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1、第第9章章 其他传感器简介其他传感器简介 9.1 气体传感器气体传感器 9.2 湿度传感器湿度传感器 9.3 微波传感器微波传感器 9.4 图像传感器图像传感器 9.5 生物传感器生物传感器 9.6 机器人传感器机器人传感器 9.1 气体传感器气体传感器气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体中的特定成气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体中的特定成分，并将其变成相应的电信号输出。气体传感器的应用很广，分，并将其变成相应的电信号输出。气体传感器的应用很广，在日常生活中，有检测饮酒者呼气中的酒精含量的传感器；在日常生活中，有检测饮酒者呼气中的酒精含量的传感器；测量汽车空燃比的氧气传感器；家
2、庭和工厂用的煤气泄漏传测量汽车空燃比的氧气传感器；家庭和工厂用的煤气泄漏传感器；火灾之后检测建筑材料发出的有毒气体传感器；坑内感器；火灾之后检测建筑材料发出的有毒气体传感器；坑内沼气警报器等。沼气警报器等。9.1.1 气体传感器的分类气体传感器的分类气体传感器可分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感气体传感器可分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、组合电位型传感器等多种类型，其中最常见的是半导体器、组合电位型传感器等多种类型，其中最常见的是半导体气体传感器。气体传感器。气体传感器的类型虽然很多，但对它们有以下几个基本要求：气体传感器的类型虽然很多，但对它们有以下几个基本要求：对被测气体
3、要有高灵敏度；对被测气体要有高灵敏度；选择性要好，即对和被测气体共存的其他气体不敏感；选择性要好，即对和被测气体共存的其他气体不敏感；能够长期稳定地工作；能够长期稳定地工作；检测和报警要迅速。检测和报警要迅速。下一页返回9.1 气体传感器气体传感器9.1.2 半导体气体传感器半导体气体传感器对于半导体气体传感器，按照半导体与气体的相互作用是在对于半导体气体传感器，按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两种；其表面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两种；按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型和非电阻型两按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型和非电阻
4、型两种。电阻型半导体气体传感器是利用半导体接触气体时其阻种。电阻型半导体气体传感器是利用半导体接触气体时其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气体值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气体传感器则是根据对气体的吸附和反应，使半导体的某些特性传感器则是根据对气体的吸附和反应，使半导体的某些特性发生变化对气体进行直接或间接检测。下面简单介绍电阻型发生变化对气体进行直接或间接检测。下面简单介绍电阻型半导体气体传感器的基本半导体气体传感器的基本 原理。原理。半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发
5、生变化而制成的。当半导体器件被加热导致敏感元件组织发生变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在物体表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子分子首先在物体表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解吸附在物体表面。被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解吸附在物体表面。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则吸附分子将从当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则吸附分子将从器件夺走电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。器件夺走电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电
