CMOS图像传感器的工作原理及研究

CMOS图像传感器的工作原理及研究

摘要：介绍了CMOS图像传感器的工作原理，比较了CCD图像传感器与CMOS图像传感器的优缺点，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。

1 引言

自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器与电荷耦合器件（CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。

70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Propulsion Laboratory(JPL)制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件，1995年像元数为（128×128）的高性能

CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功[1]，1997年英国爱丁堡VLSI Version公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化，就在这一年，实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元尺寸为5.6mm×5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。

2 技术原理

CCD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。CMOS图像传感器芯片的结构如图1所示。典型的CMOS像素阵列，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上（图2），位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式APS 又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

PPS[4,5]出现得最早，结构也最简单，使得CMOS图像传感器走向实用化，其结构原理如图3所示。每一个像素包含一个光敏二极管和一个开关管TX。当TX选通时，光敏二极管中由于光照产生的电荷传送到了列线col,列线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光敏二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展，所以限制了应用，很快被APS代替

光敏二极管像素单元[6]如图4所示。它是由光敏二极管，复位管M4，源跟随器M1和行选通开关管M2组成，此外还有电荷溢出门管M3，M3的作用是增加电路的灵敏度，用一个较小的电容就能够检测到整个光敏二极管的n+扩散区所产生的全部光生电荷，它的栅极接约1V 的恒定电压，在分析器件工作原理时可以忽略将其看成短路。电荷敏感扩散电容用做收集光生电荷。复位管M4对光敏二极管和电容复位，同时作为横向溢出门控制光生电荷的积累和转移。源跟随器M1的作

用是实现对信号的放大和缓冲，改善APS的噪声问题。源跟随器还可加快总线电容的充放电，因而允许总线长度增加和像素规模增大。因此，APS比PPS具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有20%到30%。它的工作过程是：首先进入“复位状态”，M1打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，M1关闭，光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器M2放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管M3打开，信号通过列总线输出。

光栅型APS[7,8]是由美国喷气推进实验室（JPL）首先推出的，其像素单元和读出电路如图5所示。其中感光结构由光栅PG 和传输门TX 构成。光栅输出端为漂移扩散端FD，它与光栅PG被传输门TX隔开。像素单元还包括一个复位晶体管M1，一个源跟随器M2和一个行选通晶体管M3。当光照射在像素单元时，在光栅PG处产生电荷；与此同时，复位管M1打开，对势阱复位；然后复位管关闭，行选通管M3打开，复位后的电信号由此通路被读出并暂存起来，之后传输门TX打开，光照产生的电信号通过势阱并被读出，前后两次的信号差就是真正的图像信号。

对数响应型CMOS-APS[9]拥有很高的动态范围，其像素单元结构如图6所示。它由光敏二极管、负载管M1、源跟随器M2和行选通管M3组成，负载管栅极是一恒定偏置电压（不一定要是电源电压），该像

素单元输出信号与入射光信号成对数关系，它的工作特点是光线被连续地转化为信号电压，而不像一般APS那样存在复位和积分过程。但是，对数响应型CMOS-APS的一个致命缺陷就是对器件参数相当敏感，特别是阈值电压。

PPS和APS都是在像素外进行模/数（A/D）转换的，而DPS[3]将模/数（A/D）转换集成在每一个像素单元里，每一个像素单元输出的是数字信号，工作速度更快，功耗更低。这种传感器还处于研究阶段。

3 主要特点

表1给出CCD与CMOS图像传感器的性能比较，与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有明显的优势。

CCD存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂，速度较慢。CMOS光电传感器[10,11] 经光电转换后直接产生电压信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD快得多。

CCD与CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的[12]。CCD器件的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个电荷存储区组成；CCD仅能输出模拟电信号，输出的电信号还需经后续地址译码器、模数转换器、图像信号处理器处理，并且还需提供三相不同电压的电源和同步时钟控制电路。CMOS器件的集成度高、体积小、重量轻，

它最大的优势是具有高度系统整合的条件，因为采用数字——模拟信号混合设计，从理论上讲，图像传感器所需的所有功能，如垂直位移、水平位移暂存器、传感器阵列驱动与控制系统（CDS）、模数转换器（ADC）接口电路等完全可以集成在一起，实现单芯片成像，避免使用外部芯片和设备，极大地减小了器件的体积和重量。安捷伦科技[13]采用一种新型的业内标准——32针CLCC（陶瓷无引线芯片载体）研制出应用CMOS图像传感器的数码相机原型产品，只有30mm×30mm×2.5mm大小，非常适合工程监控和工厂自动化等领域。

从功耗和兼容性来看[14]，CCD需要外部控制信号和时钟信号来获得满意的电荷转移效率，还需要多个电源和电压调节器，因此功耗大；而CMOS-APS使用单一工作电压，功耗低，仅相当于CCD的1/10-1/100，还可以与其他电路兼容，具有功耗低、兼容性好的特点。

