Redressement partiel d'un courant alternatif par une cellule au sulfure de cadmium éclairée non uniformément. Application à la mise en œuvre d'un capteur de déplacements micrométriques

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Submitted on 1 Jan 1969

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cellule au sulfure de cadmium éclairée non

uniformément. Application à la mise en œuvre d’un capteur de déplacements micrométriques

Jean Lochet

To cite this version:

Jean Lochet. Redressement partiel d’un courant alternatif par une cellule au sulfure de cadmium

éclairée non uniformément. Application à la mise en œuvre d’un capteur de déplacements mi-

crométriques. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1969, 4 (1),

pp.87-91. �10.1051/rphysap:019690040108700�. �jpa-00243160�

87.

REDRESSEMENT PARTIEL D’UN COURANT ALTERNATIF

PAR UNE CELLULE AU SULFURE DE CADMIUM ÉCLAIRÉE NON UNIFORMÉMENT

APPLICATION A LA MISE EN 0152UVRE D’UN CAPTEUR

DE DÉPLACEMENTS MICROMÉTRIQUES

Par JEAN LOCHET,

Laboratoire de Physique Expérimentale, Faculté des Sciences de Bordeaux.

(Reçu le 14 janvier 1969.)

Résumé. 2014 Une cellule commerciale au CdS recevant un éclairement localisé entre ses

électrodes présente ^{des courants de} photoconduction différents selon le sens de la tension continue qui ^{lui est} appliquée.

Sous tension alternative, et dans les mêmes conditions d’éclairement, la cellule redresse

partiellement ^{le courant} alternatif qui ^{la traverse.} L’intensité du courant redressé dépendant

très sensiblement de la position ^{de la zone} éclairée, ^{on a} pu réaliser un capteur permettant

la détection de déplacements de l’ordre du 1/25 ^{de micron.}

Abstract.

A CdS photocell illuminated in a narrow zone located between its electrodes is crossed by ^a current, ^the absolute intensity ^{of wich} changes ^{when the} polarity ^{of the} applied voltage ^{is reversed.}

So that when the photocell ^is illuminated as above and an alternating voltage applied, ^a rectifying ^{effect occurs.} Any ^small change ^{in the} position ^{of the} spot ^{causes a} very large change

in the intensity ^{of the rectified current. A detector} measuring displacements ^{of about}

0.04 micron has been constructed.

I. Introduction.

En 1964, ^{V. F.} Lysov signa-

lait [1] qu’un monocristal de CdS soumis à ^une d.d.p.

constante est traversé par des photocourants ^différents

suivant que l’on éclaire le voisinage ^{de l’une ou l’autre}

des électrodes ^en indium déposées ^{à sa surface.}

Indépendamment ^{de cet} auteur, nous avons cons-

taté qu’une ^{aire lumineuse localisée entre} les électrodes d’une cellule commerciale au sulfure de cadmium

produit ^des photocourants ^{distincts selon le sens} d’ap- plication d’une tension continue de valeur déterminée.

Cette observation laissant prévoir ^un phénomène ^de

redressement lors de l’application ^{d’une tension alter-} native, nous nous sommes proposés d’étudier la réponse

d’une telle cellule à ce mode de polarisation.

II. Cellule photoconductrice ^utilisée.

^{Nous avons} employé la cellule au sulfure de cadmium ORP 90 de la Radiotechnique. ^{Cette cellule} consiste essentielle- ment en une plaquette photoconductrice obtenue par

compression ^d’une poudre de CdS convenablement

dopé; ^cette plaquette (30 ^{X 10 X} 0,8 mm) ^traitée thermiquement (frittage) ^{allie une} grande photosensi-

bilité à une résistance mécanique suffisante.

La figure ^{1 montre la} disposition ^{des électrodes}

FIG. 1.

La plaquette photoconductrice ^{et son} réseau d’électrodes.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:019690040108700

métal (or, ^{cuivre ou} argent) vaporisé ^{sous vide} [2].

Tous nos essais ont été réalisés sur la plage ^de photo-

conducteur comprise ^entre deux barres métalliques

successives dont l’écartement est de 1 mm. Afin de fixer les idées quant ^au flux lumineux reçu par la plage étudiée, précisons que les aires lumineuses ^ont été réalisées grâce ^{à un} objectif ^{de 35 mm de focale ouvert} à f : 3,5 ^et placé environ à 1 m d’une lampe opaline

à incandescence de 100 W devant laquelle ^sont dispo-

sés les caches convenables.

III. Éclairement de la plage par une barre lumi-

neuse parallèle ^aux électrodes.

^Des caches adéquats

nous permettent de réaliser sur la plage considérée une

barre lumineuse haute de 1 mm et large ^de 1/20

de _mm; la position ^{de cette barre,} assujettie ^{à se} déplacer transversalement en demeurant parallèle ^aux électrodes, ^est repérée par ^sa distance x à l’une des électrodes prise ^{comme référence} ( fig. 2).