6、荷层。上一页 下一页返回9.1 气体传感器气体传感器例如氧气，等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。例如氧气，等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有氢气、一氧化碳等，它们被称为还原性气体。的气体有氢气、一氧化碳等，它们被称为还原性气体。当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到N型半导体，还原性气体吸附到型半导体，还原性气体吸附到P型半导型半导体上时，将使半导体载流子减少，而
7、使电阻增大。当还原型体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻增大。当还原型气体吸附到气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，型半导体上时，则载流子增多，半导体阻值下降。则载流子增多，半导体阻值下降。非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器之一。它是利用非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器之一。它是利用MOS二极管的电容二极管的电容-电压特性的变化以及电压特性的变化以及MOS场效应晶体管场效应晶体管的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。由于这类传感的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。由于这类传感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定价格器
8、的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定价格便宜。利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。便宜。利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。上一页 返回9.2 湿度传感器湿度传感器湿度传感器是用于感受大气湿度并转换成适当电信号输出的湿度传感器是用于感受大气湿度并转换成适当电信号输出的传感器。传感器。9.2.1 湿度传感器的分类湿度传感器的分类常见的湿度传感器主要有两大类，一类是水分子亲和力型湿常见的湿度传感器主要有两大类，一类是水分子亲和力型湿度传感器；另一大类是非水分子亲和力型湿度传感器。具体度传感器；另一大类是非水分子亲和力型湿度传感器。具体分类如分类如表表9-1所示。所示。
9、9.2.2 水分子亲和力型湿度传感器水分子亲和力型湿度传感器1.氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器是电解质湿度传感器的代表。它是利用电氯化锂湿度传感器是电解质湿度传感器的代表。它是利用电阻值随环境相对湿度变化而变化的机理制成的。氯化锂湿度阻值随环境相对湿度变化而变化的机理制成的。氯化锂湿度传感器的结构是在条状绝缘基片的两面，用化学沉积或真空传感器的结构是在条状绝缘基片的两面，用化学沉积或真空蒸镀法做上电极，再浸渍一定比例配置的氯化锂蒸镀法做上电极，再浸渍一定比例配置的氯化锂-聚乙烯醇混聚乙烯醇混合溶液，经老化处理，便制成了氯化锂湿度传感器，其结构合溶液，经老化处理，便制成了氯化锂
10、湿度传感器，其结构如如图图9-1所示。所示。下一页返回9.2 湿度传感器湿度传感器氯化锂湿度传感器的优点是检测滞后小，不受测试环境风速氯化锂湿度传感器的优点是检测滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高。缺点是耐热性差，不能用于露点以下测影响，检测精度高。缺点是耐热性差，不能用于露点以下测量。若用作露点检测，氯化锂湿度传感器必须量。若用作露点检测，氯化锂湿度传感器必须3个月左右清洗个月左右清洗一次和涂敷一次和涂敷(浸渍浸渍)氯化锂，故维护麻烦。氯化锂，故维护麻烦。2.半导体陶瓷湿度传感器半导体陶瓷湿度传感器半导体陶瓷湿度传感器通常用两种以上的金属氧化物半导体半导体陶瓷湿度传感器通常用两种以上的
11、金属氧化物半导体材料混合烧结成多孔陶瓷，材料混合烧结成多孔陶瓷，ZnO-LiO2-V2O5系、系、Si-Na2O-V2O5系、系、TiO2-MgO-Cr2O3系、系、Fe3O4等。前三种材料的电阻等。前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿度半导瓷；最后一种率随湿度增加而下降，故称为负特性湿度半导瓷；最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿度半导瓷。的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿度半导瓷。3.高分子电容式湿度传感器高分子电容式湿度传感器高分子电容式湿度传感器是利用湿度元件的电容值随湿度变高分子电容式湿度传感器是利用湿度元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的。具有
