光电传感器论文格式热电阻传感器论文
传感器的原理及其应用论文范文
传感器的原理及其应用1. 介绍本文将介绍传感器的原理和其在各个领域的应用。
传感器是一种用于检测和测量环境中各种物理量的设备。
它们广泛应用于工业、医疗、环境保护、军事等领域。
本文将首先介绍传感器的工作原理，然后详细讨论传感器在不同领域的应用。
2. 传感器的工作原理传感器的工作原理基于各种物理现象，如光电效应、热敏效应、压电效应等。
以下是几种常见的传感器工作原理：2.1 光电传感器光电传感器利用光电效应测量光的强度和特性。
当光照射到光电传感器上时，光会激发光电元件内的电子，产生电流。
通过测量电流的大小，可以得知光的强度和特性。
光电传感器广泛应用于自动化控制、安防和光通信等领域。
2.2 温度传感器温度传感器根据物质的热敏性质来测量温度。
常见的温度传感器包括热电偶和热电阻。
热电偶利用两种不同金属的电极在不同温度下产生电势差，从而测量温度。
热电阻则根据电阻值随温度变化的特性来测量温度。
温度传感器广泛应用于气象、工业过程控制和家用电器等领域。
2.3 压力传感器压力传感器用于测量压力的大小。
它们通过将压力转化为力或位移，再测量这些参数来得知压力。
常见的压力传感器包括电阻应变式传感器和压电传感器。
电阻应变式传感器根据压力引起的电阻变化来测量压力。
压电传感器则利用压电效应，将压力转化为电荷来测量压力。
压力传感器广泛应用于工业自动化、汽车、航空航天等领域。
2.4 气体传感器气体传感器用于检测环境中的气体浓度。
常见的气体传感器包括气敏传感器和红外线传感器。
气敏传感器基于物质与气体之间的化学反应来测量气体浓度。
红外线传感器利用气体对红外线的吸收特性来测量气体浓度。
气体传感器广泛应用于空气质量监测、工业过程控制和燃气检测等领域。
3. 传感器的应用传感器在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个领域中传感器的应用示例：3.1 工业控制在工业控制中，传感器被用于监测和控制生产过程中的各种参数。
例如，温度传感器可用于监测设备和物料的温度，以确保生产过程的稳定性。
热电阻传感器论文
热电阻传感器摘要：热电阻传感器适用于温度检测要求较高的场合。
介绍了金属热电阻和热敏热电阻传感器的工作原理、分类、结构及应用。
关键词：传感器；热电阻；热敏Abstract: Thermal resistor sensor suitable for the occasion that requires high temperature detection. Introduce the operating principle,classification,structure and application about the metal thermal resistor and heat-sensitive resistance sensor.Key words: sensor ;thermal resistor ; heat-sensitive新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
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、资源调查、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。
热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。
在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。
热电阻传感器具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。
用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。
1 工作原理在金属中，载流子为自由电子，当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加。
热电式传感器的应用与发展 毕业论文
热电式传感器的应用与发展摘要：热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。
其工作原理的不同，常用热电式传感器分别分为热电偶和热电阻（金属）、热敏电阻（半导体）。
它们分别具有测量精度高、范围广、构造简单、使用方便，信号输出较大、易于测量，体积小、重量轻、热惯性小、寿命长等一系列优点。
广泛应用于工业，家庭，国防等中温度的测量。
本文主要介绍热电式传感器的分类、原理、结构、特点、应用及发展、关键词：热电式传感器，温度，热电偶，热电阻，热敏电阻。
目录1 引言 (1)1.1热电式传感器的重要性 (1)1.2传感器的组成 (1)1.3传感器的发展 (1)2 热电式传感器 (2)2.1热电偶 (2)2.1.1基本概念 (3)2.1.2热电偶构造及工作原理 (4)2.1.3热电偶的应用与发展 (5)2.2热电阻 (6)2.2.1基本原理 (6)2.2.2金属热电阻 (7)2.2.3热敏电阻 (7)2.2.4热电阻的发展与应用 (8)3热电式传感器的发展趋势 (10)结论 (12)致谢 (13)参考文献 (14)1 引言1.1热电式传感器的重要性热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。
