几种新型传感器简介

1第九章几种新型传感器简介第三讲电荷耦合器件（CCD）教学目的要求：1.了解CCD的结构原理。2.了解CCD的应用教学重点：CCD的结构原理和CCD的应用教学难点：CCD的结构原理教学学时：2学时教学内容：一、CCD的工作原理（a）MOS光敏元结构(b)光生电子图9-26CCD单元结构1．工作原理组成CCD的基本单元是MOS光敏元，如图9-26（a）所示。在图9-26中，金属电极为栅极。SiO2氧化层为电介质，下极板为P-Si半导体。当栅极加上正向电压，并且衬底接地时，在电场力作用下，靠近氧化层的P型硅区的空穴被排斥，或者说被“耗尽”，形耗尽区沟阻氧化物sio2P-si少数载流子金属+势阱信号电荷界面势2成一个耗尽区，它对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称之为“势阱”，这种状态是瞬时的。如果此时有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生电子—空穴对，由此产生的光生电子被附近的势阱所吸收，形成电荷包。而空穴则被电场排斥出耗尽区，该状态是稳定的。图9-26（a）为已存储信号电荷—光生电子的形象示意图。实际上，电荷存在于SiO2—Si界面处，而非从所谓势阱底向上堆积。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。这样一个MOS光敏元叫做一个像素，用来收集若干光生电荷的一个势阱叫做一个电荷包。在同一P型衬底连续生成的氧化层上沉积的金属电极相互绝缘，相邻电极仅有极小间距（沟阻），保证相邻势阱耦合及电荷转移。相互独立的MOS光敏元有几百至数千个，若在金属电极上施加一个正阶跃电压，就形成几百至几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图像，那么就生成一幅与光强成正比的电荷图像。以上就是光生电荷的存储过程—光敏元的工作原理。2．CCD的电荷转移在CCD中，电荷是怎样转移的呢？多个MOS光敏元依次相邻排列，相邻间距极小，耗尽区可以重叠，即发生势阱“耦合”。势阱中的电子将在互相耦合的势阱间流动，流动的方向决定于势阱的深浅。这样，就可以有控制地将电荷从一个金属电极下转移到另一个金属电极下。信息电荷。各组中的信息电荷同时定向传送，互不干扰。图9-27CCD原理示意图图9-28电荷转移过程3．CCD的输入—输出结构完整的CCD结构还应包括电荷注入和电荷输出。CCD电荷的注入通常有光电注入、电注入和热注入等不同方式，图9-27（a）采用的是电注入方式，即电荷由一个特设的PN(a)t=t1φ1φ3φ3φ2(d)t=t4(b)t=t2(c)t=t3φ3φ3φ3φ3φ1φ2φ2φ1φ3φ3φ1φ2(a)φ1b1IGa1φ3φ2IDc2c1b2a3a2P-sit1t2t3t4（b）sio2ODOGc3b3φ2φ3φ1NN3结二极管（ID为其电极）注入CCD中。在第一个电极与PN结二极管之间加输入端控制栅IG，当IG接入正电压时，通过PN结注入衬底的电子进入第一个电极下的势阱中，并在三相时钟作用下向右转移下去。4．CCD的特性参数CCD器件的物理性能可以用特性参数描述，它的特性参数可分为内部参数和外部参数两类，内部参数描述的是与CCD储存和转移信号电荷有关的特性（或能力），是器件理论设计的重要依据；外部参数描述的是CCD应用有关的性能指标，是应用器件必不可少的。（1）电荷转移效率和转移损失率电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。如果上一电极中原有的信号电荷量为0Q，转移到下一个电极下的信号电荷量为1Q，两者的比值称为转移效率，用η表示,即η=01QQ×100%在电荷转移过程中，没有被转移的电荷量设为Q（Q=1Q－0Q），Q与原信号电荷之比记作ε，即ε=%1000QQ=%100001QQQ（9.30）ε称为转移损失率。如果转移n个电极后，所剩下的信号电荷量为Qn，那么，总转移效率为nn0n)1(—QQ（9.31）（2）工作频率由于CCD器件是工作在MOS的非平衡状态，所以驱动脉冲频率的选择就显得十分重要。频率太低，热激发的少数载流子过多地填入势阱，从而降低了输出信号的信噪比；信号频率太高，又会降低总转移率，减少了信号幅值，同样降低了信噪比。为了避免热激发所产生的少数载流子对信号电荷的影响，信号电荷从一个电极转移到另一个电极的转移时间1t必须小于少数载流子的寿命τ。对于三相CCD，一个电极的转移时间内需要完成三相驱动脉冲周期TL，因此，可以推算出各相的驱动脉冲工作频率下限值fL为1LL33tTf＜τ4所以Lf＞3（9.32）另一方面，如果驱动脉冲的工作频率下限fL取得太高，又会导致部分电荷来不及转移而使转移损失率增大。假定达到要求转移率η所需的转移时间为t2,则给予信号电荷从一个电极转移到另一个电极的转移时间Th应大于或等于t2。以三相CCD为例，根据转移时间Th可以推算出驱动脉冲的工作频率的上限fhhh313fT≥2t所以hf≤231t（9.33）CCD器件的工作频率应选择在一下限fL和上限fh之间。（3）电荷储存容量CCD的电荷储存容量表示在电极下的势阱中能容纳的电荷量。