Cảm biến công nghiệp : Cảm biến quang part 2 pps

-29-

- hiệu suất lợng tử (số điện tử hoặc lỗ trống trung bình đợc giải phóng khi
một photon bị hấp thụ).
R - là hệ số phản xạ của bề mặt vật liệu.

- bớc sóng ánh sáng.

- thông lợng ánh sáng.
h - hằng số Planck.
Phơng trình động học của tái hợp trong trờng hợp này có dạng:
()
2
d
n.rgnNa
dt
dn
+=
Thông thờng bức xạ chiếu tới đủ lớn để số điện tử đợc giải phóng lớn hơn
rất nhiều so với điện tử đợc giải phóng do nhiệt:

()
nNag
d

>>
và n>>n
0

Trong điều kiện trên, rút ra phơng trình động học cho mật độ điện tử ở điều kiện

cân bằng dới tác dụng chiếu sáng:
2/1
r
g
n






=
(2.10)
Độ dẫn tơng ứng với nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng:

n
q
à
= . (2.11)
Từ công thức (2.9), (2.10) và (2.11) ta nhận thấy độ dẫn là hàm không tuyến
tính của thông lợng ánh sáng, nó tỉ lệ với

1/2
. Thực nghiệm cho thấy số mũ của
hàm nằm trong khoảng 0,5 - 1.
2.2.2. Tế bào quang dẫn
a) Vật liệu chế tạo
Tế bào quang dẫn đợc chế tạo các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh
thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp.
- 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.
Vùng phổ làm việc của các vật liệu này biểu diễn trên hình 2.5



-30-












b) Các đặc trng
- Điện trở :
Giá trị điện trở tối R
C0
của các quang điện trở phụ thuộc rất lớn vào hình
dạng hình học, kích thớc, nhiệt độ và bản chất hoá lý của vật liệu chế tạo. Các chất
PbS, CdS, CdSe có điện trở tối rất lớn ( từ 10
4

- 10
9


ở 25
o
C), trong khi đó SbIn,
SbAs, CdHgTe có điện trở tối tơng đối nhỏ ( từ 10 - 10
3
ở 25
o
C). Điện trở R
c

của cảm biến giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Trên hình 2.6 là một ví dụ về sự
thay đổi của điện trở cảm biến theo độ rọi sáng.










Tế bào quang dẫn có thể coi nh một mạch tơng đơng gồm hai điện trở R
c0
và R
cp

mắc song song:
Hình 2.5. Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn
0,2
0,6 1 2 3 4 5 10 20 30
CdS
CdSe
CdTe
PbS
PbSe
PbTe
Ge
Si
GeCu
SnIn
AsIn
CdH
g

,
à
m
Hình 2.6. Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng
Điện trở (

)
Độ rọi sán
g
(lx)
0,1 1 10 100
10

2

10
4

10
6

10
6

1000

-31-

cpco
cpco
c
RR
RR
R
+
=
(2.12)
Trong đó:
R
co
- điện trở trong tối.
R
cp

- điện trở khi chiếu sáng:

= aR
cp
.
a - hệ số phụ thuộc vào bản chất vật liệu, nhiệt độ, phổ bức xạ.


- hệ số có giá trị từ 0,5 - 1.
Thông thờng R
cp
<<R
c0
, nên có thể coi R
c
=R
cp
. Công thức (2.12) cho thấy sự
phụ thuộc của điện trở của tế bào quang dẫn vào thông lợng ánh sáng là không
tuyến tính, tuy nhiên có thể tuyến tính hóa bằng cách sử dụng một điện trở mắc song
song với tế bào quang dẫn. Mặt khác, độ nhạy nhiệt của tế bào quang dẫn phụ thuộc
vào nhiệt độ, khi độ rọi càng lớn độ nhạy nhiệt càng nhỏ.
- Độ nhạy:
Theo sơ đồ tơng đơng của tế bào quang dẫn, độ dẫn điện của tế bào
quang dẫn là tổng độ dẫn trong tối và độ dẫn khi chiếu sáng:
cpcoc
GGG
+
=
(2.1)

