Chương 3 CẢM BIẾN QUANG (Optical sensor)

Dãy ph ánh sáng Các b@c x trư:ng ñi n t?. tKn s cao tia gamma, tia X và ánh sáng c$c tím có bưc sóng ngln mang nhiu năng lư"ng... NguBn sáng t$ nhiên, hay nhân t o là tdng h"p nhiu dao ñ

Chương 3

3.1 Khái ni$m

C m bi n quang ñi n có tính linh ho t r t cao và giá thành tương ñ i th p

C m bi n quang ñi n có th! phát hi n các ñ i tư"ng nhanh hơn và # c$ ly xa hơn

so v(i nhi)u k+ thu,t khác V(i nh.ng ưu th trên, c m bi n quang ñi n nhanh chóng tr# thành m1t trong các thi t b2 trong lãnh v$c t$ ñ1ng ñư"c s4 d6ng r1ng rãi trong th$c t s n xu t

Gi(i thi u m1t vài hình d ng c9a c m bi n quang thư:ng g;p

s

Trong ñó h là hSng s Planck h = 6,6256.10X34Js

Trong v,t ch t các h t ñi n t4 luôn có xu hư(ng tr# thành ñi n t4 t$ do ð!

gi i phóng ñư"c các h t ñi n t4 kh\i nguyên t4 thì cKn 1 năng lư"ng t i thi!u bSng năng lư"ng liên k t WL Do ñó n u photon cKn h p th6 1 h t ñi n t4 thì cKn

λ > λS thì không th! gi i phóng t t c các h t dcn b#i vì 1 s si ph n x t? b) m;t

và s khác si chuy!n năng lư"ng c9a chúng thành năng lư"ng c9a dao ñ1ng nhi t ð i v(i v,t li u có h s ph n x R l(n và b2 chi u b#i ánh sáng ñơn slc có công su t φ thì:

S photon chi u ñ n trong 1 giây:

hc hv

R

)1()

)1( = −

=

(3.8)

Trong ñó η là hi u su t lư"ng t4 (s ñi n t4 ho;c ld tr ng trung bình ñư"c

gi i phóng khi 1 photon ñư"c h p th6)

Các c m bi n quang ñư"c s4 d6ng ñ! chuy!n thông tin t? ánh sáng nhìn

th y ho;c tia hBng ngo i (IR: Infared) và tia t4 ngo i (UV: Ultra Violed) thành tín hi u ñi n Ánh sáng có hai tính ch t cơ b n là sóng và h t D ng sóng c9a ánh sáng là sóng ñi n t? phát ra khi có s$ chuy!n ñi n t4 gi.a các m@c năng lư"ng nguyên t4 c9a nguBn sáng Các d ng sóng này di chuy!n trong chân không v(i

t c ñ1 c =299792 km/s (kho ng 300.000 km/s) Trong v,t ch t áng sáng có v,n

t c V = c/n (n là chi t su t c9a môi trư:ng)

Trên hình 3.2 bi!u diqn phd ánh sáng và s$ phân chia thành các d i màu c9a phd ðơn v2 ñ1 dài sóng thư:ng dùng là m (1 m = 1x10X6m)

b. Dãy ph ánh sáng

Các b@c x trư:ng ñi n t? tKn s cao (tia gamma, tia X và ánh sáng c$c tím)

có bư(c sóng ngln mang nhi)u năng lư"ng

Tia ñ\ (IR) có ñ1 dài λ t? 780 nm ñ n 106 nm, sóng ánh sáng này có th!

th y ñư"c dư(i d ng ánh sáng màu ñ\ t i, sóng này giáp c,n dư(i c9a sóng dài

vô tuy n (LW)

Tia c$c tím (UV) có ñ1 dài λ t? 100 nm ñ n 380 nm, sóng ánh sáng này có th! th y ñư"c dư(i d ng ánh sáng màu tím thcm, sóng này giáp c,n trên c9a sóng

có ñ1 dài λ ngln hơn và có màu như cKu vBng

NguBn sáng t$ nhiên, hay nhân t o là tdng h"p nhi)u dao ñ1ng ñi n t?, nói khác ñi có nhi)u ñ1 dài sóng khác nhau, qua lăng kính ta th y ñư"c phd ánh sáng này NguBn sáng nhân t o cho phép ta d2ch chuy!n phKn l(n các b@c x này theo

