几种新型传感器简介

1 第九章 几种新型传感器简介 第三讲 电荷耦合器件（CCD） 教学目的要求：1.了解CCD的结构原理。 2.了解CCD的应用 教学重点：CCD的结构原理和CCD的应用

教学难点：CCD的结构原理 教学学时：2学时 教学内容：

一、CCD的工作原理

（a）MOS光敏元结构 (b)光生电子 图9-26 CCD单元结构 1．工作原理 组成CCD的基本单元是MOS光敏元，如图9-26（a）所示。在图9-26中，金属电极为栅极。SiO2氧化层为电介质，下极板为P- Si半导体。当栅极加上正向电压，并且衬底接地时，在电场力作用下，靠近氧化层的P型硅区的空穴被排斥，或者说被“耗尽”，形

耗尽区沟阻氧化物sio2

P-si少数载流子

金属

+

势阱信号电荷界

面势 2

成一个耗尽区，它对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称之为“势阱”，这种状态是瞬时的。如果此时有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生电子—空穴对，由此产生的光生电子被附近的势阱所吸收，形成电荷包。而空穴则被电场排斥出耗尽区，该状态是稳定的。图9-26（a）为已存储信号电荷—光生电子的形象示意图。实际上，电荷存在于SiO2—Si 界面处，而非从所谓势阱底向上堆积。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。这样一个MOS光敏元叫做一个像素，用来收集若干光生电荷的一个势阱叫做一个电荷包。在同一P型衬底连续生成的氧化层上沉积的金属电极相互绝缘，相邻电极仅有极小间距（沟阻），保证相邻势阱耦合及电荷转移。相互独立的MOS光敏元有几百至数千个，若在金属电极上施加一个正阶跃电压，就形成几百至几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图像，那么就生成一幅与光强成正比的电荷图像。以上就是光生电荷的存储过程—光敏元的工作原理。

2．CCD的电荷转移 在CCD中，电荷是怎样转移的呢？多个MOS光敏元依次相邻排列，相邻间距极小，耗尽区可以重叠，即发生势阱“耦合”。势阱中的电子将在互相耦合的势阱间流动，流动的方向决定于势阱的深浅。这样，就可以有控制地将电荷从一个金属电极下转移到另一个金属电极下。信息电荷。各组中的信息电荷同时定向传送，互不干扰。

图9-27 CCD原理示意图 图9-28 电荷转移过程 3．CCD的输入—输出结构 完整的CCD结构还应包括电荷注入和电荷输出。CCD电荷的注入通常有光电注入、电注入和热注入等不同方式，图9-27（a）采用的是电注入方式，即电荷由一个特设的PN

(a) t=t1

φ1φ3φ3φ2(d) t=t4(b) t=t2(c) t=t3φ3φ3φ3φ3φ1φ2φ2φ1φ3φ3φ1φ

2

(a)φ1

b1

IG a1

φ3

φ2

IDc2c

1b

2a

3a

2

P-si

t1t2t3t4

（b）

sio2

ODOGc3b

3

φ2

φ3

φ1

NN 3

结二极管（ID为其电极）注入CCD中。在第一个电极与PN结二极管之间加输入端控制栅IG，当IG接入正电压时，通过PN结注入衬底的电子进入第一个电极下的势阱中，并在三相时钟作用下向右转移下去。

4．CCD的特性参数 CCD器件的物理性能可以用特性参数描述，它的特性参数可分为内部参数和外部参数两类，内部参数描述的是与CCD储存和转移信号电荷有关的特性（或能力），是器件理论设计的重要依据；外部参数描述的是CCD应用有关的性能指标，是应用器件必不可少的。 （1）电荷转移效率和转移损失率 电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。如果上一电极中原有的信

号电荷量为0Q，转移到下一个电极下的信号电荷量为1Q，两者的比值称为转移效率，用η表示,即

η=01QQ×100%

在电荷转移过程中，没有被转移的电荷量设为Q（Q=1Q－0Q），Q与原信号电荷之比记作ε，即

ε=%1000QQ =%100001QQQ （9.30） ε称为转移损失率。 如果转移n个电极后，所剩下的信号电荷量为Qn，那么，总转移效率为

nn0n

)1(—

Q

Q （9.31）

（2）工作频率 由于CCD器件是工作在MOS的非平衡状态，所以驱动脉冲频率的选择就显得十分重要。频率太低，热激发的少数载流子过多地填入势阱，从而降低了输出信号的信噪比；信号频率太高，又会降低总转移率，减少了信号幅值，同样降低了信噪比。 为了避免热激发所产生的少数载流子对信号电荷的影响，信号电荷从一个电极转移到

另一个电极的转移时间1t必须小于少数载流子的寿命τ。对于三相CCD，一个电极的转移时间内需要完成三相驱动脉冲周期TL，因此，可以推算出各相的驱动脉冲工作频率下限值fL为

