传感器与检测技术4.3 电荷耦合器件
传感器原理及检测技术(pdf 67页)
光电式传感器
光电式传感器
●光电效应和光电元件●光电器件的特性
●光电耦合器件
●电荷耦合器件(CCD)●光电式传感器
光电式传感器
光电式传感器的概念
光电式传感器是以光电元件作为转化元件，可以将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。
光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成。
光电式传感器的物理基础是光电效应。
光电效应和光电元件
●外光电效应
●基于外光电效应的器件●内光电效应
●基于内光电效应的器件
基于外光电效应的器件 光电管
基于外光电效应的器件 光电倍增管
光电效应
●内光电效应之二(光生伏特效应)
✓势垒效应(结光电效应)
✓侧向光电效应。
电荷耦合器件(CCD)位置传感器
中所示 的 无损部分 放 电技术
、
路 中 出 现 的 高 压看 作是 绝缘 失效
, ,
此 时 适用 于
能 给测 试工 程 师 提供 一 种安 全 来评 价 绝缘 性能
。
可 重 复 的 方法
低 电 压装 置 的电火 花检 测器 ( E S D ) 电压 将 击 穿 有缺 陷 的 绝缘 体 噪声
。
破 坏元 件
“
并使 旁路 感应
部 分放 电或 电晕放 电常 常发生 在绝缘 系统 的边缘 或 出现 在另外 同质 绝缘 材料 的空 隙处
。
虽 然采 用 从
” 强 的 或非 限 流电源 产生
o e e r
i n g”
19 87,
2 3
无 损绝 缘 测 试
Wa 由 隐 藏 的缺 陷 造成 的 绝 缘 击穿 能 损坏元 件
lt
e r
G il l i
s
的高 电压 绝 缘体
,
,
能 以 剧 烈 的 毁坏 方式 找到 有缺陷 的
1
和 昂 贵的 设 备
。
一 般大 多数 测 试工 程或 师把 电
,
然而图
,
因此 图
。
2
中
,
,
在 阴影 有
效 移动 之前 延时 是有 可能 的
动 所 引起 的
。
曲线 顶端 的 跳 动
正 常机 械颤
,
是 由于 装 置移 动到 其极限 位置 时
图
1 CC D
位置 传感 器 的 简 图
通 过一 个 用 户 的 受控时 钟 电 路
。
可 以 改 变采 样频 率 在 积分 周 期 ( 相 当于行 扫 描采 样时 间 ) 之 后
传感器与检测技术习题与参考答案
传感器与检测技术习题与参考答案1、在典型噪声干扰的抑制方法中,采用RC吸收电路的目的是（）A、克服串扰B、抑制共模噪声C、抑制差模噪声D、消除电火花干扰答案：D2、传感器输出量的变化量△Y与引起此变化的输入量的变化量△X之比,称为( )A、灵敏度B、阈值C、分辨力D、满量程输出答案：A3、压电陀螺的作用是检测运动物体的（）A、角速度B、线速度C、线位移D、角位移答案：A4、属于传感器静态特性指标的是（）A、稳定时间B、阻尼比C、时间常数D、重复性答案：D5、压电式传感器属于( )A、电流型传感器B、结构型传感器C、物性型传感器D、电压型传感器答案：C6、气敏传感器检测气体的( )A、温度和成份B、温度和浓度D、成份和浓度答案：D7、下列线位移传感器中，测量范围大的类型是（）A、变极距型电容式B、差动变压器式C、自感式D、电涡流式答案：B8、为了进行图像识别，应当先消除图像中的噪声和不必要的像素，这一过程称为（）A、前处理B、编码C、压缩D、后处理答案：A9、下列传感器,不适合于静态位移测量的是( )A、电感式位移传感器B、压电式位移传感器C、涡流式位移传感器D、压阻式位移传感器答案：B10、圆筒电容式液位高度传感器属于（）A、变面积型B、变介质型C、变间隙型D、变极距型答案：B11、属于传感器静态特性指标的是( )A、阻尼比B、稳定性C、固有频率D、时间常数答案：B12、热敏电阻式湿敏元件能够直接检测（）B、温度差C、温度D、相对湿度答案：A13、心电图信号为( )A、离散信号B、共模信号C、模拟信号D、数字信号答案：C14、霍尔式转速传感器测量转速时，当被测物上的标记数2：4，传感器输出周期信号的频率f=200Hz时，则轴的转速为（）A、1500r／minB、2000r／minC、2500r／minD、3000r／min答案：D15、在标定传感器时，正行程的最大偏差与反行程的最大偏差可用于确定传感器的A、重复性B、线性度C、分辨率D、迟滞特性答案：A16、用电涡流式速度传感器测量轴的转速，当轴的转速为50r/min时，输出感应电动势的频率为50 Hz，则测量齿轮的齿数为（）。
电荷耦合器件教学课件
