新型传感器第三章电荷耦合器件精.ppt

新型传感器第三章电荷耦合器件第1页，本讲稿共55页精精彩彩图图片片欣欣赏赏（2）第2页，本讲稿共55页精精彩彩图图片片欣欣赏赏（3）第3页，本讲稿共55页精精彩彩图图片片欣欣赏赏（4）第4页，本讲稿共55页精精彩彩图图片片欣欣赏赏（5）第5页，本讲稿共55页精精彩彩图图片片欣欣赏赏（6）第6页，本讲稿共55页精精彩彩图图片片欣欣赏赏（7）第7页，本讲稿共55页精精彩彩图图片片欣欣赏赏（8）是谁将美丽是谁将美丽留驻留驻？第8页，本讲稿共55页 第一节第一节第一节第一节 CCD CCD的物理基础的物理基础的物理基础的物理基础 第二节第二节第二节第二节 CCD CCD工作原理工作原理工作原理工作原理 第三节第三节第三节第三节 CCD CCD器件器件器件器件 第四节第四节第四节第四节 CCD CCD的应用的应用的应用的应用 第第3章章 电荷耦合器件电荷耦合器件Charge Coupled DeviceCCD第9页，本讲稿共55页 电电荷荷耦耦合合器器件件（Charge Coupled DeviceCCD）是是按按照照一一定定规规律律排排列列的的 MOS电电容容器器阵阵列列组组成成的的移移位位寄寄存存器器，在在MOS电电容器容器阵列阵列加上输入、输出端，便构成了加上输入、输出端，便构成了CCD。第一节第一节 CCD CCD的物理基础的物理基础可以实现可以实现光电转换、信号储存、转移光电转换、信号储存、转移(传输传输)、输出、输出、处理处理以及电子快门等一系列功能。以及电子快门等一系列功能。金属SiO2p-SiVG1200-1500A第10页，本讲稿共55页具有以下一些具有以下一些特点特点：u一般特性：一般特性：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。u分辨率高：分辨率高：线阵线阵7000Pixel、分辨能力、分辨能力7 m，面阵，面阵40964096，整机分辨能力整机分辨能力1000线以上。线以上。u兼容性：兼容性：任选模拟、数字输出形式，与同步信号、任选模拟、数字输出形式，与同步信号、I/O接接口及微机兼容，组成高性能系统。口及微机兼容，组成高性能系统。u分类：分类：线阵和面阵器件。线阵和面阵器件。u光电特性：光电特性：灵敏度高、动态范围大。灵敏度灵敏度高、动态范围大。灵敏度0.01Lx，动，动态范围态范围106：1，信噪比，信噪比6070dB。第11页，本讲稿共55页一、稳态情况稳态情况MOS结构的物理性质结构的物理性质VG 01、VG0。金属电极上加负电压。金属电极上加负电压2、半导体表面的表面势、半导体表面的表面势VS 0，3、排斥电子、吸引空穴排斥电子、吸引空穴4、近表面处的空穴浓度增大。、近表面处的空穴浓度增大。多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态p-SiVGp-SiVG第12页，本讲稿共55页VG 0。nMOS状态的定性分析状态的定性分析(一一)u半导体表面内半导体表面内排斥空穴、吸排斥空穴、吸引电子引电子，形成负耗尽区。，形成负耗尽区。u耗尽区称为电子耗尽区称为电子“势阱势阱”。势阱深度就是指耗尽层的厚度。耗尽状态耗尽状态第13页，本讲稿共55页在 n型p型之间仍是耗尽层。nMOS状态的定性分析状态的定性分析(二二)弱反型弱反型VG Vth，u强电场将强电场将p中少子吸引中少子吸引到半导体表面。到半导体表面。u电子在电子在p型硅表面形成型硅表面形成n型薄型薄层，即层，即弱反型弱反型状态状态。第14页，本讲稿共55页MOS达到稳定状态。nMOS状态的定性分析状态的定性分析(三三)强反型uVG Vth 继续增大。u界面下电子浓度等于衬底受主浓度(多子浓度)，即强反型状态。第15页，本讲稿共55页 耗尽层的宽度保持其耗尽层的宽度保持其最大值不变。最大值不变。nMOS状态的定性分析状态的定性分析(四四)强反型强反型VG Vth，继续增大，继续增大u反型层内的电子数量增加，达反型层内的电子数量增加，达到最大值。到最大值。