CCD传感器需要特殊工艺，使用专用生产流程，成本高；而CMOS 传感器使用与制造半导体器件90％的相同基本技术和工艺，且成品率高，制造成本低，目前用于摄像的50万像素的CMOS传感器不到10美元。

CCD使用电荷移位寄存器，当寄存器溢出时就会向相邻的像素泄漏电荷，导致亮光弥散，在图像上产生不需要的条纹。而CMOS-APS 中光探测部件和输出放大器都是每个像素的一部分，积分电荷在像素内就被转为电压信号，通过X-Y输出线输出，这种行列编址方式使窗口操作成为可能，可以进行在片平移、旋转和缩放，没有拖影、光晕等假信号，图像质量高。

高速性是CMOS电路的固有特性，CMOS图像传感器可以极快地驱动成像阵列的列总线，并且ADC在片内工作具有极快的速率，对输出信号和外部接口干扰具有低敏感性，有利于与下一级处理器连接。CMOS图像传感器具有很强的灵活性，可以对局部像素图像进行随机

访问，增加了工作灵活性。

4 问题及其解决途径

暗电流[15]是CMOS图像传感器的难题之一。迄今为止，CMOS 成像器件均具有较大的像素尺寸，因此，在正常范围内也会产生一定的暗电流。通过改进CMOS工艺，压缩结面积可降低暗电流的发生率，也可通过提高帧速率（frame rate）来缩短暗电流的汇集时间，从而减弱暗电流的影响。

噪声的大小直接影响CMOS图像传感器对信号的采集和处理，因此如何提高信噪比是CMOS图像传感器的关键技术之一[16-19]。噪声主要包括散粒噪声、热噪声、1/f噪声、非均匀噪声和固定图像噪声。其中散粒噪声和热噪声是由载流子引起的，1/f噪声和非均匀噪声是由材料的缺陷和不均匀性引起的，固定图像噪声是因为工艺的误差使相邻输出信号的源跟随器不匹配引起的。采取以下措施可抑制噪声和提高灵敏度：（1）采用减少失调的独特电路，使用制造更加稳定的晶体管专用工艺；（2）每个像元内含一个对各种变化灵敏度相对较低的放大器；（3）借鉴CCD图像传感器的制备技术，采用相关双取样电路（CDS）技术和微透镜阵列技术；（4）光敏二极管设计成针形结构或掩埋形结构。

为了提高CMOS-APS的填充系数，近几年国外开发的CMOS-APS 均具有微透镜阵列结构，在整个CMOS-APS像元上放置一个微透镜将光集中到有效面积上，可以大幅度提高灵敏度和填充系数。

动态范围是反映图像传感器性能的主要指标之一[6]，目前CMOS 图像传感器的动态范围还稍逊于CCD，虽然对数响应型CMOS图像传感器的动态范围可达120dB，但同时也增加了图像噪声，影响了图像质量。提高动态范围的方法之一就是利用PECVD超高真空系统以及专用集成电路（ASIC）薄膜技术，改进光电二极管的材料组合，提高低灰度部位的感光度，同时在像素电路的结构及驱动方法上下功夫，实现低灰度时自动转换到线形输出，高灰度时自动转换到对数压缩输出。

5 研究进展

视频便携式摄像机、掌上电脑、PDA和保安设备的巨大需求推动了CMOS图像传感器的广泛应用。其中以APS发展最为迅速，过去工艺中各种不易解决的技术问题现在都能找到相应的解决办法，图像质量得到大大改善，像素规模已由最初的几万像素发展到现在的几百万上千万像素。CDS电路，技术彩色滤波器阵列技术，数字信号处理（DSP）技术，噪声抑制技术不断有新突破，目前CMOS传感器大都采用0.35mm或0.5mm的CMOS制造工艺，CMOS单元面积上的像素

数已与CCD相当，因此可基本达到CCD器件的高分辨率。为了适应技术发展和市场的需要，业界近年主要致力于深亚微米（主要是0.25mm和0.18mm）技术的开发。2000年9月美国Foveon和国家半导体公司采用0.18mm CMOS工艺开发出1600万像素（4096×4096）CMOS图像传感器，是目前最大的数字-模拟混合芯片。其像素是以前发表的照相机CMOS图像传感器的3倍，是当今低档消费数码相机中普遍使用CMOS图像传感器的50倍，其芯片内的晶体管数为7000万个，芯片尺寸为22mm×22mm，这是迄今为止全球集成度最高的器件，这种图像传感器在分辨率和图像质量方面取得了重大突破，标志着CMOS图像传感器在分辨率和质量两方面的飞跃。