提高信噪比
通过积分操作，可以有效地提高信号 的信噪比，从而提高信号的检测精度 。
电荷耦合器件在高速信号处理中的应用
高速采样
电荷耦合器件具有高速的采样速率，能够捕捉到高速变化的信号 。
实时处理
由于其高速的采样和数据处理能力，电荷耦合器件能够实现实时信 号处理。
数字信号处理
通过与数字信号处理技术的结合，电荷耦合器件能够实现更为复杂 的信号处理任务，如频谱分析、特征提取等。
测试
对封装好的电荷耦合器件进行性能测 试，包括电学性能、光学性能和环境 适应性等方面的测试。
04 电荷耦合器件的应用实例
电荷耦合器件在图像传感器中的应用
01
02
03
图像采集
电荷耦合器件能够将光信 号转换为电信号，从而捕 捉并记录图像。
高动态范围
通过多帧积分技术，电荷 耦合器件能够在高光和阴 影区域都获得清晰的图像 细节。
低光照性能
在低光照条件下，电荷耦 合器件也能产生高质量的 图像，因为其具有较低的 暗电流。
电荷耦合器件在时间延迟积分器中的应用
时间延迟积分
动态范围扩展
电荷耦合器件在时间延迟积分器中用 于将信号延迟一定的时间，以便进行 进一步的信号处理或特征提取。
时间延迟积分器能够扩展信号的动态 范围，使得弱信号和强信号都能得到 有效的处理。
热处理技术
在高温下对衬底进行加热，促进杂质在衬底 中的扩散和激活。
离子注入技术
通过高速离子束注入到衬底中，实现杂质的 有选择性地引入。
真空镀膜技术
在真空中将金属蒸发并沉积在二氧化硅薄膜 上，形成电极。
电荷耦合器件的封装与测试
封装
将制造完成的电荷耦合器件进行封装 ，保护其免受外界环境的影响，并提 供引脚以便连接外部电路。
电荷耦合器件
Sensor and Detection Technology
朱启兵 zhuqib@
传感器与检测技术
第4章 光电式传感器原理及应用
4.1 1.2 4.2
光电效应和光电器件 光电码盘、光栅传感器 电荷耦合器件、
光纤传感器
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4.3
4.4
第4章 光电式传感器
4.3电荷耦合器件
电荷耦合器件（Charge Coupled Device， CCD）是按一 定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组 成的阵列，它是在MOS集成电路基础上发展起来的，能 进行图像信息光电转换、存储、延时和按顺序传送等功 能。
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第4章 光电式传感器
D的基本单元结构
CCD的基本单元：一个由金 属-氧化物-半导体组成的电容器 （简称MOS结构）。
（ 1）电荷转移效率 一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱
中的电荷量之比。
（2）暗电流：CCD在无光注入也无电注入情况下的输出信号。 （3）灵敏度：投射在光敏像元上的单位辐射功率所产生的输出 信号电压或电流。
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第4章 光电式传感器
（4）光谱响应曲线 （5）分辨率： 一般用像素数表示，像素越多，则分辨率越高
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第4章光电式传感器
5.电荷包的输出方式
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第4章 光电式传感器
CCD工作过程概述：先将半导体产生的（与照度分布相对应） 信号电荷注入到势阱中，再通过内部驱动脉冲控制势阱的深 浅，使信号电荷沿沟道朝一定的方向转移，最后经输出电路 形成一维时序信号。
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第4章 光电式传感器
D的特性参数
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第4章 光电式传感器
传感器与检测技术试题及答案(212题)
传感器与检测技术试题及答案（212题）1、己知某温度传感器为时间常数T=3s的一阶系统，当受到突变温度作用后，传感器输出指示温差的三分之一所需的时间为() sA、3B、1C、1.2D、1/3答案内容：C；2、下列传感器中的不属于结构型传感器的是()A、扩散硅压阻式压力传感器。
B、线绕电位器式传感器。