ý, bSng các v,t li u, và các tính ch t v,t lý, chvng h n nguBn sáng ch9 y u chf sinh ra tia ñ\, tím hay vàng

c ðơn v ño quang

Năng lư"ng b@c x (Q) là năng lư"ng phát x , lan truy)n ho;c h p th6 dư(i

d ng b@c x , ñư"c ño bSng Jun (J)

Thông lư"ng ánh sáng (φ) là công su t phát x , lan truy)n ho;c h p th6, ño bSng ñơn v2 oat (W)

Bư(c sóng UVXC

Ánh sáng hBng ngo i (InfraXRed)

Tím Chàm Lam L6c Vàng Cam ð\

Violet Indigo Blue Green Yellow Orange Red

∅ = (3.9) Cư:ng ñ1 ánh sáng (I) là luBng năng lư"ng phát ra theo 1 hư(ng cho trư(c dư(i 1 ñơn v2 góc kh i, có ñơn v2 ño là oat/steradian

= d

d

(3.10) ð1 chói năng lư"ng: là tf s gi.a cư:ng ñ1 ánh sáng phát ra b#i 1 phKn t4 b) m;t dA theo 1 hư(ng xác ñ2nh và di n tích hình chi u c9a phKn t4 này trên m;t phvng P vuông góc v(i hư(ng ñó dAn =dAcosθ (θ là góc gi.a P và m;t phvng ch@a dA) ð1 chói ño bSng oat/steradian.m2

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)

d Ngu n sáng

S4 d6ng ánh sáng ñã ñư"c ñi)u ch , tKn s thư:ng t? 5 ñ n 30khz Thư:ng s4 d6ng phd ánh sáng t? màu xanh ñ n ánh sáng hBng ngo i

tinh ho;c thanh anh

ự;c ựi!m: Thông lư

quán tắnh nhi t l(n n

th p, dq v#

Diode phát quang:

thay ựdi theo tKn s

theo th:i gian Thông

như"c ựi!m c9a ựèn

Lazer: Tia Lazer là n

ìm hi!u nguBn sáng r t quan tr|ng trong vi c ch

fram: đư"c c u t o gBm 1 dây wonfram có anh có ch@a ch t khắ hi m ho;c halogen (I

g lư"ng l(n, dãy phd r1ng, có th! gi m bSng c l(n nên không th! thay ựdi b@c x 1 cách nha

Th:i gian hBi ựáp nh\, kho ng vài ns do

Kn s cao Phd ánh sáng hoàn toàn xác ự2nh, Thông lư"ng tương ự i nh\ (~ 10mW) và nh

èn

er là nguBn sáng ựơn slc, ự1 chói l(n, r t ự2nh

m nh (r t khó x y ra tán slc ánh sáng) Lazer ltoàn xác ự2nh, thông lư"ng l(n, có kh năn ự2nh hư(ng cao và truy)n ựi v(i kho ng cách r

nh sáng trên b) m;t: Tùy theo ự1 bóng loáng c b2 ựdi hư(ng nhi)u hay ắt v(i như hình 3.4

ù h"p v(i b@c x ánh m|i ự;c tắnh c9a b@c

vi c ch|n l$a và s4 d6ng

am có v\ b|c bSng th9y

en (I2) đèn wonfram có bSng các t m l|c Do có

ch nhanh chóng, tudi th|

i ns do v,y có kh năng ự1 tin c,y cao, b)n

và nh y v(i nhi t ự1 là

t ự2nh hư(ng và ự;c bi t azer là ánh sáng có bư(c năng nh,n ựư"c chùm cách r t l(n

