CN115420966A - 一种cmos图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法；解决现有技术中没有能同时提供模拟空间位移损伤效应和电离损伤效应的辐射装置和辐射场环境的技术问题；通过先开展CMOS图像传感器中子位移辐照效应实验、退火测试和规律分析后，再继续开展60Coγ射线电离辐照效应实验，分析中子和60Coγ射线先后辐照后，辐射敏感参数的退化规律，以及先开展CMOS图像传感器60Coγ射射线电离辐照效应实验、退火测试和规律分析后，再继续开展中子位移辐照效应实验，分析60Coγ射线和中子先后辐照后，辐射敏感参数的退化规律；获得中子和60Coγ射线在不同次序辐照下位移损伤与电离损伤的协和效应实验规律。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器辐照效应实验方法，具体涉及一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法。
背景技术
CMOS图像传感器是航天器成像、探测系统的核心元器件。CMOS图像传感器是一种采用CMOS工艺，将图像传感器的像元阵列、时序控制、信号处理、A/D转换及接口电路等集成一体的可见光图像传感器，其具有功耗低、成本低、控制电路简单、能随机读取信号等优点，在可见光成像、探测等应用的诸多领域正逐渐替代CCD，然而，CMOS图像传感器在辐射环境中应用时，会受到辐照损伤的影响，严重时甚至导致功能失效。CMOS图像传感器在空间辐射环境下工作时遭受的辐照损伤效应主要包括电离总剂量效应、位移效应、单粒子效应，其中电离总剂量效应和位移效应均为累积剂量效应，通常产生永久性损伤。单粒子效应为瞬态效应，通常产生瞬态扰动，之后能恢复。
在开展地面模拟CMOS图像传感器空间辐射效应考核实验时，主要考虑CMOS图像传感器的累积剂量效应，通常采用60Coγ射线源辐照CMOS图像传感器模拟电离损伤效应；采用中子源辐照CMOS图像传感器模拟位移损伤效应，然而，CMOS图像传感器实际在空间辐射环境中应用时，会遭受位移损伤效应和电离损伤效应的协和作用，目前由于没有能同时提供模拟空间位移损伤效应和电离损伤效应的辐射装置和辐射场环境，因而国内外尚未报道关于CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤的协和效应相关的实验研究，也缺少能有效开展CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应辐照实验的方法。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中没有能同时提供模拟空间位移损伤效应和电离损伤效应的辐射装置和辐射场环境的技术问题，而提供了一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：辐照前，将同型号、同批次的多个传感器分为两组，并对两组传感器的特征参数进行测试，记录特征参数数据R1与R6以及特征参数测试时的测试条件；所述特征参数测试包括暗信号测试；所述测试条件包括环境温度、偏置条件、积分时间、工作模式；
获得以反应堆中子源辐射场环境为产生CMOS图像传感器位移损伤的辐射粒子源，和以60Coγ射线源辐射场环境作为产生CMOS图像传感器电离损伤的辐射粒子源进行辐照实验时的辐射场环境；
步骤2：基于步骤1中的测试条件与辐射场环境，对特征参数数据为R1的一组传感器通过中子位移辐照效应实验、第一次退火实验、60Coγ射线电离辐照效应实验、第二次退火实验，获得先中子、后60Coγ射线辐照的特征参数数据R2、R3、R4与R5；以及对另外一组依次通过60Coγ射线电离辐照效应实验、第一次退火实验、中子位移辐照效应实验、第二次退火实验，获得先60Coγ射线、后中子辐照的特征参数数据R7、R8、R9与R10；
