Com cobrar

Els anys 60 i 70 van ser anys farcits de descobriments, invents i avenços brillants en tecnologia, especialment en tecnologies de memòria. Un dels descobriments clau de l'època va ser realitzat per Willard Boyle i George Smith, ja que exploraven l'aplicació de la tecnologia de metall-òxid-semiconductor (MOS) per al desenvolupament d'una memòria de "bombolla" de semiconductors.

L'equip va descobrir que es podia emmagatzemar una càrrega elèctrica en un petit condensador MOS, que es podria connectar de manera que es pogués avançar la càrrega d'un condensador a l'altre. Aquest descobriment va conduir a la invenció de dispositius acoblats a càrrega (CCD), que van ser dissenyats originalment per servir aplicacions de memòria, però que ara s'han convertit en components importants de sistemes d'imatge avançats.

Un CCD (Charged Coupled Devices) és un detector de fotons altament sensible que s’utilitza per moure càrregues des d’un dispositiu a una zona on es pot interpretar o processar com a informació (per exemple, conversió a un valor digital).

En l’article d’avui examinarem el funcionament dels CCD, les aplicacions en què es desenvolupen i els seus avantatges comparatius amb altres tecnologies.

Què és un dispositiu carregat?

En termes senzills, els dispositius controlats per càrrega es poden definir com a circuits integrats que contenen un conjunt d’elements d’emmagatzematge de càrrega (contenidors capacitius) vinculats o acoblats, dissenyats de manera que sota el control d’un circuit extern, la càrrega elèctrica emmagatzemada en cada condensador es pot moure a un condensador veí. Els condensadors semiconductors òxid metàl·lic (condensadors MOS) s’utilitzen normalment en els CCD i, aplicant una tensió externa a les plaques superiors de l’estructura MOS, es poden emmagatzemar càrregues (electrons (e-) o forats (h +)) al resultat potencial. Aquestes càrregues es poden desplaçar d'un condensador a un altre mitjançant impulsos digitals aplicats a les plaques superiors (portes) i es poden transferir fila per fila a un registre de sortida sèrie.

Funcionament del dispositiu carregat

Hi ha tres etapes implicades en el funcionament d’un CCD i, atès que l’aplicació més popular dels darrers temps és la creació d’imatges, és millor explicar aquestes etapes en relació amb la creació d’imatges. Les tres etapes inclouen;

1. Inducció / cobrament de càrrecs
2. Càrrega del rellotge
3. Mesura de càrrega

Inducció / cobrament / emmagatzematge de càrrecs:

Com s'ha esmentat anteriorment, els CCD estan formats per elements d'emmagatzematge de càrrega i el tipus d'element d'emmagatzematge i el mètode d'inducció / deposició de càrrega depenen de l'aplicació. A Imaging, el CCD està format per un gran nombre de materials sensibles a la llum dividits en àrees petites (píxels) i s’utilitzen per crear una imatge de l’escena d’interès. Quan la llum llançada a l’escena es reflecteix al CCD, un fotó de llum que cau dins l’àrea definida per un dels píxels es convertirà en un (o més) electrons, el nombre dels quals és directament proporcional a la intensitat del escena a cada píxel, de manera que quan es clica el CCD, es mesura el nombre d'electrons de cada píxel i es pot reconstruir l'escena.

La figura següent mostra una secció transversal molt simplificada a través d’un CCD.

Per la imatge superior es pot veure que els píxels es defineixen per la posició dels elèctrodes sobre el CCD. De tal manera que si s’aplica una tensió positiva a l’elèctrode, el potencial positiu atraurà tots els electrons carregats negativament prop de l’àrea situada sota l’elèctrode. A més, qualsevol forat carregat positivament serà rebutjat de la zona al voltant de l'elèctrode i això conduirà al desenvolupament d'un "pou potencial" on s'emmagatzemaran tots els electrons produïts pels fotons entrants.

