圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置，該檢測裝置包括圖像處理模塊、電源、程控電源和試驗電路板，其中試驗電路板上設置有成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器，采用的圖像處理模塊能夠識別粒子轟擊產(chǎn)生的白斑，統(tǒng)計出白斑的個數(shù)及所占的像素大小，便于分析粒子轟擊產(chǎn)生的單粒子瞬態(tài)對于圖像傳感器的像素的影響，能夠有效的檢測并評估圖像傳感器的單粒子效應敏感性，本發(fā)明單粒子效應檢測裝置實現(xiàn)了有效全面的檢測粒子輻照過程中產(chǎn)生的單粒子效應，能夠有效的考核器件的抗單粒子效應性能指標。
【專利說明】圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子器件抗單粒子能力試驗驗證【技術領域】，涉及圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置。
【背景技術】
[0002]隨著半導體技術的迅猛發(fā)展，器件的特征尺寸和工作電壓越來越小，相應地，臨界電荷也越來越小，單粒子效應的作用也越來越明顯。近些年來發(fā)現(xiàn)單粒子效應對器件的工作性能影響更加顯著，其損傷模式也日趨復雜化，如果不清楚微電子器件發(fā)生功能中斷或者功能錯誤的原因，就無法正確評估微電子器件的抗輻射能力，在后期研制微電子器件時，就無法有效地提升微電子器件的抗輻射性能。
[0003]對于圖像傳感器來說，在粒子轟擊時其像元和控制單元容易受到影響。當粒子轟擊在像元的位置時，由于單粒子瞬態(tài)的作用使得該像元發(fā)光導致圖像出現(xiàn)白斑或者損壞(即硬損傷)到處圖像出現(xiàn)固定的白斑或者黑點。當粒子轟擊在控制單元上時可能導致圖像傳感器的成像功能失效，即出現(xiàn)單粒子功能中斷。因此，對于圖像傳感器的單粒子效用的檢測與考核是十分必要的，有利于指導電路的抗單粒子性能設計。
[0004]多數(shù)抗輻射微電子器件的單粒子效應的試驗驗證工作是在地面進行，尤其是航天器設計所需的微電子器件抗性能評估的依據(jù)是地面模擬試驗結果。地面模擬試驗不可能完全逼真，模擬條件應盡可能地反映客觀現(xiàn)象的本質。因此，在評估微電子器件抗輻射性能時，就更需要采取嚴謹科學的方法，找出器件發(fā)生單粒子效應的原因，避免由于其他因素造成的影響而誤導結果分析。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置，該裝置能夠識別粒子轟擊產(chǎn)生的白斑，統(tǒng)計出白斑的個數(shù)及所占的像素大小，便于分析粒子轟擊產(chǎn)生的單粒子瞬態(tài)對于圖像傳感器的像素的影響，能夠有效的檢測并評估圖像傳感器的單粒子效應敏感性。
[0006]本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現(xiàn)的:
[0007]圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置，包括圖像處理模塊、電源和試驗電路板，其中試驗電路板上設置有成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器，成像電子系統(tǒng)包括網(wǎng)口協(xié)議芯片、FIFO和FPGA，其中:
[0008]圖像處理模塊:向成像電子系統(tǒng)發(fā)送控制信息，實現(xiàn)成像電子系統(tǒng)對待檢測圖像傳感器的控制；接收由成像電子系統(tǒng)發(fā)送的圖像信息，通過所述圖像信息實時判斷待測圖像傳感器的成像功能是否正常，若正常則對所述圖像信息上白斑的數(shù)量、大小、分布情況進行識別和統(tǒng)計；
[0009]電源:為試驗電路板上的成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器供電；
[0010]網(wǎng)口協(xié)議芯片:接收來自圖像管理模塊的控制信息并發(fā)送給FPGA，從FIFO中讀取圖像信息并發(fā)送給圖像處理模塊；
[0011]FIFO:接收FPGA發(fā)送的圖像信息并進行緩存；
