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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划电子材料论文CMOS图像传感器工作原理和应用姓名：学院：班级：组号：日期：XX年12月9日摘要随着集成电路制造工艺技术的发展和集成电路设计水平的不断提高，基于CMOS集成电路工艺技术制造的CMOS图像传感器由于其集成度高、功耗低、体积小、工艺简单、成本低且开发周期较短等优势，目前在诸多领域得到了广泛的应用，特别是数码产品如数码相机、照相手机的图像传感器应用方面，市场前景广泛，因此对CMOS图像传感器的研究与开发有着非常高的市场价值。本文首先介绍了CMOS图像传感器的发展历程和工作原理
2、及应用现状。随后叙述了CMOS图像传感器的像元、结构及工作原理，着重说明了成像原理和图像信号的读取和处理过程，以及在数字摄像机，数码相机，彩信手机中的应用方式。一、CMOS图像传感器的发展历史上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念：互补金属氧化物半导体图像传感器CMOSComplementaryMetalOxideSemiconductor电荷耦合器件图像传感器CMOS与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步，固体图像传感器得到了迅速发展。CMOS图像传感器：由于受当时工艺水平的限制，图像质量差、分辨率低、噪声降不下来，因而没有得到重视和发展。CCD图像传感器：光照灵敏度高、噪音
3、低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。1970年,CMOS图像传感器在NASA的喷气推进实验室JPL制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件，1995年像元数为的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功。1997年英国爱丁堡VLSIVersion公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化。XX年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用技术开发的CMOS-APS，成为开发超微
4、型CMOS摄像机的主流产品。XX年9月美国Foveon和国家半导体公司采用CMOS工艺开发出1600万像素CMOS图像传感器。到目前为止,在开发CMOS图象传感器中所采用的关键技术可归纳如下：(1)相关双取样(CD)电路技术；(2)微透镜阵列制备技术；(3)彩色滤波器阵列技术；(4)数字信号处理(DSP)技术；(5)抑制噪声电路技术；(6)模拟数字转换(A/D)技术；(7)亚微米和深亚微米光刻技术。二、CMOS图像传感器相关技术像元结构和工作原理CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。而信号的读出方法却与CCD不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己
5、的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出。图2-1上部给出了MOS三极管和光敏二极管组成的相当于一个像元的结构剖面，在光积分期间，MOS三极管截止，光敏二极管随入射光的强弱产生对应的载流子并存储在源极的PN结部位上1。当积分期结束时，扫描脉冲加在MOS三极管的栅极上，使其导通，光敏二极管复位到参考电位，并引起视频电流在负载上流过，其大小与入射光强对应。图2-1下部给出了-个具体的像元结构，由图可知，MOS三极管源极PN结起光电变换和载流子存储作用，当栅极加有脉冲信号时，视频信号被读出。图2-l光敏二极管和CMOS三极管组成的光电转换及光电存储元件和开关模型如果将上述的多个像元集成在一块，便可以构
6、成自扫描CMOS型一维摄像传感器。CMOS图像传感器阵列结构图2-3所示的是CMOS像敏元阵列结构，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元阵列组成。图2-4是CMOS摄像器件的原理框图。如前所述，各MOS晶体管在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起开关作用。水平移位寄存器从左至右顺次地接通起水平扫描作用的MOS晶体管，也就是寻址列的作用，垂直移位寄存器顺次地寻址列阵的各行。每个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的MOS晶体管组成，在水平移位寄存器产生的脉冲作用下顺次接通水平开关，在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开关，于是顺次给像元的光敏二极管加上参考电压(偏压)。被光照的二极管产
7、生载流子使结电容放电，这就是积分期间信号的积累过程。而上述接通偏压的过程同时也是信号读出过程。在负载上形成的视频信号大小正比于该像元上的光照强弱。图2-3CMOS像敏元列阵结构图2-4CMOS摄像器件原理框图1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平扫描开关；4一垂直扫描开关；5一像敏元阵列；6一信号线；7一像敏元CMOS图像传感器的功能结构及工作原理本节主要论述CMOS图像传感器采集图像的过程及CMOS图像传感器的读出电路。如图2-10所示，给出了CMOS图像传感器结构框图信号流程图，首先，景物通过成像透镜聚焦到图像传感器阵列上，而图像传感器阵列是一个二维的像素阵列，每一个像素上都包括
