辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器满阱的测试方法与流程

本发明属于光电成像器件性能参数检测技术领域，涉及一种辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器满阱的测试方法。

背景技术：

随着航天技术的飞速发展，互补金属氧化物半导体有源像素传感器(complementarymetaloxidesemiconductoractivepixelsensor,简称cmosaps)具有集成度高、功耗低、电学功能全面、可实现窗口选择及随机读出等优势，更加符合空间设备小型化、轻量化、低功耗等要求，是空间和遥感成像的理想器件。然而空间环境中存在着大量的高能粒子、电子、质子、中子、x射线、γ射线、α粒子等辐射源，长期辐射会使得器件瞬间失效或永久性损伤。随着空间应用的迫切需要，自20世纪中后期以来，国内外相关机构均开始对互补金属氧化物半导体有源像素传感器的辐射效应进行研究。

满阱是表征互补金属氧化物半导体有源像素传感器特征的重要指标，理论上，它表征的是势阱所能容纳的最大容量，单位为e。通过满阱可以直观的体现互补金属氧化物半导体有源像素传感器的动态范围、信噪比、灵敏度等像素单元关键性能指标，研究有源像素传感器满阱容量随辐照剂量的变化，对于研究有源像素传感器的电离辐射效应具有重要意义。

对于k位(k-bit)的有源像素传感器，它的数字灰度值在0到(2^k-1)范围内，由此可见，若光强足够强或曝光时间足够长时，灰度值总会在达到一个定值，即为饱和灰度值，单位为dn。它表征的是像素所能采集到的最强有效信号的能力。需要注意的是由于总系统增益的不同设定，饱和灰度值的大小也不相同，如此一来，饱和灰度值有可能达到(2^k-1)后，不能够继续提升，说明实际像素的饱和灰度值被模数转换器的数字位限制，损失了部分信号，导致无法得到满阱容量随着电离总剂量增加的变化趋势，这就需要调整系统的总增益，使得辐照前的饱和灰度值小于模数转换器能够输出的最大值(2^k-1)。

国外是遵照emva1288测试标准来定量化的求解分析互补金属氧化物半导体有源像素传感器和相机的性能参数，但它没有给出满阱辐照前后的测试方法，然而满阱可以直观的体现传感器的动态范围、信噪比、灵敏度等像素单元关键性能指标，因此本文提出辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器满阱的测试方法，掌握满阱随辐照的变化趋势，对研究器件的辐射效应有重要意义，更可以为互补金属氧化物半导体有源像素传感器在空间应用时的抗辐射设计提供理论依据和技术支撑。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为解决现有测试技术的局限性，提供一种辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器满阱的测试方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、直流电源和计算机组成，当样品辐照前的饱和输出为辐照前暗场平均灰度值的20倍左右，并且该饱和输出小于4000dn时，通过计算样品辐照后所有像素位置的亮场平均灰度值与暗场平均灰度值的差值，以该差值为纵坐标，以积分时间为横坐标，绘制光响应曲线，光响应曲线在达到饱和时的像素输出灰度值即为饱和输出，将该值除以转换增益即求解出辐照后样品的满阱。为了避免在求解满阱时出现截断效应，当样品辐照前的饱和输出大于等于4000dn时，需要将样品内部结构中可编程增益放大器的增益调到小于1后才能通过上述方法求解出正确的满阱。本发明操作方便简单，可以直观的看出辐照后器件动态范围、信噪比、灵敏度等性能指标的变化情况。

本发明所述的一种辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器满阱的测试方法，该方法中涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、直流电源和计算机组成，在静电试验平台(1)上分别设有积分球光源(2)和三维样品调整台(3)，在三维样品调整台(3)上固定有样品测试板(4)，在样品测试板(4)上放置互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)，样品测试板(4)与直流电源(6)连接，静电试验平台(1)与计算机(7)连接，所述该方法中涉及辐射前互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的饱和输出小于4000dn，或饱和输出大于等于4000dn的测试；

