传感器原理及应用第8章光电式传感器.ppt

8.4 固态图像传感器 固态图像传感器(solid state imaging sensor)是指在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与位移寄存器构成一体的集成光电器件,其功能是把按空间分布的光强信息转换成按时序串行输出的电信号。 CCD —电荷耦合器件(charge coupled device)是其中应用最广泛的一种。 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 (a) Ф1 Ф2 Ф3 t0 t1 t2 t3 t Ф (b) 电荷转移过程 t=t0 t=t1 t=t2 t=t3 0 3．电荷的输出 如图所示为利用二极管的输出方式。在阵列末端衬底上扩散形成输出二极管，当输出二极管加上反相偏压时，在结区内产生耗尽层。当信号电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，并通过输出栅极OG转移到输出二极管耗尽区内时，信号电荷将作为二极管的少数载流子而形成反向电流Io。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻R1变为信号电压Uo输出。 8.4.2 线阵CCD图像传感器 转移栅 光积分单元 不透光的电荷转移结构 光积分区 输出 转移栅 (a) (b) 线型CCD图像传感器 输出 在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。 1024单元 14μm× 14μm 二相时钟(5V) 8.4.3 面阵CCD图像传感器 光栅报时钟 二相驱动 输出寄存器 检波二极管 视频输出 垂直转移 寄存器 感光区 二相驱动 感光单元和存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。 目前，面阵CCD图像传感器使用得越来越多，发达国家所能生产的产品的单元数也越来越多，高端数码相机最多已超过4096×4096像元，我国主流家用数码相机的面阵CCD图像传感器已经达到500万～1000万像素。 8.5 光电传感器的应用 光电传感器可以应用于多种非电量的测量。根据光通量对光电元件的作用原理不同，按照其输出量的性质可将光电传感器分为两类：一类是把被测量转换为与之成单值对应关系的连续变化的光电流，称为模拟式光电传感器；另一类是把被测量转换为断续变化的光电流，系统输出为开关量的电信号，称为数字式光电传感器。 8.5.1 模拟式光电传感器的应用 (a) 被测物是光源 (b) 被测物吸收光通量 (c) 被测物是有反射能力的表面 (d) 被测物遮蔽光通量 光电式浊度计工作原理——被测物吸收光通量 1—恒流源 2—半导体激光器 3—半反半透镜 4—反射镜 5—被测水样 6、9—光电池 7、10—电流/电压转换器 8—标准水样 参比通道 光电式浊度计和含沙量测量 将装有浊水的试管插入仪器中 烟雾报警器外形 无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。 烟雾 无线烟雾报警器内部结构 可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器 无线火灾烟雾传感器 无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工作电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立