第五章 磁敏传感器

1、固态图像传感器 1 1CCDCCD的结构和基本原理的结构和基本原理 电荷转移方向 图58 CCD的MOS结构 P型Si 耗尽区 1 2 3 输出栅 输入栅 输入二极管输出二极管 SiO2 CCD是由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结构如图是由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结构如图 所示。所示。CCD的最小单元是在的最小单元是在P型（或型（或N型）硅衬底上生长型）硅衬底上生长 一层厚度约为一层厚度约为120nm的的SiO2，再在，再在SiO2层上依次沉积铝电层上依次沉积铝电 极而构成极而构成MOS的电容式转移器。将的电容式转移器。将MOS阵列加上输入、阵列加上输入、 输出端，便构成了输出端，便

2、构成了CCD。 当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬 底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正 偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子） 被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电 荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件， 电极加正偏压时，少数载流子为空穴。 如何实现电荷定向转移呢？电荷转移的控制方法， 非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相 等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电 荷定向转移的过程。见图59 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1P1P2P2P3P3 (a) 1 2 3 t0t

3、1t2t3 t (b) 图59 电荷转移过程 t=t0 t=t1 t=t2 t=t3 0 三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电 极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲1， 2，3，见图。CCD电荷的注入通常有光注入、电注入 和热注入等方式。图采用电注入方式。当P1极施加高电 压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）；当P2极加上同样的 电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的 电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）；当P1回到低电位 时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。然后，p3的 电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势 阱（t=

4、t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。随着 控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最 终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大 器处理，便实现电荷移动。 2 2线型线型CCDCCD图像传感器图像传感器 线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行 且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅, 如图60(a)所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共 电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射 在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集 光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正 比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低

5、 电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后, 降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并 行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低, 梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分 周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存 储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地 进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。 目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如 图60（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转 移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作 用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就 形成了原来光敏信号电荷的顺序。

6、转移栅 光积分单元 不透光的电荷转移结构 光积分区 输出 转移栅 (a) (b) 图60 线型CCD图像传感器 输出 3 3面型面型CCDCCD图像传感器图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区 和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构 形式，如图61所示。 图61(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出 寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电 路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向 上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二 极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图 像信号。这种结构易于引起图像模糊。 二相驱动视频输出 行 扫 描 发 生 器 输 出 寄 存 器 检波二极管 二相驱

7、动 感光区 沟阻 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 感光区 存储区 析像单元 视频输出 输出栅 串行读出 图61 面型CCD图像传感器结构 (a)(b) 图61（b）所示结构增加了具有公共水平方 向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫 周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累 的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫 结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周 期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总 是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出 器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视 频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就 开始下一帧信号的形成。该CCD结

8、构具有单元密 度高、电极简单等优点，但增加了存储器。 光栅报时钟 二相驱动 输出寄存器检波二极管 视频输出 垂直转移 寄存器 感光区 二相驱动 图61 (c) 图61(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它 将图61(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光 单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏 元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储 区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷 图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着 这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器 件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但 单元设计复杂，感光单元面积减小，图

9、像清晰。 目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所 能生产的产品的单元数也越来越多，最多已达 10241024像元。我国也能生产512320像元的面型 CCD图像传感器。 MOS固态图像传感器 MOS固态图像传感器又称为扫描光电二极管阵列，其图像传感 器质量很高，可用低压电源驱动，且外围电路简单。图中所示 为MOS固态图像传感器结构示意图，由感光区和传输区组成， 感光区由一系列光敏单元组成，传输区由转移栅和一系列移位 寄存器组成。光照产生的信号电荷存在感光区光敏二极管中， 接通转移栅后，信号电流流入传输区。传输区是遮光的，以防 因光生噪声电荷干扰导致图像模糊。光照产生的信号电荷存贮 于感光

10、区的光敏二极管中,接通转移栅后,信号电荷流入传输区。 CMOS有源像素图像传感器 CMOS技术可以将图像传感器阵列，驱动电路和信号处理 电路，控制电路，模拟-数字转换，改进的界面完全集成 在一起，其结构如图所示。由光敏单元阵列，信号处理电 路，定时和控制电路，译码器，计数器，门闩电路等单元， 有的还要模拟-数字转换器 5.2.2 CMOS图像传感器图像传感器 CMOS图像传感器从原理可分为无源像素传感器图像传感器从原理可分为无源像素传感器PPS(Passive-Pixel Sensor)和有源像素传感器和有源像素传感器APS(Active- Pixel Sensor)两大类。从结构上讲，两大类

