1 Szenzorok Zaja Szentpáli Béla MFA

kitérő2 Miért zaj? Prof. Ambrózy András OTKA + COPERNICUS OTKA (2002-5) konferencia: 2,5-3,5 szeres

3 Vázlat: Bevezetés érzékenység, dinamika-tartomány Bevezetés érzékenység, dinamika-tartomány Jósági tényezők Jósági tényezők zaj-eqiuvalens jel, tangenciális érzékenység, zajtényező, zajhőmérséklet, stb. Fizikai fluktuációk Fizikai fluktuációk ellenállás, dióda Példák Példák ellenállás-hőmérő, fotoellenállás, Hall-eszköz, mikrohullámú detektor dióda, fotodióda. Összefoglalás Összefoglalás

4bevezetés A szenzor válaszfüggvénye

5bevezetés érzékenység ↔ dinamika tartomány fotodetektor antireflexiós bevonat mikrohullám hangolás hőmérséklet hőhíd nyomás deformáció

6bevezetés a háttér szerepe

7bevezetés lehetséges hátterek elektromos zavarok háttérsugárzás hűtött falak termikus generáció hűtött szenzor

8bevezetés Mekkora a zaj? Méréstől függ! Gyakorlati, mérnöki leírás: idő ablakban (time domain) jósági tényező (figure of merrit) A fizikai fluktuáció leírása: frekvencia ablakban zaj spektrum (dimenzió: A 2 /Hz, V 2 /Hz, P/Hz, A/√Hz, V/√Hz, stb.!)

9bevezetés idő ablak ↔ frekvencia ablak Fourier transzformáció: Wiener-Khinchine tétel: Példa: Példa: Boode-, v. Lorenz diagram,

10jósági tényezők zaj-equivalens jel ~teljesítmény (NEP) 4½digit DVM mechanical galvanometers ~ Hz 3 digit DVM moving coil instrument ~2 Hz Phone voice ~3 kHz

11jósági tényezők szignifikánsan mérhető jel, tangenciális érzékenység (TSS) V p-p = 2.8 V eff TSS= 2.8 NES TSS= NES + 4 dB

12jósági tényezők zajtényező, equivalens zaj hőmérséklet és ellenállás zajtényező=10log(zajfaktor) : soros elemeké szorzódik! dB! equivalens zajforrás a zajtalan szenzor bemenetén: Equivalens zaj hőmérséklet: Equivalens zaj ellenállás: csak fehér zajra!

13jósági tényezők Műszaki jellemzők, jósági tényezők: Függenek: - érzékenység - háttér - szűrés-átlagolás, frekvencia független kifejezés csak fehér zajra alkalmazható Alkalmazhatók: - tetszőleges kétkapura - egymást követő egységek zajtényezői szorzódnak A zaj fizikai okáról nem tudnak Jósági tényező fizikai fluktuáció direkt számítás lehetséges

14fizikai fluktuációk Félvezető tömbi ellenállás zaja: Terminkus zaj, elektronok hőmozgása: (A hőmérsékleti sugárzás vezetett része, levágási fr. infravörösben) előfeszítés nélkül is észlelhető, abszolút zaj határ Gauss eloszlás

kitérő15 A termikus zaj abszolút limit! Pl. : Keithley műszerek felbontása

16fizikai fluktuációk Generációs-rekombinációs zaj, vezetőképesség moduláció, csak félvezetőkben! Eg Ec Ev ETET hν e-e-

17fizikai fluktuációk Generációs-rekombinációs zaj, PbS fotoellenállás, Rakovics Vilmos DUT Ri Keithley 195A DVM G 18 V

18fizikai fluktuációk 1/f zaj, ellenállás fluktuáció 1/f zaj, ellenállás fluktuáció Hooge –féle α zaj (1969) Empirikus képlet McWhorter- féle zaj (1955) folytonos eloszlású időállandók, 1/τ intenzitással, térben szétválasztva, ill. nem korreláló centrumok! példa: Si MOS csatorna α nem a remélt univerzális konstans (2*10-3) hanem anyag függő ….1. Ellenállás zaj, μ fluktuál, fonon szórás Gauss + eloszlás

