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Sensori ottici e dispositivi optoelettronici

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Sensori ottici e dispositivi optoelettronici - PowerPoint PPT Presentation


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Corso di controlli digitali A.A. 2012-2013. Sensori ottici e dispositivi optoelettronici. Presentazione a cura di: Nicolò Pifferetti Matteo Cilloni. Sensori ottici. A effetto fotoelettrico a semiconduttore:. Fotodiodo Fototransistor Fotoresistenza.

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Presentation Transcript
sensori ottici e dispositivi optoelettronici

Corso di controlli digitali A.A. 2012-2013

Sensori ottici e dispositivi optoelettronici

Presentazione a cura di:

Nicolò Pifferetti

Matteo Cilloni

sensori ottici
Sensori ottici

A effetto fotoelettrico a semiconduttore:

  • Fotodiodo
  • Fototransistor
  • Fotoresistenza
  • Fototubo
  • Fotomoltiplicatore
  • Bolometro
  • Cella di Golay
  • Rivelatore piroelettrico

Effetto fotoelettrico:

A Riscaldamento:

sensori a effetto fotoelettrico
Sensori a effetto fotoelettrico

A effetto fotoelettrico a semiconduttore:

  • Fotodiodo
  • Fototransistor
  • Fotoresistenza
  • Fototubo
  • Fotomoltiplicatore

Effetto fotoelettrico:

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Grandezze misurabili

  • Intensità luminosa, Candela [Cd], fondamentale SI
  • Una 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

1 CANDELA (cd)

1 sr

  • 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.

(lm)

1 m2

(lx)

  • 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
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Grandezze misurabili

Unità di misura:

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Effetto Fotovoltaico

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.

Efficienza quantica (QE):

  • Rapporto tra numero di cariche emesse e fotoni incidenti.
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Giunzione PN illuminata

Intensità luminosa incidente in giunzione:

P0 < P1 < P2

Corrente [A]

Fotocorrente prodotta in giunzione:

+

-

Tensione [V]

-

+

  • Regione Fotoconduttiva
  • Polarizzazione Inversa
  • Fotodiodo
  • Regione Fotovoltaica
  • Polarizzazione Diretta
  • Cella Fotovoltaica
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Fotodiodo

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

Banda Conduzione

Banda Valenza

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Fotodiodo

Caratteristiche:

Costruiti in Si, Ge, AsInGa, PbS

Giunzioni PN, PiN, APD (effetto valanga)

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Fotodiodo

Utilizzi:

Fibre ottiche

Supporti ottici (cd dvd)

Fotografia Digitale (matrici)

Encoder

Optoisolatori

Dispositivi Biomedici

Sensori prossimità

Luxometri

Fotocellule

Telecomandi

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Fotodiodo

Vantaggi:

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

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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

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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.

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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)

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Fototransistor

Utilizzi:

Fotografia Digitale

Encoder

Optoisolatori

Sensori prossimità

Luxometri

Fotocellule

VISHAY SEMICONDUCTOR BPW77NA

OSRAM

SFH3410-Z

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Fototransistor

Vantaggi:

Costi contenuti

Dimensioni

Funzionamento lineare

Bassa tensione di alimentazione

Buona efficienza quantica

Elevata sensibilità

Svantaggi:

Rumore

Influenzati da temperatura

Risposta lenta (rispetto a diodi)

VISHAY SEMICONDUCTOR BPW77NA

OSRAM

SFH3410-Z

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Fotodarlington

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

LITEON tech Co

LTV-8141

HONEYWELL

SDP8105-001

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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

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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

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Fototubo

Utilizzi:

Spettrometria

Audio in pellicole cinematografiche

Usati un tempo per crepuscolari, luxometri, oggi sostituti da componenti a semiconduttore.

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Fototubo

Vantaggi:

Rapidità di risposta

Elevata area attiva

Banda elevata

Svantaggi:

Costi

Sensibilità

Fragilità

Potenziale di polarizzazione elevato

Dimensioni

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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.

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Effetto fotoelettrico secondario

Guadagno: G=fn

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

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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

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Fotomoltiplicatore

Utilizzi:

Spettroscopia

Esperimenti ad alte energie

Dispositivi per diagnosi medica

Analisi ambientali

Astronomia

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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

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Fotoresistenza

Elemento fotosensibile composto da semiconduttore, quando illuminato è soggetto fotoconduttivo, varia quindi la propria impedenza.

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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.

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Fotoresitenza

Vantaggi:

Costi contenuti

Funzionamento lineare

Rapidità di risposta

Funzionamento in AC e DC

Robustezza

Svantaggi:

Banda limitata

Buona sensibilità con ampia superficie

Influenzati da temperatura

Risposta lenta

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Fotoresitenza

Utilizzi:

Interrutori crepuscolari

Misuratori di lumiosità

Inseguitori solari

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Inseguitore solare

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

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Interrutore crepuscolare

Risparmio energetico

Non necessita di programmazione

Si integra ad impianti esistenti

Importante allocare correttamente la fotoresistenza

sensori a effetto termico
Sensori a effetto termico

A Riscaldamento:

  • Bolometro
  • Cella di Golay
  • Rivelatore piroelettrico

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.

Banda Valenza

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Bolometro

Dispositivo 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.

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Bolometro

Componente resistivo termosensibile:

Metallo (Pt, Au anneriti)

Semiconduttore (Si, Ge, Ossidi di Ni, Mn, Co)

Superconduttori (Nitruro di Niobio NbN)

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Bolometro

Utilizzi:

Astronomia

Rilevatori di particelle

Vantaggi:

Banda elevata

Miglior rivelatore per lunghezze d’onda sub millimetriche

Svantaggi:

Sensibilità

Necessita di temperature criogeniche per il funzionamento

Ingombro

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Rilevatori Piroelettrici

Dispositivo 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

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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 (-)
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Rilevatori Piroelettrici

Utilizzi:

Rilevatori di movimento e presenza

Vantaggi:

Economico

Robusto

Facilmente interfacciabile

Svantaggi:

Influenzabile da fonti di calore

PerkinelmerLhi778

GENTEC

QS-L

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Cella di Golay

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

Assorbimento della radiazione da parte della piastra

Riscaldamento del gas tramite la piastra

Dilatazione Gas

Spostamento della membrana

Deviazione di raggi luminosi (o variazione di una capacità).

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Cella di Golay

Utilizzi:

Calibrazioni

Studi chimici

Spettroscopia

Vantaggi:

Risposta costante su larga banda

Elevata sensibilità

Svantaggi:

Fragilità

Scarsa dinamica

Costo elevato

bibliografia
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