Sensores de luz

Sensores de luz Semiconductores fotoeléctricos Fototubos Fotomultiplicadores Cuando se habla de luz, entendemos radiación electromagnética en el rango de longitudes de onda visible por el ojo humano (350nm a 750nm). Pero los sensores que veremos pueden responder a longitudes por encima de la luz visible (infrarrojo) y/o por debajo (ultravioleta).

Para medir la radiación electromagnética en general, el "flujo radiante", se utiliza la unidad de potencia, el vatio (W). Pero hablando exclusivamente de luz visible, para medir la "sensación" luminosa visual o en términos físicos el "flujo luminoso", la unidad del Sistema internacional que se utiliza es el lumen. El lumen es potencia y equivale a 1/683 W en la longitud de onda de 555 nm. En otra longitud de onda esta equivalencia es distinta, ya que como dijimos el lumen es sujetivo, tiene en cuenta la sensación luminosa del ojo humano, y este es más sensible a unas longitudes de onda que a otras. Pasa medir la iluminación flujo luminoso por unidad de superficie, se utiliza el lux(lx) [lumen / metro cuadrado]. Por ejemplo una zona de trabajo bien iluminada tendrá 400 lx. Cuanto se quiere medir el nivel de iluminación de una fuente de luz puntual, caso de una bombilla o LED, se hace sobre una superficie esférica, (cuya unidad es el estereorradián; que es la superficie esférica con área igual al radio de la esfera al cuadrado), la unidad utilizada es la candela (cd) [lumen / estereorradián]. El mismo. Flujo radiante dentro de la luz visible produce distinto flujo luminoso dependiendo de la longitud de onda, debido a que la respuesta del ojo humano no es plana en el margen de longitudes de onda a la que es sensible.

Fotodiodo Estos componentes son sensores de radiación electromagnética de silicio. Tienen campos de aplicación muy diversos, desde espectrómetros, pasando por barreras ópticas, sensores de proximidad, mandos a distancia hasta comunicaciones con fibra óptica y muchos más.

Funcionamiento Un fotodiodo funciona como un diodo polarizado en inversa. Sin recibir ninguna radiación se mide una pequeña corriente inversa "corriente de oscuridad". Cuando incide radiación sobre su superficie, dicha corriente aumenta de forma bastante lineal con la potencia recibida.

El fotodiodo, entrega una corriente inversa proporcional a la potencia que recibe sobre su área fotosensible. Su sensibilidad (Responsivity) se suele dar por tanto en amperios por vatios A/W. Respuesta espectral La sensibilidad depende fuertemente de la longitud de onda. En la figura vemos la respuesta espectral de un modelo adecuado para 400a 1100 nm, con la máxima sensibilidad en 900nm. Se pueden conseguir en el mercado modelos con diferentes picos de respuesta en diferentes longitudes de onda, para distintas aplicaciones. Cuando se desea medir en una parte concreta del espectro, se interponen filtros entre el haz luminoso y la superficie activa del fotodiodo.

Respuesta espectral típica de un fotodiodo

Existen fotodiodos con distinta estructura en la unión PN, como: Uniones PIN (material tipo P-intrínseco, sin dopar -tipo N) que son muy rápidos Fotodiodo schottky sensibles a la radiación ultravioleta.

APD de avalancha para niveles bajos de radiación Y de materiales distintos del silicio, como nitruro de galio y aleaciones para radiación ultravioleta.

Una precaución básica con todos los detectores de este tipo es la limpieza de la ventana. Tocarla con los dedos implica una perdida de transmitancia, reduciendo la sensibilidad hasta el 30%.

Características En la tabla se ven las características más relevantes de un fotodiodo, el ODD 5W de Opto Diode Corp. Las características se dan para una temperatura de 25 °C ya que, por ejemplo, la corriente de oscuridad (Dark Current) es muy dependiente de este parámetro.

Medida con fotodiodo El acondicionador de señal típico de un fotodiodo es un circuito integrado, amplificador operacional montado para realizar la conversión de corriente a tensión (IV ó convertidor corriente tensión). El esquema básico se ve en la figura. La tensión de salida es proporcional a la corriente del fotodiodo, que como hemos visto es proporcional a la potencia de radiación recibida.

Respuesta

Vemos en la figura que la tensión de polarización mejora el rango dinámico. Una característica a tener en cuenta es el tiempo de respuesta, que suele ser bastante rápido; del orden de nanosegundos, este parámetro también depende bastante de la tensión de polarización V, que suele estar entre 0 y 5 voltios.

La relación señal ruido es importante ya que va ha determinar la resolución, un nivel de ruido alto a la salida del amplificador nos ocultaría pequeños cambios de intensidad luminosa.

Fototubo Es como el fotodiodo un sensor de radiación electromagnética. Su principal campo de aplicación lo tienen en el campo de la analítica biomédica y química.

Las principales características del fototubo son su fiabilidad que depende fuertemente de la tensión del ánodo, a más tensión menor vida útil.

Su velocidad de respuesta, del orden de los picosegundos, cubre además un gran rango dinámico, desde pico amperios hasta microamperios, con excelente linealidad. Como exponen a la radiación incidente mayor área fotosensible que los fotodiodos, su sensibilidad resulta también mayor. Lo que lo hace ideal para niveles bajos de radiación. Otro factor de mérito apreciable es la poca influencia de la temperatura sobre la respuesta del Fototubo.

Funcionamiento del fototubo El principio de funcionamiento del fototubo esta basado en el efecto fotoeléctrico; cuando un fotón (radiación electromagnética), con la emergía suficiente incide sobre una superficie metálica (fotocátodo), donde los electrones no están sujetos a enlaces fuertes, estos pueden saltar de la superficie. S¡ cerca de la superficie, colocamos un elemento (ánodo) polarizado con un voltaje

positivo, será capaz de captar los electrones liberados de su superficie. La corriente de electrones en el circuito de polarización es proporcional a la radiación electromagnética que ¡incide sobre la superficie del fotocátodo.

