Szenzorok Zaja

1. Szenzorok Zaja Szentpáli BélaMFA

2. Miért zaj? konferencia: 2,5-3,5 szeres Prof. Ambrózy András1931-1990 2 OTKA + COPERNICUS OTKA (2002-5) kitérő

3. Vázlat: • Bevezetés érzékenység, dinamika-tartomány • Jósági tényezők zaj-eqiuvalens jel, tangenciális érzékenység, zajtényező, zajhőmérséklet, stb. • Fizikai fluktuációk ellenállás, dióda • Példák ellenállás-hőmérő, fotoellenállás, Hall-eszköz, mikrohullámú detektor dióda, fotodióda. • Összefoglalás

4. A szenzor válaszfüggvénye bevezetés

5. érzékenység ↔ dinamika tartomány fotodetektor antireflexiós bevonat mikrohullámhangolás hőmérséklet hőhíd nyomásdeformáció bevezetés

6. a háttér szerepe bevezetés

7. lehetséges hátterek • elektromos zavarok • háttérsugárzás hűtött falak • termikus generáció hűtött szenzor bevezetés

8. Gyakorlati, mérnöki leírás: idő ablakban (time domain) jósági tényező (figure of merrit) A fizikai fluktuáció leírása: frekvencia ablakban zaj spektrum (dimenzió: A2/Hz, V2/Hz, P/Hz, A/√Hz, V/√Hz, stb.!) Mekkora a zaj? Méréstől függ! bevezetés

9. Fourier transzformáció: Wiener-Khinchine tétel: Példa: Boode-, v. Lorenz diagram, idő ablak ↔ frekvencia ablak bevezetés

10. zaj-equivalens jel ~teljesítmény (NEP) jósági tényezők

11. szignifikánsan mérhető jel, tangenciális érzékenység (TSS) Vp-p = 2.8 Veff TSS= 2.8 NES TSS= NES + 4 dB jósági tényezők

12. zajtényező, equivalens zaj hőmérséklet és ellenállás zajtényező=10log(zajfaktor) : soros elemeké szorzódik! dB! equivalens zajforrás a zajtalan szenzor bemenetén: Equivalens zaj hőmérséklet: Equivalens zaj ellenállás: csak fehér zajra! jósági tényezők

13. Jósági tényező fizikai fluktuáció Műszaki jellemzők, jósági tényezők: Függenek: • érzékenység • háttér • szűrés-átlagolás, frekvencia független kifejezés csak fehér zajra alkalmazható Alkalmazhatók: • tetszőleges kétkapura • egymást követő egységek zajtényezői szorzódnak A zaj fizikai okáról nem tudnak direkt számítás lehetséges jósági tényezők

14. Félvezető tömbi ellenállás zaja: Terminkus zaj, elektronok hőmozgása:(A hőmérsékleti sugárzás vezetett része, levágási fr. infravörösben) előfeszítés nélkül is észlelhető, abszolút zaj határ Gauss eloszlás fizikai fluktuációk

15. A termikus zaj abszolút limit!Pl. : Keithley műszerek felbontása kitérő

16. hν e- Ec ET Eg Ev Generációs-rekombinációs zaj, vezetőképesség moduláció,csak félvezetőkben! fizikai fluktuációk

17. G DUT 18 V Keithley 195A DVM Ri Generációs-rekombinációs zaj, PbS fotoellenállás, Rakovics Vilmos fizikai fluktuációk

18. 1/f zaj, ellenállás fluktuáció Hooge –féle α zaj (1969) Empirikus képlet McWhorter- féle zaj (1955) folytonos eloszlású időállandók, 1/τ intenzitással, térben szétválasztva, ill. nem korreláló centrumok! α nem a remélt univerzális konstans (2*10-3) hanem anyag függő 10-8….1. Ellenállás zaj, μ fluktuál,fonon szórás Gauss + eloszlás példa: Si MOS csatorna fizikai fluktuációk