步骤3：根据R1、R2、R3、R4与R5和R6、R7、R8、R9与R10两组数据，分析特征参数数据变化规律以及分析中子和60Coγ射线在不同次序辐照下位移损伤与电离损伤的协和效应实验规律。
进一步地，所述步骤1中，获得以反应堆中子源辐射场环境为产生CMOS图像传感器位移损伤的辐射粒子源，和以60Coγ射线源辐射场环境作为产生CMOS图像传感器电离损伤的辐射粒子源进行辐照实验时的辐射场环境的具体内容如下：
设置反应堆中子源作为产生传感器位移损伤的辐射粒子源，确定并记录开展传感器位移损伤辐照实验时的辐射场环境；所述辐射场环境包括中子辐照的能量、注量、注量率及入射角度；
以及设置60Coγ射线源作为产生传感器电离损伤的辐射源，确定并记录开展传感器电离损伤辐照实验时的辐射场环境；所述辐射场环境包括60Coγ射线辐照的能量、电离总剂量、剂量率及入射角度。
进一步地，步骤1中，传感器的数量至少为4个，且均等分配为两组。
进一步地，所述步骤2中，依次通过中子位移辐照效应实验、退火实验、60Coγ射线电离辐照效应实验、退火实验，获得先中子、后60Coγ射线辐照的特征参数数据R2、R3、R4与R5的具体步骤如下：
A、对传感器实施中子位移损伤效应辐照实验，对辐照后的传感器实施特征参数测试实验，选择出功能未失效以及感生的放射性剂量满足安全要求的传感器，并记录其测试数据R2；
B、将步骤A中获得的传感器实施第一次退火实验，测试并记录第一次退火实验后的特征参数数据R3；
C、对完成第一退火实验后的传感器实施60Coγ射线电离损伤效应辐照实验，辐照到规定的电离总剂量后，停止辐射，对辐射后的传感器实施特征参数测试实验，选择出功能未失效的传感器，并记录其测试数据R4；
D、将步骤C中获得的传感器实施第二次退火实验，测试并记录第二次退火实验后测得的特征参数数据R5；
所述步骤A、B、C、D中的实施特征参数测试实验的测试条件与步骤1中的测试条件保持一致。
进一步地，步骤B、步骤D中退火测试的退火时长为168h。
进一步地，所述步骤1中，获得辐射场环境时，中子束流或60Coγ射线垂直入射到传感器。
进一步地，步骤2中，依次通过60Coγ射线电离辐照效应实验、第一次退火实验、中子位移辐照效应实验、第二次退火实验，获得先60Coγ射线、后中子辐照的特征参数数据R7、R8、R9与R10与依次通过中子位移辐照效应实验、第一次退火实验、60Coγ射线电离辐照效应实验、第二次退火实验，获得先中子、后60Coγ射线辐照的特征参数数据R2、R3、R4与R5的方式相同。
本发明的有益效果是：
1、本发明基于大量的辐照效应实验研究基础，提出了一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法，采用该方法解决了由于缺少同时提供模拟位移损伤效应和电离损伤效应的辐射场环境而无法开展传感器协和效应实验的难题，建立的实验方法获得了传感器位移和电离辐射损伤的协和效应实验规律。
2、本发明提出的实验方法为开展地面模拟在轨空间辐射环境中应用的CMOS图像传感器空间位移损伤效应和电离损伤效应的协和效应实验研究提供了实验方法支持，为CMOS图像传感器空间环境辐射效应地面模拟实验方法国家军用标准制定提供了理论和实验依据。
3、本发明提出的实验方法为CMOS图像传感器空间辐射损伤性能考核实验及在轨寿命预估提供了实验技术支撑。
4、本发明提出的实验方法为开展CMOS图像传感器空间位移损伤效应和电离损伤效应的协和效应物理机制研究提供了辐照实验技术支持。
5、本发明提出的实验方法思路清晰、流程简洁，对辐射模拟实验装置要求和辐射场要求易于实现，对解决CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验难题具有很强的操作性。
