李永宏, 李 洋, 楊 業(yè), 劉 方, 王 迪, 趙銘彤， 劉昌舉, 趙浩昱, 賀朝會(huì), 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(cè)等空間領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)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(diǎn)，在遙感成像、星敏感器和太陽(yáng)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(xiàn)和太陽(yáng)宇宙射線(xiàn)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(duì)其性能的影響[1-2]。CMOS APS由于易驅(qū)動(dòng)、低功耗及小尺寸等優(yōu)勢(shì)，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(guó)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(duì)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(jì)了可用于圖像傳感器輻射效應(yīng)在線(xiàn)測(cè)量的暗室系統(tǒng)，解決了以前每個(gè)輻照注量點(diǎn)的CMOS APS輻照效應(yīng)參數(shù)測(cè)量需從加速器實(shí)驗(yàn)室移至專(zhuān)用的光學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的難題。利用該系統(tǒng)對(duì)CMOS APS受不同注量質(zhì)子輻照后的暗信號(hào)、暗信號(hào)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(cè)量。

1 被測(cè)試芯片

實(shí)驗(yàn)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(mǎn)足幀頻要求，行讀出時(shí)間設(shè)定為24.36 μs，整體陣列分多組輸出，以250 MHz的時(shí)鐘頻率完成數(shù)據(jù)輸出，在行讀出時(shí)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(cè)試系統(tǒng)

CMOS APS輻照效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和輻射效應(yīng)測(cè)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(guò)長(zhǎng)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(cè)量過(guò)程中所采用的方法都是首先對(duì)器件進(jìn)行輻照，當(dāng)質(zhì)子注量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，將器件取下帶回光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，然后再放入輻射場(chǎng)輻照至第2個(gè)注量點(diǎn)，以此往復(fù)。這種測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)效率極低，質(zhì)子輻照后的感生放射性會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(cè)量效率，并減少感生放射性對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的危害，實(shí)現(xiàn)CMOS APS輻射效應(yīng)的在線(xiàn)測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了便攜暗室。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將配裝圖像處理系統(tǒng)的測(cè)試電路置于暗室之中。暗室正對(duì)質(zhì)子束流的出口面設(shè)有可通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)的窗口，窗口面積大于質(zhì)子束斑面積，束流通過(guò)窗口可對(duì)被測(cè)試CMOS APS芯片進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，當(dāng)輻照達(dá)到預(yù)設(shè)注量值時(shí)關(guān)閉暗室窗口，即可對(duì)CMOS APS的相關(guān)電學(xué)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)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(jì)建造。除屏蔽門(mén)、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(guò)頂蓋設(shè)置樣品測(cè)試電纜接頭，可實(shí)現(xiàn)樣品數(shù)據(jù)的對(duì)外傳輸。屏蔽門(mén)電控開(kāi)閉，攜帶有壓緊裝置以保證暗室密封效果。屏蔽門(mén)打開(kāi)后可進(jìn)行質(zhì)子實(shí)驗(yàn)，屏蔽門(mén)關(guān)閉后，門(mén)后安裝的照明設(shè)備點(diǎn)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(shí)現(xiàn)控制，以MCU為核心，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，以通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 暗信號(hào)

在暗場(chǎng)條件下，圖像傳感器件的輸出信號(hào)會(huì)隨暗電流發(fā)生累計(jì)，并隨積分時(shí)間線(xiàn)性增加。測(cè)試不同積分時(shí)間下暗場(chǎng)的輸出信號(hào)，對(duì)積分時(shí)間-輸出信號(hào)圖使用最小二乘法擬合得到一條直線(xiàn)，該直線(xiàn)斜率即為圖像傳感器的單位時(shí)間暗信號(hào)，通過(guò)暗信號(hào)值可計(jì)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(jiàn)，當(dāng)質(zhì)子注量為1×1013cm-2時(shí)，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(hào)非均勻性又被稱(chēng)為固定圖像噪聲，是指在暗光場(chǎng)條件下，單位積分時(shí)間內(nèi)，光敏區(qū)各像元產(chǎn)生的輸出信號(hào)與輸出信號(hào)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(hào)及像元的非均勻性。圖4為CMOS APS暗信號(hào)非均勻性隨質(zhì)子注量的變化關(guān)系。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)質(zhì)子注量為1×1012cm-2時(shí)，CMOS APS暗信號(hào)非均勻性基本不變；當(dāng)注量達(dá)到5×1012cm-2后，暗信號(hào)非均勻性開(kāi)始升高；當(dāng)注量達(dá)到1×1013cm-2時(shí)，暗信號(hào)非均勻性從7 mV上升至15～25 mV之間。

圖4 CMOS APS暗信號(hào)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(hào)半飽和時(shí)，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(jiàn)，當(dāng)質(zhì)子注量小于1×1012cm-2時(shí)，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(kāi)始升高；當(dāng)質(zhì)子注量達(dá)到1×1013cm-2時(shí)，2#被測(cè)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(chǎng)下的平均輸出值

圖6、圖7和圖8分別是暗場(chǎng)、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(jiàn)，暗場(chǎng)條件下，當(dāng)質(zhì)子注量小于5×1012cm-2時(shí)，平均輸出變化趨勢(shì)不明顯；當(dāng)注量為1×1013cm-2時(shí)，平均輸出值增加了約11%。由圖7可見(jiàn)，半飽和光照條件下，當(dāng)質(zhì)子注量小于5×1011cm-2時(shí)，平均輸出變化趨勢(shì)不明顯；當(dāng)質(zhì)子注量大于5×1012cm-2時(shí)，平均輸出明顯增加；當(dāng)質(zhì)子注量為1×1013cm-2時(shí)，平均輸出增幅為16%。由圖8可見(jiàn)，在飽和光照條件下，當(dāng)質(zhì)子注量小于2×1011cm-2時(shí)，2#被測(cè)器件的平均輸出變化趨勢(shì)不明顯；當(dāng)質(zhì)子注量大于2×1011cm-2時(shí)，2#被測(cè)器件的平均輸出顯著增加；當(dāng)質(zhì)子注量為1×1013cm-2時(shí)，2#被測(cè)器件的平均輸出增幅為69%；3#被測(cè)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(chǎng)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(kāi)展了CMOS APS質(zhì)子輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：CMOS APS暗電流隨著質(zhì)子注量的增加而線(xiàn)性增加；當(dāng)質(zhì)子輻照注量小于5×1012cm-2時(shí)，CMOS APS暗信號(hào)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(guò)這一值時(shí)，暗信號(hào)非均勻性、光響應(yīng)非均勻性及平均輸出等參數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。