curs 1-senzori optici tipuri caracteristici

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


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


Senzori optici


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


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


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


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


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


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


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


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


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


Eficienta cuantica totala este obtinuta pe baza insumarii contributiilor celor trei regiuni ale microstructurii de detectie. Senzori optici 2


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)














*

curs 1-senzori optici tipuri caracteristici

Documents