专题11 视觉传感器PPT课件
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视觉传感器
视觉传感器视觉传感器人类凭借视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这五种感觉器官从外界直接获取信息，再通过大脑分析和判断后作出相应反应。
随着科技技术的发展和人类社会的进步，人类在认识和改造自然的活动中，单靠自身的感觉器官已远不能满足要求。
因此，一系列代替、加强和补充人类感觉器官功能的方法和手段应运而生，出现了各种用途的传感器，也称之为电五官。
传感器是人类在当今信息时代准确可靠地获取自然和生产领域相关信息的主要工具，它在工农业生产、航空航天、海洋探测与开发、资源和环境保护和利用以及生物医学工程等诸多领域有着广泛的应用，在提高基础科学研究水平，发展经济和推动社会进步方面有着重要的作用。
在某种程度上说，机械延伸了人体的体力，计算机延伸了人类的智力，而传感器则延伸了人类的感知力。
传感器的发展推动着生产和科技的进步，生产和科技的进步反过来也要求和支持着传感器的发展和进步。
人们通过感官从自然界获取各种信息，其中以人的视觉获取的信息量最多，约占信息总量的80%。
人的视觉是以光为刺激源的一种感觉，人的眼睛是一个光接受系统，即外界信息由光的作用以影像的方式投射到人类的视网膜上，这一影像信息传输到大脑而引起反映和做出判断，这一过程就是一个视觉过程。
视觉传感器是指：具有从一整幅图像捕获光线的数发千计像素的能力,图像的清晰和细腻程度常用分辨率来衡量,以像素数量表示,邦纳工程公司提供的部分视觉传感器能够瞧捕获130万像素,因此,无论距离目标数米或数厘米远,通过传感器都能看到细腻的目标图像,视觉传感器应用其本要素是掌握如何应用视觉传感器的两个关键点的照明和软件工具。
视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。
图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。
在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。
例如，若视觉传感器被设定为辨别正确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器知道应该拒收只有七颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件。
传感器ppt课件
汽车电子
总结词
传感器在汽车电子中发挥重要作用，提高车 辆安全性能和驾驶体验。
详细描述
现代汽车中，传感器被广泛应用于发动机控 制、底盘控制、车身控制等系统中。通过使 用传感器，车辆可以实现燃油喷射、点火时 刻控制、刹车防抱死等复杂的功能。同时， 传感器还为驾驶者提供诸如车速、转速、水 温等实时信息，帮助驾驶者更好地掌握车辆
将传感器输出的信号通过数据采集系统进行 采集，并将其转换为计算机能够处理的数字 信号。
数据处理
采集到的数字信号需要进行数据处理，包括 数据分析和处理、数据存储和检索等，以便 得到有用的信息和结果。
04
传感器在自动化中的应用
工业自动化
要点一
总结词
传感器在工业自动化中应用广泛，提高生产效率和产品质 量。
05
传感器的发展趋势与挑战
新材料与新技术的应用
纳米材料
随着纳米材料的发展，传感器正朝着纳米级精度和灵 敏度的方向发展，提高传感器的响应速度和准确性。
新型传感器材料
新型传感器材料如碳纳米管、石墨烯等具有优异的物理 、化学性能，为传感器设计提供了更多的选择和可能性 。
智能化与微型化趋势
智能化
智能化传感器能够通过算法和数据处理技术对感知数据进行处理、分析和解释，提高传感器输出的准确性和可靠 性。
压电式传感器
总结词
高精度、响应快、适合动态测量
详细描述
压电式传感器利用压电效应原理，通过检测压电材料的电压变化来检测物理量，如压力、加速度等。 由于其具有高精度、响应快、适合动态测量等优点，因此在振动、冲击、噪声等测量领域得到广泛应 用。
磁性传感器
总结词
高灵敏度、宽测量范围、易于实现小型化和集成化
认识传感器ppt课件
分辨力越小，表明传感器检测非电量的能力越 强，分辨力的高低从某个侧面反映了传感器的 精度。
（4）迟滞 迟滞反映传感器正向特性与反向特性不一致的
程度。产生这种现象的原因是由于传感器的机 械部分不可避免地存在间隙、摩擦及松动。
图1-12 迟滞特性
（5）重复性
重复性是指传感器输入量按同一方向作全量程连续 多次测量时所得输出-输入特性曲线不重合的程度。 它是反映传感器精密度的一个指标，产生的原因与迟 滞性基本相同，重复性越好，误差越小。
（a） 雷达波探测器 外热成像生命探测仪
（b） 视频探测器 （c） 音频探测器 （d） 红 图1-6 生命探测设备
4．农业生产中使用的传感器
图1-7 塑料大棚
5．汽车中使用的传感器
图1-8 汽车中使用的部分传感器
二、传感器的概念与定义
1．传感器的概念 传感器是一种能把特定被测量的信息按
