第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 智能传感器系统 教学课件.ppt

而CCD的两列移位寄存器中在各个φ1(φ1A,φ1B)电极下的电荷包， 将在二相时钟脉冲φ1A, φ2A及φ1B, φ2B的分别导引下顺序逐位转移，在输出端交替合并由OS引脚(即引脚 1)串行输出。由于结构上的安排，OS端在输出 64 个非信号脉冲后才连续输出 2 048 个反映光像的信号脉冲，继而又输出 12 个非信号脉冲后这个周期才结束。如果由一列移位寄存器完成这 2 124 个脉冲的移位串行输出任务，则一个φSH周期中至少要有 2 124 个φ1脉冲。现在由两列移位寄存器来完成这 2 124 个脉冲的移位串行输出任务，实际的φSH周期仅为φ1脉冲周期T1的1 061 倍。图 2 - 38 中的φR是复位输出级的复位脉冲，复位一次输出一个信号脉冲。由引脚 2, 即DOS端串行输出补偿脉冲信号，用它来补偿去掉OS端的非信号脉冲，取出其中 2 048 个有效脉冲信号。 五、 应用举例 图 2 - 39 CCD器件直径测量系统示意及输出波形图 如果CCD器件为N=2 048位，线长l=28.672 mm, 则分辨率λ为 若时钟脉冲CP的频率与CCD器件串行输出信号脉冲重复频率相同，计数器计数结果n=80，则工件直径D为 除了一维线阵CCD器件外，已有二维面阵CCD器件产品， 三维体阵CCD图像器件也已应用于智能图像传感器的成像系统中。 2.2.4 半导体气敏传感器 半导体气敏传感器依控制机理可分为两类： 一类是电阻控制型气敏传感器，主要是金属氧化物半导体气敏传感器；另一类是非电阻型气敏传感器， 这多是用半导体材料硅制成的气敏传感器。 实际应用中， 气敏传感器应满足下列要求： (1) 具有良好的选择性， 即对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。 (2) 具有较高的灵敏度和宽响应动态范围， 即在被测气体浓度低时要有足够强的输出信号；在被测气体浓度较高时，有较好的线性响应值。 (3) 性能稳定，即传感器受工作环境影响不能太大。 (4) 响应速度快，重复性好。 (5) 保养简单，价格便宜等。 一、 电阻控制型气敏传感器机理 图 2 - 40 气敏传感器的敏感元件构 (a) 烧结元件； (b) 薄膜元件； (c) 厚膜元件； (d) 集成化厚膜元件； (e) 平面厚膜间层加热气敏元件 1. 晶界势垒模型 晶界势垒模型基于半导体气敏材料是由许多晶粒组成的多晶体， 在晶粒接触的界面处存在着势垒和界面态。界面态的引入主要是因为晶体的晶格结构在晶界处突然终止。在晶体最外层的晶格原子将有未饱和键，这些键称作悬挂键，界面态即与悬挂键对应的电子能态。以检测可燃性气体的SnO2材料为例， 一般情况下，界面处吸附氧化性气体(如空气中的O2和NO2等)， 界面态被氧原子所饱和。 (2-110) 从而提高了界面势垒，阻碍了电子在晶粒之间的运动，因而材料表现出较高的电阻率。若气敏元件接触可燃性气体，则可燃性气体与所吸附的氧发生反应。以H2为例： 还原性气体使气敏元件电阻率下降的反应实质上就是还原性气体的燃烧反应。 加热能促进其燃烧反应，故半导体气敏传感器通常在加热条件下使用。以后还将谈到温度对气敏传感器的影响。 (2-111) (2-112) 图 2 - 41 晶界势垒模型(VS—表面势) 2. 颈部模型 用透射电镜观察表明，大部分实用氧化物半导体气敏传感器的微观结构是晶界势垒模型和颈部模型的组合结构。颈部模型认为晶粒之间并非完整的界面，而是一种较细的连接结构， 像“颈部”一样。几个晶粒通过颈部连接构成晶粒团块，晶粒团块内各晶粒之间的颈部直径是晶粒直径的0.7～0.9倍，各晶粒团块间又是晶界势垒接触。 图 2 - 42 示出了晶粒边界处的接触情况，以及粗颈部和细颈部的结合情况。由于N型半导体吸附了氧，从而产生缺乏电子的表面空间电荷层， 使晶粒边界和颈部的电阻在元件中最高，该电阻代表了整个元件的阻值，因此晶粒结合部的形状和数量对传感器的性能影响很大。晶粒为颈部结合时， 颈部的表面电导率是主要的。当颈部包含的厚度为整个表面空间电荷层厚度(德拜长度)时，元件接触气体后引起的电阻变化最大。因此用掺杂施主来调整德拜长度的办法可以克服传感器灵敏度和机械强度对氧化物半导体材料烧结温度和时间要求的矛盾。 图 2 - 42 颈部模型 (a) 多晶元件； (b) 各晶粒结合情况 3 . 添加剂的作用机理 实用的金属氧化物半导体气敏传感器除氧化物半导体材料外， 还有