oáng c9a b) m;t mà ánh

Hình 3.4 Hi<n tư,ng ph n x trên b? m@t

Khúc x ánh sáng: Tùy theo môi trư:ng có chi t su t khác nhau mà góc

ph n x si khác nhau như hình 3.5

Hình 3.5 Hi<n tư,ng khúc x ánh sáng

ƒnh hư#ng c9a b) m;t lên ánh sáng ph n x : Tùy theo ñ1 bóng c9a b) m;t

mà ánh sáng chi u vào si ph n x nhi)u hay ít, r1ng hay h„p khác nhau như # hình 3.6

m*t

ðư,ng as t- v.t

θ θ

Hình 3.6 Enh hưFng cGa b? m@t lên ánh sáng ph n x 3.1.2 Các linh ki$n bán dIn c'm bi=n quang

a ði!n Tr# Quang: (Photo Resistor)

Các c m bi n ñi n tr# là s$ ph6 thu1c c9a ñi n tr# vào thông lư"ng b@c x

và phd c9a b@c x ñó Quang tr# là 1 trong nh.ng c m bi n có ñ1 nh y cao Nguyên tlc ch t o quang tr# là d$a trên hi n tư"ng quang dcn do k t qu c9a

hi u @ng quang ñi n n1i (hi n tư"ng gi i phóng h t t i ñi n trong v,t li u dư(i tác d6ng c9a ánh sáng làm tăng ñ1 d…n ñi n c9a v,t li u)

CHu t o: C m bi n quang thư:ng ñư"c c u t o bSng các ch t bán dcn ña tinh th! ñBng nh t ho;c ñơn tinh th!, bán dcn riêng ho;c bán dcn pha t p ch t

− ða tinh th!: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe

− ðơn tinh th!: Ge, Si tinh khi t ho;c pha t p Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe

Tùy theo ch t c u t o mà quang tr# có vùng phd làm vi c khác nhau

ði<n trF: M1t quang tr# có giá tr2 ñi n tr# tương ñương v(i 2 ñi n tr# ghép song song gBm ñi n tr# t i Rco và ñi n tr# Rcp ñư"c xác ñ2nh b#i hi u @ng quang ñi n

do ánh sáng tác ñ1ng Giá tr2 ñi n tr# t i ph6 thu1c vào v,t li u c u t o, d ng hình h|c, kích thư(c và nhi t ñ1

− Các ch t PbS, CdS, CdSe có giá tr2 ñi n tr# t i khá l(n: t? 104

ñ n 109 # nhi t ñ1 250C

− Các ch t SbIn, SbAs, CdHgTe có giá tr2 ñi n tr# t i khá nh\: t? 10 ñ n

Ph n x

a R

a R R

R

R R R

co

co cp

co

cp co C

01 0

0 1 10 100 1000

Hình 3.7 SK phL thu:c cGa ñi<n trF vào ñ: rMi sáng

ði n tr# RC ph6 thu1c vào nhi t ñ1, ñ1 nh y nhi t c9a quang tr# càng nh\ khi ñ1 r|i càng l(n Giá tr2 ñi n tr# si b2 gi m ch,m # nh.ng ñi)u ki n làm vi c gi(i h n khi ñ1 r|i và ñi n áp ñ;t vào quá l(n

ð: nh y: D$a vào sơ ñB tương ñương c9a quang tr#, ñ1 dcn ñi n c9a quang tr#

là t\ng ñ1 d…n sáng và ñ1 dcn t i

cp co

Gcp là ñ1 quang dcn

a R

G

cp cp

CO

G

trong ñó Io dòng t i, Ip dòng quang ñi n

Tuy nhiên trong ñi)u ki n s4 d6ng Io << Ip nên dòng quang ñi n có th! ñư"c xác ñ2nh theo bi!u th@c:

(3.21) ð1 nh y:

(3.22) T? nh.ng v n ñ) trên ta rút ra k t lu,n:

− N u tính ñ n giá tr2 c9a γ thì t+ l chuy!n ñdi tĩnh và ñ1 nh y có cùng ñ1 l(n

− Quang tr# là c m bi n không tuy n tính, ñ1 nh y c9a nó gi m khi b@c x tăng (tr? trư:ng h"p γ = 1)

