CN103592035A - 红外焦平面探测器组件剂量率试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于红外探测器领域，具体涉及一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法。目的是对组件进行有效的剂量率辐射试验。该试验方法，包括如下步骤：组件敏感部位分析；预定剂量率并进行累积总剂量评估；选择合格的组件样品，进行光电性能测试；调试试验测试系统并粘贴剂量片；按预设剂量率对某个敏感部位进行辐照，测试工作电流、温度、输出波形；保持组件偏置状态，按先后顺序记录组件试验前、中、后三个时刻点的工作电流、工作温度和输出波形；获得辐照后器件的恢复时间；判断组件功能是否正常及是否为有效炮。该方法克服了剂量率辐射场有效区域的限制，避免了因辐照试验条件的不足，如辐射源有效辐射范围小或辐射剂量率不足够高等问题。

Description

红外焦平面探测器组件剂量率试验方法

技术领域

本发明属于红外探测器领域，具体涉及一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，尤其涉及到探测器组件的可靠性保证、辐射效应/加固/试验方法等，可用于一般组件或其它小型单机开展剂量率效应试验。

背景技术

红外焦平面探测器组件（下文简称组件）是红外成像系统的核心单元，可以将场景中的红外辐射通过光电转换转化为电信号。组件由于响应波长范围宽、灵敏度高等特点，已经成为国内外空间飞行器红外成像系统的选用重点之一。应用于空间飞行器的组件将有可能暴露于各种等级的辐射环境中，因此，在设计、制备和选用这类组件的过程中，首先要确保有合适的试验方法和程序来确定这些组件的抗辐射性能。

剂量率效应是辐射效应的一种。国内用于半导体器件（下文简称器件）的剂量率效应的试验技术大多采用的是陈裕焜等所著的《GJB548B-2005微电子器件试验方法和程序》中的方法1020.1（剂量率感应锁定试验程序）、1012.1（数字微电路的剂量率翻转试验）、1023.1（线性微电路剂量率响应和翻转阈值）或核九院十所负责起草的《GJB762.3-1989半导体器件辐射加固试验方法γ瞬时辐照试验》。方法中明确采用的是闪光X射线机、直线加速器或其他满足条件的电子加速器进行试验。方法中的试验对象——器件相对较小，可作为一个整体置入靶的位子进行一次剂量率辐照试验，并用通过和不通过的试验方式得到某一剂量率辐射等级。方法主要关注的是器件本身的初始光电流、闭锁、数字电路的翻转、线性微电路的剂量率响应等。

由于辐射源的剂量率存在上限，不能无限提高；而受试样品与辐射源的距离越远，剂量率也越低，甚至仅5cm的直线距离，剂量率就可能降低一半。这两个因素使剂量率试验存在辐射场有效区域的问题，即受试样品所有敏感部位不能超出辐射场的有效区域（见图1）。因此，现有方法对确定单个微电子器件（体积小）是否达到某个剂量率辐射等级是可行的，但对红外焦平面等组件，因其体积过大（远大于一般器件），超出了辐射场的有效区域，无法视同器件直接参照上述方法开展剂量率辐射试验。

目前，国内没有针对比器件体积大很多倍的组件的剂量率试验方法，上述器件的剂量率效应的试验方法对组件考核有一定的参考价值。但因辐射场的限制，组件无法一次放置于辐照场的有效区域中进行有效的考核，需要建立适合组件这种特殊类型产品的剂量率试验方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，包括如下步骤：

步骤1：组件敏感部位分析；将组件内部的物理结构按照其在组件中的位置划分为若干个敏感部位，再根据剂量率辐射源的辐射场有效区域的大小，合并敏感部位，将敏感部位减少到n个；

步骤2：预定剂量率并进行累积总剂量评估；

步骤3：选择合格的组件样品，进行光电性能测试；

步骤4：调试试验测试系统并粘贴剂量片；

步骤5：按预设剂量率对某个敏感部位进行辐照，测试工作电流、温度、输出波形；

步骤6：保持组件偏置状态，按先后顺序记录组件试验前、中、后三个时刻点的工作电流、工作温度和输出波形；观察和记录试验后一定时间内制冷机电源电流的变化情况，记录试验辐照脉冲后组件工作电流恢复到规定范围的时间，获得辐照后器件的恢复时间；

