一种基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子电离损伤的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子电离损伤的方法，包括第一步，选取2只同晶圆批的CMOS图像传感器，分为A组、B组，第二步，对A组的CMOS图像传感器进行70MeV质子辐照试验；第三步，对A组CMOS图像传感器进行结构分析；第四步，采用粒子输运软件Geant4计算非电离能损，计算出位移损伤剂量；第五步，采用粒子输运软件Geant4计算非电离能损，根据位移损伤剂量计算出对应的中子注量F

【技术实现步骤摘要】
一种基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子电离损伤的方法


[0001]本专利技术涉及空间辐射环境探测
，特别是涉及基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子电离损伤的方法。

技术介绍

[0002]空间天然辐射环境主要指地球辐射带、太阳粒子事件及银河宇宙射线等，这些天然辐射环境中大部分为高能电子、质子和少部分氦到铀的各种重离子。由于空间辐射环境中带电粒子成分、能量和通量多样性，空间带电粒子与航天器上的电子元器件相互作用，产生各种辐射效应，引起电子元器件参数退化、功能突变等，从而影响航天器在轨正常工作甚至威胁其在轨安全。由于质子穿透力强、体积更大、数量多，其对电子元器件影响较大的空间辐射效应有：电离总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应等。其中电离总剂量效应和位移损伤效应统称为累积剂量效应，即辐射剂量对电子元器件和材料的损伤并非是瞬时产生的，而必须经过长时间的积累而逐渐加重。
[0003]质子辐照器件同时产生电离总剂量效应和位移损伤效应，不同的效应加固方式不同，为了定量区分两种效应对器件造成的影响，从而可以开展针对性的加固工作，需要定量的分离质子产生的电离损伤和位移损伤。

