CC BY
94
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЕМНИКА
АНОМАЛЬНОГО ФОТОНАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОПТОЭЛЕКТРОННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Нематжон Рахимович Рахимов
Новосибирский государственный технический университет, 630087, Россия, г.
Новосибирск, ул. Немировича-Данченко, 136, доктор технических наук, профессор кафедры защиты информации, e-mail: n_rah@ngs.ru
Донёрбек Дилшодович Алижанов
Новосибирский государственный технический университет, 630087, Россия, г.
Новосибирск, ул. Немеровича-Данченко, 136, аспирант кафедры автоматики, e-mail: doni.al@mail.ru
Вадим Аркадьевич Жмудь
Новосибирский государственный технический университет, 630087, Россия, г.
Новосибирск, ул. Немировича-Данченко, 136, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматики, e-mail: oao nips@bk.ru
Олег Кузьмич Ушаков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)361-04-71
Павел Вадимович Петров
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры метрологии и технологии оптического производства, e-mail: krasko.petroff@yandex.ru
В настоящее время вопросы исследования приемников оптического излучения (ПОИ) привлекают всё больше внимания специалистов в области разработки оптоэлектронных информационно-измерительных систем. В этом плане пленки, обладающие АФН (аномального фотонапряжения) - эффектами, представляют теоретический и практический интерес при создании первичных преобразователей -ПОИ.
Ключевые слова: АФН-элемент, оптоэлектроника, полупроводники.
RESEARCH RECEIVER OF ANOMALOUS PHOTOVOLTAGE FOR DEVELOPMENT OF OPTOELECTRONIC INFORMATION-MEASURING SYSTEMS
Nematzhon R. Rakhimov
Novosibirsk State Technical University (NSTU), 630087, Russia, Novosibirsk, 136 N. Danchenko St., Professor, Department of Information Security, e-mail: n rah@ngs.ru
Donyorbek D. Alijanov
Novosibirsk State Technical University (NSTU), 630087, Russia, Novosibirsk, 136 N. Danchenko St., Post-graduate student, Department of Automation, e-mail: doni.al@mail.ru
Vadim A. Zhmud
Novosibirsk State Technical University (NSTU), 630087, Russia, Novosibirsk, 136 N. Danchenko St., Professor, Department of Automation, e-mail: oao nips@bk.ru
Oleg K. Ushakov
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Assoc Prof, Department of Nanosystems and Optotechnics, tel. (383)361 04 71
Pavel V. Petrov
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Assoc Prof, Department of Business Process Management, e-mail: krasko.petroff@yandex.ru
Currently, the research questions of optical radiation receivers (ROR) attract more attention specialists in the field of optoelectronic information - measuring systems. In this regard, the film having APF(anomalous photovoltage) - effects are the theoretical and practical interest in creating primary converters - ROR.
Key words: APF-element, optoelectronics, semiconductors.
Во всех применяемых в оптоэлектронике ПОИ, электрический сигнал формируется не за счет энергии света, а в результате вызываемого световым сигналом перераспределения энергии от независимого источника питания.
В отличие от обычных фотоприемников, АФН-элементы представляют собой ПОИ генераторного типа, т.е. пленки АФН-элемента непосредственно генерируют фотонапряжение, и являются электрическим генератором со световым питанием. Применение в оптоэлектронике АФН-элементов, как ПОИ автономного типа, открывают новые функциональные возможности в микроэлектронике. Например, в оптоэлектронных системах, где ПОИ служит АФН-элемент, не нужен источник электрического питания.
Для приборов на АФН-элементах необходимы индикаторы с высоким входным сопротивлением или согласующие звенья. Широкие возможности в микроминиатюризации открывают МОП - транзисторы и другие приборы с изолированным затвором.
В информационно - измерительных системах с большим числом элементов, сложные функциональные элементы такие, как АФН-элементы более перспективны. Их использование позволит снизить стоимость устройства при одновременном значительном увеличении общей надежности.
Если в оптоэлектронных микросхемах в качестве фотоприемника использовать АФН-элементы, то приборы смогут работать в области нановатного диапазона мощности. Они становятся практически энергонезависимыми, а в условиях естественной радиации, действуют без внешнего источника электрического питания.
