常用传感器工作原理 全套PPT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 1 m 100 m 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TCP IP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TCP IP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 l b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 3 10 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 003mm 0 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 7 3 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50 70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 1 m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0 001 1mm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 5 1 10 因此极距变化型电容传感器的量程范围在0 01 m 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 31 10 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 40 cm左右的P型或N型单晶做基区 锗本征半导体的 50 cm 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2ACM 1A为例 磁敏二级管的结构是P I N 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2 50ms 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 4 1 1um 频率特性好 灵敏度6 8nA mm2 lx 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6 N 衬底7 N型集电区8 SiO保护圈9 集电结10 P型基区11 N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Ug Uth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102 m 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 电荷继