[0012]FPGA:根據(jù)從網(wǎng)口協(xié)議芯片接收到的控制信息發(fā)送控制指令給待測圖像傳感器；接收由待測圖像傳感器發(fā)送的圖像信息，并發(fā)送給FIFO ;將控制指令發(fā)送給網(wǎng)口協(xié)議芯片和FIFO，對網(wǎng)口協(xié)議芯片和FIFO進行控制。
[0013]在上述圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置中，圖像處理模塊對圖像信息上白斑的數(shù)量、大小、分布情況進行識別和統(tǒng)計的具體方法如下:
[0014](I)、將圖像信息上所有像素的標記都置為0，然后根據(jù)每個像素的像素值依次對每個像素進行標記；
[0015](2)、若像素的像素值小于設定的閾值，則所述像素的像素標記保持O不變；
[0016](3)、若像素的像素值大于或等于設定的閾值，則所述像素的像素標記不為0，具體值由所述像素左邊和上邊像素的標記共同確定，方法如下:
[0017](a)如果左邊、上邊像素標記都為0，則所述像素標記重新取值，表示一個新的白斑出現(xiàn)；
[0018](b)如果左邊像素標記為0，而上邊像素標記不為0，則所述像素標記取與上邊像素標記相同值，表示與上邊像素同處于一個白斑中；
[0019](c)如果左邊像素標記不為0，而上邊像素標記為0，則所述像素標記取與左邊像素標記相同值，表示與左邊像素同處于一個白斑中；
[0020](d)如果上邊、左邊像素標記都不為0，而且標記值相同，則所述像素標記取與左邊像素或上邊像素標記相同值，表示與左邊像素或上邊像素同處于一個白斑中；
[0021](e)如果上邊、左邊像素標記都不為0，而且標記值不同，分別記為Flagup和Flaglrft，則表示上邊像素、左邊像素所處的白斑實際是連在一起的，為同一白斑，需要修改所述像素前面像素的標記，即:所述像素前面像素的標記如果為Flagleft,即與左邊像素標記相同，則將所述像素前面像素的標記修改為Flagup,即與上邊像素的標記相同；
[0022](4)、在為每個像素進行像素標記的同時，記錄不同標記對應的像素個數(shù)。
[0023]在上述圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置中，電源包括電源管理模塊和程控電源，其中電源管理模塊對程控電源進行遠程控制，并從程控電源上回讀成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器的電流信息；程控電源在電源管理模塊的控制下向成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器供電，并監(jiān)測成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器的工作電流。
[0024]在上述圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置中，成像電子系統(tǒng)中還包括網(wǎng)口，網(wǎng)口用于實現(xiàn)網(wǎng)口協(xié)議芯片與圖像處理模塊之間的信息交互。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有益效果為:
[0026](I)、本發(fā)明采用全新設計的圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置，該檢測裝置包括圖像處理模塊、電源、程控電源和試驗電路板，其中試驗電路板上設置有成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器，該檢測裝置實現(xiàn)了有效全面的檢測粒子輻照過程中產(chǎn)生的單粒子效應，能夠有效的考核器件的抗單粒子效應性能指標；
[0027](2)、本發(fā)明圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置采用的圖像處理模塊能夠識別粒子轟擊產(chǎn)生的白斑，統(tǒng)計出白斑的個數(shù)及所占的像素大小，便于分析粒子轟擊產(chǎn)生的單粒子瞬態(tài)對于圖像傳感器的像素的影響，能夠有效的檢測并評估圖像傳感器的單粒子效應敏感性；
[0028](3)、本發(fā)明圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置采用圖像處理模塊與電源管理模塊，實現(xiàn)了操作者遠程控制試驗電路板，并實時觀測圖像傳感器在粒子輻照過程中的工作情況，方便控制單粒子試驗過程；