第16页，本讲稿共55页n反型层状态的定量分析反型层状态的定量分析u表面表面：MOS结构的衬底与氧化物之间的交界面；结构的衬底与氧化物之间的交界面；u出现出现“强反型强反型”的条件是表面势的条件是表面势VS为：为：式中：式中：NA 为为p-Si掺杂浓度；掺杂浓度；ni=(n0p0)1/2；n0、p0体内热平衡时的体内热平衡时的电子浓度和空穴浓度。电子浓度和空穴浓度。p-SiVGVS表面势表面势：表面的电动势vox第17页，本讲稿共55页理论上，VGVth就使 MOS结构形成强反型状态，实际中，还应考虑到所谓“平带电压”的存在。u从电路看，表面势从电路看，表面势VS为为-表面出现反型状态时对应的外加栅压VG,以Vth表示.Vth=VS+Voxp-SiVGVSvox其中：VS=VG-Vox阈值电压阈值电压：第18页，本讲稿共55页二、非稳态情况二、非稳态情况MOS结构的物理性质结构的物理性质u动态过程动态过程：施加栅压的：施加栅压的瞬间瞬间，半导体表面的空穴被排斥而形成耗尽区。反型层中电子来，半导体表面的空穴被排斥而形成耗尽区。反型层中电子来源主要是源主要是耗尽区耗尽区内内热激发热激发的电子空穴对的电子。的电子空穴对的电子。u从非平衡态的建立开始到达热平衡状态从非平衡态的建立开始到达热平衡状态（即稳态）需要一定的时间（即稳态）需要一定的时间-存贮时存贮时间间T。0：耗尽区少子寿命；：耗尽区少子寿命；ni：本征载流子浓度；：本征载流子浓度；NA：受主浓度：受主浓度第19页，本讲稿共55页u达热平衡之前，达热平衡之前，MOS结构中是结构中是空的电子势阱空的电子势阱。从表面一直到体内较深处（称。从表面一直到体内较深处（称深耗尽深耗尽）。）。u如果用如果用信号电子信号电子 QS注入势阱，势阱变浅；当表面势注入势阱，势阱变浅；当表面势VS下降至两倍费下降至两倍费 米电势米电势时，势阱时，势阱“充满充满”，不再能吸纳信号电子。，不再能吸纳信号电子。u非稳态时，非稳态时，VS大，势阱深。势阱所能容纳的最大电荷量近似为：大，势阱深。势阱所能容纳的最大电荷量近似为：QS=CoxVGAd第20页，本讲稿共55页第二节第二节 CCD CCD的工作原理的工作原理1、采用、采用单层单电极单层单电极，势阱对称。时钟脉冲控制电荷传输方向，防止电荷倒流。，势阱对称。时钟脉冲控制电荷传输方向，防止电荷倒流。一、一、CCD的电极结构的电极结构若干电极为一组构成一若干电极为一组构成一“位位”。每位有有独立的驱动时序，称作。每位有有独立的驱动时序，称作“相相”。电极结构分为二相、三相、四相三类。电极结构分为二相、三相、四相三类。2、为使电荷传输，采用、为使电荷传输，采用交叠电极结构交叠电极结构.三相电极结构三相电极结构：第21页，本讲稿共55页 2、这种二相电极结构减少时钟脉冲相数，、这种二相电极结构减少时钟脉冲相数，电路相对简单。电路相对简单。二相电极结构二相电极结构：氧化层厚度大或掺杂浓度高的地方氧化层厚度大或掺杂浓度高的地方势阱浅势阱浅，氧化层厚度薄或掺杂浓度低的地方氧化层厚度薄或掺杂浓度低的地方势阱深势阱深。1、施加电压后，形成、施加电压后，形成不对称的势阱不对称的势阱，第22页，本讲稿共55页二、二、CCD的电荷转移的电荷转移 1、三相、三相CCD的电荷转移的电荷转移第23页，本讲稿共55页 2、二相、二相CCD的电荷转移的电荷转移第24页，本讲稿共55页 3、CCD的电荷输出的电荷输出 （1）电流输出方式：电流输出方式：4、输出线性输出线性与输出二极管结电容大小有关，输出信噪比取决于体外放大与输出二极管结电容大小有关，输出信噪比取决于体外放大器。器。3、电荷转移到输出扩散结本质上是、电荷转移到输出扩散结本质上是无噪声无噪声的。的。2、电荷包进入、电荷包进入 3下后下后 3从高变低从高变低，VOG升高（同时提升了二极管的反向升高（同时提升了二极管的反向偏压），形成偏压），形成反向电流反向电流，通过负载电阻流入体外放大器。，通过负载电阻流入体外放大器。1、构成构成：输出栅：输出栅OG、输出反向二极、输出反向二极管、片外放大器。管、片外放大器。