chương 2 cảm biến đĩa quang

Chương II. Cảm biến đo quang
Chương II. Cảm biến đo quang
1.
Tính chất và đơn vị đo ánh sáng
2.
Cảm biến quang dẫn
3.
Cảm biến quang điện phát xạ
05/23/14
1. Tính chất và đơn vị đo
1. Tính chất và đơn vị đo
1.1 Tính chất ánh sáng
a)
Tính chất sóng: một dạng của sóng điện từ:
0,395 0,455
0,490
0,575
0,590
0,650
0,750
cực tím
tím
lam lục
da cam đỏ
hồng ngoại
0,01
0,1 0,4 0,75 1,2 10 30
100
cực tím
Hồng ngoại
H. ngoại xa

λ(µm)
Phổ ánh sáng
05/23/14
1.1. Tính chất áng sáng
1.1. Tính chất áng sáng
Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không)

hoặc (môi trường vật chất)
Bước sóng: (chân không)
hoặc (môi trường vật chất).
f → tần số ánh sáng.
n
c
v =
f
c
=
λ
f
v
=
λ
05/23/14
1.1. Tính chất áng sáng
1.1. Tính chất áng sáng
b) Tính chất hạt:
Chùm hạt (photon) chuyển động với vận tốc lớn, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định,
năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số (f) của ánh sáng:
ν
φ

.hW =
h = 6,6256.10
-34
J.s
→ hằng số Planck
05/23/14
1.2. Đơn vị đo quang
1.2. Đơn vị đo quang
a)
Đơn vị đo năng lượng:
Năng lượng bức xạ Q: là năng lượng lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, tính bằng
Jun (J).
Thông lượng ánh sáng Φ: là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, tính bằng Oát
(W).
dt
dQ
=Φ
(W)
05/23/14
1.2. Đơn vị đo quang
1.2. Đơn vị đo quang
Cường độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát ra theo một hướng ứng với một đơn vị gốc khối

Độ chói năng lượng (L):

Độ rọi năng lượng (E):
n
dA
dI
L =

(W/sr.m
2
)
Ω
Φ
=
d
d
I
(W/sr) sr: steradian
dA
d
E
Φ
=
(W/m
2
)
05/23/14
1.2. Đơn vị đo quang
1.2. Đơn vị đo quang
b) Đơn vị đo thị giác:
Đại lượng đo Đơn vị năng lượng Đơn vị thị giác
Thông lượng W lumen(lm)
Cường độ W/sr cadela(cd)
Độ chói W/sr.m
2
cadela/m
2
(cd/m

2
)
Độ rọi W/m
2
lumen/m
2
hay lux (lx)
Năng lượng J lumen.s (lm.s)
05/23/14
2. Cảm biến quang dẫn
2. Cảm biến quang dẫn
2.1. Hiệu ứng quang dẫn:
Hiệu ứng quang dẫn (hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng những hạt tải điện
(hạt dẫn) trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.
05/23/14
2.1. Hiệu ứng quang dẫn
2.1. Hiệu ứng quang dẫn
W≥W
lk
+
điện tử
hν
+
hν
-
điện tử
hν
+
Vùng dẫn
Vùng hoá trị

W
lk
-
-
Bán dẫn tinh khiết
lổ trống
lổ trống
Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p
05/23/14
2.1. Hiệu ứng quang dẫn
2.1. Hiệu ứng quang dẫn
Mật độ điện tử trong tối:
2/1
d
2
2
0
r
N.a
r4
a
r.2
a
n









++=






−=
kT
qW
expa
d
→ Hệ số tỉ lệ giải phóng e.
N
d
→ Nồng độ tạp chất loại N
r → Hệ số tái hợp.
05/23/14
2.1. Hiệu ứng quang dẫn
2.1. Hiệu ứng quang dẫn
Nồng độ điện tử khi được chiếu sáng:
( )
Φ
ν
−η
==
h
R1

.
V
1
V
G
g
g → Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s trong 1
đơn vị thể tích:
2/1
r
g
n






≈
( )
nNag
d
−>>
05/23/14
2.1. Hiệu ứng quang dẫn
2.1. Hiệu ứng quang dẫn
Độ dẫn trong tối:
Độ dẫn khi chiếu sáng:
00
nqµ=σ

2
1
2
1
.
A
1
r
g
qnq Φ=






µ=µ=σ
0
σ>>σ
⇒
và là hàm phi tuyến của Φ với số
mũ γ =1/2 (thực tế γ = 0,5 -1)
05/23/14
2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)
2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)
a)
Cấu tạo:
Thực chất TBQD là một điện trở được chế tạo từ các chất bán dẫn
0,2
0,6 1 2 3 4 5 10 20 30

CdS
CdSe
CdTe
PbS
PbSe
PbTe
Ge
Si
GeCu
SnIn
AsIn
CdHgT
e
λ, µm
Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn
05/23/14
2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)
2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)
b) Đặc trưng chủ yếu:
Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 10
4
Ω - 10
9
Ω ở 25
o
C đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm
nhanh khi độ rọi sáng tăng.
Điện trở (Ω)
Độ rọi sáng (lx)
0,1 1 10 100

