常用传感器工作原理全套课件.ppt

本章学习要求：,1、了解传感器的分类2、掌握常用传感器测量原理3、了解传感器测量电路,第四章常用传感器原理及应用,1、传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,引言,目前，传感器转换后的信号多为电信号，故从狭义上讲，传感器是把外界输入非电信号转换成电信号的装置.,2、传感器的构成,由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件用于感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件对敏感器件输出电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入.,3、传感器的分类,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量:长度、厚度、位移、速度、加速度、旋转角、转数、质量、重量、力、压力、真空度、力矩、风速、流速、流量。,声：声压、噪声。,磁：磁通、磁场。,温度：温度、热量、比热。,光：亮度、色彩。,2)按工作的物理基础分类,机械式，电气式(电阻应变式，电感式，电容式，压电式等),光学式等。,3）按被测量和工作原理联合分类,电阻应变式力传感器、电感式位移传感器、压电式加速度传感器等。,物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换，如水银温度计。结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变，如:电容式和电感式传感器.,4）按信号变换特征,能量转换型和能量控制型。,能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作，例如，热电偶温度计,压电式加速度计。能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化，例如，电阻应变片。,5)按敏感元件与被测对象之间的能量关系,（1）集成化传感器本身的集成化：CCD器件传感器与后续电路的集成化：频率输出型单块集成压力传感器,（2）多维化,4、传感器技术的发展,（3）微传感器基于MEMS技术的新型传感器，其敏感元件尺寸为0.1m100m。微传感器不是传统传感器按比例缩小的产物，其理论基础、结构工艺、设计方法等有许多自身的特殊现象和规律。,（4）智能化智能传感器一种将普通传感器与微处理器一体化，兼有检测和信息处理功能的新型传感器，集信息采集，信息的记忆、辨别、存储、处理于一体。,（5）网络化传感器网络化传感器是在智能传感器基础上，把TCPIP协议作为一种嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的ROM中，从而使信号的收、发都以TCPIP方式进行。,第一节电阻式传感器,电阻式传感器：是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式。,1、变阻器式传感器,（1）等效电路分析,L变阻器总长x电刷移动量RL总电阻Rx电刷电阻,考虑负载效应，有,（2）变阻器式传感器的性能参数1）线性(或曲线的一致性)；2）分辨率；3）整个电阻值的偏差；4）移动或旋转角度范围；5）电阻温度系数；6）寿命；,（3）变阻器式传感器的分类,1）按测量类型,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,2）按制作方式,线绕电位器,导电塑料电位器,变阻器式传感器产品,案例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧力位移电位器电阻,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝收线圈数电位器电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码）,原理：电机转角电位器电阻,第二节电阻应变式传感器,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即外力金属导体机械变形(伸长或缩短)电阻值变化。,一、金属电阻应变片,电阻丝：一般采用直径为0.025mm左右的康铜(含57%Cu、43%Ni)或镍铬合金(含80%Ni、20%Cr)丝，敏感栅粘贴在基片和覆盖层之间，由引线接出。,l称为应变片的基长，b称为基宽，lb称为应变片的使用面积。应变片的阻值系列有60、120、350、600、1000，以120为最常用。应变片的规格一般用使用面积和电阻值表示，例如,（310)mm，120。,常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。,1、丝式应变片,应变计,金属应变片,箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003mm0.01mm之间。可根据需要制成任意形状。它的线条均匀、尺寸准确、散热好、易粘贴、适于大批量生产，已逐渐取代丝式应变片。,3、金属电阻应变片的工作原理,把应变片粘贴在弹性敏感元件或需要测量变形的试件表面上。受到外力作用，电阻丝随着一起变形，引起电阻值发生变化。这样，将被测量转换为电阻变化。,2、箔式应变片,工作原理：,金属丝的原始电阻：,泊松比,=常数,令,灵敏度一般在1.73.6左右。金属应变片的灵敏度较低，但温度稳定性好，用于测量精度要求较高的场合.,二、半导体应变片,压阻效应：半导体单晶材料在沿某一方向受到外力作用时，电阻率会发生相应变化的现象。