最新微电子光电传感器6PPT课件.ppt

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1、微电子光电传感器微电子光电传感器6 6面阵光位置传感器面阵光位置传感器面阵光位置传感器面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器线阵光位置传感器线阵光位置传感器线阵光位置传感器线阵光位置传感器耗尽区：耗尽区：耗尽区：耗尽区：电极加正偏压，排斥空穴，无空穴的区域电极加正偏压，排斥空穴，无空穴的区域电极加正偏压，排斥空穴，无空穴的区域电极加正偏压，排斥空穴，无空穴的区域 偏压越大，耗尽区越深偏压越大，耗尽区越深偏压越大，耗尽区越深偏压越大，耗尽区越深 电荷包：电荷包：电荷包：电荷包：少数载流子（电子）吸引到最高正偏压电极下少数载流子（电子）吸引

2、到最高正偏压电极下少数载流子（电子）吸引到最高正偏压电极下少数载流子（电子）吸引到最高正偏压电极下势阱：势阱：势阱：势阱：加偏压后在金属电极下形成的深耗尽层，加偏压后在金属电极下形成的深耗尽层，加偏压后在金属电极下形成的深耗尽层，加偏压后在金属电极下形成的深耗尽层，阱内存储少子阱内存储少子阱内存储少子阱内存储少子电荷（少子）注入方法：电荷（少子）注入方法：电荷（少子）注入方法：电荷（少子）注入方法：光注入、电注入、热注入光注入、电注入、热注入光注入、电注入、热注入光注入、电注入、热注入S S极加负电位，极加负电位，极加负电位，极加负电位，P P型衬底接地型衬底接地型衬底接地型衬底接地电荷（少子

3、）定向转移电荷（少子）定向转移电荷（少子）定向转移电荷（少子）定向转移 三相控制方式三相控制方式三相控制方式三相控制方式经过一个时钟脉冲经过一个时钟脉冲经过一个时钟脉冲经过一个时钟脉冲周期，电荷从前一周期，电荷从前一周期，电荷从前一周期，电荷从前一级的一个电极下，级的一个电极下，级的一个电极下，级的一个电极下，转移到下一级的同号转移到下一级的同号转移到下一级的同号转移到下一级的同号电极下。电极下。电极下。电极下。电荷定向转移电荷定向转移电荷定向转移电荷定向转移2 2、线阵、线阵、线阵、线阵CCDCCD图像传感器图像传感器图像传感器图像传感器（1 1）单行结构）单行结构）单行结构）单行结构光积分

4、：光积分：光积分：光积分：光照感光单元、光生电子光照感光单元、光生电子光照感光单元、光生电子光照感光单元、光生电子-空穴对（光电子）空穴对（光电子）空穴对（光电子）空穴对（光电子）积累光电荷：与光照强度、光积分时间成正比积累光电荷：与光照强度、光积分时间成正比积累光电荷：与光照强度、光积分时间成正比积累光电荷：与光照强度、光积分时间成正比电荷转移：电荷转移：电荷转移：电荷转移：转移栅高电位转移栅高电位转移栅高电位转移栅高电位 电子通道电子通道电子通道电子通道 梳状电极高梳状电极高梳状电极高梳状电极高低，低，低，低，CCDCCD电极高电位电极高电位电极高电位电极高电位流向流向流向流向 定向输出：

5、定向输出：定向输出：定向输出：转移栅高转移栅高转移栅高转移栅高低，梳状电极低低，梳状电极低低，梳状电极低低，梳状电极低高高高高 CCD CCD加时钟脉冲，串行输出加时钟脉冲，串行输出加时钟脉冲，串行输出加时钟脉冲，串行输出 重复进行，相继的行输出，读出电荷图形重复进行，相继的行输出，读出电荷图形重复进行，相继的行输出，读出电荷图形重复进行，相继的行输出，读出电荷图形尺寸检测尺寸检测尺寸检测尺寸检测（2 2）双行结构）双行结构）双行结构）双行结构3 3、线阵、线阵、线阵、线阵CCDCCD图像传感器的应用图像传感器的应用图像传感器的应用图像传感器的应用处理、显示处理、显示处理、显示处理、显示驱动电