К сожалению, очень мало изучено полупроводников, из которых можно получить АФН-элементы. Эти элементы очень чувствительны к магнитным, электрическим полям. В АФН-элементах наблюдаются фотовольтаические,
фотомагнитные и магнито-оптические эффекты. Кроме того, в поляризованном свете проявляются многие свойства АФН-элементов. Основные характеристики и свойства АФН-элементов, определяющие области их технического применения, находятся на стадии изучения. В них протекают многообразные микропроцессы, для изучения которых необходимы новые методы изучения, такие, как методы компьютерного моделирования, изучение процессов на основе АФН - элементов.
Одной из областей применения АФН - пленок может стать оптическая толщина материала, где к фотоприемнику предъявляются требования высокой чувствительности. На рис.1, а приводится функциональная схема датчика толщины рулонных материалов (полимерные материалы, искусственная кожа, линолеум и др.) непосредственно на технологической линии их изготовления.
Рис. 1. Функциональная схема датчика толщины рулонных материалов (а)
и поясняющие построения (б и в)
Работа датчика основана на том, что толщина рулонного материала - 2 перекрывает часть луча, распространяющегося от источника 1 излучения в направлении фотоприемника 4 и создает на нём тень на чувствительной поверхности фотоприемника 4.
Высота тени пропорциональна толщине материала. Чем выше тень, тем меньше количество светового потока, попадающего на фотоприемник.
Для непрерывного контроля в зону подается измерительный вал 3, вращающийся с постоянной скоростью, вместе с ним рулонный материал 2, а также инвертирующее устройство 5, служащее для установления прямой пропорциональности между выходным сигналом ивыхдатчика и толщиной рулонного материала.
Характеристика преобразования датчика толщины определяется следующим образом. Сначала рассчитывается зависимость между количеством попадающего на чувствительную поверхность фотоприемника светового потока Фик толщиной h рулонного материала. Это можно сделать в том случае, если известна диаграмма направленности силы излучения источника. Для светоизлучающих диодов она обычно в относительных единицах приводится в справочниках. Тогда, аппроксимируя эту диаграмму соответствующим уравнением, можно определить полный световой поток Фпол , распространяемый светоизлучающим диодом в пространство [5]:
где I - сила излучения;
О - телесный угол.
После решения интеграла (1) мы можем придать абсолютное значение диаграмме направленности, т.к. величина номинального полного светового потока светоизлучающих диодов также приводится в справочниках.
Для расчета количества потока Ф, попадающегося на чувствительную поверхность фотоприемника, необходима знать ее форму и размеры. Пусть фотоприемник имеет прямоугольную поверхность с высотой В и шириной А (рис. 1, в).
Тогда количество потока Фн, попадающего на часть поверхности фотоприемника, т.е. приходящегося на прямоугольник высотой В-Н и шириной А (при условии отсутствия потерь в среде распространения), определяется по формуле (2):
где Пн - телесный угол, заключенный в четырехугольной пирамиде, грани которого образуют полупрямые, начинающиеся в центре источника и приходящие через точки пересечения сторон прямоугольника (В-Н)хА.
Вместе с тем, телесный угол определяется как отношение площади G сферической поверхности к квадрату ее радиуса по формуле (3):
Фпол=/4я/ (П)ад,
(1)
(2)
где G - поверхность сферы, вырезанной выше описанной четырехугольной пирамидой.
Тогда, используя зависимости (3) и (2), можно получить поверхностный интеграл (4):
фн = Дх,ул> ^ (4)
где I (x,y,z) - описание зависимости 1(0) в прямоугольной системе координат
Х,У^.
Решая по формуле (5) поверхностный интеграл для конкретного значения Н, получим одну точку зависимости:
Фн= f (В-Н) (5)
Присваивая Н различные значения, рассчитаем всю зависимость, в целом. Для дальнейших расчетов необходимо знать энергетическую характеристику фотоприемника. Люкс - вольтовая характеристика АФН -пленок является существенно нелинейной с насыщением при высоких значениях освещённости.
Для работы датчика выбирается линейный участок этой характеристики и поэтому можем записать:
Цфп=кФн, (6)
где ^фп - фотонапряжение на АФН - пленке, генерируемое падающим на нее световым потоком Фн;
К - крутизна характеристики.
Подставляя (5) в (6), получаем уравнение для инвертирующего
устройства в виде (7):
^вых = и0 - Цфп , (7)
где ио - постоянное напряжение.
Окончательное выражение для характеристики преобразования датчика определяется по формуле (8):
^вых = и0 - к^В-Н) (8)
Оценим чувствительность датчика. Пусть толщина h рулонного
материала увеличилась на +Д^ тогда выходной сигнал увеличится также на Д^выхи чувствительность S датчика определится по формуле (9):
ш _ ивыхЬ+АЬ-ивыхЬ _ кГ(В-Н)-(В-Н-АН)
Из чертежа (рис.1, б) имеем (10):
АН = -М ,
к
(10)
где L - расстояние от источника до фотоприемника;
11 - расстояние от источника до оси измерительного вала.