[0029](4)、本發(fā)明圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置通過采用FIFO和網(wǎng)口協(xié)議芯片，實現(xiàn)了高速傳輸數(shù)據(jù)，滿足圖像傳感器工作在十幾兆赫茲的要求；
[0030](5)、本發(fā)明圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置已經(jīng)在中國原子能科學研究院單粒子輻射試驗終端和中科院近代物理研究所輻射試驗終端進行了現(xiàn)場驗證，并且取得了良好的結果，完全實現(xiàn)了預期的目標。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置結構示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明的單粒子效應檢測裝置中圖像處理模塊流程圖；
[0033]圖3為本發(fā)明的單粒子效應檢測裝置中單粒子試驗流程圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述:
[0035]如圖1所示為本發(fā)明圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置結構示意圖，由圖可知本發(fā)明圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置包括圖像處理模塊、電源和試驗電路板，電源包括電源管理模塊與程控電源，其中試驗電路板放置于輻照環(huán)境內，圖像處理模塊和電源放置于輻照環(huán)境外。試驗電路板上設置有成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器，成像電子系統(tǒng)包括網(wǎng)口、網(wǎng)口協(xié)議芯片、FIFO和FPGA。
[0036]圖像處理模塊負責向成像電子系統(tǒng)發(fā)送控制信息，實現(xiàn)成像電子系統(tǒng)對待檢測圖像傳感器的控制；接收由成像電子系統(tǒng)發(fā)送的圖像信息，通過所述圖像信息實時判斷待測圖像傳感器的成像功能是否正常，若正常則對所述圖像信息上白斑的數(shù)量、大小、分布情況進行識別和統(tǒng)計，若成像功能不正常，則結束。
[0037]電源包括電源管理模塊和程控電源，其中電源管理模塊對程控電源進行遠程控制，并從程控電源上回讀成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器的電流信息；程控電源在電源管理模塊的控制下向成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器供電，并監(jiān)測成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器的工作電流，以判定圖像傳感器在粒子輻照過程中是否發(fā)生閂鎖。
[0038]網(wǎng)口協(xié)議芯片接收來自圖像管理模塊的控制信息并發(fā)送給FPGA，從FIFO中讀取圖像信息并發(fā)送給圖像管理模塊。網(wǎng)口用于實現(xiàn)網(wǎng)口協(xié)議芯片與圖像處理模塊之間的信息交互。
[0039]FIFO接收FPGA發(fā)送的圖像信息并進行緩存。
[0040]FPGA根據(jù)從網(wǎng)口協(xié)議芯片接收到的控制信息發(fā)送控制指令給待測圖像傳感器；接收由待測圖像傳感器發(fā)送的圖像信息，并發(fā)送給FIFO ;將控制指令發(fā)送給網(wǎng)口協(xié)議芯片和FIF0，對網(wǎng)口協(xié)議芯片和FIFO進行控制。
[0041]本發(fā)明圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置與測量大廳的遠程控制計算機連接，通過遠程計算機可以實施遠程控制。[0042]如圖2所示為本發(fā)明的單粒子效應檢測裝置中圖像處理模塊流程圖，由圖可知圖像處理模塊的工作流程如下:
[0043](I)通過圖像處理模塊設置待測圖像傳感器的控制信息如設置曝光時間、讀出速率、窗口位置大小、片上片外ADC選擇、PGA增益等參數(shù)；
