幾種新型傳感器簡(jiǎn)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(jiǎn)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(hào)電荷界 面 勢(shì)勢(shì)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(chǎng)力作用下，靠近氧化層的P型硅區(qū)的空穴被排斥，或者說(shuō)被“耗盡，形成一個(gè)耗盡區(qū)，它對(duì)帶負(fù)電的電子而

2、言是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域，稱之為“勢(shì)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(duì)， 由此產(chǎn)生的光生電子被附近的勢(shì)阱所吸收，形成電荷包。而空穴那么被電場(chǎng)排斥出耗盡區(qū)， 該狀態(tài)是穩(wěn)定的。圖9-26a為已存儲(chǔ)信號(hào)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(shì)阱底向上堆積。勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量 與入射到該勢(shì)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(lái)收集假設(shè)干光生電荷的一個(gè)勢(shì)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(shì)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(shì)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(chǔ)過(guò)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(shì)阱“耦合。勢(shì)阱中的電子將在互相耦合的勢(shì)阱間流動(dòng)，流動(dòng)的方向決定于勢(shì)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(guò)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(guò) PN結(jié)注入襯底的電子進(jìn)入第一個(gè)電極下的勢(shì)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(chǔ)存和轉(zhuǎn)移信號(hào)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(hào)電荷量為 Q，轉(zhuǎn)移到下一個(gè)電極下的信號(hào)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(guò)程中，沒(méi)有被轉(zhuǎn)移的電荷量設(shè)為QH ( Q =Q1 - Qo), Q'與原信號(hào)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(hào)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(guò)多地填入勢(shì)阱，從而降低了輸出信號(hào)的信噪比； 信號(hào)頻率太高，又會(huì)降低總轉(zhuǎn)移率，減少了信號(hào)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(duì)信號(hào)電荷的影響，信號(hào)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(duì)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(lái)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(hào)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(chǔ)存容量CCD的電荷儲(chǔ)存容量表示在電極下的勢(shì)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(duì)電

8、荷的存儲(chǔ)能力可以近似地當(dāng)作電容對(duì)電荷的 存儲(chǔ)來(lái)分析。最大電荷儲(chǔ)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)利用CCD測(cè)量尺寸這一幾何量是 CCD在測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用最早、最為成熟的實(shí)例之一， 例如，測(cè)量拉絲過(guò)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(cè)量為例，介紹CCD在幾何尺寸測(cè)量方面的應(yīng)用。在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過(guò)程中，總是需要不斷測(cè)量玻璃管的外圓直徑及壁厚，并根據(jù) 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(cè)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(duì)玻璃管相關(guān)尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其測(cè)量 原理圖如圖9-29 (a)所示。用平行光照射待測(cè)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(duì)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(hào)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(hào)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(duì)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(cè)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(cè)量對(duì)于汽車顯示儀表來(lái)說(shuō)，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(guò)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(jiǎn)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?jī)x表顯示精度的重要因素，生 產(chǎn)上需要對(duì)頂桿電動(dòng)程進(jìn)行矢時(shí)測(cè)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(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍為03.5mm，靈敏度在土 0.003mm之間，測(cè)量誤差確定為土 0.1%，要求非接觸在線測(cè)量。電動(dòng)程測(cè)量裝置原理圖如圖9-31所示。其中，電動(dòng)程測(cè)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(duì)應(yīng)的位置有一凹陷，凹陷的中點(diǎn)M1表示著對(duì)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L(zhǎng)x(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(cè)量裝置原理圖只要測(cè)出CCD光敏面上光強(qiáng)凹陷中點(diǎn)移動(dòng)所對(duì)應(yīng)的CCD像元數(shù)N,即可測(cè)量出n形雙金屬片的電動(dòng)程。電