传感器与检测技术第10章CCD固态图像传感器(1)
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。
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D的特性参数
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D的特性参数
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D的特性参数
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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。
第10章CCD固态图像传感器(1)_重庆大学_广西大学_传感器与检测技术_课件
条形码扫描器
10.4 CCD图像传感器的应用
广西大学电气工程学院
夏普公司新推出的名为RJ21V3BA0ET的8兆象素的 CCD传感器产品
10.4 CCD图像传感器的应用
广西大学电气工程学院
光学指纹采集头
闭路电视摄像头
第十章 CCD传感器 本章小结：
广西大学电气工程学院
1.工作原理
2.基本特性参数
广西大学电气工程学院
传感器与检测技术
广西大学电气工程学院
制作
传感器与检测技术
广西大学电气工程学院
第十章 固态图像传感器
1.了解CCD传感器工作原理及特性
2.了解传感器的应用
第十章 CCD传感器 10.1 CCD的工作原理
广西大学电气工程学院
CCD是由以阵列形式排列在衬底材料上的金属－氧
化物－半导体（MOS）电容器件组成，具有光生电荷、 积蓄和转移电荷的功能。 MOS光敏元的结构： 在半导体(P型硅)基片 上形成一种氧化物(如 二氧化硅)，在氧化物 上再沉积一层金属电 极，以此形成一个金 属-氧化物-半导体结 构元 (MOS)。
10.1 CCD的工作原理
光线
广西大学电气工程学院
势阱
一个MOS光敏元称为一个像素，通常的CCD器 件是在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立排列 规则的MOS光敏元，称为光敏元阵列——光电转换。
第十章 CCD传感器 10.2 CCD图像传感器
广西大学电气工程学院
在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如 果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则 这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光 生电荷图像。
光电转换
电荷暂存
CCD
FT-CCD
传感器与检测技术-ppt课件第十章[1]
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执行机构C
转速传感器N
轴N
执行机构N
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10.3.4 传感器在伺服控制系统中的应用概述
伺服控制系统原理示意图
传感器
控制命令 控制器
驱动器
执行电动机
输出量 控制对象
传感器
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10.3.4 传感器在伺服控制系统中的应用概述
1. 开环控制数控机床
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第10章 传感器在工业中的应用
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引言
传感器作为获取信息的敏感元件，在现代信息社 会中扮演着越来越重要的作用。如果把一台工业 设备比拟做一个人的话，那么毫不夸张地说，传 感器就应该是他的眼睛。信息的采集通过传感器 来完成，传感器的正确使用与否直接关系到工业 设备能否正常运行。传感器的精度、稳定性直接 关系到系统的性能好坏。由此可见，作为现代信 息技术的三大基础之一的传感器技术，与通信技 术和计算机技术一样在信息社会中扮演者无可替 代的作用。
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10.3 传感器在工业中的应用概述
随着电子计算机、生产自动化、航空、 遥测、遥感等科学技术的发展，对传感 器的需求量与日俱增，其应用领域已渗 入到社会的各个领域，并起着巨大的作 用。下面仅将传感器在一些主要领域中 的应用作以简介。
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10.3.1 传感器在航天工业中的应用概述
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10.1 传感器测试系统简介
3. 测试软件的编写
便于测试数据的分析和显示，需要编
写专门的软件读取测试系统采集的数据， 并加以显示。测试软件中还可以加入信号 处理模块，以便数据的分析和处理。
CCD图像传感器详解备课讲稿
C C D图像传感器详解CCD图像传感器CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。
它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。
它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。
CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。
实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用了CCD作图象探测元件。
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。
取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。
移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。
将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。
由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高。
一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1所示。
以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在收集于网络，如有侵权请联系管理员删除收集于网络，如有侵权请联系管理员删除SiO 2 上淀积一层金属为栅极，P 型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO 2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。
于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO 2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。
《固态图像传感器》课件
C M O S 图像传感器的工作原理
1
曝光
光线通过镜头进入传感器，被转换为电荷。
2
读出
将电荷转换为电压信号，并通过AD转换器进行数字化处理。
C M O S 图像传感器的特点
1 集成度高
由于CMOS传感器采用集成电路制造技术，可集成更多的功能。
2 功耗低
CMOS传感器相较于CCD传感器功耗更低，适合移动设备和无线摄像。
CMOS
CMOS图像传感器采用集成电路制造技术，具有高集成度、低功耗和成本低等优势。
其他类型
除了CCD和CMOS，还有其他类型的固态图像传感器，如BSI、ToF等。
C C D 图像传感器的工作原理
1
暗电流
CCD图像传感器在暗环境下会产生一定的
曝光
2
暗电流，需要进行去噪处理。பைடு நூலகம்
光线通过镜头进入传感器，被转换为电
3 成本低
