CCD與CMOS像素傳感器γ射線電離輻射響應(yīng)特性對比研究

徐守龍，鄒樹梁*，黃有駿，郭 贊，匡 雅

(1.南華大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001； 2.中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610213)

1 引 言

基于硅光電二極管結(jié)構(gòu)的像素傳感器根據(jù)制造工藝可分為電荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary metal oxide semiconductor,CMOS)兩類，這兩類傳感器具有相同的感光區(qū)域結(jié)構(gòu)，僅在讀出方式上有所不同[1-2]。近年來，隨著像素傳感器在輻射環(huán)境中的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外針對像素傳感器γ射線電離輻射的研究逐漸增多[3-12]。本團(tuán)隊開展了一系列針對像素傳感器的γ射線輻射效應(yīng)的研究，對比了多類CCD及CMOS像素傳感器的電離輻射損傷效應(yīng)[13-14]，重點分析了γ射線電離輻射對CMOS 有源像素傳感器性能參數(shù)的影響[15]，并探討了像素傳感器在核事故輻射環(huán)境中的可用性[16-18]。研究結(jié)果表明，相較于CCD圖像傳感器，CMOS APS具有更優(yōu)越的耐輻射性能，但γ射線的輻射仍會使其性能參數(shù)受到影響。同時，當(dāng)代電子學(xué)的發(fā)展使這種具有低增益的光敏器件能夠用于粒子探測器，具有結(jié)構(gòu)輕便、穩(wěn)定性好、成本低廉，并且對磁場不靈敏或低靈敏等特點[19-20]。CCD傳感器低噪聲的特點使其能夠被用于粒子物理實驗研究[21-23]。然而，受限于元器件的流片制造工藝，只能在成熟產(chǎn)品上進(jìn)行二次開發(fā)，或重新設(shè)計生產(chǎn)線，因此技術(shù)研發(fā)受到一定限制。目前國內(nèi)外的主要研究重點仍在討論利用CCD進(jìn)行核輻射探測的可能性，以及研究通過間接探測等方式結(jié)合商用CCD像素傳感器進(jìn)行核輻射探測的方法。用作感光元件的CMOS有源像素傳感器根據(jù)接口規(guī)格可分為模擬輸出像素傳感器、數(shù)字輸出像素傳感器和SoC型像素傳感器3種類型[24]。十九世紀(jì)初，歐洲學(xué)者發(fā)現(xiàn)CMOS單片像素傳感器具有輻射響應(yīng)特性，能夠作為粒子物理實驗中的高精度頂點探測器應(yīng)用[25]，近年來基于CMOS像素傳感器輻射響應(yīng)的探測技術(shù)引起介入放射學(xué)[26]、輻射防護(hù)[27]、宇宙射線探測[28]、智能手機(jī)輻射探測[29-30]等各個領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，對商用CMOS像素傳感器輻射響應(yīng)特性[31]和輻射探測方法[32-34]的研究成為新型半導(dǎo)體探測器研究領(lǐng)域的一個熱門方向。

我們在前期研究工作中發(fā)現(xiàn)，CCD和CMOS像素傳感器在遮光及自然光條件下均對γ射線有不同程度的響應(yīng)[13]。本文通過設(shè)計輻射實驗，進(jìn)一步分析像素傳感器在不同劑量率γ射線輻照條件下的輻射響應(yīng)特性，對比研究CCD和CMOS像素傳感器的響應(yīng)差異。本研究為進(jìn)一步發(fā)展基于像素傳感器的γ射線輻射探測技術(shù)提供了重要的理論分析和實驗數(shù)據(jù)支撐。

2 實 驗

2.1 試驗樣品與試驗過程

實驗樣品選用4種像素探測器放置于相同輻照環(huán)境中同時進(jìn)行輻照實驗。實驗樣品參數(shù)如表1所示。放射源采用單柵板式平面排列60Co γ射線放射源，源棒數(shù)量504支，分四層排列，每層兩門，每門63支，每兩支間距21mm，光子能量為1.17，1.33MeV，放射源平均活度為680kCi，輻射場不均勻度小于15%，環(huán)境溫度約為19℃。初始狀態(tài)時，放射源處于井底儲存位中，實驗開始后，放射源從初始位上升到預(yù)定位，升源時間為50s。將4種像素傳感器分別置于劑量率為16.63，20.20，58.30Gy/h(SiO2)的實驗點處，劑量率采用重鉻酸銀化學(xué)劑量計測算獲得，劑量率不確定度小于8%。輸出信號通過混合網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)采集，采樣率為25Hz，實時采集像素陣列傳感器各像元輸出信號灰度值及像元的位置信息，傳感器積分時間為1/25s。

