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常用物理传感器有哪些,新型传感器有哪些?

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解决时间 2021-04-22 23:47
常用物理传感器有哪些,新型传感器有哪些?
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一、固态图象传感器(CCD)
其工作过程是:首先由光学系统将被测物体成象在CCD的受光面上,受光面下的许多光敏单元形成了许多象素点,这些象素点将投射到它的光强转换成电荷信号并存储。然后在时钟脉冲信号控制下,将反映光象的被存储的电荷信号读取并顺序输出,从而完成了从光图象到电信号的转化过程。CCD传感器由MOS电容组成,金属和Si衬底是电容器两极,SiO2为介质。在金属栅上加正向电压UG,Si中的电子被吸引到衬底和SiO2的交界面上,空穴被排斥,于是在电极下形成一个表面带负电荷的耗尽区。
1.CCD的基本结构和原理
CCD的基本结构,是在N型或P型硅衬底上生成一层厚度约120nm的二氧化硅层,然后在二氧化硅层上依一定次序沉积金属电极,形成MOS电容器阵列,最后加上输入和输出端便构成了CCD器件。CCD的工作原理是建立在CCD的基本功能上,即电荷的产生、存储和转移。
(1)电荷的产生、存储 构成CCD的基本单元是MOS电容器,结构中半导体以P型硅为例,金属电极和硅衬底是电容器两极,SiO2为介质。在金属电极(栅极)上加正向电压 G时,由此形成的电场穿过SiO2 薄层,吸引硅中的电子在Si―SiO2的界面上,而排斥Si-SiO2界面附近的空穴,因此形成一个表面带负电荷,而里面没有电子和空穴的耗尽区。与此同时,Si-SiO2界面处的电势(称表面势 S)发生相应变化,若取硅衬底内的电位为零,表面势 S的正值方向朝下,如图1-45b所示。当金属电极上所加的电压 G超过MOS晶体上开启电压时,Si-SiO2界面可存储电子。由于电子在那里势能较低,可以形象地说,半导体表面形成了电子势阱,习惯称贮存在MOS势阱中的电荷为电荷包。图示
当光信号照射到CCD硅片表面时,在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子--空穴对。这时在栅极电压 G的作用下,其中空穴被排斥出耗尽区而电子则被收集在势阱中,形成信号电荷存储起来。如果 G持续时间不长,则在各个MOS电容器的势阱中蓄积的电荷量取决于照射到该点的光强。因此,某MOS电容器势阱中蓄积的电荷量,可作为该点光强的度量。
(2)电荷包的转移
若MOS电容器之间排列足够紧密(通常相邻MOS电容电极间隙小于3μm),使相邻MOS电容的势阱相互沟通,即相互耦合,那么就可使信号电荷(电子)在各个势阱中转移,并力图向表面势 S最大的位置堆积。因此,在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲 G,就可改变它们对应的MOS的表面势 S,亦即可改变势阱的深度,从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。三个MOS电容器在三相交迭脉冲电压作用下,其电荷包耦合转移过程如图所示。
(3)电荷的输出(检测) CCD中电荷信号的输出方式有多种方法,浮置扩散放大器输出结构 如图所示。
2.CCD的应用
二、光纤传感器
光纤传感器以光学量转换为基础,以光信号为变换和传输的载体,利用光导纤维输送光信号的传感器。按光纤的作用,光纤传感器可分为功能型和传光型两种。功能型光纤传感器既起着传输光信号作用,又可作敏感元件;传光型光纤则仅起传输光信号作用。
1.光纤结构及传光原理
光纤一般为圆柱形结构,由纤芯、包层和保护层组成。纤芯由石英玻璃或塑料拉成,位于光纤中心,直径为5~75μm;纤芯外是包层,有一层或多层结构,总直径在100~200μm左右,包层材料一般为纯SiO2中掺微量杂质,其折射率 2略低于纤芯折射率 1;包层外面涂有涂料(即保护层),其作用是保护光纤不受损害,增强机械强度,保护层折射率 3远远大于 2。这种结构能将光波限制在纤芯中传输。全反射原理  光纤传播原理
2.光纤传感器的......余下全文>>
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