FrG. 2.

Position de la barre lumineuse entre les électrodes.

111.1. RÉPONSE DANS LE CAS DE L’APPLICATION D’UNE d.d.p. CONSTANTE.

Nous avons opéré ^en

lumière blanche en soumettant la plaquette ^{à une}

tension de 15 V délivrée par ^une pile. ^{En série avec}

la pile ^{et la} cellule, ^un microampèremètre ^nous per- met, par ^ses indications, ^{de tracer la} caractéristique

I

f (x) . ^{On obtient} ainsi les courbes A et B de la

figure ^{3 a :}

-

la courbe A étant relative à une polarisation

donnée : + ¹⁵ V,

-

la courbe B étant relative à la polarisation ^{inverse :}

-

15 V.

Nous constatons que le ^courant diffère suivant le

sens de la polarisation ^{et ce} jusqu’au voisinage ^des électrodes, ^ce qui recoupe l’observation de V. F. Lysov.

Signalons que la modification soit de l’intensité

lumineuse, soit de la valeur de la tension appliquée

ne change pas l’allure des courbes I = f (x), ^{et on}

observe notamment une conduction toujours plus ^éle-

vée près ^de l’électrode négative.

III.2. RÉPONSE DANS LE CAS DE L’APPLICATION D’UNE d.d.p. ALTERNATIVE.

Pour mettre en évidence le phénomène ^de redressement, prévisible ^à partir ^des

~IG. 3.

a) Variations de l’intensité du photocourant ^{en fonc-}

tion de la position de la barre : courbe A, polarisation

continue + V ; ^courbe B, polarisation ^continue

^V.

b) Écart ^{entre A et B} pour chaque position ^{de la}

barre.

observations précédentes, ^{nous avons} employé ^un

circuit comprenant, disposés ^{en série :}

-

la cellule ORP 90,

-

un générateur ^{B.F. délivrant une tension sinu-}

soïdale symétrique,

-

une résistance aux bornes de laquelle ^{un voltmètre}

mesure la tension développée par le ^courant alter- natif traversant le circuit,

-

un galvanomètre permettant ^{la mesure de la} composante continue du courant alternatif parcou-

rant le circuit. Aux bornes du galvanomètre, ^on

a disposé ^une capacité ^de protection dérivant le courant alternatif dont l’intensité pourrait parfois

être dangereuse.

89

La barre utilisée a les mêmes dimensions que pré-

cédemment et on opère ^{encore en} lumière blanche.

Pour ^une tension sinusoïdale de 30 V cr-cr délivrée à la fréquence ^{de 100} Hz, ^{on a} relevé les courbes 1", (x)

et I- (x) (fig. 4) respectivement ^{relatives aux courants}

FIG. 4.

Variations de l’intensité des courants alternatif et redressé traversant la cellule soumise à une tension alternative en fonction de la position ^{de la barre.}

alternatif et redressé traversant la cellule en fonction de la position de la barre. Si, qualitativement, ^le

courant redressé est bien conforme, ^{dans ses} variations,

aux déductions que ^nous pouvions ^{faire à} partir ^des

courbes A et B de la figure ³ a, ^nous constatons de

plus, quantitativement, ^la quasi-coïncidence ^{de la}

courbe donnant le courant redressé expérimental ^{et de}

celle donnant le courant redressé prévisible Io, ^déduit

de la différence graphique A des deux courbes A et B

(voir fig. ³ b) ; ^cette coïncidence devenant rigoureuse

si on substitue une tension en créneaux à la tension sinusoïdale.

La variation rapide ^{du courant} redressé pour de

petits déplacements ^{autour de la} position de redresse- ment nul permet ^alors d’envisager la réalisation d’un capteur ^de déplacements.

IV. Application de l’effet redresseur à la réalisation d’un capteur ^de déplacements.

IV .1. INFLUENCE

DE LA LARGEUR DE LA BARRE SUR L’EFFET REDRESSEUR.

-

Nous ^avons étudié le courant redressé en fonction

FIG. 5.

Repérage des barres lumineuses larges.

de la largeur ¹ de la barre lumineuse ( fig. 5). ^Plutôt

que de travailler ^à éclairement constant, ^ce qui

entraînerait de trop grandes variations de courant

alternatif, ^{nous avons} réglé chaque fois le flux lumi-

neux afin d’avoir la même intensité alternative lors du redressement nul; ^la fréquence ^et l’amplitude ^de

la tension alternative demeurant les mêmes qu’aupa-

ravant. Ainsi nous avons tracé les courbes I- (x) ( fig. 6) ^en fonction de la distance x de l’axe médian de

FTG. 6.