19fizikai fluktuációk 1/f zaj, ellenállás fluktuáció a kiolvasáshoz előfeszítés kell térfogattal fordítva arányos U2zU2z ¼*U 2 z

20fizikai fluktuációk 1/f zaj, ellenállás fluktuáció Az MFA gázérzékelők Pt ellenállása: V= 405 μm 3 ; m= 8,67 ng ; N atom = 2,67*10 13 ; vegyérték : 2 α= 2*10 -3, I = 7 mA; R= 480 Ω ; T= 1000 K u 2 therm = 4kTRΔf = 2,65* V 2 Δf u 2 1/f = (I*R) 2 α Δf /(2Nf) = 4.22* V 2 * Δf /f töréspont: f= 15,9 Hz a Hooge-képlet fémrétegekre is érvényes a miniatürizálásnak korlátot állít!

21fizikai fluktuációk Diódák nincs szórás, 1/f~1/f 2 csak hibákon, sörétzaj, Poisson elaoszlás, nem abszolút korlát! I0I0 metal EFEF I+I 0 Schottky-diode EFEF p n p-n junction

22példák Tömbi ellenállás szenzorok Tömbi ellenállás szenzorok Termisztor nem túl kis térfogatú fém (Pt ellenállás hőmérő), csak termikus zaj, Tss feltétel: teljesítmény disszipáció! Fotoellenállás jó minőségű félvezető a sötétáramon csak termikus zaj van A fotoáram G-R zajt hordoz: t r is the transit time

kitérő23 Galvanomágneses effektusok J x =-qnv x =-qnμ n E x -qvB= -qμ n E x B Két eset: rövid, széles ellenállás hosszú, keskeny szerkezet

kitérő24 Galvanomágneses effektusok rövid, széles ellenállás: ellenállásnövekedés ΔR~B Corbino disc: ohmos Hosszú, keskeny eszköz: Hall feszültség ellenállásnövekedés ΔR~B 2 UHUH

25példák Rétegellenállások, mágnestér- érzékelő I VHVH B l w s t Hall - szonda Tanulság: SNR javul az előfeszítéssel, korlát a teljesítmény disszipáció SNR arányos μ*-gal termikus zaj 1/f

26példák Rétegellenállások, mágnestér- érzékelő Az MFA nyomás érzékelő : Felületi hatások, G-R ill. Felületi hatások, G-R ill. McWhorter- féle 1/f zaj stb. miatt végül is a p-n átmenettel határolt n-Si a legjobb!

27példák Mikrohullámú detektor dióda C j (V) RsRs R j (V)P δU~

28példák Mikrohullámú detektor dióda R s = 6 Ω Si Schottky detector diode from the Alpha Δf=100 MHz I 0 =8*10 -8 A; n=1.04; C j0 =0.11 pF; V D0 = 0.51 V; R s = 6 Ω

kitérő29 Mikrohullámú detektor dióda; soros ellenállás planár kialakításnál p ohmos Schottky n aktív réteg félszigetelő hordozó Ötvözött kontaktus n + kontaktuas réteg rch [  ]*L/p L

példák Fotodióda: záró előfeszítés p-n; p-i-n; hetero-; Schottky- foton háttér záró áram IpIp IbIb IrIr ITIT

31példák Lavina fotodióda letörésig előfeszített dióda (p-i-n) Minden áram lavina sokszorozódással erősítődik. erősítés: M, a zaja: S/N nő, mert a termikus zaj jelentősége csökken S/N –nek optimuma van, amikor a nevező két tagja egyenlő

32összefoglalás Összefoglalás A szenzorok használhatóságát a jósági tényezőkkel jellemezzük. Ezek értéke számos paramétertől függ, nem csak a fizikai fluktuációktól. (érzékenység, háttér, sávszélesség) A zajspektrumok ismeretében a jósági tényezőket számíthatjuk/tervezhetjük. Az ellenállás szenzorok jel/zaj viszonyát a konstrukciós paramétereken túl a disszipávió korlátozza.. Nemlineáris karakterisztikájú szenzorok esetén a jel/zaj viszony optimalizálható.