6、路驱动电路驱动电路驱动电路 透镜焦距透镜焦距透镜焦距透镜焦距 光学放大倍数光学放大倍数光学放大倍数光学放大倍数 CCD CCD 像素间距像素间距像素间距像素间距 CCD CCD 像素数像素数像素数像素数 4 4、面阵、面阵、面阵、面阵CCDCCD图像传感器图像传感器图像传感器图像传感器 在在在在 x x、y y 两个方向上都能实现电子自扫描两个方向上都能实现电子自扫描两个方向上都能实现电子自扫描两个方向上都能实现电子自扫描组成：感光区、信号存储区、输出转移部分组成：感光区、信号存储区、输出转移部分组成：感光区、信号存储区、输出转移部分组成：感光区、信号存储区、输出转移部分七、红外传感器七、红外

7、传感器 探测人体探测人体1 1、热释电效应概念、热释电效应概念、热释电效应概念、热释电效应概念 晶晶晶晶 体体体体+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 热释电体热释电体热释电体热释电体某些晶体由于温度变化会在其两个对表面产生数某些晶体由于温度变化会在其两个对表面产生数某些晶体由于温度变化会在其两个对表面产生数某些晶体由于温度变化会在其两个对表面产生数量相同，符号相反的表面量相同，符号相反的表面量相同，符号相反的表面量相同，符号相反的表面束缚束缚束缚束缚电荷的现象。电荷的现象。电荷的现象。电荷的现象。热释电效应热释电效应热释电效应热释电效应：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _+热释电效应

8、的特点热释电效应的特点热释电效应的特点热释电效应的特点：热释电流的大小由温度变化的快慢决定，热释电流的大小由温度变化的快慢决定，热释电流的大小由温度变化的快慢决定，热释电流的大小由温度变化的快慢决定，而不由温度的高低决定。而不由温度的高低决定。而不由温度的高低决定。而不由温度的高低决定。热释电流热释电流热释电流热释电流I I金属电极金属电极金属电极金属电极束缚电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷如果温度不变，回路中的电流将为零。如果温度不变，回路中的电流将为零。如果温度不变，回路中的电流将为零。如果温度不变，回路中的电流将为零。回路中的电流的大小取回路中的电流的大小取回

9、路中的电流的大小取回路中的电流的大小取决于表面束缚电荷变化决于表面束缚电荷变化决于表面束缚电荷变化决于表面束缚电荷变化的快慢。的快慢。的快慢。的快慢。红外热辐射红外热辐射红外热辐射红外热辐射回路中电流是由回路中电流是由回路中电流是由回路中电流是由自由电荷释放和自由电荷释放和自由电荷释放和自由电荷释放和补充过程形成的补充过程形成的补充过程形成的补充过程形成的 人体静止人体静止人体静止人体静止 人体移动人体移动人体移动人体移动 晶晶晶晶 体体体体+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+晶晶晶晶 体体体体+_ _ _ _ _ _ 有输出有输出有输出有输出 无

10、输出无输出无输出无输出 晶晶晶晶 体体体体+_ _ _ _ _ _ 晶晶晶晶 体体体体+_ _ _ _ _ _ 热释电效应的特点热释电效应的特点热释电效应的特点热释电效应的特点：热释电流的大小由温度变化的快慢决定，热释电流的大小由温度变化的快慢决定，热释电流的大小由温度变化的快慢决定，热释电流的大小由温度变化的快慢决定，而不由温度的高低决定。而不由温度的高低决定。而不由温度的高低决定。而不由温度的高低决定。需要机械斩波器使恒定的红外辐需要机械斩波器使恒定的红外辐需要机械斩波器使恒定的红外辐需要机械斩波器使恒定的红外辐射变成周期性变化的红外辐射。射变成周期性变化的红外辐射。射变成周期性变化的红外

11、辐射。射变成周期性变化的红外辐射。斩波器斩波器斩波器斩波器热释电热释电热释电热释电传感器传感器传感器传感器红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射滤光片：滤光片：滤光片：滤光片：短波：高反射率短波：高反射率短波：高反射率短波：高反射率 长波：高穿透率长波：高穿透率长波：高穿透率长波：高穿透率 人体：人体：人体：人体：压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷 2 2、热释电红外传感器的结构、热释电红外传感器的结构、热释电红外传感器的结构、热释电红外传感器的结构结型场效应管：结型场效应管：结型场效应管：结型场效应管：阻抗变换阻抗变换阻抗变换阻抗变换 3 3、热释电红外传感器的信号检出、热释电红外传感器的信号检出、