步骤7：判断组件功能是否正常，并进行如下判断：

（7.1）若剂量率不在要求的范围内，且组件功能正常，则对该敏感部位重新进行步骤5～7；

（7.2）若剂量率在要求的范围内，且组件功能正常，则结束对组件该敏感部位的辐照试验；更换组件其它敏感部位进行辐照，依次重复进行步骤5～7，直至所有敏感部位辐照完成，结束对组件的所有辐照试验，进行步骤8；

（7.3）若组件功能异常，无论是否是“有效炮”，结束对组件的所有辐照试验，进行步骤8；

步骤8：对组件进行移位终点光电性能、功能测试。

如上所述的一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，其中：所述步骤2具体分为如下步骤：首先，计算n次剂量率辐照条件下的组件各敏感部位承受的总剂量，并考虑辐射源产生“无效炮”的次数；其次，计算试验引入的总剂量，评估总剂量带来的附加影响；若存在总剂量效应的影响，增加组件样品开展试验；若组件能够承受总剂量的影响，则进行步骤3。

如上所述的一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，其中：所述剂量片贴在靠近芯片、器件或电路的组件外部结构上。

如上所述的一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，其中：所述剂量片与射束垂直位于敏感部位正对射束的正面或/和背面或/和侧面。

如上所述的一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，其中：所述步骤7中，若存在以下情况，则判定组件功能异常：

（a）辐照结束600ms后无信号输出或输出信号异常；（b）辐照结束600ms后无工作电流或制冷机功耗明显升高，如高于额定值若干倍；（c）辐照后20min内，组件信号输出异常；（d）辐照后器件的恢复时间T3>1min。

本发明的有益效果是：

通过采用组件敏感单元（部位/区域）分析和划分的方法，克服了剂量率辐射场有效区域的限制，避免了因辐照试验条件的不足，如辐射源有效辐射范围小或辐射剂量率不足够高等问题，出现了只部分到达考核剂量率、局部考核过松的现象，提高了试验的可操作性和试验结果的准确性。

本发明提供的方法可以对组件进行剂量率辐照试验，获得组件的抗剂量率性能，也可以研究组件中辐照敏感单元（部位）的抗剂量率辐照能力，有利于针对组件局部进行抗剂量率辐照加固设计。

通过采用的敏感单元（部位/区域）分析和总剂量分析相结合的方法，能够有效地降低试验样品的数量。

若采用对组件内各功能部位选用的敏感单元在未装配到组件前进行独立的考核评价方法，来获取剂量率效应对组件带来的瞬时响应是不可行的，主要是由于各敏感单元对组件的剂量率效应的影响可能涉及其在组件其他部位的传播等，无法脱离组件进行考核。本发明采用的方法能对组件各区域进行考核，利用综合各次试验结果的方式对组件进行考核评价，既能够观测出组件局部敏感单元的缺陷，也能够掌握组件局部敏感单元在组件工作时的瞬时效应响应情况，有利于组件的总体评价和局部加固工作的开展。

附图说明

图1为剂量率辐射场简图；

图2为本发明提供的一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法的流程图；

图3为HgCdTe红外焦平面探测器组件外观简图；

图4为剂量片的粘贴方式示意（第一炮）；

其中：1.头部；2.尾部。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法进行介绍：

如图2所示，一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，包括如下步骤：

步骤1：组件敏感部位（区域）分析。对组件内部选用的元件、器件、电路进行分析，确定组件中的辐照敏感单元；分析组件剂量率辐射敏感单元，根据结果，将组件内部分散的敏感芯片、器件、电路等按照其在组件中的位置划分为若干个敏感部位（假设为m个）。再根据剂量率辐射源的辐射场有效区域的大小，合理优化设计组件在试验场中的摆放位置。当出现多个敏感部位可一次性放置于辐射场有效区域中时，可考虑合并敏感部位，构成新的敏感部位（区域），此时敏感部位（区域）减少到n个。

