Bài giảng Cảm biến quang

CẢM BIẾN QUANG I/ Khái quát : 1/ Tính chất ánh sáng: Ánh sáng có 2 tính chất cơ bản là sóng và hạt . Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức năng lượng nguyên tử của nguồn sáng . Vận tốc ánh sáng được xác định v = c/n trong đó c vận tốc trong chân không c = 299792km/s n chiết suất của môi trường truyền sóng Sự liên hệ giữa tần số f và bước sóng l : Trong chân không : Dãy phổ ánh sáng được biểu diễn như hình : Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất . Ánh sáng bao gồm các hạt photon với năng lượng Wf phụ thuộc vào tần số . Wf = hf Trong đó h là hằng số Planck h = 6,6256.10-34Js Trong vật chất các hạt điện tử luôn có xu hướng trở thành điện tử tự do . Để giải phóng được các hạt điện tử khỏi nguyên tử thì cần 1 năng lượng tối thiểu bằng năng lượng liên kết WL . Do đó nếu photon cần hấp thụ 1 hạt điện tử thì cần 1 điều kiện là Wf ≥ WL . Khi đó ta có ; do ta có nên Bước sóng ngưỡng ( bước sóng lớn nhất ) của ánh sáng là bước sóng có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử được tính từ biểu thức : Hiện tượng giải phóng hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng bằng hiệu ứng quang điện gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu . Đây là nguyên lý cơ bản của cảm biến quang. Dưới tác dụng của ánh sáng , hiệu ứng quang điện tỉ lệ thuận với số lượng hạt dẫn được giải phóng trong 1 đơn vị thời gian . Ngay cả khi l > lS thì không thể giải phóng tất cả các hạt dẫn bởi vì 1 số sẽ phản xạ từ bề mặt và số khác sẽ chuyển năng lượng của chúng thành năng lượng của dao động nhiệt. Đối với vật liệu có hệ số phản xạ R lớn và bị chiếu bởi ánh sáng đơn sắc có công suất f thì : _ Số photon chiếu đến trong 1 giây : _ Số photon hấp thụ trong 1 giây : _ Số hạt điện tử và lổ trống được giải phóng trong 1 giây : Trong đó h là hiệu suất lượng tử ( số điện tử hoặc lổ trống trung bình được giải phóng khi 1 photon được hấp thụ ) 2/ Đơn vị đo quang : _ Năng lượng bức xạ ( Q ) là năng lượng phát xạ , lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ , được đo bằng Jun ( J ) . _ Thông lượng ánh sáng ( f ) là công suất phát xạ , lan truyền hoặc hấp thụ , đo bằng đơn vị oat ( W ). _ Cường độ ánh sáng ( I ) là luồng năng lượng phát ra theo 1 hướng cho trước dưới 1 đơn vị góc khối , có đơn vị đo là oat/steradian. _ Độ chói năng lượng : là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi 1 phần tử bề mặt dA theo 1 hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó ( q là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA ) . Độ chói đo bằng oat/steradian.m2 . _ Độ rọi năng lượng ( E ) là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi 1 phần tử bề mặt va diện tích phần tử đó . Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m2 . Tên định nghĩa Đ/v thị giác Đ/v năng lượng Luồng ( thông lượng ) Cường độ Độ chói Độ rọi Năng lượng Lumen ( lm ) Candela ( cd ) Candela/m2 ( cd/m2 ) Lumen/m2 hay lux ( lx ) Lumen.s ( lm.s ) Oat ( W ) Oat/sr ( W/Sr ) Oat/sr.m2 ( W/sr.m2 ) W/m2 Jun ( J ) 3/ Nguồn sáng : Việc sử dụng 1 cảm biến chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng ( phổ , thông lượng , tần số ) . Nguồn sáng sẽ quyết định mọi đặc tính của bức xạ vì vậy việc tìm hiểu nguồn sáng rất quan trọng trong việc chọn lựa và sử dụng cảm biến. a/ Đèn sợi đốt wonfram : Được cấu tạo gồm 1 dây wonfram có vỏ bọc bằng thủy tinh hoặc thanh anh có chứa chất khí hiếm hoặc halogen ( I2 ) . Đèn wonfram co đặc điểm : _ Thông lượng lớn , dãy phổ rộng, có thể giảm bằng các tấm lọc. _ Do có quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ 1 cách nhanh chóng , tuổi thọ thấp , dễ vở . b/ Diode phát quang : _ Thời gian hồi đáp nhỏ , khoảng vài ns do vậy có khả năng thay đổi theo tần số cao .Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định , độ tin cậy cao , bền theo thời gian . _ Thông lượng tương đối nhỏ ( ~ 10mW ) và nhạy với nhiệt độ là nhược điểm của đèn . c/ Lazer : Tia Lazer là nguồn sáng đơn sắc , độ chói lớn , rất định hướng và đặc biệt có tính liên kết mạnh ( rất khó xãy ra tán sắc ánh sáng ) Lazer lá ánh sáng có bước song đơn sắc hòan toàn xác định , thông lượng lớn , có khả năng nhận được chùm tia mảnh với độ định hướng cao và truyền đi với khoảng cách rất lớn . II/ Điện Trở Quang : ( photo register ) Các cảm biến điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ của bức xạ đó . Quang trở là 1 trong những cảm biến có độ nhạy cao . Nguyên tắc chế tạo quang trở là dựa trên hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện nội ( hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẩn điện của vật liệu ). 1/ Cấu tạo : Cảm biến quang thường được cấu tạo bằng các chất bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp chất . _ Đa tinh thể : CdS, CdSe, CdTe , PbS, PbSe, PbTe. _ Đơn tinh thể : Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe. Tùy theo chất cấu tạo mà quang trở có vùng phổ làm việc khác nhau . 2/ Điện trở : Một quang trở có giá trị điện trở tương đương với 2 điện trở ghép song song gồm điện trở tối Rco và điện trở Rcp được xác định bởi hiệu ứng quang điện do ánh sáng tác động . Giá trị điện trở tối phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo , dạng hình học , kích thước và nhiệt độ. _ Các chất PbS , CdS, CdSe có giá trị điện trở tối khá lớn : từ 104 đến 109 ở nhiệt độ 250C. _ Các chất SbIn, SbAs, CdHgTe có giá trị điện trở tối khá nhỏ : từ 10W đến 103 W ở nhiệt độ 25 0C Điện trở Rcp được xác định theo biểu thức : Trong đó a phụ thuộc vào vật liệu ,nhiệt độ và phổ bức xạ ánh sáng g có giá trị từ 0.5 đến 1 Do đó giá trị điện trở của quang trở là RC Thông thường Rcp << Rco nên Nghĩa là giá trị điện trở của cảm biến phụ thuộc mạnh vào ánh sáng tác dụng , có giá trị giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên . Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng không tuyến tính . Tuy nhiên có thể tuyến tính hoá nó bằng cách ghép song song với 1 điện trở Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng Điện trở RC phụ thuộc vào nhiệt độ , độ nhạy nhiệt của quang trở càng nhỏ khi độ rọi càng lớn . Giá trị điện trở sẽ bị giảm chậm ở những điều kiện làm việc giới hạn khi độ rọi và điện áp đặt vào quá lớn . 3/ Độ nhạy : Dựa vào sơ đồ tương đương của quang trở , độ dẫn điện của quang trở là tỏng độ dẩn sáng và độ dẫn tối . Trong đó Gco là độ dẫn tối Gcp là độ quang dẫn Khi làm việc quang trở được phân cực 1 điện áp V sẽ có 1 dòng điện đi qua nó được xác định Trong đó Io dòng tối , Ip dòng quang điện Tuy nhiên trong điều kiện sử dụng Io << Ip nên dòng quang điện có thể được xác định theo biểu thức Đối với luồng bức xạ có phổ xác định , tỹ lệ chuyển đổi tĩnh : Độ nhạy Từ những vấn đề trên ta rút ra kết luận : _ Nếu tính đến giá trị của g thì tỹ lệ chuyển đổi tĩnh và độ nhạy có cùng độ lớn . _ Quang trở là cảm biến không tuyến tính , độ nhạy của nó giảm khi bức xạ tăng . ( trừ trường hợp g = 1 ) _ Độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào quang trở . 