12、热释电红外传感器的信号检出、热释电红外传感器的信号检出+UCCUoR1RLIUG热释电传感器热释电传感器热释电传感器热释电传感器热释电红外传感器的视野特性热释电红外传感器的视野特性热释电红外传感器的视野特性热释电红外传感器的视野特性探测人体用的热释电红外传感器主要技术指标探测人体用的热释电红外传感器主要技术指标探测人体用的热释电红外传感器主要技术指标探测人体用的热释电红外传感器主要技术指标 ：4 4、热释电红外探测模块、热释电红外探测模块、热释电红外探测模块、热释电红外探测模块N N型型型型 无信号：脚低电平，截止，灯不亮无信号：脚低电平，截止，灯不亮无信号：脚低电平，截止，灯不亮无信号：脚低

13、电平，截止，灯不亮 脚高电平，导通，吸合脚高电平，导通，吸合脚高电平，导通，吸合脚高电平，导通，吸合 有信号：脚高电平，导通，灯亮有信号：脚高电平，导通，灯亮有信号：脚高电平，导通，灯亮有信号：脚高电平，导通，灯亮 脚低电平，截止，断开脚低电平，截止，断开脚低电平，截止，断开脚低电平，截止，断开 5 5、典型应用、典型应用、典型应用、典型应用光纤：光纤：光纤：光纤：光导纤维光导纤维光导纤维光导纤维光通信，光传输光通信，光传输光通信，光传输光通信，光传输八、光纤传感器八、光纤传感器光纤传感器技术光纤传感器技术光纤传感器技术光纤传感器技术光纤应用光纤应用光纤应用光纤应用1 光纤传感器基础光纤传感器

14、基础光纤的结构光纤的结构光纤的结构光纤的结构涂敷层：硅铜、丙烯酸盐涂敷层：硅铜、丙烯酸盐涂敷层：硅铜、丙烯酸盐涂敷层：硅铜、丙烯酸盐 增加机械强度增加机械强度增加机械强度增加机械强度塑料套管：保护、不同颜色塑料套管：保护、不同颜色塑料套管：保护、不同颜色塑料套管：保护、不同颜色 区分区分区分区分纤芯：纤芯：纤芯：纤芯：、掺杂（、掺杂（、掺杂（、掺杂（）高光折射率、高光折射率、高光折射率、高光折射率、直径直径直径直径 5 75 um 5 75 um包层：包层：包层：包层：、掺杂（、掺杂（、掺杂（、掺杂（）低光折射率、低光折射率、低光折射率、低光折射率、100 200um100 200um多层介质

15、结构多层介质结构多层介质结构多层介质结构的对称圆柱体的对称圆柱体的对称圆柱体的对称圆柱体2 2、光纤波导原理、光纤波导原理、光纤波导原理、光纤波导原理临界角临界角临界角临界角全反射全反射全反射全反射3 3、光纤传感器基本原理及类型、光纤传感器基本原理及类型、光纤传感器基本原理及类型、光纤传感器基本原理及类型组成：光纤、光源、光探测器组成：光纤、光源、光探测器组成：光纤、光源、光探测器组成：光纤、光源、光探测器被测量被测量被测量被测量强度调制强度调制强度调制强度调制相位调制相位调制相位调制相位调制频率调制频率调制频率调制频率调制偏振调制偏振调制偏振调制偏振调制波长调制波长调制波长调制波长调制强度

16、调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器被测量被测量被测量被测量损耗损耗损耗损耗吸收损耗：光能吸收损耗：光能吸收损耗：光能吸收损耗：光能热能，对不同波长光的吸收率不同热能，对不同波长光的吸收率不同热能，对不同波长光的吸收率不同热能，对不同波长光的吸收率不同散射损耗：光纤材料不均匀、几何尺寸缺陷散射损耗：光纤材料不均匀、几何尺寸缺陷散射损耗：光纤材料不均匀、几何尺寸缺陷散射损耗：光纤材料不均匀、几何尺寸缺陷 瑞利散射、光纤弯曲瑞利散射、光纤弯曲瑞利散射、光纤弯曲瑞利散射、光纤弯曲 （1 1）吸收特性的强度调制）吸收特性的强度调制）吸收特性的强度调制）吸收特性的