以图3中的HgCdTe红外焦平面探测器组件为例，其结构包括红外窗口、杜瓦、光学焦平面芯片、读出电路、制冷机、制冷机驱动电路、冷屏、冷头等部分，该组件内部选用的元件、器件、电路主要为探测器组件的HgCdTe光学焦平面芯片、信号读出电路和制冷机驱动电路，且HgCdTe光学焦平面芯片与信号读出电路邻近。经分析，HgCdTe芯片的半导体材料、信号读出电路、制冷机驱动电路均对剂量率辐照敏感，HgCdTe光学焦平面芯片和信号读出电路在组件的窗口附近（即组件头部），制冷机驱动电路位于制冷机附近（即组件尾部）。

步骤2：预定剂量率并进行累积总剂量评估。首先，计算n次剂量率辐照条件下的组件各敏感部位（区域）承受的总剂量，并考虑辐射源产生“无效炮”（即剂量率未在要求的范围内，一般认为“无效炮”的剂量率低于考核指标）的次数（例如n为2，在某剂量率下出现“无效炮”概率为10%，则“无效炮”为0.2次，向上取整为1次）。其次，计算试验引入的总剂量，评估总剂量带来的附加影响；若存在总剂量效应的影响，增加样品开展试验，考虑用2个或多个组件样品，分别对不同敏感部位进行剂量率试验；若组件能够承受总剂量的影响，则进行步骤3。

例如，假设剂量率下限选取5×10⁵Gy(Si)/s（即预设剂量率），该剂量率下辐照场的有效区域的最大直径（近似圆型）小于组件的两个敏感部位中心点间距，无法同时覆盖两个敏感部位。因此，需要对组件头部、尾部两个部位（区域）分别进行辐照试验。该剂量率条件下出现“无效炮”的概率约为10%，“无效炮”为1次（向上取整）。组件总计可能要承受3次以上的剂量率效应带来的总剂量效应的影响。经计算，组件内各敏感部位能够承受6次（大于需要试验的次数）以上剂量率试验引起的总剂量效应的影响，因此，只需用一只组件完成试验。

步骤3：选择合格的组件样品，进行光电性能测试。对受试组件加偏置，根据组件光电特性要求和制冷机的工作特点，验证组件工作是否正常。

例如：在制冷机正常工作的条件下，重点监测平均峰值探测率D_λ ^*、平均黑体响应率、响应率不均匀性σR、有效像元率及降温时间、功耗等。

步骤4：调试试验测试系统并粘贴剂量片。

将组件安装在工位上，调试试验测试系统，验证所有的记录、监测、定时控制设备等工作是否正常；调试前，组件连接同轴电缆及转接线，并利用铜网将其包裹做好电磁屏蔽。

将剂量片放于接受辐射脉冲作用的合适位置。由于探测器芯片及其它芯片、器件、电路都封在组件的杜瓦等腔体结构内，不能直接将剂量片贴在考核芯片、器件、电路上，可选择将剂量片贴在靠近芯片、器件或电路的组件外部结构上。可选择组件中某一敏感部位（区域）正对射束的正面及背面两点，一般剂量片要与射束垂直（如果不能安放在这两个点时，可以在敏感部位（区域）侧面增设剂量率监测点）。

在第一发炮前，将束流头部对准射束得出束方向，例如图4所示，在组件各主要部位粘贴剂量片，即在正面及侧面贴有剂量片。

步骤5：按预设剂量率对某个敏感部位进行辐照，测试工作电流、温度、输出波形；即将受试组件某一个辐射敏感部位（区域）置于辐射场中，使组件达到试验温度，根据试验计划或程序的要求对组件施加偏置，验证器件工作是否正常、输出条件是否正确。

步骤6：保持组件偏置状态，按先后顺序记录组件试验前（T1）、中（T0）、后（T2）三个时刻点的工作电流、工作温度和输出波形；观察和记录试验后t分钟内制冷机电源电流的变化情况（t一般选择制冷机的降温时间）。记录试验辐照脉冲后组件工作电流恢复到规定范围的时间，获得辐照后器件的恢复时间（T3）。

