1、第九章幾種新型傳感器簡介第三講電荷耦合器件(CCD)教學目的要求：1了解CCD的結構原理。2了解CCD的應用教學重點:CCD的結構原理和CCD的應用教學難點:CCD的結構原理教學學時:2學時教學內容:、CCD勺工作原理信號電荷界 面 勢勢阱(b)光生電子(a) MOS光敏元結構圖9-26 CCD單元結構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，下極板為P- Si半導體。當柵極加上正向電壓，并且襯底接地時，在電場力作用下，靠近氧化層的P型硅區的空穴被排斥，或者說被“耗盡，形成一個耗盡區，它對帶負電的電子而

2、言是一個勢能很低的區域，稱之為“勢阱，這種狀態是瞬時的。如果此時有光照射在硅片上，在光子作用下，半導體硅產生電子一空穴對， 由此產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， 該狀態是穩定的。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。勢阱內所吸收的光生電子數量 與入射到該勢阱附近的光強成正比。這樣一個MOS光敏元叫做一個像素，用來收集假設干光生電荷的一個勢阱叫做一個電荷包。在同一 P型襯底連續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移。相互

3、獨立的MOS光敏元有幾百至數千個，假設在金屬電極上施加一個正階躍電壓，就形成幾百至幾 千個相互獨立的勢阱。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的電荷轉移在CCD中，電荷是怎樣轉移的呢？多個MOS光敏元依次相鄰排列，相鄰間距極小，耗盡區可以重疊，即發生勢阱“耦合。勢阱中的電子將在互相耦合的勢阱間流動，流動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金屬電極下轉移到另一個 金屬電極下。信息電荷。各組中的信息電荷同時定向傳送，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電荷轉移過程3. CCD的輸入一輸出結構完整的CCD結構還應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，即電荷由一個特設的PN結二極管(ID為其電極)注入 CCD中。在第一個電極與 PN結二極管之間加輸入端控制 柵IG,當IG接入正電壓時，通過 PN結注入襯底的電子進入第一個電極下的勢阱中，并 在三相時鐘作用下向右轉移下去。4. CCD的特性參數C

5、CD器件的物理性能可以用特性參數描述，它的特性參數可分為內部參數和外部參數兩類，內部參數描述的是與 CCD儲存和轉移信號電荷有關的特性(或能力)，是器件理論設計的重要依據；外部參數描述的是CCD應用有關的性能指標，是應用器件必不可少的。(1)電荷轉移效率和轉移損失率電荷轉移效率是表征 CCD器件性能好壞的一個重要參數。如果上一電極中原有的信號電荷量為 Q，轉移到下一個電極下的信號電荷量為Q!，兩者的比值稱為轉移效率，用n表示，即Qin = $ x 100%Qo在電荷轉移過程中，沒有被轉移的電荷量設為QH ( Q =Q1 - Qo), Q'與原信號電荷=Q 100%QoQ0100%(9.

6、30)£稱為轉移損失率。如果轉移n個電極后，所剩下的信號電荷量為Qn,那么，總轉移效率為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，所以驅動脈沖頻率的選擇就顯得十分 重要。頻率太低，熱激發的少數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，又會降低總轉移率，減少了信號幅值，同樣降低了信噪比。為了防止熱激發所產生的少數載流子對信號電荷的影響，信號電荷從一個電極轉移到另一個電極的轉移時間 t1必須小于少數載流子的壽命 t。對于三相CCD，一個電極的轉移時間內需要完成三相驅動脈沖周期fL為Tl,因此，可以推算出各相的驅動脈沖

7、工作頻率下限值fL Wh <T所以(9.32)另一方面，如果驅動脈沖的工作頻率下限fL取得太高，又會導致局部電荷來不及轉移而使轉移損失率增大。假定到達要求轉移率 n所需的轉移時間為t2,那么給予信號電荷從一個 電極轉移到另一個電極的轉移時間Th應大于或等于t2。以三相CCD為例，根據轉移時間fh> t2Th可以推算出驅動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電容構成的，它對電

8、荷的存儲能力可以近似地當作電容對電荷的 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;SiO2介質介電常數;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信息的最小 空間分布，稱為分辨率，用Tx表示。設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CCD的光譜響應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系，光譜響應率由器件光敏區材料決定。光譜響應隨光波長的變化而變化的關系稱為光譜 響應函數(或曲線)。CCD的應用1 .尺寸自動檢測利用CCD測量尺寸這一幾何量是 CCD在測量領域中應用最早、最為成熟的實例之一， 例如，測量拉絲過程中絲的線徑、扎鋼的直徑、機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用。在熒光燈的玻璃管生產過程中，總是需要不斷測量玻璃管的外圓直徑及壁厚，并根據 監測結果對生產過程進行調節，以便提高產品質量。設玻璃

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配適宜當的光學系統，對玻璃管相關尺寸進行實時監測，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 分進行二值化后，由計算機采集這兩個尺寸所對應的時間間隔(例如脈沖計數值)，經一定的運算便可得到待測玻璃管的尺寸及偏差。設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(即像元個數)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十分重要的性能指標，為了克服動圈式指示儀表抗震性能的缺乏，出現了如圖9-30所示的n形雙金屬片，

12、用它作為推動指針偏轉的動力元件。當電流 I通過電熱絲2加熱n形雙金屬片3時，雙金屬片3將產生彈性變 形帶動頂端的頂桿1產生近似的直線運動，頂桿的運動量x稱為電致動程(簡稱電動程)。電動程x與電流I之間的變化關系是否滿足設計要求是衡量儀表顯示精度的重要因素，生 產上需要對頂桿電動程進行矢時測量。n形雙金屬片最大電動程為 3mm,最小微位移約為± 0.004mm。假設設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。電動程測量裝置原理圖如圖9-31所示。其中，電動程測量裝置的光路如圖9-31 (a)所示。光源發出的光線經

13、聚光鏡成為平行光在頂桿上，由于頂桿材質非透明體(一般為銅 質材料)，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)所示的光強分布。光強在頂桿對應的位置有一凹陷，凹陷的中點M1表示著對稱中心線的位置，當頂桿隨 n形雙金屬片受熱變形而移動時，頂桿在 CCD光敏面上像的凹 陷也隨之移動，至 M2點。設物鏡橫向放大系數為3 , CCD光敏面上光強凹陷移動了L,那么頂桿的電動程x為Lx(9.37)又設CCD像元之間的中心距L=N t(9.38)式中，N為M1 M 2之間的像元數量。(a). a D b.b o I Mioi a iTB 0Meo'S(JUt j(b)圖9-31電動程測量裝置原理圖只要測出CCD光敏面上光強凹陷中點移動所對應的CCD像元數N,即可測量出n形雙金屬片的電動程。電