通过先开展CMOS图像传感器中子位移辐照效应实验、退火测试和规律分析后，再继续开展60Coγ射线电离辐照效应实验，分析中子和γ射线先后辐照后，辐射特征参数的退化规律；先开展CMOS图像传感器60Coγ射线电离辐照效应实验、退火测试和规律分析后，再继续开展中子位移辐照效应实验，分析γ射线和中子先后辐照后，辐射特征参数的退化规律；获得中子和60Coγ射线在不同次序辐照下位移损伤与电离损伤的协和效应实验规律。
本发明为开展地面模拟在轨空间辐射环境中应用的CMOS图像传感器空间位移损伤和电离损伤的协和效应实验规律和损伤机理研究提供了实验方法支持，为CMOS图像传感器空间环境辐射效应地面模拟实验方法国家军用标准的制定提供了理论依据和实验技术支撑。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图；
图2是本发明实施例中先中子、后60Coγ射线辐射实验的性能预估变化图；
图3是本发明实施例中先中子、后60Coγ射线辐射实验的平均暗信号变化图；
图4是本发明实施例中先60Coγ射线、后中子辐射实验的性能预估变化图；
图5是本发明实施例中先60Coγ射线、后中子辐射实验的平均暗信号数据变化图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提出一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法，以当前航天应用中广泛使用的0.18μmCMOS工艺制造的钳位二极管(PPD)像素结构CMOS图像传感器为本实施例辐照样品和研究对象，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1：辐照前，将同型号、同批次的多个CMOS图像传感器分为两组，在CMOS图像传感器辐照效应参数测试系统上，分别对两组CMOS图像传感器的特征参数进行测试，对测得的特征参数R1与R6以及测试时的各项条件进行记录；所述特征参数包括但不限于暗信号测试，暗信号测试最具代表性，所以以暗信号测试作为实施例进行解释说明；所述各项条件包括环境温度、偏置条件、积分时间、工作模式；
分别获得以反应堆中子源辐射场环境为产生CMOS图像传感器位移损伤的辐射粒子源，和以60Coγ射线源辐射场环境作为产生CMOS图像传感器电离损伤的辐射粒子源进行辐照实验时的辐射场环境；
具体的：
设置反应堆中子源作为产生CMOS图像传感器位移损伤的辐射粒子源，获得并记录实施CMOS图像传感器位移损伤辐照实验时的辐射场环境；
所述反应堆中子源辐射场环境包括中子辐照的能量、注量、注量率、入射角度，中子辐照的能量、注量、注量率、入射角度的选择根据被测的传感器进行选定；在此实施例中，中子辐照能量为1MeV等效中子，中子辐照注量1.0×1011n/cm2，中子辐照注量率为1.33×108(n/cm2/s)，中子伽马比(n/γ)为4.19×109n/(cm2rad(Si))，中子束流垂直入射到传感器；
以及设置60Coγ射线源作为产生CMOS图像传感器电离损伤的辐射源，获得并记录实施CMOS图像传感器电离损伤辐照实验时的辐射场环境；
所述60Coγ射线源辐射场环境包括60Coγ射线辐照的能量、电离总剂量、辐照剂量率、入射角度，在此实施例中，60Coγ射线辐照的能量为1.25MeV，辐照剂量率为50rad(Si)/s，电离总剂量为200krad(Si)，60Coγ射线垂直入射到传感器；
步骤2：基于步骤1中的各项条件与辐射场环境，对特征参数数据为R1的一组传感器通过中子位移辐照效应实验、第一次退火实验、60Coγ射线电离辐照效应实验、第二次退火实验，获得先中子、后60Coγ射线辐照的特征参数数据R2、R3、R4与R5；以及对另外一组依次通过60Coγ射线电离辐照效应实验、第一次退火实验、中子位移辐照效应实验、第二次退火实验，获得先60Coγ射线、后中子辐照的特征参数数据R7、R8、R9与R10；
实验时，需要保证中子位移辐照效应实验后，CMOS图像传感器未失效，以及感生的放射性剂量满足安全要求；
60Coγ射线电离辐照效应实验后，CMOS图像传感器未失效；
