Tài liệu “Giáo trình cảm biến công nghiệp “ được biên soạn cho chuyên ngành cơ điện tử gồm 12 chương, giới thiệu những kiến thức cơ bản về cảm biến, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các đặc
-24-Chơng II Cảm biến quang 2.1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng 2.1.1. Tính chất của ánh sáng Nh chúng ta đã biết, ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. ánh sáng là một dạng của sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bớc sóng từ 0,4 - 0,75 àm. Trên hình 2.1 biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các dải màu của phổ. Vận tốc truyền ánh sáng trong chân không c = 299.792 km/s, trong môi trờng vật chất vận tốc truyền sóng giảm, đợc xác định theo công thức: ncv = n - chiết suất của môi trờng. Mối quan hệ giữa tần số và bớc sóng của ánh sáng xác định bởi biểu thức: - Khi môi trờng là chân không : =c - Khi môi trờng là vật chất : =v . Trong đó là tần số ánh sáng. Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tơng tác của ánh sáng với vật chất. ánh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là photon, mỗi hạt mang một năng lợng nhất định, năng lợng này chỉ phụ thuộc tần số của ánh sáng: 0,395 0,455 0,490 0,575 0,590 0,650 0,750 cực tím tím lam lụcvàng da cam đỏ hồng ngoại 0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30100cực tím hồng ngoạih. ngoại xatrông thấy h.n.ngắn (àm)Hình 2.1 Phổ ánh sáng -25-=hW (2.1) Trong đó h là hằng số Planck (h = 6,6256.10-34J.s). Bớc sóng của bức xạ ánh sáng càng dài thì tính chất sóng thể hiện càng rõ, ngợc lại khi bớc sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ. 2.1.2. Các đơn vị đo quang a) Đơn vị đo năng lợng - Năng lợng bức xạ (Q): là năng lợng lan truyền hoặc hấp thụ dới dạng bức xạ đo bằng Jun (J). - Thông lợng ánh sáng (): là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ đo bằng oat (W): dtdQ= (2.2) - Cờng độ ánh sáng (I): là luồng năng lợng phát ra theo một hớng cho trớc ứng với một đơn vị góc khối, tính bằng oat/steriadian. =ddI (2.3) - Độ chói năng lợng (L): là tỉ số giữa cờng độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt có diện tích dA theo một hớng xác định và diện tích hình chiếu dAn của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hớng đó. ndAdIL = (2.4) Trong đó dAn = dA.cos, với là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA. Độ chói năng lợng đo bằng oat/Steriadian.m2. - Độ rọi năng lợng (E): là tỉ số giữa luồng năng lợng thu đợc bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó. dAdE= (2.5) Độ rọi năng lợng đo bằng oat/m2. b) Đơn vị đo thị giác Độ nhạy của mắt ngời đối với ánh sáng có bớc sóng khác nhau là khác nhau. Hình 2.2 biểu diễn độ nhạy tơng đối của mắt V() vào bớc sóng. Các đại lợng thị giác nhận đợc từ đại lợng năng lợng tơng ứng thông qua hệ số tỉ lệ K.V(). -26- Theo quy ớc, một luồng ánh sánh có năng lợng 1W ứng với bớc sóng max tơng ứng với luồng ánh sáng bằng 680 lumen, do đó K=680. Do vậy luồng ánh sáng đơn sắc tính theo đơn vị đo thị giác: () ( ) ( )= V680V lumen Đối với ánh sáng phổ liên tục: =dd)(d)(V68021V lumen Tơng tự nh vậy ta có thể chuyển đổi tơng ứng các đơn vị đo năng lợng và đơn vị đo thị giác. Bảng 2.1 liệt kê các đơn vị đo quang cơ bản. Bảng 2.1 Đại lợng đo Đơn vị thị giác Đơn vị năng lợng Luồng (thông lợng) lumen(lm) oat(W) Cờng độ cadela(cd) oat/sr(W/sr) Độ chói cadela/m2 (cd/m2) oat/sr.m2 (W/sr.m2) Độ rọi lumen/m2 hay lux (lx) oat/m2 (W/m2) Năng lợng lumen.s (lm.s) jun (j) 2.2. Cảm biến quang dẫn 2.2.1. Hiệu ứng quang dẫn Hiệu ứng quang dẫn (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tợng giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu dới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Hình 2.2 Đờng cong độ nhạy tơng đối của mắt (àm) V() 0,3 0,4 0,50,6 0,7 0,80 0,5 1 max -27-Trong chất bán dẫn, các điện tử liên kết với hạt nhân, để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần cung cấp cho nó một năng lợng tối thiểu bằng năng lợng liên kết Wlk. Khi điện tử đợc giải phóng khỏi nguyên tử, sẽ tạo thành hạt dẫn mới trong vật