CMOS传感器芯片已广泛用于数码相机、保安监控和医疗设备等诸多领域。在低分辨率应用领域中，Pinkhill[21]公司用于娱乐和玩具行业的成像系统，Marshall公司推出的单片照相机，VLSIVision公司生产的用于儿童娱乐即时拍照新概念相机，韩国汉城国立大学电子工程学院集成系统实验室利用64×256阵列传感器开发的指纹识别系统等；在中、高分辨率应用领域[22]，CMOS图像传感器也得到广泛的发展和应用，如VLSIVision生产的单色384×287像素和320×243像素的CMOS摄像机及阵列达1000×800的用于数字相机的彩色图像传感器，美国Omnivision公司开发的CMOS图像传感器系列产品有640×480，1024×768(黑白、彩色)图像传感器及正在开发的高分辨率1280×1024图像传感器，Rockwell半导体系统所研制的用于数字

和视频领域的640×480，800×600，960×720阵列高分辨率CMOS 图像传感器，美国宇航局喷气实验室设计制造的含有1024×1024阵列CMOS图像传感器的彩色相机，Sunni公司正在开发用于指纹识别和二维条形码识别的高集成度CMOS图像传感器。

目前CMOS图像传感器主要朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、超微型化、数字化、多功能化的方向发展[22]。随着CMOS图像传感器技术的完善和发展，它的应用范围也会不断拓宽，全球CMOS 图像传感器销售量将逐年大幅度增长。据In-Stat[11,12]的统计和预测，1997年全球CMOS图像传感器销售总额为0.54亿美元，1998年增至2.18亿美元，1999年则达到了10.03亿美元。2000年销售总额在1999年的基础上翻了大约一番，增至20.58亿美元，2001年增至36.78亿美元，其中，2005年CMOS图像传感器出货量占所有图像传感器的比例将由2001年的23%提高至47%。CMOS图像传感器的价格也将从1999年的10美元下跌至2004年的5美元以下。到2004年，置入移动设备的CMOS相机，在全球市场将达到6000万部，销售额达到

3亿美元。

专家们认为，21世纪初全球CMOS图像传感器市场将在PC摄像机、移动通信市场、数码相机、摄像机市场市场等领域获得大幅度增长，在未来的几年时间内，在130万像素至200万像素之下的产品中，将开始以CMOS传感器为主流。2003年全球个人电脑的发货量达到

1.9亿台，数码相机和PDA的销量将分别超过5400万台和1900万台，移动电话的发货量也达到4.18亿台，其中有很多带有数码摄像装置。以小型化和低功耗CMOS图像传感器为核心的摄像机正在成为消费类产品的主流，上述领域将为图像传感器市场带来巨大发展。业界分析预测，在2004-2005年，国际应用市场上CMOS图像传感器将超越CCD图像传感器，可以相信一个崭新的数字图像技术时代即将来临。

本文来自：我爱研发网(https://www.wendangku.net/doc/8f6974351.html,) - R&D大本营

详细出处：https://www.wendangku.net/doc/8f6974351.html,/S_Txt/2005_5/TXT554.htm

位移传感器原理与分类

位移传感器原理与分类 传感器之家中将位移传感器分为线位移跟物位移两类，这是按照位移的特征分的。位移传感器就是测量空间中距离的大小，线位移就是在一条线上移动的长度，角位移就是转动的角度。下面就线位移做下介绍，线位移按原理分主要有电阻式、电容式、电感式、变压器式、电涡流式、激光式等等。前面三种主要用来测量小位移，中位移一般则用变压器式，大的位移则用电位器式的比较多，对于精密的场合，则需要选择激光式。 电容式位移传感器是把位移的变化换作电容的变化进行制作的。对于振动频率很高的环境条件下，最适合选用这种类型的传感器。它具有灵敏度高、能实现非接触量的测量，而且可以在恶劣场合下工作。它也有一些缺点，比如对连接线缆有很高的要求，它要有屏蔽性能；而且最好选用高频电源用来供电。现在做的最好的电容式位移传感器可以测量0.001微米的位移，误差非常小。 电感式位移传感器是将测量量换作互感的变化的传感器，它既可以测量角位移也可以测量线位移。目前常用到的电感式位移传感器有气隙式，面积式，螺管式三种。变气隙型中电感的变化与传感器中活动衔铁的位移相对应。变面积型是用铁芯与衔铁之间重合面积的变化来反映位移。螺管型是衔铁插入长度的变化导致电感变化的原理。