12、感湿的高分子聚合物，例如，化的原理进行湿度测量的。具有感湿的高分子聚合物，例如，乙酸乙酸-丁酸纤维素和乙酸丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤维素等，做成薄膜，它们具丙酸纤维素等，做成薄膜，它们具有迅速吸湿和脱湿的能力。有迅速吸湿和脱湿的能力。上一页 下一页返回9.2 湿度传感器湿度传感器薄膜覆盖在叉指形金电极上薄膜覆盖在叉指形金电极上(下电极下电极)，然后在感湿薄膜表面，然后在感湿薄膜表面上再蒸镀一层多孔金属膜上再蒸镀一层多孔金属膜(上电极上电极)，如此就构成一个平行板，如此就构成一个平行板电容器。结构如电容器。结构如图图9-2所示。所示。当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸当环境中的水
13、分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时，湿度元件的电容值与相对湿度之间具有正比关系。附时，湿度元件的电容值与相对湿度之间具有正比关系。4.石英振动式湿度传感器石英振动式湿度传感器在石英晶片的表面涂敷聚胺酯高分子膜，当膜吸湿时，由于在石英晶片的表面涂敷聚胺酯高分子膜，当膜吸湿时，由于膜的重量发生变化而使石英晶片振荡频率发生变化，不同的膜的重量发生变化而使石英晶片振荡频率发生变化，不同的频率就代表不同的湿度。频率就代表不同的湿度。上一页 下一页返回9.2 湿度传感器湿度传感器9.2.3 非水分子亲和力型湿度传感器非水分子亲和力型湿度传感器水分子亲和力型湿度传感器，因为响应速度低，可靠性差，水
14、分子亲和力型湿度传感器，因为响应速度低，可靠性差，不能很好地满足人们使用的要求。随着其他技术的发展，现不能很好地满足人们使用的要求。随着其他技术的发展，现在人们正在开发非水分子亲和力型的湿度传感器。在人们正在开发非水分子亲和力型的湿度传感器。例如，利用微波在含水蒸气的空气中传播，水蒸气吸收微波例如，利用微波在含水蒸气的空气中传播，水蒸气吸收微波使其产生一定损耗而制成的微波型湿度传感器；利用水蒸气使其产生一定损耗而制成的微波型湿度传感器；利用水蒸气能吸收特定波长的红外线这一现象构成的红外湿度传感器等。能吸收特定波长的红外线这一现象构成的红外湿度传感器等。它们都能克服水分子亲和力型湿度传感器的缺点
15、。因此，开它们都能克服水分子亲和力型湿度传感器的缺点。因此，开发非水分子亲和力型湿度传感器是湿度传感器重要的研究方发非水分子亲和力型湿度传感器是湿度传感器重要的研究方向。向。上一页 返回9.3 微波传感器微波传感器9.3.1 微波的基本知识微波的基本知识微波是波长很短微波是波长很短(1m1mm)、频率很高、频率很高300MHz300GHz的的电磁波，既具有电磁波的性质，又不同于普通的无线电波和电磁波，既具有电磁波的性质，又不同于普通的无线电波和光波。微波具有以下特点：遇到各种障碍物易于反射；绕射光波。微波具有以下特点：遇到各种障碍物易于反射；绕射能力差；传输特性良好，传输过程中受烟、灰尘、强光
16、等的能力差；传输特性良好，传输过程中受烟、灰尘、强光等的影响很小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水影响很小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。对微波的吸收作用最强。9.3.2 微波传感器的结构和工作原理微波传感器的结构和工作原理微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成部分。微波微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成部分。微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高，振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高，要求振荡回路非常小的电感和电容，因此，不能用普通晶体要求振荡回路非常小的电感和电容，因此，不能用普通晶体管构成微波振荡器。构
17、成微波振荡器的器件有速调管、磁控管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。小型微波振荡器也可以采用场效应管。管或某些固体元件。小型微波振荡器也可以采用场效应管。下一页返回9.3 微波传感器微波传感器由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管波长在由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管波长在10cm以上以上可用同轴线传输，并通过天线发射出去，为了使发射的微波可用同轴线传输，并通过天线发射出去，为了使发射的微波信号具有一致的方向性，天线应具有特殊的结构和形状。常信号具有一致的方向性，天线应具有特殊的结构和形状。常用的天线有喇叭形天线和抛物面天线等。用的天线有喇叭形天线和抛物