-+VBLPFC第25页，本讲稿共55页式中，式中，gm为为T1栅极与源极之间的跨导。栅极与源极之间的跨导。（2）电压输出方式）电压输出方式：在体外集成复位管在体外集成复位管T1和放大管和放大管T2。1、在、在 3下的势阱形成之前，下的势阱形成之前，加加 r，把浮置扩散区上一周期的，把浮置扩散区上一周期的剩余电荷通过剩余电荷通过T2的沟道抽走的沟道抽走。式中，式中，CFD为浮置扩散节点上的总电容。为浮置扩散节点上的总电容。所有的单元做在同一衬底上，抗噪声性能比电流输出好。所有的单元做在同一衬底上，抗噪声性能比电流输出好。voutT2voutT1rVcc浮置扩散放大器浮置扩散放大器:原理原理:2、当信号电荷到来时，、当信号电荷到来时，T1截止，信号电荷控制截止，信号电荷控制T2的栅极电位：的栅极电位：Vout=Qs/CFD3、在输出端获得的放大了的信号电压为、在输出端获得的放大了的信号电压为第26页，本讲稿共55页 4、CCD的特性参数的特性参数没有被转移没有被转移Q（=Q1-Q0）与原有）与原有Q0之比值，称作之比值，称作转移转移损失率损失率。电荷转移效率电荷转移效率及及电荷转移损失率电荷转移损失率1)、定义：定义：当前电极下当前电极下Q1与上一电极与上一电极Q0的比值，称作的比值，称作转移效率转移效率。第27页，本讲稿共55页 4、CCD的特性参数的特性参数2)、计算式：计算式：如果如果总转移效率总转移效率太低，太低，CCD器件就失去实用价值。因为，如器件就失去实用价值。因为，如果果 一定，那么器件的一定，那么器件的位数位数就受到限制。就受到限制。如果转移如果转移 n个电极后，所剩下的信号电荷量为个电极后，所剩下的信号电荷量为Qn，那么，总转移效率为：那么，总转移效率为：Qn/Q0=n=()n e-n结论结论：第28页，本讲稿共55页2、计算式：计算式：N/fL（or）fL N/（相数（相数 N=2、3、4）工作频率工作频率f太高，会降低总转移效率，同样降低了信噪比。太高，会降低总转移效率，同样降低了信噪比。CCD器件的工作频率应选择在器件的工作频率应选择在fL 和和fh之间。之间。1、定义：、定义：信号电荷从一个电极转移到另一个电极的频率信号电荷从一个电极转移到另一个电极的频率 f，包括上，包括上限频率及下限频率。限频率及下限频率。f 太低，热激发的少子过多填入势阱，降低输出信号的信噪比。太低，热激发的少子过多填入势阱，降低输出信号的信噪比。Th/3=1/(3fh)tm（or）fh(3tm)-1（相数（相数 N=2、3、4）工作频率的上限工作频率的上限fh：工作频率下限工作频率下限fL：结论结论：第29页，本讲稿共55页 2、计算式计算式：Nmax=Cox VGAd/q=VG 0 sAd2/dq一定栅极电压作用下，势阱中能容纳的最大电荷量一定栅极电压作用下，势阱中能容纳的最大电荷量电荷贮存容量电荷贮存容量可以近似地当作电容对电荷的存储来分析可以近似地当作电容对电荷的存储来分析Qs=Cox VGAd式中，式中，VG 为时钟脉冲变化幅值；为时钟脉冲变化幅值；Cox为为SiO2层的电容；层的电容；Ad为栅电极面积。为栅电极面积。如果如果SiO2氧化层的厚度为氧化层的厚度为d，则势阱中最大电荷贮存容量为：，则势阱中最大电荷贮存容量为：1、定义、定义：举例举例第30页，本讲稿共55页设电极下氧化层厚度设电极下氧化层厚度 d1500nm，VG10V，s=3.9,08.8510-2pF/cm、q=1.61019C、Ad1cm2。计算得计算得Nmax=7106，可容纳可容纳1000 Lx 的光照射的光照射2ns所产生的载流子所产生的载流子电荷贮存容量电荷贮存容量3、举例：、举例：第31页，本讲稿共55页 入射在入射在CCD象元上的单位能流密度象元上的单位能流密度 所产生的所产生的输出输出电压电压Vs的大小，用的大小，用SV表示。表示。灵敏度灵敏度2、计算式：计算式：1、定义：、定义：第32页，本讲稿共55页1、定义定义：在一定的测试条件下，：在一定的测试条件下，CCD能传感的景物光学信息能传感的景物光学信息的最小空间分布，用的最小空间分布，用Tx表示。表示。