C、应变片式压力传感器。
D、金属丝式传感器。
答案内容：A；3、下列不属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是()。
A、应变式传感器B、化学型传感器C、压电式传感器D、热电式传感器答案内容：B；4、随着人们对各项产品技术含量要求的不断提高，传感器也朝向智能化方面发展。
其中，典型的传感器智能化结构模式是()。
A、传感器+通信技术B、传感器+微处理器C、传感器+多媒体技术D、传感器+计算机答案内容：B；5、（本题为多选题）传感技术的研究内容主要包括：()A、信息获取B、信息转换C、信息处理D、信息传输答案内容：ABC；6、一阶传感器输出达到稳态值的10%到90%所需的时间称为()。
A、延迟时间B、上升时间C、峰值时间D、响应时间答案内容：B；7、传感器的下列指标全部属于静态特性的是()。
A、线性度、灵敏度、阻尼系数B、幅频特性、相频特性、稳态误差C、迟滞、重复性、漂移D、精度、时间常数、重复性答案内容：C；8、传感器的下列指标全部属于动态特性的是()。
A、迟滞、灵敏度、阻尼系数B、幅频特性、相频特性C、重复性、漂移D、精度、时间常数、重复性答案内容：B；9、（本题为多选题）利用霍尔片，我们可以测量一步到位哪些物理量（）。
A、磁场；B、电功率；C、载流子浓度；D、载流子类型。
答案内容：ABCD；10、在整个测量过程中，如果影响和决定误差大小的全部因素(条件)始终保持不变，对同一被测量进行多次重复测量，这样的测量称为()。
A、组合测量.B、静态测量C、等精度测量D、零位式测量答案内容：C；11、下列传感器中的物性型传感器的是()A、扩散硅压阻式压力传感器。
检测技术与传感器精选全文
(5)分辨力。传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近 的分辨力称为阑值。分辨力与满度输入比的百分数表示称为分辨率。
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4 .1概述
3.传感器的动态特性 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录
过程不受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号， 传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随 时间变化的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用 动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的 响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验 分析的方法确定，其动态特性参数有最大超调量、上升时间、调整时 间、频率响应范围、临界频率等。
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4 .1概述
(6)漂移。由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变 化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。在其他因素不 变情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称为时间漂移;随着温度 变化产生的漂移称为温度漂移。 (7)精度。表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。
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4. 3速度、加速度检测
压电加速度测试传感器结构原理如图4-28所示。图中1是质量块， 当加速运动时质量块产生的惯性力加载在2(压电材料切片)上，3是电 荷(或电势)的输出端。该压电传感器是两片压电材料切片组成，下面 一片的输出引线是通过壳体与电极平面相连。
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4. 4力、扭矩和流体压强检测
4. 2. 1模拟式位移传感器
电荷耦合器件
圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.
