传感器：第八章固态传感器.ppt

第八章固态传感器 固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因素作用发生变化 这一原理做成的传感器 这类传感器主要以半导体 电介质 铁电体等为敏感材料 与其它传感器相比有以下特点 1 基于物性变化 无运动部件 结构简单 体积小 2 动态响应好 且输出为电量 3 易于集成化 智能化 4 低功耗 安全可靠 主要缺点有 线性度差 温漂大 过载能力差 性能参数离散性大 一 霍尔元件 一 霍尔效应如图 在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流I 垂直于电流方向出现电压UH 这一现象称为霍尔效应 8 1磁敏传感器 半导体中形成电流的定向移动电荷 受洛仑兹力作用 产生偏移 电荷受到的洛仑兹力由于电荷偏移产生霍尔电场 霍尔电场对电荷的作用力为随着电荷在洛仑兹力作用下偏转 霍尔电场加强 最终达到动态平衡 两力值相等 即又因为 于是电流强度可表示为代入前面式子得 二 霍尔系数和灵敏度设 则上式变为称为霍尔系数 由材料性质决定 由电阻率公式 得一般电子的迁移率大于空穴的迁移率 因此多采用N型半导体材料作为霍尔元件 定义霍尔元件灵敏度于是由前面公式可看出 1 由于金属的电子浓度很高 它的霍尔系数很小 不适合制作霍尔元件 2 元件厚度越小 灵敏度越高 当磁感应强度与霍尔平面法线成角度时 霍尔电压为 通常霍尔元件使用时两端加的电压为E 将前面公式中的电流改写为电压更方便 根据电阻公式上面霍尔电压公式可写为 三 材料及结构特点霍尔元件一般采用N型锗 Ge 锑化铟 InSb 和砷化铟 InAs 锑化铟元件霍尔电压输出大 但受温度影响也大 锗输出小 温度性能和线性较好 霍尔元件结构参见下图 四 基本电路形式基本电路图见右图 2007 10 25JGLX303 五 电磁特性1 UH I特性当磁场恒定时 在一定温度下控制电流I与霍尔电压UH的关系 称为UH I特性 参见下图 定义UH I特性直线的斜率为控制电流灵敏度 即由前面公式得 2 UH B特性当控制电流恒定时 元件开路霍尔电压与磁感应强的的关系 称为UH B特性 通常UH B关系不完全是线性关系 参见下图 六 误差分析及其补偿方法1 元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响在前面公式推导中 假设霍尔片的长度L为无限长 实际上霍尔片具有一定的长宽比 实际上 霍尔电压与相关 前面公式应表示为称为元件的形状系数 其曲线参见右图 霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响 参见下图 当霍尔电极的宽度与长度比时 电极宽度的影响可以忽略 2 不等位电势及其补偿在霍尔元件制造过程中 不可能保证两个霍尔电极安装在等势面上 因此当控制电流流过元件时 即使磁感应强度为零 在霍尔电极上仍有电压输出 该电压称为不等位电势 霍尔元件可以等效为一电桥 参见下图 不等位电势可以采用补偿网络进行补偿 下面为常见的补偿电路 3 寄生直流电势由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触 在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应 当元件在磁感应强度为零的情况下输入交流控制电流时 它的输出除了交流不等位电势外 还有一直流分量 该直流分量称为寄生直流电势 其大小与工作电流有关 随工作电流减小 直流电势将迅速减小 4 感应电势霍尔元件在交变磁场中工作时 即使不加控制电流 由于霍尔元件引线布局不合理 在输出回路会感应出交流电压 通过合理布局引线可以减小感应电势 参见下图 5 温度误差及其补偿霍尔元件对温度变化十分敏感 为了提高精度 必须采取温度补偿措施 霍尔元件温度补偿电路参见下图 霍尔元件内阻与温度关系如下 霍尔元件灵敏度与温度的关系为补偿电阻r0的选择如下 设在某基准温度下 有由上两式得当温度上升为时 同理可得 