几种新型传感器简介
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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:
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
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。
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=
1Q Q ×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
⨯'Q Q =
%1000
1⨯-Q Q Q (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Q n ,那么,总转移效率为
n
n
n )1(εη
—==Q Q (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T L ,因此,可以推算出各相的驱动脉冲工作频率下限值f L 为
1L L
33t T f ==<τ
所以
L f >
τ
3
(9.32) 另一方面,如果驱动脉冲的工作频率下限f L 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t 2,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T h 应大于或等于t 2。以三相CCD 为例,根据转移时间T h 可以推算出驱动脉冲的工作频率的上限f h
h
h 313f T =
≥2t
所以
h f ≤
2
31t (9.33)
CCD 器件的工作频率应选择在一下限f L 和上限f h 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 dq
A U q
U C N d
s 0G G
ox max εε∆=
∆= (9.34)
式中
ox
C ——SiO 2层的电容;
G U ∆——时钟脉冲高低电平的变化幅度; d A ——栅极面积;
d ——SiO 2层的厚度; 0ε——真空介电常数; s ε——SiO 2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U s 的大小之比即
σs
V U
S=(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T x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U s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φ12 mm.,壁厚1.2mm,要求测量精度为外径±0.1 mm,壁厚为±0.05 mm。
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