幾種新型傳感器簡介電荷耦合器件CCD教學(xué)目的要求1

1、第九章幾種新型傳感器簡介第三講電荷耦合器件(CCD)教學(xué)目的要求：1了解CCD的結(jié)構(gòu)原理。2了解CCD的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn):CCD的結(jié)構(gòu)原理和CCD的應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn):CCD的結(jié)構(gòu)原理教學(xué)學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容:、CCD勺工作原理信號電荷界 面 勢勢阱(b)光生電子(a) MOS光敏元結(jié)構(gòu)圖9-26 CCD單元結(jié)構(gòu)1.工作原理組成CCD的根本單元是 MOS光敏元，如圖9-26 (a)所示。在圖9-26中，金屬電極 為柵極。SiO2氧化層為電介質(zhì)，下極板為P- Si半導(dǎo)體。當(dāng)柵極加上正向電壓，并且襯底接地時(shí)，在電場力作用下，靠近氧化層的P型硅區(qū)的空穴被排斥，或者說被“耗盡，形成一個(gè)耗盡區(qū)，它對帶負(fù)電的電子而

2、言是一個(gè)勢能很低的區(qū)域，稱之為“勢阱，這種狀態(tài)是瞬時(shí)的。如果此時(shí)有光照射在硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生電子一空穴對， 由此產(chǎn)生的光生電子被附近的勢阱所吸收，形成電荷包。而空穴那么被電場排斥出耗盡區(qū)， 該狀態(tài)是穩(wěn)定的。圖9-26a為已存儲信號電荷一光生電子的形象示意圖。實(shí)際上，電荷存在于 SiO2 Si界面處，而非從所謂勢阱底向上堆積。勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量 與入射到該勢阱附近的光強(qiáng)成正比。這樣一個(gè)MOS光敏元叫做一個(gè)像素，用來收集假設(shè)干光生電荷的一個(gè)勢阱叫做一個(gè)電荷包。在同一 P型襯底連續(xù)生成的氧化層上沉積的金屬電極相互絕緣，相鄰電極僅有極小間距溝阻，保證相鄰勢阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。相互

3、獨(dú)立的MOS光敏元有幾百至數(shù)千個(gè)，假設(shè)在金屬電極上施加一個(gè)正階躍電壓，就形成幾百至幾 千個(gè)相互獨(dú)立的勢阱。如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖像，那么就生成一幅 與光強(qiáng)成正比的電荷圖像。以上就是光生電荷的存儲過程一光敏元的工作原理。2. CCD的電荷轉(zhuǎn)移在CCD中，電荷是怎樣轉(zhuǎn)移的呢？多個(gè)MOS光敏元依次相鄰排列，相鄰間距極小，耗盡區(qū)可以重疊，即發(fā)生勢阱“耦合。勢阱中的電子將在互相耦合的勢阱間流動(dòng)，流動(dòng)的方向決定于勢阱的深淺。這樣，就可以有控制地將電荷從一個(gè)金屬電極下轉(zhuǎn)移到另一個(gè) 金屬電極下。信息電荷。各組中的信息電荷同時(shí)定向傳送，互不干擾。IDIGODbib3C2cia3b2aa2NNO

4、G|C3P- si(j) 2(j) 3(a)sio 2)1)2)3(b) t=t2圖9-27 CCD原理示意圖)3 ) 12 ) 3L Ju Juter(d) t=t4圖9-28電荷轉(zhuǎn)移過程3. CCD的輸入一輸出結(jié)構(gòu)完整的CCD結(jié)構(gòu)還應(yīng)包括電荷注入和電荷輸出。CCD電荷的注入通常有光電注入、電注入和熱注入等不同方式，圖9-27 a采用的是電注入方式，即電荷由一個(gè)特設(shè)的PN結(jié)二極管(ID為其電極)注入 CCD中。在第一個(gè)電極與 PN結(jié)二極管之間加輸入端控制 柵IG,當(dāng)IG接入正電壓時(shí)，通過 PN結(jié)注入襯底的電子進(jìn)入第一個(gè)電極下的勢阱中，并 在三相時(shí)鐘作用下向右轉(zhuǎn)移下去。4. CCD的特性參數(shù)C

5、CD器件的物理性能可以用特性參數(shù)描述，它的特性參數(shù)可分為內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)兩類，內(nèi)部參數(shù)描述的是與 CCD儲存和轉(zhuǎn)移信號電荷有關(guān)的特性(或能力)，是器件理論設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；外部參數(shù)描述的是CCD應(yīng)用有關(guān)的性能指標(biāo)，是應(yīng)用器件必不可少的。(1)電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移效率是表征 CCD器件性能好壞的一個(gè)重要參數(shù)。如果上一電極中原有的信號電荷量為 Q，轉(zhuǎn)移到下一個(gè)電極下的信號電荷量為Q!，兩者的比值稱為轉(zhuǎn)移效率，用n表示，即Qin = $ x 100%Qo在電荷轉(zhuǎn)移過程中，沒有被轉(zhuǎn)移的電荷量設(shè)為QH ( Q =Q1 - Qo), Q'與原信號電荷=Q 100%QoQ0100%(9.