單獨(dú)1個積分周期內(nèi)所有像元輸出信號灰度統(tǒng)計平均值(Dm)計算公式如下式所示：

(1)

式中M、N分別為像素傳感器行、列像元數(shù)量；Di,j為第j行第i列的像元的灰度值。

表1 像素探測器實驗樣品參數(shù)Tab.1 Parameters of the samples

3 結(jié)果與討論

當(dāng)傳感器像元發(fā)生入射γ光子電離輻射響應(yīng)時，各像元輸出與響應(yīng)程度相關(guān)的灰度值，4種樣品在不同劑量率條件下像素陣列光子響應(yīng)事件分布如圖1～4所示。從圖中可以看出，各類傳感器的光子響應(yīng)程度均與輻射水平即劑量率相關(guān)，劑量率增大，同一時間發(fā)生響應(yīng)的像元數(shù)量增多，并且輸出灰度值增大。這是由于較高的輻射環(huán)境能夠在像元內(nèi)沉積較多能量，從而產(chǎn)生更多的電荷，這部分由γ光子電離輻射產(chǎn)生的電荷被收集后，輸出與之?dāng)?shù)量相對應(yīng)的灰度值。對比4種像素傳感器可以看出，2種CMOS有源像素傳感器在相同輻射水平條件下，響應(yīng)水平差異較大；而2種CCD像素傳感器光子響應(yīng)水平差異較小，這可能是由于生產(chǎn)商及像元尺寸存在的差異引起的。同時，相同劑量率條件下CMOS像素傳感器響應(yīng)事件的峰值較CCD傳感器大得多。

圖1 SONY IMX 222LQJ像素傳感器光子響應(yīng)事件分布圖Fig.1 Distribution diagram of photon response events in SONY IMX 222LQJ pixel sensor

圖2 AR0130像素傳感器光子響應(yīng)事件分布圖Fig.2 Distribution diagram of photon response events in AR0130 pixel sensor

圖3 SONY 811像素傳感器光子響應(yīng)事件分布圖Fig.3 Distribution diagram of photon response events in SONY 811 pixel sensor

圖4 SONY 673像素傳感器光子響應(yīng)事件分布圖Fig.4 Distribution diagram of photon response events in SONY 673 pixel sensor

圖5為CCD及CMOS像素傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出，兩種傳感器感光區(qū)域結(jié)構(gòu)相同，但信號轉(zhuǎn)移方式上存在的差異導(dǎo)致CCD像素傳感器的光子響應(yīng)事件圖比CMOS像素傳感器模糊。這是由于CMOS像素傳感器的每個像元單獨(dú)輸出信號，而CCD像素傳感器則通過溝道傳輸，CCD的這種溝道傳輸結(jié)構(gòu)使每列像元間更容易相互干擾。

圖5 像素傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。(a)CMOS有源像素傳感器；(b)三相兩位N溝道CCD圖像傳感器。Fig.5 Schematic diagram of pixel sensor.(a)CMOS active image sensor.(b)CCD image sensor.

圖6 探測器輸出信號量在300個積分周期內(nèi)的變化曲線圖Fig.6 Pixel gray value of each sensor for different irradiation dose rates

分別截取3種劑量率輻照條件下300個積分周期所采集的像元輸出平均灰度值，并繪制曲線圖如圖6所示。圖中，各吸收劑量率輻照條件下像元的平均灰度值在區(qū)間內(nèi)圍繞均值上下波動，并且統(tǒng)計平均值隨劑量率的增大存在明顯的梯度。因此，需要對多個積分周期進(jìn)行統(tǒng)計，降低灰度值統(tǒng)計平均值的誤差，這是由于能量沉積在各像元內(nèi)不均勻造成的。對比4種像素傳感器響應(yīng)曲線可以看出：相同劑量率條件下，各像素傳感器在300個積分周期內(nèi)輸出信號灰度值存在差異；CCD像素傳感器輸出灰度值曲線上下浮動范圍在3以內(nèi)；而CMOS較大，在5以內(nèi)。

圖7 SONY IMX 222LQJ像素傳感器典型光子響應(yīng)事件網(wǎng)格圖Fig.7 Mesh of typical photon response event in SONY IMX 222LQJ pixel sensor