具体的：获得CMOS图像传感器先中子、后60Coγ射线辐照的特征参数数据R2、R3、R4与R5的具体步骤如下：
A、对CMOS图像传感器实施中子位移辐照效应实验，辐照到1MeV等效中子注量为1.0×1011n/cm2时，停止辐照，筛选出辐照后功能未失效以及感生的放射性剂量满足安全要求的传感器，并对筛选出的传感器实施特征参数测试实验，并记录测试数据R2；
实验后，测试传感器在1MeV等效中子注量为1.0×1011n/cm2辐照后的特征参数，判定其功能是否失效，若未失效，则对CMOS图像传感器进行安全性测试，即对CMOS图像传感器辐照后感生的放射性剂量进行监测，满足安全要求后，记录测试数据R2，并进行下一步；
B、将步骤A中获得的传感器实施第一次168h退火实验，测试并记录第一次退火实验后的特征参数数据R3；
C、实施60Coγ射线电离损伤效应辐照实验，辐照到规定的电离总剂量后，即200krad(Si)，停止辐射，对辐射后的传感器实施特征参数测试实验，选择出功能未失效的传感器，并记录其测试数据R4；
D、将步骤C中获得的传感器实施第二次168h退火实验，测试并记录第二次退火实验后测得的特征参数数据R5；
步骤A、B、C、D中的实施特征参数测试实验的测试条件与步骤1中的测试条件保持一致；
获得CMOS图像传感器“先60Coγ射线、后中子辐照”实验的退火测试数据方法的顺序与获得CMOS图像传感器“先中子、后60Coγ射线辐照”实验的退火测试数据方法的顺序相反，测试条件相同，获得CMOS图像传感器“先60Coγ射线、后中子辐照”实验的退火测试数据方法的顺序为60Coγ射线电离辐照效应实验、第一次退火实验、中子位移辐照效应实验、第二次退火实验，获得先60Coγ射线、后中子辐照的特征参数数据R7、R8、R9与R10；
步骤3：根据R1、R2、R3、R4与R5和R6、R7、R8、R9与R10两组数据，分析特征参数数据变化规律以及分析中子和60Coγ射线在不同次序辐照下位移损伤与电离损伤的协和效应实验规律。
图2为先中子、后60Coγ射线辐射实验的性能预估变化图，图3为实际测量结果的变化图，从图2与图3可知，预计变化图与实际变化图相差不大，可以得出，本发明提出的方法是可行的。
如图3所示，先中子、后60Coγ射线辐照的规律为：中子辐照诱发暗信号增大，辐照后的退火测试，暗信号略有减小但不明显；退火测试后继续进行60Coγ射线辐照，60Coγ射线辐照后暗信号明显增大，辐照后进行退火测试，暗信号减小，但仍比60Coγ射线辐照前测试的暗信号要大一些。
图4为先60Coγ射线、后中子辐射实验的性能预估变化图，图5为实际测量结果的变化图，从图4与图5可知，预计变化图与实际变化图相差不大，可以得出，本发明提出的方法是可行的。
如图5所示，先60Coγ射线、后中子辐照的规律为：60Coγ射线辐照后，暗信号显著增大，比图3中暗信号的最大值还大近一倍，辐照后的退火测试，暗信号明显减小；退火测试后继续进行中子辐照，中子辐照后暗信号明显增大，辐照后进行退火测试，暗信号减小。
从图3和图5的比对，可以得出：在中子和60Coγ射线在不同次序辐照下位移损伤与电离损伤的协和效应实验规律明显不同，说明位移损伤与电离损伤之间存在耦合作用，电离损伤效应和位移损伤效应之间存在协和效应。
Claims (7)
1.一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：辐照前，将同型号、同批次的多个传感器分为两组，并对两组传感器的特征参数进行测试，记录特征参数数据R1与R6以及特征参数测试时的测试条件；所述特征参数测试包括暗信号测试；所述测试条件包括环境温度、偏置条件、积分时间、工作模式；
获得以反应堆中子源辐射场环境为产生CMOS图像传感器位移损伤的辐射粒子源，和以60Coγ射线源辐射场环境作为产生CMOS图像传感器电离损伤的辐射粒子源进行辐照实验时的辐射场环境；
