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优势应用层出不穷 传感器市场创新不断

未知 2019-07-24 10:53

  目前,全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。随着科技的不断进步,传感器技术应用出新招,优势应用层出不穷。

  传感器帧积累出新招

  首先要知道什么是场,什么是帧。活动电视图像是由一幅一幅连续的且内容变化不大的静止图像组成的。其中一幅静止的图像在电视技术上称为一帧,为了保证收看图像时不闪烁,根据人眼的视觉暂留特点(先前出现在人眼的图像在图像消失后会保留一段时间),要求每秒传送的连续图像达到25帧。在电视传输技术中,为了进一步提高传输质量,又将一帧图像分成两幅来传,这时候的一幅就叫做一场了。所以,电视每秒传输50场。

  在摄像机里,CCD也是按照这种方式,将景物图像转换成电荷形成视频信号的。如果照度太低,拍摄目标在CCD上形成的电荷很少,则出现图像不清晰甚至不能呈现出图像,为了解决这个问题,现在可以通过数字图像处理技术(DSP)来解决这个问题。具体做法是,在电路上增加CCD对每帧图像的曝光时间,也就是对目标微光光生电荷进行积累,相当与在夜晚照相时,用手控快门进行拍照一样,这样呈现出图像比较清晰。因此,有的把摄像机的这种功能叫慢快门。有时候又叫做数字慢开门。

  在帧积累方式(Frame Integration Mode)中,存储在奇数行各像素中的光生电荷在奇数场读出,存储在偶数行各像素中的光生电荷在偶数场读出,每个像素的光生电荷积累时间是一帧时间,即1/25s。因为帧积累方式的光生电荷积累时间比较长,上一场的光生电荷保留在光敏成像区,出现在下一场中,所以有一场时间的延迟,这种延迟会引起动态分辨率的下降。

  在场积累方式中,两个相邻行的电荷加起来同时转移到垂直CCD移位寄存器。隔行读出是由相加电荷的组合方式的不同来实现的。每个像素的光生电荷积累时间是一场时间,即1/50s。因此,场积累方式的特点是:(1)没有一场时间的延迟;(2)图像垂直边缘的闪烁减少;(3)宽的动态范围和抗弥散性好;(4)垂直方向分辨率略有降低。

  不管是帧积累还是场积累,由于延长了CCD的曝光时间,虽然图像是相对清晰了,但图像变化的实时性却受到了影响,也就是当被拍摄的目标快速运动时,会有拖尾现象,图像也表现为动画效果。

  传感器优势凸显:高灵敏宽动态低功耗

  最新CMOS传感器获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。像素灵敏度的一个衡量尺度是填充因子(感光面积与整个像素面积之比)与量子效率(由轰击屏幕的光子所生成的电子的数量)的乘积。CCD传感器因其技术的固有特性而拥有一个很大的填充因子。而在CMOS图像传感器中,为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平,人们给CMOS图像传感器装配上了有源像素传感器(APS),并且导致填充因子降低,原因是像素表面相当大的一部分面积被放大器晶体管所占用,留给光电二极管的可用空间较小。

  所以,当今CMOS传感器的一个重要的开发目标就是扩大填充因子。赛普拉斯(Fill Factory)通过其获得专利授权的一项技术,可以大幅度地提高填充因子,这种技术可以把一颗标准CMOS硅芯片最大的一部分面积变为一块感光区域。

  另外,对于一个典型的工业用图象传感器而言,由于许多场景的拍摄都是在照明条件很差的情况下进行的,因此拥有较大的动态范围将是十分有益的。CMOS图像传感器通过多斜率操作实现了这一目标:转换曲线由倾度不同的直线部分所组成,它们共同形成了一个非线性特征曲线。因此,一幅场景的黑暗部分有可能占据集成模拟-数字转换器转换范围的很大一部分:转换特征曲线在这里最为陡峭,以实现高灵敏度和对比度。特征曲线上半部分的平整化将在图像的明亮部分捕获几个数量级的过度曝光,并以一个更加细致的标度来表现它们。采用多斜率的方式来运作LUPA-4000将使高达90dB的光动态范围与一个10位A/D转换范围相匹配。

  具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS图像传感器在此基础上更进一步;它们是专为汽车应用而设计的。其像素由光电二极管组成,可提供高达120dB的自适应动态范围。面向汽车应用的ACM100相机模块就采用了这些传感器,这种相机模块据称是同类产品中率先面市的全集成化相机解决方案:该视觉解决方案被看作是面向驾驶者保护、防撞、夜视支持和轮胎跟踪导向的未来汽车安全系统的关键元件。

  此外,对于独立于电网的便携式应用而言,以低功耗特性而着称的CMOS技术还具有一个明显的优势:CMOS图像传感器是针对5V和3.3V电源电压而设计的。而CCD芯片则需要大约12V的电源电压,因此不得不采用一个电压转换器,从而导致功耗增加。在总功耗方面,把控制和系统功能集成到CMOS传感器中将带来另一个好处:它去除了与其他半导体元件的所有外部连接线。其高功耗的驱动器如今已遭弃用,这是因为在芯片内部进行通信所消耗的能量要比通过PCB或衬底的外部实现方式低得多。

  传感器市场在不断变化中创新

  传感器市场容量为506亿美元,2010年全球传感器市场达600亿美元以上,传感器生产厂商量在攀升。就世界范围而言,传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场,占第二位的是过程控制市场,看好通讯市场前景。

  一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、位移传感器已表现出成熟市场的特征。压力传感器、温度传感器、流量传感器的市场规模最大,分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS传感器、生物传感器等新兴传感器。其中,无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。

  新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。中国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段,它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。

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