a cura di Prof. Salvatore Traina A.s. 2012/2013 1
Trasduttori Definizione Un trasduttore (o sensore) è un dispositivo in grado di rilevare una grandezza fisica di tipo qualsiasi (termico, luminoso, magnetico, meccanico, chimico, eccetera) e di trasformarla in una grandezza di altro tipo, (generalmente elettrica). Il segnale elettrico generato dal trasduttore può essere analogico, ossia varia con continuità tra un valore minimo ed uno massimo, oppure digitale, nel qual caso il segnale elettrico generato è costituito da un valore numerico che rappresenta il valore della grandezza fisica da misurare. Si possono conseguentemente avere trasduttori analogici e trasduttori digitali. Nel primo caso, trasduttore analogico, si rende necessario la manipolazione del segnale in modo da adattarlo al sistema di elaborazione secondo lo schema a blocchi di figura Circ. di cond. Filtro, ampl. Offset fondo scala, S/H grandezze grand. Microprocessore trasduttore fisiche elettr. ADC P.C segnale analogico (0-5V) segnale digitale (10bit) Un segnale analogico potrà inoltre essere facilmente convertito in digitale (mediante un convertitore AD) ed acquisito da un sistema di elaborazioni dati e/o trasportato a distanza da un sistema di comunicazione dati. Classificazione I trasduttori possono essere attivi e passivi: Attivo se l effetto fisico su cui èbasato assicura la trasformazione in energia elettrica dell energia propria del misurando (termica, meccanica, d irraggiamento, ). Esempi: Termoelettrico (termocoppia), Piroelettrico(cristalli la cui polarizzazione dipende dalla temperatura), Passivo se l effetto del misurando si traduce in una variazione d impedenza dell elemento sensibile. Esempi: estensimetri, termoresistenze fotoresistenze ecc.. I trasduttori si possono distinguere in primari e secondari. Nei trasduttori primari la grandezza di ingresso viene trasformata direttamente nella grandezza di uscita.nei secondari, viceversa, la grandezza di uscita si ottiene dalla grandezza di ingresso in modo indiretto. Ovvero la grandezza di ingresso viene convertita in una grandezza intermedia e quest'ultima viene convertita nella grandezza di uscita. 2
Parametri di un trasduttore I parametri di un trasduttore sono: caratteristica di trasferimento linearità errore di non linearità portata sensibilità isteresi risoluzione errori di offset, errore di guadagno costante di tempo La caratteristica di trasferimento è la relazione fra l'uscita e l'ingresso del trasduttore e può essere di tipo lineare, esponenziale, logaritmico eccetera. Linearità La linearità è il parametro che evidenzia l'errore fra la retta che meglio approssima la caratteristica del trasduttore e la caratteristica stessa Un trasduttore è detto lineare se la sua caratteristica é lineare ciò è se la grandezza d uscita e direttamente proporzionale alla grandezza d ingresso. Errore di non linearità Il parametro del trasduttore che evidenzia l'errore (o deviazione) tra la caratteristica ideale teorica (funzione lineare) e la reale curva caratteristica ingresso/uscita del trasduttore è l errore di non linearità. La deviazione è calcolata rispetto alla retta di equazione che meglio approssima la caratteristica reale del trasduttore Tuttavia non vi è un metodo standard per tracciare la retta che fornisce la migliore approssimazione: alcuni considerano la retta che congiunge gli estremi della caratteristica nel range di lavoro, altri quella ricavata col metodo dei minimi quadrati. G.U Retta ideale Curva reale Errore max Fig. 1 G.I 3
Portata o range È il campo dei valori della variabile di ingresso entro il quale sono garantiti la linearità e l'integrità del trasduttore, ovvero, l intervallo di valori in cui il trasduttore lavora secondo i parametri stabiliti. Il range di ingresso (o campo di ingresso) definisce i limiti entro cui può variare l'ingresso; mentre il range di uscita (o campo di uscita) definisce i limiti entro cui può variare l'uscita. Sensibilità È il rapporto fra la variazione dell'uscita e la variazione dell'ingresso che la produce, cioè G.U sensibilità alta Δ I Fig. 2 sensibilità Δ U Sensibilità bassa G.I Un buon trasduttore deve avere una grande sensibilità (a piccole variazioni dell'ingresso devono corrispondere grandi variazioni dell'uscita). Se la caratteristica è lineare la sensibilità è la stessa in tutto il range di funzionamento, come nel caso di fig. 2, altrimenti cambia in funzione del punto di lavoro. Isteresi Alcuni trasduttori presentano una caratteristica diversa a seconda se l'ingresso passi dal valore minimo al massimo o viceversa (fig. 3). GU Fig. 3 curva d isteresi G.I 4