放大
a w
b
(b ) 圆光栅
光栅数字传感器功能
主要用于线位移和角位移的测量。
还可以扩展到速度、加速度、振动、质量和表面轮廓 等方面。
光栅数字传感器的原理：莫尔条纹
标尺光栅
指示光栅
当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微 小的夹角时，由于挡光效应 ( 当线纹密度 ≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度 ≥ 100 条 /mm 时 ) ，在与光栅线纹大致垂直 的方向上 ( 两线纹夹角的等分线上 ) 产生出 亮、暗相间的条纹 ——称为“莫尔条纹”。 莫尔条纹形成
光栅传感器的应用
数控机床位置控制框图
优点 固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性 高、寿命长 图像畸变小、尺寸重现性好 光敏单元之间几何尺寸精度高，可得到较高 的定位精度和测量精度，具有较高分辨力 自扫描，具有较高的光电灵敏度和较大的动 态范围 视频信号便于与微机接口
一、CCD的工作原理 （一）信息电荷的产生和存储
MOS 光敏元：
P型硅区域里的空穴被赶尽，从而形成一个耗尽区，也就是说， 对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称为势阱
（c）、当有光线入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅片上就
会产生电子和空穴，光生电子被附近的势阱所俘获，而同时光生空穴则被电 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强成正比。这样 的一个MOS结构元称为MOS光敏元或叫做一个像素，把一个势阱所收集的 若干光生电荷称为一个电荷包。
在半导体基片上（如P型 硅）生长一种具有介质作 用的氧化物（如二氧化 硅），又在其上沉积一层 金属电极，形成的金属— 氧化物—半导体结构。
电荷耦合器件的基本功能
电荷耦合器件的基本功能
电荷耦合器件（ChargeCoupledDevices，简称CCD）是一种可用于检测和图像捕捉的半导体装置，该装置可以将电子信号变换成可识别的数字讯号。
它是一种用于发射、接收和转换电信号的受控装置，广泛应用于雷达系统，卫星监测，海洋研究，运输交通指示，客房管理，通信，图像传感器，星空摄影和医用图像检查等，它具有高灵敏度，低噪声，低功耗，稳定可靠的特点。
电荷耦合器件的基本功能是利用一个导体板，将电子耦合到一个特殊的部件中，并在另一个特定的集成电路中将这种耦合转化为能被系统识别的数字讯号。
在电荷耦合器件中，电荷通过电压变化而被传递，称为“电波荷耦合”。
它有利于降低噪声，提高系统的静态精度和精密度。
CCD装置由两个主要部分组成，即电极和单元格，电极是指给定的阴极和阳极，单元格是用来容纳电荷的小格子，每个单元格的数量可以达到数百万个。
它们之间有一定的量子距离，可以阻止电荷在边缘间发生交叉耦合。
CDD装置还具有快速和精确的信号处理能力，可以处理大量的数据，具有良好的可靠性和耐用性，因此可以更好地满足多种应用场景，比如海洋研究，天文研究，运输交通指示，客房管理，通信，图像传感器，星空摄影和医用图像检查等。
它可以捕捉到电子信号，并将其转化为数据，便于对图像数据进行处理，以便进行高精度的视觉和检测操作。
总之，电荷耦合器件是一种先进的半导体技术，可以改变电子信号，将其变成可识别的数字讯号，在多种应用场景中有着重要的作用。
它具有高灵敏度，低噪声，低功耗，稳定可靠的特点，可以更好地满足实际需求，因此得到了广泛的应用。
传感与测试技术(7.3)
a.放大器与CCD同片
浮置扩散放大器输出方式示意图 b.输出增益大，抗干扰能 力强
缺点：输出结构复杂
7.3.1.1 光强的感知
4）信号电荷的输出 》浮置栅放大器输出方式
a. 信号电荷转移到浮置栅下 面的沟道 b. 浮置栅上感应出镜像电荷 c. 镜像电荷控制输出放大器 的栅极电位 (输出电压) 优点： 非破坏性输出，可重复采样 浮置栅放大器输出方式示意图 缺点：
图像信息
光强的空间分布信息
色彩信息
7.3电荷耦合器件(CCD)
前言
感知被测对象的光强信息 （产生与光强成比例的电信号）
CCD传感器的 三大任务 感知被测对象的光强的空间分布信息 （感知光线来源点之间的位置关系） 感知被测对象的色彩信息 （感知被测对象的色彩组成与分布）
7.3.1 CCD的工作原理
