耦合传感器:电荷耦合元件的CCD与CMOS传感器对比

2021/11/03 00:45 · 传感器知识资讯 ·  · 耦合传感器:电荷耦合元件的CCD与CMOS传感器对比已关闭评论
摘要:

耦合传感器:电荷耦合元件的CCD与CMOS传感器对比CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式不同。由于数据传送方式不同,因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异。例如CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪点控制等方面都优于CMOS

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耦合传感器:电荷耦合元件的CCD与CMOS传感器对比

CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式不同。由于数据传送方式不同,因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异。例如CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪点控制等方面都优于CMOS传感器,而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过,随着CCD与CMOS传感器技术的进步,两者的差异有逐渐缩小的态势。
使用CCD的摄影机
由于CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂,其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平,因此,当我们比较相同尺寸的CCD与
CMOS传感器时,CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。
CMOS传感器的图像采集方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出,但CCD传感器为被动式采集,需外加电压让每个象素中的电荷移动,而此外加电压通常需要达到12~18V;因此,CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外,高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。
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耦合传感器:电荷耦合器件图像传感器原理详解

[摘要]

CCD(Charge Coupled Device)全称为电荷耦合器件,是70年代发展起来的新型半导体器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的,为半导体技术应用开拓了新的领域。它具有光电转换、信息存贮和传输等功能,具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点,故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展,能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息,被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器,都用了CCD作图象探测元件。

一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时,在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样,将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中,就可对信号再现或进行存储处理。由于CCD光敏元可做得很小(约10um),所以它的图象分辨率很高。

一.CCD的MOS结构及存贮电荷原理

CCD的基本单元是MOS电容器,这种电容器能存贮电荷,其结构如图1所示。以P型硅为例,在P型硅衬底上通过氧化在表面形成Si02层,然后在Si02上淀积一层金属为栅极,P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴,少数载流子是带负电荷的电子,当金属极上施加正电压时,其电场能够透过Si0.绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处,剩下的带负电的少数载流子在紧靠Si0.层形成负电荷层(耗尽层),电子一旦进入由于电场作用就不能复出,故又称为电子势阱。

当器件受到光照时(光可从各电极的缝隙间经过Si0.层射入,或经衬底的薄P型硅射入),光子的能量被半导体吸收,产生电子-空穴对,这时出现的电子被吸引存贮在势阱中,这些电子是可以传导的。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,实现了光与电的转换,而势阱中收集的电子处于存贮状态,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。

耦合传感器:石墨烯流电耦合器件及其传感器研究

石墨烯具有自然界最薄的厚度、极高的机械强度、优异的电性能以及能与各种表面灵活结合的特点,是构筑新型微纳功能器件的理想材料。本项目① 系统研究了用于流电耦合的石墨烯及石墨烯调制基底(氮化硼、二硫化钼)的气相化学沉积(CVD)制备方法,发现不同晶体质量、晶界、缺陷分布的石墨烯对于流电耦合性能有显著的影响;六方氮化硼基底能大幅优化石墨烯的耦合性能,通过改进制备条件实现了六方氮化硼单原子层晶粒尺寸和形貌的可控合成。 ② 设计了叠层石墨烯、石墨烯泡沫网络等结构,并通过CVD方法结合冷冻干燥转移实现了这些结构的可控制备,发现石墨烯泡沫与界面气体有高效的热电-热声耦合,可用做电控气流场或理想的热致发声器件。③ 利用基于电子束曝光的微加工技术,我们构筑了一系列微米尺度的流电测量器件,并将其布局在机翼模型各部位用于流速测量,发现在稳定环境下这类流电器件可以很好的测量气流分布,但在气氛-温度-流场复杂环境下会有较大的测量误差。④ 针对石墨烯与液流体界面复杂的耦合现象,我们发现运动液滴会在石墨烯沿液滴运动方向的两端产生一电压,这一电压和液滴的运动速度及数目成正比,可以利用其来探测石墨烯表面液滴的运动速度。结合第一性原理计算,我们揭示了这一现象的机制。⑤ 针对决定Seebeck系数的介观声子输运过程,我们发展了分子动力学模型和力学模型,使其能模拟预测数百纳米到数百微米结构的声子限域行为,在硅纳米线、念珠装硅线等结构中,该方法得到验证。⑥ 将石墨烯流电耦合性能与其他低维材料结合,制作了具有自供能、自驱动、自愈合特点的石墨烯流体传感和应变传感器件。项目期间已发表标注的SCI源刊物论文8篇,获得发明专利授权3项,新申请发明专利3项,培养硕士生3人,协助培养博士研究生3人。整体上较好完成了预期的研究目标和任务。
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耦合传感器:通过非接触方式传输电力和开关信号