A mesura que cau més llum al CCD, el "pou potencial" es fa més fort i atrau més electrons fins que s'aconsegueix la "capacitat del pou complet" (el nombre d'electrons que es poden emmagatzemar sota un píxel). Per assegurar-se que es captura una imatge adequada, per exemple, s'utilitza un obturador a les càmeres per controlar la il·luminació de manera temporitzada, de manera que s'ompli el pou potencial, però no es supera la seva capacitat, ja que podria ser contraproduent.

Desplegament de càrrega:

La topologia MOS utilitzada en la fabricació del CCD limita la quantitat de condicionament i processament del senyal que es pot fer al xip. Per tant, les càrregues normalment s’han de connectar a un circuit de condicionament extern on es realitza el processament.

Cada píxel d'una fila d'un CCD sol estar equipat amb 3 elèctrodes tal com es mostra a la imatge que es mostra a continuació:

Un dels elèctrodes s’utilitza en la creació del pou potencial per a l’emmagatzematge de càrrega, mentre que els altres dos s’utilitzen en la despesa de càrrega.

Suposem que es recull una càrrega sota un dels elèctrodes tal com es mostra a la imatge següent:

Per treure la càrrega del CCD, s’indueix un nou potencial potencial mantenint IØ3 alt, que obliga a compartir la càrrega entre IØ2 i IØ3 tal com es mostra a la imatge següent.

A continuació, es baixa IØ2 i això condueix a una transferència completa de la càrrega a l’elèctrode IØ3.

El procés de cronometratge continua prenent IØ1 alt, cosa que garanteix que la càrrega es comparteixi entre IØ1 i IØ3, i finalment prenent IØ3 baix, de manera que la càrrega es desplaci completament sota els elèctrodes IØ1.

Depenent de la disposició / orientació dels elèctrodes al CCD, aquest procés continuarà i la càrrega es desplaçarà cap avall a la columna o a través de la fila fins que arribi a la fila final, normalment anomenada registre de lectura.

Mesura de càrrega:

Al final del registre de lectura, s’utilitza un circuit amplificador connectat per mesurar el valor de cada càrrega i el converteix en un voltatge amb un factor de conversió típic d’uns 5-10µV per electró. A les aplicacions d’imatge, una càmera basada en CCD vindrà amb el xip CCD juntament amb alguna altra electrònica associada, però el més important és l’amplificador, que convertint la càrrega en tensió ajuda a digitalitzar els píxels a un formulari que el programari pot processar per obtenir la imatge capturada.

Propietats del CCD

Algunes de les propietats que s’utilitzen per descriure el rendiment / qualitat / grau dels CCD són:

1. Eficiència quàntica:

L’eficiència quàntica es refereix a l’eficiència amb què un CCD adquireix / emmagatzema una càrrega.

A Imaging, no tots els fotons que cauen sobre els plans de píxels es detecten i es converteixen en una càrrega elèctrica. El percentatge de fotos que es detecten i converteixen amb èxit es coneix com a Eficiència quàntica. Els millors CCD poden aconseguir un QE al voltant del 80%. Per context, l’eficiència quàntica de l’ull humà ronda el 20%.

2. Rang de longitud d'ona:

Els CCD solen tenir un ampli rang de longituds d’ona, des d’uns 400 nm (blau) fins a uns 1050 nm (infraroig) amb una sensibilitat màxima d’uns 700 nm. No obstant això, es poden utilitzar processos com l’aprimament posterior per ampliar el rang de longituds d’ona d’un CCD.