一定规律转换成某种可用信号并输出的器件或 装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示 和控制等要求。
2．传感器的动态特性
传感器要检测的输入信号是随时间而变化的。 传感器应能跟踪输入信号的变化，这样才能获 得正确的输出信号；如果输入信号变化太快， 传感器就可能跟踪不上，这种跟踪输入信号的 特性就是传感器的响应特性，即为动态特性。 表征传感器动态特性的主要参数有响应速度、 频率响应。
（1）响应速度
是将感受的被测的量转换成电信号的部分。
将电信号转换为便于显示、记录、处理和控制
的有用电信号。有用电信号有很多形式，如电
压、电流、频率等。随着科学技术的发展，输
出信号将来也可能是光信号或其他的信号。
传感器的特性有
和
之分。
主要有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复
（4）迟滞 迟滞反映传感器正向特性与反向特性不一致的
程度。产生这种现象的原因是由于传感器的机 械部分不可避免地存在间隙、摩擦及松动。
图1-12 迟滞特性
（5）重复性
重复性是指传感器输入量按同一方向作全量程连续 多次测量时所得输出-输入特性曲线不重合的程度。 它是反映传感器精密度的一个指标，产生的原因与迟 滞性基本相同，重复性越好，误差越小。
（a） 雷达波探测器 外热成像生命探测仪
（b） 视频探测器 （c） 音频探测器 （d） 红 图1-6 生命探测设备
4．农业生产中使用的传感器
图1-7 塑料大棚
5．汽车中使用的传感器
图1-8 汽车中使用的部分传感器
二、传感器的概念与定义
1．传感器的概念 传感器是一种能把特定被测量的信息按
一定规律转换成某种可用信号并输出的器件或 装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示 和控制等要求。
2．传感器的动态特性
传感器要检测的输入信号是随时间而变化的。 传感器应能跟踪输入信号的变化，这样才能获 得正确的输出信号；如果输入信号变化太快， 传感器就可能跟踪不上，这种跟踪输入信号的 特性就是传感器的响应特性，即为动态特性。 表征传感器动态特性的主要参数有响应速度、 频率响应。
（1）响应速度
是将感受的被测的量转换成电信号的部分。
将电信号转换为便于显示、记录、处理和控制
的有用电信号。有用电信号有很多形式，如电
压、电流、频率等。随着科学技术的发展，输
出信号将来也可能是光信号或其他的信号。
传感器的特性有
和
之分。
主要有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复
传感器的基础知识-PPT课件
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压力传感器的外形及内部结构
2019/3/7
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弹簧管放大图
当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿 条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生 角位移。
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被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转
换成电参量
在右图 中， 电位器 为传感元件， 它将角位移 转换为电参 量-----电阻 的变化（ΔR）
用途：就是采集信息和信息量。
用在：工业，农业，医疗，卫生， 国防，军事，航天，航空，气象，安 检以及日常生活等等方面。
2019/3/7 5
在流水线上，边加工，边检验，可提 高产品的一致性和加工精度。
2019/3/7 6
2019/3/7
7
传感器早已渗透到诸如工业生产、 宇宙开发、海洋探测、环境保护、 医学诊断、生物工程、甚至文物保 护等等极其之泛的领域。可以毫不 夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚 的海洋，以至各种复杂的工程系统， 几乎每一个现代化项目，都离不开 各种各样的传感器。
2019/3/7 8
二、传感器的组成 举例：测量压力的电位器式压力传感器
传感器 组成框图
1-弹簧管 2-电位器
2019/3/7 9
三、传感器分类
1.根据被测对象，可分为物理量传感器、 化学量传感器和生物量传感器三大类; 按被测量分类：可分为位移、力、力矩、 转速、振动、加速度、温度、压力、流量、 流速等传感器。 2. 按测量原理分类：可分为电阻、电容、 电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红 外、光导纤维等传感器。 ……
m a x L L 1 0 0 % y y m a x m in
（ 1－ 2）
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压力传感器的外形及内部结构
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弹簧管放大图
当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿 条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生 角位移。
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被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转
换成电参量
在右图 中， 电位器 为传感元件， 它将角位移 转换为电参 量-----电阻 的变化（ΔR）
用途：就是采集信息和信息量。
用在：工业，农业，医疗，卫生， 国防，军事，航天，航空，气象，安 检以及日常生活等等方面。
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在流水线上，边加工，边检验，可提 高产品的一致性和加工精度。
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传感器早已渗透到诸如工业生产、 宇宙开发、海洋探测、环境保护、 医学诊断、生物工程、甚至文物保 护等等极其之泛的领域。可以毫不 夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚 的海洋，以至各种复杂的工程系统， 几乎每一个现代化项目，都离不开 各种各样的传感器。
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二、传感器的组成 举例：测量压力的电位器式压力传感器
传感器 组成框图
1-弹簧管 2-电位器
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三、传感器分类
1.根据被测对象，可分为物理量传感器、 化学量传感器和生物量传感器三大类; 按被测量分类：可分为位移、力、力矩、 转速、振动、加速度、温度、压力、流量、 流速等传感器。 2. 按测量原理分类：可分为电阻、电容、 电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红 外、光导纤维等传感器。 ……
m a x L L 1 0 0 % y y m a x m in
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认识传感器PPT课件优选全文
2．传感器的定义
根据国家标准（GB/T 7665－1987）， 《传感器通用术语》中对传感器的定义：“能 感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可 用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换 元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直 接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传 感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成 适于传输或测量的电信号部分。”
课题一 认知传感器
学习目标
掌握传感器的定义。 掌握传感器的组成。 了解传感器的分类。 了解传感器的发展方向。
“传”——传送传感器感受被测量的信息。 “感”——传感器对被测量的对象敏感。 两者关系是不是应该倒过来？
人体系统是如何感知外界信息的？
人的五官
感官
神经
大脑
肢体
信息获取
传感器技术
能量转换型（有 源传感器）
压电式、热电式（热电 传感器直接将被测量的能量转换为输出
偶）、电磁式、电动式、 量的能量，通常配合，用于动态测量
按能量关系分类
能量控制型（无源 传感器）
电阻式、电容式、电感 式、微波式、激光式等
传感器本身不是换能器，被测非电量仅 对传感器中的能量起控制或调节作用， 必须有辅助电源供给传感器能量，而由 被测量来控制输出的能量，用于静态和 动态测量及非接触的测量场合
光传感器 视觉传感器
光电效应（光→电） 传感器智能化
压力传感器 压电效应（声波→电）
听觉传感器
传感器智能化
压力传感器 压电效应（压力→电）
温度传感器 塞贝克效应（温度→电）
触觉传感器
传感器高性能化
气体传感器 气味传感器
吸附效应（气→电） 吸附效应（质量变化→
频率变化；气→电）
《传感器教程》课件
03
微型化和智能化传感器的结合 将为物联网、智能家居等领域 提供更加便捷和高效的数据采 集解决方案。
多功能与复合型传感器的研发
多功能传感器将集成多种传感元件，实现多参数、多维度的测量，提高测 量效率和精度。
复合型传感器将结合不同传感原理，实现优势互补，提高传感器的综合性 能。
多功能与复合型传感器的研发将推动传感器在智能制造、机器人等领域的 应用，促进产业升级和转型。
详细描述
电容式传感器利用电容器原理，通过检测电容量变化来检测物理量的变化，如压力、位 移、液位等。
电容式传感器
总结词
测量范围大
详细描述
电容式传感器的测量范围较大，能够 检测较大的位移和压力等物理量，同 时具有较好的线性度。
电容式传感器
总结词
温度稳定性好
VS
详细描述
电容式传感器通常采用陶瓷或聚四氟乙烯 等材料制作，具有良好的温度稳定性，能 够在较宽的温度范围内工作。
总结词
频率响应高
要点二
详细描述
压电式传感器的频率响应较高，能够在高频振动和冲击等 快速变化的物理量中实现实时检测和反馈控制。
压电式传感器
总结词
耐腐蚀性好
详细描述
压电式传感器通常采用特殊的材料制 作，具有较强的耐腐蚀性，能够在恶 劣的环境条件下工作。
03
传感器的特性参数
线性度
总结词
线性度是衡量传感器输出与输入之间线性关系的参数。
THANKS
监测控制
传感器可以监测设备的运行 状态和环境参数，及时发现 异常情况，实现远程控制和 智能调节。
决策支持
传感器采集的数据可以为决 策者提供科学依据，帮助决 策者做出更加科学、合理的 决策。
传感器的一些基本概念与常识PPT课件
于传输或测量的可用输出信号（一般为电信号）的部分。
3. 信号调理电路：是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、
处理和控制的有用电信号的电路。
类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路、放大器、振 荡器、阻抗变换、补偿及其它特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽 电路等。
4. 辅助电路：通常指电源，即交、直流供电系统。
不重复性一般采用下式的极限误差式表示：
Ex
max10% 0 YFS
式中Δmax——输出最大不重复误差；
YFS ——满量程输出值。
不重复性误差一般属于随机误差性质，按极限误差公式计算不太合理。 不重复性误差可以通过校准测得。根据随机误差的性质，校准数据的离 散程度随校准次数不同而不同，其最大偏差值也不一样。因此，重复性精选PBiblioteka T课件83、传感器分类
精选PPT课件
9
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10
4、传感器的一般特性
一种传感器就是一种系统，一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描 述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入间的关系和特性。
从传感器的静态输入－输出关系建立的数学模型叫静态模型；
从传感器的动态输入－输出关系建立的数学模型叫动态模型。
误差E z 可按下式计算：
Ez 2Y ~F3S10% 0 式中 为标准偏差，可用贝赛尔公式求得。
精选PPT课件
18
迟滞(回差滞环)现象
迟滞特性能表明传感器在正向(输入量增大)行程 和反向(输入量减小)行程期间，辅出-输入特性曲线 不重合的程度。
对于同一大小的输入信号 x ，在 x 连续增大的行 程中，对应某一输出量为 yi ，在 x 连续减小过程中， 对应于输出量为 yd 之间的差值叫做滞环误差，这就 是所谓的迟滞现象。该误差用 E 表示为
3. 信号调理电路：是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、
处理和控制的有用电信号的电路。
类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路、放大器、振 荡器、阻抗变换、补偿及其它特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽 电路等。
4. 辅助电路：通常指电源，即交、直流供电系统。
不重复性一般采用下式的极限误差式表示：
Ex
max10% 0 YFS
式中Δmax——输出最大不重复误差；
YFS ——满量程输出值。
不重复性误差一般属于随机误差性质，按极限误差公式计算不太合理。 不重复性误差可以通过校准测得。根据随机误差的性质，校准数据的离 散程度随校准次数不同而不同，其最大偏差值也不一样。因此，重复性精选PBiblioteka T课件83、传感器分类
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4、传感器的一般特性
一种传感器就是一种系统，一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描 述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入间的关系和特性。
从传感器的静态输入－输出关系建立的数学模型叫静态模型；
从传感器的动态输入－输出关系建立的数学模型叫动态模型。
误差E z 可按下式计算：