CMOS传感器的制造成本相对较低，能够为消费者提供更实惠的选择。
小结
C C D 和C M O S 图像传感器的区别
CCD具有低噪声和大动态范围，而CMOS集成度 高且功耗低。
应用领域
CCD适用于高要求的摄影和工业应用，CMOS广 泛用于手机、摄像头等消费电子产品。
《固态图像传感器》PPT 课件
本课程将介绍固态图像传感器的原理、类型和特点，以及CCD和CMOS图像传 感器的区别和应用领域。
什么是固态图像传感器？
固态图像传感器是一种用于将光信号转换为电信号的装置。它具有高感光度、 快速响应和准确捕捉细节等特点。
固态图像传感器的类型
CCD
CCD图像传感器通过光电转换实现图像捕捉，具有低噪声、高动态范围和全局快门等特点。
传感器与检测技术(填空)
传感器1. 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K 0, α0, βs ）以及被测试件线膨胀系数βg 有关。
2 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。
1) 电阻温度系数的影响2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响3. 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。
5.注意补偿条件：① 在应变片工作过程中，保证R3=R4② R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K 和初始电阻值R0。
③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相④ 两应变片应处于同一温度场。
6.电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。
直流电桥平衡条件:R1R4=R2R3.7.电压灵敏度的物理意义：① 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； ② 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n 的函数，恰当地选择桥臂比n 的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。
7. 当E 值确定后，n=1时才能使KU 最高。
即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有 U0=E *△R1/4R1(单臂)8.结论：当电源电压E 和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。
9.减小和消除非线性误差的方法：①提高桥臂比；②采用差动电桥{公式P29非线性误差}10.半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂。
可知：Uo 与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。
U0=E*△R1/2R1(R1=R2=R3=R4, △R1=△R2)11.全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变(1.4拉)，两个受压应变（2.3压），将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。
16.智能传感器10-1教学教案
参考教材
『新课导入』
智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术。
智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来智能测试技术的研究和实际经验而提出来的。
传感器智能化的发展有两个方向：一个方向是传感器与微处理器相结合；另一个方向是传感器与人工智能技术相结合。
『授课内容』
10.1智能传感器概述
10.1.1 智能传感器的概念
智能传感器的概念及雏形是美国宇航局在开发宇宙飞船的过程中形成的。
宇宙飞船需要大量的传感器检测飞船的状态（如温湿度、气压、速度、加速度和姿态等）。
人类大脑根据积累的知识、经验对环境进行推理判断，做出相应反应，如图10-1所示。
智能传感器与人类智能相类似，其传感器相当于人类的感知器官，其微处理器相当于人类大脑，可进行信息处理、逻辑思维与推理判断，存储设备存储“知识、经验”与采集的有用数据，如图10-2所示为智能传感器的结构。
10.1.2 智能传感器的功能
智能传感器引入了微处理器进行信息处理、逻辑思维、推理判断，使其除了具有传统传感器的检测功能外，还具有数据处理、数据存储、数据通信等功能，其功能已经延伸至仪器的领域。
10.1.3 智能传感器的实现方式
智能传感器也种类繁多，如智能温度传感器、智能压力传感器、智能流量传感器等。
尽管。
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
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10.4 CCD图像传感器的应用
零件尺寸的在线检测
10.4 CCD图像传感器的应用
邮政编码识别
10.4 CCD图像传感器的应用
钢板尺寸的在线检测
10.4 CCD图像传感器的应用
10.4 CCD图像传感器的应用
条形码扫描器
10.4 CCD图像传感器的应用
夏普公司新推出的名为RJ21V3BA0ET的8兆象素的 CCD传感器产品
10.4 CCD图像传感器的应用
光学指纹采集头
闭路电视摄像头
第十章 CCD传感器 本章小结：
1.工作原理
2.基本特性参数
3.图像传感器的应用
5.均匀性：光敏单元对光强度响应的一致性。
第十章 CCD传感器 10.4 CCD图像传感器及其应用
特点: (1) 非接触检测; (2) 响应快; (3) 可靠性高,维修简便; (4) 测量精度高; (5) 体积小,重量轻; 容易与计算机连接 (6) 对被测物体需要强光照射; (7) 受被测物体以外的光的影响.
线阵CCD图像传感器 直线排列的光敏单元（光电转换） 转移栅（转移光生电荷） 读出移位寄存器（驱动脉冲作用——输出视频信号）
10.2 CCD固态图像传感器
转移效率高
10.2 CCD固态图像传感器
面阵CCD图像传感器
——光敏单元按二维矩阵排列组成光敏区
场 传 输 面 阵 结 构
光电转换
电荷暂存
传感器与检测技术
制作
传感器与检测技术
第十章 固态图像传感器
1.了解CCD传感器工作原理及特性
2.了解传感器的应用
第十章 CCD传感器 10.1 CCD的工作原理
CCD是由以阵列形式排列在衬底材料上的金属－氧
化物－半导体（MOS）电容器件组成，具有光生电荷、 积蓄和转移电荷的功能。 MOS光敏元的结构： 在半导体(P型硅)基片 上形成一种氧化物(如 二氧化硅)，在氧化物 上再沉积一层金属电 极，以此形成一个金 属-氧化物-半导体结 构元 (MOS)。
10.1 CCD的工作原理
光线
势阱
一个MOS光敏元称为一个像素，通常的CCD器 件是在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立排列 规则的MOS光敏元，称为光敏元阵列——光电转换。
第十章 CCD传感器 10.2 CCD图像传感器
在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如 果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则 这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光 生电荷图像。
CCD
FT-CCD
Байду номын сангаас输出视频信号
10.2 CCD固态图像传感器
行 间 传 输 面 阵 结 构
CCD
IT-CCD:电荷转移级数大大减少
第十章 CCD传感器 10.3 CCD的基本特性参数
1.响应度：光电转换效率 2.光谱特性：响应度与入射光频率或波长的关系（光
谱峰值）
3.暗电流：无光信号时的输出电流——图像噪声 4.分辨率：常用光敏单元数表示，像元越多分辨率越 高；实际分辨率还与CCD光敏单元数的中心间距、 光学系统的放大率有关 。