− ð1 nh y tˆ l thu,n v(i ñi n áp ñ;t vào quang tr#

Qng dLng quang trF:

Nh.ng như"c ñi!m khi s4 d6ng quang tr# là quá trình hBi ñáp ph6 thu1c không tuy n tính vào thông lư"ng, th:i gian hBi ñáp l(n, các ñ;c trưng không dn ñ2nh (già hóa), ñ1 nh y ph6 thu1c vào nhi t ñ1, m1t s lo i ñòi h\i ph i làm ngu1i

Do ñó ngư:i ta không dùng quang tr# ñ! xác ñ2nh chính xác giá tr2 thông lư"ng mà ñư"c s4 d6ng ñ! phân bi t m@c ánh sáng: tr ng thái sáng X t i ho;c xung ánh sáng Vi c xác ñ2nh giá tr2 ñi n tr# c9a quang tr# ho;c xác ñ2nh s$ thay

ñdi cKn ph i có m ch ño phù h"p, nghĩa là ph i ñư"c c p dòng không ñdi và ghép theo sơ ñB ño ñi n th ho;c sơ ñB cKu Wheatstone, m ch khu ch ñ i thu,t toán Trong th$c t thư:ng ñư"c @ng d6ng 2 trư:ng h"p là ñi)u khi!n relay và thu tín hi u quang Hình 3.8

Hình 3.8 Sơ ñT Ung dLng quang trF

b Diode C,m Quang (photo diode)

Nguyên tWc

Khi cho 2 ch t bán dcn P và N ti p xúc v(i nhau si t o nên vùng nghèo h t dcn t i ti p xúc, t i ñó xu t hi n 1 ñi n trư:ng g|i là ETX và hình thành 1 hàng rào ñi n th VTX Khi không có ñi n th ngoài thì dòng qua ti p giáp có giá tr2 I=0 Th$c t dòng I lúc ñó chính là dòng tdng c9a 2 dòng ngư"c chi)u nhau và có cùng ñ1 l(n:

− Dòng khu ch tán c9a các h t dcn cơ b n khi ti p xúc 2 ch t bán dcn

− Dòng h t dcn không cơ b n nh: tác d6ng c9a ñi n trư:ng trong vùng nghèo

Khi ñ;t 1 ñi n áp lên vùng nghèo, chi)u cao c9a hàng rào ñi n th si thay ñdi kéo theo s$ thay ñdi c9a dòng h t dcn cơ b n và b) r1ng vùng nghèo ði n áp ñ;t lên vùng nghèo si xác ñ2nh giá tr2 dòng ñi n I

kT

qV I

Khi chi u sáng diode bSng b@c x có bư(c sóng nh\ hơn bư(c song ngưang (λ < λS) si hình thành thêm các c;p ñi n t4 và l‰ tr ng ð! các h t dcn này tham gia làm tăng ñ1 dcn, t? ñó làm tăng dòng I ði)u quan tr|ng là ánh sáng ph i ñư"c chi u ñ n vùng nghèo, sau khi ñi qua 1 b) dày ñáng k! c9a ch t bán dcn và tiêu hao năng lư"ng (càng ñi vào sâu thì thông lư"ng φ càng gi m )

Trong th$c t các v,t li u thư:ng ñư"c dùng ñ! ch t o photodiode là Si,

Ge, (dùng ñ! thu ánh sánh nhìn th y ñư"c và hBng ngo i gKn) GaAs, InAs, InSb, HgCdTe (dung ñ! thu hBng ngo i)

qI

S = = 1− exp −

(3.24)

@ng v(i λ ≤ λS

η: hi u su t lư"ng t4 R: h sB ph n x α: h s h p th6 h: hSng s Planck h = 6,6256.10X34Js c: v,n t c truy)n trong chân không

Ch ñ: sY dLng photodiode: Có 2 ch ñ1 s4 d6ng: ch ñ1 quang dcn và ch ñ1 quang th

Ch ñ/ quang d0n: Ch ñ1 quang dcn ñư"c ñ;c trưng b#i ñ1 tuy n tính cao, th:i gian hBi ñáp ngln và dãi thông l(n Có 2 d ng sơ ñB