通过非接触方式传输电力和开关信号
在瑞士公司Hanag Steriltechnik AG的杀菌机中,图尔克的电感式耦合型传感器通过非接触方式传输电力和开关信号 – IO-Link传感器的ID也被用于各个容器的可靠识别。

  瑞士Hanag Steriltechnik AG公司的产品组合包括用于制药行业瓶盖和瓶塞处理的灭菌机。这些器械要使用不同的处理工艺进行消毒,这就需要在过程中可靠地识别每个容器。该公司在以前很长一段时间里都在使用插入式触点,现在则使用一种非接触式数据和电力传输的解决方案。这包括使用感应耦合器和IO-Link传感器的“专用标签”来识别每个容器,并确保容器在转运站运输车上的正确位置。

瑞士Hanag Steriltechnik AG公司的瓶塞及瓶盖灭菌机被用于世界各地
BI6U-M12-IOL6X2 IO-Link传感器通过开关支耳检测旋转单元的正确位置
Eric Netzhammer

  瑞士Hanag Steriltechnik AG公司,总部位于奥伯韦尔(Oberwil),是设备和船舶建造领域最重要的瑞士供应商之一。凭借其瓶塞和瓶盖灭菌机,该公司在国际上享有盛誉。公司主要侧重于灭菌应用领域的业务活动。简略浏览一下Hanag的合作客户名单,你会发现它读起来就像是欧洲制药厂商的名人录。
  灭菌过程
  瓶盖和瓶塞的处理过程包括清洗、消毒、干燥和冷却步骤。包装材料被填装在容器中,然后通过不同的处理工作站。容器可以在它们的运输车中移动和转动。制药厂商针对不同类型的瓶塞和瓶盖会运行不同的程序。因此,客户希望能够在各个工作站识别容器。Hanag以前使用插入式触点来解决这个问题。该触点集成了一个二维码,通过它每个容器都可以被唯一识别。
  Hanag Steriltechnik AG公司的首席执行官(CEO)Eric Netzhammer和他的团队希望在转运站与容器进行非接触式连接。
  通过IO-Link识别
  IO-Link标准为每个IO-Link装置提供了一个自由文本字段:“专用标签”(AST)。这也可用于识别各个装置。因此,客户可以在特定工作站上识别容器,而无需使用额外的RFID系统。在全部三个提升站中,控制器通过AST查询是否加载了正确的包装材料。除非容器内物料与要运行的程序相符,否则客户的S7200控制器不会启用处理过程。
  IO-Link开关防止操作错误
  在容器被转运时,运输车与提升柱的两个导轨对接。这确保了运输车和电感式接近开关的正确位置。然而,由于运输车中的容器可以旋转,必须确保容器位于正确位置,以便提升或过程结束后再次使用。为此,Hanag安装了一个开关支耳,可以在到达正确位置遮蔽图尔克的电感式IO-Link传感器,从而触发信号。

更多信息

视频:电感式耦合型传感器

概览:通过IO-Link实现高效生产

链接到产品中心 – 电感式传感器NIC

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