而温度是一个基本的物理量，它在许多学科领域具有重要的作用，热力学、流体力学、传热学、空气动力学、宇航学、化学及物理等学科中所研究的基本规律都与温度密切相关，在国民经济的各个重要领域，例如交通运输、汽车工业、动力资源开发，工业测量与控制、防灾安全技术等方面都需要把温度作为设计或控制的重要参数。
随着现代工业技术的迅速发展温度的测量显得越来越重要，在现代化的钢铁冶炼、内燃机，火箭发动机的研究改良、工业加工、零件制造、兵器科学以及医学发展的研究中都需要精确的温度测量，并依据测得的温度两为设计制造提供理论依据，监控产品的质量，实现工业生产的自动化与安全生产，改善发动机的工作性能、对病人的临床监护等等，因此对于温度的测量任务显得越来越重要和紧迫，所以随之热电式传感器的重要性也越来越突出。
光电传感器原理及应用的探讨论文
光电传感器原理及应用的探讨论文摘要在科学技术高度发展的现代社会中，我们主要依靠检测技术获取、筛选和传输信息来实现自动控制。
光电传感器本身具有反应快、精度高、可靠性高等优点，而且其在测量速度方面较快，所以在自动测量领域中得到了广泛的应用。
本文主要针对光电传感器的原理以及其应用等相关问题进行简要探讨。
关键词光电效应；外光电效应；内光电效应；光电子在社会和经济快速发展的背景下，信息技术获得了广泛的应用，并在现代社会中发挥着重要的作用。
很多人在得到资料后通过一系列科学的分析，加工，处理，才能正确认识和把握规律，促进科技工艺的发展。
通过对信息的自动采集和过滤，获取有效的控制信息，可以提升企业的竞争力。
光电子和微电子技术的有效结合，形成了新的光电传感信息技术，这一技术的应用，使精度更高，响应速度更快，是具有高可靠性和高精确度的光电传感器，并且能对表格进行更灵活的测量，在自动检测技术当中得到了非常广泛的应用。
光电传感器的应用可以实现对光学部件的有效检测。
1 光电效应理论基础光电效应分为外部和内部光电效应光电效应。
外部光电效应指的是表面电子的某些对象的光照射发生逃逸的现象，也称为电光效应以外光电子效应。
基于在光电元件上具有光电管，光电倍增管等光学效应的外部光电效应是指光对下一个对象造成影响时，原子的内部电子被释放，但这些电子不会发生表面的逃逸现象，而是仍保持在所述主体的内部，从而使所述被摄体的变化的电阻率或产生电动势。
主要包括光敏电阻器，光电二极管，光电池等光电元件。
在光电材料的光，电子材料吸收能量，如果电子的表面能吸收足够的，电子将克服逃逸的束缚到空间，这是光电效应以外的外表面。
因此，如果光电子逃逸面中，w不同的材料具有不同的功函数，入射光具有一定的频率限制，并且仅当入射光的频率大于该频率的限制，将已光电子，否则力度不大，也不会有光电子，这个频率所具有的上限我们一般把它称为“红色极限”。
而光在电效应当中，价带与正常情况下的那些半导体材料之间所具有的带隙能量间隔在导带之间，价带电子不会自发如果通过转换到导带，使得导电半导体材料少得多的导电，但是，以某种方式与价带电子提供能量，它可以被激发到导带，形成一个载体，增加的方式的导电性时，光对于入射光的能量的激励。
毕业论文《光电传感器技术的新发展及应用》
摘要摘要在科学技术高速发展的现代社会中,人类已经入瞬息万变的信息时代,人们在日常生活,生产过程中,主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输,来实现制动控制,自动调节,目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。
由于微电子技术,光电半导体技术,光导纤维技术以及光栅技术的发展,使得光电传感器的应用与日俱增。
这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点,在自动检测技术中得到了广泛应用,它一种是以光电效应为理论基础,由光电材料构成的器件。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
关键字:光电元件传感器分类传感器应用摘要ABSTRACTThe photoelectric transducer adopts the photoelectric component as the transducer measuring the component. It changes the change measured into a change of the optical signal at first, then further change the optical signal into an electric signal through the photoelectric component. The photoelectric transducer is generally