Cảm biến hình ảnh CMOS

Cảm biến hình ảnh CMOS I. Giới thiệu về cảm biến hình ảnh CMOS II. Nguyên lý hoạt động của cảm biến hình ảnh CMOS III. Các bộ phận chính của cảm biến hình ảnh CMOS IV. Ứng dụng của cảm biến CMOS CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) là công nghệ chế tạo vi mạch tích hợp(vi xử lý,vi điều khiển,RAM tĩnh và các mạch logic khác), được ứng dụng rất nhiều trong các mạch tương tự như cảm biến hình ảnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT ──────── * ─────── BÁO CÁO MÔN HỌC CẢM BIẾN VÀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Đề tài: Cảm biến hình ảnh CMOS Mục Lục I Giới thiệu cảm biến hình ảnh CMOS II Nguyên lý hoạt động cảm biến hình ảnh CMOS III Các phận cảm biến hình ảnh CMOS IV Ứng dụng I - - - - - Giới thiệu CMOS CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) công nghệ chế tạo vi mạch tích hợp(vi xử lý,vi điều khiển,RAM tĩnh mạch logic khác), ứng dụng nhiều mạch tương tự cảm biến hình ảnh Trong cảm biến hình ảnh CMOS,các hàm logic vi mạch CMOS sử dụng loại transistor pMOS nMOS thời điểm có loại transistor trạng thái đóng(ON) Hai đặc tính vi mạch CMOS là: có độ miễn nhiễu cao tiêu thụ lượng trạng thái tĩnh thấp Các vi mạch CMOS tiêu thụ lượng cách đáng kể transistor bên chuyển trạng thái ON(OFF) Có loại cảm biến hình ảnh CMOS: +Cảm biến điểm ảnh thụ động +Cảm biến điểm ảnh tích cực Cảm biến điểm ảnh thụ động : +Mỗi điểm ảnh chứa Transistor +Kích thước điểm ảnh nhỏ, hệ số lấp đầy lớn +Tín hiệu chậm nhỏ, bị nhiễu lớn - Cảm biến điểm ảnh thụ động : +Mỗi điểm ảnh chứa Transistor +Kích thước điểm ảnh nhỏ, hệ số lấp đầy lớn +Tín hiệu chậm nhỏ, bị nhiễu lớn Hình 1: Cảm biến thụ động (trái) cảm biến tích cực (phải) Cấu tạo cảm biến hình ảnh CMOS II - Cẩu trúc mạch tích hơp cảm biến hình ảnh CMOS : Hình 2: Sơ đồ mạch tích hợp CMOS Bao gồm phận: Bộ chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số(ADC) Image Sensor Die Bộ xử lý tín hiệu tương tự Đồng hồ điều chỉnh thời gian Chuông báo Mạch số logic (giao diện, thời gian, xử lý xuất tín hiệu) CMOS,cảm biến điểm ảnh hoạt động gồm mảng ảnh màu(đỏ, lam, cây, loại lại khảm loc màu) - Các vật liệu cấu thành cảm biến CMOS - III Hình 3: Sơ đồ mặt cắt CMOS Đây sơ đồ mặt cắt ngang 1tế bào cảm biến có sử dụng chất Oxide Silic với điện trở suất từ 18 đến 33 Ohm/cm2 Lớp đệm làm bắng hợp chất Si-Ge lợp cảm quang có vai trò hấp thụ ánh sáng(đặc biệt nhạy với tia UV) Lớp bán dẫn sử dụng transistor P-MOS N-MOS bán dẫn Si pha tạp Ge STL chất cách điện ngăn cách mạch transistor Các cực nguồn,cực máng cực cổng thường làm từ kim loại có độ nóng chảy cao Ni,… Nguyên lý hoạt động cảm biến hình ảnh CMOS Nguyên lý làm việc chung cảm biến hình ảnh CMOS: Hình : Sơ đồ nguyên lý làm việc cảm biến hình ảnh CMOS +Ánh sáng từ vật qua hệ thấu kính chiếu vào điểm ảnh, điểm ảnh có photon ánh sáng chiếu đến photodiode xảy tượng quang điện , photodiode truyền lượng photon cho electron khiến di chuyển, tạo tín hiệu điện +Tín hiệu điện sau chuyển đổi thành tín hiệu số điểm ảnh +Sau tín hiệu di chuyển tổng hơp theo hàng dọc, lại tổng hợp theo hàng ngang để mã hóa thành tín hiệu hình ảnh +Điều địi hỏi cơng nghệ chế tạo tinh vi để tích hợp nhiều tế bào cảm biến chip tốt.Công nghệ chế tạo đại cho phép tích hợp tới 40 triệu transistor chip cảm biến hình ảnh với diện tích Silic lớn, khoảng 500x700mm Hoạt động điểm ảnh cảm biến hình ảnh CMOS: - Các điểm ảnh CMOS: Hình 5: Cơ chế lọc màu +Các điểm ảnh CMOS truyền thống chứa khảm lọc màu , ánh sáng màu cho truyền qua màu cịn lại bị tán xạ lại Hình 6: Phân bố diễn tích linh kiện điểm ảnh +Khoảng 70% toàn điểm ảnh CMOS dành riêng cho Transistor hỗ trợ, mạch khuêch đại, khoảng 30% lại bao phủ lớp vật liệu cảm quảng (photodiode) - Hoạt động photodiode: Hình 7: Kí hiệu photodiode + Photodiode diode bán dẫn thực chuyển đổi photon thành điện tích theo hiệu ứng quang điện Photodiode có cấu trúc hoạt động tiếp giáp p-n, loại cấu trúc PIN Khi photon có lượng đủ lơn xâm nhập vùng nghèo tiếp giáp vùng khuếch tán, điện trường vùng nghèo làm hạt mang điẹn dịch chuyển, lỗ trống anode, điện tử cathode, làm phát sinh địng điện Hình : Photodiode chiếu sáng sinh hạt tải điện - Hoạt động điểm ảnh CMOS : Hình 9: cấu tạo CMOS gồm n-mos p-mos Hình 10: Giản đồ biểu diễn phụ thuộc vào điện áp vào + Hình biểu diễn phụ thuộc điện áp với điện áp vào Khi điện áp vào tăng tứ 0-0.3 V p-mos mở , n-mos đóng, điện áp vào tăng từ 0,3-0,7 điện áp đột ngột giảm từ 1V xuống nhỏ cỡ mV, điện áp vào tăng từ 0,7 -1v điện áp khơng P-mos đóng , n-mos mở Đặc tính cmos khiến cho chuyển tín hiệu hiệu số Hình 11: Q trình chuyển đổi tín hiệu vào CMOS IV Ứng dụng :  Trong cơng nghiệp, cảm biến CMOS ngày có nhiều ưu điểm có tốc độ cao, độ phân giải độ nhạy cao hơn, ngày sử dụng rộng rãi hệ thống camera ngành công nghiệp sản xuất Hình 13 : CMOS Ứng dụng + Ứng nhiều hệ thống thông đa tiện dụng ngày truyền phương  sử rãi thiết chấn Trong y tế: dụng rộng bị y tế để chuẩn đoán thương ... động cảm biến hình ảnh CMOS Nguyên lý làm việc chung cảm biến hình ảnh CMOS: Hình : Sơ đồ nguyên lý làm việc cảm biến hình ảnh CMOS +Ánh sáng từ vật qua hệ thấu kính chiếu vào điểm ảnh, điểm ảnh. .. nhiễu lớn Hình 1: Cảm biến thụ động (trái) cảm biến tích cực (phải) Cấu tạo cảm biến hình ảnh CMOS II - Cẩu trúc mạch tích hơp cảm biến hình ảnh CMOS : Hình 2: Sơ đồ mạch tích hợp CMOS Bao gồm... vi mạch CMOS tiêu thụ lượng cách đáng kể transistor bên chuyển trạng thái ON(OFF) Có loại cảm biến hình ảnh CMOS: +Cảm biến điểm ảnh thụ động +Cảm biến điểm ảnh tích cực Cảm biến điểm ảnh thụ