CN103675546B

CN103675546B - 图像传感器的单粒子效应检测装置

Info

Publication number: CN103675546B
Application number: CN201310675184.7A
Authority: CN
Inventors: 陈莉明; 董攀; 陈茂鑫; 李想; 郭立业; 范隆; 岳素格; 郑宏超; 杜守刚; 马建华; 王煌伟; 文圣泉; 毕潇; 于春青
Original assignee: Beijing Microelectronic Technology Institute; Mxtronics Corp
Current assignee: Beijing Microelectronic Technology Institute; Mxtronics Corp
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN103675546A

Abstract

本发明涉及图像传感器的单粒子效应检测装置，该检测装置包括图像处理模块、电源、程控电源和试验电路板，其中试验电路板上设置有成像电子***和待检测图像传感器，采用的图像处理模块能够识别粒子轰击产生的白斑，统计出白斑的个数及所占的像素大小，便于分析粒子轰击产生的单粒子瞬态对于图像传感器的像素的影响，能够有效的检测并评估图像传感器的单粒子效应敏感性，本发明单粒子效应检测装置实现了有效全面的检测粒子辐照过程中产生的单粒子效应，能够有效的考核器件的抗单粒子效应性能指标。

Description

图像传感器的单粒子效应检测装置

技术领域

本发明属于微电子器件抗单粒子能力试验验证技术领域，涉及图像传感器的单粒子效应检测装置。

背景技术

随着半导体技术的迅猛发展，器件的特征尺寸和工作电压越来越小，相应地，临界电荷也越来越小，单粒子效应的作用也越来越明显。近些年来发现单粒子效应对器件的工作性能影响更加显著，其损伤模式也日趋复杂化，如果不清楚微电子器件发生功能中断或者功能错误的原因，就无法正确评估微电子器件的抗辐射能力，在后期研制微电子器件时，就无法有效地提升微电子器件的抗辐射性能。

对于图像传感器来说，在粒子轰击时其像元和控制单元容易受到影响。当粒子轰击在像元的位置时，由于单粒子瞬态的作用使得该像元发光导致图像出现白斑或者损坏（即硬损伤）到处图像出现固定的白斑或者黑点。当粒子轰击在控制单元上时可能导致图像传感器的成像功能失效，即出现单粒子功能中断。因此，对于图像传感器的单粒子效用的检测与考核是十分必要的，有利于指导电路的抗单粒子性能设计。

多数抗辐射微电子器件的单粒子效应的试验验证工作是在地面进行，尤其是航天器设计所需的微电子器件抗性能评估的依据是地面模拟试验结果。地面模拟试验不可能完全逼真，模拟条件应尽可能地反映客观现象的本质。因此，在评估微电子器件抗辐射性能时，就更需要采取严谨科学的方法，找出器件发生单粒子效应的原因，避免由于其他因素造成的影响而误导结果分析。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供图像传感器的单粒子效应检测装置，该装置能够识别粒子轰击产生的白斑，统计出白斑的个数及所占的像素大小，便于分析粒子轰击产生的单粒子瞬态对于图像传感器的像素的影响，能够有效的检测并评估图像传感器的单粒子效应敏感性。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

图像传感器的单粒子效应检测装置，包括图像处理模块、电源和试验电路板，其中试验电路板上设置有成像电子***和待检测图像传感器，成像电子***包括网口协议芯片、FIFO和FPGA，其中：

图像处理模块：向成像电子***发送控制信息，实现成像电子***对待检测图像传感器的控制；接收由成像电子***发送的图像信息，通过所述图像信息实时判断待测图像传感器的成像功能是否正常，若正常则对所述图像信息上白斑的数量、大小、分布情况进行识别和统计；

电源：为试验电路板上的成像电子***和待检测图像传感器供电；

网口协议芯片：接收来自图像管理模块的控制信息并发送给FPGA，从FIFO中读取图像信息并发送给图像处理模块；

FIFO：接收FPGA发送的图像信息并进行缓存；

FPGA：根据从网口协议芯片接收到的控制信息发送控制指令给待测图像传感器；接收由待测图像传感器发送的图像信息，并发送给FIFO；将控制指令发送给网口协议芯片和FIFO，对网口协议芯片和FIFO进行控制。