18、面天线等。图图9-3示出了几种形示出了几种形式的微波开线。式的微波开线。由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使其功率发生变化。若利用接收天线接收透过被测物或由被使其功率发生变化。若利用接收天线接收透过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。处理，就实现了微波检测。9.3.3 微波传感器的分类微波传感器的分类微波传感器可分为反射式和遮断式两种。微波传感器可分为反射式和遮断式两种。1.反射式传感器反射式传感器这种传感器通过检测被测物
19、反射回来的微波功率或经过时间这种传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。上一页 下一页返回9.3 微波传感器微波传感器2.遮断式传感器遮断式传感器这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等。判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等。9.3.4 微波传感器的应用微波传感器的应用1.微波液位计微波液位计图图9-4所示为微波液位检测示意图，相距为所示为微波液位检测示意图，相距为S的发射天线和接的发射天
20、线和接收天线间构成一定的角度。波长为收天线间构成一定的角度。波长为l的微波从被测液位反射后的微波从被测液位反射后进入接收天线。接收天线接收到的功率将随被测液面的高低进入接收天线。接收天线接收到的功率将随被测液面的高低不同而异。接收天线接收的功率不同而异。接收天线接收的功率Pr，可表示为，可表示为(9-1)式中式中 d两天线与被测液面间的垂直距离；两天线与被测液面间的垂直距离；Pi、Gi发射天线发射的功率和增益；发射天线发射的功率和增益；上一页 下一页返回9.3 微波传感器微波传感器Gr接收天线的增益。当发射功率、波长、增益均恒定时，接收天线的增益。当发射功率、波长、增益均恒定时，只要测得接收功
21、率只要测得接收功率Pr，就可获得被测液面的高度，就可获得被测液面的高度d。2.微波物位计微波物位计图图9-5所示为微波开关式物位计示意图。当被测物位较低时，所示为微波开关式物位计示意图。当被测物位较低时，发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，经放大器、比发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，经放大器、比较器后发出正常工作信号。当被测物位升高到天线所在的高较器后发出正常工作信号。当被测物位升高到天线所在的高度时，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天线接收到的度时，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天线接收到的功率相应减弱，经放大器、比较器就可给出被测物位高出设功率相应减弱，经放大器、比较器就
22、可给出被测物位高出设定物位的信号。定物位的信号。当被测物低于设定物位时，接收天线接收到的功率当被测物低于设定物位时，接收天线接收到的功率P0为为(9-2)被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率Pr为为上一页 下一页返回9.3 微波传感器微波传感器(9-3)式中式中 由被测物形状、材料性质、电磁性能及高度所决定由被测物形状、材料性质、电磁性能及高度所决定的系数。的系数。3.微波湿度微波湿度(水份水份)传感器传感器水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布在水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布在物质中。在外电场作用下，
23、偶极子会形成定向排列。当微波物质中。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量储能，又不断释放能量放能，前者表现为微波场中得到能量储能，又不断释放能量放能，前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波的衰减。这种特性可用水分子信号的相移，后者表现为微波的衰减。这种特性可用水分子自身的介电常数自身的介电常数 来表征，即来表征，即 (9-4)式中式中 储能的度量；储能的度量；衰减的度量；衰减的度量；常数。常数。与与 不仅与材料有关，还与测试信号频率有关，所有极性分不仅与材料有关，还与测
24、试信号频率有关，所有极性分子均有此特性，一般干燥的物体，如木材、皮革、谷物、纸子均有此特性，一般干燥的物体，如木材、皮革、谷物、纸张、塑料等，其张、塑料等，其 在在15范围内，而水的范围内，而水的 则高达则高达64。因此，。因此，如果材料中含有少量水分时，其如果材料中含有少量水分时，其 将显著上升。将显著上升。也有类似性也有类似性质。质。上一页 下一页返回9.3 微波传感器微波传感器图图9-6所示所示 是测量酒精含水量的仪器框图，其中是测量酒精含水量的仪器框图，其中MS产生的微产生的微波功率经分功器分成二路，再经衰减器波功率经分功器分成二路，再经衰减器A1、A2分别注入到两分别注入到两个完全相