4/ Ứng dụng quang trở Những nhược điểm khi sử dụng quang trở là: _ Quá trình hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng . _ Thời gian hồi đáp lớn . _ Các đặc trưng không ổn định ( già hóa ). _ Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ . _ Một số loại đòi hỏi phải làm nguội . Do đó người ta không dùng quang trở để xác định chính xác giá trị thông lượng mà được sử dụng để phân biệt mức ánh sáng : trạng thái sáng - tối hoặc xung ánh sáng. Việc xác định giá trị điện trở của quang trở hoặc xác định sự thay đổi cần phải có mạch đo phù hợp , nghĩa là phải được cấp dòng không đổi và ghép theo sơ đồ đo điện thế hoặc sơ đồ cầu Wheatstone, mạch khuếch đại thuật toán. Trong thực tế thường được ứng dụng 2 trường hợp là điều khiển reley và thu tín hiệu quang . Sơ đồ ứng dụng quang trở III/ Diode Cảm Quang ( photo diode ) 1/ Nguyên tắc : Khi cho 2 chất bán dẫn P và N tiếp xúc với nhau sẽ tạo nên vùng nghèo hạt dẫn tại tiếp xúc , tại đó xuất hiện 1 điện trường gọi là ETX và hình thành 1 hàng rào điện thế VTX . Khi không có điện thế ngoài thì dòng qua tiếp giáp có giá trị I=0 . Thực tế dòng I lúc đó chính là dòng tổng của 2 dòng ngược chiều nhau và có cùng độ lớn : _ Dòng khuếch tán của các hạt dẫn cơ bản khi tiếp xúc 2 chất bán dẫn. _ Dòng hạt dẫn không cơ bản nhờ tác dụng của điện trường trong vùng nghèo . Khi đặt 1 điện áp lên vùng nghèo , chiều cao của hàng rào điện thế sẽ thay đổi kéo theo sự thay đổi của dòng hạt dẫn cơ bản và bề rộng vùng nghèo . Điện áp đặt lên vùng nghèo sẽ xác định giá trị dòng điện I Khi điện áp ngược đủ lớn , chiều cao của hàng rào điện thế lớn đến mức dòng khuếch tán của các hạt dẫn ( dòng cơ bản ) có thể bỏ qua và chỉ còn lại dòng không cơ bản , nghĩa là I = IO , đây chính là dòng ngược của diode . Khi chiếu sáng diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước song ngưỡng ( l < lS ) sẽ hình thành thêm các cặp điện tử và lỗ trống . Để các hạt dẫn này tham gia làm tăng độ dẫn , từ đó làm tăng dòng I. Điều quan trọng là ánh sáng phải được chiếu đến vùng nghèo , sau khi đi qua 1 bề dày đáng kể của chất bán dẫn và tiêu hao năng lượng ( càng đi vào sâu thì thông lượng f càng giảm ) Trong thực tế các vật liệu thường được dùng để chế tạo photodiode là Si, Ge, ( dùng để thu ánh sánh nhìn thấy được và hồng ngoại gần ) GaAs, InAs, InSb, HgCdTe ( dung để thu hồng ngoại ) 2/ Độ nhạy : Đối với 1 bức xạ có phổ xác định , dòng quang điện I tuyến tính với thông lượng trong 1 khoảng tương đối rộng . Độ nhạy được xác định : ứng với l ≤ lS h hiệu suất lượng tử R hệ sồ phản xạ a hệ số hấp thụ h hằng số Planck h = 6,6256.10-34Js c vận tốc truyền trong chân không 3/ Chế độ sử dụng photodiode : Có 2 chế độ sử dụng : chế độ quang dẫn và chế độ quang thế . a/ Chế độ quang dẫn Chế độ quang dẫn được đặc trưng bởi độ tuyến tính cao , thời gian hồi đáp ngắn và dãi thông lớn . Có 2 dạng sơ đồ Dạng sơ đồ cơ sở : Trong sơ đồ ta có : Nếu tăng giá trị Rm sẽ làm giảm nhiễu . Tổng trở ngã vào phải lớn để giảm ảnh hưởng của nội trở diode. Dạng sơ đồ tác động nhanh Khi đó ta có : Điện trở tải của diode nhỏ và gần bằng , trong đó K là hệ số khuếch đại ở tần số làm việc. Tụ C2 có nhiệm vụ bù trừ ảnh hưởng của tụ kí sinh C1 với điều kiện . Bộ khuếch đại sử dụng dòng vào rất nhỏ và suy giảm do nhiệt không đáng kể . b/ Chế độ quang thế Trong chế độ này mạch có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải , ít nhiễu , thời gian hồi đáp lớn và dải thông nhỏ , đặc biệt nhạy cảm với nhiệt độ khi làm việc ở chế độ logarit. Trong sơ đồ tuyến tính ta có : Trong sơ đồ logarit : IV/ Transistor Quang ( photo transistor ) 1/ Cấu tạo và nguyên tắc : Transistor quang được cấu tạo bằng cbd loại Si , được chế tạo theo loại transistor NPN sao cho có vùng cực B có khả năng cảm nhận ánh sáng từ bên ngoài . Khi transistor quang làm việc thì được phân cực cho cực C và E nên điện áp phân cực tập trung toàn bộ vào vùng chuyển tiếp B-C ( phân cực ngịch ). Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng ( cực B nhận ánh sáng ) thì transistor quang hoạt động giống với diode quang ở chế độ quang dẫn với dòng ngược . Khi đó ta có : với Io là dòng ngược tối Ip là dòng quang điện do tác dụng của thông lượng f chiếu qua bề dày X . Ta có h hiệu suất lượng tử R hệ sồ phản xạ a hệ số hấp thụ h hằng số Planck h = 6,6256.10-34Js c vận tốc truyền trong chân không Trong trường hợp này dòng IB chính làdòng Ir nên ta có 2/ Độ nhạy : Khi nhận được thông lượng fo sẽ làm xuất hiện 1 dòng Ip đi vào cực B của transistor, dòng nay sẽ tạo nên 1 dòng dẫn trong transistor , giá trị của Ic là : Đối với 1 thông lượng cho trước , dòng Ic không phải là 1 hàm tuyến tính theo f vì hệ số khuếch đại b phụ tuộc vào giá trị của Ic , nghĩa là phụ thuộc vào giá trị của fo . Độ nhạy S = . 3/ Sơ đồ dùng transistor quang : Transistor quang có thể dung làm bộ chuyển mạch hoặc làm phần tử tuyến tính . Ở chế độ chuyển mạch có thể cho phép dòng đi qua tương đối lớn , còn ở chế độ tuyến tính thì ít được sử dụng vì độ tuyến tính kém nên thường người ta dùng diode quang . Transistor quang ở chế độ chuyển mạch : Trong trường hợp này sử dụng thông tin dưới dạng nhị phân : _ Có hay không có tín hiệu quang ( không có bức xạ hặc có bức xạ ). _ Ánh sáng nhận được nhỏ hơn hay lớn hơn ánh sáng ngưỡng ban đầu _ Transistor làm việc ở chế độ D : dẫn bão hoà hoặc ngưng dẫn . Hoạt động như 1 reley ,hoặc cổng logic . Tốc độ chuyển mạch của transistor quang bị giới hạn đáng kể bởi nội trở của nó . Tốc độ náy có thể cải thiện bằng cách ghép thêm vào mạch 1 bộ khuếch đại hoặc ghép thêm transistor dưới dạng darlingtone ( với điều kiện mạh phải có trở kháng vào nhỏ ) Transistor quang làm việc ở chế độ tuyến tính: Có 2 trường hợp ứng dụng : _ Đo ánh sáng không đổi . _ Hoạt động giống như luxmetter. V/ Cáp Quang : 1/ Nguyên lí cấu tạo Cáp quang được cấu tạo gồm nhiều sợi tơ quang dẫn . Mõi sợi tơ quang dẫn gồm 1 lõi ời chiếc suát n1 , bán kính a ( 10 đến 100 mm ) và lớp vỏ có chiếc suất n2 ( sao cho n2 < n1 ) với bề dày 50 mm Vật liệu sử dụng để chế tạo gồm : _ SiO2 tinh khiết hoặc pha tạp chất nhẹ. _ thủy tinh , thành phần của SiO2 và phụ gia Na2O3 , B2O3 , PbO… _ Polyme ( ít sử dụng ) được sử dụng trong 1số trường hợp. Nguyên tắc quang học : khi ánh sáng đi qua đường phân cách giữa 2 mội trường có chiếc suất n1 và n2 , các góc q1 và q2 do 1 tia sáng tạo thành với đường trực giác của mặt phẳng có sự liên hệ với nhau theo biểu thức Descartes : n1sinq1 = n2sinq2 Khi n1 > n2 sẽ xãy ra hiện tượng phản xạ toàn phần . Trong rường hợp này đối với cáp quang sẽ làm cho ánh sáng bị giam giữ trong lõi và được truyền đi bằng các phản xạ liên tục.