7.3电荷耦合器件(CCD)
本节主要内容：
CCD如何感知图像信息？ 依据哪些特性参数选用CCD？
7.3 电荷耦合器件(CCD)
前言
CCD：利用内光电效应,由多个光敏元组成的感知图像信息 的光传感器。源自7.3 电荷耦合器件(CCD)
前言
CCD：利用内光电效应,由多个光敏元组成的感知图像信息 的光传感器。 光强信息
7.3.1.1 光强的感知
1）光敏元的结构
其实质是金属-氧化物-半导体结构 的MOS电容（容纳电荷） 金属电极：用于加载偏置电压和 电荷转移驱动脉冲 P型硅： 在光子作用下产生空穴 -电子对；在偏置电压作用下形 成势阱存储光生电子 二氧化硅：绝缘层 典型光敏元结构示意图
7.3.1 CCD的工作原理
线阵CCD感知光强空间分布示意图
电荷耦合器件的工作原理及其最新成果
电荷耦合器件的工作原理及其最新成果一、CCD器件的工作原理及性能指标电荷耦合器件(Charge Coupled Device)是70年代初期最先由Bell实验室发明的。
CCD是种利用半导体特性，将接收到的光信号变为电信号的半导体功能器件，一般采用金属氧化物半导体结构，利用栅电极下半导体表面附近的势垒中的电荷来存储和传输信息。
CCD器件以极高的灵敏度、极大的动态范围和宽广的光谱响应范围等特别引人注目。
30年来有关CCD的研究取得惊人的进展，特别是在图像传感器的应用方面，它可以接收的光的波段比较宽，从200nm的紫外光到1100nm的红外光，覆盖了全部可见光谱区，并且灵敏度高，动态范围宽，在弱光条件下仍可正常记录图像（在天文望远镜里，由于大部分天体距离太远，能收集到的光非常弱，更需要灵敏的接收器），响应速度快（信息的存取速度快），可以记录和传输瞬态图像和随时间快速变化图像；增强型CCD（ICCD）有更快的响应速度，可以处理持续时间更短的瞬态图像。
CCD拥有大量的像元（4096×4096面阵），因此可以作为大容量存储器；CCD空间分辨率高，可满足摄像机、照相机、扫描仪、天文望远镜和光谱仪等设备对图像传感器的要求。
（一）CCD器件的工作原理CCD器件的基本阵元是金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)电容。
如图1所示,在p型硅衬底上覆盖二氧化硅绝缘层，其上制备一金属电极，这就构成了金属-氧化物-半导体(MOS)电容.MOS阵元在V G=0时，其p型半导体中的多数载流子(空穴)的分布是均匀的。
当0<V G<V th(V th是半导体材料的阈值电压)时，空穴被排斥，产生耗尽层。
随着V G的升高，耗尽层向体内扩张。
而当V G>V th时，半导体与氧化物界面的电势使体内少数载流子(电子)聚集形成约10-的反型层，其电荷密度极高。
这说明MOS阵元具有积累电荷的能力。
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4.3 电荷耦合器件
4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理
4.3.2 CCD图像传感器
4.3.3 图像传感器的应用
CCD
4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理
在电极施加栅极电压U
G 之
前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压U
G
反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能.
电荷耦合器件的结构和工作原理
有信号电荷的势阱
z
电荷的存储
反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度
信号电荷转移
z
z为实现信号电荷的转换
三相CCD
信息电荷传输原理
图
CCD电荷的产生方式：
z电压信号注入
z光信号注入
CCD 的信号输出结构
4．3．2 CCD图像传感器
z
z
z
（2）面型固态图像传感器
2.面阵CCD
CCD的基本特性参数z
z
z
z
4．3．3 图像传感器的应用
．尺寸测量
用于光学文字识别装置
1．尺寸测量pn f
a np M L •−=•=)1(
1pn l l L •=2
1l 1－视场l 2－传感器的长度
2．用于光学文字识别装置
光学文字识别装置(OCR)原理
线阵CCD在□□今不的应用
CCD数码照相机
CCD
数码照相机的结构
CMOS图像传感器
CMOS视频摄像头的外部结构。