第9章 新型传感器及其应用（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安电子科大版）

第 9 章 新型传感器及其应用 9.1 图像传感器 9.2 生物传感器 9.3 智能传感器 9.4 机器人传感器 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、能代表传感器领域发展方向,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基本测量原理、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,并且体会传感器发展的新领域、新趋势。 第 9 章 新型传感器及其应用 第 9 章 新型传感器及其应用 9. 1 图 像 传 感 器 9. 1. 1 CCD 图像传感器 　　1.CCD 的基本结构 　　CCD 图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号,即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布,然图 9－1 光敏元基本结构后利用移位寄存器的移位功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出,形成一系列幅值不等 的时序脉冲序列。光敏单元简称像素或像点,其基本结构如图 9－1 所示。 第 9 章 新型传感器及其应用 图 9－1 光敏元基本结构 第 9 章 新型传感器及其应用 　　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,带负电的电子则被吸引到紧靠 SiO2层的表面上来,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),而同时产生的空穴则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若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。 第 9 章 新型传感器及其应用 　　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则的 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,则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,则与此同时,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基本原理。 　　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,其结构示意图如图 9－2 所示。 第 9 章 新型传感器及其应用 图 9－2 CCD 结构示意图 第 9 章 新型传感器及其应用 　　2. 电荷转移原理 　　CCD 的基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 9－3 Φ1 、 Φ2 和 Φ3 的脉冲时序图 第 9 章 新型传感器及其应用 图 9－4 图像传感器的转移过程 第 9 章 新型传感器及其应用 　　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、可视电话以及空间遥感遥测、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。 第 9 章 新型传感器及其应用 图 9－5 线阵 CCD 图像传感器结构 第 9 章 新型传感器及其应用 　　4.CCD 图像传感器的应用 　　CCD 图像传感器用于非电量的测量,主要用途大致归纳为两方面:一方面组成测试仪器,可测量物位、尺寸、工件损伤和自动焦点等;另一方面作光学信息处理装置的输入环 节,例如用于传真技术、光学文字识别技术( OCR )、图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术等。 第 9 章 新型传感器及其应用 9. 1. 2 CMOS 图像传感器 　　CMOS 图像传感器是近几年发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( C