دانلود مقاله طراحی مدار تعیین موقعیت بر مبنای آشکارساز نوری اثر جانبی به روش تاخیر زمانی و مقایسه آن با روش اختلاف ولتاژ

بخشی از مقاله

مقدمه

حسگرهای نوری چهار ربعی و اثر جانبی، به طور معمول در سامانه های ردیابی و رهگیری استفاده می شوند. نوع اثر جانبی برای اندازه گیری موقعیت در محیط هایی با سیگنال های پس زمینه مختلف کارآیی لازم را دارد. حسگر موقعیت اثر جانبی شامل لایه مقاومتی یکنواختی است که بر یک طرف یا هر دو طرف زیرلایه نیم رسانا که دارای مقاومت ویژه بالایی است شکل می گیرد. در حالت یک بعدی، یک جفت الکترود برای به دست آوردن سیگنال های موقعیت در دو انتهای لایه مقاومتی قرار دارد و در حالت دوبعدی، دو جفت الکترود مقابل به هم در لبه های آشکارساز تعبیه می شوند. ناحیه فعال که همان لایه مقاومتی است، شامل یک پیوند PN است که بر اساس اثر فوتوولتایی، جریان نوری تولید میکند. زمانیکه پیوندPN توسط یک لکه نور روشن می شود، مقداری انرژی نوری در طول هر یک از صفحات پیوند ذخیره می شود. حال اگر این پیوند تحت گرایش معکوس قرار گیرد، این انرژی نوری به صورت افقی به سمت الکترودها که در کناره های پیوند تعبیه شده اند حرکت خواهند نمود.

این پدیده، »اثر جانبی نور« نامیده می شود که نخستین بار توسط شاتکی در سال 1930 میلادی کشف شد .[1-3] البته در آن زمان توجه زیادی به این پدیده نشد؛ ولی در سال 1959 میلادی این پدیده دوباره توسط والمارک به طور عملی مورد استفاده قرار گرفت. اولین سامانه ردیاب مبتنی بر آشکارسازهای حسگر موقعیت در سال 1989 توسط گرسون و همکارانش پیشنهاد شد که در آن به کمک آشکارساز، یک سیگنال خطا تولید می شد و با استفاده از آن به تصحیح موقعیت می پرداختند.

پدیده اثر جانبی نور از دیدگاه های مختلفی از قبیل هندسه و ساختار قطعه، ترکیب مواد به کار رفته در ساخت قطعه و همچنین نوع ساخت، توسط پژوهشگران مختلفی مورد آزمایش و ارزیابی قرار گرفته است. متداولترین هندسه های مورد توجه در این زمینه عبارتند از: یک وجهی، دو وجهی و پینکوشین. نورلانگ و میدل هوک، افرادی بودند که به طور عملی آشکارسازهای حسگر موقعیت نوع والمارک و دووجهی را ساختند .[2] در ادامه کار آنها، رز و اشمیت این کار را برای انواع دیگر آشکارساز حسگر موقعیت اثر جانبی توسعه دادند و اورب جزئیات مداری و مدارات پردازش سیگنال مربوط به آشکارساز را به دست آورد.

طراحی مدار تعیین موقعیت بر مبنای آشکارساز نوری اثر جانبی به روش تاخیر زمانی و مقایسه آن با روش اختلاف ولتاژ 93

از جمله کاربردهای این نوع از آشکارسازی تعیین موقعیت می توان به: سنجش مسافت، بینایی ماشین، میکروسکوپ نیروی اتمی، شکل دهی سطوح، روباتیک و ردیابی اشعه لیزر اشاره کرد.

آشکارسازهای نوری تعیین موقعیت اثر جانبی، بهطور معمول برای کاربردهای صنعتی و نظامی مورد استفاده قرار میگیرند .[4-12] عمده محدودیت تعیین موقعیت با این نوع حسگر به نویز موجود در آنها و نیز اثرات غیرخطی قابل توجه آنها برمی گردد.