25、同的转换器个完全相同的转换器T1、T2中。其中中。其中T1放置无水酒精，放置无水酒精，T2放放置被测酒精样品。相位与衰减测定仪置被测酒精样品。相位与衰减测定仪PT、AT分别反复接通两分别反复接通两路路T1、T2输出，自动记录和显示它们之间的相位差与衰减差，输出，自动记录和显示它们之间的相位差与衰减差，从而确定出样品酒精的含水量。从而确定出样品酒精的含水量。对于颗粒状物料，由于其形状各异、装料不匀因素影响，测对于颗粒状物料，由于其形状各异、装料不匀因素影响，测量含水量时，对微波传感器要求较高。量含水量时，对微波传感器要求较高。4.微波测厚仪微波测厚仪微波测厚度原理如微波测厚度原理如图图9-7所示
26、。这种测厚仪是利用微波在传播所示。这种测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物金属表面被反射，且反射波的波长与速度过程中遇到被测物金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。都不变的特性进行测厚的。上一页 下一页返回9.3 微波传感器微波传感器如如图图9-7所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波，经过环行器微波信号源发出的微波，经过环行器A、上传输波导管传输到、上传输波导管传输到被测物上表面上，微波在被测物上表面全反射后又回到上终被测物上表面上，微波在被测物上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输波导管
27、、环形器端器，再经过传输波导管、环形器A、下传输波导管传送到下、下传输波导管传送到下终端器。由下终端器发射到被测物下表面的微波，经全反射终端器。由下终端器发射到被测物下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输波导管回到环形路后又回到下终端器，再经过传输波导管回到环形路A。因此，。因此，被测物体的厚度与微波传输过程中的行程有密切关系，当被被测物体的厚度与微波传输过程中的行程有密切关系，当被测物体厚度增加时，微波的行程就减小。测物体厚度增加时，微波的行程就减小。一般情况下，微波传输的行程变化非常微小。为了精确测量一般情况下，微波传输的行程变化非常微小。为了精确测量出这一微小变化，通常采用微
28、波自动平衡电桥法。前述微波出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法。前述微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波行程设置一参传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波行程设置一参考臂考臂(图图9-7右部右部)。若测量臂与参考臂行程完全相同则反相叠。若测量臂与参考臂行程完全相同则反相叠加的微波经过检波器加的微波经过检波器C检波后，输出为零；若两臂行程不同，检波后，输出为零；若两臂行程不同，则两路微波叠加后不能相互抵消，经检波后便有不平衡信号则两路微波叠加后不能相互抵消，经检波后便有不平衡信号输出，此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动输出，此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带
29、动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两臂行补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两臂行程完全相同、放大器输出为零，可逆电机停止转动为止。程完全相同、放大器输出为零，可逆电机停止转动为止。上一页 下一页返回9.3 微波传感器微波传感器补偿短路器的位移与被测物厚度增加量之间的关系为补偿短路器的位移与被测物厚度增加量之间的关系为 S=B(A A)=B(Ah)=h(9-5)式中式中 A电桥平衡时测量臂行程长度；电桥平衡时测量臂行程长度；B电桥平衡时参考臂行程长度；电桥平衡时参考臂行程长度；A被测物厚度变化被测物厚度变化 h后引起测量臂行程变化值；后引起测量臂行程变化值；h被测物厚度
30、变化值；被测物厚度变化值；S补偿短路器位移值。补偿短路器位移值。由上式可知，补偿短路器位移值由上式可知，补偿短路器位移值 S即为被测物厚度变化值即为被测物厚度变化值 h。上一页 返回9.4 图像传感器图像传感器 机械量测量中有关形状和尺寸的信息以图像方式表达最为方机械量测量中有关形状和尺寸的信息以图像方式表达最为方便，目前较实用的图像传感器是用电荷耦合器件构成的，简便，目前较实用的图像传感器是用电荷耦合器件构成的，简称称CCD(Charge-Coupled-Device)。它分为一维的和两维的，。它分为一维的和两维的，前者用于位移、尺寸的检测，后者用于平面图形、文字的传前者用于位移、尺寸的检测
