1、會(huì)計(jì)學(xué)1新型新型(xnxng)傳感器傳感器c電荷耦合器件電荷耦合器件第一頁(yè)，共54頁(yè)。精彩圖片欣賞（3）第1頁(yè)/共54頁(yè)第二頁(yè)，共54頁(yè)。精彩圖片欣賞（4）第2頁(yè)/共54頁(yè)第三頁(yè)，共54頁(yè)。精彩圖片欣賞（5）第3頁(yè)/共54頁(yè)第四頁(yè)，共54頁(yè)。精彩圖片欣賞(xnshng)（6）第4頁(yè)/共54頁(yè)第五頁(yè)，共54頁(yè)。精彩圖片欣賞(xnshng)（7）第5頁(yè)/共54頁(yè)第六頁(yè)，共54頁(yè)。精彩圖片欣賞（8）是誰(shuí)將美麗(mil)留駐？第6頁(yè)/共54頁(yè)第七頁(yè)，共54頁(yè)。第3章 電荷(dinh)耦合器件Charge Coupled DeviceCCD第7頁(yè)/共54頁(yè)第八頁(yè)，共54頁(yè)。 電荷耦合器件（Charge

2、Coupled DeviceCCD）是按照一定規(guī)律排列的 MOS電容器陣列組成(z chn)的移位寄存器，在MOS電容器陣列加上輸入、輸出端，便構(gòu)成了CCD。第一節(jié) CCD的物理(wl)基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)(shxin)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移(傳輸)、輸出、處理以及電子快門(mén)等一系列功能。金屬SiO2p-SiVG1200-1500A第8頁(yè)/共54頁(yè)第九頁(yè)，共54頁(yè)。具有以下一些(yxi)特點(diǎn)：u一般(ybn)特性：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)。u分辨率高：線陣7000Pixel、分辨能力(nngl)7m，面陣40964096，整機(jī)分辨能力(nngl)1000線以上。u兼容性：任選模擬、數(shù)字

3、輸出形式，與同步信號(hào)、I/O接口及微機(jī)兼容，組成高性能系統(tǒng)。u分類(lèi)：線陣和面陣器件。u光電特性：靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大。靈敏度0.01Lx，動(dòng)態(tài)范圍106：1，信噪比6070dB。第9頁(yè)/共54頁(yè)第十頁(yè)，共54頁(yè)。一、穩(wěn)態(tài)情況(qngkung)MOS結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)VG 01、VG0。金屬電極上加負(fù)電壓(diny)2、半導(dǎo)體表面(biomin)的表面(biomin)勢(shì)VS 0，3、排斥電子、吸引空穴4、近表面處的空穴濃度增大。多數(shù)載流子堆積狀態(tài)p-SiVGp-SiVG第10頁(yè)/共54頁(yè)第十一頁(yè)，共54頁(yè)。VG 0。nMOS狀態(tài)(zhungti)的定性分析(一)u半導(dǎo)體表面內(nèi)排斥空穴、吸引(xyn)

4、電子，形成負(fù)耗盡區(qū)。u耗盡區(qū)稱(chēng)為電子(dinz)“勢(shì)阱”。勢(shì)阱深度就是指耗盡層的厚度。耗盡狀態(tài)第11頁(yè)/共54頁(yè)第十二頁(yè)，共54頁(yè)。在 n型p型之間仍是耗盡層。nMOS狀態(tài)(zhungti)的定性分析(二)弱反型VG Vth，u強(qiáng)電場(chǎng)(din chng)將p中少子吸引到半導(dǎo)體表面。u電子(dinz)在p型硅表面形成n型薄層，即弱反型狀態(tài) 。第12頁(yè)/共54頁(yè)第十三頁(yè)，共54頁(yè)。MOS達(dá)到穩(wěn)定(wndng)狀態(tài)。nMOS狀態(tài)(zhungti)的定性分析(三)強(qiáng)反型uVG Vth u繼續(xù)(jx)增大。u界面下電子濃度等于襯底受主濃度(多子濃度)，即強(qiáng)反型狀態(tài)。第13頁(yè)/共54頁(yè)第十四頁(yè)，共54頁(yè)。