6、30)£稱為轉(zhuǎn)移損失率。如果轉(zhuǎn)移n個(gè)電極后，所剩下的信號電荷量為Qn,那么，總轉(zhuǎn)移效率為nQ0n=(1 )(9.31)(2 )工作頻率由于CCD器件是工作在 MOS的非平衡狀態(tài)，所以驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的選擇就顯得十分 重要。頻率太低，熱激發(fā)的少數(shù)載流子過多地填入勢阱，從而降低了輸出信號的信噪比； 信號頻率太高，又會(huì)降低總轉(zhuǎn)移率，減少了信號幅值，同樣降低了信噪比。為了防止熱激發(fā)所產(chǎn)生的少數(shù)載流子對信號電荷的影響，信號電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的轉(zhuǎn)移時(shí)間 t1必須小于少數(shù)載流子的壽命 t。對于三相CCD，一個(gè)電極的轉(zhuǎn)移時(shí)間內(nèi)需要完成三相驅(qū)動(dòng)脈沖周期fL為Tl,因此，可以推算出各相的驅(qū)動(dòng)脈沖

7、工作頻率下限值fL Wh <T所以(9.32)另一方面，如果驅(qū)動(dòng)脈沖的工作頻率下限fL取得太高，又會(huì)導(dǎo)致局部電荷來不及轉(zhuǎn)移而使轉(zhuǎn)移損失率增大。假定到達(dá)要求轉(zhuǎn)移率 n所需的轉(zhuǎn)移時(shí)間為t2,那么給予信號電荷從一個(gè) 電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的轉(zhuǎn)移時(shí)間Th應(yīng)大于或等于t2。以三相CCD為例，根據(jù)轉(zhuǎn)移時(shí)間fh> t2Th可以推算出驅(qū)動(dòng)脈沖的工作頻率的上限_丄$貢所以£ 1fh W(9.33)3t2CCD器件的工作頻率應(yīng)選擇在一下限fL和上限fh之間。(3) 電荷儲存容量CCD的電荷儲存容量表示在電極下的勢阱中能容納的電荷量。由前面的分析可知， CCD是由一系列的MOS電容構(gòu)成的，它對電

8、荷的存儲能力可以近似地當(dāng)作電容對電荷的 存儲來分析。最大電荷儲存容量可表示為(9.34)Cox 也U G也u G $0 J AdN max -qdq式中CoxSiO2層的電容;Ug時(shí)鐘脈沖上下電平的變化幅度;A 柵極面積；d SiO2層的厚度;；o 真空介電常數(shù);SiO2介質(zhì)介電常數(shù);q 電荷量。(4) 靈敏度靈敏度定義為入射在 CCD像元上的單位能流密度 b所產(chǎn)生的輸出電壓 Us的大小之比 即c Us Sv-(9.35)cr(5) 分辨率CCD是由離散的像元組成的，在一定的測試條件下，它能傳感的景物光學(xué)信息的最小 空間分布，稱為分辨率，用Tx表示。設(shè)CCD像元精密排列，像素中心間距為t，那么

9、器件的極限分辨率為2t。(6 )光譜響應(yīng)CCD的光譜響應(yīng)是指器件在相同光能量照射下，輸出的電壓U-與光波長入之間的關(guān)系，光譜響應(yīng)率由器件光敏區(qū)材料決定。光譜響應(yīng)隨光波長的變化而變化的關(guān)系稱為光譜 響應(yīng)函數(shù)(或曲線)。CCD的應(yīng)用1 .尺寸自動(dòng)檢測利用CCD測量尺寸這一幾何量是 CCD在測量領(lǐng)域中應(yīng)用最早、最為成熟的實(shí)例之一， 例如，測量拉絲過程中絲的線徑、扎鋼的直徑、機(jī)械加工的軸類或桿類的直徑等，這里以 玻璃管直徑與壁厚的測量為例，介紹CCD在幾何尺寸測量方面的應(yīng)用。在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過程中，總是需要不斷測量玻璃管的外圓直徑及壁厚，并根據(jù) 監(jiān)測結(jié)果對生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。設(shè)玻璃