31、，后者用于平面图形、文字的传递。递。CCD器件具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗及器件具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗及自扫描能力等一系列优点，已广泛应用于工业检测、电视摄自扫描能力等一系列优点，已广泛应用于工业检测、电视摄像、高空摄像及人工智能等领域。像、高空摄像及人工智能等领域。9.4.1 感光原理感光原理图像是由像素组成行，由行组成帧。对于黑白图像来说，每图像是由像素组成行，由行组成帧。对于黑白图像来说，每个像素应根据光的强弱得到不同大小的电信号，并且在光照个像素应根据光的强弱得到不同大小的电信号，并且在光照停止之后仍能把电信号的大小保持记忆，直到把信息传送出停止之后仍能把电信
32、号的大小保持记忆，直到把信息传送出去，这样才能构成图像传感器。所以去，这样才能构成图像传感器。所以CCD图像传感器主要由图像传感器主要由光电转换和电荷读出转移两部分组成，光电转换的功能是把光电转换和电荷读出转移两部分组成，光电转换的功能是把入射光转变成电荷，按像素组成电荷包存储在光敏元件之中，入射光转变成电荷，按像素组成电荷包存储在光敏元件之中，电荷的电量反映该像素元的光线的强弱，电荷是通过一段时电荷的电量反映该像素元的光线的强弱，电荷是通过一段时间一场积累起来的。间一场积累起来的。下一页返回9.4 图像传感器图像传感器CCD器件是器件是MOS金属金属氧化物氧化物半导体电容构成的半导体电容构成
33、的MOS电容电容光敏元件，能实现像素的光电转换。在光敏元件，能实现像素的光电转换。在P型硅衬底上通过氧化型硅衬底上通过氧化形成一层形成一层SiO2，然后再淀积小面积的金属铝作为电极，然后再淀积小面积的金属铝作为电极(称栅极称栅极)，其结构虽是金属，其结构虽是金属氧化物氧化物半导体，但没有扩散源极和漏半导体，但没有扩散源极和漏极，如极，如图图9-8所示。所示。P型硅里的多数载流子是空穴，少数载流型硅里的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。当金属电极上施加正电压超过金属电极与衬底间子是电子。当金属电极上施加正电压超过金属电极与衬底间的开启电压时，其电场能够透过的开启电压时，其电场能够透过SiO2绝
34、缘层对这些载流子进绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引，于是空穴被排斥到远离电极处，电子被吸引行排斥或吸引，于是空穴被排斥到远离电极处，电子被吸引到紧靠到紧靠SiO2层的表面上来。由于没有源极向衬底提供空穴，层的表面上来。由于没有源极向衬底提供空穴，在电极下形成一个在电极下形成一个P型耗尽区，这对带负电的电子而言是一个型耗尽区，这对带负电的电子而言是一个势能很低的区域势能很低的区域陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又称为电子势阱。称为电子势阱。当器件受到光照射当器件受到光照射(光可从各电极的缝隙间经过光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，层射入，或经衬底的薄或经衬
35、底的薄P型硅射入型硅射入)，光子的能量被半导体吸收，由于，光子的能量被半导体吸收，由于内光电效应产生电子内光电效应产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存储在空穴对，这时出现的电子被吸引存储在势阱中。势阱中。上一页 下一页返回9.4 图像传感器图像传感器光越强，势阱中收集的电子越多；光弱则反之。这样就把光光越强，势阱中收集的电子越多；光弱则反之。这样就把光的强弱变成电荷的数量多少，实现了光电转换。而势阱中的的强弱变成电荷的数量多少，实现了光电转换。而势阱中的电子是被存储状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，电子是被存储状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。这就实
36、现了对光照的记忆。总之，上述结构实质上是一个微小的总之，上述结构实质上是一个微小的MOS电容，用它构成像电容，用它构成像素，既可感光又可留下潜影，感光作用是靠光强产生的电子素，既可感光又可留下潜影，感光作用是靠光强产生的电子积累电荷，潜影是各个像素留在各个电容里的电荷不等而形积累电荷，潜影是各个像素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容器里的电荷依次传送到他处，再成的，若能设法把各个电容器里的电荷依次传送到他处，再组成行和帧并经过显影，就实现了图像的传递。组成行和帧并经过显影，就实现了图像的传递。9.4.2 转移原理转移原理由于组成一帧图像的像素总数太多，只能用串行方式依次传由于
