第二章2014现代传感器原理及应用[张志勇,王雪文,翟春雪等][电子课件].ppt

一、光纤辐射剂量仪 按原理分：吸光型---光纤吸收了放射性射线后衰减量发生变化的机理； 发光型----光纤受放射性射线的辐照后其内部发光的机理。 若用x、γ射线辐照光纤，光纤对传输光的吸收损耗增加，输出功率P0相应地减少，光强指示下降。 结构图 2.5.3 光纤传感器实例 二、光纤流速传感器 三、光纤图像传感器 工业用内窥镜图像光纤传输的原理图 图像光缆：由3～10万股光纤组成许多像素，两端的光纤都按同一规律整齐排列，把强度与颜色不同的光点传送并在一端另一端重建原图像工业用内窥镜原理----检查系统的内部结构，光纤探头放入系统内部，在系统外部监视，发出的光照射到被测物体，物镜和传像束把内部图像传送出来，或送入CCD器件，将图像信号转换成电信号，送微机进行处理，在屏幕上显示和打印 内部 外部 光纤检测型光电传感器 作业件检测 颜色检测 新型光传感器： 光纤烟气光学密度传感器、 高灵敏固体摄像器件、 多媒体摄像器系统、 机器人光学阵列触觉系统、 高分子光传感器 作业： 1, 2, 4, 5, 7, 9, 11, 12, 13 THE END * * 白天，VT3、VT4导通，强迫复位端4脚为低，被迫3脚输出低，双向可控硅VS的控制极无触发电压，关断，灯泡EL不亮。夜晚，VT3、VT4截止使4脚为高，电路退出复位状态，3脚高。 无人经过时VT1导通、VT2截止，2脚高，3脚低，灯泡EL仍不亮。有人经过时VT1截止、VT2导通，2脚为低，3脚高，通过限流电阻R7触发双向可控硅由关断变为导通，灯泡点亮。 经30s后，电路暂稳态结束，3脚变为低，EL熄灭。 3脚输出高的持续时间TW----即为暂稳态时间，TW ≈1.1R4C1(s)，可选用图中参数计算TW约30s。 2.4 固态图像传感器Solid image sensors 2.4.1 电荷耦合器件 （CCD：charge-coupled device） 2.4.2 MOS图像传感器 (MOS image sensor) 2.4.3 CCD器件的应用 (Application) 2.4.1 电荷耦合器件（CCD） ----一种将光信号变成电荷包的形式并存贮和传递的半导体表面器件。感光部分:“排列起来的MOS电容阵列”， 一MOS电容器===一个光敏元，感应一个像素点；一个图像有1024·1024=1048，576个像点；传递一幅图像需要由许多MOS元大规模集成的器件。 一、MOS光敏元的结构及原理 1.光敏元结构 半导体与SiO2界面电荷分布图 栅极突然加一VG正脉冲（VGVT），金属电极上会充一些正电荷，电场将排斥P-Si中SiO2界面附近的空穴，出现耗尽层，形成负离子，半导体表面处于非平衡状态。 若衬底电位为0，界面为原点，耗尽层厚度为Xd，半导体空间电荷区电位的变化由泊松方程来解: 泊松方程及边界条件为： 2.原理: (1) 陷阱的形成 结论：（1）φs0，电子位能-qφs0最小，则表面处有贮存电荷的能力。 表面的这种状态------电子势阱或表面势阱。 （2）若VG增加，栅上正电荷数增加，SiO2附近P-Si中负离子数增加，耗尽区加宽，表面势阱加深。 a.光照时产生电子空穴对，少子电子被吸收到势阱；b.光强越大收集的电子数越多；势阱中电子数反映光的强弱, 即MOS电容实现了光信号向电荷包的转变。 c.若光敏元阵列同时加VG，整个图像的光信号同时变为电荷包阵列。 d.当有部分电子填充到势阱中时，电子的屏蔽作用，耗尽层深度和表面势将随着电荷的增加而减小，在一定光强下一定时间内会被电子充满。∴收集电子的时间要适当。 (2)电子的堆积： (3)电荷转移原理 若两个相邻MOS光敏元的栅压分别为VG1、VG2，且VG1VG2。 因VG2高，表面形成的负离子多，则表面势φ2φ1,电子的静电位能-qφ2-qφ10，则VG2吸引电子能力强，势阱深，则1中电子有向2中下移的趋势。 若串联很多光敏元，且使VG1VG2……VGN,可形成一输运电子路径,实现电子的单方向转移。 电子转移示意图 二、CCD的工作原理 三相三位n沟CCD器件结构、驱动和转移示意图 三、CCD图像传感器 1.线列型CCD图像传感器 n个MOS光敏元线列（光敏元间用隔离沟道分开，梳状公用电极电位为φp）、对应一列n位的CCD移位寄存器； 中间设有转移栅，用以控制光敏单元势阱中的电荷信号向CCD寄存器中转移。 结构 ①、电荷包集聚：当梳状电极加高压时光照在光敏元列上，产生势阱并聚集光电荷包----积分。若照射在光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则光敏元上