5、 耗盡層的寬度(kund)保持其最大值不變。nMOS狀態(tài)(zhungti)的定性分析(四)強(qiáng)反型VG Vth ，繼續(xù)(jx)增大u反型層內(nèi)的電子數(shù)量增加，達(dá)到最大值。第14頁(yè)/共54頁(yè)第十五頁(yè)，共54頁(yè)。n反型層狀態(tài)(zhungti)的定量分析)ln(2iASnNqkTV u表面(biomin)：MOS結(jié)構(gòu)的襯底與氧化物之間的交界面；u出現(xiàn)“強(qiáng)反型”的條件(tiojin)是表面勢(shì)VS為：式中：NA 為p-Si摻雜濃度；ni =(n0p0)1/2； n0 、 p0體內(nèi)熱平衡時(shí)的電子濃度和空穴濃度。p-SiVGVS表面勢(shì)：表面的電動(dòng)勢(shì)vox第15頁(yè)/共54頁(yè)第十六頁(yè)，共54頁(yè)。理論上，VGVth就

6、使 MOS結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)反型狀態(tài)，實(shí)際(shj)中 ，還應(yīng)考慮到所謂“平帶電壓”的存在。)ln(41)ln(20iAAsoxiAnNkTNCnNqkT)ln(410iAAsoxOXnNkTNCVu從電路(dinl)看，表面勢(shì)VS為-表面出現(xiàn)反型狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)(duyng)的外加?xùn)艍篤G,以Vth表示.Vth = VS + Voxp-SiVGVSvox其中：VS = VG - Vox閾值電壓：第16頁(yè)/共54頁(yè)第十七頁(yè)，共54頁(yè)。二、非穩(wěn)態(tài)情況MOS結(jié)構(gòu)(jigu)的物理性質(zhì)u 動(dòng)態(tài)過(guò)程：施加?xùn)艍旱乃查g，半導(dǎo)體表面的空穴被排斥而形成耗盡區(qū)。反型層中電子來(lái)源主要(zhyo)是耗盡區(qū)內(nèi)熱激發(fā)的電子空穴對(duì)的電

7、子。 02iAnNTu從非平衡態(tài)的建立(jinl)開(kāi)始到達(dá)熱平衡狀態(tài)（即穩(wěn)態(tài)）需要一定的時(shí)間-存貯時(shí)間T。0：耗盡區(qū)少子壽命；ni：本征載流子濃度；NA：受主濃度第17頁(yè)/共54頁(yè)第十八頁(yè)，共54頁(yè)。u 達(dá)熱平衡之前，MOS結(jié)構(gòu)中是空的電子勢(shì)阱。從表面一直到體內(nèi)(t ni)較深處（稱(chēng)深耗盡）。u如果用信號(hào)電子QS注入勢(shì)阱，勢(shì)阱變淺；當(dāng)表面勢(shì)VS下降(xijing)至兩倍費(fèi) 米電勢(shì)時(shí)，勢(shì)阱“充滿”，不再能吸納信號(hào)電子。u非穩(wěn)態(tài)時(shí)，VS大，勢(shì)阱深。勢(shì)阱所能容納的最大電荷(dinh)量近似為：QS = CoxVGAd第18頁(yè)/共54頁(yè)第十九頁(yè)，共54頁(yè)。第二節(jié) CCD的工作(gngzu)原理1、采用

8、單層單電極，勢(shì)阱對(duì)稱(chēng)。時(shí)鐘脈沖控制電荷傳輸方向(fngxing)，防止電荷倒流。一、CCD的電極(dinj)結(jié)構(gòu)若干電極為一組構(gòu)成一“位”。每位有有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，稱(chēng)作“相”。電極結(jié)構(gòu)分為二相、三相、四相三類(lèi)。2、為使電荷傳輸，采用交疊電極結(jié)構(gòu). 三相電極結(jié)構(gòu)：第19頁(yè)/共54頁(yè)第二十頁(yè)，共54頁(yè)。 2、這種二相電極結(jié)構(gòu)減少時(shí)鐘脈沖相數(shù)，電路相對(duì)(xingdu)簡(jiǎn)單。二相電極(dinj)結(jié)構(gòu)：氧化層厚度大或摻雜濃度高的地方(dfng)勢(shì)阱淺，氧化層厚度薄或摻雜濃度低的地方(dfng)勢(shì)阱深。1、施加電壓后，形成不對(duì)稱(chēng)的勢(shì)阱，第20頁(yè)/共54頁(yè)第二十一頁(yè)，共54頁(yè)。二、CCD的電荷轉(zhuǎn)移 1、三相