圖8 AR0130像素傳感器典型光子響應(yīng)事件網(wǎng)格圖Fig.8 Mesh of typical photon response event in AR0130 pixel sensor

圖9 SONY 811像素傳感器典型光子響應(yīng)事件網(wǎng)格圖Fig.9 Mesh of typical photon response event in SONY 811 pixel sensor

圖10 SONY 673像素傳感器典型光子響應(yīng)事件網(wǎng)格圖Fig.9 Mesh of typical photon response event in SONY 673 pixel sensor

各類像素傳感器在不同劑量率條件下的典型光子響應(yīng)事件如圖7～10所示。由圖可知，CMOS像素傳感器光子響應(yīng)事件中峰型較為陡峭，影響像元數(shù)量較少，而CCD像素傳感器較平緩，影響像元數(shù)量較多。對于整個像素陣列，CCD像素傳感器表現(xiàn)為各個像元對入射光子均有所響應(yīng)，而CMOS像素傳感器表現(xiàn)為某個區(qū)域中部分像元輸出信號灰度值較大或達(dá)到峰值，對相鄰像素影響較小。這與前文光子響應(yīng)事件分布分析結(jié)論相同，是由于CCD與CMOS像素結(jié)構(gòu)差異及信號傳遞方式導(dǎo)致的。CMOS像素傳感器各像元對光子的響應(yīng)更加明顯，當(dāng)光子注量率較大時，更多的像元能夠?qū)庾舆M(jìn)行響應(yīng)；而CCD像素傳感器中，多數(shù)像元對光子響應(yīng)產(chǎn)生的信號被相鄰像元造成的串?dāng)_信號淹沒。同時，發(fā)生光子響應(yīng)的像元數(shù)量隨像元尺寸增大而增多，這是由于像元尺寸增大后，像元表面入射的光子數(shù)量更多，光子在像元內(nèi)的沉積能增多。并且當(dāng)劑量率增大時，像素陣列區(qū)域中發(fā)生典型光子響應(yīng)的像元數(shù)量增多，相應(yīng)區(qū)域面積增大。這說明響應(yīng)事件并非是單個光子的行為，而是反映了多個光子在區(qū)域內(nèi)同時沉積能量的過程。

4 結(jié) 論

對比了4種像素傳感器在不同劑量率γ射線輻照條件下的輻射響應(yīng)特性，研究了兩類傳感器在光子輻射響應(yīng)程度與響應(yīng)事件的差異，得出以下結(jié)論：

(1)較高的輻射水平在像元內(nèi)沉積較多能量，產(chǎn)生更多的電荷并被收集，因此兩類傳感器的光子響應(yīng)程度均與輻射水平即劑量率相關(guān)。

(2)4種像素傳感器生產(chǎn)商、像元尺寸及信號傳輸方式的不同，使同一輻射水平條件下各傳感器的輻射響應(yīng)存在差異，CCD像素傳感器的溝道傳輸方式使每列像元間的輻射響應(yīng)更容易相互干擾。

(3)各像素傳感器輸出灰度值統(tǒng)計平均值隨劑量率的增大存在明顯的梯度，相同劑量率條件下，各像素傳感器在300個積分周期內(nèi)輸出信號灰度值存在差異，并在區(qū)間內(nèi)圍繞均值上下波動，CCD像素傳感器輸出灰度值浮動范圍較小。

(4)CCD與CMOS像素結(jié)構(gòu)差異及信號傳遞方式是兩類像素傳感器典型光子響應(yīng)事件存在差異的根本原因。CMOS像素傳感器各像元對光子的響應(yīng)更加明顯；CCD像素傳感器中多數(shù)像元對光子響應(yīng)產(chǎn)生的信號受到相鄰像元串?dāng)_信號的影響嚴(yán)重。

(5)隨著劑量率增大，4種像素傳感器典型輻射響應(yīng)事件區(qū)域中發(fā)生光子響應(yīng)的像元數(shù)量增多，像素陣列中響應(yīng)區(qū)域面積增大，這是由于輻射響應(yīng)事件并非單個光子的行為，而是反映了多個光子在區(qū)域內(nèi)同時沉積能量的過程。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 王旭穎.圖像傳感器CMOS的性能及發(fā)展趨勢 [J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(自然漢文版), 2013(5):502-505.

WANG X Y.Performance and development tendency on CMOS image sensors [J].J.InnerMongoliaUniv.(Nationalities), 2013(5):502-505.(in Chinese)

[2] 王旭東, 葉玉堂.CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發(fā)展趨勢 [J].電子設(shè)計工程, 2010, 18(11):178-181.