Risoluzione La risoluzione è il minimo valore del segnale di ingresso rilevabile dal trasduttore, riferito alla portata del trasduttore. Un buon trasduttore presenta una BASSA risoluzione (cioè può apprezzare segnali di piccolo valore riferiti alla portata del dispositivo). Errori di offset errore di guadagno GU B errore di guadagno A offset L errore di offset si quando dato un valore d ingresso nullo la corrispondente grandezza in uscita risulta diversa da zero esso può essere compensato con opportuni circuiti. Errore di guadagno È la differenza tra il guadagno della caratteristica ideale del trasduttore (A) e il guadagno della retta (B) che approssima al meglio la caratteristica ideale del trasduttore. L errore di guadagno è solitamente espresso in percentuale: GI Costante di tempo La costante di tempo t è il tempo necessario affinché l'uscita si porti entro il 63% del valore finale, nel caso in cui l'ingresso subisca una variazione brusca (segnale a gradino). La costante di tempo influenza la capacità del trasduttore a rispondere a sollecitazioni rapidamente variabili nel tempo. In particolare la massima frequenza sinusoidale applicabile al trasduttore senza che si abbia attenuazione apprezzabile è data dalla relazione: fmax=0.35/t Un buon trasduttore dovrebbe avere: caratteristica di trasferimento lineare range ampio alta sensibilità bassa risoluzione piccola costante di tempo assenza di isteresi 5
Cenni di struttura della materia (struttura cristallina del Si) Prima di affrontare lo studio dettagliato dei trasduttori facciamo un breve riepilogo sulla struttura cristallina dei semiconduttori che sono alla base di molti trasduttori. In un solido si può avere conduzione di carica elettrica (quindi passaggio di corrente) se sono disponibili portatori di carica liberi (elettroni) Isolanti, conduttori e semiconduttori In un isolante ideale, tutte le cariche elettriche sono legate ai rispettivi atomi. In un conduttore (metallo) è presente un numero molto elevato di portatori liberi e disponibili per la conduzione di carica. In un semiconduttore un certo numero di elettroni ha un legame debole e può facilmente liberarsi (ad esempio per ionizzazione termica) e diventare disponibile per la conduzione. Le proprietà di conduzione di un materiale possono essere caratterizzate dai parametri conducibilità σ (proporzionale al numero dei portatori di carica liberi) o resistività ρ. Per gli isolanti ρ > 105 Ω cm Per i conduttori ρ < 102 Ω cm Nei semiconduttori ρ ha un valore intermedio tra gli isolanti e i conduttori e può essere modificata in maniera controllata Struttura cristallina del silicio Il silicio in forma cristallina ha la stessa struttura reticolare periodica del diamante; ciascun atomo di silicio ha 4 elettroni che formano legami covalenti con i quattro atomi più vicini, disposti in una struttura tetraedrica, ipoteticamente, allo zero assoluto il silicio si comporta come un isolante perfetto. A temperatura ambiente alcuni elettroni possono liberarsi da un legame acquisendo energia per effetti termici, lasciando un legame incompleto (buca o lacuna). Quando si rompe un legame covalente, un elettrone abbandona il suo atomo, al quale rimane quindi associata una carica positiva libera, uguale in valore assoluto alla carica dell elettrone (generazione). Di fatto le lacune si possono considerare come portatori mobili di carica unitaria positiva (mentre gli elettroni sono portatori di carica negativa), disponibili per la conduzione di corrente elettrica. 6
La rottura di un legame può avvenire non solo per effetto dell agitazione termica ma anche per effetti fotoelettrici: se irradiamo un semiconduttore con fotoni di determinate frequenze questi possono, se energeticamente compatibili con l energy gap della struttura cristallina, rompere un legame e generare una coppia elettrone-lacuna. Nel silicio intrinseco il numero degli elettroni liberi è uguale al numero delle lacune, in modo tale che il materiale rimane elettricamente neutro. Elettroni e lacune liberi si muovono nella struttura cristallina e nel processo alcuni elettroni possono riempire alcune lacune (ricombinazione). La concentrazione di portatori di carica liberi può essere aumentata introducendo atomi droganti (impurità). Ad esempio si possono introdurre nel reticolo cristallino atomi con 5 elettroni esterni, come fosforo o arsenico (atomi donatori). Quattro elettroni formano legami covalenti con i 4 atomi adiacenti di silicio mentre il quinto elettrone, debolmente legato, si libera molto facilmente e diventa disponibile per la conduzione. Gli atomi donatori diventano cariche positive fisse nel reticolo. Il silicio drogato con donatori viene detto silicio di tipo N. È possibile drogare il silicio anche con atomi accettori (boro), che hanno 3 elettroni esterni. Questi atomi hanno un legame mancante che può essere riempito da un elettrone libero nel reticolo. In questo modo si crea una lacuna libera (carica positiva) disponibile per la conduzione di corrente nel semiconduttore. Gli atomi accettori diventano cariche negative fisse nel reticolo. Il silicio drogato con accettori viene detto silicio di tipo P 7