9、(sn xin)CCD的電荷轉(zhuǎn)移第21頁(yè)/共54頁(yè)第二十二頁(yè)，共54頁(yè)。 2、二相CCD的電荷轉(zhuǎn)移第22頁(yè)/共54頁(yè)第二十三頁(yè)，共54頁(yè)。 3、CCD的電荷(dinh)輸出 （1） 電流輸出(shch)方式：4、輸出線性與輸出二極管結(jié)電容大小(dxio)有關(guān)，輸出信噪比取決于體外放大器。3、電荷轉(zhuǎn)移到輸出擴(kuò)散結(jié)本質(zhì)上是無(wú)噪聲的。2、電荷包進(jìn)入3下后 3從高變低 ，VOG升高（同時(shí)提升了二極管的反向偏壓），形成反向電流，通過(guò)負(fù)載電阻流入體外放大器。1、構(gòu)成：輸出柵OG、輸出反向二極管、片外放大器。-+VBLPFC第23頁(yè)/共54頁(yè)第二十四頁(yè)，共54頁(yè)。式中，gm為T(mén)1柵極(shn j)與源極之間

10、的跨導(dǎo)。（2）電壓(diny)輸出方式：在體外集成復(fù)位(f wi)管T1和放大管T2。1、在3下的勢(shì)阱形成之前， 加 r，把浮置擴(kuò)散區(qū)上一周期的剩余電荷通過(guò)T2的溝道抽走。式中，CFD為浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上的總電容。所有的單元做在同一襯底上，抗噪聲性能比電流輸出好。LmLmoutoutRgRgVV1/voutT2voutT1rVcc浮置擴(kuò)散放大器:原理:2、當(dāng)信號(hào)電荷到來(lái)時(shí)，T1截止，信號(hào)電荷控制T2的柵極電位：Vout = Qs / CFD3、在輸出端獲得的放大了的信號(hào)電壓為第24頁(yè)/共54頁(yè)第二十五頁(yè)，共54頁(yè)。 4、CCD的特性(txng)參數(shù)沒(méi)有(mi yu)被轉(zhuǎn)移Q（=Q1-Q0）與原有Q

11、0之比值，稱(chēng)作轉(zhuǎn)移損失率。電荷轉(zhuǎn)移效率(xio l)及電荷轉(zhuǎn)移損失率1)、定義：當(dāng)前電極下Q1與上一電極Q0的比值，稱(chēng)作轉(zhuǎn)移效率。 第25頁(yè)/共54頁(yè)第二十六頁(yè)，共54頁(yè)。 4、CCD的特性(txng)參數(shù)2)、計(jì)算(j sun)式：如果總轉(zhuǎn)移效率太低， CCD器件(qjin)就失去實(shí)用價(jià)值。因?yàn)椋绻欢ǎ敲雌骷?qjin)的位數(shù)就受到限制。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：Qn / Q0 = n = ( )n e -n結(jié)論：第26頁(yè)/共54頁(yè)第二十七頁(yè)，共54頁(yè)。2 、 計(jì) 算 ( j sun)式：N / f L （or） f L N / （相數(shù) N =

12、 2、3、4）工作頻率f太高，會(huì)降低總轉(zhuǎn)移效率(xio l)，同樣降低了信噪比。CCD器件(qjin)的工作頻率應(yīng)選擇在fL 和fh 之間。1、定義：信號(hào)電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的頻率 f，包括上限頻率及下限頻率。f 太低，熱激發(fā)的少子過(guò)多填入勢(shì)阱，降低輸出信號(hào)的信噪比。Th / 3=1/(3 f h ) tm （or） fh (3 tm)-1 （相數(shù) N = 2、3、4）工作頻率的上限fh：工作頻率下限f L ：結(jié)論：第27頁(yè)/共54頁(yè)第二十八頁(yè)，共54頁(yè)。 2、計(jì)算(j sun)式： Nmax= Cox VG Ad / q = V G 0 s Ad2 / dq一定柵極電壓(diny)

