图像传感器单粒子效应脉冲激光实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:曹洲

  针对设计研制的512 × 512 CMOS APS 图像传感器,采用聚焦脉冲激光束研究了其空间单粒子效应特性。试验结果表明,CMOS APS 器件图像传感器存在单粒子翻转( SEU) 和单粒子锁定( SEL) 现象。验证了CMOS APS 图像传感器抗单粒子锁定设计的有效性。当对图像传感器移位寄存器区进行照射时,同时发生单粒子翻转和单粒子锁定,器件其它区域也有类似现象。分析了器件单粒子效应的敏感性,获得了器件发生单粒子翻转和锁定的脉冲激光能量阈值及器件锁定电流大小。

引言

  由于CMOS 图像传感器具有功耗低、集成度高、体积小、抗干扰能力强、单一电源供电等优点,在航天器中有着广泛的应用前景。如在深空探测、高分辨率图像传感、纳米卫星等中作为关键部件,其应用领域表现出极大的潜力。空间辐射环境中充斥着高能带电粒子,如高能重离子等,当CMOS 图像传感器工作在空间辐射环境中时,重离子诱导的单粒子效应将对传感器造成辐射损伤和故障,甚至会导致器件失效。因此,研究CMOS 图像传感器的空间单粒子效应及加固设计十分必要,文章进行了CMOS图像传感器的空间单粒子效应脉冲激光模拟试验研究,分析了试验结果,探讨了新型成像器件单粒子效应的特点和损伤机理。

器件结构与原理简介

  试验中采用的样品为512 × 512 CMOS APS 图像传感器,器件采用3T APS 结构方式设计,25 μm间距512 × 512 像素阵列,工作在可见光550 ~ 750nm 波段范围内。器件采用双采样电路消除固定图像噪声,具有增益可变和积分时间可调等功能。器件封装形式为64 陶瓷针栅阵列管座封装。

电路结构

  512 × 512 CMOS APS 可见光图像传感器的总体电路结构框图如图1 所示。图中虚框中的时序电路由外部提供。

512 × 512 CMOS 可见光图像传感器总体框图

图1 512 × 512 CMOS 可见光图像传感器总体框图

  成像器由像素列阵、两个行控制移位寄存器Yrd和Yrst、列信号读出移位寄存器Xrd、列输出电荷放大器、双采样保持电路等组成。器件的光敏感区由512 行像素单元组成,每行包含像素520 个单元,其中有效像素为512 个,像素之间的间距为25 μm。成像器工作模式为滚动快照模式,整个曝光过程是逐行顺序曝光,但是每一行内的像素是同时曝光。曝光后通过行选择电路来选取要读出的像素行,一行内的像素通过列移位寄存器顺序选通读出。在滚动快照模式下,一般来说,器件的积分时间应大于或等于帧读出时间。为了实现积分时间小于帧读出时间的工作状态,电路采用两路行扫描移位寄存器,其中一路控制行的选通读出( READ) ,另一路控制行复位( RESET) 。图1 中左边移位寄存器控制行信号读出,右边移位寄存器控制行复位,积分时间Tint为行复位和行读出之间的时间间隔。

像素结构及工作原理

  像素采用3T 有源结构,如图2 所示,其具有较高的二极管填充因子。晶体管T2 把积累在光电二极管PN 结上的电荷转化成电压信号( 如图2 所示PD 节点) ,再把这个电压信号通过T3 选通管传递到列总线( Column Bus) 上去。RESET 和READ作为晶体管的开关控制信号如图3 所示,由两个行移位寄存器控制。

3T 像素结构

图2 3T 像素结构

3T 像素结构工作原理

图3 3T 像素结构工作原理

  行移位寄存器( Yrd、Yrst) 和列移位寄存器( Xrd)分布在阵列外围,各自独立工作,两个行移位寄存器位数为512,列移位寄存器用于选择每行列信号的读出,它的位数为520。同一列所有像素的输出都连接到列总线,且在列总线上都有一个放大采样电路。输入信号控制列电荷放大器复位参考电压输出,电荷放大器将像素的复位电压和光信号电压的差值进行放大,它可以消除像素级的固定图像噪声( FPN) ,列电荷放大器输出的信号经过双采样电路,由R、S 输入信号分别控制光信号和复位参考信号输出。

结论

  脉冲激光模拟实验结果表明,CMOS 图像传感器APS 器件在空间辐射环境中会诱发两种主要单粒子效应现象,既单粒子翻转( SEU) 和单粒子锁定( SEL) ,实验也验证了CMOS 图像传感器APS 器件抗单粒子锁定设计措施的有效性。在针对图像传感器移位寄存器的实验中发现,单粒子翻转和单粒子锁定几乎是同时发生的,在其他区域也发现了类似现象。实验中发现了CMOS 图像传感器发生单粒子效应的主要特点,同时,也确定了器件发生单粒子翻转和单粒子锁定的脉冲激光能量阈值,获得了器件发生锁定时的电流大小。在不同部件、同一部件的不同位置,CMOS 图像传感器发生单粒子翻转和单粒子锁定的能量阈值不同。就CMOS 图像传感器单粒子效应敏感性而言,在列寄存器区域最易发生单粒子效应,这是由于其前端存在着列电荷放大器的原因所致。比较实验表明,CMOS 图像传感器的单粒子锁定保护环加固设计是有效的。

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