当温度为时霍尔电势为当温度为时霍尔电势为设补偿后霍尔电势不变 即于是有考虑 将前面公式整理得 将上式展开 并略去项 得对于霍尔元件 有 上式简化为通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移 只需要通过霍尔元件的内阻温度系数和灵敏度温度系数即可求得补偿电阻的大小 另外 采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移 补偿电路见下图 七 应用霍尔式位移传感器参见下图 霍尔式压力传感器参见下图 霍尔集成电路原理框图 见下图 二 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管具有磁灵敏度高 能识别磁场极性 体积小 电路简单等特点 一 磁敏二极管的工作原理及主要特性1 磁敏二极管的结构原理磁敏二极管采用P I N 型结构 在本征区的一侧面设置高复合r区 参见下图 2 磁敏二极管的主要特征 1 伏安特性在给定磁场的情况下 磁敏二极管正向偏压和通过它的电流的关系称为伏安特性 锗磁敏二极管的伏安特性见下图 2006 11 6JC204 两种硅磁敏二极管的伏安特性见下两图 2 磁电特性在给定条件下 磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场的关系称为磁电特性 见下图 3 温度特性温度特性指在标准测试条件下 输出电压变化量或无磁场作用时两端电压随温度变化规律 参见下图 通常硅磁敏二极管的Uo温度系数为 20mV C U的温度系数为0 6 C 锗管的Uo温度系为 60mV C U的温度系数为1 5 C 4 频率特性硅磁敏二极管的响应时间小于1 S 响应频率高达1MHz 锗管的响应频率为10kHz 锗管的频率响应曲线见下图 5 磁灵敏度磁敏二极管磁灵敏度有三种定义方法 在恒流条件下 偏压随磁场变化的电压相对灵敏度为测量电路见图 在恒压条件下 偏流随磁场变化的电流相对灵敏度为测量电路见图 在给定电压源E和负载电阻R条件下 电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义为 3 温度补偿及提高灵敏度的措施由于磁敏二极管受温度影响大 为提高精度需要进行温度补偿 1 互补式电路选用特性相近的两只管子 按照磁极性相反的方向组合 串联在一起 参见下图 当温度变化时 两只管子同步变化 分压比保持不变 输出Um不变 当存在磁场时 两只管子向相反的方向变化 一个等效电阻增加 另一个减小 分压比发生改变 输出Um随之该变 2 差分式电路差分式电路参见下图 将两只管子按磁极性相反的方法组合 把两只管子的输出电压差 作为输出 其输出电压 3 全桥式电路参见下图 对于全桥电路 其输出电压为全桥电路要求四只管子特性完全一致 给使用带来一定困难 二 磁敏三极管工作原理和主要特性1 磁敏三极管的结构原理磁敏三极管的结构参见下图 2 磁敏三极管的主要特性 1 伏安特性参见下面曲线 2 磁电特性集电极电流变化量与磁感应强度的关系 称为磁电特性 参见下面曲线 3 温度特性磁敏三极管对温度很敏感 温度系数有两种 静态集电极电流Ico的温度系数 磁灵敏度h 的温度系数 静态集电极电流Ico的温度系数定义为灵敏度h 的温度系数定义为 4 频率特性3BCM锗磁敏三极管响应时间为1 S 截止频率为500kHz左右 3CCM硅磁敏三极管响应时间为0 4 S 截止频率为2 5MHz左右 5 磁灵敏度磁敏三极管的磁灵敏度有正向h 和负向h 两种 定义如下右图电路 电压磁灵敏度为 6 工作电压磁敏三极管工作电压范围较宽 从3V到几十伏 集电极电压对灵敏度影响不大 硅磁敏三极管的噪声小于磁敏二极管 功耗较低 3 温度补偿及提高灵敏度的措施电路如下 2007 10 29JGLX303 三 磁敏管的应用漏磁探伤仪原理见下图 探伤仪探头结构和原理框图如下 四 常用磁敏管的型号和参数 一 光电效应 一 外光电效应在光作用下 物体内的电子逸出物体表面 向外发射的现象称为外光电效应 光子具有能量 