 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

23. 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