Ez 2Y ~F3S10% 0 式中 为标准偏差，可用贝赛尔公式求得。
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迟滞(回差滞环)现象
迟滞特性能表明传感器在正向(输入量增大)行程 和反向(输入量减小)行程期间，辅出-输入特性曲线 不重合的程度。
对于同一大小的输入信号 x ，在 x 连续增大的行 程中，对应某一输出量为 yi ，在 x 连续减小过程中， 对应于输出量为 yd 之间的差值叫做滞环误差，这就 是所谓的迟滞现象。该误差用 E 表示为
《视觉触觉传感器》课件
实时反馈
视觉和触觉传感器的结合可实现实时的图像感知和 触觉反馈，提高机器对环境变化的适应能力和响应 速度。
视觉触觉传感Βιβλιοθήκη 的应用1医疗视觉触觉传感器可用于手术机器人、无人护理设备等，实现对患者的精准识别和 操作。
2
工业
视觉触觉传感器可应用于自动化生产线上，进行产品质量检测和机器人操作控制。
3
虚拟现实
视觉触觉传感器可实现虚拟现实中的交互体验，使用户能够感受到物体的真实触 感。
视觉触觉传感器的未来发展
应用领域 智能交通 人机交互 机器人技术
未来发展
视觉触觉传感器将实现智能驾驶和交通管理的突 破。
视觉触觉传感器将实现更自然、直观的人机交互 体验。
视觉触觉传感器将使机器人具备更强的感知和操 作能力。
总结
1 重要性
视觉触觉传感器在现代科技中扮演着至关重要的角色，推动着人工智能与机器人技术的 发展。
2 前景
视觉触觉传感器的进步将带来更多创新应用和改变人们的生活方式。
2 传感器的分类
传感器按照测量的物理量、工作原理和使用范围等不同标准可以分为多种类型，如温度 传感器、压力传感器和光电传感器等。
视觉传感器的原理和技术
1 视觉传感器原理
视觉传感器利用光敏元件（如图像传感器）对环境中的光信号进行感知和转换，从而获 取图像信息。
2 视觉传感器技术
视觉传感器技术包括图像处理算法、模式识别、计算机视觉和机器学习等，可实现目标 检测、图像分析和人机交互等功能。
《视觉触觉传感器》PPT 课件
本课件将介绍传感器的定义和分类，视觉传感器的原理和技术，触觉传感器 的原理和技术，以及如何结合视觉和触觉传感器。还将探讨视觉触觉传感器 在不同领域的应用和未来的发展。
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专题11 视觉传感器
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7.1 光参量传感器
7.1.5 视觉传感器--CCD图像传感器件
1）概述
人从自然界获取的信息中以视觉获取的量最多，约占信息总量 的80%。视觉传感器扩展人的视觉范围，使人看到视觉范围外 的微观和宏观世界。视觉技术快速发展，使信息摄取方法由一 维发展到二维及三维，敏感器件由一维线阵发展到二维面阵。
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7.1 光参量传感器
7.1.5 视觉传感器--CCD图像传感器件
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7.1 光参量传感器
7.1.5 视觉传感器--CCD图像传感器件
2) CCD的工作原理
(a) 光生电荷存储
光敏元存储光生电荷的能力取决于栅极所加正阶跃电压UG。 未加UG时P型Si的空穴分布均匀；加UG后，排斥空穴后产生耗 尽区。增大UG，耗尽区向半导体内延伸。UG>Uth(阈值电压)时，
加时钟脉冲1、2及3，三相时钟（驱动）脉冲时序波形如
图b所示。电荷移位过程如图c所示，按驱动脉冲时序，栅极下 光生电荷沿半导体表面按一定方向逐个单元转移。
பைடு நூலகம்
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7.1 光参量传感器
7.1.5 视觉传感器--CCD图像传感器件
2) CCD的工作原理
图a CCD结构原理图
图b 三相驱动脉冲时序波形
面积；tc为光照时间(光积分时间)，由电荷移位脉冲周期决定. 光敏元结构确定后，面积A一定，Qin取决于光子流速率n。由
于光子流速率n与光谱辐射通量e呈线性关系，有
n=e/(h) 式中，h为普朗克常量；为入射光频率。则信号电荷为
Qin=eAtce /(h)
2020/8显/1 然，信号电荷Qin与入射光谱辐射通量e呈线性关系。
图c 电荷移位过程
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7.1 光参量传感器
7.1.5 视觉传感器--CCD图像传感器件
(c)电荷注入方式
光注入: 光注入方式有正面照射、背面照射和微孔直射三种。 正面照射是光子从栅极通过透明绝缘层进耗尽区；背面照射是 光从基底射入耗尽区；微孔直射方式是在光敏元的中心电极下 开小孔，入射光直射到硅片上。由于CCD正面布置了很多栅电 极，电极的反射和散射作用使正面照射的光谱灵敏度比背面照 射低，背面照射方式比正面照射方式好。
