Analitikai szenzorok harmadik rész Galbács Gábor Hőmérséklet, nyomás, tömegáram, elektromágneses sugárzás A konkrét szenzorok közül a következőkben először a fizikai szenzorokkal foglalkozunk majd, mégpedig illusztrációképpen azon fizikai mennyiségek mérésére szolgáló szenzorokkal, amelyek az analitikai kémiai alkalmazásokban, műszerekben fontos paramétereket mérnek: hőmérséklet nyomás áramlási sebesség (tömegáram) fényintenzitás
Hőmérsékletmérő szenzorok A hőmérséklet mérése, ismerete a kémiai rendszerekben is az egyik legfontosabb feladat. Amint azt korábban említettük, a szenzorikában, a szabályzó és mérőrendszerekben kiemelt fontosságú a hőmérséklet mérése, mivel a legtöbb szenzor válaszjele hőmérsékletfüggő, ezért hőmérsékletmérő szenzorok beépítésével (hőmérséklet kompenzációs módszerekkel) a pontosságot nagymértékben lehet javítani. A hőmérsékletmérésre számos fizikai jelenség, anyagi jellemző hőmérsékletfüggése lehetőséget kínál (transzdukció). Ezek közül itt most a következőkkel fogunk foglalkozni: az elektromos ellenállás megváltozása (rezisztív szenzorok) termoelektromos hatás (termoelektromos szenzorok) félvezetőkben lejátszódó ódófolyamatok k(félvezető szenzorok) optikai folyamatok (optikai szenzorok) piezoelektromos hatás (piezoelektromos szenzorok) piroelektromos hatás (IR sugárzásmérő szenzorok) Kontakt hőmérsékletmérő szenzorok Ahőmérsékletmérő szenzorok ezen túlmenően két osztályba sorolhatók: a kontakt és a nem kontakt (IR sugárzásmérő, piroelektromos) hőmérsékletmérő szenzorok csoportjába. A kontaktk hőmérsékletmérés ékl é é során aszenzor(legyen az bármilyen kicsi) i) átveszi amért objektum termikus energiájának egy részét, hőátadás történik. Ez egyfelől aztjelenti, hogy egy kontakt hőmérő mindig megzavarja a mért rendszert, másfelől hogyakontakt hőmérsékletmérés egy egyensúlyi folyamat és mint ilyen, csak véges mérési hiba megengedése esetén ér véget a mérési folyamat. Mindebből következően fontos műszaki/tervezési feladat az adott mérendő rendszerhez megtalálni/kialakítani a megfelelő kontakt hőmérsékletmérő szenzort. A kontakt hőmérsékletmérő szenzorok közül a következő típusokkal fogunk foglalkozni: RTD (film vagy huzal formájú fém anyagú ellenállás/rezisztor) szilícium félvezető ellenállás termisztor (fémoxid alapú ellenállás, PTC és NTC) termoelem szilícium p n átmenet kontakt optikai hőmérsékletmérő szenzorok
RTD hőmérsékletmérő szenzorok Az RTD (resistive thermal detector) szenzortípus lényegében egy fémhuzalból vagy fém vékonyrétegből áll. Az érzékelés fizikai alapjául az szolgál, hogy minden fém és ötvözet elektromos ellenállása hőmérsékletfüggő. Szinte kizárólag platina anyagú RTD k használatosak, mivel megbízható működésűek, jó a hosszútávú stabilitásuk, széles hőmérséklettartományban ékl használhatók és robusztusak. A másik áikgyakori alapanyag a wolfrám. A jó érzékenység érdekében hosszú érzékelő rétegeket használnak. huzalcséve (wire wound) típus: Pt huzal kerámia hordozóra felcsévélve (felragasztva) és kerámia tokban elhelyezve. Vékony üvegréteg rögzíti és védi a fémhuzalt. vékonyréteg (thin film) típus: Pt vagy Pt ötvözet vékony kerámia, üveg vagy szilícium lapkára rögzítve. Vékony üvegréteg rögzíti és védi a fémcsíkot. RTD hőmérsékletmérő szenzorok A Pt RTD esetében a különböző hőmérséklettartományokban a következő Callendar van Dusen közelítő polinomiális transzfer függvényeket szokás alkalmazni (t a hőmérséklet C egységekben,r 0 a0 C on mért ellenállás): 200 C tól 0 C ig: R t = R 0 2 ( 1 + A t + B t + C (t 100) ) 0 C tól 630 C ig: R t = R 0 2 ( 1 + A t + B t ) Az egyenletekben A, B és C a szenzor alapanyagára jellemző állandók, amelyek értékét különböző referencia hőmérsékleteken állapítanak meg kalibrációval. Egy RTD szenzor pontossága kb. ±0.025 C, működési tartománya: kb. 200 C 600 C.