,压阻效应的产生原因：半导体单晶在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率和载流子浓度变化，从而导致电阻率的变化。,半导体应变片的工作原理就是基于压阻效应。,制作程序：由单晶硅、锗一类半导体材料经切型、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴而成。,优点：灵敏度高，比金属应变片高5070倍，体积小.缺点：温度稳定性和线性不如金属应变片。,半导体应变片受力后的电阻相对变化也可表示为：,弹性模量,正应力,压阻系数,三、转换电路,四、电阻应变片的应用,标准产品,案例：桥梁固有频率测量,案例：电子称,原理：将物品重量通过悬臂梁转化结构变形，再通过应变片转化为电量输出。,案例：冲床生产记数和生产过程监测,案例：机器人握力测量,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,电感式传感器是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量的一种装置。,电感式传感器分类,第三节电感式传感器,优点：灵敏度高（能测0.1m的位移）、线性较好(非线性误差0.1%)、输出功率大等。,缺点：频率响应较低；测量范围越大，分辨率越低。,一、自感式传感器,由于很小，可认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：,1、变气隙式,变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上,衔铁和铁心间有一气隙。,分为变气隙式、变面积式、螺旋管式三类。,线圈自感量L为：,这种传感器适用于较小位移的测量，测量范围约在0.0011mm左右。,2、变面积式,3、螺管式,特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏度为一常数，因而线性度较好，量程范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便，因而应用较为广泛。,原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致线圈的电感量发生变化。,原理：衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。,特点：灵敏度更低，但测量范围大，线性也较好，同时自由行程可任意安排，制造装配方便，应用较广泛。,以上三类自感式传感器在实际应用时，一般由两单一结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结构可改善非线性，提高灵敏度，对电源电压及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高传感器的稳定性。,差动式电感传感器(a)变间隙型(b)变面积型(c)螺管型1线圈2铁芯3衔铁4到杆,二、差动变压器式传感器,差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感系数M的变化。传感器本身是互感系数可变的变压器。因为它是基于互感变化的原理，故也称为互感式传感器。,输出电压Eout=EW1-EW2，当铁芯在中央位置时，EW1=EW2。,差动变压器位移传感器,案例：板的厚度测量,案例：张力测量,三、电涡流式传感器,原理：将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电，这种电流的流线在导体内自行闭合，称为电涡流效应。,原线圈的等效阻抗Z变化：,线圈与金属板的距离,金属板的电阻率,金属板的磁导率,线圈激励角频率,产品：,案例：连续油管的椭圆度测量,案例：无损探伤,原理：裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,第四节电容式传感器,原理：将被测量的变化转化为电容量变化。,两平行极板组成的电容器,它的电容量为：,1、极距变化型,灵敏度,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,最大的应小于极板间距的1/51/10。因此极距变化型电容传感器的量程范围在0.01m数百m。为了提高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差动的形式。灵敏度可提高一倍。,2、面积变化型,在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位移型两种。图为直线位移型。当动极板沿x方向移动时，动、静极板覆盖面积发生变化，电容量随之变化。,其电容量为：,角位移型,覆盖面积,电容量,面积变化型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位移的测量。,柱面线位移型,3、介电常数变化型,此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。,两圆筒间的电容为：,如果电极的一部分被菲导电性液体所浸没时，则会有电容量的增量C产生：,外电极内半径,内电极内半径,电极长度,空气的介电常数,空气的介电常数,液体浸没长度,液位测量示意图,如果被测介质为导电性液体，内电极要用绝缘物（如聚乙烯）覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。此时两极间的电容量为：,电容传感器的转换电路主要有：电桥型电路，谐振电路，调频电路，运算放大器电路等。,电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等。