第8章 固态传感器(2)
固态图像传感器
当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子 产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流 子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集 在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的 光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。 光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。
CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输 出两种。 以电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（FDA）、 浮置栅放大器（FGA）。浮置栅放大器（FGA）应用 最广。
18
D的特性参数
19
20
D的特性参数
21
D的特性参数
22
23
第13章
固态图像传感器
CCD固态图像传感器 线阵CCD型 面阵CCD型
P1 P2 P3 P1 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P2 P3 t=t1 P1
P1
P2 P2
P3 P3
P1
P2 P3 t=t2
P1 P2
P3 t=t3
（4）光信号的注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入 两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传 来的光信号，即采用光注入CCD。
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 控制电荷定转移的过程。见图
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Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。 CCD 电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图 (b) 采 用电注入方式。
第13章
固态图像传感器
CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数：描述的是CCD存储和转移信号电 荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据； 外部参数：描述的是与CCD应用有关的性能 指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移 损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、 分辨率等。
光敏电阻
Pmax I U
(8-39)
I 和 U分别为通过光敏电阻的电流和它两端的电压。 因Pmax数值一定，满足(8-39)式的图形为双曲线。
15
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器 二、光敏电阻 (三)光敏电阻与负载的匹配
Pmax双曲线在左下部分为允许的工作区域。
图8-43 光敏电阻的测量电路及伏—安特性
12
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器 二、光敏电阻 (二)光敏电阻的主要参数和基本特性 6.稳定性
I （uA）
160 120 80 1 2
初始稳定性不好 需老化处理
T/h
13
40 0 400 800 1200 1600
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器 二、光敏电阻 (二)光敏电阻的主要参数和基本特性 7.温度特性
6
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器 二、光敏电阻 (三)光敏电阻的主要参数和基本特性 1.暗电阻、亮电阻 光敏电阻在室温条件下，全暗后经过一定时间测量的 电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电 阻。此时流过的电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差，称为光电流。
E I I RL RG RG
18
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器 二、光敏电阻 (三)光敏电阻与负载的匹配
E I RL RG
E I I RL RG RG
- ERG E E I RL RG RG RL RG ( RL RG )2
解得 RL=RG
RL
RL ( RL RG )
[
2
]0
传感器原理与应用复习要点
第一章传感器的一般特性1.传感器的定义？传感器是将各种非电量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。
2.传感器的发展趋势有哪些？传感器的固态化、传感器的集成化和多功能化、传感器的图像化、传感器的智能化3.传感器的作用是什么？4.传感器技术的三要素。
传感器由哪3部分组成？三要素是：检测原理、材料科学、工艺加工。