变压器式位移传感器是用途最广的一种位移传感器，线圈中感应电动势随着位移的变化而变化。这种传感器它的灵敏度都很高，有时都不用放大器。缺点在于质量一般比较大，不应用于高频场合。 电涡流式位移传感器是基于电涡流效应，它的感应参数是阻抗的变化，尽量使阻抗是位移的函数，它还与被测物体的形状跟尺寸有关。该传感器的量程一般在0到80毫米。 电阻式位移传感器是通过测量变化的电阻值来计算位移的变化，它通常分为电位器式跟应变式。前面一种适合测量位移大、精度要求不高的场合；后面一种是利用电阻应变效应，它具有线性度跟分辨率都比较高，失真小的优点。

中国CMOS图像传感器行业研究-行业发展概况

中国CMOS图像传感器行业研究-行业发展概况 （一）行业发展概况 1、集成电路行业 2010年以来，以智能手机、平板电脑为代表的新兴消费电子市场的兴起，以及汽车电子、工业控制、仪器仪表、智能照明、智能家居等物联网市场的快速发展，带动整个半导体行业规模迅速增长。2017年，全球半导体行业整体销售额达到4,122亿美元，同比增长21.63%，增速创七年来新高。 数据来源：全球半导体贸易协会（WSTS）

根据全球半导体贸易协会（WSTS）预测，2018年全球半导体市场规模将达到4,512亿美元，同比增长9.5%。 数据来源：全球半导体贸易协会（WSTS）

2、CMOS图像传感器行业 （1）图像传感器行业概况 图像传感器为物联网感知层众多传感器中最重要的一种核心传感器。图像传感器主要采用感光单元阵列和辅助控制电路获取对象景物的亮度和色彩信号，并通过复杂的信号处理和图像处理技术输出数字化的图像信息。图像传感器中的感光单元一般采用感光二极管（Photodiode）实现光电信号的转换。感光二极管在接受光线照射之后能够产生电流信号，电流的强度与光照的强度成正比例关系。每个感光单元对应图像传感器中的一个像元，像元也被称为像素单元（Pixel）。 图像传感器主要分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器两大类。CCD和CMOS 都是利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数字信号，但二者在感光二极管的周边信号处理电路和感光单元产生的电信号的处理方式不同。 CCD和CMOS的感光元件在接受光照之后直接输出的电信号都是模拟信号。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号非常微弱，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理。由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以数字图像矩阵的形式输出给专门的图像处

CCD与CMOS图像传感器的成像原理

工业相机，选择TEO CCD与CMOS图像传感器的成像原理你还在为不知道工业相机图像传感器的成像而苦恼吗？美国TEO为您做了以下解析，希望对工业相机爱好的朋友们有所帮助。 在接受光照之后，感光元件（感光二极管PD：photodiode）产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD 传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。 由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP 处理芯片。 而对于CMOS传感器，上述工作流程就完全不适用了。CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。 换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，

工业相机，选择TEO 所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理—问题恰恰是发生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌—体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器。

位移传感器的工作原理都有哪些

电位器式位移传感器，位移传感器它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。 下面笔者来跟大家讲一下位移传感器的工作原理都有哪些 由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，位移传感器因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响，IP防护等级在IP67以上。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。 磁致伸缩位移传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作

用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。 磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移传感器。它采用非接触的测量方式，由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触，不至于被摩擦、磨损，因而其使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，便于系统自动化工作，即使在恶劣的工业环境下，也能正常工作。此外，它还能承受高温、高压和强振动，现已被广泛应用于机械位移的测量、控制中。 杭州奥仕通自动化系统有限公司成立于2011年，是一家专业提供塑料机械行业自动化系统解决方案的高科技技术企业。公司为意大利杰佛伦（GEFRAN）和法国赛德（CELDUC）在中国大陆地区的核心代理商，主要产品有塑料机械控制器（PLC）、伺服驱动器、位移传感器、压力传感器、注射力和合模力传感器、高温熔体压力传感器、固态继电器（SSR）、温控表等。

CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑.

CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑 摘要：介绍CMOS图像传感器的基本原理、潜在优点、设计方法以及设计考虑。 关键词：互补型金属－氧化物－半导体图像传感器；无源像素传感器；有源像素传感器 1引言 20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还无法与CCD图像传感器相比。 如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍～10倍，把噪声进一步降低，CMOS 图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平，同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点，如此，CMOS图像传感器取代CCD图像传感器就会成为事实。 由于CMOS图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展，并且随着经济规模的形成，其生产成本也得到降低。现在，CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美，这主要归功于图像传感器芯片设计的改进，以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能。 实际上，更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很相似），所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。 2基本原理 从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其