每个光子的能量为若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功时 电子逸出物体表面 要使电子逸出 光子的能量必须大于物体的逸出功 超过部分的能量转化为电子的动能 即 8 2光敏传感器 由上式可知 只有当光子能量大于物体的表面逸出功时 才产生光电子 每种物体都对应一个红限频率 当入射光的频率大于该频率时才会产生光电子 入射光的频谱成分不变时 产生的光电子数量与光强成正比 光电子逸出物体表面时具有初始动能 二 内光电效应内光电效应分为两类 光导效应 在光线作用下电子吸收光子能量从价带跃迁到导带 引起材料电阻率的变化 称为光导效应 光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应 二 光敏电阻光敏电阻又称为光导管 一 光敏电阻的原理和结构当光线照射到光电导体上时 若光导体为本征半导体 且光子能量足够高 光电导体内处于价带上的电子将跃迁到导带上去 从而使光电导体的电阻率降低 入射光子能量必须大于光导材料的禁带宽度 即 从上式可看出 一种光电导体存在一个波长极限只有波长短于的光线才能使光导体的电阻率降低 光敏电阻的结构参见下图 光辐射功率光谱密度 在单位波长间隔内 光的实际功率 以w为单位 光通量 能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的量度 单位是Lm 流明 式中是一个转换常数 过去也曾称为光功当量 现在叫最大光谱光效能 它的数值 是一个国际协议值 规定为 即表示在人眼视觉系统最敏感的波长 555nm 上 每瓦光功率相应的流明数 为标准明视觉函数 视觉函数反映了人眼对不同波长光线的敏感程度 照度 单位面积上的光通量 可表示为照度单位为勒克斯 lx lux 1lx 1lm m2 光通量单位为流明 lm 定义为纯铂在熔化温度 约1770 时 其1 60平方米的表面面积于1球面度的立体角内所辐射的光量 以下是各种环境照度值 单位lux黑夜0 001 0 02 月夜0 02 0 3 阴天室内5 50 阴天室外50 500 晴天室内100 1000 夏季中午太阳光下的照度约为109 阅读书刊时所需的照度50 60 二 光敏电阻的主要参数和基本特性1 暗电阻 亮电阻 光电流光敏电阻在标准条件下 全暗后经过一段时间后测得的电阻值称为暗电阻 此时的电流称为暗电流 光敏电阻在某一光照条件下的阻值 称为该光照下的亮电阻 此时的电流称为亮电流 亮电流与暗电流之差成为光电流 2 光照特性在一定电压下 光电流与入射光照度的关系 称为光照特性 参见后图 3 光谱特性 2006 11 10JC204 光谱特性曲线参见下图 4 伏安特性在一定照度下 光敏电阻两端电压与电流之间的关系 5 频率特性硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性参见下图 6 稳定性参见上图 7 温度特性温度特性参见下图 三 光敏电阻与负载的匹配每一个光敏电阻都有一个最大耗散功率 因此 有 光敏电阻测量电路参见下图 总电流 设照度变化时 光敏电阻值的变化量为 则此时电流为由上两式得当电流为时 输出电压为电流为时 输出电压为 由上两式得光敏电阻值及电源电压为已知 选择最佳的值 可以获得最大的信号电压 上式对求偏导 并令其为零 得解上式得因此 当负载电阻与光敏电阻值相等时 可得到最大信号电压 上面讨论 是针对直流量考虑的 当用于交流情况时 应选用较小的值 以提高高频响应 三 光电池 一 光电池的结构原理硅光电池结构参见右图 在电阻率约为0 1 1 cm的N型硅片上 扩散硼形成P型层 将P型和N型层引出 作为正负极 光电池的工作原理是 PN结存在内建电场 当入射光足够强时 在PN结附近激发电子 空穴对 在内建电场作用下 N区的光生空穴被拉向P区 P区的光生电子被拉向N区 结果N区聚集负电荷 P区聚集正电荷 这样在N区和P区间出现电位差 二 基本特性1 光照特性即光电池开路电动势和短路电流与照度的关系 所谓短路电流是指外接负载电阻相对光电池内阻很小的情况下的输出电流 