I meccanismi in base ai quali elettroni e lacune si muovono attraverso un cristallo di silicio sono due. Diffusione. Se la concentrazione, ad esempio di elettroni liberi, in una regione del silicio è maggiore di quella in un altra regione, allora gli elettroni diffondono dalla regione ad alta concentrazione a quella a bassa concentrazione. Questo processo di diffusione dà luogo ad un flusso di cariche elettriche, cioè a una corrente di diffusione Deriva. Il moto per deriva dei portatori di carica si ha quando un campo elettrico viene applicato attraverso un pezzo di silicio. Elettroni e lacune liberi sono accelerati dal campo elettrico e acquisiscono una componente di velocità detta velocità di deriva. Il flusso delle cariche elettriche che ne risulta dà luogo alla corrente di deriva Se mettiamo a contatto Silicio drogato di tipo P con Silicio drogato tipo N, a causa dei gradienti di concentrazione avremo diffusione: lacune da Si-P a Si-N ed elettroni da Si-N a Si-P ma la diffusione viene contrastata dalla corrente di deriva generata dal campo elettrico, che si va rafforzando per effetto delle migrazione delle cariche nelle due regioni, fino a quando si stabilisce un equilibrio dinamico tra le due correnti. A cavallo della giunzione PN, inoltre, il materiale presenta caratteristiche isolanti, tale zona viene detta zona di svuotamento, in quanto svuotata di cariche libere, Fig. 4 la giunzione PN IS corrente di deriva ID corrente di diffusione all equilibrio ID = IS. La giunzione può essere polarizzata direttamente, regione P che chiamiamo anodo al erminale di una batteria a potenziale maggiore (positivo), regione N al terminale a potenziale più basso, in questo caso, superato un certo valore soglia di d.d.p., necessario ad abbattere la zona di svuotamento, si ha una corrente elevata e la giunzione si comporta da corto circuito. Viceversa, scambiando i terminali, si ha la polarizzazione inversa: in questo caso si allarga la zona di svuotamento e la giunzione tende a comportarsi da circuito aperto ma, a causa dell agitazione termica, nella zona di svuotamento si creano delle coppie elettrone-lacune che danno luogo ad una debole corrente inversa che dipende dalla temperatura e non solo, come vedremo più avanti. 8
Principi di funzionamento dei trasduttori Per principio di funzionamento di un trasduttore s intende il principio fisico che regola la modalità di operare dell elemento sensibile. Trasduttori fotoresistivi I trasduttori fotoresistivi convertono una variazione di intensità luminosa in una variazione di una resistenza ΔR di un materiale semiconduttore, dovuta ad una variazione di quantità di luce incidente sul materiale (Fig.14). In genere sono dispositivi a semiconduttore (solfuro di cadmio, solfuro di piombo, silicio) nei quali l energia luminosa fa passare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione, migliorando la conducibilità del dispositivo (diminuendone la resistenza). Questi sensori, possono essere considerati come una sottocategoria dei sensori a comportamento resistivo. Trasduttori fotovoltaici I sensori fotovoltaici convertono una variazione di intensità luminosa in una variazione di tensione ΔE quando la luce incide sopra una giunzione. Sono realizzati con materiali semiconduttori, che forniscono una tensione d intensità proporzionale alla quantità di energia luminosa che li colpisce. Diversamente dai sensori a comportamento fotoconduttivo (fotoresistenze), questi sensori non sono passivi, in quanto sono essi stessi dei generatori di tensione. FOTORESISTORI I fotoresistori sono costituiti da materiali semiconduttori, la cui conducibilità è dovuta ai portatori di carica scaturiti dalla rottura di legami covalenti, nel momento in cui questo materiale viene esposto alla luce, l energia, E = h f con h = 4,15x10-15 e f frequenza associata alla radiazione luminosa, provoca la rottura di alcuni legami aumentando la conducibilità del materiale. Quando tornano le condizioni di buio, le cariche liberate dalla radiazione luminosa si ricombinano e si ritorna alla conducibilità relativa alla sola agitazione termica. Sottoponendo tali elementi dall oscurità ad una luminosità L = 1000 lux = 1,5 mw/m 2 le resistenze offerte possono essere comprese tra qualche M e alcune decine di. L energia necessaria per provocare la rottura del legame covalente è legata alla lunghezza d onda della radiazione incidente E = 1,24/λ (E = elettonvolts; λ = m). Quindi in base al semiconduttore utilizzato la fotoresistenza può essere maggiormente sensibile alle radiazioni visibili (solfuro di Cadmio CdS) oppure all infrarosso (solfuro di Piombo). Vengono realizzati ponendo uno strato sottile di materiale a forma di pettine su substrato ceramico. Il sensore viene quindi incapsulato in un contenitore trasparente. Di seguito alcune specifiche di una foto resistenza 9