− D ng sơ ñT cơ sF: Hình 3.9

Hình 3.9 Sơ ñT cơ sF Trong sơ ñB ta có:

I R

R R

=

1

2

N u tăng giá tr2 Rm si làm gi m nhiqu Tdng tr# ngã vào ph i l(n ñ!

gi m nh hư#ng c9a n1i tr# diode

− D ng sơ ñT tác ñ:ng nhanh: Hình 3.10

Hình 3.10 Sơ ñT tác ñ:ng nhanh Khi ñó ta có:

sinh C1 v(i ñi)u ki n R1C1 = R2C2 B1 khu ch ñ i s4 d6ng dòng vào r t nh\

và suy gi m do nhi t không ñáng k!

Ch ñ/ quang th

Trong ch ñ1 này m ch có th! làm vi c # ch ñ1 tuy n tính ho;c logarit tuỳ thu1c vào t i, ít nhiqu, th:i gian hBi ñáp l(n và d i thông nh\, ñ;c bi t nh y c m v(i nhi t ñ1 khi làm vi c # ch ñ1 logarit

Hình 3.11 Ch ñ: quang th Trong sơ ñB tuy n tính ta có:

Transistor quang ñư"c c u t o bSng ch t bán dcn lo i Si, ñư"c ch t o theo

lo i transistor NPN sao cho có vùng c$c B có kh năng c m nh,n ánh sáng t? bên ngoài Khi transistor quang làm vi c thì ñư"c phân c$c cho c$c C và E nên

ñi n áp phân c$c t,p trung toàn b1 vào vùng chuy!n ti p BXC (phân c$c ng2ch) Khi chuy!n ti p BXC ñư"c chi u sáng (c$c B nh,n ánh sáng) thì transistor quang

ho t ñ1ng gi ng v(i diode quang (Hình 3.12) # ch ñ1 quang dcn v(i dòng ngư"c Khi ñó ta có:

p o

v(i Io là dòng ngư"c t i Ip là dòng quang ñi n do tác d6ng c9a thông lư"ng φ chi u qua b) dày X Ta có:

hc

XR

q

η: hi u su t lư"ng t4 R: h sB ph n x α: h s h p th6 h: hSng s Planck h = 6,6256.10X34Js c: v,n t c truy)n trong chân không

Hình 3.12 Sơ ñT phân cKc Transistor quang Trong trư:ng h"p này dòng IB chính làdòng Ir nên ta có:

p o r B

o p

hc

XR

φ ph6 thu1c

vào giá tr2 c9a φo

ð1 nh y: S =

o c I

Sơ ñT dùng transistor quang:

Transistor quang có th! dung làm b1 chuy!n m ch ho;c làm phKn t4 tuy n tính Œ ch ñ1 chuy!n m ch có th! cho phép dòng ñi qua tương ñ i l(n, còn #

ch ñ1 tuy n tính thì ít ñư"c s4 d6ng vì ñ1 tuy n tính kém nên thư:ng ngư:i ta dùng diode quang

Transistor quang F ch ñ: chuy`n m ch:

Trong trư:ng h"p này s4 d6ng thông tin dư(i d ng nh2 phân:

− Có hay không có tín hi u quang (không có b@c x h;c có b@c x )

− Ánh sáng nh,n ñư"c nh\ hơn hay l(n hơn ánh sáng ngưang ban ñKu

− Transistor làm vi c # ch ñ1 D: dcn bão hoà ho;c ngưng dcn Ho t ñ1ng như 1 relay, ho;c cdng logic

T c ñ1 chuy!n m ch c9a transistor quang b2 gi(i h n ñáng k! b#i n1i tr# c9a nó T c ñ1 náy có th! c i thi n bSng cách ghép thêm vào m ch 1 b1 khu ch

ñ i ho;c ghép thêm transistor dư(i d ng darlingtone (v(i ñi)u ki n m ch ph i có tr# kháng vào nh\) Hình 3.13

Hình 3.13 Transistor quang Ho t ñ:ng ch ñ: ON/OFF Transistor quang làm vi c # ch ñ1 tuy n tính:

Hình 3.14B1 phát: Thư:ng

u on/off Thư:ng dùng các lo i linh ki n sa

nsitor các t bào quang ñi n, ñi n tr# quang ) /ng:

c m bi n quang ðây là lo i LED có Led ñư"c ch t o ñ!

