CMOS APS质子辐照效应实验

李永宏, 李 洋, 杨 业, 刘 方, 王 迪, 赵铭彤， 刘昌举, 赵浩昱, 贺朝会, 徐江涛

(1. 西安交通大学 核科学与技术学院， 西安 710049； 2. 西北核技术研究所， 西安 710024； 3. 天津大学 微电子学院， 天津 300072)

随着航天工业的发展，图像传感器在遥感卫星、导航卫星、通信卫星及天文观测等空间领域的应用越来越受到重视，互补金属氧化物半导体有源像素图像传感器(complementary metal-oxide-semiconductor transistor active pixel sensor，CMOS APS)具有功耗低、集成度高及低成本等优点，在遥感成像、星敏感器和太阳敏感器等卫星图像采集处理方面得到广泛应用。由于组成空间辐射环境的地球辐射带、银河宇宙射线和太阳宇宙射线中质子约占73%，能量范围从0.1～10 GeV，因此任何应用在空间系统中的器件都应考虑质子辐射环境对其性能的影响[1-2]。CMOS APS由于易驱动、低功耗及小尺寸等优势，已被广泛应用于空间成像系统，其在空间环境中的辐照效应敏感性受到了国内外学者的广泛关注[3-10]。本文使用西安200 MeV质子应用装置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)产生的60 MeV质子对CMOS APS的质子辐照效应进行了研究，进一步揭示了CMOS APS质子辐照效应的敏感性。

设计了可用于图像传感器辐射效应在线测量的暗室系统，解决了以前每个辐照注量点的CMOS APS辐照效应参数测量需从加速器实验室移至专用的光学测量实验室进行的难题。利用该系统对CMOS APS受不同注量质子辐照后的暗信号、暗信号非均性(图像固定噪声)、光响应非均性和不同光强度下的器件平均输出等参数进行了测量。

1 被测试芯片

实验使用的CMOS图像传感器芯片采用单边列并行读出方式，每列读出电路的宽度为6 μm。读出电路主要包括单端CDS电路、ADC、列并行转列串行输出电路、Binning电路、并转串电路和LVDS接口电路。有效像素阵列大小为2 130×2 048，为满足帧频要求，行读出时间设定为24.36 μs，整体阵列分多组输出，以250 MHz的时钟频率完成数据输出，在行读出时间内可以完成数据输出，数据包括有效数据、行头标志位和行编码，CMOS APS芯片关键参数如表1所列。

表1 CMOS APS关键参数Tab.1 Key parameters of CMOS APS

2 质子位移损伤辐射效应测试系统

CMOS APS辐照效应测试系统包括数据采集系统和辐射效应测试暗室，如图1所示。图2为图像处理电路。图像处理电路与置于数据采集系统工控机内的图像采集卡通过长度为5米的标准Cameralink电缆互连。

(a) Data aquisition system

现有的CMOS APS辐照效应测量过程中所采用的方法都是首先对器件进行辐照，当质子注量达到预设值时，将器件取下带回光学实验平台进行参数测量，然后再放入辐射场辐照至第2个注量点，以此往复。这种测试方法实验效率极低，质子辐照后的感生放射性会对实验操作人员造成一定的危害。为了提高CMOS APS质子位移损伤效应的测量效率，并减少感生放射性对实验人员的危害，实现CMOS APS辐射效应的在线测量，本文设计了便携暗室。实验过程中将配装图像处理系统的测试电路置于暗室之中。暗室正对质子束流的出口面设有可通过控制系统自动开关的窗口，窗口面积大于质子束斑面积，束流通过窗口可对被测试CMOS APS芯片进行辐照实验，当辐照达到预设注量值时关闭暗室窗口，即可对CMOS APS的相关电学参数进行实时测量。

图2 图像处理电路Fig.2 Circuit of image processing

暗室结构整体采用铝合金+不锈钢的方式进行设计建造。除屏蔽门、屏蔽体及内部电路支撑结构外，均为不锈钢材质。设备从顶部进行样品取放，顶盖内侧设置样品支撑结构，穿过顶盖设置样品测试电缆接头，可实现样品数据的对外传输。屏蔽门电控开闭，携带有压紧装置以保证暗室密封效果。屏蔽门打开后可进行质子实验，屏蔽门关闭后，门后安装的照明设备点亮，为传感器提供参考光源。暗室控制系统基于嵌入式手段实现控制，以MCU为核心，通过数据线与电机驱动器连接，以通信方式实现对电机的控制，系统设置LED光源，由MCU控制其亮度，作为设备的参考光源。