liệu. Hạt dẫn đợc giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu bị chiếu sáng. Đối với các chất bán dẫn tinh khiết các hạt dẫn là cặp điện tử - lỗ trống. Đối với trờng hợp bán dẫn pha tạp, hạt dẫn đợc giải phóng là điện tử nếu là pha tạp dono hoặc là lỗ trống nếu là pha tạp acxepto. Giả sử có một tấm bán dẫn phẳng thể tích V pha tạp loại N có nồng độ các donor Nd, có mức năng lợng nằm dới vùng dẫn một khoảng bằng Wd đủ lớn để ở nhiệt độ phòng và khi ở trong tối nồng độ n0 của các donor bị ion hoá do nhiệt là nhỏ. Khi ở trong tối, nồng độ điện tử đợc giải phóng trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với nồng độ các tạp chất cha bị ion hoá và bằng a(Nd -no), với hệ số a xác định theo công thức: + lổ trống - điện tử h + lổ trống h --điện tửh +Hình 2.3. ảnh hởng của bản chất vật liệu đến hạt dẫn đợc giải phóng + ++ Wd + +++h hVùng dẫnVùng hoá trịHình 2.4. Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng lợng của điện tử LVchiếu sángA -28-=kTqWexpad (2.6) Trong đó q là trị tuyệt đối của điện tích điện tử, T là nhiệt độ tuyệt đối của khối vật liệu, k là hằng số. Số điện tử tái hợp với các nguyên tử đã bị ion hoá trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với các nguyên tử đã bị ion hoá n0 và nồng độ điện tử cũng chính bằng n0 và bằng r.20n, trong đó r là hệ số tái hợp. Phơng trình động học biểu diễn sự thay đổi nồng độ điện tử tự do trong khối vật liệu có dạng: ()200d0n.rnNadtdn= ở trạng thái cân bằng ta có : 0dtdn0= Suy ra: 2/1d220rN.ar4ar.2an++= (2.7) Độ dẫn trong tối đợc biểu diễn bởi hệ thức: 00nqà= (2.8) Trong đó à là độ linh động của điện tử. Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của điện tử giảm, nhng sự tăng mật độ điện tử tự do do sự kích thích nhiệt lớn hơn nhiều nên ảnh hởng của nó là nhân tố quyết định đối với độ dẫn. Khi chiếu sáng, các photon sẽ ion hoá các nguyên tử donor, giải phóng ra các điện tử. Tuy nhiên không phải tất cả các photon đập tới bề mặt vật liệu đều giải phóng điện tử, một số bị phản xạ ngay ở bề mặt, một số bị hấp thụ và chuyển năng lợng cho điện tử dới dạng nhiệt năng, chỉ phần còn lại mới tham gia vào giải phóng điện tử. Do vậy, số điện tử (g) đợc giải phóng do bị chiếu sáng trong một giây ứng với một đơn vị thể tích vật liệu, xác định bởi công thức: ( )==hR1.L.A1VGg (2.9) Trong đó: G - số điện tử đợc giải phóng trong thể tích V trong thời gian một giây. V=A.L, với A, L là diện tích mặt cạnh và chiều rộng tấm bán dẫn (hình 2.4). -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: ()2dn.rgnNadtdn+= 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: ()nNagd>> và n>>n0 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: 2/1rgn= (2.10) Độ dẫn tơng ứng với nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng: nqà=. (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 RC0 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 104 - 109 ở 25oC), trong khi đó SbIn, SbAs, CdHgTe có điện trở tối tơng đối nhỏ ( từ 10 - 103 ở 25oC). Điện trở Rc 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 Rc0 và Rcp 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 CdSeCdTePbSPbSePbTeGeSiGeCuSnInAsInCdHg, àm Hình 2.6. Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sángĐiện trở () Độ rọi sáng (lx)0,1 1 10 100102 104 106 106 1000 -31- cpcocpcocRRRRR+= (2.12) Trong đó: Rco - điện trở trong tối. Rcp - điện trở khi chiếu sáng: = aRcp. 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 Rcp <<Rc0, nên có thể coi Rc=Rcp. 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: cpcocGGG += (2.1) Trong đó: - Gco là độ dẫn trong tối: Gco = 1/Rco. - Gcp là điện trở khi chiếu sáng: Gco = 1/Rcp = /a. Khi đặt điện áp V vào tế bào quang dẫn, dòng điện qua mạch: P0cpcoIIVGVGI +=+= Trong điều kiện sử dụng thông thờng I0<<IP, do đó dòng quang điện của tế bào quang dẫn xác định bởi biểu thức: =aVIP (2.15) Đối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỉ lệ chuyển đổi tĩnh: 1aVI= (2.16) Và độ nhạy: 1aVI= (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, Ip 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 50Nhiệt độ (oC)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 (àm) Độ nhạy tơng đối (%) 1 2 31 3 5 10 30 50 100 b)Nhiệt độ vật đen tuyệt đối (K) Độ nhạy tơng đối 300400 500 10-310-210-11510 -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 Ip 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 Vb. Hình 2.9 Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại + + [...]