传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源5.传感器的静态特性有哪些？并理解其意义。
6.什么是传感器的动态特性？动态特性指标主要有哪几个？①动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。
②7.画出传感器的组成方框图，各部分的作用。
8.什么是传感器的精度等级？一个0.5级电压表的测量范围是0~100V，那么该仪表的最大绝对误差为多少伏？第二章应变式传感器9.应变片有那些种类？金属丝式、金属箔式、半导体式。
10.应变式传感器由哪两个主要部分组成。
应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。
11.什么是压阻效应？影响压阻系数的因素？单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。
⑵影响压阻系数的因素主要是扩散电阻的表面杂质浓度和温度。
12.应变式传感器接成应变桥式电路的理解、输出信号计算。
为了减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电，如图（2-27）所示。
假设电桥中两个支路的电阻相等，即R ABC=R ADC=2（R+ △R T），故有R ABC=R ADC=2I因此电桥的输出为U sc=U BD=1/2 .I.（R+ △R+ △R T ）-1/2 .I.（R- △R+△R T）整理后得U sc=I △ R可见，电桥输出与电阻变化成正比，即与被测量成正比，与恒流源电流成正比，即与恒流源电流大小和精度有关。
固体物理学基础晶体的传感器物理学与传感器材料
固体物理学基础晶体的传感器物理学与传感器材料传感器在现代科技领域中发挥着重要作用，从工业自动化到医疗诊断，传感器技术的应用范围越来越广泛。
而其中一类重要的传感器就是基于固体物理学原理的晶体传感器。
本文将探讨固体物理学基础对晶体传感器的影响，以及在晶体传感器中常用的传感器材料。
一、固体物理学基础对晶体传感器的影响晶体传感器是基于固体材料晶体结构特性的传感器，其性能与固体物理学基础密不可分。
固体物理学研究了固体材料的结构、能带理论、晶格振动等方面的特性，为晶体传感器的设计与制备提供了理论基础。
1. 晶体结构对传感器性能的影响固体物理学研究了晶体材料的结构，包括晶格常数、晶胞结构等方面。
这些结构特性直接决定了晶体材料的电学、光学等性质，进而影响到传感器的灵敏度、稳定性等性能。
例如，选择适当的晶体结构可以实现高灵敏度的传感器，同时通过优化晶体结构也可以提高传感器的稳定性和寿命。
2. 能带理论在传感器中的应用能带理论是固体物理学中的重要理论之一，研究了固体材料中电子能级的分布与性质。
在晶体传感器中，能带理论可以用来解释材料的导电性、光学性质等，并指导传感器的设计与优化。
通过控制晶体材料的能带结构，可以实现特定波长光的吸收或透射，从而实现光学传感器的设计。
3. 晶格振动在传感器中的作用晶格振动是固体物理学的一个重要研究内容，它与晶体材料的声学性能相关。
在晶体传感器中，晶格振动可以用来实现声波传感器的设计。
通过控制晶体材料的晶格振动方式和频率，可以实现对特定频率声波的敏感性，从而实现声学传感器的应用。
二、晶体传感器常用的传感器材料在晶体传感器的设计与制备中，选择合适的传感器材料至关重要。
下面介绍几种常用的晶体传感器材料。
1. 硅晶体硅晶体是最常见的传感器材料之一，具有广泛的应用领域。
它的优点包括性能稳定、易加工和成本低廉等。
硅晶体的导电性能可以被控制，因此可以用于制造电阻式、电容式和场效应式传感器等。
2. 砷化镓晶体砷化镓晶体是光电器件和电子器件中常用的材料之一。
第八章：化学与生物传感器2案例
ISFET的应用:
（1）对生物体液中无机离子的检测
（2）在环境保护中的应用
（3）在其他方面的应用串行通信
8．1．3 气敏传感器
早在 20 世纪 30 年代就已发现氧 化亚铜的导电率随水蒸气的吸附而发 生改变，其后又发现其它许多金属氧 化物也都具有气敏效应。20世纪 60 年代研制成功了 SnO2 气敏元件，从 此进入了实用阶段。这些金属氧化物 都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体 特性的材料，因此称之谓半导体陶瓷 （简称半导瓷）。
（2）极性界面 这种界面不允许带电粒子 通过或传递极缓慢，此时界面电势的情况取决于 带电粒子的表面吸附或偶极子的定向排列作用。
非极性界面和极性界面电荷分布的 大致情况如图8-7和如图8-8所示 :
8.1.2.2
ISFET的特点和应用
ISFET的特点:
根据以上介绍的ISFET的结构和工作原理可知，它 具有以下特点： （1）ISFET器件本身就能完成由高阻抗到低阻抗的 变换，同时具有展宽频带和对信号进行放大的作用，这 将使测量仪器大为简化。 （2）ISFET具有体积小，重量轻，机械强度大等特 点，特别适合于生物体内和高压条件下的测量使用。 （3）敏感膜可以做得很薄，一般可小于100nm。这 可使ISFET的水化时间很短，从而使离子活度的响应速 度很快，响应时间可小于1s。 （4）易于将信息转换部分和信号放大检出部分与敏 感器件集成在一块芯片上，实现整个系统的智能化、小 型化和全固态化。 （5）ISFET无需考虑离子敏感材料导电性问题，这 就可在包括绝缘材料在内的广泛材料领域中找到更多更 好的离子敏感材料。
现在只讨论电位法:
将一金属条(例如银)置于一含离子的 溶液(如银离子)中，沿着金属和溶液的界 面会产生电荷分布，这就产生了人们所 说的电子压力，通常称为电位。 电动势数值大小取决于几个因素： ①电极材料；②各个半电池内的溶液性 质及浓度；③通过膜(或盐桥)的液体接界 电位。 如图图 8-1,8-2,8-3.
