-
Curs 1 SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
I.Tipuri de senzori optici
Exista o varietate de senzori optici si aceste dipozitive pot fi
clasificate dupa mai multe criterii si anume: dupa de domeniul
spectral in care functioneaza, astfel pot fi senzori pentru
radiatia vizibila, radiatia ultravioleta sau senzori pentru
domeniul infrarosu; functie de materialul utilizat pentru
realizarea lor: senzori pe siliciu, pe compusi semiconductori de
tipul A3B5, pe straturi subtiri ; dupa domeniul de aplicatie
senzori de gaze, senzori de proximitate, biosenzori, senzori de
imagine; functie de tipul structurii senzorului si principiul de
functionare fotodetectoare, senzori optici integrati, opto FET,
senzori cu fibra optica si cu ghiduri optice s.a. nano-senzori pe
baza de ma teriale nanostructurate sau nanostructuri senzori cu
nanofire de diverse materiale, CNT, QD-uri, nanocompozite
polimerice cu nanostructuri
Se vor prezenta cateva tipuri de senzori optici care sunt
frecvent utilizati in realizarea de microsisteme complexe cu
aplicatii in diverse domenii : industrie (metrologie optica si
automatizari, ), comunicatii optice, instrumentate optice;
telemetrie (telemetria laser); monitorizarea mediului ,
biotehnologii si in biomedicina. Senzori optici 3
-
Curs 1 SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Se vor prezenta urmatoarele tipuri de senzori optici:
fotodetectoare pe materiale semiconductoare, sensor pe baza de
fibra optica, senzori pentru radiatia infrarosie, senzori de
proximitate, senzori interferometrici, biosenzori optici
Fotodetectoarele pe materiale semiconductoare, indiferent de
tip, constituie elementul cheie in detectarea radiatiei e.m. cu o
anumita lungime de unda specificata fie intr-o anumita banda si in
furnizarea unui semnal de iesire (fotocurent sau fototensiune) care
sa fie proportional cu puterea radiatiei absorbite.Tipurile de
structuri pe materiale semiconductoare sensibile la radiatia optica
includ jonctiunile p-n, hetero-jonctiunile, barierele Schottky,
structuri MIS (metal-insulator-semiconductor), MSM
(metal-semiconductor-metal) si oricare alt tip de structura in care
s-a creat o bariera bariera interna de potential . Senzori optici
4
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Fotodectectoare Fotodetectoare pe siliciu si pe compusi
semiconductori Fotodiode pe siliciu optimizate pentru radiatia
ultravioleta Fotodioda cu avalansa de tip reach-through pe siliciu:
cu compensarea variatiilor castigului cu temperatura Matrici de
fotodetectoare uni- si bi- dimensionale Structuri de fotodiode
quadrant pe heterostructura InGaAs/InP - Fotodiode cu avalansa cu
regiunea de generare separata de regiunea de multiplicare a
purtatorilor fotogenerati - Fotodiode cu bariera Schottky pe
heterostructura InGaAs/InP
Senzori optici 2
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Senzori optici
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Senzori pe baza de fibra optica. Acest tip de senzori poate fi
utilizat la masurarea unei game largi de marimi fizice functie de
configuratia constructiva materialul care acopera fibra si care
raspunde la schimbarile de temperatura, stres sau umiditate.
Senzorul de proximitate.
Diagrama blocSenzori optici 2
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Senzori interferometriciSe utilizeaza la masurarea stresului
intr-o proba pe care este plasata reteaua de difractie. Ca elemente
de detectie a deplasarii radiatiei difractate datorita deformarii
se utilzeaza o pereche de senzor de pzitie (PSD).Senzori optici
2
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Biosenzor OpticiSenzori optici 2Senzori pe baza de ghiduri
opticeFotodioda de semnalFotodioda de referintaStrat senzitiv:
specii chimice, enzime, anticorpi, microorganisme, DNA, s.a.Schema
de principiuElementul activ al matricii de fotodiode
-
Institutul National de Cercetare - Dezvoltare pentru
Microtehnologie IMT - Bucuresti Geometrii posibile pentru inele
rezonatoare cuplate cu unul sau doua ghiduri optice. Simularea
cuplajului utilizand softurile FDTD and BPMraza inelului-20 mm;
grosimea miezului - 300 nmz=28 m (z = 8 m) Ofset 0 mmOfset 1
mmElementul activ al matricii de fotodiode
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Caracteristicile principale ale senzorilor optici pe materiale
semiconductoare. Analiza raspunsului-eficienta cuantica si factorul
de multiplicarePentru specificarea si compararea performantelor
diferitelor tipuri de fotodetectoare se utilizeaza anumite
caracteristici pe care le vom enumera si explicita in continuare.
Responsivitatea, R definita ca raportul dintre semnalul de iesire
furnizat de fotodetector (curent - Iph sau tensiunea masurata pe o
rezistenta de sarcina- ( Vph = IphRL) si puterea radiatiei
incidente. Astfel unitatea de masura a responsivitatii este fie A/W
fie V/W sau pentru detectorii in vizibil puterea este data in
lumen. (3.1) unde : este denumita eficienta cuantica si reprezinta
raportul dintra numarul de sarcini electrice (nr. total de
electroni si goluri) colectati de fotodetector si numarul de fotoni
incidenti; este lungimea de unda a radiatiei incidente; 1240 = hc/q
unde h=6,63x10-34 J/s, c=3x108 m/s si q=1,6x1019 C.