所述辐射前互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的饱和输出小于4000dn，具体操作按下列步骤进行：

a、当辐射前互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的饱和输出为辐照前暗场平均灰度值的20倍，并且该饱和输出小于4000dn，将辐照后的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)固定在样品测试板(4)上，再将样品测试板(4)分别与直流电源(6)和计算机(7)相连，开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭积分球光源(2)，并同时关闭测试室中其他照明光源，并用不透光的黑盒罩盖住互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)；

b、暗场条件下，在计算机测试软件上设置积分时间范围并在此范围内等间隔取15个点，每个积分时间下由图像传感器采20帧2048×2040的灰度图像，通过测试软件获得20组2048×2040的灰度值矩阵，计算辐照后所有像素位置的暗场平均灰度值；

c、亮场条件下：打开积分球光源(2)，并保持测试室中其他照明光源关闭，在步骤b设置的积分时间范围内等间隔取15个点，每个积分时间下由图像传感器采20帧2048×2040的灰度图像，通过测试软件可以获得20组2048×2040的灰度值矩阵，计算辐照后所有像素位置的亮场平均灰度值；

d、以积分时间为横坐标，以辐照后所有像素位置的亮场平均灰度值与所有像素位置的暗场平均灰度值的差值作为纵坐标，绘制光响应曲线，光响应曲线在达到饱和时的像素输出灰度值即为饱和输出，该值除以转换增益即为满阱；

所述辐射前互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的饱和输出大于等于4000dn，具体操作按下列步骤进行：

a、当辐射前互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的饱和输出大于等于4000dn，则辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的满阱需要将互补金属氧化物半导体样品有源像素传感器(5)内部结构中可编程增益放大器的增益调到小于1后，将辐照后的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)固定在样品测试板(4)上，再将样品测试板(4)分别与直流电源(6)和计算机(7)相连，开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭积分球光源(2)，并同时关闭测试室中其他照明光源，并用不透光的黑盒罩盖住互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)；

b、暗场条件下，在计算机测试软件上设置积分时间范围并在此范围内等间隔取15个点，每个积分时间下由图像传感器采20帧2048×2040的灰度图像，通过测试软件获得20组2048×2040的灰度值矩阵，计算辐照后所有像素位置的暗场平均灰度值；

c、亮场条件下：打开积分球光源(2)，并保持测试室中其他照明光源关闭，在步骤b设置的积分时间范围内等间隔取15个点，每个积分时间下由图像传感器采20帧2048×2040的灰度图像，通过测试软件可以获得20组2048×2040的灰度值矩阵，计算辐照后所有像素位置的亮场平均灰度值；

d、以积分时间为横坐标，以辐照后所有像素位置的亮场平均灰度值与所有像素位置的暗场平均灰度值的差值作为纵坐标，绘制光响应曲线，光响应曲线在达到饱和时的像素输出灰度值即为饱和输出，该值除以转换增益即为满阱。

本发明提供一种辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器满阱的测试方法，利用放置在静电试验平台上的积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、电源、计算机组成的辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器满阱的测试系统。该方法适用于两种情况：

第一种情况是当样品辐照前的饱和输出为辐照前暗场平均灰度值的20倍左右，并且该饱和输出小于4000dn时，具体操作按下列步骤进行：

将辐照后的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)固定在样品测试板(4)上，再将样品测试板(4)分别与直流电源(6)和计算机(7)相连，开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭积分球光源(2)，并同时关闭测试室中其他照明光源，并用不透光的黑盒罩盖住互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)；

暗场条件下，在计算机测试软件上设置积分时间范围并在此范围内等间隔取15个点，每个积分时间下由图像传感器采20帧2048×2040的灰度图像，通过测试软件获得20组2048×2040的灰度值矩阵，灰度值矩阵分别为y1[m][n]、y2[m][n]、……、y20[m][n]，其中m和n表示某个灰度值的像素位置(1≤m≤2048,1≤n≤2040,m,n都为正整数)，下角标dark和d均表示暗场，下角标q(1、2、……、20)表示20帧图像的序号。求辐照后暗场每个像素位置的平均灰度值：