Specifiche: fotoresistenza (min - max): 2-20 Kohm, resistenza in assenza di luce (dopo 10 sec.): > 2 Mohm, gamma a 10-100 Lux: 0,7 Potenza max dissipata: 100mW Tensione massima applicabile: 150Vdc Risposta spettrale di picco: 540nm Tempo di risposta in salita: 20ms Tempo di risposta in caduta: 30ms Temperatura di lavoro: -35 C ~ +70 C Dimensioni: D: 4.0 ± 0.2mm, d: 3.5 ± 0.2mm, H: 35.5 ± 2mm, T: 1.5mm, t: 0.40 ± 0.01mm, W: 2.5 ± 0.2mm FOTODIODI Un diodo polarizzato inversamente viene attraversato da una corrente inversa di saturazione dell ordine del na se di silicio, del A se di germanio. Questa corrente inversa è dovuta al flusso dei portatori minoritari creati dalla rottura dei legami covalenti grazie all energia termica che continua a scalzare elettroni di valenza dalla loro orbita e a mandarli nella banda di conduzione. Se si irradia la giunzione (e in particolare, la zona svuotata) con energia luminosa questa produce lo stesso effetto o, in altri termini, crea una coppia elettrone-lacuna. Dentro la regione di svuotamento, questa coppia è immediatamente separata dal campo elettrico che accelera l elettrone verso la zona N e la lacuna verso la zona P, quindi colpendo la giunzione con un onda raggiunte si passa dalla debole corrente di buio (na) ad una corrente di maggiore intensità (concorde con la corrente di buio) fino a qualche decina di A. La loro sensibilità spettrale dipende dal materiale impiegato con il silicio: si ottiene il max intorno ai 900 nm. Nei fotodiodi è notevole la luminosità tra fotocorrente e illuminamento, infine buona la rapidità di risposta ai fenomeni luminosi ( sec.), pertanto vengono usati nelle applicazioni ad alta velocità. I vantaggi rispetto ai fotoresistori sono: risposta spettrale in frequenza più elevata, migliore linearità, minore sensibilità ai rumori. Gli svantaggi: limitata intensità della fotocorrente (è necessario usare un amplificatore per aumentarla), forte indipendenza dalla temperatura. 10
In figura sono riportati il simbolo elettrico del fotodiodo e un fotodiodo a semiconduttore Fotocorrente I fotocorrente IμA fth frequenza di soglia fth f corrente inversa VA La corrente inversa aumenta con l intensità luminosa e, tipicamente, è dell ordine di qualche μa Se il fotodiodo non è irradiato, esso lascia passare lo stesso una corrente ancora più debole, detta corrente di buio (dark current), Curve tipiche di fotocorrente, ossia di corrente generata tramite illuminazione della giunzione sono mostrate in Fig. 5.9. Esse sono relative ad un fotodiodo pin e mostrano come siano sufficienti pochi volt (in polarizzazione inversa) per ottenere una fotocorrente. Questa è pressoché indipendente dalla tensione inversa, mentre dipende dall intensità d illuminazione L3 L2 L1 FOTOTRANSISTOR In pratica il fototransistor è equivalente al fotodiodo con annesso il circuito di amplificazione, la giunzione in gioco e quella di base- collettore di un BJT, esso si può immaginare come un normale BJT a base aperta con un fotodiodo collegato tra base e collettore con essi si possono ottenere correnti fino a decime di ma con illuminamenti fino a 10.000 lux in esso Ic = hfe IB (IP+I). I fototransistor nella maggior parte dei casi vengono utilizzati come interruttore. 11
Di seguito sono riportati alcuni parametri caratteristici di un fotodiodo e di un fototransistore tratti dal catalogo RS. Fotodiodo OP993 PIN Silicon Photodiode Corrente massima di oscurità 28.5μA Lunghezza onda di picco 850nm Massima corrente di buio 60nA Materiale fotodiodo Si Package TO-18 Potenza dissipata massima 100mW Rise time massimo 5ns Temperatura operativa massima 100 C Temperatura operativa minima -40 C Tempo caduta massimo 5ns Tensione di reverse massima 60V Tensione massima di forward 1.2V Fototransistore OP593 Series Silicon Phototransistors NPN Massima corrente di buio 100nA Lunghezza onda di picco 890nm Potenza dissipata massima 250mW Temperatura operativa massima 100 C Temperatura operativa minima -40 C Tensione massima CE 30V Tensione massima saturazione VCE 0.4V Tensione massima VCE 5V Come si vede dalle figure i due sensori hanno una forma identica e presentano entrambi due terminali in quando il fototransistore e a base aperta 12