made up of light source, optical thorough fare and photoelectric component three parts. The photoelectric detection method has precision high, reacts fast, advantage of exposed to ing etc.s, and can examine the parameter more,the transducer is of simple structure, the form is flexible, so, it is very extensive that the photoelectricity type transducer is employed in measuring and controlling. The photoelectric transducer realizes the key component that the photoelectricity changes in various photoelectric detection systems, it change into electric device of signal optical signal (infrared can seeing and purple other ray radiation). The photoelectricity type transducer is regarded photoelectric device as and changed the transducer of the component. It was not electric consumption that it caused the light quantity to change directly that it can be used for measuring, only strong, illuminance, radiation examine warmly, the gas composition is analyzed etc.; Other ones that can also be used and measured and can change into a light quantity and change are not the electric consumption such as part diameter, surface roughness, meets an emergency, the displacement, vibration, pace, acceleration, and the form of object, discernment of working state,etc.. The photoelectricity type transducer is not exposed to, respond the fast, reliable characteristic of performance, so won extensive application in the industrial automation device and machine philtrum. In recent years, new Devices photoelectric constantly emerge, especially CCD picture the births of transducer, transducers photoelectric the further to last chapter innovated to turn on.Keywords:Photoelectric component Transducer classification Application of transducer目录第一章绪论 (1)1.1 传感器发展史 (1)1.2光电传感概述 (2)第二章光电传感器基本原理 (3)2.1 光电效应 (3)2.2 光电元件及特性 (3)2.3 光电传感器 (6)第三章 CCD传感器 (11)3.1 光固态图象传感器 (11)3.1.1 CCD的结构和基本原理 (11)3.1.2 线型CCD图像传感器 (12)3.1.3 面型CCD图像传感器 (13)3.2 C CD图像传感器应用 (15)3.2.1 工件尺寸检测 (15)3.2.2 CCD传感器在公共交通上的应用 (16) 第四章光纤传感器 (17)4.1 光纤传感器的原理和组成 (17)4.2 光纤传感器的类型及特点 (17)4.3 光纤传感器的应用领域 (18)4.4 光纤传感器(FOS)应用原理 (20) 4.5 光纤传感器的实际应用 (21) 4.5.1 光纤液位传感器 (22)4.5.2 电力工业中的应用 (22)第五章其它光电传感器 (25)5.1 高速光电二极管 (25)5.1.1 PIN结光电二极管 (25)5.1.2 雪崩光电二极管(APD) (26) 5.2 色敏光电传感器 (26)5.3 光位置传感器 (27)第六章总结与展望 (29)6.1 总结 (29)6.2 展望 (30)致谢 (31)参考文献 (33)第一章绪论 1第一章绪论1.1 传感器发展史传感技术的发展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器,其测量技术、方法和特点的发展历程见表1。
