傳感器原理bppt課件-wenkub
2023-05-21 00:40:27 本頁面
【正文】 Si ( a) ( b)它具有一般電容所不具有的耦合電荷的能力。 ? 主要問題：信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。 固態(tài)圖像傳感器主要有五種類型：電荷耦合器件 CCD（ Charge Coupled Device）、電荷注入器件 CID（ Charge Injection Device）、金屬－氧化物－半導(dǎo)體 (MOS)、電荷引發(fā)器件 CPD（ Charge Priming Device）和疊層型攝像器件。 因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展，能給出直觀、真實(shí)、多層次、多內(nèi)容的可視圖像信息，圖像傳感器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 固態(tài)圖像傳感器是在同一塊半導(dǎo)體襯底上布設(shè)若干光敏單元與移位寄存器而構(gòu)成的器件，是一種集成化、功能化的光電器件。 CCD的基本工作原理 CCD（ Charge Couple Devices，電荷耦合器件）可以把光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，每一個脈沖只反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強(qiáng)弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就起到了圖象傳感器的作用。 電荷耦合圖像傳感器 CCD按電荷轉(zhuǎn)移信道劃分有兩種基本類型，一是電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這類器件稱為表面溝道 CCD（簡稱 SCCD）；二是電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱 BCCD）。 在 P型硅襯底上生長一層 SiO2,再在 SiO2層上沉積金屬鋁作為柵極構(gòu)成 MOS結(jié)構(gòu)，它是 CCD器件的最小工作單元。這時只呈現(xiàn)出一般耗盡狀態(tài)，耗盡區(qū)厚度正比于外加電場；當(dāng)柵壓增大超過某特征值 U th時，能帶進(jìn)一步向下彎曲，以至使半導(dǎo)體表面處的費(fèi)米能級高于禁帶中央能級， MOS器件處于深耗盡狀態(tài)，在相交點(diǎn)與界面之間逐漸形成一個反型層。表面勢阱中的自由電荷稱為電荷包。這些光生電荷將儲存在電極形成的勢阱中，形成信號電荷存儲起來。 當(dāng)外加電壓一定時，勢阱的深度隨勢阱中的電荷量的增加而線性減少。 控制相鄰 MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，讓MOS電容間的排列足夠緊密，使相鄰 MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合，就可使信號電荷由勢阱淺處流向勢阱深處，實(shí)現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)移。 通常 CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。 。 時鐘脈沖驅(qū)動 ,如下圖所示 。 32,??1? 若此時有光線入射到硅片上 ,在光子的激發(fā)下硅片上就會產(chǎn)生電子 空穴對。若照射在這些光敏元上是一幅明暗不同的圖像 ,那么這些光敏元就會感生出一幅光照強(qiáng)度相應(yīng)的光生電荷圖像 ,一幅光圖像就轉(zhuǎn)變成了電圖像。、依此類推，電荷由勢阱中。光注入方式又可分為正面照射式和背面照射式。目前， CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出，通常采用的是浮置柵放大器輸出法。不同信號電荷包的大小轉(zhuǎn)換為信號對脈沖幅度的調(diào)制，即 CCD輸出調(diào)幅信號脈沖列。 綜上所述 ， CCD圖像傳感器既具有光電轉(zhuǎn)換功能 ， 又具有信號電荷的存貯 、 轉(zhuǎn)移和檢測功能 ， 它能把一幅空間域分布的光學(xué)圖像變換成為一列按時間域分布的離散的電信號“ 圖像 ” 。線陣 CCD圖像傳感器有兩種基本形式，即單溝道線陣 CCD圖像傳感器和雙溝道線陣圖像傳感器。 轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉時，光敏單元勢阱收集光信號電荷，經(jīng)過一定的積分時間，形成與空間分布的光強(qiáng)信號對應(yīng)的信號電荷圖像。 N N 1 N 2 光敏區(qū) 轉(zhuǎn)移區(qū)CCD???P??? t????S? G1???????????????? 1 ? 2 ? 3 ? 4 G0 U1 U2 S0 VD1 輸出 ? R DR D0 CCD圖像傳感器 面陣 CCD圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是需要選址電路，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且在電荷轉(zhuǎn)移過程中，光積分還在進(jìn)行，會產(chǎn)生“拖影”。這種結(jié)構(gòu)時鐘電路簡單，拖影問題比行傳輸小。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。特性曲線的拐點(diǎn) G所對應(yīng)的曝光量 ES稱為飽和曝光量，所對應(yīng)的輸出電荷 QSAT稱為飽和輸出電荷。特種材料的紅外 CCD 的波長響應(yīng)可擴(kuò)展到幾微米，即 CCD 的光譜響應(yīng)范圍從遠(yuǎn)紫外，近紫外，可見光到近紅外區(qū)，甚至到中紅外區(qū)。 CCD器件暗電流越小越好。 021 ffm ?五、分辨率 ? 調(diào)制傳遞函數(shù) MTF 當(dāng)光強(qiáng)以正弦變化的圖像作用在傳感器上時，電信號幅度隨光像空間頻率的變化為調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù) MTF。噪聲顆粒越小越好。而在 CID中，信號電荷不用轉(zhuǎn)移，是直接注入體內(nèi)形成電流來讀出的。 下圖為 MOS單通道線型固態(tài)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，由感光區(qū)和傳輸區(qū)
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