,影响测量精度的主要因素：电路寄生电容、电缆电容和温度、湿度等外界干扰。以往减小这些干扰的措施成本很高，但集成电路技术的发展和工艺的进步，已使上述因素的影响大为减小，为电容传感器的应用开辟了广阔前景。,产品：,电容式液位传感器（液位计/料位计）,电容式接近开关：,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,第五节压电式传感器,一、压电效应,某些材料（如石英），当沿着一定方向受到外力作用时，不仅产生机械变形，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,二、压电材料及其特性常用的压电材料大致有三类：压电单晶、压电陶瓷和新型压电材料。,相反，在这些材料的某些方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。,1、压电单晶,压电单晶为单晶体，各向异性。主要有石英(Si02)、铌酸锂(LiNb03)等,石英晶体有天然与人工之分，是压电单晶体中最具代表性的。石英晶体呈六角棱柱体。有光轴(中性轴)、电轴和机械轴。,光轴z纵轴线，沿该轴方向无压电效应。,电轴x通过六角棱柱的棱而垂直于光轴的轴。在垂直于此轴的平面上压电效应最强。,机械轴y垂直于棱面的y轴，在电场作用下，沿该轴的机械变形最明显。,纵向压电效应沿x轴受力产生的压电效应；横向压电效应沿y轴受力产生的压电效应；切向压电效应沿切向受力产生的压电效应,从晶体上沿各轴线切下一片平行六面体切片，当受到力的作用时，其电荷分布在垂直于x轴的平面上。,由纵向压电效应产生的电荷量q为：,石英晶体：压电常数比较低，d11=2.3110-12C/N；良好的机械强度和时间及温度稳定性。适用于精确度和稳定度要求特别高的场合。,铌酸锂晶体：是人工拉制晶体。居里点高(12000C)，适于高温传感器；缺点：质地脆,抗冲击性差,价格较贵,2、压电陶瓷,压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体。如钛酸钡、锆钛酸钡。压电陶瓷特点：压电系数大，灵敏度高，价格低廉，居里点较低。,3、新型压电材料,（1）有机压电薄膜某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化后形成具有压电特性的薄膜。如聚偏氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯(PVF)等。特点：柔软，不易破碎，面积大等。可制成大面积阵列传感器和机器人触觉传感器。,（2）压电半导体有些材料，如硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硫化钙(CaS)、砷化镓(GaAs)等，既具有半导体特性，又有压电特性。因此，既可利用压电性能制作敏感器件，又可利用半导体特性制成电路器件，研制成新型集成压电传感器。,居里点或居里温度：指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当高于居里点温度，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10-6.,三、等效电路,因此，压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容量为：,压电元件可等效为一个具有一定电容的电荷源。电容器上的开路电压U0为：,并联：适于测缓变信号和以电荷为输出量的场合,当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容形成传感器的并联寄生电容Cc，传感器中的漏电阻和后继电路的输入阻抗形成泄漏电阻R0，等效电路为：,由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无法保持不变，从而造成测量误差。因此，不宜利用压电式传感器测量静态或准静态信号，而适宜做动态测量。,压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往是两片或多片进行串联或并联。,串联：适于测高频信号和以电压为输出量的场合,四、测量电路,输出电荷量很小，且压电元件本身的内阻很大,压电式传感器,高输入阻抗,可采用比例放大器。电路简单，但输出受到连接电缆对地电容的影响,目前常用,若电荷放大器的开环增益足够大，放大器输出电压：,可见，在一定条件下，输出电压与传感器的电荷量成正比，且与电缆电容无关。,压电式传感器动态特性好、体积小、重量轻，常用来测量动态力、压力，特别是测量振动加速度的惯性拾振器大多采用压电式传感器。,力传感器,压力变送器,案例：飞机模态分析,案例：热轧设备诊断,第六节磁敏传感器,一、霍尔元件,霍尔效应将导电体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，如果在a、b端通以电流I，则在c、d端就会出现电位差。,霍尔效应原理：在磁感强度为B的磁场中，电荷为q、运动速度为v的带电粒子，所受的磁场力洛仑兹力，为,霍尔电势UH为,霍尔元件一般由锗(Ge)、锑化铟(InSb)等半导体材料制成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。将霍尔片、稳压电源、温度补偿电路和信号处理电路集成在同一个芯片上，即构成线性霍尔传感器。,霍尔传感器有单端输出和双端输出(差动输出)两种电路。,开关型霍尔传感器：由霍尔元件、放大器、施密特整形电路和集电极开路输出等部分组成。,施密特触发器的工作特点：,施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。,电路有两个阈值电压。