光传感器的原理和应用论文
光传感器的原理和应用引言光传感器是一种能够将光信号转换为电信号的设备。
它可以利用光元件的特性来测量光的强度、频率、波长以及能量等参数。
随着科技的不断发展，光传感器在各个领域中得到了广泛的应用，如环境监测、光通信、机器视觉等。
本文将介绍光传感器的原理和应用。
光传感器的原理光传感器的原理基于光电效应和半导体光电器件的工作原理。
光电效应是指当光照射到材料表面时，会引起材料中的束缚电子跃迁到导带中，并产生电流。
常见的光电效应包括光致发光效应、光电效应和光致发热效应。
光电器件是实现光传感器的关键部件，常用的光电器件包括光敏电阻、光敏二极管、光电二极管、光电晶体管和光电三极管等。
这些器件根据其材料、结构和工作原理的不同，可以实现不同的光测量功能。
光传感器的应用光传感器在许多领域中得到了广泛的应用。
以下是一些典型的应用领域：1. 环境监测光传感器可以用于环境监测，如测量光照强度、紫外线辐射、空气质量等。
通过实时监测这些参数，可以有效地改善人们的生活环境。
•监测室内光照强度，调节照明设备的亮度，提高能源利用效率。
•监测紫外线辐射，保护人们的皮肤免受紫外线伤害。
•监测空气质量，及时发现并解决空气污染问题。
2. 光通信光传感器在光通信领域中起着重要的作用。
光通信是通过光传感器将信息转换为光信号，通过光纤进行传输和接收。
与传统的电信号传输相比，光通信具有更高的传输速率、更低的信号衰减和更远的传输距离等优点。
•光传感器接收光信号，并将其转换为电信号，用于光通信系统的接收端。
•光传感器可以在光通信系统中用于光信号的发射和接收，实现高速的数据传输。
3. 机器视觉光传感器在机器视觉领域中起着关键的作用。
机器视觉是通过光传感器获取图像信息，并对图像进行分析和处理，达到目标检测、图像识别和图像处理等目的。
•光传感器可以用于机器视觉系统的图像采集，获取目标的图像信息。
•光传感器可以将光信号转换为电信号，并通过图像处理算法进行图像分析和处理。
传感器课程论文(光电传感器)
传感器原理及工程应用课程论文题目：光电传感器的应用学院：XXXXXXXXX学院专业：电子信息科学与技术学号：XXXXXXX：XXX成绩：光电传感器的应用XXXXXXXXXXXXXXX电子系摘要：与传统传感器相比，光电传感器利用光电原件作为检测元件，具有非接触、反应快、可测参数多、精度高、结构简单等优点，而在相关行业、领域中得到了广泛应用，随着现代电子技术的研究不断深入，新型光电传感器在性能、质量价格等方面更具有优势，本文仅就光电传感器原理，其类别与其发展等问题做探讨。
关键词：光电传感器原理分类应用与发展0引言新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
如今，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、资源调查、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。
1光电传感器的原理光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。
光电传感器的物理基础是光电效应，即光敏材料的电学特性因受到光的照射而发生变化。
光敏二极管是最常见的光传感器。
光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小〔＜µA〕，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。
光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。
传感器的基本原理及应用领域论文
传感器的基本原理及应用领域一、传感器的基本原理传感器是一种能够感知和测量某种物理量并将其转化为可用信号的设备。
传感器的工作原理通常基于不同的物理现象，如电磁感应、压力变化、声波传播等。
以下是几种常见的传感器工作原理：1. 光电传感器光电传感器利用物体对光的反射、散射或吸收的变化来检测物体的存在、位置或其他属性。
光电传感器包括光敏电阻、光电二极管和光电晶体管等。
它们通过光敏元件的电阻、电流或电压的变化来感知光的强度或改变。
2. 温度传感器温度传感器是测量物体的温度变化的设备。
常用的温度传感器有热电偶、热电阻和半导体温度传感器。
热电偶通过两个不同金属的焊接点之间产生的温差来测量温度变化。
热电阻则是通过材料的电阻随温度变化而产生的变化来测量温度。
半导体温度传感器利用半导体材料的电阻随温度的变化来测量温度。
3. 压力传感器压力传感器是测量物体受力或气体液体压力的设备。
它们根据物体受力或压力改变导致的变形或变量来测量压力。
