A optoeletrônica está ocupando um lugar de destaque como novo ramo da tecnologia eletrônica. Dispositivos que empregam a luz e do espectro próximo do visível são cada vez mais usados em todos os campos de aplicações. Neste artigo analisamos um componente importante que tem uma função que no passado era realizada por válvulas. Trataremos de um sensor fotomultiplicador de estado sólido.
Um tipo de dispositivo que encontra aplicações principalmente em pesquisa é o fotossensor capaz de detectar intensidades luminosas extremamente baixas, chegando ao nível de um único fóton.
Com aplicações em pesquisas, na medicina, na física e em muitos outros campos, um sensor desse tipo ode ser útil em aplicações como detectar a luz emitida espontaneamente ou por excitação em diversas condições.
No passado tínhamos as válvulas fotomultiplicadoras para exercer a função de detecção de intensidades luminosas muito fracas, mas agora temos as versões modernas de estado sólido. Para que possamos analisar as versões modernas, inclusive dando um dispositivo prático que pode ser encontrado na Mouser Electronics (link no final do artigo), vamos começar analisando o funcionamento de uma válvula fotomultiplicadora.
A Válvula fotomultiplicadora
Um dispositivo antigo, que ainda apresenta um comportamento elétrico que o torna ideal para aplicações em que intensidades de luz extremamente pequenas devam ser detectadas é a válvula fotomultiplicadora ou tubo fotomultiplicador, como também é chamado. Na figura 1 temos o aspecto de um desses sensores fotoelétricos.
Para entender o princípio de funcionamento desse sensor fotoelétrico, podemos partir da estrutura mostrada na figura 2.
Quando um fóton de luz atinge o foto-catodo ele libera um elétron que é dirigido a um dinodo através da ação de um eletrodo de focalização. Ao incidir no dinodo, o elétron libera outros elétrons que são emitidos em direção a um segundo dinodo.
Da mesma forma, ao incidir num segundo dinodo, novos elétrons são liberados e emitidos num processo multiplicador. Assim no último dinodo já temos uma grande quantidade de elétrons, por um processo de multiplicação, os quais são então captados por um anodo, produzindo assim uma corrente de saída no dispositivo.
Pelo efeito multiplicador, a corrente que obtemos n saída é muito maior do que seria possível obter com um único elétron.
A sensibilidade de uma válvula desse tipo e, portanto, a corrente de saída obtida para cada fóton depende do número de dinodos usados. As válvulas fotomultiplicadoras são usadas nos processos em que quantidades extremamente pequenas de luz devam ser detectadas, por exemplo, um único fóton numa câmara de cintilação.
Essa câmara, usada em pesquisas nucleares contém uma substância que ao receber uma partícula atômica libera um fóton, produzindo assim uma cintilação. Com o uso de uma válvula fotomultiplicadores, esse fóton único pode ser detectado com facilidade.
Nas pesquisas mais simples, a radiação de uma substância pode ser avaliada observando-se essas cintilações num microscópio e fazendo sua contagem. Num processo mais elaborado pode-se fazer uso de uma válvula fotomultiplicadora para detectar essas cintilações sendo produzidos pulsos que podem ser contados automaticamente por um circuito. (Esta explicação encontra-se no site em nossa seção Almanaque com o código ALM256).
A versão de estado sólido – Um sensor integrado
O mesmo princípio empregado nas válvulas fotomultiplicadoras pode ser aplicado a dispositivo semicondutores, obtendo-se com isso sensores compactos e eficiente tanto para aplicações na faixa óptica como também na faixa dos raios gama.
A ideia básica consiste em se integrar fotodiodos de silício do tipo avalanche (SPAD) numa única pastilha de silício numa disposição apropriada. Esses diodos são capazes de detectar um único fóton.
Esses diodos são extremamente pequenos, com dimensões que variam de 10 a 100 um (micrômetros). Com essas dimensões podem ser integrados até 10 000 deles por milímetro quadrado.
Mas, como funciona um diodo tipo avalanche? Na verdade, qualquer diodo pode operar no modo avalanche. Quando o polarizamos no sentido inverso aumentando gradualmente a tensão, chega o momento em que ocorre uma ruptura.
Essa ruptura inversa faz com que os portadores de carga sejam liberados, no caso os elétrons e eles passam a se movimentar com grande intensidade. Um leva o outro e ocorre uma ruptura ou um efeito avalanche que nos diodos comuns causa a queima do componente.
Nos diodos zener este efeito é aproveitado para manter a tensão entre os terminais do componente sem causar sua queima. No caso dos diodos avalanche SPAD, este efeito é otimizado para termos uma avalanche de elétrons com um efeito muito rápido e a produção de um pulso sem que isso causa a queima do componente.