在上述图像传感器的单粒子效应检测装置中，图像处理模块对图像信息上白斑的数量、大小、分布情况进行识别和统计的具体方法如下：

（1）、将图像信息上所有像素的标记都置为0，然后根据每个像素的像素值依次对每个像素进行标记；

（2）、若像素的像素值小于设定的阈值，则所述像素的像素标记保持0不变；

（3）、若像素的像素值大于或等于设定的阈值，则所述像素的像素标记不为0，具体值由所述像素左边和上边像素的标记共同确定，方法如下：

（a）如果左边、上边像素标记都为0，则所述像素标记重新取值，表示一个新的白斑出现；

（b）如果左边像素标记为0，而上边像素标记不为0，则所述像素标记取与上边像素标记相同值，表示与上边像素同处于一个白斑中；

（c）如果左边像素标记不为0，而上边像素标记为0，则所述像素标记取与左边像素标记相同值，表示与左边像素同处于一个白斑中；

（d）如果上边、左边像素标记都不为0，而且标记值相同，则所述像素标记取与左边像素或上边像素标记相同值，表示与左边像素或上边像素同处于一个白斑中；

（e）如果上边、左边像素标记都不为0，而且标记值不同，分别记为Flagu_p和Flag_left，则表示上边像素、左边像素所处的白斑实际是连在一起的，为同一白斑，需要修改所述像素前面像素的标记，即：所述像素前面像素的标记如果为Flag_left，即与左边像素标记相同，则将所述像素前面像素的标记修改为Flag_up，即与上边像素的标记相同；

（4）、在为每个像素进行像素标记的同时，记录不同标记对应的像素个数。

在上述图像传感器的单粒子效应检测装置中，电源包括电源管理模块和程控电源，其中电源管理模块对程控电源进行远程控制，并从程控电源上回读成像电子***和待检测图像传感器的电流信息；程控电源在电源管理模块的控制下向成像电子***和待检测图像传感器供电，并监测成像电子***和待检测图像传感器的工作电流。

在上述图像传感器的单粒子效应检测装置中，成像电子***中还包括网口，网口用于实现网口协议芯片与图像处理模块之间的信息交互。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）、本发明采用全新设计的图像传感器的单粒子效应检测装置，该检测装置包括图像处理模块、电源、程控电源和试验电路板，其中试验电路板上设置有成像电子***和待检测图像传感器，该检测装置实现了有效全面的检测粒子辐照过程中产生的单粒子效应，能够有效的考核器件的抗单粒子效应性能指标；

（2）、本发明图像传感器的单粒子效应检测装置采用的图像处理模块能够识别粒子轰击产生的白斑，统计出白斑的个数及所占的像素大小，便于分析粒子轰击产生的单粒子瞬态对于图像传感器的像素的影响，能够有效的检测并评估图像传感器的单粒子效应敏感性；

（3）、本发明图像传感器的单粒子效应检测装置采用图像处理模块与电源管理模块，实现了操作者远程控制试验电路板，并实时观测图像传感器在粒子辐照过程中的工作情况，方便控制单粒子试验过程；

（4）、本发明图像传感器的单粒子效应检测装置通过采用FIFO和网口协议芯片，实现了高速传输数据，满足图像传感器工作在十几兆赫兹的要求；

（5）、本发明图像传感器的单粒子效应检测装置已经在中国原子能科学研究院单粒子辐射试验终端和中科院近代物理研究所辐射试验终端进行了现场验证，并且取得了良好的结果，完全实现了预期的目标。

附图说明

图1为本发明图像传感器的单粒子效应检测装置结构示意图；

图2为本发明的单粒子效应检测装置中图像处理模块流程图；

图3为本发明的单粒子效应检测装置中单粒子试验流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明图像传感器的单粒子效应检测装置结构示意图，由图可知本发明图像传感器的单粒子效应检测装置包括图像处理模块、电源和试验电路板，电源包括电源管理模块与程控电源，其中试验电路板放置于辐照环境内，图像处理模块和电源放置于辐照环境外。试验电路板上设置有成像电子***和待检测图像传感器，成像电子***包括网口、网口协议芯片、FIFO和FPGA。