传感器及其工作原理 说课稿 教案

传感器及其工作原理 【三维目标】 1．知识与技能： （1）、了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义； （2）、知道传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件及其它们的工作原理。 （3）、了解传感器的应用。 2．过程与方法： 通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践 能力和创新思维能力。 3．情感、态度与价值观 （1）、体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系。 （2）、通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。【教学重点】：理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。 【教学难点】：分析并设计传感器的应用电路。 【教学方法】：实验、探究、讨论 【教学用具】：干簧管，磁铁，光敏电阻、热敏电阻演示仪、传感器简单应用实验盒、万用表。 【教学过程】 一、引入新课 准备知识：从上世纪八十年代起，国际上出现了“传感器热”，传感器在当今科技发展中有着十分重要的地位。本课的设计思路是通过对实验的观察、思考和探究，了解什么是传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，传感器在生产、生活中有哪些具体应用，为学生利用传感器制作简单的自控装置作一铺垫。教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用，进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。 今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的？楼梯上的电灯如何能人来就开，人走就熄的？工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐华夏大地时，机场、车站、港口又是如何实现快速而准确的体温检测的？所有这些，都离不开一个核心，那就是本堂课将要学习的传感器。 二、新课教学 1．什么是传感器 演示实验1：如图1所示，小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，当把磁铁放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移开，灯泡熄灭。

CMOS图像传感器的研究进展_李继军.

. net 光学制造 1内蒙古工业大学理学院, 内蒙古呼和浩特 0100512北京师范大学遥感与 GIS 研究中心遥感科学国家重点实验室, 北京 10087! " 5 Li Jijun 1 Du Yungang 1Zhang Lihua 1, 2 Liu Quanlong 1Chen Jianrui 1 1School of Science, Inner Mongolia University of Technology , Hohhot, Inner Mongolia 010051, China, 2State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Research Center of Remote Sensing &GIS, Beijing Normal University ,Beijing 100875, China #$$$$$$$$$$$% &’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ( 摘要 20世纪 90年代以来, 随着超大规模集成 (VLSI 技术的发展, CMOS 图像传感器显示出强劲的发展势头。简要介绍了 CMOS 图像传感器的结构及工作原理, 详细比较了 CMOS 图像传感器与 CCD 的性能特点, 讨论了 CMOS 图像传感器的关键技术问题,并给出了相应的解决途径,综述了 CMOS 图像传感器的国内外研 究现状, 最后对 CMOS 图像传感器的发展趋势进行了展望。 关键词光电子学; 传感器; CMOS 图像传感器; CCD ; 关键技术问题 Abstract

Since the 1990s, with the development of very large scale integration (VLSI,CMOS image sensors have been developed rapidly. The structure and working principle of CMOS image sensors are introduced. The performances between CMOS image sensor and CCD are compared in detail. The key technical problems of CMOS image sensors are discussed, and the related solving ways are given. The development situation of CMOS image sensors at home and abroad is reviewed, and the development trends of CMOS image sensors are prospected. Key words optoelectronics; sensor; CMOS image sensor; CCD; key technical problem 中图分类号 O436 doi :10.3788/LOP20094604.0045 1引言 CMOS 图像传感器的研究始于 20世纪 60年代末, 受当时工艺技术的限制, 发展和应用有限。直到 20世纪 90年代初,随着大规模集成电路设计技术和信号处理技术的提高, CMOS 图像传感器才日益受到重视 [1~3], 成为固体图像传感器的研发热点。近几年来, 随着集成电路设计技术和工艺水平的长足进步 , CMOS 图像传感器的一些性能指标已接近甚至超过CCD 图像传感器 [4~6]。 本文简要介绍了 CMOS 图像传感器的结构及工作原理,详细比较了 CMOS 图像传感器与 CCD 的性 能特点,讨论了 CMOS 图像传感器的关键技术问题, 并给出了相应的解决途径, 综述了 CMOS 图像传感器的国内外研究现状, 最后对 CMOS 图像传感器的发展趋势进行了展望。 2结构及工作原理 CMOS 图像传感器的总体结构如图 1所示

位移传感器的工作原理

位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器. 该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。 该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。 磁致伸缩线性位移传感器的工作原理 磁致伸缩线性位移传感器的工作原理：当工作时，由电子仓内电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确测出被测的位移和液位。该产品主要应用于要求测量精度高、使用环境较恶劣的位移和液位测量系统中。具有精度高、重复性好、稳定可靠、非接触式测量、寿命长、安装方便、环境适应性强等特点。它的输出信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，因此不必像其它液位传感器一样需要定期重标和维护；正是因为它的输出信号为绝对值，所以即使电源中断重新接通也不会对数据接收构成问题，更无须重新归回零位。与其它液位变送器或液位计相比有明显的优势，它可广泛应用于石油、化工、制药、食品、饮料等行业，对各种液罐的液位进行计量和控制。作为位移传感器，它不但可以测量运动物体的直线位移，而且还可同时给出运动物体的速度模拟信号。 电涡流传感器是由DJ型前置放大器和电涡流探头组合构成，它是一种趋近式传感系统。由于其长期工作可靠性好，灵敏度高，抗干扰能力强，采用非接触测量，响应速度快，耐高温，能在油、汽、水等恶劣环境下长期连续工作,检测不受油污、蒸汽等介质的影响，已广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、航空航天等大中型企业，对各种旋转机械的轴位移、振动、转速、胀差、偏心、油膜厚度等进行在线监测和安全保护，为精密诊断系统提供了全息动态特性，有效地对设备进行保护。电涡流位移传感器系统主要包括探头、延伸电缆（可选）、前置器和附件。线性范围宽、动态响应好、抗干扰能力强。 电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。前置器内产生的高频电流从振荡器流入探头线圈中，线圈就产生了一个高频电磁场。当被测金属的表面靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面产生感应电流，即电涡流。该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场相反，这二个磁场相互迭加就改变了原线圈的阻抗。所以探头与被测金属表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。 此下为电阻式位移传感器：