3 实验结果

3.1 暗信号

在暗场条件下，图像传感器件的输出信号会随暗电流发生累计，并随积分时间线性增加。测试不同积分时间下暗场的输出信号，对积分时间-输出信号图使用最小二乘法拟合得到一条直线，该直线斜率即为图像传感器的单位时间暗信号，通过暗信号值可计算得到图像传感器的暗电流密度。图3为图像传感器暗电流密度随质子注量的变化关系。由图3可见，当质子注量为1×1013cm-2时，辐照后CMOS APS暗电流密度增加约为100 nA·cm-2。

图3 CMOS APS暗电流密度随质子注量的变化关系Fig.3 Dark current density of CMOS APS vs. Φ

CMOS APS暗信号非均匀性又被称为固定图像噪声，是指在暗光场条件下，单位积分时间内，光敏区各像元产生的输出信号与输出信号平均值的偏差，用σFPN表示，是由工艺流程、电路结构和工作模式引入的一些附加噪声，为器件像素间的差异。质子辐照位移损伤造成的晶格缺陷可直接导致暗信号及像元的非均匀性。图4为CMOS APS暗信号非均匀性随质子注量的变化关系。由图4可见，当质子注量为1×1012cm-2时，CMOS APS暗信号非均匀性基本不变；当注量达到5×1012cm-2后，暗信号非均匀性开始升高；当注量达到1×1013cm-2时，暗信号非均匀性从7 mV上升至15～25 mV之间。

图4 CMOS APS暗信号非均匀性随质子注量的变化关系Fig.4 σFPN vs. Φ

3.2 光响应非均匀性

在均匀光照条件下，像元之间的响应存在差异，器件输出信号半饱和时，有效像元之间响应的偏差为光响应非均匀性，通常用σPRNU表示。CMOS APS光响应非均匀性随质子注量的变化关系，如图5所示。由图5可见，当质子注量小于1×1012cm-2时，光响应非均匀性基本不变；当质子注量大于1×1012cm-2后，光响应非均匀性开始升高；当质子注量达到1×1013cm-2时，2#被测器件的光响应非均匀性为3 mV。

图5 CMOS APS光响应非均匀性随质子注量的变化关系Fig.5 σPRNU vs. Φ

3.3 不同光场下的平均输出值

图6、图7和图8分别是暗场、半饱和光照和饱和光照条件下CMOS APS平均输出随质子注量的变化关系。由图6可见，暗场条件下，当质子注量小于5×1012cm-2时，平均输出变化趋势不明显；当注量为1×1013cm-2时，平均输出值增加了约11%。由图7可见，半饱和光照条件下，当质子注量小于5×1011cm-2时，平均输出变化趋势不明显；当质子注量大于5×1012cm-2时，平均输出明显增加；当质子注量为1×1013cm-2时，平均输出增幅为16%。由图8可见，在饱和光照条件下，当质子注量小于2×1011cm-2时，2#被测器件的平均输出变化趋势不明显；当质子注量大于2×1011cm-2时，2#被测器件的平均输出显著增加；当质子注量为1×1013cm-2时，2#被测器件的平均输出增幅为69%；3#被测器件受质子辐照影响较大，平均输出产生了异常。

图6 暗场条件下，CMOS APS平均输出随质子注量的变化关系Fig.6 Average output of CMOS APS in dark field vs. Φ

图7 半饱和条件下，CMOS APS平均输出随质子注量的变化关系Fig.7 Average output of CMOS APS in sub-saturation field vs. Φ

图8 饱和光照条件下，CMOS APS平均输出随质子注量的变化关系Fig.8 Average output of CMOS APS in saturation field vs. Φ

4 小结

本文利用XiPAF开展了CMOS APS质子辐照效应实验，实验结果表明：CMOS APS暗电流随着质子注量的增加而线性增加；当质子辐照注量小于5×1012cm-2时，CMOS APS暗信号非均匀性、光响应非均匀性及平均输出等参数基本不变；当辐照剂量超过这一值时，暗信号非均匀性、光响应非均匀性及平均输出等参数呈增长趋势。