2장 광센서 (B)

CNU EE 2-2

광센서

- 광도전 셀 (photocell) : photoconductivity- 포토다이오드(photodiode) : photovoltaic effect- 포토트랜지스터 (phototransistor)- 광전관, 광전자증배관 : photoelectric effect

CNU EE 2-3

§ 구조와 동작원리• 보통의 트랜지스터와 마찬가지로 베이스(base; B), 이미터(emitter; E),

컬렉터(collector; C)를 갖는다.

• 포토트랜지스터는 등가적으로 그림 (b)와 같이 포토다이오드와 트랜지스터를 조합시킨 것으로 생각할 수 있어 트랜지스터의 증폭작용에 의해고감도의 광 센서가 얻어진다.

• 광전류가 발생하는 원리는 포토다이오드와 같다.

2.4 포토트랜지스터

CNU EE 2-4

• 베이스(B)컬렉터(C) 접합이 역바이어스, 베이스(B)이미터(E) 접합이 순바이어스가 되도록 이미터와 컬렉터사이에 전압을 인가한다.

• 빛이 입사되면 베이스 영역에서 전자정공 쌍이 발생하고, 발생된 전자는 컬렉터 측으로, 정공은 이미터 측으로 이동한다. 이것이 베이스 전류의 역할을 함으로써 컬렉터이미터 사이에 광량에 대응하는 전류가 흐르며, 이 전류 값으로부터 빛의 강도를 알 수 있다.

• 포토트랜지스터의 출력전류 :

: 트랜지스터의 이미터 접지 증폭률LFEC IhI =

FEh

CNU EE 2-5

2.5 복합 광 센서• 발광소자와 수광소자(광 센서)를 조합시킨 것

- 수광소자 : phototransistor와 이것을 달링톤으로 접속한 것이 주로

- 최근에는 출력 측의 주변회로(증폭회로, 슈미트 트리거 회로 등)를 동일칩에 집적화한 IC 수광소자도 시판되고 있다.

- 발광소자와 수광소자의 거리 : 3[mm], 7.5[mm] 등이 보통이다.

CNU EE 2-6

• 구조와 동작원리

2.5.1 포토인터럽터(photointerrupter)

§ 투과형(transmissive; 透過型)

- 발광소자와 수광소자를 일정거리로 대향시켜 배치시킨 구조

- 두 소자 사이를 물체가 통과할 때 생기는 광량의 변화를 수광소자가받아 물체의 유무와 위치 등을 검출한다.

- 물체의 유무와 위치검출을 목적으로 한다.- 구조에 따라 투과형과 반사형으로 구분한다.

CNU EE 2-7

- 발광소자와 수광소자를 나란히 배치한 것

- 발광소자에서 나온 빛이 물체에 닿아서 반사된 빛을 수광소자가 받아반사광 강도변화를 검출하는 것이다.

§ 반사형(reflective; 反射型)

• 구조와 동작원리

CNU EE 2-8

§ 응용분야

-포토인터럽터는 물체의통과 또는 존재 유무를검출하는 목적으로 널리 사용되고 있다.

CNU EE 2-9

2.5.2 포토커플러(phtocoupler) 또는 옵토아이솔레이터(optoisolator)

• 포토트랜지스터를 사용한 포토커플러의 내부 구조의 일례

- 회로간의 신호전송을 목적으로 한다.

§ 구조와 동작원리

- 포토인터럽터와 마찬가지로 발광소자와 수광소자를 조합하여 한 개의소자로 한 것이지만, 포토인터럽터와는 달리 빛이 통과하지 못하는 흑색 수지로 패키징하여 외부광의 영향을 받지 않는 점이 다르다.

- 발광소자를 구동하는 입력 측과 신호출력 측은 전기적으로 절연되어있고, 발광소자를 직류에서 고주파까지 넓은 범위로 변조했을 때, 충실도가 높은 신호를 출력 측에서 얻어진다.

CNU EE 2-10

§ 특성• 전류 전달 비

연내력이 허용되는 범위에서 발광소자와 수광소자를 최대한 가까이하여CTR가 가능한 한 크게 되도록 설계한다.

CNU EE 2-11

• 응답속도

- 응답특성은 주로 수광소자의 특성에 의해서 결정된다.

CdS : ms, 포토트랜지스터 : us , 포토달링톤 : 수 us

- 고주파 신호를 충실히 전송할 때에는 고속 LED와 pin 다이오드를 조합.

- 응답특성은 입력전류와 부하저항에 의해서도 변화하므로, 출력측 임피던스를 고려해서 소자를 선택한다.

CNU EE 2-12

- 발광소자를 구동하는 입력 측과 신호 출력 측이 전기적으로 절연되어 있고, 발광소자를 직류에서 고주파까지 넓은 범위로 변조했을 때, 충실도가높은 신호를 출력 측에서 얻는다.

- 이 같은 특징이 있으므로 변성기(transformer)나 전자(電磁) 릴레이(magnetic relay) 대신에 소형․고신뢰성의 소자로 사용되거나, 외부로부터 전자계 유도를 받지 않고 임피던스가 다른 회로 사이에 신호를 전송하는 인터페이스 소자로 OA, FA 기기, 가전 등에 널리 사용되고 있다.