2、计算式计算式：设设CCD像元精密排列，象素中心间距像元精密排列，象素中心间距t，则器，则器件的极限分辨率件的极限分辨率 Tx=2t。分辨率分辨率第33页，本讲稿共55页1、定义定义：指器件在相同光能量照射下，输出的电压指器件在相同光能量照射下，输出的电压Vs与光波长与光波长 之间的关系。之间的关系。光谱响应随光波长的变化而变化的关系称为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光谱响应函数光谱响应光谱响应2、光谱响应率由、光谱响应率由器件光敏区器件光敏区材料决定。材料决定。第34页，本讲稿共55页第三节第三节 CCD CCD器件器件一、典型的一、典型的CCD结构结构单沟道线阵单沟道线阵CCD结构结构移位寄存器CCD转移栅光栅光敏元输出第35页，本讲稿共55页第36页，本讲稿共55页双沟道线阵双沟道线阵CCD结构结构第37页，本讲稿共55页帧转移CCD结构行间转移CCD结构摄像器件摄像器件第38页，本讲稿共55页二、典型的二、典型的CCD器件及其驱动器件及其驱动TCD142D型型CCD5、像元结构像元结构：2110个光敏像元阵列个光敏像元阵列,62个哑元（前个哑元（前51个、后个、后 11个个)双沟道双沟道性能参数性能参数：1、象素象素(象元象元)：2048位线阵位线阵2、相数相数：二相二相。3、像元尺寸像元尺寸：14 m，光敏阵列总长，光敏阵列总长28672 m 4、引脚引脚：1A、2A、1B、2B均为时钟端、均为时钟端、SH为移动栅、为移动栅、RS 为复位栅为复位栅,OS为移动栅、为移动栅、DOS为补偿输出端、为补偿输出端、OD为电源端、为电源端、SS为接地端、为接地端、NC空闲。空闲。第39页，本讲稿共55页TCD142D驱驱 动动 波波 形形6、RS复位一次输出一个光电信号。复位一次输出一个光电信号。DOS端是补偿输出单元的输出端，用于检取驱动脉冲端是补偿输出单元的输出端，用于检取驱动脉冲 对输出电路的容性干扰信号，若将对输出电路的容性干扰信号，若将OS和和 DOS分别送到差分分别送到差分放大器的两个输入端，则在输出端将得到被放大的没有驱动脉冲干扰的光电信号。放大器的两个输入端，则在输出端将得到被放大的没有驱动脉冲干扰的光电信号。1、SH为同步脉冲为同步脉冲，B时段，时段，光敏区与光敏区与移位寄存器之间的势阱沟通，信号电荷转移至移位寄存器之间的势阱沟通，信号电荷转移至 l 电极下。电极下。2、C时段，隔离时段，隔离光敏区光敏区与移位寄存器之间的势阱沟通。与移位寄存器之间的势阱沟通。3、随后，、随后，l 与与 2交替变化，信号电荷顺序转移，经由交替变化，信号电荷顺序转移，经由OS引脚输出。引脚输出。4、输出：、输出：12个虚设脉冲（结构上的原因）个虚设脉冲（结构上的原因）51个暗电流脉冲个暗电流脉冲 2048个信号脉冲个信号脉冲 11个暗电流脉冲（共个暗电流脉冲（共12+51+2048+11=2122个脉冲）个脉冲）多余无信号脉冲。多余无信号脉冲。5、该器件是两列并行传输，在一个、该器件是两列并行传输，在一个 SH 周期中至少要有周期中至少要有1061个个 1脉冲，即脉冲，即TSH1061T1。第40页，本讲稿共55页T C D 1 4 2 D驱驱 动动 电电 路路三、CCD器件的选择（自学）第41页，本讲稿共55页第四节第四节 CCD CCD的应用的应用一、尺寸测量一、尺寸测量测量精度：外径测量精度：外径0.1mm 壁厚壁厚0.05mm设计思想（）设计指标设计指标玻璃管平均外径：玻璃管平均外径：12mm 壁厚：壁厚：1.2mm第42页，本讲稿共55页根据根据CCD测量灵敏度的需要，测量灵敏度的需要，0.04mm要大于要大于2个个 CCD光敏像素的空间尺寸，选光敏像素的空间尺寸，选择择TCD132D（光敏区长（光敏区长102414m=14.336mm）。）。