CMOS图像传感器的工作原理及研究

CMOS图像传感器的工作原理及研究 摘要：介绍了CMOS图像传感器的工作原理，比较了CCD图像传感器与CMOS图像传感器的优缺点，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。 1 引言 自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器与电荷耦合器件（CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。而CCD 器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。 70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Pro pul sion Laboratory(JPL)制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件，1995年像元数为（128×128）的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功[1]，1997年英国爱丁堡VLSI Ver sion公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化，就在这一年，实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元尺寸为5.6mm×5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。 2 技术原理 CCD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。CMOS图像传感器芯片的结构 [2]如图1所示。典型的CMOS像素阵列[3]，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上（图2），位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。根据像素的不同结构[4]，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式APS又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

激光位移传感器的工作原理

ZLDS10河定制激光位移传感器 量程：2?1000m（可定制） 精度：最高0.1% （玻璃0.2%） 分辨率：最高0.03% 频率响应:2K.5K.8K.10K 基本原理是光学三角法： 半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD 阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。 激光传感器原理与应用 激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 激光和激光器一一激光是20世纪60年代出现的最重大的科学技术成就之一。它发展迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1,在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv,式中h为普朗克常数，v为光子频率。反之，在频率为v的光的诱发下，处于能级E2的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v 的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生强大的受激辐射光，简称激光。激光具有3个重要特性： （1）高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米； （2）高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上； （3）高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。

CMOS图像传感器的基本原理及设计

CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑 1、引言 20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还无法与CCD图像传感器相比。 如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍～10倍，把噪声进一步降低，CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过C CD图像传感器的水平，同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点，如此，CMOS图像传感器取代CCD图像传感器就会成为事实。 由于CMOS图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展，并且随着经济规模的形成，其生产成本也得到降低。现在，CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美，这

主要归功于图像传感器芯片设计的改进，以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能。 实际上，更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很相似），所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CM OS图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。 2、基本原理 从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对CMOS图像传感器的种种干扰。

传感器及其工作原理教案

江苏省淮阴中学06－07年度优秀教学案例 《传感器及其工作原理》的创新教学设计 王刚 教学依据 ①物理（新人教版）选修3－2第六章第1节《传感器及其工作原理》（P56－P60）； ②新物理课程标准（实验）. 教学流程图

教学目标1.知识与技能：①知道非电学量转换成电学量的技术意义；②通过实验，知道常见传感器的工作原理；③初步探究利用和设计简单的传感器. 2.过程与方法：①通过对实验的观察、思考和探究，让学生了解传感器、熟悉传感器工作原理；②让学生自己设计简单的传感器，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的实践能力和创新思维能力. 3.情感态度与价值观：在理解传感器工作原理的基础上，通过自己设计简单的传感器，体验科技创新的乐趣，激发学习物理的兴趣. 重、难点 1.几种常见传感器的工作原理（演示实验）；2.学生自己设计简单的传感器. 教学策略 用几个有趣的传感器实验引入课题，激发学生探究传感器原理的兴趣.给出“传感器就是把非电学量转换为电学量”的概念之后，重点介绍光敏电阻、金属热电阻、热敏电阻.安排音乐茶杯和火警装置两个设计性问题让学生体会传感器的简单应用.结合电容、霍尔效应、电阻定律等知识让学生设计传感器，进一步深化传感器的工作原理.最后在对本节课总结的基础上，结合《思考与讨论》进行教学反馈. 教学程序 教学环节教学内容及师生互动设计情感与方法 一．课题的引入 二．什么是传感器？【演示实验1】干簧管控制电路的通断 如图，小盒子A的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开 关，但是把磁铁B放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移 走，灯泡熄灭. 师问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？ 生猜：（可以自由讨论，也可以请学生回答） 师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路 图，了解元件“干簧管”的结构。探明原因：玻璃管内封入 两个软磁性材料制成的簧片。当磁铁靠近干簧管时，两个簧 片被磁化而接通，电路导通。所以，干簧管能起到开关的作 用。 师点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发 光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。 【演示实验2】声光控开关控制电路的通断 ①先在普通光照条件下， ②在把开关置于黑暗环境中。 师生总结：声光控开关 师：刚才的两个实验，都用了一种元件，这些元件能够 感受某些信息，通过它能实现电路的自动控制，这种元件有 一个专门的名称：传感器。什么是传感器呢？它能够感受诸 如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按 照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的 通断。我们把这种元件叫做传感器。它的优点是：把非电学 量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处 理和控制了。 其实，传感器并不神秘。你家里可能就有很多的传感 器。请大家相互说说看，你家里，或者在你的生活当中，都 （演示实验1： 干簧管传感器） （干簧管的实 物及原理图） 学生对干簧 管并不熟悉，因 此才有了好奇。 声光控开关在 生活中很普及， 所以又有亲切 感

