полупроводниковый оптический датчик

Формула изобретения

Полупроводниковый оптический датчик, содержащий два фоточувствительных элемента, электрически связанных с двумя последовательно включенными источниками электропитания, отличающийся тем, что в него введены два полевых транзистора, конденсатор и пассивная индуктивность, а в качестве фоточувствительных элементов использованы фоторезисторы, причем затвор первого полевого транзистора через первый фоторезистор и первый источник электропитания соединен со стоком второго полевого транзистора, а затвор второго полевого транзистора через второй фоторезистор соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки первого и второго полевых транзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго фоторезистора и первому полюсу второго источника электропитания, а второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключается первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к стоку второго полевого транзистора, вторым полюсам первого и второго источников электропитания, которые образуют общую шину, к которой подключена вторая выходная клемма.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано как датчик оптического излучения в различных устройствах автоматического управления технологическими процессами.

Известны устройства для измерения интенсивности оптического излучения, которые состоят, из фотодиода и операционного усилителя. Фотодиод представляет собой полупроводниковую p-i-n структуру, в которой тонкие проводящие слои p и n-типа разделены областью нелегированного высокоомного кремния (i). При попадании на p-i переход световых лучей возникает фототок, величина которого изменяется линейно в зависимости от интенсивности падающего света. Преобразование ток-напряжение с обеспечением линейности выходного напряжения осуществляется с помощью резистора в цепи обратной связи операционного усилителя [1].

Недостатком таких устройств является низкая чувствительность, особенно в области слабых интенсивностей оптического излучения, так как при этом резко снижается скорость оптической генерации носителей заряда.

Наиболее близким техническим решением к изобретению можно считать фотоэлектрический преобразователь [2]. Его конструкция представляет собой высокоомную полупроводниковую подложку, на которой расположен канал с низкой концентрацией легирующей примеси, на котором сформированы области стока и истока с высокой концентрацией легирующей примеси, имеющие тип проводимости, противоположный типу проводимости подложки. Поверх канала расположена H-образная накопительная область затвора с типом проводимости подложки. H-накопительная область собирает заряды, возникающие при освещенности поверхности прибора. Величина тока, протекающего между истоком и стоком через накопительную область, измеряется в соответствии с ее потенциалом.

Недостатком известного устройства является низкая чувствительность и точность измерения, связанная с тем, что изменение освещенности канала полевого транзистора приводит к небольшим изменениям напряжения на затворе, а это в свою очередь - к небольшим изменениям тока стока.

В основу изобретения поставлена задача создания полупроводникового оптического датчика, который обладает высокой чувствительностью и точностью измерений.

Поставленная задача решается таким образом, что в известном устройстве преобразование тока в напряжение заменяется в предполагаемом устройстве преобразованием управляемого светом сопротивления в частоту, для чего конструкция устройства выполнена в виде полупроводникового оптического датчика, содержащего два фоточувствительных элемента, электрически связанных с двумя последовательно включенными источниками электропитания, в которой введены два полевых транзистора, конденсатор и пассивная индуктивность и в качестве фоточувствительных элементов использованы фоторезисторы, причем затвор первого полевого транзистора через первый фоторезистор и первый источник электропитания соединен со стоком второго полевого транзистора, а затвор второго полевого транзистора через второй фоторезистор соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки первого и второго полевых транзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго фоторезистора и первому полюсу второго источника электропитания, а второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключается первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к стоку второго полевого транзистора, вторым полюсам первого и второго источников электропитания, которые образуют общую шину, к которой подключена вторая выходная клемма.

Использование предлагаемого устройства для измерения интенсивности оптического излучения повышает чувствительность и точность измерения информативного параметра за свет выполнения емкостного элемента колебательного контура в виде полевых транзисторов, в котором изменение сопротивления фоторезисторов под действием оптического излучения преобразуется в изменение емкости, что обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора величины напряжения источников электропитания.

На чертеже представлен полупроводниковый оптический датчик содержащий источник постоянного напряжения 1, который осуществляет электрическое питание через фоторезистор 2 полевых транзисторов 3 и 4, причем затвор полевого транзистора 3 соединен через фоторезистор 2 со стоком полевого транзистора 4, а затвор полевого транзистора 4 через фоторезистор 5 соединен со стоком полевого транзистора 3, истоки полевых транзистор 3 и 4 соединены между собой. Параллельно стокам полевых транзисторов 3 и 4 подключена последовательная цепочка, состоящая из пассивной индуктивности 6 и конденсатора 7, совместно с источником электрического питания 8. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 7 и общей шиной.

Полупроводниковый оптический датчик работает следующим образом. В начальный момент времени оптическое излучение не действует на фоторезисторы 2 и 5. Повышением напряжения управляющих источников 2 и 8 до величины, когда на зажимах сток-сток полевых транзисторов 3 и 4 возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на зажимах сток-сток полевых транзисторов 3 и 4 и индуктивным сопротивлением пассивной индуктивности 6. Конденсатор 7 предохраняет источник 8 управляющего напряжения от короткого замыкания через индуктивность 6, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующей подаче оптического излучения на фоторезисторы 2 и 5 происходит изменение их сопротивления, что приводит к изменению емкостной составляющей полного сопротивления на зажимных сток-сток полевых транзисторов 3 и 4, а это в свою очередь вызывает изменение резонансной частоты колебательного контура.