基于在轨监测的CMOS-TDI传感器系统TID感应退化动态探测器导向抑制研究

《Scientific Reports》：In-orbit monitoring for dynamic detector-oriented containment of TID-induced degradation in CMOS-TDI sensor systems

　　

基于天基CMOS的具有时间延迟积分（TDI）功能的传感器系统易受轨道辐射环境影响。总电离剂量（TID）作用于CMOS探测器结构，显著降低性能和图像质量。研究人员研究了面向探测器的动态方法来遏制TID引起的退化效应。研究人员为CMOS-TDI探测器系统配备了在轨监测能力，应用电荷注入和子采样来揭示探测器内在运行反馈，并使系统在运行期间能够自适应。由此，辐射的影响得到显著遏制。电荷转移效率（CTE）因此达到辐照前水平。相对电荷损失降低了8.1倍，使CTE随之大幅改善，并因此提高了几何分辨率。研究人员进一步应用器件紧凑建模，旨在建立综合系统模型，以充分预测TID引起的性能退化；该模型经外部验证后可普遍应用于CMOS-TDI探测器系列未来设计。

天基CMOS基TDI传感器系统易受在轨辐射环境影响，其中总电离剂量（TID）会累积电荷并导致探测器结构性能下降和图像质量退化。常见的辐射加固和电路冗余主要用于缓解单粒子效应，而在轨校准手段多局限于增益调整或图像后处理，未针对探测器内部工作状态进行补偿，因此难以有效遏制TID引起的系统性退化。为此，研究人员以新一代CMOS-TDI探测器系统（8像素测试探测器，由350 nm CMOS工艺的嵌入式电荷耦合器件（eCCD）和130 nm BiCMOS工艺的读出集成电路（ROIC）组成）为对象，探索面向探测器的动态退化遏制方法。研究人员为系统引入在轨监测能力，通过电荷注入与子采样获取探测器运行反馈，并动态调整操作参数；同时建立器件紧凑模型预测辐射退化。结果表明，系统适应后CTE恢复至辐照前水平，相对电荷损失降低8.1倍，几何分辨率显著提升。该研究证明动态探测器导向方法能有效遏制系统级TID退化，为高分辨率对地观测任务中CMOS-TDI传感器的长寿命可靠运行提供了关键技术基础。

研究人员使用的主要关键技术方法包括：以四个CMOS-TDI探测器为样本开展⁶⁰Co（γ）辐照实验（偏置条件为所有引脚短接接地，剂量率10 krad(Si)/h，剂量步进0–110 krad(Si)），并采用远程迭代电学测试；利用ADC传递函数测试、填充阈值测试、源极跟随器（SF）表征、恒定电荷注入、脉冲电荷注入测试（EPER方法）及子采样（结合等效时间采样与相关双采样）评估各电路域退化；基于BSIM3模型的SPICE仿真，结合厂家数据和文献建立并修正器件紧凑模型；通过DAC调整eCCD栅极电位和SF偏置电流，并采用误差函数e(DN)对ROIC采样数据进行数学校正。

研究结果与讨论部分包含以下子标题：

ADC线性度：通过转换器同步外部输入信号模拟eCCD输出，测量不同辐射剂量下的ADC传递函数，发现积分非线性（INL）图形、转换器斜率及零标度发生变化，灵敏度下降和噪声增加导致动态范围显著缩减；仿真将退化机制定位到比较器电路。

平带电压漂移测定：采用填充阈值测试迭代测量电荷注入起始电压，发现TID导致输入转移栅φ_dc的平带电压漂移Δφ_dc，进而造成eCCD电荷域失准。在110 krad(Si)剂量下，前照式（FSI）器件漂移0.67 V，背照式（BSI）器件漂移1.10 V；BSI漂移更大与其额外制造工艺引入的类施主界面陷阱有关。

激活能与暗电流：通过反向偏置二极管漏电流随温度的变化测量激活能，发现辐照后FSI和BSI的ΔE_a分别平均减少0.391 eV和0.195 eV，eCCD暗电平相对ADC满幅仅增加0.28%，表明TID表面态贡献较小，位移损伤在本研究剂量范围内无显著影响。

