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Os anos 60 e 70 foram repletos de descobertas, invenções e avanços brilhantes em tecnologia, especialmente tecnologias de memória. Uma das principais descobertas na época foi feita por Willard Boyle e George Smith, enquanto exploravam a aplicação da tecnologia de semicondutor de óxido metálico (MOS) para o desenvolvimento de uma memória de “bolha” semicondutora.

A equipe descobriu que uma carga elétrica poderia ser armazenada em um minúsculo capacitor MOS, que poderia ser conectado de tal forma que a carga pudesse ser passada de um capacitor para o outro. Essa descoberta levou à invenção de dispositivos de carga acoplada (CCD), que foram originalmente projetados para servir a aplicativos de memória, mas agora se tornaram componentes importantes de sistemas de imagem avançados.

Um CCD (Charge Coupled Devices) é um detector de fótons altamente sensível usado para mover cargas de dentro de um dispositivo para uma área onde pode ser interpretado ou processado como informação (por exemplo, conversão em um valor digital).

No artigo de hoje, examinaremos como os CCDs funcionam, os aplicativos nos quais são implantados e suas vantagens comparativas com outras tecnologias.

O que é um dispositivo Charge-Coupled?

Em termos simples, dispositivos controlados por carga podem ser definidos como circuitos integrados contendo uma matriz de elementos de armazenamento de carga ligados ou acoplados (caixas capacitivas), projetados de tal forma que, sob o controle de um circuito externo, a carga elétrica armazenada em cada capacitor pode ser movido para um capacitor vizinho. Capacitores de metal-óxido-semicondutor (capacitores MOS) são normalmente usados ​​em CCDs e, aplicando uma tensão externa às placas superiores da estrutura MOS, cargas (elétrons (e-) ou lacunas (h +)) podem ser armazenadas no resultado potencial. Essas cargas podem então ser deslocadas de um capacitor para outro por pulsos digitais aplicados às placas superiores (portas) e podem ser transferidas linha por linha para um registrador de saída serial.

Funcionamento do Dispositivo Charge-Coupled

Existem três estágios envolvidos na operação de um CCD e, como a aplicação mais popular nos últimos tempos é a geração de imagens, é melhor explicar esses estágios em relação à geração de imagens. Os três estágios incluem;

1. Coleta / indução de carga
2. Charge Clocking out
3. Medição de carga

Indução / coleta / armazenamento de carga:

Como mencionado acima, os CCDs são compostos de elementos de armazenamento de carga e o tipo de elemento de armazenamento e o método de indução / deposição de carga depende da aplicação. Na geração de imagens, o CCD é composto por um grande número de materiais sensíveis à luz divididos em pequenas áreas (pixels) e são usados ​​para construir uma imagem da cena de interesse. Quando a luz lançada na cena é refletida no CCD, um fóton de luz que cai dentro da área definida por um dos pixels será convertido em um (ou mais) elétrons, cujo número é diretamente proporcional à intensidade do cena em cada pixel, de forma que quando o CCD é cronometrado, o número de elétrons em cada pixel é medido e a cena pode ser reconstruída.

A figura abaixo mostra uma seção transversal bastante simplificada através de um CCD.

Pela imagem acima, pode-se observar que os pixels são definidos pela posição dos eletrodos acima do CCD. De forma que se uma voltagem positiva for aplicada ao eletrodo, o potencial positivo atrairá todos os elétrons carregados negativamente perto da área sob o eletrodo. Além disso, quaisquer buracos carregados positivamente serão repelidos da área ao redor do eletrodo e isso levará ao desenvolvimento de um "poço de potencial" onde todos os elétrons produzidos pelos fótons que chegam serão armazenados.

Conforme mais luz incide sobre o CCD, o “poço de potencial” se torna mais forte e atrai mais elétrons até que a “capacidade total do poço” (o número de elétrons que podem ser armazenados em um pixel) seja atingida. Para garantir que uma imagem adequada seja capturada, um obturador, por exemplo, é usado em câmeras para controlar a iluminação de forma cronometrada, de modo que o poço potencial seja preenchido, mas sua capacidade não seja excedida, pois isso poderia ser contraproducente.

Tempo de saída da carga:

A topologia MOS usada na fabricação do CCD limita a quantidade de condicionamento e processamento de sinal que pode ser feito no chip. Assim, as cargas geralmente precisam ser sincronizadas para um circuito de condicionamento externo onde o processamento é feito.

Cada pixel em uma linha de um CCD é normalmente equipado com 3 eletrodos, conforme ilustrado na imagem abaixo:

Um dos eletrodos é usado na criação do poço de potencial para armazenamento de carga, enquanto os outros dois são usados ​​para cronometrar as cargas.

Digamos que uma carga seja coletada sob um dos eletrodos, conforme ilustrado na imagem abaixo:

Para registrar a carga do CCD, um novo poço de potencial é induzido mantendo IØ3 alto, o que força a carga a ser compartilhada entre IØ2 e IØ3, conforme ilustrado na imagem abaixo.

Em seguida, IØ2 é baixado e isso leva a uma transferência completa da carga para o eletrodo IØ3.

O processo de cronometragem continua levando IØ1 para alto, o que garante que a carga seja compartilhada entre IØ1 e IØ3, e finalmente levando IØ3 para baixo para que a carga seja totalmente deslocada sob os eletrodos IØ1.

Dependendo do arranjo / orientação dos eletrodos no CCD, este processo continuará e a carga se moverá para baixo na coluna ou através da linha até atingir a linha final, geralmente referida como o registro de leitura.