37、组成一帧图像的像素总数太多，只能用串行方式依次传送，在常规的摄像管里是靠电子束扫描的方式工作的，在送，在常规的摄像管里是靠电子束扫描的方式工作的，在CCD器件里也需要用扫描实现各像素信息的串行化。器件里也需要用扫描实现各像素信息的串行化。上一页 下一页返回9.4 图像传感器图像传感器不过不过CCD器件并不需要复杂的扫描装置，只需外加如器件并不需要复杂的扫描装置，只需外加如图图9-9(a)所示的多相脉冲转移电压依次对并列的各个电极施加电压就所示的多相脉冲转移电压依次对并列的各个电极施加电压就能办到。图中能办到。图中 1、2、3是相位依次相差是相位依次相差120的三个脉冲源，的三个脉冲源，其波形都
38、是前沿陡峭后沿倾斜。若按时刻其波形都是前沿陡峭后沿倾斜。若按时刻t1t5分别分析其作分别分析其作用，可结合用，可结合图图9-9(b)讨论工作原理。讨论工作原理。在排成直线的一维在排成直线的一维CCD器件里，电极器件里，电极19分别接在三相脉冲分别接在三相脉冲源上。将电极源上。将电极13视为一个像素，在视为一个像素，在 1为正的为正的t1时刻里受到光时刻里受到光照，于是电极照，于是电极1之下出现势阱，并收集到负电荷电子。同时，之下出现势阱，并收集到负电荷电子。同时，电极电极4和和7之下也出现势阱，但因光强不同，所收集到的电荷之下也出现势阱，但因光强不同，所收集到的电荷不等。在时刻不等。在时刻t2
39、，电压，电压 1已下降，然而已下降，然而 2电压最高，所以电极电压最高，所以电极2、5、8下方的势阱最深，原先储存在电极下方的势阱最深，原先储存在电极1、4、7下方的电下方的电荷部分转移到荷部分转移到2、5、8下方。到时刻下方。到时刻t5，上述电荷已全部向右，上述电荷已全部向右转移一步。如此类推，到时刻转移一步。如此类推，到时刻t5已依次转移到电极已依次转移到电极3、6、9下下方。二维方。二维CCD则有多行。则有多行。上一页 下一页返回9.4 图像传感器图像传感器在每一行的末端，设置有接收电荷并加以放大的器件，如在每一行的末端，设置有接收电荷并加以放大的器件，如图图9-10所示，此器件所接收的
40、顺序当然是先接收距离最近的右所示，此器件所接收的顺序当然是先接收距离最近的右方像素，依次到来的是左方像素，直到整个一行的各像素都方像素，依次到来的是左方像素，直到整个一行的各像素都传送完。如果只是一维的，就可以再进行光照，重新传送新传送完。如果只是一维的，就可以再进行光照，重新传送新的信息；如果是二维的，就开始传送第二行，直至一帧图像的信息；如果是二维的，就开始传送第二行，直至一帧图像信息传完，才可再进行光照。信息传完，才可再进行光照。事实上，同一个事实上，同一个CCD器件既可以按并行方式同时感光形成电器件既可以按并行方式同时感光形成电荷潜影，又可以按串行方式依次转移电荷完成传送任务。但荷潜影
41、，又可以按串行方式依次转移电荷完成传送任务。但是，分时使用同一个是，分时使用同一个CCD器件时，在转移电荷期间就不应再器件时，在转移电荷期间就不应再受光照，以免因多次感光破坏原有图像，这就必须用快门控受光照，以免因多次感光破坏原有图像，这就必须用快门控制感光时刻。而且感光时不能转移，转移时不能感光，工作制感光时刻。而且感光时不能转移，转移时不能感光，工作速度受到限制。现在通用的办法是把两个任务由两套速度受到限制。现在通用的办法是把两个任务由两套CCD完完成，感光用的成，感光用的CCD有窗口，转移用的有窗口，转移用的CCD是被遮蔽的，感光是被遮蔽的，感光完成后把电荷并行转移注入到专供传送的完成后
42、把电荷并行转移注入到专供传送的CCD里串行送出，里串行送出，这样就不必用快门了，而且感光时间可以加长，传送速度也这样就不必用快门了，而且感光时间可以加长，传送速度也更快。更快。上一页 下一页返回9.4 图像传感器图像传感器由此可见，通常所说的扫描已在依次传送过程中体现，全部由此可见，通常所说的扫描已在依次传送过程中体现，全部都由固态化的都由固态化的CCD器件完成。器件完成。工业生产过程监视及检测用的图像有时不必要求灰度层次，工业生产过程监视及检测用的图像有时不必要求灰度层次，只需对比强烈的黑白图形，这时应借助参比电压将只需对比强烈的黑白图形，这时应借助参比电压将CCD的输的输出信号二值化。检测
43、外形轮廓和尺寸时常常如此。出信号二值化。检测外形轮廓和尺寸时常常如此。目前市售的目前市售的CCD器件，一维的有器件，一维的有512、1024、2048位，每个单位，每个单元的距离有元的距离有15 m、254 m、28 m等，二维的有等，二维的有256 320、512 340乃至乃至2304 1728像素等。像素等。上一页 返回9.5 生物传感器生物传感器 1.生物传感器的工作原理生物传感器的工作原理生物传感器是利用各种生物或生物物质做成用来检测与识别生物传感器是利用各种生物或生物物质做成用来检测与识别生物体内的化学成分的传感器。生物或生物物质主要是指各生物体内的化学成分的传感器。生物或生物物质
