传感器和检测技术第9章 新型传感器及其应用.pptx

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。;; 9. 1 图 像 传 感 器;图 9－1 光敏元基本结构;　　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。;　　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。;图 9－2 CCD 结构示意图;　　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 9－4 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。;图 9－5 线阵 CCD 图像传感器结构;　　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。;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( CMOS )工艺。 CMOS 的基本感光原理与 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,其基本结构如图 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 9－6 COMS 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 9－7 CCD 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