李永宏, 李 洋, 楊 業(yè), 劉 方, 王 迪, 趙銘彤， 劉昌舉, 趙浩昱, 賀朝會, 徐江濤

(1. 西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 西安 710049； 2. 西北核技術(shù)研究所， 西安 710024； 3. 天津大學(xué) 微電子學(xué)院， 天津 300072)

隨著航天工業(yè)的發(fā)展，圖像傳感器在遙感衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星及天文觀測等空間領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體有源像素圖像傳感器(complementary metal-oxide-semiconductor transistor active pixel sensor，CMOS APS)具有功耗低、集成度高及低成本等優(yōu)點，在遙感成像、星敏感器和太陽敏感器等衛(wèi)星圖像采集處理方面得到廣泛應(yīng)用。由于組成空間輻射環(huán)境的地球輻射帶、銀河宇宙射線和太陽宇宙射線中質(zhì)子約占73%，能量范圍從0.1～10 GeV，因此任何應(yīng)用在空間系統(tǒng)中的器件都應(yīng)考慮質(zhì)子輻射環(huán)境對其性能的影響[1-2]。CMOS APS由于易驅(qū)動、低功耗及小尺寸等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于空間成像系統(tǒng)，其在空間環(huán)境中的輻照效應(yīng)敏感性受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-10]。本文使用西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)產(chǎn)生的60 MeV質(zhì)子對CMOS APS的質(zhì)子輻照效應(yīng)進(jìn)行了研究，進(jìn)一步揭示了CMOS APS質(zhì)子輻照效應(yīng)的敏感性。

設(shè)計了可用于圖像傳感器輻射效應(yīng)在線測量的暗室系統(tǒng)，解決了以前每個輻照注量點的CMOS APS輻照效應(yīng)參數(shù)測量需從加速器實驗室移至專用的光學(xué)測量實驗室進(jìn)行的難題。利用該系統(tǒng)對CMOS APS受不同注量質(zhì)子輻照后的暗信號、暗信號非均性(圖像固定噪聲)、光響應(yīng)非均性和不同光強(qiáng)度下的器件平均輸出等參數(shù)進(jìn)行了測量。

1 被測試芯片

實驗使用的CMOS圖像傳感器芯片采用單邊列并行讀出方式，每列讀出電路的寬度為6 μm。讀出電路主要包括單端CDS電路、ADC、列并行轉(zhuǎn)列串行輸出電路、Binning電路、并轉(zhuǎn)串電路和LVDS接口電路。有效像素陣列大小為2 130×2 048，為滿足幀頻要求，行讀出時間設(shè)定為24.36 μs，整體陣列分多組輸出，以250 MHz的時鐘頻率完成數(shù)據(jù)輸出，在行讀出時間內(nèi)可以完成數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)包括有效數(shù)據(jù)、行頭標(biāo)志位和行編碼，CMOS APS芯片關(guān)鍵參數(shù)如表1所列。

表1 CMOS APS關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of CMOS APS

2 質(zhì)子位移損傷輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)

CMOS APS輻照效應(yīng)測試系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和輻射效應(yīng)測試暗室，如圖1所示。圖2為圖像處理電路。圖像處理電路與置于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工控機(jī)內(nèi)的圖像采集卡通過長度為5米的標(biāo)準(zhǔn)Cameralink電纜互連。

(a) Data aquisition system

現(xiàn)有的CMOS APS輻照效應(yīng)測量過程中所采用的方法都是首先對器件進(jìn)行輻照，當(dāng)質(zhì)子注量達(dá)到預(yù)設(shè)值時，將器件取下帶回光學(xué)實驗平臺進(jìn)行參數(shù)測量，然后再放入輻射場輻照至第2個注量點，以此往復(fù)。這種測試方法實驗效率極低，質(zhì)子輻照后的感生放射性會對實驗操作人員造成一定的危害。為了提高CMOS APS質(zhì)子位移損傷效應(yīng)的測量效率，并減少感生放射性對實驗人員的危害，實現(xiàn)CMOS APS輻射效應(yīng)的在線測量，本文設(shè)計了便攜暗室。實驗過程中將配裝圖像處理系統(tǒng)的測試電路置于暗室之中。暗室正對質(zhì)子束流的出口面設(shè)有可通過控制系統(tǒng)自動開關(guān)的窗口，窗口面積大于質(zhì)子束斑面積，束流通過窗口可對被測試CMOS APS芯片進(jìn)行輻照實驗，當(dāng)輻照達(dá)到預(yù)設(shè)注量值時關(guān)閉暗室窗口，即可對CMOS APS的相關(guān)電學(xué)參數(shù)進(jìn)行實時測量。

圖2 圖像處理電路Fig.2 Circuit of image processing

暗室結(jié)構(gòu)整體采用鋁合金+不銹鋼的方式進(jìn)行設(shè)計建造。除屏蔽門、屏蔽體及內(nèi)部電路支撐結(jié)構(gòu)外，均為不銹鋼材質(zhì)。設(shè)備從頂部進(jìn)行樣品取放，頂蓋內(nèi)側(cè)設(shè)置樣品支撐結(jié)構(gòu)，穿過頂蓋設(shè)置樣品測試電纜接頭，可實現(xiàn)樣品數(shù)據(jù)的對外傳輸。屏蔽門電控開閉，攜帶有壓緊裝置以保證暗室密封效果。屏蔽門打開后可進(jìn)行質(zhì)子實驗，屏蔽門關(guān)閉后，門后安裝的照明設(shè)備點亮，為傳感器提供參考光源。暗室控制系統(tǒng)基于嵌入式手段實現(xiàn)控制，以MCU為核心，通過數(shù)據(jù)線與電機(jī)驅(qū)動器連接，以通信方式實現(xiàn)對電機(jī)的控制，系統(tǒng)設(shè)置LED光源，由MCU控制其亮度，作為設(shè)備的參考光源。