8、一个光敏二极管，每个像素中的光敏二极管将其阵列表面的光强转换为电信号，然后通过行选择电路和列选择电路选取希望操作的像素，并将像素上的电信号读取出来，放大后送相关双采样CDS电路处理，相关双采样是高质量器件用来消除一些干扰的重要方法，其基本原理是由图像传感器引出两路输出，一路为实时信号，另外一路为参考信号，通过两路信号的差分去掉相同或相关的干扰信号，这种方法可以减少KTC噪声、复位噪声和固定模式噪声FPN(FixedPatternNoise)，同时也可以降低1f噪声，提高了信噪比1213，此外，它还可以完成信号积分、放大、采样、保持等功能。然后信号输出到模拟数字转换器上变换成数字信号输出。石墨烯
9、摘要:石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯是目前发现的唯一存在二维自由态的原子晶体,它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元,具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文介绍了近几年石墨烯的研究进展,包括石墨烯的物理性质、化学性质、合成、去氧化、化学修饰及应用前景等方面的内容。石墨烯由于其特殊的电学、热学、力学等性质以及在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用,引起了科学界新一轮的碳革命。通过分析近一年以来发表在Science、Nature等期
10、刊上的有关石墨烯的论文,对石墨烯制备、表征及应用方面的最新进展进行了综述,并对各种制备技术及表征手段进行了分析评价。关键词：石墨烯,特性,表征,制备,氧化石墨烯(GO)功能化石墨烯传感器碳是构成地球结构及最重要的元素之一，它有着独特的性质，是构成所有地球生命的基础。纯碳能以各种形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。碳材料是一种地球上较普遍而特殊的材料,它可以形成硬度较大的金刚石,也可以形成较软的石墨。近20年来,碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域,1985年发现的富勒烯1和1991年发现的碳纳米管(CNTs)2均引起了巨大的反响,兴起了研究热潮。在本质上，石墨烯是分离出来的单原子层平
11、面石墨。自从20世纪初，X射线晶体学的创立以来，科学家就已经开始接触到石墨烯了。1918年，V.Kohlschtter和P.Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质3。1948年，G.Ruess和F.Vogt发表了最早用穿透式电子显微镜拍摄的少层石墨烯图像4。XX年,Manchester大学的Geim小组3首次用机械剥离法获得了单层或薄层的新型二维原子晶体石墨烯.石墨烯的发现,充实了碳材料家族,形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的,其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,其理论厚度仅为nm,是目
12、前所发现的最薄的二维材料5.石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元,可以翘曲变成零维的富勒烯,卷曲形成一维的CNTs4-5或者堆垛成三维的石墨(图1)。石墨烯是一种平面单层紧密打包成一个二维蜂窝晶格的碳原子，并且是所有其他维度的石墨材料的基本构建模块。它可以被包装成零维的富勒烯，卷成了一维的纳米管或堆叠成三维的石墨。6这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象,使石墨烯表现出许多优异的物理化学性质,如石墨烯的强度是已测试材料中最高的,达130GPa,是钢的100多倍;其载流子迁移率达104cm2V-1s-17,是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍,超过商用硅片迁移率的10倍。在特定条件下(如低
13、温骤冷等),其迁移率甚至可高达105石墨烯的热导率可达5103Wm-1K-1,是金刚石的3倍。另外,石墨烯还具有室温量子霍尔效应(Halleffect)6及室温铁磁性等特殊性质.石墨烯的这些优异性引起科技界新一轮的“碳”研究热潮,已有一些综述性文章从不同方面对石墨烯的性质进行了报道。本文仅根据现有的文献报道对石墨烯的特性、制备方法、功能化以及在化学领域中的应用进行描述。科学家在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，并未研制出实物。有人认为这样的二维材料是不可能在常温下稳定存在的。石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下
14、传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学(relativisticquantumphysics)才能描绘。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electricchargecarrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。由于石墨烯与石墨机器相似，故他的化学性质与石墨相近。但还未研究出他的化学性质。同时石墨烯仍具有记忆效应。石墨烯的研究热潮也吸引了国内外材料制备研究的兴趣，石墨烯材料的制备方法已报道的有：机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等7。微机械剥离法XX年，Geim等首次用微机械剥离法，成功地从高定向热裂解石墨(highlyorientedpyrolyticgraphite)上剥离并观测到单层石墨烯。Geim研究组利用这一方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌，揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求，XX年只能作为实验室小规模制备。化学气相沉积法化学气相沉积法(ChemicalVapor