常见的压力传感器有电阻式、电容式和压阻式传感器。
电阻式传感器是将变形或变量转化为电阻改变来测量压力。
电容式传感器则是将变形或变量转化为电容改变来测量压力。
压阻式传感器则是测量物体受力产生的压阻值来获得压力信息。
二、传感器的应用领域传感器在各个领域都有广泛的应用，以下列举了几个常见的应用领域：1. 工业自动化传感器在工业自动化中发挥着关键作用。
例如，温度传感器可以用于监测和控制工业过程中的温度变化。
压力传感器可以用于监测液体或气体管道中的压力变化。
光电传感器可以用于检测物体的存在和位置，实现自动化的装配和分拣。
2. 医疗健康传感器在医疗健康领域的应用越来越广泛。
例如，心率传感器可以测量人体的心跳情况，用于心率监测和心脏疾病检测。
血压传感器可以测量人体的血压水平，用于高血压和低血压的监测和治疗。
体温传感器可以测量人体的体温，用于发热疾病的检测和监测。
3. 环境监测传感器在环境监测中发挥着重要作用。
传感器的原理及其应用论文
传感器的原理及其应用论文摘要本论文主要介绍了传感器的原理及其在各个领域中的应用。
首先，论文阐述了传感器的定义和基本原理。
接着，详细讨论了各种类型传感器的工作原理，包括光学传感器、压力传感器、温度传感器等。
随后，论文探讨了传感器在环境监测、医疗领域、智能交通系统、工业生产等领域的应用案例。
最后，论文总结了传感器的发展趋势和未来的研究方向。
1. 引言传感器是一种能够感知环境中各种物理量并将其转化为可用信号的设备。
它是现代科技中不可或缺的一部分，广泛应用于各个领域。
本章将介绍传感器的基本概念，以及其在不同领域中的重要性和应用前景。
2. 传感器的定义和基本原理2.1 定义传感器是一种能够感知并感知环境中某种物理量，并将其转化为可以用来测量、监测或控制的其他形式的信号的设备。
2.2 基本原理传感器的基本原理是通过感受外部物理量的变化，并将其转化为可测量的电信号或其他形式的输出信号。
传感器通常包括感受部件、转换部件、输出部件和电路部分。
3. 传感器类型及其工作原理3.1 光学传感器光学传感器是一种利用光学原理检测并测量环境物理量的传感器。
它通过感受环境中光线的变化来判断目标物体的位置、颜色、形状等特征。
光学传感器工作原理可分为透射式光电传感器、反射式光电传感器和光纤传感器等。
3.2 压力传感器压力传感器是用于测量系统中气体或液体压力的传感器。
它通过感受被测介质对传感器施加的力来转化为电信号输出。
按其测量原理可分为机械式压力传感器、电阻式压力传感器和微电子压力传感器等。
3.3 温度传感器温度传感器是用于测量环境中温度变化的传感器。
常见的温度传感器有热电偶、热电阻和半导体温度传感器等。
这些传感器通过测量物体的温度并将其转化为电流或电压信号来实现温度测量。
4. 传感器的应用案例4.1 环境监测传感器在环境监测中起着重要的作用。
例如，大气压力传感器可以用于气象学研究和天气预报，土壤温湿度传感器可以用于农业生产监测，水质传感器可以用于水环境监测等。
传感器的主要工作原理及应用论文
传感器的主要工作原理及应用论文1. 引言在现代科技的发展中，传感器起着非常重要的作用。
传感器是一种能够将物理量或化学量转化为电信号的装置，用于监测和测量各种物理和化学现象。
本文将介绍传感器的主要工作原理以及一些常见的应用。
2. 传感器的工作原理传感器的工作原理主要分为以下几个方面：2.1 电阻式传感器•电阻式传感器根据物理量的变化改变其电阻值，从而实现对物理量的测量。
•常见的电阻式传感器包括温度传感器、压力传感器以及湿度传感器等。
•电阻式传感器的原理是根据被测物理量对传感器内电阻的影响，从而改变电阻值。
2.2 光电传感器•光电传感器是利用光电效应将光信号转化为电信号的装置。
•光电传感器常用于测量光强、距离以及颜色等参数。
•光电传感器的工作原理是通过光源发出光，被测物体对光的反射或吸收产生光电效应。
2.3 压电传感器•压电传感器是利用压电效应将机械形变转化为电信号的装置。
•压电传感器常用于测量压力、力量和加速度等参数。
•压电传感器的原理是在压力或力作用下，压电材料会产生电荷积累，从而产生电信号。
2.4 磁电传感器•磁电传感器是利用磁电效应将磁场变化转化为电信号的装置。
•磁电传感器常用于测量磁场强度、位置以及速度等参数。
•磁电传感器的工作原理是通过磁场的变化引起传感器内的磁电效应，从而产生电信号。
3. 传感器的应用传感器在各个领域都有广泛的应用，下面列举了一些常见的应用场景：3.1 工业制造•传感器在工业制造中起着至关重要的作用，如温度传感器用于控制和监测工厂内的温度，湿度传感器用于测量空气湿度，以及压力传感器用于监测设备的运行状态等。
3.2 智能家居•在智能家居领域，传感器被广泛应用。
例如，温度传感器用于控制室内温度，光传感器用于控制室内照明，以及门窗传感器用于监测门窗的开关状态等。
3.3 医疗领域•在医疗领域，传感器的应用非常广泛。
例如，心电传感器用于监测心脏的电活动，血压传感器用于测量血压，以及血糖传感器用于监测血糖水平等。