3. Rang dinàmic:

El rang dinàmic d’un CCD fa referència al nombre mínim i màxim d’electrons que es poden emmagatzemar al pou potencial. En els CCD típics, el nombre màxim d'electrons sol situar-se al voltant de 150.000, mentre que el mínim en realitat pot ser inferior a un electró en la majoria dels entorns. El concepte de rang dinàmic es pot explicar millor en termes d’imatges. Com hem esmentat anteriorment, quan la llum cau sobre un CCD, els fotons es converteixen en electrons i són aspirats al pou potencial que, en algun moment, queda saturat. La quantitat d'electrons resultant de la conversió de fotons depèn normalment de la intensitat de les fonts, per tant, el rang dinàmic també s'utilitza per descriure el rang entre la font més brillant i la més feble possible que es pugui imaginar mitjançant un CCD.

4. Linealitat:

Una consideració important en la selecció del CCD sol ser la seva capacitat de respondre linealment en un ampli rang d’entrada. En imatges, per exemple, si un CCD detecta 100 fotons i els converteix en 100 electrons (per exemple, suposant que QE és del 100%), per motius de linealitat, s’espera generar 10000 electrons si detecta 10000 fotons. El valor de la linealitat en els CCD es troba en la complexitat reduïda de les tècniques de processament utilitzades per pesar i amplificar els senyals. Si el CCD és lineal, es requereix una menor quantitat de condicionament del senyal.

5. Potència:

Depenent de l'aplicació, l'alimentació és una consideració important per a qualsevol dispositiu i l'ús d'un component de baixa potència sol ser una decisió intel·ligent. Aquesta és una de les coses que aporten els CCD a les aplicacions. Tot i que els circuits que els envolten poden consumir una quantitat important d’energia, els mateixos CCD tenen poca potència, amb valors de consum típics d’uns 50 mW.

6. Soroll:

Els CCD, com tots els dispositius analògics, són susceptibles al soroll, com a tal, una de les principals propietats per a l’avaluació del seu rendiment i capacitat és com s’ocupen del soroll. L’element final de soroll experimentat al CCD és el soroll de lectura. És un producte dels electrons al procés de conversió de voltatge i és un factor que contribueix a l’estimació del rang dinàmic del CCD.

Aplicacions dels CCD

Els dispositius acoblats a càrrega troben aplicacions en diferents camps, inclosos;

1. Ciències de la vida:

Els detectors i càmeres basats en CCD s’utilitzen en diverses aplicacions i sistemes d’imatge en ciències de la vida i en l’àmbit mèdic. Les aplicacions en aquesta àrea són massa extenses com per esmentar-ne totes, però alguns exemples específics inclouen la possibilitat de prendre imatges de cèl·lules amb millores de contrast aplicades, la possibilitat de recollir mostres d’imatges dopades amb fluoròfors (que provoquen la fluorescència de la mostra)) i ús en sistemes avançats de tomografia de raigs X per imaginar estructures òssies i mostres de teixits tous.

2. Microscòpia òptica:

Tot i que les aplicacions sota ciències de la vida inclouen l’ús en microscopis, és important tenir en compte que les aplicacions de microscòpia no es limiten al camp de les ciències de la vida. Microscopis òptics de diversos tipus s’utilitzen en altres camps cogents com; enginyeria nanotecnològica, ciències dels aliments i química.

En la majoria de les aplicacions de microscòpia, els CCD s’utilitzen a causa de la baixa relació de soroll, l’alta sensibilitat, l’alta resolució espacial i la visualització ràpida de mostres, que és important per analitzar les reaccions que es produeixen a nivells microscòpics.

3. Astronomia:

Amb la microscòpia, els CCD s’utilitzen per imaginar elements minúsculs, però en astronomia s’utilitza per enfocar les imatges d’objectes grans i llunyans. L’astronomia és una de les primeres aplicacions dels CCD i s’han imaginat objectes que van des d’estrelles, planetes, meteors, etc. amb sistemes basats en CCD.

4. Càmeres comercials:

Els sensors d'imatge CCD de baix cost s'utilitzen en càmeres comercials. Els CCD són normalment de menor qualitat i rendiment en comparació amb els que s’utilitzen en astronomia i ciències de la vida a causa dels requisits de baix cost per a les càmeres comercials.