[0044](2)圖像處理模塊將設置好的控制信息通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送至FPGA ；
[0045](3) FPGA根據(jù)接收到的控制信息生成控制指令并發(fā)送給待測圖像傳感器實現(xiàn)成像；
[0046](4)圖像曝光；
[0047](5) FPGA讀取圖像信息并將圖像信息上傳至圖像處理模塊處理；
[0048](6)若是需要繼續(xù)成像則回到步驟3，若否則結束。
[0049]如圖3所示為本發(fā)明的單粒子效應檢測裝置中單粒子試驗流程圖，單粒子試驗包括單粒子效應的分類及白斑的識別與統(tǒng)計。具體如下:
[0050]一、單粒子效應的分類
[0051]對于圖像傳感器而言，存在的單粒子效應主要有軟損傷、硬損傷、單粒子功能中斷、單粒子閂鎖。
[0052](I)軟損傷:是可以恢復的一種損傷，亦稱軟錯誤。主要是由于單粒子瞬態(tài)引起的白斑，這些白斑在粒子停止輻照之后即消失；
[0053](2)硬損傷:是不可以恢復的一種損傷，亦稱硬錯誤。主要是由于單粒子轟擊造成的像元功能失效，表現(xiàn)出固定的白斑或者黑點，粒子停止輻照之后不會消失；
[0054](3)單粒子功能中斷:該效應主要是當粒子轟擊到除像元區(qū)域以外的其他圖像傳感器的控制單元電路時導致這些電路發(fā)生翻轉造成圖像傳感器的成像功能失效；
[0055](4)單粒子閂鎖:粒子轟擊圖像傳感器時造成其工作電流陡增且不能自行恢復的現(xiàn)象。
[0056]二、白斑的識別與統(tǒng)計
[0057]圖像傳感器在單粒子輻照過程中收到單粒子瞬態(tài)的影響，其成像往往會有很多白斑或者黑點。固定的白斑或者黑點則是由于單粒子效應對圖像傳感器造成了不可恢復的固定損傷(硬損傷)；在開始下一幀圖像采集前即消失的白斑即為單粒子瞬態(tài)效應，會影響圖像傳感器的成像質量。為了全面的研究單粒子瞬態(tài)對圖像傳感器的成像質量的影響及圖像傳感器對于單粒子瞬態(tài)的敏感性特點的分析，需要對圖像上白斑的數(shù)量、大小、分布情況進行識別和統(tǒng)計分析。圖像傳感器成像的白斑的識別算法的實現(xiàn)過程如下:
[0058](I)、將圖像信息上所有像素的標記都置為0，然后根據(jù)每個像素的像素值依次對每個像素進行標記。
[0059](2)、若像素的像素值小于設定的閾值(如2000DN)，則所述像素的像素標記保持O不變。
[0060](3)、若像素的像素值大于或等于設定的閾值，則所述像素的像素標記不為0，具體值由所述像素左邊和上邊像素的標記共同確定，方法如下:
[0061](a)如果左邊、上邊像素標記都為0，則所述像素標記重新取值(例如取1、2、3等)，表示一個新的白斑出現(xiàn)。
[0062](b)如果左邊像素標記為0，而上邊像素標記不為0，則所述像素標記取與上邊像素標記相同值，表示與上邊像素同處于一個白斑中。
[0063](c)如果左邊像素標記不為0，而上邊像素標記為0，則所述像素標記取與左邊像素標記相同值，表示與左邊像素同處于一個白斑中。
[0064](d)如果上邊、左邊像素標記都不為0，而且標記值相同，則所述像素標記取與左邊像素或上邊像素標記相同值，表示與左邊像素或上邊像素同處于一個白斑中。
[0065]Ce)如果上邊、左邊像素標記都不為0，而且標記值不同，分別記為Flagup和Flaglrft，則表示上邊像素、左邊像素所處的白斑實際是連在一起的，為同一白斑，需要修改所述像素前面像素的標記，即:所述像素前面像素的標記如果為Flagleft,即與左邊像素標記相同，則將所述像素前面像素的標記修改為Flagup,即與上邊像素的標記相同。
[0066](4)、在為每個像素進行像素標記的同時，記錄不同標記對應的像素個數(shù)，并根據(jù)標記的修改而修改。
[0067]非零的不同標記代表不同的白斑，同一標記中像素個數(shù)代表著該標記所對應白斑的大小(即白斑所占的像素個數(shù))。
[0068]對于固定的白斑或者黑點則可在停止輻照之后進行判別，若是輻照過程中某個像元一直為固定的白斑或者黑點，且在停止輻照之后該白斑或者黑點仍然存在，則可以判斷器件產(chǎn)生了硬損傷。
[0069]以上所述，僅為本發(fā)明最佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