固态传感器的工作原理
固态传感器的工作原理
固态传感器是一种用于检测物理量并将其转换为电信号的设备。
它们在许多应用中被广泛使用，例如汽车行业中的压力传感器和温度传感器，医疗行业中的血糖传感器，以及工业自动化中的位移传感器等。
固态传感器相对于传统的机械传感器更加稳定和可靠，因为它们没有运动部件，所以寿命更长且更容易维护。
基本上可以分为两种类型：电容型和电阻型。
1. 电容型传感器
电容型传感器通过监测物体与传感器之间的电容变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，物体会改变传感器的电场分布，从而改变传感器的电容。
传感器将这种变化转换为电信号，进而可以测量物体与传感器之间的距离或其他物理量。
电容型传感器的一个常见应用是接近传感器。
当目标物体接近传感器时，电容会发生较大的变化，传感器可以检测到这种变化并输出信号。
这种原理也被用于触摸屏，当手指接近屏幕时会改变屏幕的电容，从而实现触摸的功能。
2. 电阻型传感器
电阻型传感器通过监测物体与传感器之间的电阻变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，电阻会发生变化，传感器可以测量并转换这种变化为电信号。
电阻型传感器的一个常见应用是压力传感器。
当压力施加在传感器上时，传感器的电阻会发生变化，从而可以测量压力的大小。
另一个常见应用是温度传感器，当温度变化时，传感器的电阻也会发生变化，从而可以测量温度。
总的来说，固态传感器的工作原理是通过测量物体与传感器之间的电容或电阻变
化来检测物理量。
这种原理使得固态传感器具有稳定性高、寿命长、精度高等优点，因此在各行各业都得到了广泛的应用。
固态图像传感器
❖ CCD（Charge-coupled Device）
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数 字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素。 CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将 影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个 小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
实例分析
以数码相机为例分解CCD，基本结构为三层 ：
❖ 第一层是“微型镜头” ❖ 第二层是“分色滤色片”
CCD Camera
Filters
Lens
❖ 第三层“感光层”
UV/UwVh/iwtehiteepeipi illumilliunmatiino像的关键是在于其感光层，为了 扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受 光面积。但是提高采光率的办法也容易使画 质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光 层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因 为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜 片的表面积来决定。
•多数CCD可堆积 85K个电荷
•高品质的CCD可堆 积350K个电荷
•影响灵敏度的一个 因数
•衡量动力学范围的 一个因素
CCD动力学范围
-描述从CCD像素值中可以得到多少数量的灰 度级别的一个术语
-用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像 头随机噪音的比率
CCD像素合并
像素合并（Binning） -将相临的像素所堆积的电荷
• 背照式CCD比前照式CCD 有更好的量子效率
• 多数衡量QE高低是在 425nm波长
传感器：第八章固态传感器
由上式可知： ①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。 ②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。 ③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： ①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。
(4)频率特性
3BCM锗磁敏三极管响应时间为1μS，截止频
率为500kHz左右。3CCM硅磁敏三极管响应时间为
0.4μS，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
h
ICB ICO100% ICOB
右图电路，电压磁灵敏度为
U h(E CU S)C
8.2 光敏传感器
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
Eh
若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出
功 A 0 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 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 L/ b 。实 际上，霍尔电压与 L/ b
U H K H IH B K H 0 ( 1 t)IH B
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第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器
一、光电效应
(一)外光电效应 光电管的结构
紫外线
阴极材料：碱金属(钾、钠、铯等)、汞、金、银等金属； 阳极材料：金属。
4
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器
一、光电效应
(一)外光电效应
光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。 所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使金属 内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的电子叫做二次电子。
硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入 一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大， 将在结区附近激发出电子 -空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷， 这样N 区和P区之间出现电位差。若将PN 结两端用导线连起来，电路中有 电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测 出光生电动势。 光
2016/1/5
20
最常见的自动照明灯装置：
该电路由两部分组成。电阻R、电容C和二极管D组成半波整流电路CdS 光敏电阻和J组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，由光控继 电器控制灯的点燃和熄灭。 工作原理是：晚上光线很暗,CdS光敏电阻阻值很大，流过J的电流很小， 使继电器J不动作，路灯接通电源点亮。早上，天渐渐变亮，即照度逐 渐增大，CdS光敏电阻受光照后，阻值变小，流过J的电流逐渐增大， 当照度达到一定值时，流过继电器的电流足以使J动作，使其闭合，其 常闭触点断开，路灯熄灭。
光触自锁继电开关
此开关可安装在保险箱里，当 亮光进入暗箱内部时，继电器 开关可以触发电路并输出报警。 电路中R1、光敏电阻、Rv，构 成电位分压器.通过调节RV，阻 值可控制光敏电阻的灵敏度。 由于暗光时，光敏电阻为高阻 值，Q基极偏压为零，所以继电 器QC不动作;当强光照射装置时. 光敏电阻阻值下降至很小，于 Q1Q2触发导通，QC继电器动作。 继电器的一组触点将电路接通， 使电路始终处于工作状态，直 到按下复位按钮SW。
100 硫化镉 硒化镉 硫化铅
相 80 对 灵 60 敏 40 度 20 40
2016/1/5
3
80
120
160
200
240
λ/μm
光电器件及其特性