11、。从结构上讲， 主要包括光敏二极管型无源、有源像素图像传感器和光电栅型有源像素主要包括光敏二极管型无源、有源像素图像传感器和光电栅型有源像素 图像传感器。图像传感器。 光敏单元 行 线 列 线 下图简单的说明了光敏二极管型无源图像传感器和光敏二极管型有下图简单的说明了光敏二极管型无源图像传感器和光敏二极管型有 源图像传感器感光单元的结构源图像传感器感光单元的结构 。 一、一、光敏二极管型光敏二极管型CMOS图像传感器结构图像传感器结构 在光敏二极管型无源图像传感器中，光敏二极管受光照将光子变成在光敏二极管型无源图像传感器中，光敏二极管受光照将光子变成 电子，通过行选择开关将电荷读到列输出线上；

12、在光敏二极管型有源电子，通过行选择开关将电荷读到列输出线上；在光敏二极管型有源 CMOS图像传感器中，则通过复位开关和行选择开关将放大后的光生的图像传感器中，则通过复位开关和行选择开关将放大后的光生的 电荷读到感光阵列外部的信号放大电路。无源像素图像传感器仅仅是一电荷读到感光阵列外部的信号放大电路。无源像素图像传感器仅仅是一 种具有行选择开关的光电二极管，通过控制行选择开关把光生的电荷信种具有行选择开关的光电二极管，通过控制行选择开关把光生的电荷信 号传送到像素阵列外的放大器；有源像素图像传感器的每个像元内部都号传送到像素阵列外的放大器；有源像素图像传感器的每个像元内部都 包含一个有源单元，即

13、包含由一个或多个晶体管组成的放大电路在像元包含一个有源单元，即包含由一个或多个晶体管组成的放大电路在像元 内部先进行电荷放大再被读出到外部电路。内部先进行电荷放大再被读出到外部电路。 二、光电栅型有源像素图像二、光电栅型有源像素图像CMOS传感器传感器 光电栅型光电栅型APS CMOS像素单元像素单元 框图如右图所示。像素单元包括光框图如右图所示。像素单元包括光 电栅电栅PG（Photogate）、浮置扩输出）、浮置扩输出 FD(Flcating Diffusion)、传输电栅、传输电栅 TX(Transfer Gate)、复位晶体管、复位晶体管 MR(Reset Transistor)、作为

14、源极跟、作为源极跟 随器的输入晶体管随器的输入晶体管MIN、以及行晶、以及行晶 体管体管MX，实际上，每个像元内部就，实际上，每个像元内部就 是一个小小的表面沟道是一个小小的表面沟道CCD。每列。每列 单元共用一个读出电路，它包括第单元共用一个读出电路，它包括第 一源极跟随器的负载晶体管一源极跟随器的负载晶体管MLN以以 及两个用于存储信号电平和复位电及两个用于存储信号电平和复位电 平的双采样和保持电路。这种对复平的双采样和保持电路。这种对复 位和信号电平同时采样的相关双采位和信号电平同时采样的相关双采 样电路样电路CDS能抑制来自像元浮置节能抑制来自像元浮置节 点的复位噪声。点的复位噪声。

15、CCD 和和 CMOS 使用相同的光敏材料，使用相同的光敏材料， 因而受光后产生电子因而受光后产生电子 的原理相同的原理相同, 并且具有相同的灵敏度和光谱特性，但是读取过程不并且具有相同的灵敏度和光谱特性，但是读取过程不 同：同：CCD 是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移， 整个电路非常复杂；整个电路非常复杂；CMOS 则以类似则以类似 DRAM 的方式读出信号，电的方式读出信号，电 路简单。路简单。CCD的时钟驱动、逻辑时序和信号处理等其他辅助功能的时钟驱动、逻辑时序和信号处理等其他辅助功能 难以与难以与 CCD 集成到一块芯片

16、上，这些功能可由集成到一块芯片上，这些功能可由 38 个芯片组合个芯片组合 实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压来满足特殊时钟驱实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压来满足特殊时钟驱 动的需要；而借助于大规模集成制造工艺，动的需要；而借助于大规模集成制造工艺，CMOS 图像传感器能图像传感器能 容易地把上述功能集成到单一芯片上。容易地把上述功能集成到单一芯片上。 CCD 大多需要三种电源供电，功耗较大，体积也比较大大多需要三种电源供电，功耗较大，体积也比较大. CMOS 只需一个只需一个 (35) V 单电源，其功耗相当于单电源，其功耗相当于 CCD 的的 1/10； 高度集成高度集成

17、CMOS 芯片可以做的比人的大拇指还小。到目前为止，芯片可以做的比人的大拇指还小。到目前为止， 面向数码相机的面向数码相机的CCD固体摄像元件的最高像素已超过固体摄像元件的最高像素已超过800万，而像万，而像 素最高为素最高为1680万的万的CMOS图像传感器正在开发中。图像传感器正在开发中。 需要指出，电荷耦合器件（需要指出，电荷耦合器件（CCD）并不仅限图像传感器这一）并不仅限图像传感器这一 种应用，它在模拟信号处理方面也有很好的应用价值。种应用，它在模拟信号处理方面也有很好的应用价值。 光 纤 传 感 器 光光 纤纤 传传 感感 器器 一、一、 概述概述 光纤传感器是20世纪70年代中期

