第十四讲-传感器(8)-1.ppt

2009-04-02 中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬? 近代信息处理（第十四讲） ——传感器（8） 刘树彬 2009.04.02 本课程以输入量分类介绍传感器 温度传感器 气体传感器 光传感器 力学量传感器 磁敏传感器 湿度传感器 电压敏传感器 生物传感器 固态图像传感器 固体图象传感器(Solid State Imaging Sensor ——缩写为SSIS)主要有三大类型 电荷耦合器件(Charge Coupled Device简称CCD) MOS图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiode Array，简称SSPA) 电荷注入器件(Charge Injection Device，简称CID) 主要应用领域：①小型化黑白/彩色TV摄象机；②传真通讯系统；③光学字符识别（OCR: Optical Character Recognition）；④工业检测与自动控制；⑤医疗仪器；⑥多光谱机载和星载遥感；⑦天文应用；⑧军事应用 光敏场效应电容（1） 构成： P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属-氧化物-半导体的电容式转移器 SiO2层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极称为“栅极”；半导体硅作为底电极，俗称“衬底” 存储电荷原理： 在栅极上加正偏压，半导体衬底接地，P型半导体上表面的多数载流子空穴受到金属中正电荷的排斥，离开Si-SiO2界面，带负电的电子被吸引到紧靠Si-SiO2界面 当电压高到一定值，形成对电子而言的所谓势阱，电子一旦进入就不能复出 电压愈高，产生的势阱愈深 光敏场效应电容（2） 感光原理： 受到光线照射时，在光子的作用下，半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获 势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比 若衬底是N 型硅，则在电极上加负电压，可达到同样的目的 CCD电荷的定向转移读出 CCD图像传感器 光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成 光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中 读出移位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值 面型CCD图像传感器 组成： 感光区 信号存储区 输出转移部分 三种典型结构形式 形式1：由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成 形式2：增加公共水平方向电极的不透光信息存储区 形式3：感光元件与存储元件相隔排列 面型CCD结构形式1 由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成 行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上 由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管 输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号 缺点：易于引起图像模糊 面型CCD结构形式2 在结构1基础上增加具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区 正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷迅速下移到信息存储区 垂直回扫结束后，感光区恢复到积光状态 水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出 整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成 特点：具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器 面型CCD结构形式3 感光元件与存储元件相隔排列 一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列 在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区 随后在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中 接着该行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出 特点：操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰 使用最多的一种结构形式 CMOS图像传感器 从原理可分为无源像素传感器PPS(Passive-Pixel Sensor)和有源像素传感器APS(Active- Pixel Sensor)两大类 从结构上可分为光敏二极管型无源、有源像素图像传感器和光电栅型有源像素图像传感器 光敏二极管型CMOS图像传感器结构 光电栅型有源像素图像CMOS传感器 像素单元包括光电栅PG（Photogate）、浮置扩输出FD(Floating Diffusion)、传输电栅TX(Transfer Gate)、复位晶体管MR(Reset Transistor)、作为源极跟随器的输入晶体管MIN、以及行晶体管MX 当光照射在像素单元时，在光栅PG处产生电荷；与此同时，复位管MR打开，对势阱复位；然后复位管关闭，行选通管MX打开，复位后的电信号由此通路被读出并暂