步骤2：基于步骤1中的测试条件与辐射场环境，对特征参数数据为R1的一组传感器通过中子位移辐照效应实验、第一次退火实验、60Coγ射线电离辐照效应实验、第二次退火实验，获得先中子、后60Coγ射线辐照的特征参数数据R2、R3、R4与R5；以及对另外一组依次通过60Coγ射线电离辐照效应实验、第一次退火实验、中子位移辐照效应实验、第二次退火实验，获得先60Coγ射线、后中子辐照的特征参数数据R7、R8、R9与R10；
步骤3：根据R1、R2、R3、R4与R5和R6、R7、R8、R9与R10两组数据，分析特征参数数据变化规律以及分析中子和60Coγ射线在不同次序辐照下位移损伤与电离损伤的协和效应实验规律。
2.根据权利要求1所述一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法，其特征在于：
所述步骤1中，获得以反应堆中子源辐射场环境为产生CMOS图像传感器位移损伤的辐射粒子源，和以60Coγ射线源辐射场环境作为产生CMOS图像传感器电离损伤的辐射粒子源进行辐照实验时的辐射场环境的具体内容如下：
设置反应堆中子源作为产生传感器位移损伤的辐射粒子源，确定并记录开展传感器位移损伤辐照实验时的辐射场环境；所述辐射场环境包括中子辐照的能量、注量、注量率及入射角度；
以及设置60Coγ射线源作为产生传感器电离损伤的辐射源，确定并记录开展传感器电离损伤辐照实验时的辐射场环境；所述辐射场环境包括60Coγ射线辐照的能量、电离总剂量、剂量率及入射角度。
3.根据权利要求2所述的一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法，其特征在于：
步骤1中，传感器的数量至少为4个，且均等分配为两组。
4.根据权利要求3所述的一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法，其特征在于：
所述步骤2中，依次通过中子位移辐照效应实验、第一次退火实验、60Coγ射线电离辐照效应实验、第二次退火实验，获得先中子、后60Coγ射线辐照的特征参数数据R2、R3、R4与R5的具体步骤如下：
A、对传感器实施中子位移损伤效应辐照实验，对辐照后的传感器实施特征参数测试实验，选择出功能未失效以及感生的放射性剂量满足安全要求的传感器，并记录其测试数据R2；
B、将步骤A中获得的传感器实施第一次退火实验，测试并记录第一次退火实验后的特征参数数据R3；
C、对完成第一退火实验后的传感器实施60Coγ射线电离损伤效应辐照实验，辐照到规定的电离总剂量后，停止辐射，对辐射后的传感器实施特征参数测试实验，选择出功能未失效的传感器，并记录其测试数据R4；
D、将步骤C中获得的传感器实施第二次退火实验，测试并记录第二次退火实验后测得的特征参数数据R5；
所述步骤A、B、C、D中的实施特征参数测试实验的测试条件与步骤1中的测试条件保持一致。
5.根据权利要求4所述的一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法，其特征在于：
步骤B、步骤D中退火测试的退火时长为168h。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法，其特征在于：
所述步骤1中，获得辐射场环境时，中子束流或60Coγ射线垂直入射到传感器。
7.根据权利要求6所述的一种CMOS图像传感器位移损伤和电离损伤协和效应实验方法，其特征在于：
步骤2中，依次通过60Coγ射线电离辐照效应实验、第一次退火实验、中子位移辐照效应实验、第二次退火实验，获得先60Coγ射线、后中子辐照的特征参数数据R7、R8、R9与R10与依次通过中子位移辐照效应实验、第一次退火实验、60Coγ射线电离辐照效应实验、第二次退火实验，获得先中子、后60Coγ射线辐照的特征参数数据R2、R3、R4与R5的方式相同。
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