Photodiodenarray

CMOS-Fotodiodenarray der Firma Melexis in SMD-Bauform

Eine Fotodiodenzeile (engl. photo diode array, kurz: PDA oder diode array bzw.linear array) ist ein Halbleiterbauelement, auf dem mehrere Fotodioden in einer Reihe auf einem Chip zusammen mit Integrations- und Ausleseschaltung integriert sind. PDAs sind also spezialisierte CMOS-Sensoren, sie unterscheiden sich von diesen im Prinzip nur durch die nicht zwei- sondern eindimensionale Anordnung der Bildpunkte/Fotodioden.

Design

Eine Fotodiodenzeile besteht aus einer Gruppe linear (zeilenförmig) angeordneter Fotodioden sowie Versorgungs- und Ausleseschaltung, die häufig mit dem CCD-Prinzip arbeitet. Das zum Einsatz kommende Halbleitermaterial dieser Dioden richtet sich nach der spektralen Empfindlichkeit für den geforderten Wellenlängenbereich.

• UV/VIS/NIR (200-1100 nm): Si (Silizium)
• NIR/IR (900-2500 nm): InGaAs (Indium-Gallium-Arsenid) oder PbS (Bleisulfid)

Die Daten werden in der Regel seriell ausgelesen, je nach Typ als analoges oder über einen internen Analog-Digital-Umsetzer digitalisiertes Signal. Die Anzahl der Einzeldioden auf dem Chip ist begrenzt. Moderne Bauelemente können 128, 256, 512 oder auch 1024 Einzelelemente haben.

Es werden auch Anordnungen mit mehreren Fotodiodenzeilen nebeneinander gefertigt, z. B. zum gleichzeitigen Aufnehmen von Referenzdaten. Durch die begrenzte Anzahl der Einzelelemente ist die Auslesezeit sehr gering (weniger als eine Millisekunde), Maßnahmen zur Gewährleistung der Stabilität und Reproduzierbarkeit der analogen Messwerte sind aufwendig ('Dummy'- oder 'Referenzdioden', Kühlung und Temperaturregelung) und wirken sich auf den Preis aus.

Anwendung in Spektrometern

Die Fotodioden-Arrays sind hier meist hinter einem Polychromator angeordnet und sind der ortsauflösende Strahlungsdetektor für das Spektrum.

Sie sind erhältlich für Ultraviolett, sichtbares Licht und nahes Infrarot. Zusammen mit dem dispersiven Element bildet sie ein simultan arbeitendes Spektrometer (Optical Multichannel Analyzer, kurz:OMA, oder Multi Channel Spectrometer, kurz: MCS, genannt).

Spektrometer mit Diodenarray-Detektor sind preislich günstiger als klassische, scannende Spektrometer.

Vorteile

• sehr schnelle Erfassung eines weiten Bereiches des Lichtspektrums, damit für Anwendungen geeignet, bei denen Veränderungen verfolgt werden müssen.

Nachteile

• die minimalen Abmessungen der Einzeldioden begrenzen die optische Auflösung, sie ist in der Regel schlechter als bei „klassischen“ Spektrometern.

Einsatzgebiete

• Diodenarray-Spektrometer
• Handmessgeräte für Farbe, Feuchte, Schichtdicke etc.
• Analysentechnik im Labor, z. B. Flüssigkeits-Chromatografie oder HPLC
• Winkelsensorik
  • Drehwinkel- und Drehmomentsensor in elektrischen Servolenkungen
  • Optoelektronische Winkellagegeber, Inkrementalgeber und Absolutwertgeber
• Entfernungsmessung - Geräte zur optischen Abstandsmessung (Triangulation)

• Barcodelesegeräte

Weblinks

• [1] - iC-LF1401, Pinkompatibler Ersatztyp für TSL1401 von iC-Haus
• [2] - MLX90255, Automotive-Typ mit 128 Pixeln von Melexis