13、作用下，勢(shì)阱中能容納的最大電荷量電荷(dinh)貯存容量可以近似地當(dāng)作電容對(duì)電荷的存儲(chǔ)來(lái)分析Qs = Cox VG Ad式中，VG 為時(shí)鐘脈沖變化幅值；Cox為SiO2層的電容；Ad為柵電極面積。如果SiO2氧化層的厚度為d，則勢(shì)阱中最大電荷貯存容量為：1、定義：舉例第28頁(yè)/共54頁(yè)第二十九頁(yè)，共54頁(yè)。設(shè)電極下氧化(ynghu)層厚度 d1500nm， VG10V，s =3.9,08.8510-2pF/cm、q=1.61019C、Ad1cm2。計(jì)算得Nmax =7106 ，可容納1000 Lx 的光照射2ns所產(chǎn)生的載流子電荷(dinh)貯存容量3、舉例(j l)：第29頁(yè)/共54頁(yè)第三十

14、頁(yè)，共54頁(yè)。 入射在CCD象元上的單位能流密度所產(chǎn)生的輸出(shch)電壓Vs的大小，用SV表示。LmLmFDSSVRgRgCQVS11靈敏度2、計(jì)算(j sun)式：1、定義(dngy)：第30頁(yè)/共54頁(yè)第三十一頁(yè)，共54頁(yè)。1、定義(dngy)：在一定的測(cè)試條件下， CCD能傳感的景物光學(xué)信息的最小空間分布，用Tx表示。2、計(jì)算式：設(shè)CCD像元精密排列，象素中心間距t，則器件(qjin)的極限分辨率 Tx = 2t 。分辨率第31頁(yè)/共54頁(yè)第三十二頁(yè)，共54頁(yè)。1、定義： 指器件在相同光能量照射下，輸出的電壓(diny)Vs與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系。光譜響應(yīng)(xingyng)隨光波長(zhǎng)的變化

15、而變化的關(guān)系稱(chēng)為光譜響應(yīng)(xingyng)函數(shù)光譜(gungp)響應(yīng)2、光譜響應(yīng)率由器件光敏區(qū)材料決定。第32頁(yè)/共54頁(yè)第三十三頁(yè)，共54頁(yè)。第三節(jié) CCD器件(qjin)一、典型(dinxng)的CCD結(jié)構(gòu)單溝道(u do)線陣CCD結(jié)構(gòu)移位寄存器CCD轉(zhuǎn)移柵光柵光敏元輸出第33頁(yè)/共54頁(yè)第三十四頁(yè)，共54頁(yè)。第34頁(yè)/共54頁(yè)第三十五頁(yè)，共54頁(yè)。雙溝道線陣CCD結(jié)構(gòu)(jigu)第35頁(yè)/共54頁(yè)第三十六頁(yè)，共54頁(yè)。幀轉(zhuǎn)移(zhuny)CCD結(jié)構(gòu)行間轉(zhuǎn)移(zhuny)CCD結(jié)構(gòu)攝像器件第36頁(yè)/共54頁(yè)第三十七頁(yè)，共54頁(yè)。二、典型(dinxng)的CCD器件及其驅(qū)動(dòng)TCD142D型

16、CCD5、像元結(jié)構(gòu)(jigu)： 2110個(gè)光敏像元陣列,62個(gè)啞元（前51個(gè)、后 11個(gè)) 雙溝道性能參數(shù)：1、象素(象元)：2048位線陣2、相數(shù)：二相。3、像元尺寸： 14m，光敏陣列(zhn li)總長(zhǎng)28672m 4、引腳： 1A 、2A 、1B 、2B均為時(shí)鐘端、SH為移動(dòng)?xùn)拧?RS 為復(fù)位柵, OS為移動(dòng)?xùn)拧OS為補(bǔ)償輸出端、OD為電源端、 SS為接地端、NC空閑。第37頁(yè)/共54頁(yè)第三十八頁(yè)，共54頁(yè)。T C D 1 4 2 D 驅(qū) 動(dòng) ( q dn)波形6、 RS復(fù)位一次輸出一個(gè)光電信號(hào)。 DOS端是補(bǔ)償輸出單元的輸出端，用于檢取驅(qū)動(dòng)脈沖 對(duì)輸出電路的容性干擾信號(hào)，若將OS