Nesse processo de avalanche, os elétrons livres se multiplicam e com isso basta um fóton, por exemplo, para desencadear um processo multiplicativo com uma corrente intensa de saída. Na figura 3 temos o que ocorre.
Nos sensores fotomultiplicadores cada um desses diodos opera como um fotossensor
Cada um desses diodos opera no modo Geiger, ou seja, polarizado inversamente com uma tensão próxima a ruptura, sendo um acoplado ao outro numa disposição em série através de um resistor.
Com isso, o conjunto pode detectar de 1 até 1 000 fótons gerando um sinal suficiente intenso para excitar outros circuitos.
Como se trata de um dispositivo de estado sólido ele pode trabalhar com uma tensão muito baixa, da ordem de 20 a 100 V, em comparação à exigida pelas válvulas fotomultiplicadoras que precisam de mais de 200 V tipicamente
Os tipos comuns operam na faixa da luz vermelha e no infravermelho-próximo. Uma desvantagem é a corrente relativamente elevada no escuro que exige que eles operem em baixas temperaturas.
A tecnologia da Broadcom
A Broadcom é uma empresa especializada na fabricação de fotomultiplicadores de silício, vendendo seus produtos através da Mouser Electronics, conforme link dado no final do artigo.
Seus produtos abrangem uma ampla gama de aplicações, incluindo as aplicações médicas. Física, consumo, etc.
Dentre as aplicações médicas podemos citar o sequenciamento genético, citometria, ensaios imunológicos, etc). Outras aplicações incluem o sensoriamento 3D (LIDAR) e em experimentos de física de alta energia.
Válvula (PMT) x Semicondutor (SiPM)
Até recentemente, o tubo fotomultiplicador (PMT), um componente a vácuo
disponível desde a década de 1940, tem sido o único disponível para aplicações de baixo nível de luz/contagem de fótons.
No entanto, a sua vulnerabilidade à luz ambiente, invólucro frágil e volumoso
carcaça, sensibilidade a campos magnéticos e exigência de
alta tensão torna este sensor difícil de usar em muitas aplicações
Quando tempo rápido, alta granularidade e sensibilidade, robustez e compacidade (para dispositivos portáteis) são considerados, o fotomultiplicador de silício oferece vantagens.
Desde a sua introdução, há algumas décadas, o O SiPM substituiu os PMTs devido a vantagens como maior sensibilidade, bom desempenho de temporização, possibilidade de construir matrizes com alta granularidade, compacidade e robustez, insensibilidade a campos magnéticos e baixa tensão e potência reduzida são preferidos. A tabela abaixo faz um comparativo de suas características:
Na figura 4 temos um exemplo de curva de sensibilidade espectral de um sensor desse tipo.
Na figura 5 – temos um arranjo típico dos fotodiodos de avalanche (SPAD) num chip para formação do sinal.
Uma outra característica importante deste tipo de dispositivo é a sua resposta da pulsos para diferente número de fótons mostrada na figura 6.
O AFBR-S4P11P012R – Fotomultiplicador de dois canais de Broadcom
É claro que não poderia faltar neste artigo um componente prático para que os nossos leitores pensem no seu projeto. Disponível na Mouser Electronics pelo link que damos no final do artigo, ele pode fazer parte de seu próximo projeto inovador.
O fotomultiplicador de canal duplo Broadcom AFBR-S4P11P012R é um fotomultiplicador de silício (SiPM) otimizado para detecção ultrassensível de luz na região do infravermelho próximo do espectro eletromagnético. Este chip de silício é encapsulado em um pacote robusto de estrutura de chumbo moldado por meio de um composto de resina que é altamente transparente aos comprimentos de onda vermelho e infravermelho.
O fotomultiplicador AFBR-S4P11P012R combina uma eficiência de fotodetecção muito alta com uma ampla faixa dinâmica devido ao pequeno passo da célula e ao rápido tempo de recarga. Esta região ativa fotomultiplicadora é dividida em dois elementos independentes iguais, que podem ser lidos independentemente ou conectados para obter uma área fotossensível geral. As aplicações típicas incluem alcance 3D (LiDAR), tempo de voo direto (dToF), robótica, drones e biofotônica. Na figura 8 temos o diagrama de blocos.
Especificações:
- Faixa espectral de 500 nm a 980 nm
- 1,57 - índice de refração de resina típico
- Eficiência de detecção:
28% de PDE em λ = 905 nm
26% de PDE em λ = 650 nm
37% PDE em λPK
- 61nA corrente escura
- Constante de tempo de recarga de 15ns
- Tensão de ruptura máxima de 37,5V
- Capacitância terminal nominal de 38pF
Mais informações em:
https://docs.broadcom.com/doc/Introduction-to-Silicon-Photomultipliers
