שיקולים בבחירת טכנולוגיית החיישן האופטי המתאים

9 נובמבר, 2015

בחירת הגלאי האופטי המתאים לכל יישום אינה מלאכה קלה. הבנת היתרונות הייחודיים לכל טכנולוגיית חישה אופטית, מאפשרת לבחור בגלאי המתאים ביותר ליישום הספציפי

בחירת הגלאי האופטי המתאים לכל יישום אינה מלאכה קלה. הבנת היתרונות הייחודיים לכל טכנולוגיית חישה אופטית, מאפשרת לבחור בגלאי המתאים ביותר ליישום הספציפי

מאת: צחי סבתי, מנכ"ל חברת איזק סיינטיפיק

[email protected]

www.IzakScientific.com

בחירת הגלאי האופטי ליישום הספציפי יכולה להיות משימה מאתגרת. החידושים הטכנולוגיים מאפשרים מבחר רב כל-כך של גלאים אופטיים, בקונפיגורציות מגוונות, שקשה מאוד לקבל החלטה מושכלת. כיצד לבחור את הגלאי הנכון כאשר יש כל-כך הרבה אפשרויות זמינות?

במהלך הבחירה יש לקחת בחשבון גורמים רבים: רגישות, אורך גל, הספק, היענות, וכמובן צורכי ומגבלות היישום עצמו. היישומים יכולים לערב דגימות הספק אופטי גבוה או דגימת הספק נמוך מאוד, עד לרמת  הפוטון הבודד. כדי להתמודד עם סבך השאלות, ראוי להבין קודם כל את מושגי היסוד בתחום הגלאים.

הקטגוריות של גלאים אופטיים כוללות:

• פוטודיודות
• CCDs
• Avalanche photodiode
• Photomultipliers – PMT
• Photo-resistors
• CCDs
• Photoconductors

כללית, כל הגלאים האופטיים הללו עובדים על בסיס עיקרון האפקט הפוטואלקטרי. אם לפוטון של אור יש יותר אנרגיה מאשר אנרגיית הסף של ההתקן המוליך למחצה, אך עדיין נמצא בתחום הבליעה, הפוטון נבלע בהתקן וכתוצאה מכך אלקטרון מקבל אנרגיה המאפשרת לו "לעלות" לצבר רמות האנרגיה הנקרא פס ההולכה. בהפעלת מתח על ההתקן, אלקטרונים אלו זורמים וניתן למדוד זרם חשמלי פרופורציוני להספק. צריך להתחשב בגורמים רבים (כגון הפילטר הספקטרלי, רגישות הגלאי, האופטיקה המצומדת לגלאי, העבירות האטמוספרית, ועוד) כדי לתרגם חזרה את הזרם החשמלי להספק הנמדד.

פוטודיודות

Photodiode מורכב מצומת PN או דיודות צומת P-ו-N עם ממתח אחורי לפעולתם (reverse bias). לגלאים אופטיים אלו היענות הזרם עולה באופן ליניארי בהתאם להארה על הגלאי. לעתים קרובות photodiode ארוז עם מגבר trans-impedance, כך שמתח המוצא מהמגבר עולה באופן ליניארי בהתאם להארה של הגלאי (במקום הזרם). קריאה של המתח נוחה יותר ליישומים מעשיים ומודול הכולל גלאי ומגבר יכול לשמש לעמדת חישת תנועה, צילום, זיהוי ברפואה, בתקשורת ועוד.

גלאי photodiode מבוססי סיליקון (צורן, Si) הם מגוונים ומסוגים רבים. אנרגיית המרווח של גלאי סיליקון מאפשרת חישת אורכי גל מאולטרה סגול ועד לאינפרא אדום קרוב, וכולל כמובן את התחום הנראה לעין (בטווח של 300 ננומטר ועד 1,100 ננומטר). סוגי הגלאים נבדלים ברגישויות שונות בתחומים ספקטרליים שונים בתחום רגישות הגלאי – יש גלאים שיותר רגישים לאולטרה סגול בעוד שגלאים אחרים רגישים יותר לתחום האינפרא אדום הקרוב.

שימוש בגלאים אלו יכול להיעשות לדגימת אותות אנלוגיים או דיגיטליים. חישת אורכי גל בתחום האינפרא אדום הקרוב (NIR) יכולה להתבצע באמצעות פוטודיודות Ge או InP, וחישה של אינפרא אדום באורכי הגל הקצרים (SWIR – Short wave IR) יכולה להתבצע באמצעות פוטודיודות InGaAs (עד ל-2.5µm בגלאי InGaAs ייעודיים). באמצעות גלאי InSb ניתן למדוד גם את טווח MWIR.

בתקשורת סיבים אופטיים נוטים לערב פוטודיודות בטכנולוגיית צומת p-i-n או שימוש בחיישני avalanche photodiode, וזאת עקב הרגישות המוגברת של גלאי avalanche. לעתים קרובות נעשה שימוש בחיישנים אלו עבור יישומי רשתות תקשורת מקומיות או יישומי LAN. כאשר צורכי היישום דורשים רגישויות גבוהות יותר, כגון מדידת לייזרים בעלי הספק מוצא נמוך או יישומי תקשורת סיבים כאשר האור עבר כברת דרך ארוכה, פוטודיודות avalanche  הן האפשרות הטובה ביותר. עם סוג זה של גלאי, הספק אופטי נמוך יכול להיות מוגבר משמעותית לאות יציאה גבוה. בכל מקרה, השיקול לבחירה הוא יחס אות לרעש גבוה (SNR).