17、强度调制射线辐射引起光纤内部产生缺陷，吸收损耗增加射线辐射引起光纤内部产生缺陷，吸收损耗增加射线辐射引起光纤内部产生缺陷，吸收损耗增加射线辐射引起光纤内部产生缺陷，吸收损耗增加 辐射量传感器：不同光纤对不同射线的敏感辐射量传感器：不同光纤对不同射线的敏感辐射量传感器：不同光纤对不同射线的敏感辐射量传感器：不同光纤对不同射线的敏感 程度不同，鉴别不同射线程度不同，鉴别不同射线程度不同，鉴别不同射线程度不同，鉴别不同射线例如：铅玻璃光纤对例如：铅玻璃光纤对例如：铅玻璃光纤对例如：铅玻璃光纤对 中子射线射线灵敏度高中子射线射线灵敏度高中子射线射线灵敏度高中子射线射线灵敏度高 10 10-2 -2 1

18、010-1-1 10 100 0 10101 1 10102 2 10103 3 10104 410105 5 10104 4 10103 3 10102 2 10101 1 10100 0 1010-1-1（2 2）微弯损耗光强调制）微弯损耗光强调制）微弯损耗光强调制）微弯损耗光强调制模态理论：模态理论：模态理论：模态理论：垂直于光纤轴线的应力使光纤弯曲时，传输垂直于光纤轴线的应力使光纤弯曲时，传输垂直于光纤轴线的应力使光纤弯曲时，传输垂直于光纤轴线的应力使光纤弯曲时，传输 光部分折射到光纤包层中，不产生全反射，光部分折射到光纤包层中，不产生全反射，光部分折射到光纤包层中，不产生全反射，光部

19、分折射到光纤包层中，不产生全反射，纤芯中光强发生变化。纤芯中光强发生变化。纤芯中光强发生变化。纤芯中光强发生变化。测量外界力：重力、应力、加速度等测量外界力：重力、应力、加速度等测量外界力：重力、应力、加速度等测量外界力：重力、应力、加速度等全反射条件遭到破坏，全反射条件遭到破坏，全反射条件遭到破坏，全反射条件遭到破坏，部分光线输出光纤，部分光线输出光纤，部分光线输出光纤，部分光线输出光纤，产生损耗产生损耗产生损耗产生损耗微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器两块波形板：变形器两块波形板：变形器两块波形板：变形器两块波形板：变形器微扰：光纤周期微弯微扰：光纤周

20、期微弯微扰：光纤周期微弯微扰：光纤周期微弯散射损耗、光强调制散射损耗、光强调制散射损耗、光强调制散射损耗、光强调制光从纤芯（传输模）光从纤芯（传输模）光从纤芯（传输模）光从纤芯（传输模）耦合到包层（辐射模）耦合到包层（辐射模）耦合到包层（辐射模）耦合到包层（辐射模）0.5 1.0 1.5 2.0 0.5 1.0 1.5 2.0 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 0纤芯透射光强度与外力的关系纤芯透射光强度与外力的关系纤芯透射光强度与外力的关系纤芯透射光强度与外力的关系温度温度温度温度 光纤光纤光纤光纤 长度长度长度长度参考光纤参考光纤参考光纤参考光纤测量光纤测量

21、光纤测量光纤测量光纤干涉条纹数量发生变化干涉条纹数量发生变化干涉条纹数量发生变化干涉条纹数量发生变化（1 1）光纤温度传感器）光纤温度传感器）光纤温度传感器）光纤温度传感器光源光源光源光源位相调制型光纤传感器位相调制型光纤传感器位相调制型光纤传感器位相调制型光纤传感器湿度湿度湿度湿度 光纤长度光纤长度光纤长度光纤长度参考光纤参考光纤参考光纤参考光纤吸湿涂层吸湿涂层吸湿涂层吸湿涂层干涉条纹数量发生变化干涉条纹数量发生变化干涉条纹数量发生变化干涉条纹数量发生变化（2 2）光纤湿度传感器）光纤湿度传感器）光纤湿度传感器）光纤湿度传感器光源光源光源光源磁场磁场磁场磁场 光纤光纤光纤光纤 长度长度长度长

22、度参考光纤参考光纤参考光纤参考光纤磁致伸缩薄膜磁致伸缩薄膜磁致伸缩薄膜磁致伸缩薄膜干涉条纹数量发生变化干涉条纹数量发生变化干涉条纹数量发生变化干涉条纹数量发生变化（3 3）光纤磁场强度传感器）光纤磁场强度传感器）光纤磁场强度传感器）光纤磁场强度传感器光纤强电流传感器光纤强电流传感器光纤强电流传感器光纤强电流传感器光源光源光源光源电流强度电流强度电流强度电流强度 光纤光纤光纤光纤 长度长度长度长度电场电场电场电场 光纤光纤光纤光纤 长度长度长度长度参考光纤参考光纤参考光纤参考光纤电致伸缩薄膜电致伸缩薄膜电致伸缩薄膜电致伸缩薄膜干涉条纹数量发生变化干涉条纹数量发生变化干涉条纹数量发生变化干涉条纹数