18、发展起来的一门新技术, 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点，如 不受电磁干扰, 体积小, 重量轻, 可挠曲, 灵敏度高, 耐腐蚀,电绝 缘、 防爆性好, 易与微机连接, 便于遥测等。 它能用于温度、 压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等各 种物理量的测量, 具有极为广泛的应用前景。 光纤传感器可以分为两大类: 一类是功能型（传感型）传 感器; 另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是 利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传 输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等 特性发生变化,

19、 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出 被测信号。非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量 的变化, 光纤仅作为信息的传输介质。 光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤 的纤芯直径通常为212 m, 很细的纤芯半径接近于光源波长 的长度, 仅能维持一种模式传播, 一般相位调制型和偏振调制 型的光纤传感器采用单模光纤; 光强度调制型或传光型光纤传 感器多采用多模光纤。 为了满足特殊要求, 出现了保偏光纤、 低双折射光纤、高 双折射光纤等。所以采用新材料研制特殊结构的专用光纤是光 纤传感技术发展的方向。 二、二、 光纤的结构和传输原理光纤的结构和传输原理 1 光纤的结构光纤的结构

20、 光导纤维简称为光纤, 目前基本上还是采用石英玻璃, 其结 构示于图67。 中心的圆柱体叫纤芯, 围绕着纤芯的圆形外层叫 做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的 折射率n1略大于包层的折射率n2, 在包层外面还常有一层保护套, 多为尼龙材料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质, 而 光纤的机械强度由保护套维持。 2 光纤的传输原理光纤的传输原理 众所周知, 光在空间是直线传播的。 在光纤中, 光的传输 限制在光纤中, 并随光纤能传送到很远的距离, 光纤的传输是 基于光的全内反射。 当光纤的直径比光的波长大很多时, 可以用几何光学的 方法来说明光在光纤内的传播。 设有一段圆柱形

21、光纤, 如图 68所示, 它的两个端面均为光滑的平面。 当光线射入一个端 面并与圆柱的轴线成角时, 根据斯涅耳光的折射定律, 在光 纤内折射成, 然后以角入射至纤芯与包层的界面。若要在 界面上发生全反射, 则纤芯与界面的光线入射角应大于临界 角c, 即 c=arcsin (1) (8 - ) 并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射, 直至传播到 另一端面。 为满足光在光纤内的全内反射, 光入射到光纤端面的临 界入射角c应满足下式: 1 2 n n cc nnn cos) 2 sin(sin 111 2 1 2 2 2 2 1 2 1 )()sin1 ( 1 nnn c 所以 2 1 2 2 2

22、0 )(sin 1 nnn c (2) (3) 实际工作时需要光纤弯曲, 但只要满足全反射条件, 光线 仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反 射所形成的。 一般光纤所处环境为空气, 则n0=1。 这样在界面上产生 全反射, 在光纤端面上的光线入射角为 c= arcsin 说明光纤集光本领的术语叫数值孔径NA, 即 NA= sinc= (5) 2 1 2 2 2 )( 1 nn 2 1 2 2 2 )( 1 nn (4) 数值孔径反映纤芯接收光量的多少。其意义是: 无论光源 发射功率有多大, 只有入射光处于2c的光锥内, 光纤才能导光。 如入射角过大, 如图68中角r, 经折射后

23、不能满足式（1）的要 求, 光线便从包层逸出而产生漏光。所以NA是光纤的一个重 要参数。一般希望有大的数值孔径, 这有利于耦合效率的提高, 但数值孔径过大, 会造成光信号畸变, 所以要适当选择数值孔 径的数值。 三、三、 光纤传感器光纤传感器 光纤传感器由于它的独特的性能而受到广泛的重视, 它的 应用正在迅速地发展。下面我们介绍几种主要的光纤传感器。 光纤加速度传感器光纤加速度传感器 光纤加速度传感器的组成结构如图69所示。 它是一种 简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光, 透 射光作为参考光束, 反射光作为测量光束。当传感器感受加 速度时, 由于质量块M对光纤的作用, 从而使光纤

24、被拉伸, 引 起光程差的改变。 相位改变的激光束由单模光纤射出后与 参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动 可由光电接收装置转换为电信号, 经过处理电路处理后便可 正确地测出加速度值。 光纤温度传感器光纤温度传感器 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广 泛使用的光纤传感器。根据工作原理可分为相位调制型、 光 强调制型和偏振光型等。这里仅介绍一种光强调制型的半导 体光吸收型光纤温度传感器, 图70为这种传感器的结构原理图, 它的敏感元件是一个半导体光吸收器, 光纤用来传输信号。传 感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光控制器 在内的信号处理系统等组成。它体积小、灵敏度高、 工作可 靠, 广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合。 这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随