然后计算辐照后暗场条件下所有像素位置的灰度值的平均值，即μy.dark：

亮场条件下：打开积分球光源(2)，并保持测试室中其他照明光源关闭，在暗场设置的积分时间范围内等间隔取15个点，每个积分时间下由图像传感器采20帧2048×2040的灰度图像，通过测试软件可以获得20组2048×2040的灰度值矩阵。灰度值矩阵分别为y1[m][n]、y2[m][n]、……、y20[m][n]，其中m和n表示某个灰度值的像素位置(1≤m≤2048,1≤n≤2040,m,n都为正整数)，下角标q(1、2、……、20)表示20帧图像的序号，求辐照后亮场每个像素位置的平均灰度值：

再计算辐照后亮场条件下所有像素位置的灰度值的平均值，即μy：

以积分时间为横坐标，以辐照后所有像素位置的亮场平均灰度值与所有像素位置的暗场平均灰度值的差值作为纵坐标，绘制光响应曲线，光响应曲线在达到饱和时的像素输出灰度值即为饱和输出，该值除以转换增益即为满阱。

第二种情况是当样品辐照前的饱和输出大于等于4000dn时，具体操作按下列步骤进行：

首先在计算机中将样品(5)内部结构中可编程增益放大器的增益调到小于1，然后按照第一种情况时方法的步骤求出辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器的满阱即可。

本发明解决了辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器满阱的测试问题，弥补了emva1288测试标准中缺乏互补金属氧化物半导体有源像素传感器满阱这个关键性能参数测试方法的不足。本发明提出的方法充分考虑了满阱测试时可能出现的截断效应，并针对这种情况提出了相应的解决办法，可以直观的看出有源像素传感器满阱容量随辐照剂量的变化，对于研究有源像素传感器的电离辐射效应具有重要意义。因此本发明适用于需要掌握辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器性能的器件研制单位、科研院所和航天载荷单位使用。

附图说明

图1为本发明测试系统示意图；

图2为本发明中实例样品(5)辐照前的饱和输出为辐照前暗场平均灰度值的20倍左右，并且该饱和输出小于4000dn前提下测试出的样品辐照前、辐照总剂量达到50krad和100krad的光响应曲线；

图3为本发明中实例样品(5)辐照前的饱和输出大于等于4000dn，但未调整可编程增益放大器的增益前提下测试出的样品辐照前、辐照总剂量达到50krad和100krad的光响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例

本发明所述的辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器满阱的测试方法，该方法涉及装置是由静电试验平台、积分球光源、三维样品调整台、样品测试板、互补金属氧化物半导体样品、直流电源和计算机组成，在静电试验平台1上分别设有积分球光源2和三维样品调整台3，在三维样品调整台3上固定有样品测试板4，在样品测试板4上放置互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5，样品测试板4与直流电源6连接，静电试验平台1与计算机7连接；

当辐射前互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5的饱和输出为辐照前暗场平均灰度值的20倍左右，并且该饱和输出小于4000dn，则辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5的满阱具体操作按下列步骤进行：

a、暗场测试前，先将互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5(其型号为gsense400)进行γ射线辐照，剂量率为50rad(si)/s，辐照时长为1000s，总剂量达到50krad时进行测试，然后将互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5插入样品测试板4(其型号为vesion1.1)上，用样品测试板4上的零插拔力插座固定互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5，再将样品测试板4分别与直流电源6、计算机7相连，连接后将直流电源的三路设置为+5v、-5v和接地，设置样品测试板4在+5v下的正常工作电流为435ma至550ma，此时限流设置为800ma；样品测试板4在-5v下限流设置为100ma；样品测试板4的时序和配置参数由长春长光辰芯光电技术有限公司提供，分为标准模式和高动态范围模式，本测试过程中采用高动态范围模式时序和此模式下的配置参数；选择输出图像分辨率设置为2048×2040，直流电源6和计算机设置7设置完成后，若辐射前互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5的饱和输出为辐照前暗场平均灰度值的20倍左右，并且该饱和输出小于4000dn，则开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭积分球光源2，并同时关闭测试室中其他照明光源，并用不透光的黑盒罩盖住互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5；