激光位移传感器的工作原理复习进程

激光位移传感器的工 作原理

ZLDS10X可定制激光位移传感器 量程: 2～1000mm（可定制） 精度: 最高0.1%（玻璃0.2%） 分辨率: 最高0.03% 频率响应: 2K.5K.8K.10K 基本原理是光学三角法： 半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD 阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。 激光传感器原理与应用 激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 激光和激光器——激光是20世纪60年代出现的最重大的科学技术成就之一。它发展迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1,在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸

收光子能量受激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv,式中h为普朗克常数，v为光子频率。反之，在频率为v的光的诱发下，处于能级 E2的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v的诱发光得到增强,并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生强大的受激辐射光，简称激光。激光具有3个重要特性： （1）高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米； （2）高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上； （3）高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。 激光器按工作物质可分为4种： （1）固体激光器：它的工作物质是固体。常用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器 (即YAG激光器)和钕玻璃激光器等。它们的结构大致相同，特点是小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到数十兆瓦。 （2）气体激光器：它的工作物质为气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形状如普通放电管，特点是输出稳定，单色性好,寿命长,但功率较小，转换效率较低。 （3）液体激光器:它又可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中最重要的是有机染料激光器，它的最大特点是波长连续可调。 （4）半导体激光器：它是较年轻的一种激光器，其中较成熟的是砷化镓激光器。特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。 应用——利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。 激光测长—— 精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代长度

CMOS图像传感器的性能

CMOS图像传感器的性能 2.2.1光电转换的原理和性能 当光子入射到半导体材料中，光子被吸收而激发产生电子–空穴对，称为光生载流子，如图2.3（a）所示。量子效率（Quantum Efficiency，QE）被定义为产生光生载流子的光子数占总入射光子数的百分比；或者被定义为η，即每个入射光子激发出来的光生载流子数。 式中，N e为被激发出来的电子数；N v为入射的光子数。不同的半导体材料对入射光的响应随其波长而变化，对于硅材料而言波长覆盖整个可见光范围，截止在 约1.12μm的近红外波长，如图2.3（b）所示。 （a）（b） 图2.3硅半导体材料的光照响应 光电信号的噪声水平决定了能检测到的最小光功率，即光电转换的灵敏度。硅光电传感器的噪声构成包括： ●来源于信号和背景的散粒噪声（shot noise）；

●闪烁噪声（flicker noise），即1/f噪声； ●来源于电荷载流子热扰动的热噪声（thermal noise）。 噪声特性用噪声等效功率NEP（Noise Equivalent Power）表达，信号功 率和噪声等效功率的比值，被称为信噪比（Signal Noise Ratio，SNR），是描述传感器性能的重要参数之一。 当入射光子照射在半导体材料的PN结上，如图2.4（a）所示，如果在PN 结上施加电压使光生载流子形成电流，产生如图2.4（b）所示的I-V特性曲线。曲线上V＞0的正向偏置一段被称为太阳能电池模式；PN结反向偏置V＜0的平直一段曲线，被称为光电二极管模式；I-V特性的反向击穿段被称为雪崩模式。通常在图像传感器中，光电转换元件工作在光电二极管模式，如图2.3（c）所 示。图2.3中PN结的反向电流I leak为 I leak＝I ph＋I diff （a）（b） 图2.4PN结光电二极管示意图