Senzori optici 2
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Puterea echivalenta de zgomot, NEP ( Noise Equivalent Power)
reprezinta puterea incidenta minima care produce un semnal de
iesire ( fotocurent) egal cu zgomotul fotodetectorului (curentul
total de zgomot, In ) sau altfel spus cand raportal semnal/zgomot
este egala cu unitatea : (3.2)
unde: si este eficienta cuantica atunci cand se colecteaza la
jonctiune un numar de fotopurtatori numeric egal cu numarul de
purtatori de sarcina care formeaza curentul de intuneric (
Pincident=0).Detectivitatea specifica. D* este o marime ideala
pentru a demonstra capabilitatea de detectie a dispozitivului si
este definita pentru raportul aemnal/zgomot egal cu unu si cand o
radiatie de 1W este incidenta pe arie de 1 cm2 .
(3.4)Detectivitatea este o marime utila atunci cand compararea
performantelor fotodetectoarelor ia in considerare si aria,
lungimea de unda a radiatiei incidente, frecventa a radiatiei
incidente. Se observa ca prin intermediul NEP-ului detectivitatea
specifica este direct proportionala cu eficienta cuantica a
structurii.
Senzori optici 2
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Timpul de raspuns, tr este foarte imporatant deoarece determina
capabilitatea detectorului de a functiona la frecvente de modulare
a radiatiei incidente. Timpul de raspuns tr este specificat ca
timpul necesar semnalului furnizat de fotodetector sa creasca la
(1-1/e) din valoarea maxima a fotosenmnalului cand detectorul este
iluminat cu pulsuri optice dreptunghiulare. Rapiditatea fotodiodei
este determinat de maximul dintre timpul necesar transportului
fotopurtatorilor catre jonctiune (prin difuzie sau drift) si
constanta de timp de tip RLC ( RLrezistenta externa utilizata ,
C-capacitatea dispozitivului ). Raspunsul spectral este
caracteristica ce defineste capabilitatea de a detecta in raport cu
lungimea de unda a radiatiei incidente. Se prezinta fie prin curba
R() fie prin curba eficientei cuantice () si este determinata de
material si de caracteristicile structurii fotodetectorului. Se
observa ca eficienta cuantica, , definita ca raportul dintre
numarul de electroni colectati care contribuie la formarea
fotosemnalului si numarul de fotoni absorbiti in detector intervine
explicit sau implicit in toate caracteristicile ce definesc
performantele unui fotodetector. Maximizarea eficienta cuantica, ,
in raport cu acesti parametrii constituie un criteriu de baza in
obtinerea unui fotodetector performant. Senzori optici 10
-
Curs 1 SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Eficienta cuantica a fotodetectoarelor pe materiale
semiconductoarePentru o radiatie incidenta cu rata fluxului de
fotoni o [fotoni/cm2.s] eficienta cuantica a unei structuri de
fotodetector cu jonctiune p-n prezentat schematic in fig. 2.1 este
definita prin : T = [ 1 - r( ) ] JL / q o ( 3.5 )unde: JL este
densitatea fotocurentului, r este coeficientul de reflexie pentru
suprafata de incidenta a radiatiei si care este functie de lungimea
de unda ( ) a radiatiei incidente si q sarcina electronului.
In aceste conditii JL este constituit din trei componente:
curentul de goluri din stratul epitaxial de tip n , Jp ; curentul
de electroni din regiunea difuzata p, Jn ; curentul de drift din
regiunea de sarcina spatiala, Jdr ;JL/xj = Jp/xj+w + Jn/xj + Jdr/xj
( 3.6 )
Senzori optici 2
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Cele trei componente se deduc pe baza ecuatiilor de continuitate
a purtatorilor minoritari scrise pentru fiecare regiune
mentionata.Integrarea ecuatiilor de continuitate cu conditiile la
limita corespunzatoare conduce la determinarea distributiei
purtatorilor fotogenerati si in final la expresiile densitatilor
fotocurentilor ce se colecteaza din cele trei regiuni:
pentru xj + w < x < xj + xc ( 2.7 ) 0 < x < xj ( 2.8
)
xj < x < xj+w ( 2.9 )
Senzori optici 2
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Eficienta cuantica totala va fi data de relatia : = [ Jn+ Jp +
Jdr ] / q0 Modelul cuprinde cele trei regiuni specifice unui
fotodetector cu jonctiune p-n si anume: - regiunea (0-xj) care unui
strat cu nivel de dopare mare >1018 cm-3 ;- regiunea {xj (xj + w
) } care este reprezentat de strat golit de purtatori mobili
obtinut prin aplicarea unei tensiuni de polarizare inversa ;-
regiunea (xj+w)(xc+xj) care corespunde unui strat neutru cu nivel
de dopare mic < 1015 cm-3.Senzori optici 2
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Eficienta cuantica totala este obtinuta pe baza insumarii
contributiilor celor trei regiuni ale microstructurii de detectie.
Senzori optici 2
-
Curs SENZORI INTELIGENTI SI MICROSISTEME
Pproiectarea senzorilor optoelectronici integrati monolitic ce
Cuprind - o fotodioda integrata cu un circuit electronic de
preamplificare a semnalului detectat realizate in tehnologia de
circuite integrate linear sau CMOS necesita optimizarea simultana a
parametrilor fotodiodei cu cei ai tranzistorului pentru
amplificarea (responsivitate, R>50 A/W adica fotodiode cu
eficiente cuantice, >20% si amplificari >200).
Senzori optici 2
23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*23 noiembrie 2009
SENZORdispozitivcaremasoarainformatiadinmediusiproducelaiesireunsemnalproportionalcumarimeamasurata(mecanice,termice,chimice,radiative,magnetice,electrice)
*