08 固态传感器.ppt

§8-3 电荷耦合器件（Charge Coupled Device) 它的出现和广泛应用是固态图象传感器（image solid transducer）得以发展的一个有力条件。 CCD可以取代摄像管和胶片等传统的感光元件(图像敏感器件)。 CCD优势：通过“光—电—数字” 这一转换方式直接得到数字化形式图象，并可以长久的存储和显示。 电荷耦合器件,简称CCD,发明于1969年美国贝尔实验室。 它是MOS电容的一种新的应用。 一、电荷耦合器件的结构与工作原理 它是由按照一定规律排列的MOS (金属-氧化物-半导体）电容阵列组成的。 CCD的基本原理与MOS电容器的物理机理密切相关，因此首先要分析MOS电容的结构和原理 MOS电容能带变化 (a)无外加电压 (b)金属电极加相对半导体的正电压UG (c)栅压UG达到某一特定电压Uth后。（少数载流子电子浓度） 从上面分析可知，当栅压UG超过开启电压Uth后，在电极下的半导体表面处，电子的势能较低，若周围存在电子，就会迅速的聚集到那里。 （二）电荷耦合器件CCD的工作原理 首先，要使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱能相互沟通，即相互耦合； 其次，根据势阱产生的原理，控制相邻的MOS电容的栅压有序的升降，即满足一定的相位要求。 要实现信号电荷的转换，必须要满足下面两个条件： 2.电荷的注入 光注入：用作图象传感器，信号电荷是半导体内产生光生电子-空穴对，当存在栅压时，电子被收集于电极的势阱下作为信号电荷，空穴被赶入衬底。（信号电荷的大小取决于入射的光强和照射时间） 电注入：用作信号处理或存储器件使用。 3.电荷的检测——信号输出结构 作用：将CCD中的信号电荷变换为电流或电压的输出，以检测信号电荷的大小。 图8-68(a)所示为一种简单的输出结构：由输出栅极Go，输出反偏二极管、复位管V1和输出跟随管V2组成。 A点的电压变化： 跟随器V2的电压增益： 平行 光源 光电 探测 放大 显示 刻度 校正 报警器 吸收式烟尘浊度检测系统原理图 烟道 (二)光电转速传感器 2 3 1 2 3 1 (a) (b) 光电数字式转速表工作原理图 下图是光电数字式转速表的工作原理图。 图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。 在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。 (三)光电池应用 光电池主要有两大类型的应用： 将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用。 将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。 光电池应用举例如下： 1．太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流－交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。 调节控制器 逆变器 交流负载 太阳 电池 方阵 直流负载 太阳能电池电源系统 阻塞二极管 2．光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。 (a) 光电追踪电路 +12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 图 (a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。 光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路 BG2 BG1 +12V C J R1 R2 (