Szilícium félvezető ellenállás szenzorok Az n típusú szennyezett szilícium félvezető ellenállás jellegzetessége, hogy egy bizonyos hőmérséklet (kb. 200 C) alatt az ellenállásának pozitív a hőmérsékleti koefficiense, míg afölött negatív (ez utóbbi a tiszta szilícium félvezetőre jellemző). Ennek oka, hogy magasabb hőmérsékleteken a spontán generálódott töltséhordozók mennyisége megnő, ő és így nem a szennyezés, hanem a szilícium i alapanyag tulajdonsága fog dominálni az elektromos ellenállás alakulásában. Mindez azt jelenti, hogy a gyakorlati szempontból leggyakrabban használatos, 200 C alattitartományban készíthető n szennyezett szilícium félvezető alapanyagból ellenállás hőmérő, ami ráadásul tűrhető linearitással is bír. Az eszköz tipikus pontossága néhány százalék. n típusú PS ellenállása tipikus transzfer függvény tipikus mérési hiba Termisztorok A termisztor kifejezés alatt fémoxid vagy kerámia típusú ellenállásokat értünk, amit anyagi minőségük függvényében két csoportba sorolunk. A két csoport a negatív hőmérsékleti koefficiensű (NTC, negative thermal coefficient) ésapozitívhőmérsékleti koefficiensű (PTC, positive thermal coefficient) ellenállások csoportja. A termisztorokat sokféle geometriai i kivitelbeni gyártják, pl. csepp alak, rúd, henger, lapka, stb. A termisztorok sokkal érzékenyebbek, mint az RTD hőmérők, de transzfer függvényük nagymértékben nemlineáris, ezért legtöbbször csak szűk hőmérséklet tartományban használatosak (pl. 0 +150 C) és viszonylag erőteljes öregedést mutatnak. Leggyakrabban a Steinhart Hart transzfer függvényt alkalmazzák rájuk (T Kelvinben): NTC termisztorok anyaga: Mn, Ni, Co, Fe, Cu és Ti oxid PTC termisztorok anyaga: dópolt Ba vagy Sr titanát kerámia A pontosságra (akár ±0.02 C) kihat az önfűtési effektus is
Termoelemek A termoelem (thermocouple) két különböző anyagi minőségű fémszálból (az ábrán: A és B) egyik végüknél összeforrasztott szenzor. A két fémszál szabad végei között mv nagyságrendű feszültség mérhető, éh ő ha hőmérséklet különbséget ékl k l é hozunk létre az összeforrasztott (melegpont, hot junction) ésa szabad végek között (hideg vagy referenciapont, cold junction). Ez a Seebeck effektus. Termoelemek A termoelemek széles hőmérséklet tartományban (akár 1500 C) képesek működni, robusztusak, jó linearitásúak, sokféle fizikai méretben és kivitelben elkészíthetők. Gyakorlati alkalmazásukat azonban sokáig megnehezítette, hogy a referencia pont számára egy ismert, fix hőmérsékletű fürdőt (általában jeges víz) kellett biztosítani. Ez ma már elektronikai eszközök használatával elkerülhető (cold junction compensation). Az alapötlet lényege, hogy a termoelem kalibrációjához valójában nem szükséges a referencia pontnak fix hőmérsékletűnek lennie, elegendő csak annak a hőmérsékletét pontosan ismerni, pl. egy másféle hőmérsékletmérő szenzorral mérni (aminek elegendő csak a szobahőmérséklet közelében pontosan működnie). Ezt mutatja be az alábbi ábra (LM35DZ félvezető szenzorral).
