針對(duì)設(shè)計(jì)研制的512 × 512 CMOS APS 圖像傳感器，采用聚焦脈沖激光束研究了其空間單粒子效應(yīng)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，CMOS APS 器件圖像傳感器存在單粒子翻轉(zhuǎn)( SEU) 和單粒子鎖定( SEL) 現(xiàn)象。驗(yàn)證了CMOS APS 圖像傳感器抗單粒子鎖定設(shè)計(jì)的有效性。當(dāng)對(duì)圖像傳感器移位寄存器區(qū)進(jìn)行照射時(shí)，同時(shí)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定，器件其它區(qū)域也有類似現(xiàn)象。分析了器件單粒子效應(yīng)的敏感性，獲得了器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和鎖定的脈沖激光能量閾值及器件鎖定電流大小。

引言

　　由于CMOS 圖像傳感器具有功耗低、集成度高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、單一電源供電等優(yōu)點(diǎn)，在航天器中有著廣泛的應(yīng)用前景。如在深空探測(cè)、高分辨率圖像傳感、納米衛(wèi)星等中作為關(guān)鍵部件，其應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的潛力。空間輻射環(huán)境中充斥著高能帶電粒子，如高能重離子等，當(dāng)CMOS 圖像傳感器工作在空間輻射環(huán)境中時(shí)，重離子誘導(dǎo)的單粒子效應(yīng)將對(duì)傳感器造成輻射損傷和故障，甚至?xí)��?dǎo)致器件失效。因此，研究CMOS 圖像傳感器的空間單粒子效應(yīng)及加固設(shè)計(jì)十分必要，文章進(jìn)行了CMOS圖像傳感器的空間單粒子效應(yīng)脈沖激光模擬試驗(yàn)研究，分析了試驗(yàn)結(jié)果，探討了新型成像器件單粒子效應(yīng)的特點(diǎn)和損傷機(jī)理。

器件結(jié)構(gòu)與原理簡(jiǎn)介

　　試驗(yàn)中采用的樣品為512 × 512 CMOS APS 圖像傳感器，器件采用3T APS 結(jié)構(gòu)方式設(shè)計(jì)，25 μm間距512 × 512 像素陣列，工作在可見光550 ～ 750nm 波段范圍內(nèi)。器件采用雙采樣電路消除固定圖像噪聲，具有增益可變和積分時(shí)間可調(diào)等功能。器件封裝形式為64 陶瓷針柵陣列管座封裝。

電路結(jié)構(gòu)

　　512 × 512 CMOS APS 可見光圖像傳感器的總體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。圖中虛框中的時(shí)序電路由外部提供。

圖1 512 × 512 CMOS 可見光圖像傳感器總體框圖

　　成像器由像素列陣、兩個(gè)行控制移位寄存器Yrd和Yrst、列信號(hào)讀出移位寄存器Xrd、列輸出電荷放大器、雙采樣保持電路等組成。器件的光敏感區(qū)由512 行像素單元組成，每行包含像素520 個(gè)單元，其中有效像素為512 個(gè)，像素之間的間距為25 μm。成像器工作模式為滾動(dòng)快照模式，整個(gè)曝光過(guò)程是逐行順序曝光，但是每一行內(nèi)的像素是同時(shí)曝光。曝光后通過(guò)行選擇電路來(lái)選取要讀出的像素行，一行內(nèi)的像素通過(guò)列移位寄存器順序選通讀出。在滾動(dòng)快照模式下，一般來(lái)說(shuō)，器件的積分時(shí)間應(yīng)大于或等于幀讀出時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間小于幀讀出時(shí)間的工作狀態(tài)，電路采用兩路行掃描移位寄存器，其中一路控制行的選通讀出( READ) ，另一路控制行復(fù)位( RESET) 。圖1 中左邊移位寄存器控制行信號(hào)讀出，右邊移位寄存器控制行復(fù)位，積分時(shí)間Tint為行復(fù)位和行讀出之間的時(shí)間間隔。

像素結(jié)構(gòu)及工作原理

　　像素采用3T 有源結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，其具有較高的二極管填充因子。晶體管T2 把積累在光電二極管PN 結(jié)上的電荷轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)( 如圖2 所示PD 節(jié)點(diǎn)) ，再把這個(gè)電壓信號(hào)通過(guò)T3 選通管傳遞到列總線( Column Bus) 上去。RESET 和READ作為晶體管的開關(guān)控制信號(hào)如圖3 所示，由兩個(gè)行移位寄存器控制。

圖2 3T 像素結(jié)構(gòu)

圖3 3T 像素結(jié)構(gòu)工作原理

　　行移位寄存器( Yrd、Yrst) 和列移位寄存器( Xrd)分布在陣列外圍，各自獨(dú)立工作，兩個(gè)行移位寄存器位數(shù)為512，列移位寄存器用于選擇每行列信號(hào)的讀出，它的位數(shù)為520。同一列所有像素的輸出都連接到列總線，且在列總線上都有一個(gè)放大采樣電路。輸入信號(hào)控制列電荷放大器復(fù)位參考電壓輸出，電荷放大器將像素的復(fù)位電壓和光信號(hào)電壓的差值進(jìn)行放大，它可以消除像素級(jí)的固定圖像噪聲( FPN) ，列電荷放大器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)雙采樣電路，由R、S 輸入信號(hào)分別控制光信號(hào)和復(fù)位參考信號(hào)輸出。

結(jié)論

　　脈沖激光模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CMOS 圖像傳感器APS 器件在空間輻射環(huán)境中會(huì)誘發(fā)兩種主要單粒子效應(yīng)現(xiàn)象，既單粒子翻轉(zhuǎn)( SEU) 和單粒子鎖定( SEL) ，實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了CMOS 圖像傳感器APS 器件抗單粒子鎖定設(shè)計(jì)措施的有效性。在針對(duì)圖像傳感器移位寄存器的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定幾乎是同時(shí)發(fā)生的，在其他區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了CMOS 圖像傳感器發(fā)生單粒子效應(yīng)的主要特點(diǎn)，同時(shí)，也確定了器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定的脈沖激光能量閾值，獲得了器件發(fā)生鎖定時(shí)的電流大小。在不同部件、同一部件的不同位置，CMOS 圖像傳感器發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定的能量閾值不同。就CMOS 圖像傳感器單粒子效應(yīng)敏感性而言，在列寄存器區(qū)域最易發(fā)生單粒子效應(yīng)，這是由于其前端存在著列電荷放大器的原因所致。比較實(shí)驗(yàn)表明，CMOS 圖像傳感器的單粒子鎖定保護(hù)環(huán)加固設(shè)計(jì)是有效的。