Вольтаические сенсоры. Сенсоры на диодах и биполярных транзисторах

9.2.4. Фототранзисторы

Напомним, что биполярный транзистор представляет собой 2 рядом расположенных -перехода и имеет структуру или . Центральную его область называют "базой", другие две – "эмиттером" и "коллектором". Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. В "активном" режиме напряжение на эмиттерном переходе прямое, на коллекторном – обратное. В режиме "отсечки" на оба перехода подано обратное напряжение. Если на оба эти перехода подать прямое напряжение, то транзистор будет работать в режиме "насыщения". Вольтамперная характеристика эмиттерного перехода совпадает с ВАХ полупроводникового диода при прямом токе, а вольтамперная характеристика коллекторного перехода подобна ВАХ диода при обратном токе. Рассмотрим работу транзистора в активном режиме. Если база тонкая, то большинство носителей заряда, инжектированных в неё через открытый эмиттерный переход, попадают в обратно смещенный коллекторный переход и резко усиливают ток через него. Благодаря этому биполярный транзистор можно эффективно использовать как усилитель мощности электрических сигналов.

Часто в оптических сенсорах вместо фотодиода применяют фототранзисторы. Чувствительным к свету элементом является в нем -переход "база – коллектор", на который всегда подается обратное напряжение. Через замкнутую внешнюю электрическую цепь фототок, возникающий под действием света, возвращается на эмиттер, инжектируется из эмиттера в базу и значительно усиливается.

Как правило, фототранзистор имеет только 2 внешних вывода – от эмиттера и от коллектора ( транзистор с "плавающей" базой) и включается в усилительно-измерительные схемы так же, как и фотодиод. Благодаря внутреннему усилению фототранзисторы имеют значительно лучшую интегральную чувствительность к свету. Однако они несколько проигрывают фотодиодам в быстродействии. Поэтому им отдают предпочтение там, где световые сигналы очень слабы, а максимальное быстродействие не требуется, например, в люминесцентных сенсорах.

Компания Honeywell на кремниевых фототранзисторах выпускает, например, инфракрасные (ИК) сенсоры положения, небольших перемещений, направления и скорости вращения неферромагнитных объектов (пластмассовых крыльчаток, жетонов, карточек, монет, купюр и т.п.) [ [ 251 ] ] (см. также сайт http://content.honeywell.com/sensing/products). Сенсор состоит из ИК светодиода, фототранзистора и необходимых электронных схем. В сенсорах, работающих "на просвет", светодиод и фототранзистор закреплены так, что "смотрят" навстречу друг другу, а "чувствительное пространство" (от долей мм до десятков мм) находится между ними ( рис. 9.9, а ). Если в это пространство попадает непрозрачный предмет или его часть, то инфракрасный луч от светодиода к фототранзистору перекрывается, и на выходе сенсора появляется соответствующий сигнал.

Рис. 9.9. Внешний вид некоторых ИК сенсоров на фототранзисторах: а – работающих "на просвет"; б – "на отражение"; в – ИК сенсоров-энкодеров

В сенсорах, работающих "на отражение", ИК светодиод и фототранзистор закреплены так, что их оптические оси "смотрят" в одну сторону и пересекаются на каком-то расстоянии ( рис. 9.9, б ). Чувствительная зона находится вблизи точки их пересечения. Если туда попадает предмет, который отражает или рассеивает ИК лучи, то отраженный луч попадает на фототранзистор, и на выходе сенсора появляется соответствующий сигнал.

ИК сенсоры-энкодеры ( рис. 9.9, в ) состоят из двух ИК светодиодов, двух фототранзисторов и соответствующих электронных схем, интегрированных в одном корпусе. Они используются вместе с кодовым диском или кодовой линейкой, на которых в определенном порядке чередуются светлые и темные участки. Как рассказывалось в "Механические сенсоры перемещения. Принципы работы глобальной системы ориентирования и сенсоры GPS" , анализируя последовательность и подсчитывая количество сигналов от фототранзисторов, энкодер может определять скорость вращения диска или движения кодовой линейки и их положение (абсолютное или относительно исходного состояния).

В некоторых сенсорах применяют не отдельные фотодиоды или фототранзисторы, а сразу целую линейку или даже матрицу таких элементов. Это позволяет без механических перемещений сразу измерять и фиксировать распределение интенсивности света вдоль одной или двух координат, получая намного больше информации об объекте наблюдения. Примеры применения линеек и матриц фотодиодов мы еще приведем в других лекциях. О создании на этой основе т.н. "координатно-чувствительных" сенсоров детальнее можно прочитать в [ [ 304 ] ].

Полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы применяют также как чувствительные элементы в сенсорах радиоактивных излучений. Ведь последние в результате ионизации и возбуждения электронных оболочек атомов приводят к образованию в объеме -перехода дополнительных носителей заряда, как и при поглощении света. Кремниевые диоды и биполярные транзисторы применяют для выявления присутствия и измерения интенсивности слабо проникающих видов радиоактивного излучения . Для детектирования сильно проникающих излучений преимущество отдают детекторам из теллурида кадмия , поскольку он имеет довольно большую ширину запрещенной зоны (1,47 еВ), и составляющие его атомы имеют большие атомные номера (48 и 52) [ [ 69 ] ].

Краткие итоги

Вольтаические сенсоры классифицируют по природе того фактора, под влиянием которого возникает и изменяется электрический потенциал. Наиболее известными из них являются термопары, пьезоэлектрические датчики и датчики Холла. На не слишком больших интервалах температур ЭДС, возникающая в термопарах из металлов, пропорциональна разности температур между "горячим" и "холодным" спаями. Чтобы уменьшить их собственную теплоёмкость, термопары делают проволочными или пленочными. С помощью миниатюрной пленочной термопары можно измерять температуру даже очень малых тел субмиллиметровых размеров, к которым ее приклеивают.

Материалами для пьезоэлектрических сенсоров являются кристаллы кварца, лангасита и лангатата, пьезоэлектрическая керамика, поливинилиндифторид (PVDF) и его сополимеры. Пьезоэлектрические сенсоры силы широко применяют для тестирования переключателей, кнопок, пружин, для точного дозирования силы затягивания винтовых соединений, в микроманипуляторах и т.д. Однако они являются чувствительными лишь к меняющимся со временем деформациям и силам, но не позволяют измерять длительно действующие силы. Для этой цели применяют пьезоэлектрический резонатор, в котором поддерживаются незатухающие электрические и механические колебания на его собственной частоте. При воздействии внешней силы частота колебаний изменяется.

Датчики Холла, которые теперь могут быть очень миниатюрными, применяют для измерения магнитных полей в промышленности, автомобилестроении, в научных исследованиях и т.д.

Широко применяют в качестве сенсоров также полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы. Наиболее часто их используют для измерений температуры и интенсивности света. Для повышения быстродействия, чувствительности, расширения рабочей области спектра разработаны фотодиоды со сверхтонкой базой, структуры, фотодиоды Шотки, различные варианты схем включения фотодиодов в схемы усиления. Микроэлектронная технология позволила формировать на небольших кристаллах кремния фотодиоды вместе с интегральными схемами усиления фототока, обеспечивая не только высокое быстродействие, но и весьма высокую чувствительность. Еще более высокую чувствительность обеспечивают кремниевые фототранзисторы, хотя они несколько проигрывают фотодиодам в быстродействии. Полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы с успехом используют также для выявления и измерения радиоактивных излучений.