智能传感器系统中经典传感技术基础.ppt

§2.2.3CCD图像传感器（chargecouplingdevice）CID（chargeinfusiondevice）电荷注入器件补充：光传感器1)、作为光量检测的方法a）将光照射到显示光电效应的物质上，直接得到电输出；b）光被物质吸收而转变为热，从而测量物质温度的升高而反映光的信息；c）利用光的干涉效应，产生光波频率的和及差，反映光的信息。光电效应分：a）内光电效应：入射光子引起元件物质内部产生或感应出电子和空穴等载流子，这些载流子停留在物质内部，引起物质电性质发生变化（内量子效应），它分光电导效应和光电效应。i）光电导效应：改变元件物质的电导率，用于制作光敏电阻。ii）光电效应：入射光在两种半导体的结合处激发起电子－空穴对，电子与空穴分别向相反的方向移动，从而产生感应电势。P－N结、光敏二极管、三极管、CCD等。b）外光电效应：入射光被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子，又称光电发射效应，如光电管、光电倍增管。2)、MOS结构的非稳定性当足够数目的电子汇集在表面时，达到饱和状态，此时离开表面的扩散电流和流向表面的漂移电流达到动态平衡，达到饱和状态所需要的时间称为热驰豫时间，室温下为1秒到几秒，信号电荷的存贮时间要远小于热驰豫时间。3）、电荷传输的简单模型4）、转移效率CCD是一种动态模拟移位寄存器，信号电荷的转移效率最重要，设从一个电极转移到下一个电极的转移效率为：。对应的称为失效率，。转移N个电极后电荷量为，则：，一般要求。表面沟道电荷耦合器件（SCCD）与埋沟道电荷耦合器件（BCCD）的区别：BCCD的优点：传输效率达到99.99％，传输速度提高；缺点：工艺复杂，结电容小，电荷存贮能力下降。在P型衬底上外延或扩散薄n层，形成P－N结，当在P－N结上加反向偏压时，在P－N结区便形成了耗尽层。5）、线阵CCD6）、面阵CCD：a）行间传输结构b）帧传输结构CCD摄像器件的重要特性1光电特性输出信号电压与入射的照度是线性关系，入射照度100lex输出饱和2光谱特性对蓝光和黄光的灵敏度低，因为反射的影响，需采用透明电极。3暗电流室温为5～10nA/cm2，对存贮时间有影响。4噪声5CCD是一种低噪声器件，CCD噪声主要由输入电路、寄存器本身输出电路引起。主要从结构（BCCD）设计和工艺的改进方面降低噪声。e）分辨率：由像素总数和传输效率决定。CCD的工作过程：通过光学系统将被测物体成像在器件的受光面上，受光面下的像素小单元将像光量转换为电荷信号并存储，然后在时序控制信号作用下，被存储的电荷信号被转移传输和顺序输出。1、基本单元（参照前图）作用：电荷的存储；电荷的转移。2、基本单元的功能1）电荷存储——加正电压，P型硅里的空穴被赶尽，形成负离子空间电荷（又称耗尽区），没有导电的载流子。对于带负电的电子来说，耗尽区是电子的“势阱”。——“势阱”具有存储电子的功能，存贮了电荷的势阱称为电荷包。——势阱的深度决定于正电压U的大小，宽度决定电极的宽度。——每个独立的存贮电子电荷的MOS基本单元被称为一个“像素”。势阱中存储的电子来源有两种方式：a）光注入光入射到半导体硅片上，产生电子空穴对，光生电子被附近的势阱俘获，空穴被排斥出耗尽区，光电子数量与光强成正比，该单元既可存储电荷，又有感光的作用，称为“光敏元”。b）由光电二极管阵列产生的光生载流子注入产生光生电子被势阱俘获，光生空穴被赶走，该单元只起存储电荷的作用，如TCD14ID型线阵CCD器件。2）电荷耦合势阱中的电荷从一个MOS单元转移到另一个MOS单元是基于MOS单元的电荷耦合功能来实现的。将一定规则变化的电压加到各个MOS单元的电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常，把MOS元的电极分为几组，有三组，有两组。三相驱动时钟脉