由前面的分析可知，CCD是由一系列的MOS电容构成的，它对电荷的存储能力可以近似地当作电容对电荷的存储来分析。最大电荷储存容量可表示为dqAUqUCNds0GGoxmax（9.34）式中oxC——SiO2层的电容；GU——时钟脉冲高低电平的变化幅度；dA——栅极面积；d——SiO2层的厚度；0——真空介电常数；s——SiO2介质介电常数；q——电荷量。（4）灵敏度灵敏度定义为入射在CCD像元上的单位能流密度σ所产生的输出电压Us的大小之比即5sVUS（9.35）（5）分辨率CCD是由离散的像元组成的，在一定的测试条件下，它能传感的景物光学信息的最小空间分布，称为分辨率，用Tx表示。设CCD像元精密排列，像素中心间距为t，则器件的极限分辨率为2t。（6）光谱响应CCD的光谱响应是指器件在相同光能量照射下，输出的电压Us与光波长λ之间的关系，光谱响应率由器件光敏区材料决定。光谱响应随光波长的变化而变化的关系称为光谱响应函数（或曲线）。二、CCD的应用1．尺寸自动检测利用CCD测量尺寸这一几何量是CCD在测量领域中应用最早、最为成熟的实例之一，例如，测量拉丝过程中丝的线径、扎钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例，介绍CCD在几何尺寸测量方面的应用。在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生产过程进行调节，以便提高产品质量。设玻璃管的平均外径φ12mm.，壁厚1.2mm，要求测量精度为外径±0.1mm，壁厚为±0.05mm。我们可以利用CCD配合适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测，其测量原理图如图9-29（a）所示。用平行光照射待测玻璃管，经成像物镜将其像投射在CCD光敏像元阵列面上。由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管的图像将如图9-29（b）所示的那样，在边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强形成亮带。图9-29CCD视频信号玻璃管像的两条暗带最外的边界距离为玻璃管外径成像的大小，中间亮带反映了玻璃管内径像的大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。将该视频信号中的外径尺寸部分和壁厚部分进行二值化后，由计算机采集这两个尺寸所对应的时间间隔（例如脉冲计数值），经一定的运算便可得到待测玻璃管的尺寸及偏差。(a)平行光线玻璃管下壁厚上壁厚物镜CCD外径尺寸（b）CCD视频输出6设成像物镜的放大倍率为β，CCD的像元尺寸为t，上壁厚、下壁厚、外径尺寸的脉冲数（即像元个数）分别为n1、n2和N，则上壁厚d1、下壁厚d2、外径尺寸D分别为tnd11tnd22NtD（9.36）2．位移的测量图9-30π形双金属片对于汽车显示仪表来说，仪表的抗震能力是一个十分重要的性能指标，为了克服动圈式指示仪表抗震性能的不足，出现了如图9-30所示的π形双金属片，用它作为推动指针偏转的动力元件。当电流I通过电热丝2加热π形双金属片3时，双金属片3将产生弹性变形带动顶端的顶杆1产生近似的直线运动，顶杆的运动量x称为电致动程（简称电动程）。电动程x与电流I之间的变化关系是否满足设计要求是衡量仪表显示精度的重要因素，生产上需要对顶杆电动程进行矢时测量。π形双金属片最大电动程为3mm，最小微位移约为±0.004mm。假设设定测量仪器的测量范围为0～3.5mm，灵敏度在±0.003mm之间，测量误差确定为±0.1%，要求非接触在线测量。电动程测量装置原理图如图9-31所示。其中，电动程测量装置的光路如图9-31（a)所示。光源发出的光线经聚光镜成为平行光在顶杆上，由于顶杆材质非透明体（一般为铜质材料），物镜将顶杆所在平面成像CCD光敏面上，顶杆在CCD光敏面的像形成了如图9-31（b）所示的光强分布。光强在顶杆对应的位置有一凹陷，凹陷的中点1M表示着对称中心线的位置，当顶杆随π形双金属片受热变形而移动时，顶杆在CCD光敏面上像的凹陷也随之移动，至2M点。设物镜横向放大系数为β，CCD光敏面上光强凹陷移动了L，则顶杆的电动程x为Lx（9.37）又设CCD像元之间的中心距L=Nt（9.38）式中，N为1M—2M之间的像元数量。底座双金属片电热丝Ix顶杆7(a)(b)图9-31电动程测量装置原理图只要测出CCD光敏面上光强凹陷中点移动所对应的CCD像元数N，即可测量出π形双金属片的电动程。本节小结电荷耦合器件CCD是一种MOS晶体管的器件，它是利用内光电效应原理由单个光敏元构成的光传感器的集成化器件。它集电荷存储、移位和输出为一体，应用于成像技术、数据存储和信号处理等电路中。电荷耦合器件CCD的参数有两类，即内部参数和外部参数。主要技术指标是：（1）电荷转移效率和转移损失率；（2）工作频率；（3）电荷储存容量；（4）灵敏度；（5）分辨率；(6)光谱响应等。作业1、简述CCD电荷耦合器的工作原理。2、列举几个CCD应用的例子。光源聚光镜顶杆CCD物镜