19. ¼*U2z U2z 1/f zaj, ellenállás fluktuáció a kiolvasáshoz előfeszítés kell térfogattal fordítva arányos fizikai fluktuációk

20. 1/f zaj, ellenállás fluktuáció a Hooge-képlet fémrétegekre is érvényes a miniatürizálásnak korlátot állít! Az MFA gázérzékelők Pt ellenállása:V= 405 μm3 ; m= 8,67 ng ; Natom= 2,67*1013 ; vegyérték : 2 α= 2*10-3 , I = 7 mA; R= 480 Ω ; T= 1000 K u2therm = 4kTRΔf = 2,65*10-17 V2 Δf u21/f = (I*R)2α Δf /(2Nf) = 4.22*10-16 V2* Δf /f töréspont: f= 15,9 Hz fizikai fluktuációk

21. I0 I+I0 n EF EF metal p p-n junction Schottky-diode Diódák nincs szórás, 1/f~1/f2 csak hibákon, sörétzaj, Poisson elaoszlás, nem abszolút korlát! fizikai fluktuációk

22. Tömbi ellenállás szenzorok Termisztor nem túl kis térfogatú fém (Pt ellenállás hőmérő), csak termikus zaj, Tss feltétel: teljesítmény disszipáció! Fotoellenállás jó minőségű félvezető a sötétáramon csak termikus zaj van A fotoáram G-R zajt hordoz: tr is the transit time példák

23. E z E y B x Jx=-qnvx=-qnμnEx -qvB= -qμnExB Két eset: rövid, széles ellenállás hosszú, keskeny szerkezet Galvanomágneses effektusok kitérő

24. E B ohmos I I UH Galvanomágneses effektusok rövid, széles ellenállás: ellenállásnövekedés ΔR~B Corbino disc: Hosszú, keskeny eszköz: Hall feszültség ellenállásnövekedés ΔR~B2 kitérő

25. Hall - szonda VH B I w t l s Rétegellenállások, mágnestér-érzékelő termikus zaj 1/f • Tanulság: • SNR javul az előfeszítéssel, korlát a teljesítmény disszipáció • SNR arányos μ*-gal példák

26. Rétegellenállások, mágnestér-érzékelő Felületi hatások, G-R ill. McWhorter- féle 1/f zaj stb. miatt végül is a p-n átmenettel határolt n-Si a legjobb! Az MFA nyomás érzékelő : példák

27. Rj(V) Rs P δU~ Cj(V) Mikrohullámú detektor dióda példák

28. Mikrohullámú detektor dióda Si Schottky detector diode from the Alpha Δf=100 MHzI0=8*10-8 A; n=1.04; Cj0=0.11 pF; VD0= 0.51 V; Rs= 6 Ω példák

29. p rch []*L/p 400 375 30 ohmos Schottky L n aktív réteg félszigetelő hordozó Ötvözött kontaktus n+ kontaktuas réteg Mikrohullámú detektor dióda;soros ellenállás planár kialakításnál kitérő

30. Fotodióda: záró előfeszítés p-n; p-i-n; hetero-; Schottky- foton Ip Ib IT háttér Ir záró áram példák

31. Lavina fotodiódaletörésig előfeszített dióda (p-i-n) Minden áram lavina sokszorozódással erősítődik. erősítés: M , a zaja: <M2> • S/N nő, mert a termikus zaj jelentősége csökken • S/N –nek optimuma van, amikor a nevező két tagja egyenlő példák

32. Összefoglalás • A szenzorok használhatóságát a jósági tényezőkkel jellemezzük. • Ezek értéke számos paramétertől függ, nem csak a fizikai fluktuációktól. (érzékenység, háttér, sávszélesség) • A zajspektrumok ismeretében a jósági tényezőket számíthatjuk/tervezhetjük. • Az ellenállás szenzorok jel/zaj viszonyát a konstrukciós paramétereken túl a disszipávió korlátozza.. • Nemlineáris karakterisztikájú szenzorok esetén a jel/zaj viszony optimalizálható. összefoglalás