10、管的平均外徑0 12 mm.，壁厚1.2mm，要求測量精度為外徑土 0.1 mm，壁厚為土 0.05 mm。我們可以利用 CCD配適宜當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，對玻璃管相關(guān)尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其測量 原理圖如圖9-29 (a)所示。用平行光照射待測玻璃管，經(jīng)成像物鏡將其像投射在CCD光敏像元陣列面上。由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管的圖像將如圖9-29 ( b)所示的那樣，在邊緣處形成兩條暗帶，中間局部的透射光相對較強(qiáng)形成亮帶。平行光線玻璃管 物鏡J'上壁厚一外徑尺寸 !下壁厚CC視頻輸出CCD(a)(b)圖9-29 CCD視頻信號玻璃管像的兩條暗帶最外的邊界距離為玻璃管外徑成像的大小，中間亮帶

11、反映了玻璃管內(nèi)徑像的大小，而暗帶那么是玻璃管的壁厚像。將該視頻信號中的外徑尺寸局部和壁厚部 分進(jìn)行二值化后，由計(jì)算機(jī)采集這兩個(gè)尺寸所對應(yīng)的時(shí)間間隔(例如脈沖計(jì)數(shù)值)，經(jīng)一定的運(yùn)算便可得到待測玻璃管的尺寸及偏差。設(shè)成像物鏡的放大倍率為 3 , CCD的像元尺寸為t,上壁厚、下壁厚、外徑尺寸的脈沖數(shù)(即像元個(gè)數(shù))分別為 ni、n2和N，那么上壁厚di、下壁厚d2、外徑尺寸D分別為dimtPd2n2tNt(9.36)電熱絲 1圖9-30 n形雙金屬片2 位移的測量對于汽車顯示儀表來說，儀表的抗震能力是一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)，為了克服動(dòng)圈式指示儀表抗震性能的缺乏，出現(xiàn)了如圖9-30所示的n形雙金屬片，

12、用它作為推動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)的動(dòng)力元件。當(dāng)電流 I通過電熱絲2加熱n形雙金屬片3時(shí)，雙金屬片3將產(chǎn)生彈性變 形帶動(dòng)頂端的頂桿1產(chǎn)生近似的直線運(yùn)動(dòng)，頂桿的運(yùn)動(dòng)量x稱為電致動(dòng)程(簡稱電動(dòng)程)。電動(dòng)程x與電流I之間的變化關(guān)系是否滿足設(shè)計(jì)要求是衡量儀表顯示精度的重要因素，生 產(chǎn)上需要對頂桿電動(dòng)程進(jìn)行矢時(shí)測量。n形雙金屬片最大電動(dòng)程為 3mm,最小微位移約為± 0.004mm。假設(shè)設(shè)定測量儀器的測量范圍為03.5mm，靈敏度在土 0.003mm之間，測量誤差確定為土 0.1%，要求非接觸在線測量。電動(dòng)程測量裝置原理圖如圖9-31所示。其中，電動(dòng)程測量裝置的光路如圖9-31 (a)所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)

13、聚光鏡成為平行光在頂桿上，由于頂桿材質(zhì)非透明體(一般為銅 質(zhì)材料)，物鏡將頂桿所在平面成像CCD光敏面上，頂桿在 CCD光敏面的像形成了如圖9-31 (b)所示的光強(qiáng)分布。光強(qiáng)在頂桿對應(yīng)的位置有一凹陷，凹陷的中點(diǎn)M1表示著對稱中心線的位置，當(dāng)頂桿隨 n形雙金屬片受熱變形而移動(dòng)時(shí)，頂桿在 CCD光敏面上像的凹 陷也隨之移動(dòng)，至 M2點(diǎn)。設(shè)物鏡橫向放大系數(shù)為3 , CCD光敏面上光強(qiáng)凹陷移動(dòng)了L,那么頂桿的電動(dòng)程x為Lx(9.37)又設(shè)CCD像元之間的中心距L=N t(9.38)式中，N為M1 M 2之間的像元數(shù)量。(a). a D b.b o I Mioi a iTB 0Meo'S(JUt j(b)圖9-31電動(dòng)程測量裝置原理圖只要測出CCD光敏面上光強(qiáng)凹陷中點(diǎn)移動(dòng)所對應(yīng)的CCD像元數(shù)N,即可測量出n形雙金屬片的電動(dòng)程。電