[0070]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置，其特征在于:包括圖像處理模塊、電源和試驗電路板，其中試驗電路板上設置有成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器，成像電子系統(tǒng)包括網(wǎng)口協(xié)議芯片、FIFO和FPGA，其中: 圖像處理模塊:向成像電子系統(tǒng)發(fā)送控制信息，實現(xiàn)成像電子系統(tǒng)對待檢測圖像傳感器的控制；接收由成像電子系統(tǒng)發(fā)送的圖像信息，通過所述圖像信息實時判斷待測圖像傳感器的成像功能是否正常，若正常則對所述圖像信息上白斑的數(shù)量、大小、分布情況進行識別和統(tǒng)計； 電源:為試驗電路板上的成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器供電； 網(wǎng)口協(xié)議芯片:接收來自圖像管理模塊的控制信息并發(fā)送給FPGA，從FIFO中讀取圖像信息并發(fā)送給圖像處理模塊； FIFO:接收FPGA發(fā)送的圖像信息并進行緩存； FPGA:根據(jù)從網(wǎng)口協(xié)議芯片接收到的控制信息發(fā)送控制指令給待測圖像傳感器；接收由待測圖像傳感器發(fā)送的圖像信息，并發(fā)送給FIFO ;將控制指令發(fā)送給網(wǎng)口協(xié)議芯片和FIFO，對網(wǎng)口協(xié)議芯片和FIFO進行控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置，其特征在于:所述圖像處理模塊對圖像信息上白斑的數(shù)量、大小、分布情況進行識別和統(tǒng)計的具體方法如下: (1)、將圖像信息上所有像素的標記都置為0，然后根據(jù)每個像素的像素值依次對每個像素進行標記； (2)、若像素的像素值小于設定的閾值，則所述像素的像素標記保持O不變； (3)、若像素的像素值大于或等于設定的閾值，則所述像素的像素標記不為0，具體值由所述像素左邊和上邊像素的標記共同確定，方法如下: Ca)如果左邊、上邊像素標記都為0，則所述像素標記重新取值，表示一個新的白斑出現(xiàn)； (b)如果左邊像素標記為0，而上邊像素標記不為0，則所述像素標記取與上邊像素標記相同值，表不與上邊像素同處于一個白斑中； (c)如果左邊像素標記不為0，而上邊像素標記為0，則所述像素標記取與左邊像素標記相同值，表不與左邊像素同處于一個白斑中； (d)如果上邊、左邊像素標記都不為0，而且標記值相同，則所述像素標記取與左邊像素或上邊像素標記相同值，表示與左邊像素或上邊像素同處于一個白斑中； (e)如果上邊、左邊像素標記都不為O,而且標記值不同，分別記為Flagup和Flagleft,則表示上邊像素、左邊像素所處的白斑實際是連在一起的，為同一白斑，需要修改所述像素前面像素的標記，即:所述像素前面像素的標記如果為Flagleft,即與左邊像素標記相同，則將所述像素前面像素的標記修改為Flagup,即與上邊像素的標記相同； (4)、在為每個像素進行像素標記的同時，記錄不同標記對應的像素個數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置，其特征在于:所述電源包括電源管理模塊和程控電源，其中電源管理模塊對程控電源進行遠程控制，并從程控電源上回讀成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器的電流信息；程控電源在電源管理模塊的控制下向成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器供電，并監(jiān)測成像電子系統(tǒng)和待檢測圖像傳感器的工作電流。
4.根據(jù)權利要求1所述的圖像傳感器的單粒子效應檢測裝置，其特征在于:所述成像電子系統(tǒng)中還包括網(wǎng)口，網(wǎng)口用于實現(xiàn)網(wǎng)口協(xié)議芯片與圖像處理模塊之間的信息交互。
【文檔編號】G01R31/00GK103675546SQ201310675184
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權日:2013年12月11日
【發(fā)明者】陳莉明, 董攀, 陳茂鑫, 李想, 郭立業(yè), 范隆, 岳素格, 鄭宏超, 杜守剛, 馬建華, 王煌偉, 文圣泉, 畢瀟, 于春青 申請人:北京時代民芯科技有限公司, 北京微電子技術研究所