（4） 伏安特性
光敏电阻在一定光照下
两端 电压
I/ μA 200 150 100 无光照 1 20 一定光照
两端 电流
伏安特性
在给定电压下，光照度越大，光电流越大
♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦
很高的灵敏度 很好的光谱特性 光谱响应可从紫外区到红外区范围 体积小 重量轻 性能稳定 价格便宜
I RL RG E
2016/1/5
11
光电器件及其特性
2. 光敏电阻的主要参数和基本特性 （1）灵敏度
一 定 光 照
一段时间
光敏电阻
亮电阻
亮电流
室温 全暗
一段时间
光敏电阻
暗电阻
硅光电池应用的范 围400nm—1100nm， 可以在很宽的范围 内应用。 1——硒光电池 2——硅光电池
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 λ/μm
光谱特性
2016/1/5 31
光电器件及其特性
(3) 频率特性
光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。
输出电流
光频率
光电池的 频率响应
光生电 动势
照度
开路电压 曲线
光电流
照度
短路电流 曲线
2016/1/5
28
光电器件及其特性
2. 基本特性
Isc/mA
5 4 3 2 1 0 2 4 短路电流 开路电压
（1）光照特性
Uoc /V 0.5 0.4
Isc /mA
0.5
开路电压
Uoc/V
0.3 0.2
0.1 6 L/klx 8 10
0.3 0.4 0.1 0 1 2 短路电流 0.3 0.2 3 L/klx 4 5 0.1
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器
一、光电效应 光电器件的物理基础是光电效应。通常分为外光电效 应和内光电效应两大类。 外光电效应 光电效应
如光电管、光电倍增管
光电导效应
光敏电阻
内光电效应
光生伏特效应
光电池、光敏晶体管
1
第8章 固态传感器
§8-2光敏传感器
一、光电效应
(一)外光电效应 在光线作用下，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。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
①光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。这意 味着每一种物体都有一个对应的光频阈值。光线频率小于该阈值，光子能量 不足以使物体内电子逸出，光强再大也不会发射光电子；反之，入射光频率 高于该阈值，既使光线微弱，也会有光电子发射出来。 ②入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比。光愈强，意味着入 射光子数目多，逸出的电子数也越多。 ③光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此光电管即便没加阳极电压，也 会有光电流产生。为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止电压与入 射光的频率成正比。
频率特性 也不同
60
40 20 0
2016/1/5
硫化镉
时延都比较 大，不适用 于快速响应 场合 f / HzFra bibliotek1710
102 103 104
光电器件及其特性
（6）稳定性 初制成 光敏电阻
体内机构工作不稳定 电阻体与其介质的作 用还没有达到平衡
性能是不 够稳定
一至二周
I/%
160 120 80
2
人为地加温、光 照及加负载 老化
2016/1/5
非线性
不宜作定量 检测元件
一般在自动控制系统中用作光电开关
1000
2000
L/lx
14
光电器件及其特性
（3）光谱特性
硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域 硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域
在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源种类结合起来考虑，才能 获得满意的效果
(a) 硅光电池
(b)硒光电池
2016/1/5
29
光电器件及其特性
短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。 光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外 接负载近似地满足“短路”条件。
I/mA
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 2 4 6 50Ω
RL=0
100Ω
1000Ω 5000Ω
光电器件及其特性
二、光电池
光生伏 效应 特效应 光电池
PN结面 积较大
+ P
- - - - + + + + +
P 光
- - + - + + - + +
N
N -
光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一 定方向的电动势的现象。
2016/1/5 23
光电器件及其特性
二、光电池
光电转换效率低(0.02％) 硒光电池 寿命短 适于接收可见光(峰值波长0.56μm)
光电器件及其特性
结构 光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上 带有两个欧姆接触电极的光电导体。
电极 光照 引线 表面薄层 引线 光导电材料 光电导体 A 少数扩散 绝缘衬低
梳状图案
光电子
金属封装的硫化镉光敏电阻结构图
2016/1/5
深度有限
9
光电器件及其特性
采用大的灵敏面积 提高光敏电阻的灵敏度
RL越小
线性关 系越好
8 10 L/klx 硒光电池在不同负载电阻时的光照特性
2016/1/5 30
光电器件及其特性
(2) 光谱特性
材料 光谱特性
硒光电池在可 峰值在 见光谱范围内 540nm附近 有较高的灵敏 度，适宜测可I / % 100 见光 1 2 80 60 40 20
峰值在 850nm附近
+20 º C -20 º C
C -50 -30 -10 10 30 50 T / º
硫化镉的光电流I和温度T的关系
2016/1/5
0
1.0
2.0
3.0
4.0
λ/μm
19
温度特性
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将 光的变化转换为电的变化）。
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器： • 紫外光敏电阻：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻 器等，用于探测紫外线。 • 红外光敏电阻：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏 电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探 测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。 • 可见光光敏电阻：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、 锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自 动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水 和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄 零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，电子验钞 机、光控音乐、光控玩具、烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。
暗电流
光电流
2016/1/5 12
光电器件及其特性
2. 光敏电阻的主要参数和基本特性 （1）灵敏度 102～106
<几kΩ 1MΩ 可达100MΩ
亮电阻
暗电阻
光敏电阻灵 敏度高
2016/1/5 13
光电器件及其特性
（2）光照特性
一定外加电压下
不同类型 光敏电阻 光通量 光照特性 不同