负载电阻越小 输出电流与照度的线性越好 参见下图 2 光谱特性光电池的光谱特性决定于材料 硅和硒光电池的光谱特性参见下图 3 频率响应光电池的频率响应参见下图 4 温度特性参见右上图 从图上看出 短路电流比开路电压的温度特性要好 三 光电池的转换效率及最佳负载匹配光电池最大输出电功率与输入光功率的比值 称为光电池的转换效率 硅光电池转换效率的理论值最大为24 目前实际为10 15 光电池具有非线性内阻 因此输出电压随输出电流增大而非线性减小 光电池输出电压与输出电流的关系称为输出特性 输出特性曲线参见下图 入射光照度不同输出特性曲线不同 参见下图 考虑负载电阻为线性电阻 显然负载电阻的U I关系为一直线 该直线的斜率为负载电阻值 直线与光电池输出特性曲线的交点即为工作点 此时电压与电流的乘积即为光电池的输出功率 上图中阴影部分的面积即为光电池的输出功率 改变负载电阻的值 可以使得对应阴影面积最大 此时负载电阻称为最佳负载电阻 由于光照不同光电池的输出特性曲线也不同 因此 不同光照下最佳负载电阻值不同 四 光敏二极管和光敏三极管 一 光敏管的结构和工作原理光敏二极管与一般二极管类似 其PN结装在管子的顶部 以便接受光照 光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压状态 光敏二极管的原理参加下图 当光敏二极管受到光照时 PN结附近受光子轰击 吸收其能量产生电子空穴对 使P区和N区的少数载流子浓度大大增加 在外加反偏压和内建电场的作用下 P区少数载流子渡越阻挡层进入N区 N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区 从而使通过PN结的反向电流增加 形成光电流 光敏三极管与光敏二极管结构相似 内部有两个PN结 光敏三极管发射极做得很小 以扩大光照面积 光敏三极管工作时基极开路 基极 集电极处于反偏 当光照射到PN结附近时 使PN结附近产生电子 空穴对 形成光电流 光照集电结产生的光电流相当于三极管的基极电流 因此集电极电流被放大了倍 从而使光敏三极管比光敏二极管灵敏度高 光电流 基极电流 集电极电流 2006 11 13JC204 二 光敏管的基本特征1 光谱特性在入射光功率 或光子流密度 一定时 输出光电流 或相对光谱灵敏度 随光波长的变化而变化 称为光敏管的光谱特性 峰值约为1 4 1 5 m 峰值约为0 8 0 9 m 2 伏安特性在不同照度下光电流与外加电压的关系 由图上可看出 在零偏压时 二极管仍有光电流输出 而三极管没有 这是因为二极管存在光生伏特效应 3 光照特性在一定偏压下 光电流与照度的关系 称为光照特性 4 频率响应当入射光照度受正弦幅度调制时 输出光电流变化幅度与调制频率的关系 称为频率响应 频率响应与管子的结构 工作状态 负载以及入射光波长有关 减小负载可提高响应频率 但输出电压幅度要降低 光敏三极管通常比光敏二极管的频率响应差很多 5 暗电流 温度特性与光电流 温度特性暗电流随温度升高而增加 在低照度时暗电流对测量影响较大 需要进行补偿 光电流受温度影响较小 三 光敏晶体管电路分析方法例1 例2 五 光电传感器的类型及应用 一 光电传感器的类型光电传感器测量系统按其输出量性质可分为两类 第一类是把被测量转换为连续变化的光电流 主要有下列几种情形 第二类是转换为断续的光电流 二 应用1 光电耦合器光电耦合器的作用是传送信号 同时避免电气连接 光电耦合器件主要用途 1 信号隔离 通过消除环路电流 阻塞噪声信号和共模瞬变 改善信号质量 2 电气绝缘 防止光电耦合器和灵敏电路因高压电势而引起损坏 下图为长距离信号传输地电位差示意图 采用光电隔离后 可以有效避免地电位的干扰 光电耦合器件的结构形式参见下图 光电耦合器有多种组合方式 参见下图 光电耦合器件分为线性和数字两种 下图为光电耦合器的特性曲线 2 光电转速计利用光电器件测量转速 其组成见下图 2007 11 1JGLX303 六 PIN型硅光敏二极管PIN型硅光敏二极管是一种高速光敏二极管 其设计思想是 为了得到高速响应 需要减小二极管的PN结的电容 