图像处理模块负责向成像电子***发送控制信息，实现成像电子***对待检测图像传感器的控制；接收由成像电子***发送的图像信息，通过所述图像信息实时判断待测图像传感器的成像功能是否正常，若正常则对所述图像信息上白斑的数量、大小、分布情况进行识别和统计，若成像功能不正常，则结束。

电源包括电源管理模块和程控电源，其中电源管理模块对程控电源进行远程控制，并从程控电源上回读成像电子***和待检测图像传感器的电流信息；程控电源在电源管理模块的控制下向成像电子***和待检测图像传感器供电，并监测成像电子***和待检测图像传感器的工作电流，以判定图像传感器在粒子辐照过程中是否发生闩锁。

网口协议芯片接收来自图像管理模块的控制信息并发送给FPGA，从FIFO中读取图像信息并发送给图像管理模块。网口用于实现网口协议芯片与图像处理模块之间的信息交互。

FIFO接收FPGA发送的图像信息并进行缓存。

FPGA根据从网口协议芯片接收到的控制信息发送控制指令给待测图像传感器；接收由待测图像传感器发送的图像信息，并发送给FIFO；将控制指令发送给网口协议芯片和FIFO，对网口协议芯片和FIFO进行控制。

本发明图像传感器的单粒子效应检测装置与测量大厅的远程控制计算机连接，通过远程计算机可以实施远程控制。

如图2所示为本发明的单粒子效应检测装置中图像处理模块流程图，由图可知图像处理模块的工作流程如下：

（1）通过图像处理模块设置待测图像传感器的控制信息如设置曝光时间、读出速率、窗口位置大小、片上片外ADC选择、PGA增益等参数；

（2）图像处理模块将设置好的控制信息通过TCP/IP协议发送至FPGA；

（3）FPGA根据接收到的控制信息生成控制指令并发送给待测图像传感器实现成像；

（4）图像曝光；

（5）FPGA读取图像信息并将图像信息上传至图像处理模块处理；

（6）若是需要继续成像则回到步骤3，若否则结束。

如图3所示为本发明的单粒子效应检测装置中单粒子试验流程图，单粒子试验包括单粒子效应的分类及白斑的识别与统计。具体如下：

一、单粒子效应的分类

对于图像传感器而言，存在的单粒子效应主要有软损伤、硬损伤、单粒子功能中断、单粒子闩锁。

（1）软损伤：是可以恢复的一种损伤，亦称软错误。主要是由于单粒子瞬态引起的白斑，这些白斑在粒子停止辐照之后即消失；

（2）硬损伤：是不可以恢复的一种损伤，亦称硬错误。主要是由于单粒子轰击造成的像元功能失效，表现出固定的白斑或者黑点，粒子停止辐照之后不会消失；

（3）单粒子功能中断：该效应主要是当粒子轰击到除像元区域以外的其他图像传感器的控制单元电路时导致这些电路发生翻转造成图像传感器的成像功能失效；

（4）单粒子闩锁：粒子轰击图像传感器时造成其工作电流陡增且不能自行恢复的现象。

二、白斑的识别与统计

图像传感器在单粒子辐照过程中收到单粒子瞬态的影响，其成像往往会有很多白斑或者黑点。固定的白斑或者黑点则是由于单粒子效应对图像传感器造成了不可恢复的固定损伤（硬损伤）；在开始下一帧图像采集前即消失的白斑即为单粒子瞬态效应，会影响图像传感器的成像质量。为了全面的研究单粒子瞬态对图像传感器的成像质量的影响及图像传感器对于单粒子瞬态的敏感性特点的分析，需要对图像上白斑的数量、大小、分布情况进行识别和统计分析。图像传感器成像的白斑的识别算法的实现过程如下：