输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性。,vI1,霍尔传感器应用,1）直流无刷电机的位置传感器，检测转子位置，以实现换向,S,2）测转角,3）电流传感器/钳形表,当电流流过导线，在导线周围产生磁场，磁场大小与电流大小成正比，该磁场可通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件检测。,4）叶片和齿轮位置传感器,5）汽车速度测量,1一轴2一外壳3电路4一定子5线圈6一霍尔元件7一永磁转子,6）电动自行车/霍尔电机,7）铁磁材料裂纹检测,案例：输油管检测用管道猪(Pigging),霍尔元件可用来测量磁场强度、位移、力、速度、角度等。其特点是体积小、使用间便、无接触测量，但受温度影响较大，在做精密测量时应作温度补偿。,二、磁敏电阻,磁阻效应当一载流导体置于磁场中时，其电阻会随磁场变化。磁敏电阻就是基于磁阻效应工作的。,磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理现象。运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用而发生偏转后，其从一个电极到另一个电极所经过的途径，要比无磁场作用时所经过的途径长些，因此增加了电阻率。,磁阻效应与半导体材料的迁移率、几何形状有关。一般迁移率愈高，元件长宽比愈小，磁阻效应愈大.,制造磁敏电阻的材料：锑化铟(InSb),砷化铟(InAs)等。,磁电阻测量实验,处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联，接在恒流源的分压电路中，通过对R的调节可以调节磁阻器件中电流的大小，电压表联接1或2可以分别监测外接电阻的电压和磁阻器件的电压。,实用的磁敏电阻在无磁场时的初始电阻值R0可达几百欧姆，在磁感应强度B=1.0T时，阻值RB与R0的比值可达12左右。,磁敏电阻是两端器件，使用方便，但受温度影响很大，制作工艺难度大，应用受到限制。,三、磁敏管,1、磁敏二极管,（1）磁敏二极管的结构,有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。,与普通二极管区别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合；磁敏二级管的PN结基区很长，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用=40cm左右的P型或N型单晶做基区(锗本征半导体的=50cm)，在它的两端有P型和N型锗。若r代表长基区，则其PN结实际上是由Pr结和Nr结共同组成。以2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是P+IN+型。,在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，并在本征区(I)区的一个侧面上，设置高复合区(利用喷砂打毛，形成粗糙表面，称为r面。由于粗糙表面处易使电子空穴对复合而消失，故r面是高复合区，也称为r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯。,（2）磁敏二极管的工作原理,当磁敏二极管外加正向偏压，即P区接电源正极，将有大量空穴从P区注入到I区。若将其放入磁场中，则注入的空穴和电子受洛仑兹力作用而发生偏转。当磁场方向使空穴，电子向r面偏转时，它们将大量复合，因而电流很小；当磁场方向使空穴，电子向光滑面偏转时，复合率变小，电流就大。故可根据某一偏压下的电流值来确定磁感应强度的大小和磁场方向。,当磁敏二极管反向偏置时，在r区仅流过微小电流，几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。,磁敏二极管优点：1）灵敏度高，约为霍尔元件的数百甚至上千倍；2）可识别磁场方向，且线路简单，功耗小。缺点：灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄，且受温度影响大。,2、磁敏三极管,（1）磁敏三极管的结构,在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极，基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合率的r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区。,末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b形成基极电流，少数载流子输入到c极。因而形成基极电流大于集电极电流的情况，使l。,（1）磁敏三极管工作原理,由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。,当受到正向磁场(H+)作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降，当反向磁场(H-)作用时，在H-的作用下，载流子向集电极一侧偏转，使集电汲电流增大。,光电效应,第七节光电式传感器,一、光敏电阻（又称光导管）,爱因斯坦是现代物理学的开创者和奠基人。1879年3月14日生于德国，1955年4月18日卒于美国的普林斯顿。1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学，1905年获苏黎世大学博士学位。他在物理学的许多领域都有贡献，比如研究毛细现象、阐明布朗运动、建立狭义相对论并推广为广义相对论、提出光的量子概念，并以量子理论完满地解释光电效应、辐射过程、固体比热，发展了量子统计。