为此在高浓度P型和N型硅片层间插入高阻抗的本征半导体层 I层 参见下图 插入本征半导体层后可提高二极管的响应速度和灵敏度 通过插入本征层和限制受光面积 可以使结电容减小到普通PN结的1 100 1 1000 来自P层外侧光子在主要在耗尽层内被吸收 激发产生载流子 形成光电流 由于本征层的存在 载流子在飘移过程中 很少或没有再复合 因而有较高的量子效率 从而提高灵敏度 另一方面PIN型二极管可以加较高的反压 大大加强PN结电场 使光生载流子在结电场中的运动加速 减小飘移时间 进一步提高响应速度 通常PIN型光敏二极管响应时间可达1nS 七 雪崩式光敏二极管 APD 雪崩式光敏二极管具有高速响应和放大功能 结构参见下图 在PN结的P层一侧再设置一层掺杂浓度极高的P 层 在PN结上施加较大的反偏压 利用PN结处产生的雪崩效应完成电子倍增 使用时在元件两端加上近于击穿的反压 外来光子通过薄的P 层 被P层吸收 产生载流子 由于P层存在105V cm的强电场 载流子从电场获得足够的能量 将价带上的电子激发 产生新的载流子 新的载流子在强电场作用下 再次激发出载流子 于是电子和空穴不断产生 雪崩效应 使光电流在内部倍增 倍增的放大倍数与外加电压和材料有关 通常倍增因子 倍增倍数 式中与材料 入射波长等有关的参数 为击穿电压 通常从数十到数百 一 图像传感器的基本原理图像传感器的作用是将图像转换为电信号输出 数字图像获取的过程参见下图 8 3电荷耦合图像传感器 图像传感器对图像是一个空间取样过程 同样受取样定律约束 要从取样数据恢复原始图像 空间采样频率必须符合取样定律 X方向采样间隔 Y方向采样间隔 设X方向采样间隔为 Y方向采样间隔为 则X Y方向的空间采样频率为 X 空间采样频率等于空间采样间隔的倒数 按照采样定律空间采样频率必须大于图像最高空间频率分量的两倍 由于可以通过光学系统放大图像 降低图像的空间频率 因此对于图像传感器考虑的是传感器采样的点数即像素多少 而不是空间采样频率 通常在图像传感器前加一片光学低通滤波器 对于家用数码相机使用的图像传感器 其像素多少的选择取决于需要输出照片的大小 通常5吋的照片200万 约1600 1200 像素就可以保证清晰了 而500万 约2580 1936 像素可以完美输出14吋的照片 由以上讨论可以看出 只要将多个光敏元件在平面上组成一个矩阵就构成图像传感器 但数百万个光敏元件的信号输出 需要合适的方法才能完成 二 电荷耦合器件的结构与工作原理 一 电荷耦合器件的结构电荷耦合器件由多个MOS电容按一定规律排列而成的 MOS电容结构如下图 当MOS电容无外加电压时 在理想情况下 能带 电子能量 从表面到内部是平坦的 对于P型MOS电容 当金属极加上正电压时 空穴受排斥 离开表面 在半导体表面形成带负电的耗尽层 当栅压上升到时 半导体表面积累的电子浓度等于体内空穴浓度时的栅压 通常称为MOS管的开启电压 当栅压大于开启电压时 由于表面势升高 若周围存在电子 将迅速聚集到电极下的半导体表面处 此时在半导体表面形成了势阱 二 电荷耦合器件的工作原理1 电荷的定向转移CCD的基本功能是存储与转移电荷 为了实现信号转移 必须使MOS电容阵列排列紧密 使相邻MOS电容的势阱沟通 通常相邻MOS电容电极间隙小于3 m 根据MOS电容上的电压越高 势阱越深的原理 通过控制相邻MOS电容的电压高低调节势阱深度 使电荷由势阱浅的地方向深的地方流动 如图 CCD的MOS阵列划分成以几个相邻MOS电容为一单元的循环结构 每一单元称为一位 将每一位中对应位置上的电容栅极分别连接到各自共同的电极上 此共同电极称为相 每一位CCD中包含的电容个数称为CCD的相数 通常CCD有二相 三相 四相等几种结构 2006 11 17JC204 2 电荷的注入CCD图像传感器中信号电荷由光生载流子得到 即光注入 CCD作为信号处理或存储器件时电荷输入采用电注入 3 电荷的检测CCD输出结构的作用是将CCD中信号电荷变换为电流或电压输出 参见后图 从图上看出 A点电压的变化与CCD输出电荷的关系为由于MOS管V2为源极跟随器 其电压增益为于是 