10
2
10
4
10
6
10
6
1000
Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng
05/23/14
2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)
2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)
Độ nhạy:
Nhận xét:
+ Độ nhạy giảm khi Φ tăng (trừ γ = 1)
+ Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi điện áp đặt vào lớn.
+ Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.
1
A
VI
S
−γ
Φγ=
∆Φ
∆
=
05/23/14
2.2. Tế bào quang dẫn
2.2. Tế bào quang dẫn

c) Đặc điểm
+ Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao.
+ Độ nhạy cao.
+ Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính Φ.
+ Thời gian hồi đáp lớn.
+ Các đặc trưng không ổn định do già hoá.
+ Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ, một số loại đòi
hỏi làm nguội.
05/23/14
2.2. Tế bào quang dẫn
2.2. Tế bào quang dẫn
-150 -100 -50 0 50
Nhiệt độ
(
o
C)
10
5
1
0,5
0,1
Độ
nhạy
tương
đối
Bước sóng (µm)
Độ
nhạy
tương
đối

(%)
1 2
3
1
3
5
10
30
50
100
Ảnh hưởng của
nhiệt độ đến độ nhạy
của tế bào quang dẫn
Ảnh hưởng bước
sóng đến độ nhạy
của tế bào quang dẫn
05/23/14
2.2. Tế bào quang dẫn
2.2. Tế bào quang dẫn
c) Ứng dụng:
Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở giảm, cho dòng điện
chạy qua đủ lớn → sử dụng trực tiếp hoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle.
Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang thành xung điện.
05/23/14
2.2. Tế bào quang dẫn
2.2. Tế bào quang dẫn
+
+
Điều khiển trực tiếp
Điều khiển thông qua

tranzito khuếch đại
05/23/14
2.3. Photodiode
2.3. Photodiode
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
05/23/14
2.3. Photođiot
2.3. Photođiot
Nguyên lý hoạt động:
- Khi Φ = 0 và V = 0, dòng điện chạy qua
Ikt → Dòng khuếch tán các hạt cơ bản. I0 → Dòng hạt
dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt.
- Khi V > 0 → dòng ngược:
- Khi V đủ lớn → 0 và Ir = I0.
0I
kT
qV
expII
0
d
0r
≠+






−=







−
kT
qV
expI
d
0
0I
kT
qV
expIIII
0
d
00kt
=−






=−=
05/23/14
2.3. Photođiot
2.3. Photođiot
Khi chiếu sáng bằng luồng ánh sáng Φ0 → Ip.

Khi V đủ lớn:
N
P
hν
−
+
I
r
Vùng
nghèo
−
+
x
Hiệu ứng quang
điện khi chiếu sáng
V
p0
d
0r
II
kT
qV
expII ++






−=

pp0r
IIII ≈+=
( )
( )
Xexp
hc
R1q
I
0p
α−Φ
λ−η
=
I
p
: dòng quang điện
05/23/14
2.3. Photođiot
2.3. Photođiot
Chế độ quang dẫn:
Phương trình mạch điện:
Tín hiệu ra:
⇒
đường thẳng tải ∆.
⇒
Dòng ngược:
Cảm biến làm việc ở chế độ tuyến tính VR ~ Φ.
I
r
V
D

V
R
R
m
E
S
−
+
∆
0-10-20-30-40
50µW
100µW
150µW
200µW
20
40
60
I
r
DR
VVE −=
rmR
IRV =
E
S
m
D
m
r
R

V
R
E
I +=
05/23/14
2.3. Photođiot
2.3. Photođiot
Chế độ quang thế: điện áp ngoài V = 0.
⇒ Đo thế hở mạch
Khi I
p
<< I
0
: ⇒ nhỏ nhưng tỉ lệ với Φ.
Khi I
p
>> I
0
: ⇒ lớn nhưng tỉ lệ với logΦ.
⇒
Đo dòng ngắn mạch:







+=
0

P
OC
I
I
1log
q
kT
V
0
p
oc
I
I
.
q
kT
V ≈
0
P
OC
I
I
log
q
kT
V =
psc
II ≈
I
SC

R
bé
05/23/14
2.3. Photođiot
2.3. Photođiot
c) Độ nhạy:
S không phụ thuộc thông lượng ánh sáng Φ.
S phụ thuộc vào λ, v
ới λ ≤ λs:
S→Smax khi λ = λp
Khi nhiệt độ tăng, λp dịch sang phải.
S phụ thuộc hiệu suất lượng tử η, hệ số phản xạ R, hệ số hấp thụ α.
( ) ( )
λ
α−−η
=
∆Φ
∆
=λ
hc
XexpR1qI
)(S
P
λ
p
(S(λ
p
) = 0,1-1,0 A/W)
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
λ (µm)

0
0,1
0,2
0,3
0,4
S (µA/µW)
T
1
T
2
05/23/14