WANG X D, YE Y T.Comparative research and future tendency between CMOS and CCD image sensor [J].Electron.DesignEng., 2010, 18(11):178-181.(in Chinese)

[3] VIRMONTOIS C, GOIFFON V, ROBBINS M S,etal..Dark current random telegraph signals in solid-state image sensors [J].IEEETrans.Nucl.Sci., 2013, 60(6):4323-4331.

[4] GOIFFON V, ESTRIBEAU M, MICHELOT J,etal..Pixel level characterization of pinned photodiode and transfer gate physical parameters in CMOS image sensors [J].IEEEJ.ElectronDev.Soc., 2014, 2(4):65-76.

[6] 張為開.CMOS圖像傳感器電子和質(zhì)子輻照效應(yīng)研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

ZHANG W K.ElectronandProtonIrradiationEffectsonCMOSImageSensor[D].Harbin：Harbin Institute of Technology, 2013.(in Chinese)

[7] 汪波, 李豫東, 郭旗, 等.60Co-γ射線輻照CMOS有源像素傳感器誘發(fā)暗信號退化的機(jī)理研究 [J].物理學(xué)報, 2014, 63(5):56102.

WANG B, LI Y D, GUO Q,etal..Research on dark signal degradation in60Co γ-ray-irradiated CMOS active pixel sensor [J].ActaPhys.Sinica, 2014, 63(5):56102.(in Chinese)

[8] 汪波, 李豫東, 郭旗, 等.0.5 μm工藝CMOS有源像素傳感器的總劑量輻射效應(yīng) [J].發(fā)光學(xué)報, 2015, 36(2):242-248.

WANG B, LI Y D, GUO Q,etal..Total dose effects in 0.5 μm CMOS active pixel image sensor [J].Chin.J.Lumin., 2015, 36(2):242-248.(in Chinese)

[9] 王帆, 李豫東, 郭旗, 等.基于4晶體管像素結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器總劑量輻射效應(yīng)研究 [J].物理學(xué)報, 2016, 65(2):176-181.

WANG F, LI Y D, GUO Q,etal..Total ionizing dose radiation effects in four-transistor complementary metal oxide semiconductor image sensors [J].ActaPhys.Sinica, 2016, 65(2):176-181.(in Chinese)

[10] 王祖軍, 林東生, 劉敏波, 等.CMOS有源像素圖像傳感器的輻照損傷效應(yīng) [J].半導(dǎo)體光電, 2014, 35(6):945-950.

WANG Z J, LIN D S, LIU M B,etal..Radiation damage effects on the CMOS active pixel sensors [J].Semicond.Optoelectron., 2014, 35(6):945-950.(in Chinese)

[11] WANG Z, MA W, HUANG S,etal..Characterization of total ionizing dose damage in COTS pinned photodiode CMOS image sensors [J].AIPAdv., 2016, 6(3):77108.

[12] WANG Z, MA Y, LIU J,etal..Degradation and annealing studies on gamma rays irradiated COTS PPD CISs at different dose rates [J].Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res., 2016, 820:89-94.

[13] 徐守龍, 鄒樹梁, 武釗, 等.多類圖像傳感器模組電離輻射損傷對比研究 [J].原子能科學(xué)技術(shù), 2016, 50(11):2092-2100.

XU S L, ZOU S L, WU Z,etal..Comparative study on ionizing radiation damage of different types of image sensor modules [J].Atom.EnergySci.Technol., 2016, 50(11):2092-2100.(in Chinese)

[14] XU S L, ZOU S L.Total-ionizing-dose effects in pixel performance degradation of CMOS image sensors under low dose rate[C].23rdInternationalConferenceonNuclearEngineering：NuclearPower-ReliableGlobalEnergy,AmericanSocietyofMechanicalEngineers,Chiba,Japan, 2015.

[15] 徐守龍, 鄒樹梁, 黃有駿.γ射線電離輻射對商用CMOS APS性能參數(shù)的影響 [J].發(fā)光學(xué)報, 2017, 38(3):308-315.

XU S L, ZOU S L, HUANG Y J.Effect of γ-ray ionizing radiation on CMOS active pixel sensor [J].Chin.J.Lumin., 2017, 38(3):308-315.(in Chinese)

[16] 徐守龍, 鄒樹梁, 黃有駿, 等.核電廠事故工況下監(jiān)控圖像傳感器可用性分析與加固 [J].核電子學(xué)與探測技術(shù), 2016, 36(6):651-655.