p n átmenet alapú félvezető szenzorok A nyitó irányban előfeszített p n félvezető átmenet (dióda) működése (átmeneti ellenállása) erős hőmérsékletfüggést mutat. Ha tehát a diódát egy áramgenerátorhoz kötjük és mérjük az átmeneten eső feszültséget, akkor így egy, az átmenet hőmérsékletét mérő félvezető eszközhöz jutunk. Ennek az elegáns eszköznek nagy előnye nagymértékű linearitása, ami kalibrációval nagyfokú pontosságot (kb. 0.1%) eredményez. A mérési tartomány tipikusan kb. 50 C tól +150 C ig terjed. Több tranzisztorból vagy diódából álló integrált áramkörökkel mind feszültségkimenetű (pl. LM35Z) mind áramkimenetű (pl. AD590) típusokat készítenek. Kontakt optikai hőmérsékletmérés fluoreszcenciás szenzorok A kontakt fluoreszcenciás hőmérsékletmérő szenzorok működése a fotolumineszcenciás emisszió lecsengési sebességének hőmérsékletfüggésén alapul. A fotolumineszkáló anyagot (pl. Mn(IV) gyel adalékolt Mg fluoromagnetit vagy rubin, stb.) vagy a mérendő objektumra vagy a szenzorfejre viszik rá (az anyag veszélytelen, hő és UV stabil). A gerjesztő fény odavezetését és az emittált fény elvezetését száloptika segítségével oldják meg. Annak érdekében, hogy a gerjesztő és emittált fény egymást ne zavarja, eltérő hullámhosszúságokat alkalmaznak (pl. színszűrővel elválasztva őket). Agerjesztő fényforrás Xenon villanó lámpa vagy félvezető lézer. A szenzorkonstrukció előnye, hogy a válaszjel jel (időállandó) a fényintenzitásoktól nem függ, jól reprodukálható, széles hőmérséklet tartományban használható (pl. 200 C tól +400 Cig). A mérési pontosság már kalibráció nélkül is kb. ±2 C a teljes tartományban.
Kontakt optikai hőmérsékletmérés interferometrikus szenzorok Az interferometrikus optikai hőmérsékletmérő szenzorok az interferencia jelenségét és a törésmutató hőmérsékletfüggését használják ki. A szenzor aktív érzékelő része (ez a mérendő objektummal kontaktusban van) egy olyan vékony réteg, amely hőmérsékletváltozásra optikai törésmutatójának megváltozásával reagál (pl. szilícium). Ezt koherens lézerfénnyel világítják meg. A vékonyrétegen áthaladó fény a határfelületről visszaverődik és interferencia jön létre, ami a száloptika másik végén található detektorba valamekkora fényt juttat vissza. Ha a vékonyréteg hőmérséklete megváltozik, a rajta áthaladó fény továbbításáben fáziskésés áll elő, ami az interferencia mintázatot, és így végül a detektorba jutó jelet megváltoztatja. A mérési tartomány felső határa kb. 350 C. Az alábbi megoldás SiO 2 réteget alkalmaz tükröző rétegként (n SiO2 >n Si ) és FeCrAl bevonatot az oxidáció elleni védelemre. Kontakt optikai hőmérsékletmérés termokromatikus szenzorok A termokromatikus optikai hőmérsékletmérő szenzorok egy alkalmas vegyület oldatának fényelnyelési spektrumának reverzibilis és reprodukálható hőmérsékletfüggését használják ki. Ilyen pl. a CoCl 2 vizes oldata, amelynek fényelnyelése 650 nm en a hőmérséklettől erősen függ. A válaszjel nem lineáris, de kalibráció után száloptikás konfigurációban távolról begyűjthető, és elektromágneses zavarásoktól viszonylag mentes. Egy másik konstrukcióban egy száloptika végére üvegben eloszlatott CdS félvezetőt javasolnak használni, ami akár szobahőmérséklettől 1000 K hőmérsékletig is használható szenzort adhat.
Kontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok Anem kontakt sugárzásmérő, másképpen piroelektromos hőmérsékletmérő szenzorok az infravörös tartományba eső EM sugárzás intenzitását mérik. Ezeket elterjedten használják pl. IR spektrométerek detektoraként és biztonságtechnikai eszközökben. Kalibrációra minden esetben szükség van, mert ezek a szenzorok integráló jellegűek. A kontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok közül a következő típusokkal fogunk foglalkozni: thermopile piroelektromos szenzor bolométer Golay cella Itt jegyezzük meg, hogy alkalmas félvezető anyagból is készíthető IR tartományban működő optikai szenzor, ami hőmérsékletmérésre is alkalmas. Ezt azonban inkább a fénymérő szenzoroknál tárgyaljuk. Kontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok Akontaktusmenteshőmérsékletmérő (pirometrikus, termikus) szenzorok általában a következő részeket tartalmazzák: érzékelő elem, támaszték (support), burkolat, elektromos kivezetések, védőablak. Minden pirométer lelke az érzékelő elem bevonata, amely az IR sugárzást elnyeli, aminek eredményeképpen az érzékelő réteg felmelegszik. Ezek a bevonatok általában porózusak, mégpedig az IR hullámhossznál rövidebb részecskékből állnak. platinakorom (platinum black): finom eloszlású Pt részecskék, amelyeket egy H 2 PtCl 6 és Pb acetátot tartalmazó oldatból galvánfürdőben választanak le. aranykorom (goldblack): W szálról aranyat elpárologtatnak mbar nyomású nitrogén atmoszférában, ami a céltárgyra tűs struktúra formájában leválik. fémoxid képzése: alacsony nyomáson, oxigén jelenlétében leválasztott fémek oxidként rakódnak le
Kontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok thermopile A thermopile ( termoelem halmaz ) típusú szenzorok lényegében sorba kapcsolt termoelemekből állnak, amelyek melegpontja össze van kötve és IR elnyelő bevonattal van ellátva. A hidepontok is össze vannak kötve egymással és egy hűtőtömbbel (esetleg egy független hőmérsékletmérő szenzorral a hideponti kompenzációhoz). 20 tól akár többszázig is terjedhet az összekötött ö termolemek száma. A soros kapcsolás értelme a feszültségjel növelése, vagyis az érzékenység fokozása. Kontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok piroelektromos szenzorok A piroelektromos effektus bizonyos kristályos anyagoknak azon képessége, hogy kristálylapjaik között feszültség jelenik meg, ha a kristályt felmelegítjük vagy lehűtjük. Az ilyen anyagok közé tartozik pl. a turmalin, Co ftalocianin, LiTaO 3,SrTiO 3, triglicinszulfát (TGS), stb. Fontos tudnunk, hogy minden piroelektromos anyag egyben piezoelektromos is, ami azzal jár együtt, hogy a piroelektromos szenzorok (PIR) a mechanikai vibrációkra (akár hanghullámokra) is hajlamosak interferenciát mutatni. A jobb rezgéstűrés érdekében gyakran alkalmaznak duál piroelektromos szenzorokat, ahol két érzékelő van egy tokban. A kristály felületét hőelnyelő bevonattal látják el. A piroelektromos anyagok elektromosan egy kapacitásként írhatók le.
Kontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok a Golay cella és a bolométer AGolaycellalényegében egy opto akusztikus szenzor. Egy IR transzmittáló (pl. KBr, PE, stb.) ablakkal lezárt pneumatikus cella, amiben Xe gáz tágul/húzódik össze az IR sugárzás hatására. Belül Sb (vagy hasonló) merev hőelnyelő bevonatot alkalmaznak. A gáz térfogatváltozása egy vékony tükröző membránt feszít meg (deformál) a cella túloldalán, ld lá amiről egy külsőő fényforrásf fényéneké reflexiója biztosítja végülis a kimeneti elektromos feszültségjelet. Ez a szenzor is igény érzékeny a mechanikai vibrációkra. IR sugárzás A bolométer lényegében nem más, mint egy ellenállás, amely be van vonva a hőelnyelő bevonattal. Az IR sugárzás elnyelése miatt az eszköz felmelegszik, így megváltozik annak ellenállása. Áramlási sebesség (tömeg/térfogati áramlás) mérése Az áramlási sebesség pontos mérése szintén gyakori és fontos méréstechnikai feladat az iparban és az analitikai kémiában. Az áramlásmérő szenzorok által szolgáltatott adatok teremtik meg az lehetőséget a gáz és folyadék közegek áramlási sebességének pontos szabályzására (nagyméretű, átlátszatlan csövekben és közegekben is), továbbá sok esetben közvetetten más információkat is szolgáltatnak a mintáról (pl. viszkozitás, sűrűség, stb.). Az áramlásmérő szenzorok változatosak, többféle fizikai jelenség kihasznásán is alapulhatnak. A követezőkben az alábbi típusokkal fogunk foglalkozni: a differenciális nyomásmérésen alapuló szenzor elektromágneses elven működő szenzor az örvényáramlások keltésén alapuló szenzor az ultrahangot alkalmazó szenzor a Coriolis erőn alapuló szenzor a turbinás áramlásmérő szenzor Mivel ezek a szenzorok általában közvetett úton mérnek, ezért kalibrációjuk elengedhetetlen!
Áramlási sebesség mérése turbinával A turbina alkalmazásán alapuló áramlásmérő igen hasonló a rotaméterek működési elvéhez, azonban átlátszatlan csővezetékekben/folyadékokban is alkalmazható. Működésének lényege nem más, mint hogy az áramló közeg egy turbinát (propellert) forgat meg, amelynek egyik lamellájába mágnest építettek. A csőfalba épített kis tekercs érzékeli, hogy időegységenként hányszor halad el előtte a mágnes (az indukció generálta áramcsúcsokat számolja meg egy számláló). Az áramlási sebesség tehát a turbina forgássebességének mérésre van visszavezetve. Áramlási sebesség mérése nyomáskülönbség méréssel (differential pressure flow sensor) Fluid közegek áramlása nyomásesést generál (lásd Bernoulli elv). Ebből következően egy fluid közeg áramlási sebességének mérése visszavezethető egy szűkület előtt és után mért nyomások közötti különbségének mérésére. Az elrendezés alapulhat akár a Pitot cső, akár a Venturi cső alkalmazásán. Ezen szenzorok kalibrációja azért is szükséges, mert valós (részlegesen összenyomható és/vagy viszkózus közegekre az effektus kissé eltérően jelentkezik). Pitot csöves elrendezés Venturi csöves elrendezés Endress+Hauser video links: http://www.youtube.com/watch?v=oud4wxjohky http://www.youtube.com/watch?v=d6sbzkyq3_c&p=fd0722a576981f74
Áramlási sebesség mérése indukált feszültség mérése révén (electromagnetic flow sensor) Ha a folyadék legalább egy minimális elektromos vezetőképességgel rendelkezik (ionok jelenléte), akkor az áramlási sebesség mérhető a mágneses térben mozgó töltésekre fellépő szeparáció (Lorentz erő által indukált feszültség) mérése révén is. Lényegében egy kondenzátort építenek cső falába, amelynek két fegyverzete között az áramlási irányra merőleges mágneses teret hoznak létre. A cső falátelkellszigetelniakét elektródától. mágneses tér elektródok Endress+Hauser video links: http://www.youtube.com/watch?v=f949gpkdci4 Áramlási sebesség mérése a hangsebesség mérése révén (ultrasonic flow sensor) A hullámterjedés