传感器与检测技术第9章 新型传感器及其应用.pptxVIP

第9章新型传感器及其应用;教学目标

本章内容主要以新型传感器中较典型、能代表传感器领域开展方向,且已经投入实际使用的图像传感器、生物传感器、智能传感器和机器人传感器为代表的知识模块来构成。

主要学习内容包括上述传感器的根本测量原理、主要特点和应用等方面的知识。通过本章的学习,读者可对目前较为流行的新型传感器如图像传感器、生物传感器、智能传感器和机器人传感器的测量原理、主要特点有所了解,并且体会传感器开展的新领域、新趋势。;; 9.1图像传感器;图9－1光敏元根本结构;由半导体的原理可知:P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴,少数载流子是带负电荷的电子,当金属电极上施加正电压时,其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行

排斥或吸引,于是带正电的空穴被排斥到远离电极处,带负电的电子那么被吸引到紧靠SiO2层的外表上来,形成耗尽区。这种现象对电子而言形成了一个陷阱,电子一旦进入就不能复出,故又称电子“势阱〞。

如果有一束光线入射到MOS电容器上,光子穿过透明电极及氧化层,进入P型Si衬底,衬底中的电子将吸收光子的能量而进入耗尽区,形成电子空穴对,由此产生的光生电子被附近的势阱所吸收(或称俘获),而同时产生的空穴那么被电场排斥出耗尽区。此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。这样就把光的强弱变成电荷的数量,实现了光和电的转换。把一个势阱所收集的假设干光生电荷称为一个“电荷包〞,这样一个MOS光敏单元就称为一个像素。;通常CCD器件是在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立排列规那么的MOS光敏元,此被称为光敏元阵列。如果在金属电极上施加一正电压,那么在这半导体硅片上就形成

几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像,那么与此同时,在这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。这就是电

荷耦合器件光电效应的根本原理。

CCD图像传感器就是按一定规律排列的金属氧化物半导体(MOS)电容器组成的阵列,它由衬底、氧化层和金属电极构成,???结构示意图如图9－2所示。;图9－2CCD结构示意图;2.电荷转移原理

CCD的根本功能是完成光生电荷、电荷的转移和电荷的存储。下面来说明电荷是如何实现转移和输出的。;图9－4图像传感器的转移过程;3.CCD图像传感器分类

CCD图像传感器按其像素空间排列可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD主要用于一维尺寸的自动检测,如测量精确的位移量、空间尺寸等,也可以由线阵CCD通

过附加的机械扫描得到二维图像,用以实现对字符和图像的识别。面阵CCD主要用于实时摄像,如生产线上工件的装配控制、可视以及空间遥感遥测、航空摄影等。这里主要

介绍线阵CCD图像传感器。

线阵CCD图像传感器的结构可分为单沟道和双沟道两种,其结构如图9－5所示。;图9－5线阵CCD图像传感器结构;;9.1.2CMOS图像传感器

CMOS图像传感器是近几年开展较快的新型图像传感器,它的名称来源于它的制造工艺,它采用的是与存储器及逻辑比同样的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺。CMOS的根本感光原理与CCD相同,不过其制作工艺和结构与CCD大不相同。

CMOS图像传感器是一个较完整的图像系统,通常包含—个图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编程功能和模/数转换器,其根本结构如图9-6所示。在CMOS传感器中,每个单元感应到的光信号都可由邻近的放大器及模/数转换器直接传送到内存。;图9－6COMS图像传感器结构;9.1.3图像传感器的应用举例

1.用CCD图像传感器测量小尺寸物体

测量小尺寸时,将被测物的未知长度Lx投射到CCD器件上,根据总像素数目和被物像遮掩的像素数目,可计算出尺寸Lx。用CCD图像传感器测量小尺寸物体的原理如图

9－7所示。;图9－7CCD测量小尺寸物体;2.用CCD图像传感器测量大尺寸物体

当被测物尺寸很大时,如连续轧制的钢板宽度测量,可采用两套光学成像系统和两个CCD器件,分别对被测物两端进行测量,然后算出物体尺寸。其原理如图9－8所示。

图9－8中,在被测连续轧制的钢板左右边缘下方设置光源,经过各自的透镜将边缘局部成像在各自的CCD器件上,两器件间的距离是固定的。

设两个CCD的像素数都是N0,两个CCD都监测不到的盲区的长度设为L3,为固定值。被测钢板的总宽度L=L1+L2+L3,其中L1和L