1921年获诺贝尔物理学奖(解释光电发射效应)。,暗电阻：无光照时的阻值，一般为兆欧量级。亮电阻：受光照时的阻值，一般为千欧以下。,光敏电阻响应时间一般为250ms,光谱特性：可见光硫化镉(CdS)，硒化镉(CdSe)；紫外光氧化锌(ZnO)，硫化锌(ZnS)；红外光硫化铅(PbS)，硒化铅(PbSe)。,非线性光照特性：不适宜做检测光通量变化的元件，常用作开关式光电传感器。,二、光电池（基于光生伏特效应的光电元）,PN结的形成：在本征半导体中，掺以不同的杂质，使其一边成为型，另一边成为型，在区和区的交界面处就形成一个结。,扩散运动：由于载流子浓度差，型区的空穴(多子)向型区扩散，与N区的自由电子复合；型区的电子(多子)向型区扩散，与P区的空穴复合。扩散运动使区失去空穴，留下负离子，区失去电子，留下正离子，形成一个很薄的空间电荷区(结)。在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉，即多数载流子被消耗尽了，故又称此区域为耗尽层，其电阻率很高，为高电阻区。,漂移运动：耗尽层形成的内电场将使N区的少数载流子(空穴)向P区漂移，使P区的少数载流子(电子)向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，二者达到动平衡时，PN结保持一定宽度和一定的接触电位差。,光电池原理：在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对，光生电子-空穴对的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。,用于光电池的半导体材料：硅，硒，锗，硫化镉等。,目前硅光电池应用最广泛，性能稳定，光谱范围宽(0.41.1um)，频率特性好，灵敏度68nA/(mm2lx)，响应时间为s至数十s。,硅光电池可做成检测元件，用于测量光线的强弱；也可制成电源使用，如太阳能硅光电池。,光电池应用：,（1）用作光电检测，可应用于红外探测、光电读出、光电耦合、特性识别、光电自动控制、光电测量等。（2）用作能源，可组合成电池组，可将太阳能转换为电能与镍镉电池配套使用，可作为人造卫星、宇宙飞船、野外灯塔、无人气象站等的永久性电源。,光敏晶体管是一种利用受光照时载流子增加的半导体光电元件，具有一个P-N结的称为光敏二极管，具有两个P-N结的称为光敏三极管。,三、光敏晶体管,1、光敏二极管,与光敏电阻相比，光敏二极管具有暗电流小，灵敏度高等优点。一般在可见光作光源时，采用硅管；探测红外线时，采用锗管。,光敏二极管外形：,案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。,2、光敏三极管,光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。,光敏三极管内部结构,1集电极引脚2管芯3外壳4玻璃聚光镜5发射极引脚6N+衬底7N型集电区8SiO保护圈9集电结10P型基区11N型发射区12发射结,四、固体图像传感器,固体图像传感器的核心器件多是CCD(ChargeCoupledDevice),CCD以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷转移。它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。,构成CCD的基本单元是MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)金属-氧化物-半导体)结构。,1、CCD的基本原理,电荷存储：在栅极G施加正偏压之前，P型半导体中空穴(多数载流子)分布是均匀的。当栅极施加正偏压Ug(此时Ug小于P型半导体的阈值电压Uth)后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图(b)所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当UgUth时,半导体与绝缘体截面上的电势(常称为表面势,用s表示)变得如此之高，以至于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面，形成一层极薄的(约102m)但电荷浓度很高的反型层,如图(c)。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。,电荷的注入：CCD的电荷注入的方法有很多，归纳起来可分为光注入和电注入两类。,1)光注入：当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷QIP为：,2)电注入：电注入是通过输入结构对信号电压或电流进行电压流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。,材料的量子效率,电子电荷,光敏单元受光面积,光注入时间,在半导体硅片上集成制造许多相互独立的微小MOS光敏元，每个光敏元为一个像素。当照射在这些光敏元上的是一幅光学图像，则这些光敏元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。这就是CCD图像传感器的基本原理。,2、读出移位寄存器,在每个光敏元中积蓄的光生电荷通过读出移位寄存器输出。,读出移位寄存器也是MOS结构，与MOS光敏元的区别：1）导体的底部有一层遮光层，防止光线的干扰。2）每个像素由三个（也有两个、四个的）电极组成一个耦合单元（即传输单元）。,读出移位寄存器结构1、金属电极2、遮光层3、P型硅4、二氧化硅,电荷的藕合：(a)初始状态(b)电荷由电极向电极转移(c)电荷在电极下均匀分布(d)