Variations de l’intensité du courant redressé

pour différentes largeurs ^{de barre.}

suivantes de la largeur de la barre :

1

1/5 ^{de mm}

^courbe (I)

1

3/5 ^{de mm}

^courbe (II)

1

4/5 ^{de mm}

^courbe (III)

1

14/15 ^{de mm}

^courbe (IV).

On a représenté ^{en trait} plein ^les portions ^de courbes, E-E, ^{relatives aux} positions pour lesquelles

la barre est comprise entièrement entre les électrodes.

Nous remarquons que le ^courant redressé passe d’une manière de plus ^en plus abrupte par le zéro lorsqu’on augmente ^la largeur de la barre et la courbe (IV)

montre clairement la grande sensibilité du dispositif, alliée, ^{dans ce} cas, à une quasi-linéarité ^du phénomène.

IV. 2. EXAMEN PLUS DÉTAILLÉ DU CAS DES BARRES LARGES.

Lorsque ^{la barre} possède ^une largeur supérieure ^aux 4/5 ^{de la distance} interélectrodes, ^la

valeur algébrique ^{du courant redressé décroît constam-}

ment pour ^un déplacement ^{de la barre d’une électrode}

à l’autre : partie ^{E-E des courbes} (III) ^et (IV) ( fig. 6).

Nous allons préciser ^les caractéristiques ^{de cette varia-}

tion en fonction de la largeur ^{de la barre lumineuse.}

Pour cela, ^on procède ^au relevé des courants re-

dressé et alternatif en fonction de la largeur x ^d’une

bande lumineuse jouxtant ^{la même électrode durant}

toute l’expérience ( fi~. 7).

~G. 7.

Éclairement adopté pour l’étude des barres larges.

Conservant ^un éclairement constant, la tension a

été fixée à 10 V ef~ afin de ne pas donner à l’intensité alternative une valeur trop ^{élevée. A la} fréquence

de 100 Hz, ^{on obtient dans ces} conditions les cour-

bes I- (x) ^et I ~ (x) ^{de la} figure ^8.

L’arc AMB de la courbe I-(x) ^{est relatif aux lar-}

geurs de barre qui ^nous intéressent, c’est-à-dire supé-

rieures aux 4/5 de la distance interélectrodes. A un

point ^{E de cet arc} correspond ^{une barre de lar-}

geur xE : lorsque ^{cette barre se} déplace d’une élec- trode à l’autre, la valeur algébrique ^{du courant}

redressé décroît quasi linéairement de la valeur + I(xE)

à la valeur 2013 ~(~E)’ On passe de la valeur + I(xE)

à la valeur 0 pour ^un déplacement ^d’une quantité,

mesurée en mm : 1/2(l - xE), ^on voit ainsi que le segment de droite EB donne une représentation gra-

phique ^{de cette} variation, ^{mais avec une} pente ^moitié

FIG. 8.

Variations des courants alternatif et redressé

en fonction de la largeur d’une bande éclairée partant

d’une électrode.

de la pente ^réelle puisque ^nous passons de la valeur + 1(xE) ^{à 0 sur} la distance XB - xE

1

XE.

E décrivant l’arc AMB, ^{nous tirons} directement de l’examen du segment ^{EB les} renseignements qui ^nous

intéressent :

-

EB a une longueur ^maximum pour ^une barre de

largeur 13/15 ^{de la distance} interélectrodes, ^donc

pour ^une telle barre l’amplitude ^du phénomène ^de

détection est optimum (point M). Remarquons ^de plus ^que le rendement 1_~IN ^{en ce} point ^{est très voisin}

de sa meilleure valeur

obtenue pour ^une largeur comprise ^{entre les} 12/15 ^{et les} 13/15 de la distance interélectrodes.

-

Pour xE supérieur ^à 13/15 ^de mm, la lon- gueur EB diminue rapidement : l’amplitude ^du phé-

nomène décroît et on remarque aussi ^une détérioration du rendement I=~h . ^Par contre, ^la pente ^{de EB} augmente, prouvant ainsi que la sensibilité de la détection s’accroît.

IV. 3. LIMITE DU POUVOIR DÉTECTEUR.

Pour déterminer la limite de détection autorisée _{par le}

phénomène observé dans les conditions précédentes,

91

nous avons mesuré le bruit inhérent à l’ensemble détecteur dans la situation suivante :

-

Tension appliquée : ^{30 V} eft., ¹⁰⁰ Hz;

-

Intensité alternative au point de redressement nul : 250 [LA eff. ;

-

Barre lumineuse en lumière blanche : hauteur : 1 _mm, largeur : 24/25 ^mm.

