中科大新型传感器原理及应用课件03电荷耦合器件(CCD)

第三章电荷耦合器件(CCD)实现光电转换、信号储存、转移、输出、处理及电子快门等特点：1）体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。

2）空间分辨率高：4096X40963）光电灵敏度高、动态范围大。

4）模拟、数字输出方便；与微机接口方便。第一节CCD的物理基础MOS晶体管器件，但不工作于反型层而是深耗尽层。由衬底（P型单晶硅）、氧化层（SiO2）和金属电极构成。UG不同，物理特性不同。一、稳态MOS结构物理性质UG=0时，如a）所示。1.多数载流子堆积状态

UG<0,表面势Us<0;-qUs>0;空穴增多;表面能量增大;表面能带如b)所示.2.多数载流子耗尽状态UG>0,表面势Us>0;-qUs<0;空穴被排斥;表面能量减小;出现“多子耗尽区”或称“势阱”.表面能带如c)所示.3.载流子反型状态UG>0且更大超过某一值,表面电子超过空穴浓度,出现反型的N区,见d)所示.当UG>Uth时，MOS结构稳定，称“强反型”强反型条件：

2kTNA

表面势Us=----ln(--)(3-1)qniUth为出现强反型时的UG电压—阈值电压。

Uth=Us+Uox

（3-2）实际中，UG

=0时，能带并不平，需要一个平带电压UFB,则强反型栅极电压为：

UG>Uth+UFB强反型时，耗尽层宽度保持最大不变；MOS电容保持最大值不随UG变化。二、非稳态MOS的物理性质当UG>Uth一开始，由于电子尚未来得及产生，MOS结构只存在“势阱”。随后，热激发产生的电子在电场的作用下乡表面集聚，势阱中的电子不断增多，最后达到热平衡—稳态。

CCD就是在MOS电容器未达到热平衡之前，利用深耗层区来存储和转移信号的。见图3-3所示。MOS电容器势阱的信号电荷存储能力：

Qs=CoxUGAd(3-5)第二节CCD的工作原理一、CCD的电极结构即MOS结构的栅极，若干电极为一组（位）每个位有多少个电极就有多少“相”。实际中有2，3，4相；按电极结构分一层、两层和三层等

见下图3-6所示，有6电极结构。氧化层薄或掺杂浓度低的地方势阱深，反之浅。二、CCD的电荷转移在势阱下施加一系列有规律的电压（驱动时序），就可以控制电极下电荷包的存储位置和移动方向。只介绍三相和两相的电荷传输过程。1.三相CCD的电荷移动t1—t4:电荷从a1---b1；t4—t7:电荷从b1---c1；t7—t10:电荷从c1---a2；2.二相CCD的电荷转移阴影部分称阻挡势阱，不能存储电荷。二相CCD转移过程：电极的驱动控制时序t1~t4为第一次转移t5~t6为第二次转移t4~t5、t6~t7为输入/输出间隔三、信号输出方式1.电流输出：Φ3下面的电荷包经过输出栅OG后，Φ3由高变低，同时提升二极管电压，使其表面势升高以收集OG栅下的信号电荷，形成反向电流。2.电压输出浮置扩散放大器(FDA)和浮置栅放大器(FGA)信号电荷到来，VT1截止；栅极电势：

△Uout=Qs/CFD(3-6)经放大，输出端电压为△U’out（3-7）信号读出后，Φr脉冲复位，VT1导通，VT2的沟道抽走剩余电荷。

抗噪声性能好于电流，但破坏性读取。

FGA为非破坏性读取。四、CCD的特性参数1.电荷转移效率和转移损失率.2.工作频率.3.电荷存储容量.4.灵敏度.5.分辨率.6.光谱响应.第三节CCD器件线阵和面阵；单沟道和双沟道。一、典型的CCD结构1.单沟道线阵CCD结构光敏元、转移栅和移位寄存器构成。结构见下图3-12所示工作时序如下图所示ΦDφt

ΦD

控制收集光生电荷；φt控制转移到移位寄存器；φ1，φ2和φ3控制移位输出。由于CCD存在不完全转移，所以最大分辨单元数并不于实际相元数相同。一般以读出移位寄存器的转移损失率50%为极限。此结构适合光敏元较少的CCD.2.双沟道线阵CCD有两列移位寄存器，分奇数和偶数。下图为两相双沟道CCD。3.帧转移CCD摄像器件FTCCD包含三部分：光敏区、暂存区和转移区。M个沟道；N个光敏元/沟道类似于电视机的行扫原理4.行间转移结构CCD摄像器件如图3-15二维两相面阵.比较:分辨率差;拖影效应小。二、典型CCD器件及其驱动产品像元数128~5000不等。以TCD142D为例。两相线阵2048像元。光敏区像元=2048+62（哑元）=2110哑元用于检测暗电流。像元中心间距14µm.驱动电路:ΦRS:2MHZ;占空比1:3.Φ1:1MHZ;占空比1:1ΦSH:TSH>1061µs三、CCD器件的选择根据主要指标：1.根据采样定理,若已知图像的最大空间频率k(线数/mm),则抽样频率>2k.例:k=40线/mm;则抽样频率>80线/mm即抽样尺寸=1/80mm=12.5µm(分辨率)2.动态特性保证转换后的图像不失真.若CCD的动态响应截止频率为f,则所测量的图像光强随时间变化的频率不能大于2f.第四节CCD在测量中的应用是光、机、电和计算机结合的高新技术；非接触测量；常用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等。一、尺寸测量成熟技术，测量线径、轴的直径等。以荧光灯玻璃管的直径和壁厚测量为例。1.测量原理原理图如下:物镜放大倍数β;CCD像元尺寸为t;上壁厚d1,脉冲数n1;下壁厚d2,脉冲数n2;外径D,脉冲数N;则有:d1=n1t/β;d2=n2t/β;D=Nt/β

(3-18)实际中,平均外径12mm;壁厚1.2mm;测量精度外径±0.1mm;壁厚±0.05mm若β=0.8;则成像9.6mm;外径和壁厚的测量精度在像面上为±0.08和±0.04mm.为此,CCD的光敏像元空间尺寸为<0.04/2=0.02mm.

*像元数>9.6/0.02=480(个)2.CCD驱动电路的设计根据测量要求,选TCD132D型号的CCD二相,1024像元.结构如下:驱动时序如下图驱动电路如下3.测量信号的处理若ΦM=1MHZ;则ΦCCD=250KHZ;T0=64µs;T2=1024µs.要在T3内提取出测量信息,则必须:T3<T2;T1>T0.二、位移的测量（自阅）三、CCD信号的二值化把图像和背景作为分离的二值图像对待。两种方法：1）对视频信号二值化后再进行数据采集。2）采集后在计算机内进行二值化处理。前者硬件电路复杂，速度快；后者硬件电路简单，速度慢。要点：找真正代表边界的特征点，确定阈值。作业：1.何谓MOS结构的反型状态和耗尽状态?CCD工作于哪个状态?何谓势阱