3 實驗結(jié)果

3.1 暗信號

在暗場條件下，圖像傳感器件的輸出信號會隨暗電流發(fā)生累計，并隨積分時間線性增加。測試不同積分時間下暗場的輸出信號，對積分時間-輸出信號圖使用最小二乘法擬合得到一條直線，該直線斜率即為圖像傳感器的單位時間暗信號，通過暗信號值可計算得到圖像傳感器的暗電流密度。圖3為圖像傳感器暗電流密度隨質(zhì)子注量的變化關(guān)系。由圖3可見，當(dāng)質(zhì)子注量為1×1013cm-2時，輻照后CMOS APS暗電流密度增加約為100 nA·cm-2。

圖3 CMOS APS暗電流密度隨質(zhì)子注量的變化關(guān)系Fig.3 Dark current density of CMOS APS vs. Φ

CMOS APS暗信號非均勻性又被稱為固定圖像噪聲，是指在暗光場條件下，單位積分時間內(nèi)，光敏區(qū)各像元產(chǎn)生的輸出信號與輸出信號平均值的偏差，用σFPN表示，是由工藝流程、電路結(jié)構(gòu)和工作模式引入的一些附加噪聲，為器件像素間的差異。質(zhì)子輻照位移損傷造成的晶格缺陷可直接導(dǎo)致暗信號及像元的非均勻性。圖4為CMOS APS暗信號非均勻性隨質(zhì)子注量的變化關(guān)系。由圖4可見，當(dāng)質(zhì)子注量為1×1012cm-2時，CMOS APS暗信號非均勻性基本不變；當(dāng)注量達(dá)到5×1012cm-2后，暗信號非均勻性開始升高；當(dāng)注量達(dá)到1×1013cm-2時，暗信號非均勻性從7 mV上升至15～25 mV之間。

圖4 CMOS APS暗信號非均勻性隨質(zhì)子注量的變化關(guān)系Fig.4 σFPN vs. Φ

3.2 光響應(yīng)非均勻性

在均勻光照條件下，像元之間的響應(yīng)存在差異，器件輸出信號半飽和時，有效像元之間響應(yīng)的偏差為光響應(yīng)非均勻性，通常用σPRNU表示。CMOS APS光響應(yīng)非均勻性隨質(zhì)子注量的變化關(guān)系，如圖5所示。由圖5可見，當(dāng)質(zhì)子注量小于1×1012cm-2時，光響應(yīng)非均勻性基本不變；當(dāng)質(zhì)子注量大于1×1012cm-2后，光響應(yīng)非均勻性開始升高；當(dāng)質(zhì)子注量達(dá)到1×1013cm-2時，2#被測器件的光響應(yīng)非均勻性為3 mV。

圖5 CMOS APS光響應(yīng)非均勻性隨質(zhì)子注量的變化關(guān)系Fig.5 σPRNU vs. Φ

3.3 不同光場下的平均輸出值

圖6、圖7和圖8分別是暗場、半飽和光照和飽和光照條件下CMOS APS平均輸出隨質(zhì)子注量的變化關(guān)系。由圖6可見，暗場條件下，當(dāng)質(zhì)子注量小于5×1012cm-2時，平均輸出變化趨勢不明顯；當(dāng)注量為1×1013cm-2時，平均輸出值增加了約11%。由圖7可見，半飽和光照條件下，當(dāng)質(zhì)子注量小于5×1011cm-2時，平均輸出變化趨勢不明顯；當(dāng)質(zhì)子注量大于5×1012cm-2時，平均輸出明顯增加；當(dāng)質(zhì)子注量為1×1013cm-2時，平均輸出增幅為16%。由圖8可見，在飽和光照條件下，當(dāng)質(zhì)子注量小于2×1011cm-2時，2#被測器件的平均輸出變化趨勢不明顯；當(dāng)質(zhì)子注量大于2×1011cm-2時，2#被測器件的平均輸出顯著增加；當(dāng)質(zhì)子注量為1×1013cm-2時，2#被測器件的平均輸出增幅為69%；3#被測器件受質(zhì)子輻照影響較大，平均輸出產(chǎn)生了異常。

圖6 暗場條件下，CMOS APS平均輸出隨質(zhì)子注量的變化關(guān)系Fig.6 Average output of CMOS APS in dark field vs. Φ

圖7 半飽和條件下，CMOS APS平均輸出隨質(zhì)子注量的變化關(guān)系Fig.7 Average output of CMOS APS in sub-saturation field vs. Φ

圖8 飽和光照條件下，CMOS APS平均輸出隨質(zhì)子注量的變化關(guān)系Fig.8 Average output of CMOS APS in saturation field vs. Φ

4 小結(jié)

本文利用XiPAF開展了CMOS APS質(zhì)子輻照效應(yīng)實驗，實驗結(jié)果表明：CMOS APS暗電流隨著質(zhì)子注量的增加而線性增加；當(dāng)質(zhì)子輻照注量小于5×1012cm-2時，CMOS APS暗信號非均勻性、光響應(yīng)非均勻性及平均輸出等參數(shù)基本不變；當(dāng)輻照劑量超過這一值時，暗信號非均勻性、光響應(yīng)非均勻性及平均輸出等參數(shù)呈增長趨勢。