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第40卷 第9期 激光与红外V o.l40,N o.9 2010年9月 LA SER & I NFRA RED Septe m ber,2010文章编号:1001 5078(2010)09 993 04 紫外材料与器件 GaN基紫外数字像素光电传感器设计与实现张文静1,2,3,包西昌1,2,3,王 玲1,2,3,袁永刚1,2,李向阳1,2(1.中国科学院上海技术物理研究所,传感技术国家重点实验室,上海200083;2.中国科学院上海技术物理研究所,中国科学院红外成像材料与器件重点实验室,上海200083;3.中国科学院研究生院,北京100039)摘 要:介绍了一种为了获得高速高性能的Ga N基紫外数字像素光电传感器的设计和实现。
该传感器每个像素单元面积为50 m50 m,包含一个UV光电探测器,一个1位比较器和一个3T的存储单元,能同时完成对所有像素的A/D转换。
像素内比较器电路中引入了一个自动复位电路用以实现数字相关双采样功能,并可以增加峰值信噪比以及动态范围。
电路采用CS M C DPT M0.5 m C MOS工艺流片实现,初步的功能实验结果验证这一数字传感器能正常工作。
关键词:Ga N基紫外探测器;数字像素传感器;模数转换;多通道位串行;比较器中图分类号:TN23 文献标识码:BDesign and i m ple m entati on ofGa N based UVdigit al pi xel sensorZ HANG W en ji n g1,2,3,B AO X i chang1,2,3,WANG L i n g1,2,3,YUAN Yong gang1,2,LI X i a ng yang1,2(1.State K ey L aborato ries of T ransducer T echno l ogy,Shanghai Institute of T echn i ca l Physics,Shangha i200083,Ch i na;2.K ey L aborato ry o f In fra red I m ag ing M a teria l and D etec t o rs of Shanghai Institute of T echn i ca l Physics,CA S,Shangha i200083,Ch i na;3.G raduate U niversit y of Ch i nese A cade m y o f Sc iences,Be iji ng100039,Ch i na)Ab stract:T he desi gn and i m p l em enta ti on o f a G a N based UV dig ital pi x el pho toelectric senso r for h i gh speed andhi gh perfor m ance is presented.T he p i xe l occup ies an a rea o f50 m50 m and i nc l udes a UV photodiode,a1 b itco m pa rato r and a3T m e m o ry ce l.l In the sensor the A/D conversion can si m u ltaneous l y be performed for a ll pixe l s.An auto m atic rese t circu it is i ntroduced i n each p i xe l com parator c ircu it and it can i ncrease t he peak s i gna l t o no iserati o and dyna m ic range by di g ita l correlated doub le sa mp ling operati on.The D PS ADC circu its are i m ple m ented byCS M C DPTM0.5 m C MO S process,and t he i nitial functi on test resu lts ver if y that the d i g ital sensor can wo rk properl y.K ey w ords:G a N based UV detector;DPS;ADC;M CBS;comparator1 引 言Ga N基紫外探测器具有通过调整材料的配比可以调节器件响应的截止波长的优点,它在航空及航天跟踪与控制等军民应用领域具有广泛的应用前景[1-2]。
Ga N基紫外探测器的信号读出方式也由传统的模拟放大器和电荷积分结构[3]向模数转换(ADC)拓展,其中数字像素探测器(DPS)成为近年来研究的热点课题之一。
DPS 在传感器的每一个像素点上包含了一个ADC,这些ADC同时将像素点上的光电信号转换成数字值,将大大降低面阵上的模拟信号退化以及串扰,同时并行转换模式缓解了系统的速度要求降低了功耗。
基金项目:国家自然科学基金项目(No.60807037,N o. 60708028)资助。