电注入：上图a的左端，由N+扩散区和P型基底构成电注入二 极管VD1。G1为CCD的输入栅极，其加适当正偏压。保持开启
并作为基准电压。输入模拟信号加到VDI上，1保持高电平， 通过PN结注入基底的电子进入1势阱中。电注入就是CCD通
过输入结构VDI-G1对输入模拟信号进行采样，然后将其转换为
信号电荷注入响应势阱（1）中。
氧化层对P型Si体内的电势(界面势s)足够大，形成一个稳定
的耗尽区。此时光生电子被耗尽区吸收，如上图b所示。
(b) 电荷移位（耦合）
多个MOS光敏元依次相邻排列（间隔1～3 m），耗尽区可交 叠，即发生势阱“耦合”。势阱中的光生电子在互相耦合的势 阱间流动。下图a所示为CCD结构原理图，三个相邻栅极分别
CCD和CMOS图像传感器是典型代表。
CCD的特点：基于内光电效应，由光敏单元集成的一种光传 感器，集电荷存储、移位和输出为一体。单个光敏单元称为像 素，以一定尺寸大小按某一规则排列，组成线阵或面阵。
基本类型：一是光生电荷存储在半导体与绝缘体的界面上，并 沿界面转移，称为表面沟道电荷耦合器件(SCCD)；二是光生 电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在体内沿一定的 方向转移，称体沟道或埋沟道电荷耦合器件(BCCD)。
(3) 电荷容量 MOS光敏元存储光生电量Qs取决于栅极面积A1、驱动脉冲电
压的幅值UG、驱动方式及光敏元结构等因素。Qs表达式如下: Qs=CaxUGA1；其中Cax为SiO2氧化层单位面积的电容量。
不考虑电荷转移传输损失的输出电流(单位时间转移的电量)：
Id=Qsf=CaxUGA1f 式中，f为电荷移位脉冲周期T的倒数，即频率；A1为栅极面积； Cax为SiO2氧化层单位面积电容量；UG为栅极电压。
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7.1 光参量传感器
7.1.5 视觉传感器--CCD图像传感器件
3) CCD的基本参数
(1) 光电转换特性
入射光子能量被硅层吸收转换成光生电荷聚集在势阱中。光生 信号电荷Qin与光照强度（光子流速率n）成正比，与光敏元
受光面积A成正比，有: Qin=enAtc 式中，为材料的光量子效率；e为电子电量；A为光敏元受光
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7.1 光参量传感器
7.1.5 视觉传感器--CCD图像传感器件
2) CCD的工作原理
如图a所示，MOS光敏元，即一种金属−氧化物−半导体结构的 电容器是组成CCD的基本单位。在P型硅基片上热氧化生成 SiO2，再在SiO2层上沉积一层金属电极（栅极）就构成一个孤 立的MOS电容器。光照到MOS光敏元使栅极附近硅层产生电 子−空穴对，多数载流子（空穴）被栅极电压UG决定的电势排 斥，少数载流子（电子）被收集在势场中，形成光生电荷。
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7.1 光参量传感器
7.1.5 视觉传感器--CCD图像传感器件
(2) 开启电压: MOS场效应管开始产生沟道时所需的栅压。 为使CCD有效工作，表面应始终保持耗尽状态，驱动脉冲信号
低电平应在开启电压之上。栅极加正阶跃电压UG（2~10V）， 低电平2 V大于开启电压，可以使表面始终保持耗尽状态。
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7.1 光参量传感器
7.1.5 视觉传感器--CCD图像传感器件
(d) 电荷转出方式 CCD输出电荷信号的方式一般为电流方式。上图a的右端，当
3的电压由高变低时，信号电荷将通过加恒定电压的输出栅
极Go下势阱进入反向偏置二极管VDo的N+区中。由基底P和N+ 区，外加电源构成一个二极管反偏电路，对信号电荷是一个很 深的势阱，进入反偏二极管VDo的信号电荷将产生电流Id，其 大小与注入的信号电荷量Qs成正比。
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7.1 光参量传感器
7.1.5 视觉传感器--CCD图像传感器件
1）概述
人从自然界获取的信息中以视觉获取的量最多，约占信息总量 的80%。视觉传感器扩展人的视觉范围，使人看到视觉范围外 的微观和宏观世界。视觉技术快速发展，使信息摄取方法由一 维发展到二维及三维，敏感器件由一维线阵发展到二维面阵。
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7.1 光参量传感器
7.1.5 视觉传感器--CCD图像传感器件
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2) CCD的工作原理
(a) 光生电荷存储
光敏元存储光生电荷的能力取决于栅极所加正阶跃电压UG。 未加UG时P型Si的空穴分布均匀；加UG后，排斥空穴后产生耗 尽区。增大UG，耗尽区向半导体内延伸。UG>Uth(阈值电压)时，