17、和 DOS分別送到差分放大器的兩個(gè)(lin )輸入端，則在輸出端將得到被放大的沒(méi)有驅(qū)動(dòng)脈沖干擾的光電信號(hào)。1、SH為同步(tngb)脈沖，B時(shí)段，光敏區(qū)與移位寄存器之間的勢(shì)阱溝通，信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移至l 電極下。2、C時(shí)段，隔離光敏區(qū)與移位寄存器之間的勢(shì)阱溝通。3、隨后，l 與2交替變化，信號(hào)電荷順序轉(zhuǎn)移，經(jīng)由OS引腳輸出。4、輸出：12個(gè)虛設(shè)脈沖（結(jié)構(gòu)上的原因） 51個(gè)暗電流脈沖 2048個(gè)信號(hào)脈沖 11個(gè)暗電流脈沖（共12+51+2048+11=2122個(gè)脈沖） 多余無(wú)信號(hào)脈沖。5、該器件是兩列并行傳輸，在一個(gè)SH 周期中至少要有1061個(gè)1脈沖，即TSH1061T1。第38頁(yè)/共54頁(yè)第三十九

18、頁(yè)，共54頁(yè)。T C D 1 4 2 D 驅(qū) 動(dòng) ( q dn)電路三、CCD器件的選擇(xunz)（自學(xué)）第39頁(yè)/共54頁(yè)第四十頁(yè)，共54頁(yè)。第四節(jié) CCD的應(yīng)用(yngyng)一、尺寸(ch cun)測(cè)量測(cè)量(cling)精度：外徑0.1mm 壁厚0.05mm設(shè)計(jì)思想（）設(shè)計(jì)指標(biāo)玻璃管平均外徑：12mm 壁厚：1.2mm第40頁(yè)/共54頁(yè)第四十一頁(yè)，共54頁(yè)。根據(jù)(gnj)CCD測(cè)量靈敏度的需要，0.04mm要大于2個(gè) CCD光敏像素的空間尺寸，選擇TCD132D（光敏區(qū)長(zhǎng)102414m=14.336mm）。則： d1 = n1t / d2 = n2t / D = Nt / 光學(xué)(gun

19、gxu)參數(shù)計(jì)算設(shè)：物鏡(wjng)放大率：象元尺寸：t上壁厚：d1 ，脈沖數(shù)n1下壁厚： d2 ，脈沖數(shù)n2外徑尺寸：，脈沖數(shù)：N選擇遠(yuǎn)心光路的放大率為0.8倍，則：玻璃管的像大小為：9.6mm外徑及壁厚測(cè)量精度要求反應(yīng)在像面上為：0.08mm及0.04mm。第41頁(yè)/共54頁(yè)第四十二頁(yè)，共54頁(yè)。二、位移(wiy)測(cè)量設(shè)計(jì)(shj)思想（）設(shè)計(jì)(shj)指標(biāo)：最大電動(dòng)程：3mm最小微位移：0.004mm測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)確定：測(cè)量范圍：03.5mm靈敏度：0.003mm測(cè)量誤差：0.1非接觸在線測(cè)量第42頁(yè)/共54頁(yè)第四十三頁(yè)，共54頁(yè)。式中：N為M1M2之間的象素?cái)?shù)量(shling)。L = (LBa - LBa) + 0.5 (Wab - Wab)L = (NL - NL) + 0.5 (NW - NW) 分析(fnx)設(shè)：放大系數(shù)CCD面上(min shn)光強(qiáng)凹陷移動(dòng)L，則：頂桿的電動(dòng)程x = L / 又設(shè)CCD單元象素寬度為t, 則： L = Nt第43頁(yè)/共54頁(yè)第四十四頁(yè)，共54頁(yè)。計(jì)數(shù)(j sh)電路當(dāng)SOU