شکل (1 نمای ساده از قسمتهای مختلف آشکارساز اثر جانبی. این ساختار برای حالت دو بعدی رسم شده است، اما برای سادگی، مختصات یک بعد در آن نشان داده شده است.

اصول عملکرد

وقتی یک لکه نور به سطح آشکارساز برخورد می کند، بار الکتریکی متناسب با شدت نور در محل برخورد تولید می شود. بار الکتریکی از لایه مقاومتی می گذرد و به عنوان جریان های نوری توسط الکترودها جمع آوری می شود (شکل .(1 بار الکتریکی، متناسب با عکس فاصله میان محل برخورد لکه نوری با هر الکترود، بین الکترودها تقسیم می شود. اعمال بایاس معکوس کامل به آشکارساز اثر جانبی، ضخامت لایه تخلیه میان لایه های p و n را افزایش داده وجریان نفوذی قطعه را تا حد صفر کاهش می دهد و از بازترکیب سطحی نیز جلوگیری می نماید. به منظور توضیح بیشتر، چگونگی تقسیم جریان بین الکترودها در شکل 2 نشان داده شده است. برای جریان I جاری از الکترود S
داریم :[3]

2011Summer2.No2.Vo
صنایع فصلنامه
QuarterlyIndustries شماره 2 دوره الکترونیک
Electronic 90 تابستان 2

٩٤ سعید علیایی

(1)

که کل جریان نوری تولید شده، L طول افزاره و a پارامتر تضعیف لوکووسکی و برابر است با:

(2)

که در آن Qn مقاومت ویژه ماده نوع Jd ،n چگالی جریان دیود، q بار الکتریکی، Wn ضخامت ماده نوع n ،k ثابت بولتزمن و T دمای مطلق است.

حامل های تولید شده به وسیله فوتونهای تابشی، بر اثر میدان پیوند از یکدیگر جدا می شوند و اثر فوتوولتایی موضعی تولید می کنند. جریان نوری حاصل که به زیرلایه دیود تزریق می شود برابر است با:

(3)

کهpd توان نور تک فام تابشی وRd پاسخ دهی آشکارساز در طول موج معین است .[4] رابطه میان موقعیت لکه نور تابشی بر سطح آشکارساز و جریان های نوری خروجی از کنتاکت ها((Ix2,Ix1، از روابطی که در ادامه داده شده است، پیروی می کند.

(4)

(5)

در این رابطه طول مقاومت (طول ناحیه فعال) و فاصله میان مرکز آشکارساز و موقعیت لکه نور تابشی است. شکل 2 بلوک دیاگرام مدار اولیه آشکارساز نوری اثر جانبی را نشان می دهد. برای زمانی که لبه آشکارساز به عنوان مبدا در نظر گرفته شود، داریم:

(6)

(7)

طراحی مدار تعیین موقعیت بر مبنای آشکارساز نوری اثر جانبی به روش تاخیر زمانی و مقایسه آن با روش اختلاف ولتاژ 95

که در آن کل جریان نوری، جریان خروجی از الکترود و فاصله میان لبه

آشکارساز و موقعیت لکه نور تابشی است.

شکل (2 بلوک دیاگرام کلی مدار اولیه آشکارساز نوری اثر جانبی.

با مشخص شدن جریان های و ، موقعیت لکه نور با استفاده از روابط فوق و مستقل از شدت نور تابشی و تغییرات آن به دست می آید. موقعیت X این مدار آشکارساز اثر جانبی مطابق

شکل 4، با استفاده از نرمافزار Pspiceتحلیل شده است که نتایج آن در بخش بعدخواهد آمد.مدار شکل4 نمیتواند پاسخگوی نیاز ما باشد، چراکه باید خروجی در مرکز آشکارساز به صفر میل کند.

برای برطرف شدن این مشکل، هر سیگنال را به دو قسمت مثبت و منفی تقسیم کرده و هر قسمت را به طور جداگانه بررسی می کنیم. مدار اصلاح شده در شکل 5 نشان داده شده است. خروجی این مدار نیز در شکل 6 آمده است.