Le bruit observé est de : 1 /50 [LA; par ailleurs, ^{un dé-} placement de la barre de 1/25 ^mm entraînant une varia- tion du courant redressé de 20 ~,A, ^le plus petit déplace-

ment détectable s’évalue à: 1/25 ^X 1/50 ^X 1/20 ^de mm, soit : 1/25 ^{de micron ou encore : 400 À.}

V. Performances et utilisation du capteur.

^Afin

de tester les possibilités ^{de ce} capteur, ^{nous avons tenté} de mesurer les déflections aléatoires du spot ^d’un galvanomètre

^{en circuit ouvert}

^{dues à} l’agitation thermique et, ce, ^en l’endroit même où il éclaire l’échelle de lecture [3]. ^{Nous avons réalisé cette}

mesure en utilisant un galvanomètre ^{Sefram à cadre} immergé, protégé, ^en outre, des vibrations mécaniques

extérieures susceptibles d’être transmises par ^son bâti à l’aide d’un simple empilement ^de journaux ^sur lesquels ^il reposait. ^Les résultats obtenus ^ont très exactement vérifié la théorie du mouvement brownien,

ce qui ^montre la facilité avec laquelle ^un galvanomètre

à cadre immergé peut ^{donner sa} précision ^limite.

Au point ^{de vue} utilisation pratique, signalons que la définition optique ^du spot peut ^{être très ordinaire et} que le parallélisme des électrodes et de ce spot ^n’a pas besoin d’être très rigoureux pour que le capteur

Fie. 9.

Position du spot ^au point de redressement nul :

a) ^{Dans le cas de} l’application d’une tension alter- native symétrique.

b) ^{Dans le cas de} l’application d’une tension alter- native dissymétrique.

BIBLIOG

[1] LYSOV (V. F.), ^Soviet Physics ^Solid State, 1964, vol. 6, 6, 1511.

[2] ^{DU GUIER} (N. A.), ^{VAN GOOL} (W.) ^{et VAN STAN-}

TEN (J. G.), ^Revue Technique Philips, 1958-1959,

tome 20, 12, ^365.

[3] ^LOCHET (J.), ^{Thèse 3e} cycle, 1966, Laboratoire de

Physique Expérimentale, Faculté des Sciences de Bordeaux.

atteigne ^{de bonnes} performances : ^détection possible

du 1/10 de micron. En contrepartie, ^et d"’après ^nos premiers essais, ^{il ne} semble pas que l’on puisse ^suivre

des déplacements ^{dont la} fréquence ^excède quelques hertz, ^{tout au} moins dans les conditions d’emploi précisées ^ci-dessus.

Signalons, enfin, que l’addition d’une très faible composante continue à la tension alternative appliquée

permet d’obtenir le point de redressement nul ^non

plus pour ^un spot ^{centré entre} les électrodes (fig. ⁹ a),

mais pour ^un spot déplacé ^{à droite ou à} gauche ^de

cette position suivant le signe ^{de cette} composante,

et cela jusqu’à ^venir empiéter ^{sur l’une ou} l’autre des électrodes. Ainsi, dans certains _cas, il est possible ^de

détecter les déplacements d’une ombre portée (0) ( fg. ⁹ b).

VI. Conclusion.

Nous avons mis en évidence un

phénomène de redressement dans les cellules au CdS éclairées de façon ^{non uniforme et} nous avons montré que ^ce phénomène permet la réalisation d’un capteur de déplacements ^très sensible, ^de construction simple,

et peu onéreux, ^la fréquence ^des déplacements ^ne

devant néanmoins pas excéder quelques ^hertz.

Les expériences précédentes ^{ont été} reproduites

fidèlement sur toutes les cellules proposées ^{sur le}

marché par la Radiotechnique : ^séries RPY, ^{LDR ou} ORP, et, ^de plus, ^les phénomènes ^{décrits sont encore}

observables lorsque ^l’on peint, ^{au dos de l’une des} plaquettes photoconductrices, ^des électrodes d’Ag ^en laque.

Nos premiers ^{essais, en} variant la fréquence ^{de la}

tension alternative, ^montrent que le phénomène ^n’est pratiquement pas atténué, même pour des fréquences

de l’ordre du MHz. La persistance du redressement à de telles fréquences ^{conduit à} envisager ^{un modèle}

formé d’un réseau complexe ^{de diodes et de} résistances,

la structure granulaire ^{de la} surface étudiée se prêtant

naturellement à une telle hypothèse. ^Les propriétés

de ce réseau seraient modifiées par l’éclairement et,

comme le montrent nos expériences, ^ces modifications seraient particulièrement sensibles dans les régions

voisines des électrodes. Bien que ^{nous ne} puissions

encore donner des précisions ^{dans ce sens et} qu’il ^reste

à savoir notamment si la nature très particulière ^du

matériau utilisé (CdS fritté) ^{est seule en} cause, il nous a paru intéressant de signaler l’application que ^nous

avons tirée de nos observations.

GRAPHIE)