針對設計研制的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特性。試驗結果表明，CMOS APS 器件圖像傳感器存在單粒子翻轉( SEU) 和單粒子鎖定( SEL) 現象。驗證了CMOS APS 圖像傳感器抗單粒子鎖定設計的有效性。當對圖像傳感器移位寄存器區進行照射時，同時發生單粒子翻轉和單粒子鎖定，器件其它區域也有類似現象。分析了器件單粒子效應的敏感性，獲得了器件發生單粒子翻轉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、單一電源供電等優點，在航天器中有著廣泛的應用前景。如在深空探測、高分辨率圖像傳感、納米衛星等中作為關鍵部件，其應用領域表現出極大的潛力。空間輻射環境中充斥著高能帶電粒子，如高能重離子等，當CMOS 圖像傳感器工作在空間輻射環境中時，重離子誘導的單粒子效應將對傳感器造成輻射損傷和故障，甚至會導致器件失效。因此，研究CMOS 圖像傳感器的空間單粒子效應及加固設計十分必要，文章進行了CMOS圖像傳感器的空間單粒子效應脈沖激光模擬試驗研究，分析了試驗結果，探討了新型成像器件單粒子效應的特點和損傷機理。

器件結構與原理簡介

　　試驗中采用的樣品為512 × 512 CMOS APS 圖像傳感器，器件采用3T APS 結構方式設計，25 μm間距512 × 512 像素陣列，工作在可見光550 ～ 750nm 波段范圍內。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間可調等功能。器件封裝形式為64 陶瓷針柵陣列管座封裝。

電路結構

　　512 × 512 CMOS APS 可見光圖像傳感器的總體電路結構框圖如圖1 所示。圖中虛框中的時序電路由外部提供。

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、兩個行控制移位寄存器Yrd和Yrst、列信號讀出移位寄存器Xrd、列輸出電荷放大器、雙采樣保持電路等組成。器件的光敏感區由512 行像素單元組成，每行包含像素520 個單元，其中有效像素為512 個，像素之間的間距為25 μm。成像器工作模式為滾動快照模式，整個曝光過程是逐行順序曝光，但是每一行內的像素是同時曝光。曝光后通過行選擇電路來選取要讀出的像素行，一行內的像素通過列移位寄存器順序選通讀出。在滾動快照模式下，一般來說，器件的積分時間應大于或等于幀讀出時間。為了實現積分時間小于幀讀出時間的工作狀態，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) ，另一路控制行復位( RESET) 。圖1 中左邊移位寄存器控制行信號讀出，右邊移位寄存器控制行復位，積分時間Tint為行復位和行讀出之間的時間間隔。

像素結構及工作原理

　　像素采用3T 有源結構，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 結上的電荷轉化成電壓信號( 如圖2 所示PD 節點) ，再把這個電壓信號通過T3 選通管傳遞到列總線( Column Bus) 上去。RESET 和READ作為晶體管的開關控制信號如圖3 所示，由兩個行移位寄存器控制。

圖2 3T 像素結構

圖3 3T 像素結構工作原理

　　行移位寄存器( Yrd、Yrst) 和列移位寄存器( Xrd)分布在陣列外圍，各自獨立工作，兩個行移位寄存器位數為512，列移位寄存器用于選擇每行列信號的讀出，它的位數為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放大采樣電路。輸入信號控制列電荷放大器復位參考電壓輸出，電荷放大器將像素的復位電壓和光信號電壓的差值進行放大，它可以消除像素級的固定圖像噪聲( FPN) ，列電荷放大器輸出的信號經過雙采樣電路，由R、S 輸入信號分別控制光信號和復位參考信號輸出。

結論

　　脈沖激光模擬實驗結果表明，CMOS 圖像傳感器APS 器件在空間輻射環境中會誘發兩種主要單粒子效應現象，既單粒子翻轉( SEU) 和單粒子鎖定( SEL) ，實驗也驗證了CMOS 圖像傳感器APS 器件抗單粒子鎖定設計措施的有效性。在針對圖像傳感器移位寄存器的實驗中發現，單粒子翻轉和單粒子鎖定幾乎是同時發生的，在其他區域也發現了類似現象。實驗中發現了CMOS 圖像傳感器發生單粒子效應的主要特點，同時，也確定了器件發生單粒子翻轉和單粒子鎖定的脈沖激光能量閾值，獲得了器件發生鎖定時的電流大小。在不同部件、同一部件的不同位置，CMOS 圖像傳感器發生單粒子翻轉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敏感性而言，在列寄存器區域最易發生單粒子效應，這是由于其前端存在著列電荷放大器的原因所致。比較實驗表明，CMOS 圖像傳感器的單粒子鎖定保護環加固設計是有效的。