上面输出包含耦合复位脉冲 为了消除复位脉冲的干扰 采用相关取样电路 参见下图 三 CCD图像传感器 一 CCD图像传感器的原理CCD图像传感器是利用CCD的光电转换和电荷转移功能 当波长一定的入射光照射CCD后 若CCD电极下形成势阱 则光生少数载流子聚集到势阱中 其数目与光强和时间的积分成正比 使用转移时钟将CCD的每位下的光生电荷依次转移出来 分别从同一输出电路上检测出 从而得到图像电信号 二 CCD线阵线阵图像器件CCD线阵有光敏区 转移栅 模拟移位寄存器 即CCD 胖零 即偏置 电荷注入电路 信号读出电路等几部分组成 1 器件中各部分的结构与功能 2 器件工作过程工作过程分为积分 转移 传输 输出 计数五个环节 为了缩短转移时间 还有双边传输结构的CCD图像器件 如下图所示 三 面阵CCD图像器件面阵图像器件的感光单元为二维矩阵排列 组成感光区 根据电荷转移方式不同分为行转移 帧转移 行间转移三种结构 四 彩色面阵CCD图像器件3CCD结构由分光棱镜和3片CCD图像传感器构成 分光棱镜将入射光线分成红绿蓝三种颜色图像分别投影到3片不同的CCD上 2 BayerPattern结构该方案源于柯达科学家BryceBayer博士在1976年的设计 是一种彩色滤镜阵列 ColorFilterArray CFA 由绿色 红色和蓝色三种像素组成 其中人眼最敏感 光谱位置最宽的绿色占50 红色和蓝色各占25 BayerPattern中每个象素只能感受一种色分量的灰度值 其它分量的灰度值可以通过插值方法得到 插值有多种方法 以固定插值法为例 SensorArrayInterpolation计算方法如下 a 偶数列第二行B10象素RGB各个值为B10 R R1 R3 R17 R19 4B10 G G2 G9 G11 G18 4B10 B B10其余各行类推 b 奇数列第三行G18象素RGB各个值为G18 R R17 R19 2G18 G G9 G11 G18 G25 G27 5G18 B B10 B26 2其余各行类推 R1 G2 B10 G9 R3 G4 B12 G11 R5 G6 B14 G13 R7 G8 B16 G15 R17 G18 B26 G25 R19 G20 B28 G27 R21 G22 B30 G29 R23 G24 B32 G31 当前可以在RGB的彩色滤波阵列中插入表征全色的白光 以改善提高彩色图像传感器在弱光下的灵敏度 减少了在弱光场景下的噪声 但是处理不好会牺牲图像传感器的色彩饱和度 所以需要改进彩色插值等算法 图像传感器领域正在研究这方面的技术 四 CCD图像传感器的特性参数 一 转移效率电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时会产生损耗 假设原始电荷量为 在一次转移中有的电荷正确转移到下一个势阱 则转移效率为定义转移损耗为则信号电荷转移N个电极后的电荷量为时 总效率为 由上式可知 要保证总效率 转移效率必须达到99 99 99 999 二 暗电流CCD图像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称为暗电流 暗电流根本原因是半导体的热激发 由于工艺的原因 CCD中暗电流密度分布是不均匀的 通常以平均暗电流密度来表征按电流大小 按电流产生需要时间 势阱存在时间越长暗电流越大 三 CCD的噪声源CCD的噪声源可归纳为三类 散粒噪声 转移噪声 热噪声 1 散粒噪声光子流的随机性 造成了散粒噪声 它是原理性噪声 但它不会限制器件的动态范围 2 转移噪声转移损失及界面态俘获是引起转移噪声的根本原因 转移噪声具有积累性和相关性 3 热噪声它是信号电荷注入及检出时产生的 四 分辨能力分辨能力是指图像传感器分辨图像细节的能力 它是图像传感器的重要参数 调制深度与空间频率之间的关系 用它在零频率下的值归一化后 称为调制传递函数 MTF 五 动态范围与线性度CCD图像传感器动态范围的上限决定于光敏单元满阱信号容量 下限决定于图像器件能分辨的最小信号 即等效噪声 CCD图像器件的动态范围定义为线性度是指照射光强与产生的信号电荷之间的线性程度 