Sensori ottici e dispositivi optoelettronici

1. Corso di controlli digitali A.A. 2012-2013 Sensori ottici e dispositivi optoelettronici Presentazione a cura di: Nicolò Pifferetti Matteo Cilloni

2. Sensori ottici A effetto fotoelettrico a semiconduttore: • Fotodiodo • Fototransistor • Fotoresistenza • Fototubo • Fotomoltiplicatore • Bolometro • Cella di Golay • Rivelatore piroelettrico Effetto fotoelettrico: A Riscaldamento:

3. Sensori a effetto fotoelettrico A effetto fotoelettrico a semiconduttore: • Fotodiodo • Fototransistor • Fotoresistenza • Fototubo • Fotomoltiplicatore Effetto fotoelettrico:

4. 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

5. Grandezze misurabili Unità di misura:

6. 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.

7. 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

8. Fotodiodo Giunzione PiN polarizzata in inversa, scorre una corrente proporzionale in base alla radiazione luminosa incidente. Banda Conduzione Banda Valenza

9. Fotodiodo Caratteristiche: Costruiti in Si, Ge, AsInGa, PbS Giunzioni PN, PiN, APD (effetto valanga)

10. Fotodiodo Utilizzi: Fibre ottiche Supporti ottici (cd dvd) Fotografia Digitale (matrici) Encoder Optoisolatori Dispositivi Biomedici Sensori prossimità Luxometri Fotocellule Telecomandi

11. 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

12. 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

13. 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.

14. 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)

15. Fototransistor Utilizzi: Fotografia Digitale Encoder Optoisolatori Sensori prossimità Luxometri Fotocellule VISHAY SEMICONDUCTOR BPW77NA OSRAM SFH3410-Z

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. Fototubo Utilizzi: Spettrometria Audio in pellicole cinematografiche Usati un tempo per crepuscolari, luxometri, oggi sostituti da componenti a semiconduttore.

21. Fototubo Vantaggi: Rapidità di risposta Elevata area attiva Banda elevata Svantaggi: Costi Sensibilità Fragilità Potenziale di polarizzazione elevato Dimensioni

22. 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.

23. 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

24. 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

25. Fotomoltiplicatore Utilizzi: Spettroscopia Esperimenti ad alte energie Dispositivi per diagnosi medica Analisi ambientali Astronomia

26. 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

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

28. 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.

29. 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

30. Fotoresitenza Utilizzi: Interrutori crepuscolari Misuratori di lumiosità Inseguitori solari

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

32. Interrutore crepuscolare Risparmio energetico Non necessita di programmazione Si integra ad impianti esistenti Importante allocare correttamente la fotoresistenza

33. 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

34. 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.

35. Bolometro Componente resistivo termosensibile: Metallo (Pt, Au anneriti) Semiconduttore (Si, Ge, Ossidi di Ni, Mn, Co) Superconduttori (Nitruro di Niobio NbN)

36. 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

37. 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

38. 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 (-)

39. Rilevatori Piroelettrici Utilizzi: Rilevatori di movimento e presenza Vantaggi: Economico Robusto Facilmente interfacciabile Svantaggi: Influenzabile da fonti di calore PerkinelmerLhi778 GENTEC QS-L

40. 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).

41. Cella di Golay Utilizzi: Calibrazioni Studi chimici Spettroscopia Vantaggi: Risposta costante su larga banda Elevata sensibilità Svantaggi: Fragilità Scarsa dinamica Costo elevato

42. 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

43. Grazie per l’attenzione