XU S L, ZOU S L, HUANG Y J,etal..Availability evaluation and improvement plan of image sensors in accident of nuclear power plant [J].Nucl.Electron.Detect.Technol., 2016, 36(6):651-655.(in Chinese)

[17] 徐守龍, 鄒樹梁, 武釗, 等.CIS數(shù)字模組作為核輻射環(huán)境監(jiān)控及報警設(shè)備的可用性研究 [J].核動力工程, 2017(1):88-94.

XU S L, ZOU S L, WU Z,etal..Research on availability of CIS digital module as monitoring and radiation alarm equipment under condition of nuclear accidents [J].Nucl.PowerEng., 2017(1):88-94.(in Chinese)

[18] XU S L, ZOU S L.Video monitoring system availability in radiation accident condition [C].24thInternationalConferenceonNuclearEngineering,AmericanSocietyofMechanicalEngineers,Charlotte,USA, 2016.

[19] CHECCHIA P, GALEAZZI G, GASPARINI U,etal..Study of a lead glass calorimeter with vacuum phototriode read-out [J].Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res., 1986, 248(2):317-325.

[20] BES'CHASTNOV P M, GOLUBEV V B, PYATA E A,etal..The results of vacuum phototriodes tests [J].Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res., 1994, 342(2):477-482.

[21] ESTRADA J, CEASE H, DIEHL H T,etal..Prospects for a direct dark matter search using high resistivity CCD detectors [J].Physics, 2008:0802.2872v3.

[22] AGUILAR-AREVALO A, AMIDEI D, BERTOU X,etal..Measurement of radioactive contamination in the high-resistivity silicon CCDs of the DAMIC experiment [J].EprintArXiv, 2015:1506.06562-1-18.

[23] BLOSTEIN JJ, ESTRADA J, TARTAGLIONE A,etal..Development of a novel neutron detection technique by using a boron layer coating a charge coupled device [J].EprintArXiv, 2014:1408.3263-1-13.

[24] NAKAMURA J.ImageSensorsandSignalProcessingforDigitalStillCameras[M].New York：CRC Press, 2005.

[25] TURCHETTA R, BERST J D, CASADEI B,etal..A monolithic active pixel sensor for charged particle tracking and imaging using standard VLSI CMOS technology [J].Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res., 2001, 458(3):677-689.

[26] PAOLUCCI M, BATTISTI D, BIASINI M,etal..A real time active pixel dosimeter for interventional radiology [J].Radiat.Meas., 2011, 46(11):1271-1276.

[27] CONTI E, PLACIDI P, BIASINI M,etal..Use of a CMOS image sensor for an active personal dosimeter in interventional radiology [J].IEEETrans.Instrum.Meas., 2013, 62(62):1065-1072.

[28] WHITESON D, MULHEARN M, SHIMMIN C,etal..Searching for ultra-high energy cosmic rays with smartphones [J].Arstropart.Phys., 2016, 79:1-9.

[29] KANG H G, SONG JJ, LEE K,etal..An investigation of medical radiation detection using CMOS image sensors in smartphones [J].Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res., 2016, 823:126-134.

[30] TITH S.Measurement of gamma-rays using smartphones [J].OpenJ.Appl.Sci., 2016, 6(1):31-37.

[31] PéREZ M, LIPOVETZKY J, HARO M S,etal..Particle detection and classification using commercial off the shelf CMOS image sensors [J].Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res., 2016, 827:171-180.

[32] COGLIATI JJ, DERR K W, WHARTON J.Using CMOS sensors in a cellphone for gamma detection and classification [J].EprintArXiv, 2014:1401.0766-1-26.

[33] PéREZ M, HARO M S, SIDELNIK I,etal..Commercial CMOS pixel array for beta and gamma radiation particle counting [C].Micro-Nanoelectronics,TechnologyandApplications(EAMTA), 2015ArgentineSchoolofIEEE,VillaMaria,Argentina, 2015:11-16.

[34] 魏清陽, 王振鵬, 戴甜甜, 等.基于靜態(tài)場景下不遮光CMOS攝像頭的核輻射探測 [J].原子能科學(xué)技術(shù), 2017, 51(1):175-179.

WEI Q Y, WANG Z P, DAI T T,etal..Nuclear radiation detection based on un-covered CMOS camera under static scene [J].Atom.EnergySci.Technol., 2017, 51(1):175-179.(in Chinese)