六 均匀性均匀性是指CCD各感光单元对光强度响应的一致性 均匀性是决定测量精度的一个重要参数 四 光电阵列器件在检测中的应用 一 尺寸检测1 微小尺寸的检测对微小尺寸的检测一般采用激光衍射法 用图像传感器检测衍射图像 得到实际尺寸 对于细丝尺寸检测参见图 当激光照射到细丝时 满足远场条件 在时 可以得到夫琅和费衍射图像 衍射图像暗纹的间距为用线阵光电器件检测条纹间的像元数 根据线阵单元的间距 即可算出条纹的宽度 2 物体轮廓尺寸的检测物体轮廓检测有两种 投影法和成像法 参见下图 远心光学系统在成像法中 物体成像的尺寸随物距改变而改变 采用远心光学系统可以避免 光阑 物体 像 二 表面缺陷检测1 透射法透射法检测见下图 光源发出的光穿过被测物体后 投射到光电阵列器件上 2 反射法反射法检测见下图 光源发出的光被被测物体反射后 投射到光电阵列器件上 三 其它应用1 干涉图形的检测干涉图形检测系统结构参见下图 2 光学字符识别和图像传真参见下图 2007 11 08JGLX303 气体敏感元件是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件 一 接触燃烧式气体传感器 一 检测原理可燃性气体与空气中的氧气接触 发生氧化反应 产生反应热 无焰接触燃烧 使得敏感材料铂丝温度升高 电阻值增大 空气中可燃气体的浓度不太高时 低于10 可燃气体可以完全燃烧 其发热量与可燃气体浓度有关 因此通过检测电阻值 温度 可以测量出气体浓度来 参见下图 图中F1为检测元件 F2为补偿元件 8 4气体传感器 2006 11 20JC204 由于接触燃烧F1的电阻改变为 二 接触燃烧式气敏元件的结构接触式气敏元件的结构以及感应特性参见下图 二 半导体气体传感器 一 半导体气敏原理概述粗略地说 半导体气敏元件的工作原理 是当其氧化物半导体表面一旦吸附某些气体时 其电导率将发生改变 但是 电导率变化的机理却因元件本身的复杂因素而不易找出其相互间的明确规律 气敏元件体积虽小 其复杂因素大致表现为如下六个方面 气敏功能材料不是单晶体 为改善元件气敏选择性和灵敏度 一般要往金属氧化物内添加催化剂和其他金属氧化物 为提高元件强度还需添加粘合剂 利用的是物质的表面 元件工作在较高温度下 一般200一400 被测气体种类繁多 它们各具不同特性 吸附现象本身就非常复杂 既有物理型吸附 同时还存在化学型吸附等 通过长期的基础研究 将这些错综复杂的因素所形成的气敏现像 归纳成四种解释模式 并从不同角度来解释不同类型的半导体气敏元件的工作原理 1 能级生成理论当还原性气体吸附到SnO2和ZnO等N型半导体表面时 还原性气体就把其电子给予半导体 以正离子形式吸附在半导体表面 进入到N型半导体内的电子 填充少数载流子空穴 使空穴与电子的复合率降低 导致电阻值减小 相反 若氧化性气体吸附到N型半导体元件表面时 将从半导体获取电子 以负离子形式吸附在半导体表面 其结果是使导带电子数目减少而使元件电阻值增加 2 接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论根据是多晶半导体能带模型 半导体气敏材料是半导体微粒的集合体 有如图所示的粒子接触界面势垒存在 当晶粒接触面吸附氧化性气体时 势垒增高 当吸附还原性气体时 势垒降低 势垒高度的变化引起元件电阻的变化 晶粒 晶粒 晶粒 晶粒 晶粒 晶粒 粒界 粒界 粒界 氧化性气体 还原性气体 导带 禁带 价带 导带 禁带 价带 价带 禁带 导带 晶粒界面吸附氧化性气体 势垒增高 晶粒界面吸附还原性气体 势垒降低 较紧密接触时 势垒不收吸附气体影响 3 表面电荷层理论表面电荷层学说认为 由于金属氧化物表面结构的不连续性或晶格缺陷 在吸附种类不同的气体之后 将形成不同形式的表面能级 这些表面能级与金属氧化物本体能带之间有电子的接受关系 因而形成表面的空间电荷层 由于吸收不同种类气体后空间电荷层的变化从而引起气敏元件电阻值的变化 4 整体原于价控制理论 整体原子价控制 学说 适用于MFeO3形的原于价控制复和氧化物气敏元件 