Trong đó:
- G
co
là độ dẫn trong tối: G
co
= 1/R
co
.
- G
cp
là điện trở khi chiếu sáng: G
co
= 1/R
cp
=


/a.
Khi đặt điện áp V vào tế bào quang dẫn, dòng điện qua mạch:

P0cpco
IIVGVGI
+
=
+=

Trong điều kiện sử dụng thông thờng I
0
<<I
P

, do đó dòng quang điện của tế bào
quang dẫn xác định bởi biểu thức:

=
a
V
I
P
(2.15)
Đối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỉ lệ chuyển đổi tĩnh:

1
a
VI

=

(2.16)
Và độ nhạy:
1
a
VI

=


(2.17)
Từ hai biểu thức (2.16) và (2.17) có thể thấy:

-32-

- Tế bào quang dẫn là một cảm biến không tuyến tính, độ nhạy giảm khi bức
xạ tăng (trừ khi =1).
- Khi điện áp đặt vào đủ nhỏ, độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào tế bào
quang dẫn. Khi điện áp đặt vào lớn, hiệu ứng Joule làm tăng nhiệt độ, dẫn đến độ
nhạy giảm (hình 2.7).
Trờng hợp bức xạ ánh sáng là đơn sắc, I
p
phụ thuộc vào

, độ nhạy phổ của tế
bào quang dẫn xác định nhờ đờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của hồi đáp vào
bớc sóng (hình 2.8a)

)(
I
)(S


= (2.28)
-150 -100 -50 0 50
Nhiệt độ (
o
C)
10
5
1
0,5
0,1
Độ nhạy tơng đối
Hình 2.7 ảnh hởng của nhiệt độ đến
độ nhạy của tế bào quang dẫn
Hình 2.8 Độ nhạy của tế bào quang dẫn
a) Đờng cong phổ hồi đáp b) Sự thay đổi của độ nhạy theo nhiệt độ
a)
Bớc sóng (
à
m)
Đ

ộ
nh
ạy
tơn
g
đối
(
%
)

1 2
3
1
3
5
10
30
50
100
b)
Nhiệt độ vật đen tu
y
ệt đối (K)
Đ
ộ
nh
ạy
tơn
g
đối

300
400 500
10
-3
10
-2
10
-1
1
5
10

-33-
Độ nhạy phổ của tế bào quang dẫn là hàm phụ thuộc nhiệt độ nguồn sáng,
khi nhiệt độ tăng độ nhạy phổ tăng.
Khi bức xạ không phải là đơn sắc, dòng I
p
và do đó độ nhạy toàn phần phụ
thuộc phổ bức xạ (hình 2.8b).
c) Đặc điểm và ứng dụng
Đặc điển chung của các tế bào quang dẫn:
- Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao.
- Độ nhạy cao.
- Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lợng.
- Thời gian hồi đáp lớn.
- Các đặc trng không ổn định do già hoá.
- Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ.
- Một số loại đòi hỏi làm nguội.
Trong thực tế, tế bào quang dẫn đợc dùng trong hai trờng hợp:
- Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở

của nó giảm đáng kể, cho dòng điện chạy qua đủ lớn, đợc sử dụng trực tiếp hoặc
qua khuếch đại để đóng mở rơle (hình 2.9).
- Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang
thành xung điện. Các xung ánh sáng ngắt quảng đợc thể hiện qua xung điện, trên
cơ sở đó có thể lập các mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa.








2.2.3. Photođiot
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Xét hai tấm bán dẫn, một thuộc loại N và một thuộc loại P, ghép tiếp xúc nhau.
Tại mặt tiếp xúc hình thành một vùng nghèo hạt dẫn vì tại vùng này tồn tại một điện
trờng và hình thành hàng rào thế V
b
.
Hình 2.9 Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle
a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại
+
+