sebessége egy közegben a közeg áramlási sebességével függ, ha az áramlásnak van a megfigyelés tengelyével párhuzamos komponense. A hullámterjedés sebessége pedig frekvenciamérésre vezethető vissza, ha a Doppler effektusra gondolunk. A cső falába szög alatt pl. ultrahang keltő transducereket, velük szemben pedig érzékelőket helyezünk el, akkor az áramlás irányában felfelé sugárzott hanghullám késedelmet szenved (sebessége csökken), látszólagos frekvenciája nő, míg az ellenkező irányban sugárzott hanggé ellentétesen viselkedik. A mért frekvencia alapján a közeg áramlási sebessége meghatározható. A módszer nagy előnye, hogy semmilyen szűkület, akadály elhelyezését nem igényli a csőben, sőt akár kívülről, utólag is telepíthető (lásd a képet jobb oldalon lent). ultrahang generátorok ultrahang érzékelők Endress+Hauser video link: http://www.youtube.com/watch?v=bx2rnrflkqg
Áramlási sebesség mérése örvényhullámok keltésével (vortex flow sensor) Egy közegben elhelyezett nem áramvonalas akadály mögött az áramlás következményeként örvényhullámok keletkeznek, amelyek okozta periodikus nyomáslökéshullámok egy piezoelektromos kristállyal érzékelhetők. A nyomásingadozás frekvenciája közvetlenül arányos az áramlási sebességgel. A módszer pontos és jó linearitású, de az alacsony és magas viszkozitások tartományában nem működik jól. piezoelektromos szenzor Endress+Hauser video link: http://www.youtube.com/watch?v=gmtmdm7jhza Áramlási sebesség mérése a Coriolis erő felhasználásával (Coriolis flow sensor) A Coriolis erő olyan tehetetlenségi erő, amely akkor lép fel, ha a test egy forgó rendszerben mozog (a forgástengelytől eltérő irányban). Az erő nagysága a test tömegétől, sebességétől, stb. függ, így felhasználható mozgó közegek áramlási sebességének mérésére (a közeg tehetetlensége folytán). Egy ilyen berendezés (ami valójában egy összetett, aktív szenzoregyüttes) egy U alakú flexibilis csőszakaszból áll, amelynek oldalirányú kilengéseinek fázisát két szenzor érzékeli. A cső kilendüléseit egy mozgató elem (aktuátor) periodikusan idézi elő. Ha nem áramlik a folyadék, akkor a csőszakasz szimmetrikusan lendül ki, nincs fáziskésés a két szenzor jele között. Ha van áramlás, fáziskésés fog fellépni, amelynek nagysága az áramlási sebességtőlisfügg. szenzorok aktuátor Áramlás hiányában a szenzorok jele fázisban van Áramlás esetén fáziskülönbség áll elő a jelekben Endress+Hauser video link: http://www.youtube.com/watch?v=xiivianitiw
Fényintenzitás mérése Fénynek az elektromágneses spektrum UV tartomány elejétől azirtartományvégéig terjedő részét nevezzük. Szenzorikai szempontból az ebbe a tartományba eső fotonok érzékelésének alapjául kvantum vagy termikus effektusok szolgálnak. A kvantum érzékelők, amelyek félvezetőkből készülnek, az UV től a közép IR tartományig működnek, míg a termikus érzékelők (amelyekről a hőmérsékletmérésnél ejtettünk szót) a közép és távoli IR tartományban működnek. Akövetkezőkben a kvantum (félvezető) érzékelőkről fogunk beszélni: fotoellenállás fotodióda fototranzisztor töltéscsatolt MOS érzékelő (CCD) aktív pixel szenzorok (APS, CMOS) A félvezetők viselkedése a sávelmélet szerint Félvezető viselkedése nagyenergiájú (A) és kisenergiájú (B) fotonok érkezésekor. A határt a tiltott sáv szélessége jelenti, ami azonban nem éles határvonal, hiszen ez elektrongerjesztésre az impulzus megmaradás törvénye is érvényes. Mivel az elektronok impulzusa a vegyérték sávban és a vezetési sávban is eloszlásfüggvény mentén, folytonosan változik, ezért a gerjesztés tiltott sáv szélességénél kicsit kisebb és nagyobb energiájú fotonokkal is megvalósulhat. Ezt illusztrálja egy fotodióda érzékenység görbéje a jobb oldalon. A tiltott sáv szélessége dópolással (akceptor és donor szintek kialakításával módosítható).