Medição de carga:

No final do registro de leitura, um circuito amplificador conectado é usado para medir o valor de cada carga e convertê-lo em uma voltagem com um fator de conversão típico de cerca de 5-10 µV por elétron. Em aplicações de imagem, uma câmera baseada em CCD virá com o chip CCD junto com alguns outros eletrônicos associados, mas o mais importante, o amplificador, que ao converter a carga em voltagem ajuda a digitalizar os pixels para uma forma que pode ser processada pelo software, para obter a imagem capturada.

Propriedades do CCD

Algumas das propriedades usadas para descrever o desempenho / qualidade / grau dos CCDs são:

1. Eficiência quântica:

A eficiência quântica refere-se à eficiência com a qual um CCD adquire / armazena uma carga.

No Imaging, nem todos os fótons que caem nos planos de pixels são detectados e convertidos em uma carga elétrica. A porcentagem de fotos detectadas e convertidas com sucesso é conhecida como Eficiência Quântica. Os melhores CCDs podem atingir um QE de cerca de 80%. Por contexto, a eficiência quântica do olho humano é de cerca de 20%.

2. Faixa de comprimento de onda:

CCDs normalmente têm uma ampla faixa de comprimento de onda, de cerca de 400 nm (azul) a cerca de 1050 nm (infravermelho) com um pico de sensibilidade em cerca de 700 nm. No entanto, processos como o afinamento posterior podem ser usados ​​para estender a faixa de comprimento de onda de um CCD.

3. Faixa dinâmica:

A faixa dinâmica de um CCD se refere ao número mínimo e máximo de elétrons que podem ser armazenados no poço de potencial. Em CCDs típicos, o número máximo de elétrons é geralmente cerca de 150.000, enquanto o mínimo pode realmente ser menos de um elétron na maioria dos ambientes. O conceito de faixa dinâmica pode ser melhor explicado em termos de imagem. Como mencionamos anteriormente, quando a luz incide sobre um CCD, os fótons são convertidos em elétrons e sugados para o poço de potencial que em algum ponto fica saturado. A quantidade de elétrons resultante da conversão de fótons normalmente depende da intensidade das fontes, como tal, a faixa dinâmica também é usada para descrever a faixa entre a fonte mais brilhante e a mais fraca possível que pode ser visualizada por um CCD.

4. Linearidade:

Uma consideração importante na seleção do CCD é geralmente sua capacidade de responder linearmente em uma ampla faixa de entrada. Na geração de imagens, por exemplo, se um CCD detecta 100 fótons e converte os mesmos em 100 elétrons (por exemplo, assumindo que QE é 100%), então, para fins de linearidade, espera-se que gere 10.000 elétrons se detectar 10.000 fótons. O valor da linearidade nos CCDs está na reduzida complexidade das técnicas de processamento utilizadas na pesagem e amplificação dos sinais. Se o CCD for linear, uma quantidade menor de condicionamento de sinal é necessária.

5. Poder:

Dependendo da aplicação, a energia é uma consideração importante para qualquer dispositivo e usar um componente de baixa energia geralmente é uma decisão inteligente. Essa é uma das coisas que os CCDs trazem para os aplicativos. Embora os circuitos em torno deles possam consumir uma quantidade significativa de energia, os próprios CCDs são de baixa energia, com valores de consumo típicos em torno de 50 mW.

6. Ruído:

Os CCDs, como todos os dispositivos analógicos, são suscetíveis a ruídos, portanto, uma das principais propriedades para a avaliação de seu desempenho e capacidade é como lidam com o ruído. O último elemento de ruído experimentado no CCD é o ruído de leitura. É um produto dos elétrons para o processo de conversão de tensão e é um fator que contribui para a estimativa da faixa dinâmica do CCD.

Aplicações de CCDs

Dispositivos com carga acoplada encontram aplicativos em diferentes campos, incluindo;

1. Ciências da Vida:

Detectores e câmeras baseados em CCD são usados ​​em diversas aplicações e sistemas de imagem nas ciências da vida e no campo médico. As aplicações nesta área são muito vastas para mencionar cada uma delas, mas alguns exemplos específicos incluem a capacidade de obter imagens de células com realces de contraste aplicados, a capacidade de coletar amostras de imagens que foram dopadas com fluoróforos (que fazem com que a amostra fique fluorescente) e uso em sistemas avançados de tomografia de raios-X para obter imagens de estruturas ósseas e amostras de tecidos moles.

2. Microscopia ótica:

Embora as aplicações em ciências biológicas incluam o uso em microscópios, é importante observar que as aplicações em microscopia não se limitam ao campo das ciências biológicas. Microscópios ópticos de diversos tipos são usados ​​em outros campos convincentes como; engenharia de nanotecnologia, ciência alimentar e química.

Na maioria das aplicações de microscopia, os CCDs são usados ​​por causa da baixa taxa de ruído, alta sensibilidade, alta resolução espacial e imagem de amostra rápida, que é importante para analisar reações que ocorrem em níveis microscópicos.

3. Astronomia:

Com a microscopia, os CCDs são usados ​​para criar imagens de elementos minúsculos, mas na Astronomia, eles são usados ​​para focar imagens de objetos grandes e distantes. A astronomia é uma das primeiras aplicações de CCDs e objetos que vão desde estrelas, planetas, meteoros, etc., todos foram fotografados com sistemas baseados em CCD.

4. Câmeras comerciais:

Sensores de imagem CCD de baixo custo são usados ​​em câmeras comerciais. Os CCDs são geralmente de qualidade e desempenho inferiores em comparação aos usados ​​em Astronomia e ciências da vida devido aos requisitos de baixo custo para câmeras comerciais.