（1）、将图像信息上所有像素的标记都置为0，然后根据每个像素的像素值依次对每个像素进行标记。

（2）、若像素的像素值小于设定的阈值（如2000DN），则所述像素的像素标记保持0不变。

（a）如果左边、上边像素标记都为0，则所述像素标记重新取值（例如取1、2、3等），表示一个新的白斑出现。

（b）如果左边像素标记为0，而上边像素标记不为0，则所述像素标记取与上边像素标记相同值，表示与上边像素同处于一个白斑中。

（c）如果左边像素标记不为0，而上边像素标记为0，则所述像素标记取与左边像素标记相同值，表示与左边像素同处于一个白斑中。

（d）如果上边、左边像素标记都不为0，而且标记值相同，则所述像素标记取与左边像素或上边像素标记相同值，表示与左边像素或上边像素同处于一个白斑中。

（e）如果上边、左边像素标记都不为0，而且标记值不同，分别记为Flag_up和Flag_left，则表示上边像素、左边像素所处的白斑实际是连在一起的，为同一白斑，需要修改所述像素前面像素的标记，即：所述像素前面像素的标记如果为Flag_left，即与左边像素标记相同，则将所述像素前面像素的标记修改为Flag_up，即与上边像素的标记相同。

（4）、在为每个像素进行像素标记的同时，记录不同标记对应的像素个数，并根据标记的修改而修改。

非零的不同标记代表不同的白斑，同一标记中像素个数代表着该标记所对应白斑的大小（即白斑所占的像素个数）。

对于固定的白斑或者黑点则可在停止辐照之后进行判别，若是辐照过程中某个像元一直为固定的白斑或者黑点，且在停止辐照之后该白斑或者黑点仍然存在，则可以判断器件产生了硬损伤。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.图像传感器的单粒子效应检测装置，其特征在于：包括图像处理模块、电源和试验电路板，其中试验电路板上设置有成像电子***和待检测图像传感器，成像电子***包括网口协议芯片、FIFO和FPGA，其中：

网口协议芯片：接收来自图像处理模块的控制信息并发送给FPGA，从FIFO中读取图像信息并发送给图像处理模块；

FIFO：接收FPGA发送的图像信息并进行缓存；

FPGA：根据从网口协议芯片接收到的控制信息发送控制指令给待测图像传感器；接收由待测图像传感器发送的图像信息，并发送给FIFO；将控制指令发送给网口协议芯片和FIFO，对网口协议芯片和FIFO进行控制；

所述图像处理模块对图像信息上白斑的数量、大小、分布情况进行识别和统计的具体方法如下：

(1)、将图像信息上所有像素的标记都置为0，然后根据每个像素的像素值依次对每个像素进行标记；

(2)、若像素的像素值小于设定的阈值，则所述像素的像素标记保持0不变；

(3)、若像素的像素值大于或等于设定的阈值，则所述像素的像素标记不为0，具体值由所述像素左边和上边像素的标记共同确定，方法如下：

(a)如果左边、上边像素标记都为0，则所述像素标记重新取值，表示一个新的白斑出现；

(b)如果左边像素标记为0，而上边像素标记不为0，则所述像素标记取与上边像素标记相同值，表示与上边像素同处于一个白斑中；

(c)如果左边像素标记不为0，而上边像素标记为0，则所述像素标记取与左边像素标记相同值，表示与左边像素同处于一个白斑中；

(d)如果上边、左边像素标记都不为0，而且标记值相同，则所述像素标记取与左边像素或上边像素标记相同值，表示与左边像素或上边像素同处于一个白斑中；

(e)如果上边、左边像素标记都不为0，而且标记值不同，分别记为Flag_up和Flag_left，则表示上边像素、左边像素所处的白斑实际是连在一起的，为同一白斑，需要修改所述像素前面像素的标记，即：所述像素前面像素的标记如果为Flag_left，即与左边像素标记相同，则将所述像素前面像素的标记修改为Flag_up，即与上边像素的标记相同；

(4)、在为每个像素进行像素标记的同时，记录不同标记对应的像素个数。

2.根据权利要求1所述的图像传感器的单粒子效应检测装置，其特征在于：所述电源包括电源管理模块和程控电源，其中电源管理模块对程控电源进行远程控制，并从程控电源上回读成像电子***和待检测图像传感器的电流信息；程控电源在电源管理模块的控制下向成像电子***和待检测图像传感器供电，并监测成像电子***和待检测图像传感器的工作电流。

3.根据权利要求1所述的图像传感器的单粒子效应检测装置，其特征在于：所述成像电子***中还包括网口，网口用于实现网口协议芯片与图像处理模块之间的信息交互。