MFeO3形复合氧化物的一般表达式为ABO 其导电过程是通过B原素与氧的三维网状结构进行的 氧的解离作用可以把网状结构的某部分切断 使复合氧化物的电阻值显著增加 二 半导体气敏元件的特性参数1 气敏元件的电阻值通常将电阻型气敏元件在常温洁净的空气中的电阻值 称为气敏元件的固有电阻值 用表示 2 气敏元件的灵敏度 1 电阻比灵敏度 2 气体分离度 2 输出电压比灵敏度3 气敏元件的分辨力表示气敏元件对被测气体的识别以及对干扰气体的抑制能力 通常表示为4 气敏元件的响应时间表示在工作温度下 气敏元件对被测气体的响应速度 5 气敏元件的恢复时间表示在工作温度下 被测气体由该元件上解吸的速度 6 初期稳定时间处于非工作状态的气敏元件恢复到工作状态需要的时间 成为初期稳定时间 7 气敏元件的加热电阻和加热功率气敏元件一般要在高温 200 以上 工作 为气敏元件加热的电阻 称为加热电阻 为气敏元件正常工作加热所需的电功率 称为加热功率 一般气敏元件的加热功率在0 5 2 0W范围 三 烧结型SnO2气敏元件目前常见的烧结型SnO2气敏元件有烧结型 薄膜型和厚膜型三种 烧结型使用最多 1 直接加热式SnO2气敏元件 2 旁热式SnO2气敏元件旁热式结构参见下图 三 氧化锆氧气传感器固体电解质是具有离子导电性能的固体物质 在固体电解质中参与导电的主要是离子 二氧化锆在高温下具有氧离子传导性 在2700 熔融状态的ZrO2中添加氧化钙等杂质后 形成稳定的正方晶型 称为稳定化二氧化锆 二氧化锆氧敏元件是做成浓差电池的形式 以被测气体作为浓差电池的一方 已知浓度的参考气体作为另一方 测定固定浓差电池的电动势 判定被测气体浓度的大小 二氧化锆固体浓差电池组成如下 Pt PO2I ZrO2 Y2O3 PO2II Pt 根据Nernst公式知 电池的电动势为 F为法拉第常数 等于23060卡 度 克分子 R为气体常数 等于1 987卡 度 克当量 当温度一定时 同一地点空气中的氧分压是一常数 只需测出固体浓差电池的电动势 即可得到被测环境的氧分压PO2II 四 气体传感器的应用气体传感器的工作电压一般为3V 10V 一般情况下需要一些辅助电路 如温度补偿 延时 加热失效 元件失效等 其检测电路参见下面图 一 湿度表示法空气中水蒸气的含量称为湿度 一 质量百分比和体积百分比质量为的混合气体中 若含水蒸气的质量为 则质量百分比为在体积为的混合气体中 若含水蒸气的体积为 则体积百分比为这两种方法统称为水蒸气百分含量法 8 5湿度传感器 二 相对湿度和绝对湿度水蒸气压是指在一定的温度条件下 混合气体中存在的水蒸气分压 而饱和蒸气压是指在某一温度下 混合气体中所含水蒸气压的最大值 温度越高 饱和蒸气压越大 在某一温度下 水蒸气压与饱和水蒸气压的百分比 称为相对湿度 表示为绝对湿度表示单位体积内 空气里所含水蒸气的质量 定义为 如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合气体 根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程 可以得出如下关系式 三 露 霜 点空气中饱和蒸气压随温度降低逐渐下降 在同样的空气水蒸气压下 随着温度降低 水蒸气压与同温度下的饱和蒸气压差值减小 当空气温度下降到某温度时 空气中的水蒸气压与同温度的饱和蒸气压相等 此时 空气中的水蒸气将向液相转变 凝结成露珠 空气相对湿度为100 RH 这一特定温度称为空气的露点温度 简称露点 如果露点温度低于零度 水蒸气将结霜 可称为霜点温度 通常霜点和露点不予区分 露点与湿度存在对应关系 参见下图 二 湿度传感器的主要参数 一 湿度量程量程就是湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围 二 感湿特征量 相对湿度特性每种湿度传感器都有其感湿特征量 诸如电阻 电容等 通常用电阻比较多 在规定的工作湿度范围内 湿度传感器的感湿量随环境湿度变化的关系曲线 简称感湿特性 三 感湿灵敏度在某一相对湿度范围内 相对湿度改变1