Aunque hay una amplia variedad de presentaciones, en general ánodo y fotocátodo están dentro de una ampolla de material transparente y al vacío.

Respuesta espectral Con fototubos se puede cubrir un rango de longitud de onda desde 100 a 1100 manómetros seleccionando el modelo adecuadamente. En la tabla podemos ver distintos modelos, su rango espectral de funcionamiento y su aplicación típica. Cada tramo de longitud de onda de trabajo depende del material del fotocatodo y de la composición del cristal transparente de la ampolla.

En la figura vemos las curvas de respuesta para distintas composiciones del fotocátodo. La respuesta espectral no es plana, sino que presenta un pico a una longitud de onda, como vemos en la figura.

Las características que da el fabricante en los catálogos son: ∗ La respuesta espectral en nm. ∗ La longitud de onda de pico ∗ La tensión de polarización del ánodo ∗ La corriente máxima. ∗ La corriente de oscuridad ∗ el rango de temperatura de trabajo. ∗ El área fotosensible. ∗ Tiempo de respuesta ∗ La sensibilidad a la radiación en varias longitudes de onda en mA/W. Medida con fototubo La forma de medir la corriente de salida es muy similar a la del fotodiodo, el circuito acondicionador de señal tiene que convertir corriente a tensión: y además hay que polarizar el Fototubo. Pero en este caso con tensiones del orden de cientos de voltios. En la figura vemos un IV como acondicionador de tensión.

Fotomultiplicador

Características destacadas de los fotomultiplicadores son: ∗ su buena linealidad ∗ su velocidad de respuesta del orden de 30 pico segundos. ∗ También presenta corriente de oscuridad debido a corriente fugas, emisiones termoiónicas y otras causas.

Con este dispositivo se miden radiaciones tan bajas que se pueden contar fotones.

Es un tubo de vacío, que tiene una ventana de entrada, transparente a los fotones, un fotocatodo sobre el que inciden los fotones, unos electrodos de enfoque para dirigir los electrones a unas placas llamadas dinodos, dispuestas a lo largo del tubo y al final de este un ánodo.

Principio de funcionamiento Los fotones entran por la ventana, chocan contra el fotocátodo que a consecuencia del choque emiten electrones denominados primarios o fotoelectrones. Estos son enfocados electrostática mente contra el primer dínodo que al estar polarizado positivamente, atrae a los electrones que chocan contra el con energía.

Como consecuencia del choque se liberan más electrones secundarios de los que chocaron. Estos a su vez son atraídos por el siguiente dinodo ya que está polarizado más positivamente que el anterior. Este a su vez expulsa más electrones secundarios y así hasta el último dinodo. Al final y polarizado más positivamente que las placas anteriores está el ánodo que recoge los electrones y

a través de las conexiones salen al exterior del fotomultiplicador; produciendo una corriente en el circuito de polarización.

En la figura se ve un dibujo explicativo. La pila polariza el fotomultiplicador. La parte más positiva es el ánodo, placa de la derecha, y según se va a la izquierda 2 dínodos son cada vez menos positivos. El diseño del conjunto está optimizado para facilitar la trayectoria de los electrones por su interior, los hay con los dínodos en posición longitudinal o dispuesta en forma circular.

Respuesta espectral En la figura se puede ver una curva de sensibilidad para distintas aleaciones. El fotocátodo convierte energía luminosa en energía eléctrica, la eficiencia con que lo hace depende de la longitud de onda. Esta relación se denomina respuesta espectral. La sensibilidad radiante es la relación entre la corriente generada por el fotocátodo y el flujo radiante de entrada. Y su eficiencia cuántica, la relación entre los fotoelectrones emitidos y los fotones recibidos.

Las ventanas se fabrican de material de gran tansmitancia en las longitudes de onda de trabajo.

Algunos materiales son cuarzo, borosilicato muy utilizado, cristal UV especial para ultravioleta y zafiro. Los fotocátodos se clasifican por el modo de emitir fotoelectrones, como de reflexión o corno de transmisión. Los últimos se colocan en la superficie de la ventana y cuando incide u fotón por delante, por detrás se libera un fotoelectrón.

Los de reflexión se colocan separados de la ventana en la trayectoria de los fotones y emiten un fotoelectrón por la misma superficie en la que incide el fotón.

La sensibilidad del fotocátodo depende de la composición utilizada para su fabricación. Se fabrican de distintas aleaciones de materiales según la zona del espectro de trabajo, algunos materiales son: galio, indio. cesio, fósforo, plata etc.

Medida con fotomultiplicadores Se utiliza una fuente de alta tensión con divisores de tensión resistivos, como se ve en la figura.

La corriente de salida se puede medir con un IV. Lo normal es recibir impulsos de corriente que se procesan con IV como los vistos en el caso del fotodiodo y fototubo. Circuitos electrónicos posteriores realizan el conteo de electrones.

Conteo de fotones Cuando la radiaciรณn de entrada es alta, los pulsos de salida se solapan dando lugar a un nivel de corriente continua en funciรณn de la intensidad. Pero si la radiaciรณn a la entrada es muy baja, los pulsos de salida se distinguen unos de otros, esta zona de trabajo se denomina de simple fotoelectrรณn y se puede realizar un conteo de electrones con circuitos digitales.

Esquema de conteo de fotones.

Primero se amplifica el pulso, luego se discrimina para eliminar los pulsos de bajo nivel que pueden ser debido a corrientes termoiรณnicas. Luego se conforma el pulso para que pueda ser procesado por un sistema digital y finalmente se cuenta.