Fényintenzitás mérése fotoellenállással A fotoellenállások félvezető anyagok, amelyek elektromos ellenállása sötétben igen nagy és tiltott sávszélessége az érzékelni kívánt tartományba esik. Fény besugárzás hatására ezen félvezetők elektromos ellenállása jelentősen lecsökken. A fotoellenállások aktív szenzorok, hiszen külső feszültségforrás alkalmazását igénylik, és a keletkező ő áram erősségétő étmérjük éjük(fotokonduktívt k d ktí eszköz). ) A láthatótó tartománybant előszeretettel alkalmaznak CdS vagy CdSe alapú fotoellenállásokat, az IR tartományban pedig Ge, PbS, InSb, stb. alapúakat. A legjobb érzékenységet széles és rövid ellenálláscsík kialakítással lehet elérni. Az elérhető érzékenység kiváló: minden beérkező foton akár 900 elektron áthaladását is lehetővé teheti. Fényintenzitás mérése fotodiódával Amint azt korábban említettük, a fotodiódák egy félvezető p n átmenetet tartalmaznak. A fotodiódák jelét kétféleképpen olvashatjuk ki : feszültség áram átalakítóval fotovoltaikus üzemmódban (photovoltaic mode, PV) ésáram feszültség átalakítóval fotokonduktív üzemmódban (photoconductive mode, PC). A fotodiódák karakterisztika görbéit a ráeső fényintenzitás (fény/optikai teljesítmény) függvényében az alábbi ábra mutatja.
Fényintenzitás mérése fotodiódával a fotovoltaikus működési mód A fotovoltaikus (PV) üzemmódban a diódát nem feszítjük elő negatív irányban, hanem a rajta átfolyó áramot egy terhelő ellenálláson keresztül arra használjuk, hogy feszültségjelet generáljunk. Az alábbi műveleti erősítős kapcsolás ezt végzi oly módon, hogy az erősítő nagy bemeneti ellenállása szolgál terhelő ellenállásként. A PV üzemmód előnye, hogy nem szükséges külső feszültségforrás a szenzor működéséhez. Ez egyúttal csökkenti a sötétáram szintjét is, vagyis nagy érzékenységű szenzorhoz jutunk, amit kis fényintenzitások mérésekor előnyösen alkalmazhatunk. Hátránya, hogy ilyenkor a fotodióda működési sebessége kicsi (azt saját kapacitása korlátozza) és hogy a kapott feszültségjel nem lineárisan arányos a fényteljesítménnyel (intenzitással). Érdekesség, hogy lényegében ezen az elven működnek a napelemek, amelyek a nagy áramerősség érdekében nagy felületűek. Fényintenzitás mérése fotodiódával a fotokonduktív működési mód A fotokonduktív (PC) üzemmódban a diódát negatív irányban előfeszítjük és a fény hatására rajta átfolyó áramot mérjük. Az elektromos áram minimális értékét (sötétáram) a termikus zaj határozza meg. A PC üzemmód előnye, hogy ilyenkor a fotodióda igen gyors működésű és az áram válaszjel lineárisan változik a fényteljesítménnyel (intenzitással). Hátránya, hogy kisebb az érzékenysége a sötétáram miatt és külső feszültségforrást igényel.