技术实现思路

[0004]为了解决质子在产生位移损伤的同时还伴随着电离损伤无法准确评估的问题，本专利技术提供了一种基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子电离损伤的方法，其特征在于，包括下述步骤：
[0005]第一步，选取2只同晶圆批的CMOS图像传感器，分为A组、B组，测试每只CMOS图像传感器暗电流值作为暗电流初值，分别记为μ
A0
、μ
B0
，单位为e/s/pixel；
[0006]第二步，对A组的CMOS图像传感器进行70MeV质子辐照试验，辐照时器件加电方式与空间工作方式一致，当辐照注量累积到F
pi
(单位为p/cm2)时，停止辐照，取出CMOS图像传感器测试暗电流值，记为μ
Ai
，其中i＝1，2
……
m，m为大于等于2的整数，重复m次直至F
pi
达到预设累积注量F，停止质子辐照试验；
[0007]第三步，对A组CMOS图像传感器进行结构分析，获取器件工艺、版图结构信息；
[0008]第四步，根据结构分析结果构建三维仿真模型，采用粒子输运软件Geant4计算注量为F
pi
的70MeV质子入射器件后在CMOS图像传感器中沉积的非电离能损，并根据注量F
pi
计算出位移损伤剂量，记为DD
i
，单位为MeV/g；
[0009]第五步，采用粒子输运软件Geant4计算1MeV中子在CMOS图像传感器中沉积的非电离能损，根据位移损伤剂量DD
i
计算出对应的中子注量F
ni
；
[0010]第六步，对B组的CMOS图像传感器进行反应堆中子辐照试验，辐照时器件加电方式与上述质子辐照时保持一致，当辐照等效1MeV中子注量累积到F
ni
时，停止辐照，测试CMOS图像传感器暗电流值，记为μ
Bi
，重复m次直至F
ni
达到预设累积注量F
n
，停止反应堆中子辐照试
验；
[0011]第七步，计算空间质子电离损伤
△
μ
i
，计算方法为公式(1)
[0012]△
μ
i＝
μ
Ai
‑
μ
Bi
(1)
[0013]第八步，以质子辐照注量F
pi
为横坐标，空间质子电离损伤
△
μ
i
为纵坐标，绘制二维坐标图，并拟合
△
μ
i
‑
F
pi
的变化曲线，建立
△
μ
i
‑
F
pi
数理模型，解析二者之间的函数关系式。
[0014]进一步的是，所述CMOS图像传感器为线阵CMOS图像传感器、面阵CMOS图像传感器、电荷耦合器件中的任意一种。
[0015]进一步的是，在第一步中，选取多于两只的偶数只同晶圆批的CMOS图像传感器，平均分为两组A组、B组。
[0016]进一步的是，m为5。
[0017]进一步的是，在第八步中，建立
△
μ
i
‑
F
pi
数理模型，解析二者之间的函数关系式，结合在轨退化数据，实现精准预判器件在轨性能退化趋势，提前做好防护措施。
[0018]进一步的是，所述CMOS图像传感器为GSENSE2020BSI
‑
M型CMOS图像传感器。
[0019]进一步的是，所述暗电流测试的测试方法参照国际通用标准EMVA1288R3.1版。
[0020]进一步的是，用版本为EVM
‑
V3.0的测试评估板测试器件的暗电流。
[0021]进一步的是，所述结构分析包括内部芯片各层尺寸。
[0022]本专利技术的有益效果在于：
[0023]本专利技术解决了空间质子入射器件后同时产生位移损伤和电离损伤，无法定量化评价质子电离损伤的问题，弥补了现有质子辐照试验后未区分电离损伤与位移损伤、仅仅给出器件数据导致设计师无法进行精细化设计和抗辐射加固的不足。本专利技术的提出充分考虑了质子辐照后同时产生电离损伤和位移损伤，并针对这种情况提出了消除位移损伤的影响、定量评价质子电离损伤的方法，通过
△
μ
i
‑
F
pi
的函数关系式可以定量分析质子电离损伤与注量的变化关系，精准预判器件在轨性能退化趋势，提前做好防护措施，对航天器在轨安全运行具有重要意义。
附图说明
[0024]图1为本专利技术基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子电离损伤的方法流程图；
[0025]图2为本专利技术实施例的GSENSE2020BSI
‑
M型CMOS图像传感器内部芯片各层尺寸示意图；
[0026]图3为本专利技术的空间质子电离损伤
△
μ
i
相对于质子注量F
i
的变化曲线。
具体实施方式
[0027]下面结合附图对本专利技术进一步说明：
[0028]本专利技术涉及空间辐射环境探测
，特别是涉及空间质子辐射效应检测与评估
，属于空间辐射环境探测领域。
[0029]经过多年的研究，研究人员基于中子与硅器件相互作用及其对硅基器件的影响，结合核物理理论和数值模拟仿真，制定了基于反应堆中子开展辐照试验模拟空间质子位移造成的辐射损伤。基于此，本专利技术提出一种基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子电离损伤的方法，剥离了位移损伤的影响，针对电离损伤采取精准的加固措施和防护方法，从而提
高航天器在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子电离损伤的方法，其特征在于，包括下述步骤：第一步，选取2只同晶圆批的CMOS图像传感器，分为A组、B组，测试每只CMOS图像传感器暗电流值作为暗电流初值，分别记为μ
A0
、μ
B0
，单位为e/s/pixel；第二步，对A组的CMOS图像传感器进行70MeV质子辐照试验，辐照时器件加电方式与空间工作方式一致，当辐照注量累积到F
pi
(单位为p/cm2)时，停止辐照，取出CMOS图像传感器测试暗电流值，记为μ
Ai
，其中i＝1，2
……
m，m为大于等于2的整数，重复m次直至F
pi
达到预设累积注量F，停止质子辐照试验；第三步，对A组CMOS图像传感器进行结构分析，获取器件工艺、版图结构信息；第四步，根据结构分析结果构建三维仿真模型，采用粒子输运软件Geant4计算注量为F
pi
的70MeV质子入射器件后在CMOS图像传感器中沉积的非电离能损，并根据注量F
pi
计算出位移损伤剂量，记为DD
i
，单位为MeV/g；第五步，采用粒子输运软件Geant4计算1MeV中子在CMOS图像传感器中沉积的非电离能损，根据位移损伤剂量DD
i
计算出对应的中子注量F
ni
；第六步，对B组的CMOS图像传感器进行反应堆中子辐照试验，辐照时器件加电方式与上述质子辐照时保持一致，当辐照等效1MeV中子注量累积到F
ni
时，停止辐照，测试CMOS图像传感器暗电流值，记为μ
Bi
，重复m次直至F
ni
达到预设累积注量F
n
，停止反应堆中子辐照试验；第七步，计算空间质子电离损伤
△
μ
i
，计算方法为公式(1)
△
μ
i＝
μ
Ai
‑
μ
Bi

【专利技术属性】
技术研发人员：汪波，马林东，李珍，刘伟鑫，江芸，孔泽斌，刘建设，祝伟明，王昆黍，
申请(专利权)人：上海精密计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：