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《传感器与检测技术第9章新型传感器及其应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、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9.
2、1.1CCD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。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
3、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
4、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
5、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9－2CCD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9－3Φ1、Φ2和Φ3的脉冲时序图图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
6、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
7、别技术(OCR)、图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术等。9.1.2CMOS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
8、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