גלאי פוטורזיסטור

בגלאי פוטורזיסטור (Photoresistor) התנגדות הגלאי קטנה ככל שעולה הספק האור המאיר את הגלאי. בשל העלות הנמוכה של גלאי פוטורזיסטור, הם משולבים כמדי אור הנותנים קריאה בינארית (יש\אין אור) בפנסי רחוב להפעלה אוטומטית של הפנסים כאשר היום מחשיך, וביישומים רבים בהם צריכים לבצע מדידת אור בינארית.

גלאי CCD

תמונה יכולה להירכש על-ידי גלאי CCD – charge coupled device, אשר עושה שימוש בפיקסלים בנפרד כבורות פוטנציאל עצמאיים. הפיקסל משמש כבור פוטנציאל המתמלא אלקטרונים כתגובה לחשיפת אור תוך שימוש במנגנון Photo-capacitance. עם התקני CCD רבים המשתמשים בין 5 ל 10 מיליון פיקסלים, יש מרווח חישה חוזי עצום, ומספר הפיקסלים על התקנים אלו וצפיפותם ממשיך לגדול.

חיוני לציין כי גודל מערכי הפיקסלים משפיע על מהירות העברת המידע מהתקן ה-CCD לזיכרון, ומשפיע באופן ישיר על קצב דגימת התמונות. כמו-כן, כאשר עושים שימוש ב-CCD עם מקורות אור חזקים, לדוגמה שימוש ב-CCD כמאפיין פרופיל האלומה של לייזר (Beam Profiler), יש צורך לצמד להתקן ה-CCD (או לשים בדרך האופטית שבין המקור לגלאי) מנחתים כגון מסנני צפיפות נייטרליים או מנחתים גיאומטריים. 

מכפיל אור, טרנזיסטור אופטי וחיישני נקודה אופטיים

התקן מכפיל אור (PMT – photomultiplier tube) הוא סוג של שפופרת ואקום. בתוך שפופרת הוואקום מותקנת פוטו-קתודה המשחררת אלקטרונים בתגובה לאינטראקציה עם קרינה (כלומר כאשר אור פוגע בפוטו-קתודה משתחררים אלקטרונים). בין הקתודה לאנודה ישנן דינודות (אלקטרודות נוספות), וכאשר אלקטרון פוגע בדינודה משתחררים מספר אלקטרונים ונוצר אפקט הכפלה.

אות המוצא של התקן מכפיל האור גדול משמעותית מאות הכניסה עקב אפקט ההכפלה, והתוצאה היא שמתקבל התקן מאוד רגיש ובעל רעש נמוך. באופן טבעי, היישומים של מכפיל האור\ הם כאלו בהם הדיוק חיוני, כגון אסטרונומיה ורפואה. יש לציין שכדי שההגברה תהיה יציבה יש צורך במקור מתח מאוד יציב למכפיל האור, ולכן ההתקן הזה נחשב יקר.

בטרנזיסטורים אופטיים (Optical transistors) יש פוטו-דיודה במקום דיודה רגילה בשער. בתגובה לאור השער נפתח, והטרנזיסטור נכנס לפעולה אקטיבית. לעתים קרובות, טרנזיזטור אופטי משמש לצימוד אופטי כאשר המעגל דורש בידוד ממקורות חשמל. גם לתחום הצומח של ננו-טכנולוגיה יש השפעה גם על חיישנים אופטיים, וכעת נמצאים בפיתוח באקדמיה ובמכוני מחקר חיישני נקודה קוונטיים (Quantum dot detectors) לשימוש במחשבים קוונטיים ולדימות תאים לצרכים רפואיים ולמחקר ביו-פיזיקלי.

סיכום 

הטבלה למטה מציגה את קטגוריות החיישנים המרכזיות, על-מנת לאפשר התמקדות מהירה בטכנולוגיה המתאימה ליישום הנדרש:

Figure 3: חיישנים אופטיים ליישומים השונים

כמובן שקיימים עוד סוגים נוספים רבים של חיישני אור שלא פורטו בכתבה. לצורך איתור מדוייק של גלאי האור הנדרש, אנחנו מספקים ייעוץ. בנוסף, נוכל לספק פתרון כולל של חיישן, אופטיקה, מגבר, ממיר אותות ותוכנה שתותקן על מחשבך לצורך קריאת החיישן בהתאם לשימוש הנדרש. כמו כן נוכל לבצע מדידות וכיולים כדי להציג את האור הנמדד ביחידות פיזיקליות ממשיות (כגון צפיפות אנרגיה, צפיפות הספק, טמפרטורה, וכו') בתוכנת מחשב.

בכיול חיישנים אופטיים נעשה שימוש במקור קרינה מדויק (כגון נורת פליטה, גוף שחור, וכו') וחישובים הכוללים את ההיענות הספקטרלית של הרכיבים האופטיים השונים, העבירות האטמוספרית או העבירות בתמיסות או במדיומים אחרים, כושר הפליטה של האובייקט וכו'.

פורסם בקטגוריות: אלקטרואופטיקה , חדשות