加时钟脉冲1、2及3，三相时钟（驱动）脉冲时序波形如
图b所示。电荷移位过程如图c所示，按驱动脉冲时序，栅极下 光生电荷沿半导体表面按一定方向逐个单元转移。
பைடு நூலகம்
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2) CCD的工作原理
图a CCD结构原理图
图b 三相驱动脉冲时序波形
面积；tc为光照时间(光积分时间)，由电荷移位脉冲周期决定. 光敏元结构确定后，面积A一定，Qin取决于光子流速率n。由
于光子流速率n与光谱辐射通量e呈线性关系，有
n=e/(h) 式中，h为普朗克常量；为入射光频率。则信号电荷为
Qin=eAtce /(h)
2020/8显/1 然，信号电荷Qin与入射光谱辐射通量e呈线性关系。
图c 电荷移位过程
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(c)电荷注入方式
光注入: 光注入方式有正面照射、背面照射和微孔直射三种。 正面照射是光子从栅极通过透明绝缘层进耗尽区；背面照射是 光从基底射入耗尽区；微孔直射方式是在光敏元的中心电极下 开小孔，入射光直射到硅片上。由于CCD正面布置了很多栅电 极，电极的反射和散射作用使正面照射的光谱灵敏度比背面照 射低，背面照射方式比正面照射方式好。
电注入：上图a的左端，由N+扩散区和P型基底构成电注入二 极管VD1。G1为CCD的输入栅极，其加适当正偏压。保持开启
并作为基准电压。输入模拟信号加到VDI上，1保持高电平， 通过PN结注入基底的电子进入1势阱中。电注入就是CCD通
过输入结构VDI-G1对输入模拟信号进行采样，然后将其转换为
信号电荷注入响应势阱（1）中。
氧化层对P型Si体内的电势(界面势s)足够大，形成一个稳定
的耗尽区。此时光生电子被耗尽区吸收，如上图b所示。
(b) 电荷移位（耦合）
多个MOS光敏元依次相邻排列（间隔1～3 m），耗尽区可交 叠，即发生势阱“耦合”。势阱中的光生电子在互相耦合的势 阱间流动。下图a所示为CCD结构原理图，三个相邻栅极分别
CCD和CMOS图像传感器是典型代表。
CCD的特点：基于内光电效应，由光敏单元集成的一种光传 感器，集电荷存储、移位和输出为一体。单个光敏单元称为像 素，以一定尺寸大小按某一规则排列，组成线阵或面阵。
基本类型：一是光生电荷存储在半导体与绝缘体的界面上，并 沿界面转移，称为表面沟道电荷耦合器件(SCCD)；二是光生 电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在体内沿一定的 方向转移，称体沟道或埋沟道电荷耦合器件(BCCD)。
(3) 电荷容量 MOS光敏元存储光生电量Qs取决于栅极面积A1、驱动脉冲电
压的幅值UG、驱动方式及光敏元结构等因素。Qs表达式如下: Qs=CaxUGA1；其中Cax为SiO2氧化层单位面积的电容量。
不考虑电荷转移传输损失的输出电流(单位时间转移的电量)：
Id=Qsf=CaxUGA1f 式中，f为电荷移位脉冲周期T的倒数，即频率；A1为栅极面积； Cax为SiO2氧化层单位面积电容量；UG为栅极电压。
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3) CCD的基本参数
(1) 光电转换特性
入射光子能量被硅层吸收转换成光生电荷聚集在势阱中。光生 信号电荷Qin与光照强度（光子流速率n）成正比，与光敏元
受光面积A成正比，有: Qin=enAtc 式中，为材料的光量子效率；e为电子电量；A为光敏元受光
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2) CCD的工作原理
如图a所示，MOS光敏元，即一种金属−氧化物−半导体结构的 电容器是组成CCD的基本单位。在P型硅基片上热氧化生成 SiO2，再在SiO2层上沉积一层金属电极（栅极）就构成一个孤 立的MOS电容器。光照到MOS光敏元使栅极附近硅层产生电 子−空穴对，多数载流子（空穴）被栅极电压UG决定的电势排 斥，少数载流子（电子）被收集在势场中，形成光生电荷。
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(2) 开启电压: MOS场效应管开始产生沟道时所需的栅压。 为使CCD有效工作，表面应始终保持耗尽状态，驱动脉冲信号
低电平应在开启电压之上。栅极加正阶跃电压UG（2~10V）， 低电平2 V大于开启电压，可以使表面始终保持耗尽状态。
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(d) 电荷转出方式 CCD输出电荷信号的方式一般为电流方式。上图a的右端，当
3的电压由高变低时，信号电荷将通过加恒定电压的输出栅
极Go下势阱进入反向偏置二极管VDo的N+区中。由基底P和N+ 区，外加电源构成一个二极管反偏电路，对信号电荷是一个很 深的势阱，进入反偏二极管VDo的信号电荷将产生电流Id，其 大小与注入的信号电荷量Qs成正比。