... thế anot - catot V ak biểu diễn trên hình 2. 25. A K Hình 2. 24 Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện chân không A K A K K A I a E R m I a (µA) V ak (V) 4,75 mW 2, 37 mW 0,95 mW 4 3 2 1 0 20 40 60 80 100 120 Hình 2. 25 Sơ đồ tơng đơng và đặc trng I - v của tế bào quang điện chân không a) b) -3 1- cpco cpco c RR RR R + = (2. 12) Trong ®ã: R co - ®iƯn trở... 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: nqà= . (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 víi Φ 1 /2 . Thùc nghiƯm cho thÊy sè mị cđa hµm nằm trong khoảng 0,5 - 1. 2. 2 .2. Tế bào quang dẫn a) Vật liệu chế tạo Tế bào quang... I SC , à V Thông lợng, mW 0 10 20 0,1 0 ,2 -4 5- Vật liệu chế tạo: Phụ thuộc vào bớc sóng ¸nh s¸ng, vËt liƯu chÕ t¹o photocatot cã thĨ chän trong các loại sau: - AgOCs nhạy ở vùng hồng ngoại. - Cs 3 Sb, (Cs)Na 2 KSb và K 2 CsSb: nhạy với ánh sáng nhìn thấy và vùng tử ngoại. - Cs 2 Te, Rb 2 Te và CsTe chỉ nhạy trong vùng tử ngoại. Hiệu suất lợng tử của các vật liệu trên ~ 1 - 30%. Ngoài ra còn dùng... một thyristo (hình 2. 21). S( λ ) S( λ p) (%) 100 80 60 40 20 0,4 0,6 0,8 1,0 (àm) Hình 2. 20 Đờng cong phổ hồi đáp của photodiot + + + + + Hình 2. 21 Photodiotzito trong chế độ chuyển mạch a) Rơle b) Rơle sau khếch ®¹i c) Cỉng logic d) Thyristo -2 9- - 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... 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 biĨu thøc (2. 16) vµ (2. 17) cã thĨ thÊy: -3 2- - 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... -4 8- -2 5- = hW (2. 1) Trong đó h là hằng số Planck (h = 6, 625 6.10 -3 4 J.s). Bớc sóng của bức xạ ánh sáng càng dài thì tính chất sóng thể hiện càng rõ, ngợc lại khi bớc sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ. 2. 1 .2. Các đơn vị đo quang a) Đơn vị đo năng lợng - Năng lợng bức xạ (Q): là năng lợng lan truyền... 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) Độ nhạy tơng đối (%) 1 2 3 1 3 5 10 30 50 100 b) NhiƯt ®é vËt ®en tut ®èi (K) Độ nhạy tơng đối 300 400 500 10 -3 10 -2 10 -1 1 5 10 -4 4- V P - điện áp thắt kênh. Khi bị chiếu sáng, chuyển tiếp P-N hoạt động nh một photodiot cho... I P = S g - dòng quang ®iƯn. I 0 - dßng ®iƯn trong tèi. S g - ®é nhạy của điot cổng - kênh. - thông lợng ánh sáng. Dòng I r chạy qua điện trở R g của mạch cổng xác định điện thế V GS và và dòng máng: () gP0gGS EIIRV += E g - thế phân cực của cổng. Phototranzito hiệu ứng trờng đợc ứng dụng nhiều trong việc điều khiển điện áp bằng ánh sáng. 2. 3. Cảm biến quang điện phát xạ 2. 3.1. Hiệu... các hợp chất của các chất thuộc nhóm III - V, đó là các hợp chất GaAs x Sb 1-x , Ga 1-x In x As, InAs x P 1-x , ngỡng nhạy sáng của chúng nằm ở vùng hồng ngoại ( ~1 à m), hiệu suất lợng tử đạt tới 30%. 2. 3 .2. Tế bào quang điện chân không Tế bào quang điện chân không gồm một ống hình trụ có một cửa sổ trong suốt, đợc hút chân không (áp suất ~ 10 -6 - 10 -8 mmHg). Trong ống đặt một catot có khả... m¹ch. ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ += 0 P OC I I 1log q kT V -4 0- + Ý t nhiÔu. + Thêi gian håi đáp lớn. + Dải thông nhỏ. + Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit. Sơ đồ tuyến tính (hình 2. 18a): đo dòng ngắn mạch I sc . Trong chế độ này: scm0 I.RV = Sơ đồ logarit (hình 2. 18b): đo điện áp hở mạch V oc . oc 1 2 0 V R R 1V += 2. 2.4. Phototranzito a) CÊu t¹o và nguyên lý hoạt . (cd/m2) oat/sr.m2 (W/sr.m2) Độ rọi lumen/m2 hay lux (lx) oat/m2 (W/m2) Năng lợng lumen.s (lm.s) jun (j) 2. 2. Cảm biến quang dẫn 2. 2.1. Hiệu ứng quang. (2. 40) Hình 2. 12 Sơ đồ nguyên lý và chế độ làm việcVd VRIr Rm ES a) b)0 -1 0 -2 0 -3 0 -4 0 50àW100àW150àW200àW204060Thông lợngIr ES + INP+Hình 2. 11