Теперь заменяя зависимость А(В-Н) «а(В-^) , путем линеаризации ее в точке (В-Н), а также считая АН малой величиной и используя выражение (10), уравнение (9) можем записать в виде (11):
Отсюда видно, что чувствительность датчика прямо пропорционально связана с крутизной К энергетической характеристики фотоприемника. Поэтому применение высокочувствительных АФН - пленок в качестве фотоприемника в данном датчике и определяет во многом его работоспособность. Чувствительность датчика можно повысить также за счет роста отношения L/^1; правда, это можно делать до определенного предела. С ростом расстояния L резко падает интенсивность светового потока, доходящего до фотоприемника, и она может оказаться за порогом чувствительности последнего.
Расчет параметров рассматриваемого датчика производится в следующей последовательности. При заданных значениях номинальной толщины h - ном рулонного материала, ее отклонений и известном диаметре D измерительного вала (в качества его можно использовать любой из подающих валов, имеющихся в технологической линии и подходящих для этой цели) рассчитывается расстояние 1±. Затем, исходя из паспортных данных светоизлучающего диода и линейного участка энергетической характеристики АФН - пленки, определяем максимальное расстояние L, при котором в отсутствии рулонного участка материала световой поток, подающей на АФН - пленку размером В х А имеет значение находящегося на границе линейного участка. Отношение L/^1 с использованием выражения (10) позволяет рассчитать Нном и АНмах. Расчет характеристики преобразования датчика приведен выше. При недостаточной мощности одного светоизлучающего диода можно использовать несколько из них или удлинить ширину используемой АФН - пленки.
С этой целью составлены предписания алгоритмического типа для компьютерного моделирования процессов происходящих в АФН -элементах.
(11)
Проведены экспериментальные и теоретические исследования существующих материалов и работ по АФН - элементам из элементарных и сложных материалов, из которых можно получить высоковольтные аномально большие фотонапряжения [2].
В результате исследований составлены эквивалентные схемы АФН -элементов. На основе предложенной модели анализируются основные свойства и характеристики АФН - элементов.
Оптоэлектронные методы и устройства на основе излучателя и АФН-приемника
Изучение концентрации и состава различных веществ «- -► Измерение физикохимических свойств веществ и материалов -► Контроль цветовых параметров
Контроль окружающей «- -► Измерение координат, -► Контроль уровня,
среды толщины, диаметра и т.д. давлений, расхода
Измерение перемещений, Измерение плотности Многоволновые устройства
скоростей, движения и «- -► изделий (ткани, нити, -► для контроля оптических
вращательных моментов ленты, холста и т.д.) параметров жидких сред
Измерение жирности Регистрация оптических
Измерение деформации «- -► молока и молочных продуктов -► и радиационных облучений
Рис. 2. Систематизированная схема возможности применения АПОИ в области разработки оптоэлектронных информационно-измерительных системах
Расширение сфер и объёма применения АФН - приёмников для автоматизации производственных процессов связано с развитием технологии
получения АФН-плёнок, совершенствованием их применения в качестве ПОИ, а также развитием метрологии и светотехники.
Очень интересным и перспективным является применение АФН-приёмников в области разработки оптоэлектронных информационно -измерительных систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Найманбоев Р., Хатамов С. - В сб.: Фотоэлектрические явления в
полупроводниках. - Ташкент, 2004. - С. 165.
2. Рахимов Н. Р., Серьёзнов А. Н. АФН-пленки и их применение. - Новосибирск, 2005. - 65 с.
3. Игнатов А. Н. Оптоэлектронные приборы и устройства: учеб. пособие. - М.: Трендз, 2006. - 272 с.
4. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос, 1999. - 480 с.
5. Шамирзаев С.Х. Разработка оптоэлектронных датчиков для контроля физико-хими-ческих параметров веществ и материалов на основе АФН-приемника // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 56-59.
6. Рахимов Н. Р., Отажонов С. М., Алижанов Д. Д. Автономный приемник оптического излучения на основе АФН структур. - ФерГУ, Фергана, Узбекистан, 2011.
© Н. Р. Рахимов, Д. Д. Алижанов, В. А. Жмудь, О. К. Ушаков, П. В. Петров, 2014