Hình 3.16 Các ki`u phát tia sáng cGa c m bi n quang

Ánh sáng phát ra c9a các c m bi n quang r t ña d ng: d ng chùm tia, m1t tia thvng hay d ng xung có tKn s thay ñdi theo kho ng cách Hình 3.16

3.2 Các lo<i c'm bi=n quang công nghi$p

3.2.1 Lo<i thu phát ñMc l.p: (Through Beam)

a C u t1o và nguyên t6c ho1t ñ/ng

C m bi n quang lo i thu phát ñ1c l,p bao gBm hai phKn: phKn thu và phKn phát ñ1c l,p nhau, v,t ñư"c ñ;t vào gi4a b1 thu và phát như hình 3.16

Nguyên tlc ho t ñ1ng như sơ ñB hình 3.16 Ánh sáng t? ñKu phát E t(i ñKu thu R Khi tia sáng ñó b2 ch;n lai b#i v,t O thì ng\ ra b2 tác ñ1ng C m bi n quang có hai ñKu phát và thu r:i có kh năng nh,n bi t lên t(i 30m Cũng gi ng như c m bi n quang có gương, lo i c m bi n này có kh năng phát hi n t t c các v,t không cho ánh sáng truy)n qua

Hình 3.16 C m bi n quang thu phát ñ:c lep

V,t th!

M ch nh,n sáng Diode nh,n quang

Th u kính

ON OFF

Xung Cư:ng ñ1 sáng

Photo Sensor

ð;c bi t, c m bi n này có th! phát hi n v,t ph n x m1t cách dq dàng Trong môi trư:ng b…n và có s$ thay ñdi tính ch t c9a ñ i tư"ng nguyên tlc ho t ñ1ng c9a c m

bi n hKu như không thay ñdi CKn ph i chú ý cung c p ñúng nguBn cho c hai ñKu phát

và thu Trong b t c@ trư:ng h"p nào thì chi phí llp ñ;t cho c m bi n này ñi)u cao nh t

b ð7c ñi8m c,m bi.n quang thu phát ñ/c l9p

C m bi n quang lo i thu phát ñ1c l,p có ñ;c ñi!m:

ð1 tin c,y cao

3.2.2 Lo<i thu phát chung ph'n x< gương (Retro Replective)

a C u t1o và nguyên t6c ho1t ñ/ng

ð i v(i c m bi n quang có gương ánh sáng t? ñKu E ñi ñ n gương, ph n x v) ñKu R như hình 3.17 Khi ñư:ng ñi c9a ánh sáng này b2 ch;n b#i v,t O, thì ng\ ra Q si tác ñ1ng Kho ng cách nh,n bi t c9a c m bi n t? 0.1 ñ n 20m và có th! l(n hơn n4a C m bi n quang có gương có th! phát hi n t t c các v,t không trong su t

ð! tránh s$ khuy ch tán ánh sáng gi ng như trư:ng h"p c9a c m bi n quang ph n x , ngư:i ta dùng ñKu phát công su t l(n hơn và v(i vi c ñư"c ph n

x t? gương thì làm cho kho n nh,n bi t c9a c m bi n tăng lên Trong môi trư:ng b…n và có s$ thay ñdi tính ch t c9a ñ i tư"ng thì ít b2 tác ñ1ng hơn so v(i

c m bi n quang ph n x Tuy nhiên vi c llp ñ;t và ñi)u chfnh ñòi h\i t n kém nhi)u hơn, ñ;c bi t là ñ i v(i kho ng cách xa, khi ñó ñòi h\i ph i llp ñ;c r t chính xác