Fényintenzitás mérése fotodiódával speciális fotodiódák PIN fotodióda: a p és n rétegek közé egy vastag, nagy tisztaságú, intrinsic (szennyezetlen, I) félvezető réteget iktatnak be. A lyuk elektron pár képződése a kiürített (depletion layer) részén valósul meg a p n átmenetnek, ezért étavastag I réteg beiktatása tá a kvantumhatékonyság ték növelését segíti, vagyis az érzékenységet fokozza. A p réteget is elvékonyítják a fotonok bejutásának segítésére. Mivel a saját kapacitása ennek a diódának a legkisebb, ezért ez a leggyorsabb fotodióda. Avalanche (lavina) fotodióda: ez a dióda úgy készül, hogy kimondottan magas záróirányú feszültségeket (több száz V) is elviseljen. Ennek az az előnye, hogy ezáltal a fotonok által keltett töltéshordozók az ellentétes potenciálú elektród felé haladva a nagy elektromos erőtérben erőteljesen felgyorsulnak és ütközések révén (ütközési ionizáció) másodlagos töltéshordozókat generálnak. Ez jelsokszorozáshoz vezet (gain): akár 1000 szeresére is növelhető így a jel. A konstrukció többféle lehet, az ábrán csak egy látható. Fényintenzitás mérése fototranzisztorral A fototranzisztor lényegében egy szokásos bipoláris tranzisztor, aminek a tokozása olyan, hogy a p n p (vagy n p n) átmenetet kívülről meg tudjuk világítani. Ennek az az eredménye, hogy a bázisáramot a fotonok indukálják, a tranzisztor pedig ahogy azt mindig is teszi (lásd balodali képet) a bázisáramot felerősíti (I CE = β I BE ), akár több százszorosára á is. + V CC A fototranzisztor így kellemesen nagy kimeneti jeleket szolgáltat, azonban érzékenysége nem jobb, mint egy fotodiódáé, és sebessége sem nagyobb.
Fényintenzitás mérése töltéscsatolt eszközzel (CCD) A töltéscsatolt eszköz (CCD, charge coupled device) érzékelők valójában fémoxid félvezető (MOS) típusú kondenzátorok, amelyek p n átmenetet tartalmaznak dielektrikumként. A p nátmenetn rétege nincs közvetlenül fémesen kivezetve, hanem egy szigetelő SiO 2 réteg van közbeiktatva és a fotonok áthaladását segítendő, PSkapu elektródát alakítanak ki. A negatív előfeszítésű p n átmenetben a fotonok hatására generálódó elektronok a p típusú (alsó) réteg közelében gyűlnek össze. Mivel a kondenzátor elektron tárolási képessége véges, ezért a CCD eszközöket mindig csak egy adott integrációs időig működtetik, majd amikor a kívánt fotonexpozíció megszűnik, a kapu (gate) elektróda feszültségét megszüntetik és kiolvassák a töltésmennyiséget, ami összegyűlt. Az érzékenységet azzal szokták fokozni, hogy a rétegszekezetet megfordítják és a Si szubsztrátot kimaratják, így a fotonok nagyobb hányada jut be. Ma a legtöbbször 2D tömböket képeznek CCD ből, képalkotásra. Fényintenzitás mérése aktív pixel szenzorral (CMOS) Az aktív pixel érzékelők (active pixel sensor, APS; a gyártástechnológiáról complementary metal oxide semiconductor, CMOS ként is ismert) érzékelők olyan integrált áramkörök, amelyek minden egyes fényérzékelő elem (fotodióda) mellett aktív erősítő/kiolvasó áramkört tartalmaznak (3 4 db FET tranzisztort). Valójában a CCD előtt valamivel fedezték fel őket (1969), azonban abban az időben a félvezetők CMOS gyártástechnológiája még kiforratlan volt, és a CCD töltéselvű kialakítása megbízhatóbban működött. Az 1990 es évekre azonban a CMOS gyártástechnológia egyeduralkodóvá vált a bonyolult (pl. mikroprocesszor, memória, stb.) IC kben, így ma már nagy előny, hogy ugyanazon a lapkán és anyagból lehet a fényérzékelőt is kialakítani, mint a kiolvasó áramkört (ezt a CCD nél egy sajátos módon oldották meg), ami számos képfeldolgozó algoritmus alkalmazását lehetővé teszi. A CMOS szenzorok gyorsabbak, olcsóbbak és kevesebbet fogyasztanak, mint a CCD. A fotondetektálás primer folyamata azonban hasonló: a fotodiódán alapul.