آمادهسازی سیکنال در روش تاخیر زمانی

برای تبدیل اطلاعات مکانی موقعیت هدف، لازم است پرتو برگشتی توسط آشکارساز نوری اثرجانبی دریافت شود. مطابق شکل های 3 و 4، پس از برخورد پرتو با آشکارساز، جریان نوری به ولتاژ تبدیل شده و پس از تقویت کنندگی به یک مقایسه کننده می رود و سپس به سمت مدار تقسیم کننده هدایت می شود.

این مدار دارای پاسخ مطلوبی نیست؛ چراکه باید در خروجی یک سیگنال ثابت داشته باشیم که بیانگر مختصات لکه نوری تابیده شده بر سطح آشکارساز (XA) باشد، در حالی که آیسی تقسیمکننده، سیگنالهای ورودی را به صورت لحظه به لحظه بر هم تقسیم میکند. از آنجا که سیگنالهای ورودی به مدار مجتمع تقسیمکننده، سیگنالهای ثابت نیستند (زیرا نور تابیده شده بر سطح آشکارساز به

2011Summer2.No2.Vo
صنایع فصلنامه
QuarterlyIndustries شماره 2 دوره الکترونیک
Electronic 90 تابستان 2

٩٦ سعید علیایی

منظور تمیز دادن آن از روشنایی نور زمینه، با فرکانس چند کیلو تا چند مگاهرتز مدوله شده است)،

در خروجی سیگنال های متغیر با زمان خواهیم داشت. برای برطرف شدن این مشکل نیاز به یک طبقه اضافی بعد از طبقات تفریقکننده و جمعکننده به منظور به دست آوردن دامنه متناسب با سیگنالهای تفاضل و مجموع داریم. نتایج نشان می دهند که پاسخ آشکارساز حسگر موقعیت، با تغییر شدت نور تغییر می کند. در ادامه به بررسی پاسخ آشکارساز حسگر موقعیت اثر جانبی (LEP)

با تغییر موقعیت لکه نور می پردازیم.

معادله آشکارسازی موقعیت یک بعدی، با توجه به شکل 2 عبارتست از:

(8)

در رابطه فوق، و جریانهای خروجی به دست آمده از الکترودها هستند. پس از به دست آوردن جریان ها، می توان آنها را به صورت اختلاف ولتاژ بین دو الکترود در آورد:

طراحی مدار تعیین موقعیت بر مبنای آشکارساز نوری اثر جانبی به روش تاخیر زمانی و مقایسه آن با روش اختلاف ولتاژ 97

شکل :4 مدار جانبی آشکارساز اثرجانبی برای موقعیت .X

شکل :5 مدار جانبی اصلاح شده آشکارساز اثرجانبی برای موقعیت X

شکل (3 مدار جانبی آشکارساز اثرجانبی برای موقعیت .X

2011Summer2.No2.Vo
صنایع فصلنامه
QuarterlyIndustries شماره 2 دوره الکترونیک
Electronic 90 تابستان 2

٩٨ سعید علیایی

R25
100k
V3 HI 7 U7 R14 R13
15Vdc 5 HI 3
V+
OS2 + 100k 100
6
V4 OUT C2 C1 HI
220n 20u