作者简介:张文静(1979-),男,在读博士,主要从事Ga N基紫外焦平面像素级数字化研究。
E m ai:l w..j z hang@hot m ai.l co m收稿日期:2010 03 09;修订日期:2010 04 21实现数字像素传感器的技术有很多种,其中比较成熟的是多通道位串行(MCBS)技术[4-5]。
在这一技术中每个像素单元内包括一个比较器和一个锁存器,所有的像素单元又共用一个状态机和一个N 位的数模转换器。
图1为M CBS 模数转换的结构图,其中S 1,S 2,!,S N为紫外探测器信号。
图1 M CBS ADC 结构框图本文设计实现了一种基于M CBS 模数转换结构单元面积为50 m 50 m 的Ga N 基紫外数字像素光电传感器。
电路采用CS M C DPT M 0.5 m C MOS 工艺流片实现,初步的功能实验结果验证这一数字传感器能成功工作。
2 紫外DPS 电路设计与仿真图2为G a N 基p i n 结构紫外光电二极管探测器的等效电路,可用该模型进行输入信号的仿真。
图2 Ga N 基紫外光电二极管等效电路其中,I ph 为光电流;D 0为理想二极管;R s 为串联电阻;R j 为结电阻;C j 为结电容。
I ph ,R s ,R j 和C j 的典型值分别为1nA,103,1011和5pF 。
二极管D 0的反向偏置漏电流I 0典型值为10-3nA 。
比较器有开环比较器和再生比较器两种类型。
开环比较器基于非不常运算放大器,再生比较器类似于触发器的正反馈来完成对两个信号幅度的比较。
本文设计了一个将两者综合起来的比较器结构(如图3所示)作为像素内比较器[6]。
该结构由正反馈的源耦合差分对结构和差分转单边结构组成。
其工作原理如下:当V in 和Ra mp 相等时,电路处于平衡状态,流过M 7和M 8的电流相等,均为I 0/2,M 5与M 6的栅电压也相等;当R a m p 略比V in 高时,M 7关闭,M 8保持开启,所有的尾电流都从M 1和M8流过,M 2,M 3,M 4和M 7中流过的电流大小为零,M 5的栅电压为高,M 6的栅电压为低。
其中正反馈的源耦合差分级的增益为:A d =n (W /L )8 p (Q /L )111-其中,提高增益的正反馈因子 =(W /L )2(Q /L )1; n和 p分别为N 区和P 区的电子迁移率;W /L 为MOS 管的宽长比。
为了提高比较器的驱动能力,在比较器的输出端引入了一级输出驱动器。
图3 像素内比较器电路比较器电路中引入了一个自动复位电路(M 13,M 14,M 15),这一自动复位使探测器能够执行多次信号采集实现数字相关双采样功能,并可以增加峰值信噪比以及动态范围。
其工作原理是:首先在自动复位时,DPS 的ADC 电路工作,读出此时的转换数据;其后关闭自动复位,对探测器信号进行积分和模数转换,将读出的转换数据与前次数据相减,得到的就是相关双采样(CDS)数据。
像素级单元内的数据锁存器采用拥有较快的读写速度的是三晶体管(3T)的动态存储器单元(如图4所示)[7]。
3T 动态存储器单元的一个缺点是数据存储在3T 存储单元比较容易地被受到低能量原子粒子的影响。
这是因为在3T 存储单元电荷的存储容量通常较小。
为了提高在一个转换和数据读取周图4 像素内数据锁存器电路994激光与红外 第40卷期内存储数据的抗干扰性,将晶体管M 2设计成大尺寸结构。
同时在数据读出时,将数据总线电位箝制在V dd /2左右以减少读取数据时位线电荷注入引起的干扰。
图5显示了电位预充和抗电压摆动电路。
其中位线连接到一个威尔逊电流源,其负反馈特性保持位线电位在一个稳定的水平[8]。
M 9用作电容器,以减少由电荷注入引起的噪声。
图5 存储器数据线箝位电路列读出放大器用于存储器数据读出操作。
图5所示的B it X 线(连接共用DAC 输出数据B I T 的某一位)作为位线耦合差分对为检测放大器提供参考电压输入。
图6为列读出放大器电路[9],该读出放大器在产生非平衡信号时不产生明显的电流,没有记忆效应。
当时钟信号CLK 变为高电平时,根据输入信号的状态不同,两个电压之间的不平衡使得电路锁存住高电平或低电平信号。
输入信号被M 1和M 2与锁存器隔离,可以减小电路的回扫噪声。
图6 列读出放大器电路图7是列读出放大器的仿真波形,其中W ord信号对应连接3T 存储器的R ead 控制信号。
可以看出在读出过程中B it 数据线的电位被控制在2.0~2.8V,电路实现数据总线电位箝制功能。
ti m e / s图7 列读出放大器的仿真波形图8是DPS 像素单元的仿真波形,图中BI TX 为像素内数据锁存器(如图4所示)电路中电荷存储管M 2的栅压信号波形。
自动复位功能在第二个5 s 时间段内被触发,比较器输出节点连续的被复位。
在模拟中比较器输入脉冲的幅度为300 V,满足实现10位ADC 的紫外DPS 。
ti m e / s图8 DPS 像素单元的仿真波形3 实际的紫外DPS 和功能实验结果紫外DPS 模数转换电路采用CS M S DPT M 0.5 m C MOS 工艺流片。
图9是紫外DPS 模数转换电路像素单元版图,每个像素面积为50 m 50 m,其中包括比较器和3T 存储器电路。