b、暗场条件下，测试环境温度设置为25℃，湿度设置为30％rh，在计算机7中测试软件的积分时间范围设置为1-10000linetime，积分时间范围内等间隔取15个点，每个积分时间下由图像传感器采20帧2048×2040的灰度图像，通过测试软件可以获得20组2048×2040的灰度值矩阵，灰度值矩阵分别为y1[m][n]、y2[m][n]、……、y20[m][n]，其中m和n表示某个灰度值的像素位置(1≤m≤2048,1≤n≤2040,m,n都为正整数)，下角标dark和d均表示暗场，下角标q(1、2、……、20)表示20帧图像的序号。根据这20组灰度值矩阵先通过公式(1)求出辐照前暗场每个像素位置的平均灰度值，再通过公式(2)求出辐照前暗场所有像素位置的灰度值的平均值，即μy.dark；

在15个不同积分时间计算出辐照1000s总剂量达到50krad时，暗场所有像素位置的灰度值的平均值结果如表1中第3大列暗场输出小列所示；表1中辐照前的数据为已知数据；

表1样品辐照后达到不同总剂量的暗场和亮场所有像素位置的平均灰度值测试结果(样品的饱和输出为辐照前暗场平均灰度值的20倍左右，并且该饱和输出小于4000dn)

将样品继续再辐照1000s，总剂量达到100krad时，再进行一次暗场测试。在之前选定的15个不同积分时间计算出辐照2000s总剂量达到100krad时，暗场所有像素位置的灰度值的平均值结果如表1中第4大列暗场输出小列所示；

c、亮场条件下：将样品辐照1000s总剂量达到50krad时进行亮场测试，打开积分球光源2，并保持测试室中其他照明光源关闭，测试环境温度仍设置为25℃，湿度设置为30％rh，样品测试板4需通过三维样品调整台3调整x、y、z三个方向的位置，使其与积分球光源2距离5cm，并且使样品测试板4上的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5正对积分球光源出光口并与出光口边沿对齐，在测试软件中设置和暗场相同的积分时间范围，在步骤b设置的积分时间范围内等间隔取15个点，每个积分时间下由图像传感器采20帧2048×2040的灰度图像，通过测试软件可以获得20组2048×2040的灰度值矩阵，灰度值矩阵分别为y1[m][n]、y2[m][n]、……、y20[m][n]，其中m和n表示某个灰度值的像素位置(1≤m≤m,1≤n≤n,m,n,m,n都为正整数)，下角标q(1、2、……、20)表示20帧图像的序号，根据这20组灰度值矩阵先通过公式(3)求出辐照前亮场每个像素位置的平均灰度值，再通过公式(4)求出辐照后亮场所有像素位置的灰度值的平均值，即μy；

在15个不同积分时间计算出辐照1000s总剂量达到50krad时，亮场所有像素位置的灰度值的平均值结果如表1中第3大列亮场输出小列所示；

将样品继续再辐照1000s，总剂量达到100krad时，再进行一次亮场测试，在之前选定的15个不同积分时间计算出辐照2000s总剂量达到100krad时，亮场所有像素位置的灰度值的平均值结果如表1中第4大列亮场输出小列所示；

d、以积分时间为横坐标，以辐照后所有像素位置的亮场平均灰度值与所有像素位置的暗场平均灰度值的差值作为纵坐标，绘制光响应曲线，如图2所示。光响应曲线在达到饱和时的像素输出灰度值即为饱和输出，该值除以转换增益即为满阱。

实施例2

当辐射前互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5的饱和输出大于等于4000dn，则辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5的满阱需要将互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5内部结构中可编程增益放大器的增益调到小于1后，再求解出正确的满阱，具体操作按下列步骤进行：

a、当辐射前互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的饱和输出大于等于4000dn，则辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)的满阱需要将互补金属氧化物半导体样品有源像素传感器(5)内部结构中可编程增益放大器的增益调到小于1后，将辐照后的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)固定在样品测试板(4)上，再将样品测试板(4)分别与直流电源(6)和计算机(7)相连，开始进行暗场测试，暗场测试时需关闭积分球光源(2)，并同时关闭测试室中其他照明光源，并用不透光的黑盒罩盖住互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(5)；