44、主要是指各种酶、微生物、抗体等。其基本工作原理如种酶、微生物、抗体等。其基本工作原理如图图9-11所示，它所示，它由生物敏感膜和变换器构成。被测物质经扩散作用进入生物由生物敏感膜和变换器构成。被测物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，产生生物学反应敏感膜层，经分子识别，产生生物学反应(物理、化学变化物理、化学变化)，产生物理、化学现象或产生新的化学物质，使相应的变换，产生物理、化学现象或产生新的化学物质，使相应的变换器将其转换成可测量和可传输、处理的电信号。器将其转换成可测量和可传输、处理的电信号。2.生物传感器的分类生物传感器的分类根据所用生物活体物质的不同可以把生物传感器分为下列五根
45、据所用生物活体物质的不同可以把生物传感器分为下列五类：酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、类：酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器。免疫传感器。下一页返回9.5 生物传感器生物传感器根据所用变换器器件的不同可以把生物传感器分为下列五类：根据所用变换器器件的不同可以把生物传感器分为下列五类：生物电极传感器、光生物传感器、热生物传感器、半导体生生物电极传感器、光生物传感器、热生物传感器、半导体生物传感器、压电晶体生物传感器。物传感器、压电晶体生物传感器。3.生物传感器的特点生物传感器的特点根据生物反应的奇异和多样性，从理论上讲可以制造出检测根据生物反应的奇异和
46、多样性，从理论上讲可以制造出检测所有生物物质的各类生物传感器。所有生物物质的各类生物传感器。生物传感器是在无试剂条件下工作的，比传统的生物学和化生物传感器是在无试剂条件下工作的，比传统的生物学和化学分析方法操作简便、快捷，准确度高。学分析方法操作简便、快捷，准确度高。可以连续测量，并能联机操作直接显示出测量结果。可以连续测量，并能联机操作直接显示出测量结果。4.酶传感器酶传感器上一页 下一页返回9.5 生物传感器生物传感器酶传感器是由酶敏感膜和电化学器件构成的。由于酶是蛋白酶传感器是由酶敏感膜和电化学器件构成的。由于酶是蛋白质组成的生物催化剂，能催化许多生物化学反应。生物细胞质组成的生物催化剂
47、，能催化许多生物化学反应。生物细胞的复杂代谢就是由成千上万个不同的酶控制的。酶的催化效的复杂代谢就是由成千上万个不同的酶控制的。酶的催化效率极高，而且具有高度专一性，即只能对特定待测生物量率极高，而且具有高度专一性，即只能对特定待测生物量(底底物物)进行选择催化，并且具有化学放大作用。因此，利用的酶进行选择催化，并且具有化学放大作用。因此，利用的酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。根据输出信号不同，酶传感器可分为电流型和电位型两种。根据输出信号不同，酶传感器可分为电流型和电位型两种。其中，电流型是由与酶催化反应有关物质电极反应所得到的其中，
48、电流型是由与酶催化反应有关物质电极反应所得到的电流来确定反应物的浓度。而电位型是通过电化学传感器测电流来确定反应物的浓度。而电位型是通过电化学传感器测量敏感膜电位来确定与催化反应有关的各种物质浓度。量敏感膜电位来确定与催化反应有关的各种物质浓度。5.微生物传感器微生物传感器用微生物作为分子识别元件制成的传感器称为微生物传感器。用微生物作为分子识别元件制成的传感器称为微生物传感器。与酶相比，微生物更经济，耐久性也好。与酶相比，微生物更经济，耐久性也好。上一页 下一页返回9.5 生物传感器生物传感器微生物本身就是具有生命活性的细胞，有各种生理机能。其微生物本身就是具有生命活性的细胞，有各种生理机能
49、。其主要机能是呼吸机能主要机能是呼吸机能(氧气的消耗氧气的消耗)和新陈代谢机能和新陈代谢机能(物质的合物质的合成与分解成与分解)，还有菌体内的复合酶、能量再生系统等。因此在，还有菌体内的复合酶、能量再生系统等。因此在不损坏微生物机能的情况下，可将微生物用固定化技术固定不损坏微生物机能的情况下，可将微生物用固定化技术固定在载体上就可以制作出微生物敏感膜。而采用的载体，一般在载体上就可以制作出微生物敏感膜。而采用的载体，一般是多孔酶酸纤维膜和胶原膜。微生物传感器从工作原理上可是多孔酶酸纤维膜和胶原膜。微生物传感器从工作原理上可分为呼吸机能型和代谢机能型。分为呼吸机能型和代谢机能型。6.免疫传感器免
50、疫传感器免疫传感器的基本原理是免疫反应。利用抗体能识别抗原与免疫传感器的基本原理是免疫反应。利用抗体能识别抗原与抗原结合的功能的生物传感器称为免疫传感器。它利用固定抗原结合的功能的生物传感器称为免疫传感器。它利用固定化抗体化抗体(或抗原或抗原)膜与相应的抗原膜与相应的抗原(或抗体或抗体)的特异反应。此反的特异反应。此反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化，从而产生电信号。应的结果使生物敏感膜的电位发生变化，从而产生电信号。上一页 返回9.6 机器人传感器机器人传感器机器人是计算机控制的、能模拟人的感觉、手工操作和具有机器人是计算机控制的、能模拟人的感觉、手工操作和具有自动行走能力的并可以完成一定