则：则：d1=n1t/d2=n2t/D=Nt/光学参数计算光学参数计算设：物镜放大率：设：物镜放大率：象元尺寸：象元尺寸：t上壁厚：上壁厚：d1，脉冲数，脉冲数n1下壁厚：下壁厚：d2，脉冲数，脉冲数n2外径尺寸：，脉冲数：外径尺寸：，脉冲数：N选择远心光路的放大率选择远心光路的放大率 为为0.8倍，则：倍，则：玻璃管的像大小为：玻璃管的像大小为：9.6mm外径及壁厚测量精度要求反应在像面上为：外径及壁厚测量精度要求反应在像面上为：0.08mm及及 0.04mm。第43页，本讲稿共55页二、位移测量二、位移测量设计思想设计思想（）设计指标：设计指标：最大电动程：最大电动程：3mm最小微位移：最小微位移：0.004mm测量仪器设计确定：测量仪器设计确定：测量范围：测量范围：03.5mm灵敏度：灵敏度：0.003mm测量误差：测量误差：0.1非接触在线测量非接触在线测量第44页，本讲稿共55页式中：式中：N为为M1M2之间的象素数量。之间的象素数量。L=(LBa-LBa)+0.5(Wab-Wab)L=(NL-NL)+0.5(NW-NW)分析分析设：放大系数设：放大系数 CCD面上光强凹陷移动面上光强凹陷移动L，则：顶杆的电动程，则：顶杆的电动程x=L/又设又设CCD单元象素宽度为单元象素宽度为t,则：则：L=Nt第45页，本讲稿共55页计数电路计数电路当当SOUT为为高高电电平平时时，计计数数器器开开始始对对 M计计数数，直直至至SOUT为为低电平止。低电平止。以以 SH为标志，为标志，SH出现起延时固定时间，由计算机输出出现起延时固定时间，由计算机输出 r，开启，开启4040对对 M计数，直至计数，直至SOUT出现。出现。记录记录NL：记录记录NW ：第46页，本讲稿共55页三三、信号的二值化、信号的二值化第47页，本讲稿共55页第48页，本讲稿共55页三、数码相机成像三、数码相机成像第49页，本讲稿共55页远心光路远心光路物方远心光路象方远心光路第50页，本讲稿共55页1、当VG0时，半导体的能带并不是平的，而是向上有所弯曲。平平 带带 电电 压压1、为了使能带变平，需要附加一定的电压，这个电压称平带电压，用 VFB表示。2、这是由于界面处有一定的正电荷存在，在氧化物中有可移动的电荷，界面处的能带稍向上弯曲。2、考虑到VFB，栅极上所加的电压必须是VG (Vth+VFB)。第51页，本讲稿共55页CCD的电荷转移的电荷转移每一象素（象元）含有若干CCD电极第52页，本讲稿共55页第53页，本讲稿共55页v图像传感技术给汽车装上眼睛图像传感技术给汽车装上眼睛（1）v目前的汽车系统都是通过超声波传感器来计算距离的，比如可以在司机倒车的时候对障碍物进行报警。因为雷达和激光雷达传感器成本高昂，所以，成本较低的相机传感器就更为了众商家积极研究和开发的领域。能够探视车的前方，跟定车道线，探视四周并识别限速标志，图像传感技术在汽车上的应用。汽车四周：汽车四周：1.后视相机。2.转向辅助功能：当转向灯亮的时候，位于侧镜周围的图像识别器就能够自动扫描到周围的车辆。如果检测到其他车辆的存在，图像识别器就会发出报警。3.夜间识别：汽车的前灯大概能够照亮汽车前方100米左右的距离。使用先进的红外线技术后，图像识别器能够识别更远的具体物体。汽车内部：汽车内部：1.乘客识别：通过汽车内部的图像识别器和体重识别器，2.安全警示：图像识别器可以根据驾驶员的头部动作、眨眼睛频率等来分辨司机的疲劳程度。警示。3.智能气囊：可以通过座位上乘客的身材来判定是否打开气囊甚至控制气囊打开的程度，虽然，从目前来看，图像传感技术还只是在某些奢侈汽车上得以应用，但是我们期待着该技术能够早日普及，惠及普通百姓。链链 接接:CMOS图像传感器的优势图像传感器的优势 1.成本低廉且易被集成 不同于CCD传感器，CMOS图像传感器基本可以在任何生产芯片的工厂生产。2.耗电量小，电池寿命长 积极像素传感器的耗电量很小，对于依赖电源的便捷式外设来讲，是非常具有优势的。第54页，本讲稿共55页1、什么是什么是电荷耦合器件电荷耦合器件？它能？它能实现哪些实现哪些功能？功能？2、电荷耦合器件的电荷耦合器件的敏感器件是什么？敏感器件是什么？4、CCDCCD器件的构成有哪些？器件的构成有哪些？3、CCD是如何实现电荷转移是如何实现电荷转移?第三章习题与思考第三章习题与思考第55页，本讲稿共55页