例如，在组件正常工作状态下，用示波器监测组件输入脉冲和输出电压波形，记录辐照前（T1=-5min～-1ms之间）、辐照时（T0=0s）、辐照后（T2=1ms～10min之间）的输出电压波形。同时，实时监测制冷机电源电流，获取工作电流恢复到规定范围的时间T3。（辐照前时间记为负，辐照中记为0，辐照后记为正）。

步骤7：判断组件功能是否正常，并进行如下判断：

（7.1）若剂量率不在要求的范围内（即“无效炮”），且组件功能正常，则对该敏感部位（区域）重新进行步骤5～7；

（7.2）若剂量率在要求的范围内（即“有效炮”），且组件功能正常，则结束对组件该敏感部位（区域）的辐照试验；更换组件其它敏感部位（区域）进行辐照（n-1次），依次重复进行步骤5～7，直至所有敏感部位（区域）辐照完成，结束对组件的所有辐照试验，进行步骤8；

（7.3）若组件功能不正常，无论是否是“有效炮”，结束对组件的所有辐照试验，进行步骤8。

例如，辐照后，保持组件试验时的偏置状态20min。若存在以下情况，则判定组件功能不正常：

（a）辐照结束600ms（一般是帧周期的若干倍以上）后无信号输出或输出信号异常；（b）辐照结束600ms后无工作电流或制冷机功耗明显升高，如高于额定值若干倍；（c）辐照后20min内，组件信号输出异常；（d）T3>1min。

步骤8：对组件进行移位终点光电性能、功能测试，可包括平均峰值探测率Dλ*，平均黑体响应率，响应率不均匀性σR，有效像元率，降温时间，功耗。

Claims (5)

1.一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，包括如下步骤：

步骤1：组件敏感部位分析；将组件内部的物理结构按照其在组件中的位置划分为若干个敏感部位，再根据剂量率辐射源的辐射场有效区域的大小，合并敏感部位，将敏感部位减少到n个；

步骤2：预定剂量率并进行累积总剂量评估；

步骤3：选择合格的组件样品，进行光电性能测试；

步骤4：调试试验测试系统并粘贴剂量片；

步骤5：按预设剂量率对某个敏感部位进行辐照，测试工作电流、温度、输出波形；

步骤6：保持组件偏置状态，按先后顺序记录组件试验前、中、后三个时刻点的工作电流、工作温度和输出波形；观察和记录试验后一定时间内制冷机电源电流的变化情况，记录试验辐照脉冲后组件工作电流恢复到规定范围的时间，获得辐照后器件的恢复时间；

步骤7：判断组件功能是否正常，并进行如下判断：

（7.1）若剂量率不在要求的范围内，且组件功能正常，则对该敏感部位重新进行步骤5～7；

（7.2）若剂量率在要求的范围内，且组件功能正常，则结束对组件该敏感部位的辐照试验；更换组件其它敏感部位进行辐照，依次重复进行步骤5～7，直至所有敏感部位辐照完成，结束对组件的所有辐照试验，进行步骤8；

（7.3）若组件功能异常，无论是否是“有效炮”，结束对组件的所有辐照试验，进行步骤8；

步骤8：对组件进行移位终点光电性能、功能测试。

2.如权利要求1所述的一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，其特征在于：所述步骤2具体分为如下步骤：首先，计算n次剂量率辐照条件下的组件各敏感部位承受的总剂量，并考虑辐射源产生“无效炮”的次数；其次，计算试验引入的总剂量，评估总剂量带来的附加影响；若存在总剂量效应的影响，增加组件样品开展试验；若组件能够承受总剂量的影响，则进行步骤3。

3.如权利要求2所述的一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，其特征在于：所述剂量片贴在靠近芯片、器件或电路的组件外部结构上。

4.如权利要求3所述的一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，其特征在于：所述剂量片与射束垂直位于敏感部位正对射束的正面或/和背面或/和侧面。

5.如权利要求1或4所述的一种红外焦平面探测器组件剂量率试验方法，其特征在于：所述步骤7中，若存在以下情况，则判定组件功能异常：

（a）辐照结束600ms后无信号输出或输出信号异常；（b）辐照结束600ms后无工作电流或制冷机功耗明显升高，如高于额定值若干倍；（c）辐照后20min内，组件信号输出异常；（d）辐照后器件的恢复时间T3>1min。

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