0 15Vdc R29 1 -VOS1 - 2

LO 100k LM741 R21 C3

4

4.7kLO 220n

1

7

6

4
LO -V 3

G -
OUT LM311
U3 2
V+BB/S +
HI 85

R5

22k

R6

LO

5k

1

R3

100k
8
HI U1A 3
V+ +
OUT

1R H1

10k -+ H

0 0
R26
R37 100k
U13A 10k 1 U11 7 U8 R16 R15
HI V+ 5 HI 3
AD706/AD 4 R31 V+OS2 + 100k 100
LO
-V - 2 8 OUT IN 4 6 OUT C5 C4
1 10k -V 1 - 2 220n 20u
7 U15 OUT V BUF600X1/BBR32 VOS1 -
5 HI V+ + 3 V+ + 3 C6LM741 R22
OS2 10k 5 4
6 OUT R35 LO LO
8 R27 0 0
1 - - 2 10k
VOS1 0 7
R39 LM741 R38 100k U9 R18 R17
4 5 HI 3
1k LO U14A 10k V+OS2 + 100k 100
AD706/AD 4 R33 6 OUT C8 C7 HI
-V - 2 R30 1 - - 2
1 OUT 0 10k 100k R23 LM741 C9
HI R34 4
U16 V+ + 3 LO 4.7k 220n
14 VP X1 1 HI R36 10k 0 0
13 2
12 DD X2 3 8
11 W U0 4 10k R28
10 Z1 U1 5
9 Z2 U2 6 HI 100k
8 ER Y1 7
VN Y2 V1 V2 1 U12 7
AD734/AD -20mv 10Vdc V+ 5 HI 3
LO 100k 100
8 OUT IN 4 6 OUT C11 C10
0 0 V -V 1 - - 2 220n 20u
VOS1
BUF600X1/BB
C12LM741 R24
5 4
R40 LO LO 4.7k 220n 0
0
V
1meg

0


6
7

1

LO

1

7

6

شکل (4 مدار جانبی اصلاح شده آشکارساز اثرجانبی برای موقعیت .X

شکل (5 نمونه ای از خروجی مدار جانبی اصلاح شده آشکار ساز اثر جانبی یک بعدی

طراحی مدار تعیین موقعیت بر مبنای آشکارساز نوری اثر جانبی به روش تاخیر زمانی و مقایسه آن با روش اختلاف ولتاژ 99

(9)

همچنین می توان اختلاف تاخیر بین دو سیگنال را با استفاده از رابطه (10) به دست آورد که در این رابطه زمان تاخیر بین دو سیگنال است:

(10)

وقتی نقطه نوری روی سطح LEP برخورد می کند، یک توزیع حامل و یک شیب در غلظت حامل های اضافی ایجاد می شود. این نقطه نوری بدون هیچ میدان الکتریکی خارجی به روش گاوسی که توسط ضریب پخش و طول عمر بازترکیب القا می شود و به دلیل معکوس بودن LEP، به صورت جانبی یا عرضی، گسترش می یابد که اختلاف جریان به دست آمده را می توان به صورت اختلاف ولتاژ بین الکترودها جمع آوری کرد. در این روش تفاوت جریان منجر به حالت اختلاف ولتاژ می شود در حالی که تاخیر زمانی موجب اختلاف زمانی می شود که در این حالت پاسخ خطی تر می شود. برای شبیه سازی آشکارساز نوری اثرجانبی از معادله Lucovsky استفاده می کنیم 6] و :[7

(11)
در این رابطه v ولتاژ نوری آشکارساز، JS چگالی جریان نیم رسانا، c=C/A ، ضخامت ناحیه
ناخالص شده و مقاومت ناحیه فعال است. در بررسی سیگنال کوچک چون است
میتوان از آن صرف نظر کرد که معادله به صورت رابطه (12) به دست می آید 8] و :[13-16

(12)

با بهنجار کردن رابطه (12) تا مقدار بیشینه توسط ثابت زمانی RC معادله به صورت رابطه (13)

حاصل می شود.

(13)

2011Summer2.No2.Vo
صنایع فصلنامه
QuarterlyIndustries شماره 2 دوره الکترونیک
Electronic 90 تابستان 2

١٠٠ سعید علیایی

که در آن Rse مقاومت سری معادل، Rsh مقاومت شنت معادل، و است.

همچنین در این رابطه، ولتاژ در LEP است که به ولتاژ بهنجار می شود. همچنین توزیع جریان بهنجار شده را در سطح آشکارساز نشان می دهد .[3] رابطه

(12) به طور کلی برای هر آشکارساز نوری اثر جانبی که دارای نسبت مشابه باشد مناسب است.

این معادله را می توان با یک معادله مشابه برای توزیع جریان به جای ولتاژ جایگزین کرد. برای این کار باید شرایط اولیه و مرزی زیر در معادله (12) وجود داشته باشد.