b、暗场条件下，测试环境温度设置为25℃，湿度设置为30％rh，在计算机7中测试软件的积分时间范围设置为1-10000linetime，积分时间范围内等间隔取15个点，每个积分时间下由图像传感器采20帧2048×2040的灰度图像，通过测试软件可以获得20组2048×2040的灰度值矩阵，灰度值矩阵分别为y1[m][n]、y2[m][n]、……、y20[m][n]，其中m和n表示某个灰度值的像素位置(1≤m≤2048,1≤n≤2040,m,n都为正整数)，下角标dark和d均表示暗场，下角标q(1、2、……、20)表示20帧图像的序号。根据这20组灰度值矩阵先通过公式(1)求出辐照前暗场每个像素位置的平均灰度值，再通过公式(2)求出辐照前暗场所有像素位置的灰度值的平均值，即μy.dark；

在15个不同积分时间计算出辐照1000s总剂量达到50krad时，暗场所有像素位置的灰度值的平均值结果如表1中第3大列暗场输出小列所示；

将样品继续再辐照1000s，总剂量达到100krad时，再进行一次暗场测试。在之前选定的15个不同积分时间计算出辐照2000s总剂量达到100krad时，暗场所有像素位置的灰度值的平均值结果如表1中第4大列暗场输出小列所示；

c、亮场条件下：将样品辐照1000s总剂量达到50krad时进行亮场测试，打开积分球光源2，并保持测试室中其他照明光源关闭，测试环境温度仍设置为25℃，湿度设置为30％rh，样品测试板4需通过三维样品调整台3调整x、y、z三个方向的位置，使其与积分球光源2距离5cm，并且使样品测试板4上的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5正对积分球光源出光口并与出光口边沿对齐，在测试软件中设置和暗场相同的积分时间范围，在步骤b设置的积分时间范围内等间隔取15个点，每个积分时间下由图像传感器采20帧2048×2040的灰度图像，通过测试软件可以获得20组2048×2040的灰度值矩阵，灰度值矩阵分别为y1[m][n]、y2[m][n]、……、y20[m][n]，其中m和n表示某个灰度值的像素位置(1≤m≤m,1≤n≤n,m,n,m,n都为正整数)，下角标q(1、2、……、20)表示20帧图像的序号，根据这20组灰度值矩阵先通过公式(3)求出辐照前亮场每个像素位置的平均灰度值，再通过公式(4)求出辐照后亮场所有像素位置的灰度值的平均值，即μy；

在15个不同积分时间计算出辐照1000s总剂量达到50krad时，亮场所有像素位置的灰度值的平均值结果如表1中第3大列亮场输出小列所示；

将样品继续再辐照1000s，总剂量达到100krad时，再进行一次亮场测试，在之前选定的15个不同积分时间计算出辐照2000s总剂量达到100krad时，亮场所有像素位置的灰度值的平均值结果如表1中第4大列亮场输出小列所示；

d、以积分时间为横坐标，以辐照后所有像素位置的亮场平均灰度值与所有像素位置的暗场平均灰度值的差值作为纵坐标，绘制光响应曲线，如图2所示。光响应曲线在达到饱和时的像素输出灰度值即为饱和输出，该值除以转换增益即为满阱。

如果对辐照前互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品5的饱和输出大于等于4000dn，不做可编程增益放大器的增益调整，直接按实施例1步骤求出辐照累积到不同总剂量50krad、100krad后，所有像素位置的亮场平均灰度值与所有像素位置的暗场平均灰度值，相关测试数据如表2所示。

表2样品辐照后达到不同总剂量的暗场和亮场所有像素位置的平均灰度值测试结果

(辐照前样品的饱和输出大于等于4000dn，但未调整可编程增益放大器的增益)

表2中的辐照前数据为已知数据，以两者的差值作为纵坐标，以积分时间为横坐标，绘制光响应曲线，如图3所示，从图3上可以直观的看到实际像素的饱和输出灰度值发生了截断效应，损失了部分信号，导致无法求出正确的满阱。

以上所述，仅为本发明提供的一种辐照后互补金属氧化物半导体有源像素传感器满阱的测试方法的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。