§ 응용 분야

CNU EE 2-13

CNU EE 2-14

CNU EE 2-15

2.6 광전자 방출효과를 이용한 센서

• 광전효과(photoelectric effect)

2.6.1 광전효과

- 진공 속에 놓여있는 금속이나 반도체에 빛을 조사할 때 그 표면으로부터진공 속으로 전자가 방출되는 현상

- 이때 방출되는 전자를 광전자(photoelectron)라고 부른다.

CNU EE 2-16

• 일함수(work function)

- 금속진공 계면에는 (+)전하인 금속이온과 (-)전하인 전자 사이에 형성된전기 이중층이 전도전자에 대해서 전위장벽을 형성한다. 금속내부의 전자가 이 전위장벽을 극복하고 진공으로 방출되는데 필요한 에너지를 일함수(work function)라고 부른다.

- 금속에 일 함수 또는 그 이상의 에너지를 갖는 빛(광자)이 입사되면, 전자는 전위장벽을 극복하고 진공 속으로 방출된다.

- 일함수 이하의 에너지를 갖는 빛이 입사하면 전자는 방출되지 않는다.

CNU EE 2-17

2.6.2 광전관 (光電管 ; phototube)§ 구조와 동작원리

- 광전음극(photocathode)과 양극(plate)이 유리관에 봉입되어 있는 2극관.

- 광전음극 : 빛에 대해 높은 감도를 갖는 광전면이 있고, 여기에 빛이 입사하면 광전자가 방출된다.

- 양극 : (+)전압을 인가하여 방출된 광전자를 수집하고, 입사광의 세기에 비례하는 양극 전류가 흐른다.

- 유리창(window)의 재질에 따라 적외선 영역의 감도가 크게 변한다

CNU EE 2-18

2.6.3 광전자 증배관 (photomultiplier)§ 구조와 동작원리

- 광전자 방출용 음극(photocathode), 복수 개의 2차 전자 방출용 전극인다이노드(dynode), 2차 전자를 수집하는 양극(plate)이 진공 유리관내에봉입되어 있다 .

CNU EE 2-19

- 빛이 음극에 입사하면 광전면으로부터 광전자가 방출되고, 이들 광전자가가속되어 다이노드에 충돌하면, 그 결과 다이노드는 2차 전자(secondary electron)를 방출한다.

- 입사전자(I1)에 대한 2차전자 (I2) 의 비( )는 다이노드의 재료(Cs3Sb, BeO, NEA, GaP 등) 및 가속전압(100~800[V])에 의존한다.

21 / II=d

40~3=d

CNU EE 2-20

§ PMT 종류• Construction

- Head-on type (End-on type)* 창의 내부 표면에 반투광성 photocathode (transmission-mode

cathode)를 갖는다.* side-on type 보다 더 좋은 uniformity * photosensitive area의 선택성 : from tens to hundreds of square

centimeters)

CNU EE 2-21

- Side-on type* 빛이 유리관의 측면으로부터 입사한다. * 비교적 저가* 일반적으로 spectrophotometer 와 general photometric system 에

널리 사용됨.* opaque photocathode (reflection-mode photocathode)와 circular-

cage structure electron multiplier를 채용한다. 이들은 비교적 낮은전압에서도 good sensitivity와 high amplification을 가진다.

CNU EE 2-22

• Electron multiplier

- Circular cage type : (원형초점식)* side-on type의 PMT에서 주로 사용* compactness, fast response and high gain obtained at a relatively low supply voltage.

CNU EE 2-23

- Box-and-grid type (박스 – 그리드 식)* quarter cylindrical dynode의 train로 구성됨. * good electron collection efficiency and excellent uniformity * Head-on type photomultiplier tube에서 광범위하게 사용

CNU EE 2-24

- Linear-focused type (직선 초점식)* extremely fast response time * time resolution과 pulse linearity 가 중요한 응용분야에서 널리 사용된다. * large output current

CNU EE 2-25

§ 응용 예

- 광전자 증배관은 현존하는 광 검출기 중에서 최고의 감도를 가지며, 광전면으로부터 전류출력을 외부증폭회로 없이 증폭하면 잡음을 감소시킬수 있고, 고이득, 고속응답이 가능하다. 응답시간은 전자의 주행시간에따라 결정되며 1~10 [ns]이다. 광전자 증배관의 신호 대 잡음비(S/N)는매우 높으며, 광자 1개가 입사하는 경우라도 검출할 수 있다.

- 광전자증배관은 높은 감도, 빠른 응답속도를 가지기 때문에 극미약광의검출기로써 의학, 이과학, 정밀계측 분야에 널리 사용되고 있다.

CNU EE 2-26

광센서

- 광도전 셀 (photocell) : photoconductivity- 포토다이오드(photodiode) : photovoltaic effect- 포토트랜지스터 (phototransistor)- 광전관, 광전자증배관 : photoelectric effect

Sensor System Design

- 7-segment, FND(Flexible Numeric Display)- 기본 예제 프로그램 설명

- 과제내용⦁ 기본 예제 프로그램을 활용하여 FND 조합 변경⦁ 카운트 시간 변경하기⦁ 카운트 증가(0-->9999)를 (9999-->0)으로 동작하게 변경⦁ 스위치 동작를 통해 FND 동작을 제한 시키기(두개의 예제 프로그램 합쳐보기)