位移传感器的发展现状.doc

《材料工程检测技术》课程作业（二）： 位移传感器的发展现状概述 课程： 任课老师： 学院（系）： 专业： 学生姓名： 学号：

1 位移传感器 位移是指物体位置对参考点产生的偏移量,是指物体相对于某参考坐标系一点的距离的变化量,它是描述物体空间位置变化的物理量。位移传感器又称为线性传感器,是将位移转换成电量的传感器。位移传感器的发展经历了两个阶段,经典位移传感器阶段和半导体位移传感器阶段。 2 位移传感器的分类 2.1 电位器式 电位器位移传感器分为绕线电位器和非绕线电位器2种：绕线电位器一般由电阻丝烧制在绝缘骨架上,由电刷引出与滑动点电阻对应的输入变化。电刷由待测量位移部分拖动,输出与位移成正比的电阻或电压的变化；常见的非线绕式电位器位移传感器是在绝缘基片上制成各种薄膜元件,如合成膜式、金属膜式、导电塑料和导电玻璃釉电位器等。 2.2 电阻应变式 传感器是由弹性敏感元件和电阻应变片构成,当测量杆随试件产生位移时,弹性敏感元件在感受到测量杆变化而产生变形,其表面产生的应变与测量杆的位移成线性关系。这种传感器具有线性好、分辨率较高、结构简单和使用方便等特点,其位移测量范围较小,通常在0.1um-0.1mm之间,测量精度小于2% ,线性度为0.1%一0.5%。 2.3 电容式 电容传感器通过位移来改变电容两个极板之间的距离,即将位移量转换成电容变化量进行测量的。 它具有功率小、阻抗高、动态特性好、可进行非接触测量等优点；但是电容传感器存在寄生电容和分布电容,会影响测量精度,且常用的变隙式电容传感器存在测量量程小,存在非线性误差等缺点。一般使用极距变化型电容式位移传感器和面积变化型电容式位移传感器。 2.4 电感式 电感式传感器利用电磁感应将被测位移转换成线圈的自感系数和互感系数的变化,再由电路转换为电压或电流的变化量输出,实现非电量到电量的转换。

CMOS图像传感器的工作原理

CMOS图像传感器的工作原理 1引言 图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。60年代末期，美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了固态成像这一新概念和一维CCD(Charge-Coupled Device 电荷耦合器件)模型器件。到90年代初，CCD技术已比较成热，得到非常广泛的应用。但是随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。首先，CCD技术芯片技术工艺复杂，不能与标准工艺兼容。其次，CCD技术芯片需要的电压功耗大，因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器，即CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺，可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型、微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件。目前，CMOS图像传感器正在得到广泛的应用，具有很强地市场竞争力和广阔地发展前景。 2 CMOS图像传感器基本工作原理

右图为CMOS图像传感器的功能框图。 首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。 3象素阵列工作原理 图像传感器一个直观的性能指标就是对图像的复现的能力。而象素阵列就是直接关系到这一指标的关键的功能模块。按照像素阵列单元结构的不同,可以将

位移传感器工作原理【详述】

位移传感器工作原理 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 位移传感器 它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。 物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。 磁致伸缩位移传感器通过非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。 由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响，IP防护等级在IP67以上。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感

传感器及其工作原理 说课稿 教案 教学设计

传感器 【教材分析】： 《6.1 传感器及其工作》是新人教版高中物理选修3-2第六章第一节的教学内容，主要学习一些简单传感器，以介绍为主，课程内容比较简单。 【教学目标】 一、知识与技能： （1）、了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义； （2）、知道传感器中常见的三种敏感元件光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件及其它们的工作原理。 （3）、了解传感器的应用。 二、过程与方法： 通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。 三、情感、态度与价值观： （1）、体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系。 （2）、通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。 【教学重点】：理解并掌握传感器的三种常见敏感元件的工作原理。 【教学难点】：分析并设计传感器的应用电路。 学情分析： 从上世纪八十年代起，国际上出现了“传感器热”，传感器在当今科技发展中有着十分重要的地位。本课的设计思路是通过对实验的观察、思考和探究，了解什么是传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，传感器在生产、生活中有哪些具体应用，为学生利用传感器制作简单的自控装置作一铺垫。学生对传感器了解较少，教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用，进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。 【教学方法】：实验、探究、讨论 【教学用具】：干簧管，磁铁，光敏电阻、热敏电阻演示仪、传感器简单应用实验盒、万用表。 【课时安排】1课时 【教学过程】 预习检查、总结疑惑 检查落实了学生的预习情况并了解了学生的疑惑，使教学具有了针对性 一、引入新课： 今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的？楼梯上的电灯如何能人来就开，人走就熄的？工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐华夏大地时，机场、车站、港口又是如何实现快速而准确的体温检测的？所有这些，都离不开一个核心，那就是本堂课将要学习的传感器。 二、新课教学 1．什么是传感器 演示实验1：如图1所示，小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，当把磁铁放

电涡流位移传感器的原理

电涡流位移传感器的工作原理： 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。 在高速旋转机械和往复式运动机 械状态分析，振动研究、分析测 量中，对非接触的高精度振动、 位移信号，能连续准确地采集到 转子振动状态的多种参数。如轴 的径向振动、振幅以及轴向位置。 电涡流传感器以其长期工作可靠 性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈， 在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间