Mikrosenzory a mikromechanické systémy - Vysoké učení technické ...

Mikrosenzory a mikromechanické systémy 759.2 Senzory se CCD prvkyDaleko více rozšířené a známé jsou CCD čipy známé z digitálních fotoaparátů a kamer.Jedná se matici fototranzistorů, které vlastně snímají ucelený obraz. Velikost matice tedyudává rozlišení pro snímaný obraz. CCD prvky byly objeveny již v roce 1969 v Bellovýchlaboratořích [25].CCD (Charge-Coupled Device) stejně jako jeho druh CEMOS je na světlo citlivýsenzor. CCD buňka reaguje na dopad fotonů. Fotony vyrazí z buňky určité množstvíelektronů. množství elektronů vyražených slabším nebo mocnějším množstvím fotonů,přicházejících z méně nebo více osvětleného snímaného obrazu. Množství fotonů a množstvíelektronů je tedy podobné, analogické. Vygenerované elektrony vytváří elektrický nábojv buňkách. Základním elementem je kapacitor realizovaný technologií MOS v němž se tentonáboj hromadí. Elektrody kapacitoru jsou transparentní a jsou tvořeny dobře vodivýmpolykrystalickým křemíkem na straně příchodu fotonů a vrstvou Si typu P nebo N na straněodvrácené, viz. Obrázek 9.3 a). Dielektrikum je vrstva SiO 2 , která tvoří potenciálovou jámuzachycující elektrony. To odpovídá asi 40 tisícům elektronů na ploše 9 x 9 µm. Jiný princippřevodu fotonů na náboj ukazuje Obrázek 9.3 b). Spočívá ve vytvoření ochuzené vrstvyv prostoru přechodu PN. Přenos náboje z buňky se provádí registrem. Protože je výhodnějšíprovádět tento transport spíše v objemu polovodiče než po povrchu, nazývají se tyto registryCID (Charge Injection Device).SiO 2ΦPolykrystalickýtransparentní SiΦhν+-Ochuzenávrstvahν+-NhνOchuzenávrstvaPPa)b)Obrázek 9.3:CCD senzor: a) MOS kapacitor, b) PN přechodVelikost elektrického náboje vyvolaného dopadem světla je převedena na napětípřevodníkem A/D vyjádřena číselnou hodnotou ve dvojkové soustavě. V dnešní době seužívají vylepšené prvky zesilující intenzitu světla zvané ICCD (Intensified CCD) neboEMCCD (Electron-Multiplying CCD).Pomocí CCD prvků je možné převádět snímaný obraz na elektrický signál. Obraz jetvořen z bodů, jimiž se v praxi digitálního obrazu říká pixel. Základním zdrojem těchto pixelůjsou citlivé buňky nazývané CCD senzory. Jeden čip o velikosti 1/3 – 2 palce může v dnešnídobě obsahovat 1 – 5 miliónů CCD senzorů. V CCD čipu se náboj v buňkách měří či skenujepo řadách. Tímto procesem je měřena jen intenzita světla, může být vytvořen pouze černobílýobraz.Bude-li ke každé buňce vytvořen filtr v jedné ze tří základních barev RGB, pak každátrojice je ve vzájemném poměru schopna vyjádřit libovolnou barvu spektra počínaje bílou. Zpraktických důvodů se buňky organizují do čtveřic, přičemž zelený filtr je obsažen dvakrát.Uvnitř buněk opět vzniká elektrický náboj, ale jeho velikost už nezávisí jenom na intenzitěsvětla, nýbrž na jeho barevném složení. Touto metodou procesor získá první informace obarevné teplotě paprsků, dopadajících na jednotlivé buňky CCD.