源极跟随器表征：通过扫描复位管漏极电压并测量SF输出传递函数，发现SF增益损失随剂量增加，在110 krad(Si)时仅约?0.54%，表明SF电路拓扑相对耐辐射，对系统总性能影响很小。

总体视图：综合各项测试，确认主要性能退化源是eCCD电荷域失准导致的CTE恶化；ADC非线性较为关键，SF增益损失可忽略；CTE直接关联调制传递函数（MTF），是影响图像质量的核心因素。

系统中可调参数以对抗退化：研究人员从测量中提取eCCD平带电压漂移Δφ_dc、ADC误差函数e(DN)和SF增益损失ΔA_sf作为调整依据，并通过DAC调节所有关键eCCD控制节点，使系统能灵活适应轨道环境变化，为动态遏制提供具体实施路径。

监测以验证探测器系统性能：利用子采样获取eCCD输出的时间域信息，可评估信号建立特性及其与ADC时序的关系；脉冲电荷注入测试结合EPER法可监测CTE变化；填充阈值测试可监测平带电压漂移并反映累积TID剂量。三项固有测试构成周期性的在轨监测初始化阶段。

动态退化遏制以达到恒定图像质量：对一个已辐照至110 krad(Si)的探测器施加系统适应，包括用Δφ_dc补偿eCCD电荷域、调整SF偏置电流以及用e(DN)逆函数校正ADC数据。结果显示注入电荷脉冲被压缩，相对电荷损失相比未适应状态降低8.1倍，CTE恢复至辐照前水平；四个探测器经e(DN)校正后全动态范围残余相对退化低于±1%，其中一个示例探测器低于±0.5%。

器件紧凑建模以预测辐射影响：基于厂家数据和文献建立eCCD与ROIC的扩展器件模型，经系统级测量结果验证并修正，将eCCD NMOS阈值电压函数类型由二次多项式改为经验四参数饱和函数后，仿真与实验在10 krad(Si)以下和60 krad(Si)以上匹配良好，整体最大偏差为10%；该模型可充分预测ROIC和eCCD电压域的TID退化，为CMOS-TDI探测器系列未来设计提供系统模型基础。

讨论部分指出，当前适应方法虽能恢复CTE，但绝对脉冲水平未完全恢复至辐照前状态，原因可能是eCCD输入区各栅极平带电压漂移不完全一致；进一步提高需依赖基于物理仿真的更精确提取和更高精度DAC。ADC动态范围的损失无法通过参数调整补偿，因为噪声增加目前没有对应的可调模拟参数。器件建模方面，现有方法受限于将系统级相对退化结果移植至器件模型，且在10–60 krad(Si)区间仿真偏差源于SPICE方法未包含版图寄生效应和电容负反馈；未来应引入寄生提取（PEX）并迁移至BSIM4模型，同时在独立的简化CMOS结构上进行外部验证，以增强模型可靠性。

研究结论部分翻译如下：为从传感器精度和灵敏度的技术进步中为空间任务获取最大收益，必须遏制辐射环境对卫星成像系统的影响。新一代CMOS-TDI传感器系统的灵活架构满足很高的光电要求，而电荷注入与子采样确保探测器性能的固有监测，并支持在轨运行期间面向探测器的动态方法以遏制TID引起的性能退化。研究人员发现，eCCD电荷域的系统适应使性能保持高水平，补偿eCCD平带电压漂移使相对电荷损失显著降低8.1倍，同时注入电荷脉冲的相对形状可完全恢复；被辐照探测器系统的CTE显著提高并达到辐照前水平。总体而言，研究表明动态探测器导向方法能有效遏制系统性TID退化，并可能对空间任务中CMOS-TDI传感器系统实现长期可靠性作出重要贡献。ROIC和eCCD电压域中TID引起的性能变化可由所研究的探测器系统的紧凑器件模型充分预测；该方法应在独立简化CMOS结构上进行外部验证，并考虑在未来CMOS-TDI探测器系列设计中推广应用。所报告的退化遏制程度，以及由此带来的图像质量显著增益，超过了在CMOS-TDI传感器系统中实现额外控制功能所需的工作量，可能为未来任务设定新标准。