23、量发生变化（4 4）光纤电场强度传感器）光纤电场强度传感器）光纤电场强度传感器）光纤电场强度传感器光纤高电压传感器光纤高电压传感器光纤高电压传感器光纤高电压传感器光源光源光源光源电压电压电压电压 光纤光纤光纤光纤 长度长度长度长度光纤电流传感器光纤电流传感器光纤电流传感器光纤电流传感器光纤电压传感器光纤电压传感器光纤电压传感器光纤电压传感器 国际国内受到高度重视的新型传感器国际国内受到高度重视的新型传感器国际国内受到高度重视的新型传感器国际国内受到高度重视的新型传感器-0.3 -0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3-0.3 -0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.35.65.64.64

24、.63.63.62.62.61.61.6 霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器磁滞回线磁滞回线磁滞回线磁滞回线平台平台平台平台位相调制型光纤传感器位相调制型光纤传感器位相调制型光纤传感器位相调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器被测量被测量被测量被测量光纤的作用：光纤的作用：光纤的作用：光纤的作用：敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件传输通道传输通道传输通道传输通道光纤图像传感器光纤图像传感器光纤图像传感器光纤图像传感器传像束：光纤规则排列、每条光纤传送一个像元信息传像束：光纤规则排列、每条光纤传送一个像元信息传像束：光纤规则排列、每条

25、光纤传送一个像元信息传像束：光纤规则排列、每条光纤传送一个像元信息（1 1）工业用内窥镜）工业用内窥镜）工业用内窥镜）工业用内窥镜系统外部观察、系统外部观察、系统外部观察、系统外部观察、监视系统内部情况监视系统内部情况监视系统内部情况监视系统内部情况CCD CCD 器件器件器件器件传输型光纤传感器传输型光纤传感器传输型光纤传感器传输型光纤传感器（2 2）医用内窥镜）医用内窥镜）医用内窥镜）医用内窥镜通过手柄控制光纤偏转，传输图像失真小通过手柄控制光纤偏转，传输图像失真小通过手柄控制光纤偏转，传输图像失真小通过手柄控制光纤偏转，传输图像失真小诊断人体各部位疾病、进行外科手术的重要仪器诊断人体各部

26、位疾病、进行外科手术的重要仪器诊断人体各部位疾病、进行外科手术的重要仪器诊断人体各部位疾病、进行外科手术的重要仪器（3 3）光纤位移传感器）光纤位移传感器）光纤位移传感器）光纤位移传感器光电转换光电转换光电转换光电转换放大器放大器放大器放大器A/DA/D单片机单片机单片机单片机显显显显 示示示示光纤液位传感器光纤液位传感器光纤液位传感器光纤液位传感器光电转换及放大电路光电转换及放大电路光电转换及放大电路光电转换及放大电路特点：特点：特点：特点：灵敏度高、结构简单、体积小、抗电磁干扰、灵敏度高、结构简单、体积小、抗电磁干扰、灵敏度高、结构简单、体积小、抗电磁干扰、灵敏度高、结构简单、体积小、抗电

27、磁干扰、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲、遥测耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲、遥测耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲、遥测耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲、遥测 可测量可测量可测量可测量7070多个物理量多个物理量多个物理量多个物理量 多学科性：纤维光学、光电技术、弹性多学科性：纤维光学、光电技术、弹性多学科性：纤维光学、光电技术、弹性多学科性：纤维光学、光电技术、弹性 力学、电磁学、电子技术、微机应用力学、电磁学、电子技术、微机应用力学、电磁学、电子技术、微机应用力学、电磁学、电子技术、微机应用外界因素：压力、温度、电场、磁场外界因素：压力、温度、电场、磁场外界因素：压力、温度、电场、磁场外界因素：压力、温度、电场、磁场光波量：光强、相位、频率、偏振态光波量：光强、相位、频率、偏振态光波量：光强、相位、频率、偏振态光波量：光强、相位、频率、偏振态结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！44