1LL

33tTf＜τ 4

所以 Lf＞3 （9.32） 另一方面，如果驱动脉冲的工作频率下限fL取得太高，又会导致部分电荷来不及转移而使转移损失率增大。假定达到要求转移率η所需的转移时间为t2,则给予信号电荷从一个电极转移到另一个电极的转移时间Th应大于或等于t2。以三相CCD为例，根据转移时间Th可以推算出驱动脉冲的工作频率的上限fh

hh313f

T≥2t

所以 hf≤231t （9.33） CCD器件的工作频率应选择在一下限fL和上限fh之间。 （3）电荷储存容量 CCD的电荷储存容量表示在电极下的势阱中能容纳的电荷量。由前面的分析可知，CCD是由一系列的MOS电容构成的，它对电荷的存储能力可以近似地当作电容对电荷的存储来分析。 最大电荷储存容量可表示为

dqAUqUCNds0GGoxmax （9.34）

式中 oxC ——SiO2层的电容；

GU——时钟脉冲高低电平的变化幅度；

dA——栅极面积； d——SiO2层的厚度；

0——真空介电常数；

s——SiO2介质介电常数；

q——电荷量。 （4）灵敏度 灵敏度定义为入射在CCD像元上的单位能流密度σ所产生的输出电压Us的大小之比即 5

sV

U

S （9.35）

（5）分辨率 CCD是由离散的像元组成的，在一定的测试条件下，它能传感的景物光学信息的最小空间分布，称为分辨率，用Tx表示。设CCD像元精密排列，像素中心间距为t，则器件的极限分辨率为2t。 （6）光谱响应 CCD的光谱响应是指器件在相同光能量照射下，输出的电压Us与光波长λ之间的关系，光谱响应率由器件光敏区材料决定。光谱响应随光波长的变化而变化的关系称为光谱响应函数（或曲线）。

二、 CCD的应用 1．尺寸自动检测 利用CCD测量尺寸这一几何量是CCD在测量领域中应用最早、最为成熟的实例之一，例如，测量拉丝过程中丝的线径、扎钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例，介绍CCD在几何尺寸测量方面的应用。 在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生产过程进行调节，以便提高产品质量。设玻璃管的平均外径φ12 mm.，壁厚1.2mm，要求测量精度为外径±0.1 mm，壁厚为±0.05 mm。 我们可以利用CCD配合适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测，其测量原理图如图9-29（a）所示。用平行光照射待测玻璃管，经成像物镜将其像投射在CCD光敏像元阵列面上。由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管的图像将如图9-29（b）所示的那样，在边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强形成亮带。

图9-29 CCD视频信号 玻璃管像的两条暗带最外的边界距离为玻璃管外径成像的大小，中间亮带反映了玻璃管内径像的大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。将该视频信号中的外径尺寸部分和壁厚部分进行二值化后，由计算机采集这两个尺寸所对应的时间间隔（例如脉冲计数值），经一定的运算便可得到待测玻璃管的尺寸及偏差。

(a)平行光线

玻璃管下壁厚上壁厚物镜CCD外径尺寸

（b）

CCD视频输出 6

设成像物镜的放大倍率为β，CCD的像元尺寸为t，上壁厚、下壁厚、外径尺寸的脉冲数（即像元个数）分别为n1、n2和N，则上壁厚d1、下壁厚d2、外径尺寸D分别为

tnd11

tnd22

NtD （9.36）

2．位移的测量 图9-30 π形双金属片 对于汽车显示仪表来说，仪表的抗震能力是一个十分重要的性能指标，为了克服动圈式指示仪表抗震性能的不足，出现了如图9-30所示的π形双金属片，用它作为推动指针偏转的动力元件。当电流I通过电热丝2加热π形双金属片3时，双金属片3将产生弹性变形带动顶端的顶杆1产生近似的直线运动，顶杆的运动量x称为电致动程（简称电动程）。电动程x与电流I之间的变化关系是否满足设计要求是衡量仪表显示精度的重要因素，生产上需要对顶杆电动程进行矢时测量。π形双金属片最大电动程为3mm，最小微位移约为±0.004mm。假设设定测量仪器的测量范围为0～3.5mm，灵敏度在±0.003mm之间，测量误差确定为±0.1%，要求非接触在线测量。 电动程测量装置原理图如图9-31所示。其中，电动程测量装置的光路如图9-31（a)所示。光源发出的光线经聚光镜成为平行光在顶杆上，由于顶杆材质非透明体（一般为铜 质材料），物镜将顶杆所在平面成像CCD光敏面上，顶杆在CCD光敏面的像形成了如图9-31（b）所示的光强分布。光强在顶杆对应的位置有一凹陷，凹陷的中点1M表示着对称

中心线的位置，当顶杆随π形双金属片受热变形而移动时，顶杆在CCD光敏面上像的凹陷也随之移动，至2M点。设物镜横向放大系数为β，CCD光敏面上光强凹陷移动了L，

则顶杆的电动程x为

Lx （9.37）

又设CCD像元之间的中心距 L=N t （9.38） 式中，N为1M—2M之间的像元数量。

底座双金属片电热丝Ix

顶杆