下载
加入VIP
  • 专属下载特权
  • 现金文档折扣购买
  • VIP免费专区
  • 千万文档免费下载

上传资料

关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 CMOS APS器件及其 在星敏感器中的应用

CMOS APS器件及其 在星敏感器中的应用.pdf

CMOS APS器件及其 在星敏感器中的应用

w8320
2011-05-25 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《CMOS APS器件及其 在星敏感器中的应用pdf》,可适用于IT/计算机领域

《半导体光电~年第卷第期李杰等:CMOSAPS器件及其在星敏感器中的应用{............................................CMOSAPS器件及其在星敏感器中的应用李杰刘金国刘亚侠郝志航(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学研究部。吉林长春)摘要:介绍了CM()S有源像元图像传感器(APS)的原理与结构特点阐述了CMOSAPS与CCD比较应用于星敏感器的潜在优势详细介绍了CMOS图像传感器在星敏感器中的应用现状并对基于CMOSAPS与基于CCD的星敏感器的测量精度结果进行对比展望了CMOSAPS星敏感器的发展前景。关键词:CMOS图像传感器APSCCD星敏感器中图分类号:TP.文献标识码:A文章编号:()ApplicationofCMoSAPSinStarTrackerIIJie。IIUJinguoLIUYaxiaHAOZhihang(DepartmentoftheSpaceOpticsChangchunInstituteofOpticsFineMechanicsandPhysicsChineseAcademyofSciencesChangchunCHN)Abstract:TheprincipleandstructureofCMOSAPS(activepixelsensor)arepresentedaswellastheapplicationpotentialinstartrackercomparedwithCCD.ThemeasurementaccuraciesofbothCCDandCMOSAPSareanalyzedandcompared.ThedevelopmentprospectofCMOSAPSstartrackeriSforecasted.Keywords:CMOSimagesensorAPSCCDstartracker引言在各种航天飞行器的姿态测量和控制系统中星敏感器起着重要的作用是最精密的姿态测量部件。目前采用CCD探测器的星敏感器技术已经成熟其精度高、稳定性好、可靠性高并且测量可以完全自主进行。但是在空间应用的实践经验中发现采用CCD的星敏感器也还有一些有待解决的问题:CCD抗空间辐射的能力比较差所需要的电源种类比较多供电相当复杂图像电荷需要顺序读出才能到达输出端。由于CCD的制造工艺决定很难将CCD的外围时序、信号处理等电路集成在一起使CCD星敏感器的电子学设计复杂体积、功耗无法进一步减小。随着小卫星以至微纳卫星的发展对其姿态控制的精度要求越来越高但传统的星敏感器因重量、收稿日期:功耗方面的原因难以应用在微纳卫星上。而近年来出现的CMOS有源像元图像传感器(CMOSAPSActivePixelSensor)以其体积更小、质量更轻、功耗更低、在空间辐射、热环境下适应能力更强、造价更低、制作周期更短等优势成为在星敏感器设计中CCD的有力竞争对手。因此研究将CMOSAPS图像传感器应用于星敏感器将获得与CCD作为传感器星敏感器相比体积更小、功耗更低、质量更轻而性能并不降低的星敏感器从而降低星敏感器对平台的要求满足其在空间的应用j。CMOSAPS图像传感器COMS图像传感器是使用与设计、制造DRAM同样的技术制造的传感器几乎与CCD同时出现。早期的CMOS图像传感器的像素为无源像素结构PPS(PassivePixleSensor)由于PPS信噪比低、成像质量差只能用于一些玩具中无法和CCD竞争。··维普资讯http:wwwcqvipcomSEMICoNDUCTRPTELECTRNICSVO.No.但是从世纪年代开始美国JPI实验室发明了一种为每个CMOS图像传感器像元的光电二极管加上一个放大器的结构构成一种有源像元结构使CMOS图像传感器的发展走上了一个崭新的阶段目前应用中绝大多数CMOS图像传感器采用的是APS结构称为CMOSAPS。.CMOSAPS的像元结构CMOSAPS图像传感器像元电路中引入放大器以改善像元的性能。图为PPS与APS两种CMOS的像元结构比较】¨。APS结构的像素内部包含一个有源器件在像素内部具有放大和缓冲功能具有良好的消噪功能且电荷不需要像CCD器件那样经过远距离移位到达输出放大器因此避免了所有与电荷转移有关的CCD器件的缺陷。由于每个放大器仅在读出期间被激发将经光电转换后的信号在像素内放大然后用y地址方式读出提高了固体图像传感器的灵敏度。APS像素单元有放大器它不受电荷转移效率的限制速度快图像质量较PPS得到明显改善。但是与CCD相比APS的像素尺寸较大、填充系数小。’(a)光敏二极管型无源像元结构(b)光敏二极管型有源像元结构图CMOS图像传感器的像元结构.CMOSAPS芯片的总体结构图为CMOSAPS的单芯片集成结构示意图和集成电路的结构图。在一块CMOSAPS芯片上几乎可以集成原来CCD相机的所有电路如时序发生器、驱动器、相关双采样(CDS)放大器、可控增益和偏置放大器甚至A/D转换器这不仅可以减少硬件电路的复杂度、减少接口同时也减小敏感器的重量和体积、降低成本。在读方式上可以将图像信号以Xy寻址的方式读出其窗口模式可以只读出感兴趣窗口跳越读出模式可以设定每隔几个像元读出能直接获取降低分辨率的图像用降低分辨率为代价以增加读出速率。目前人们主要致力于提高CMOSAPS的综合性能缩小单元尺寸调整CMOS工艺参数将时钟和控制电路、信号处理电路转换器、图像压缩等电路与图像传感阵列完全集成在一起并制作滤色片和微透镜阵列以期实现低功耗、高度集成的单芯片成像微系统。厂=二二====二二==一==二=二二二二二■一一模数转换电路模拟信号处理电路频时序产生电I曝光、白平衡等Illzc接口图CMOSAPS芯片结构示意图CMOSAPS在星敏感器中的应用.CMOSAPS应用于星敏感器的优势自世纪年代末开始随着CCD技术的逐渐成熟和研究人员的努力面阵CCD星敏感器从试验阶段发展到广泛应用。尽管面阵CCD在星敏感器中取得了非常成功的应用但是由于CCD固有的局限性使得其成像系统的体积、重量、功耗等都难以做得很小难以满足未来对星敏感器的微型化发展趋势的要求。CMOSAPS图像传感器采用标准CMOS半导体生产工艺继承了CMOS技术的优点作为空间应用的固体成像器件与CCD比较有以下优点:()集成度高。基于VLSI工艺CMOSAPS图像传感器能够容易地把光敏阵列、驱动和控制电路、模拟信号处理器、A/D转换、全数字接口等完全集成在一起实现单芯片数字成像系统。由于CCD的制造工艺决定很难将CCD的外围时序、信号处理等电路集成在一起使CCD星敏感器的电子学设计较复杂体积、功耗无法进一步减小()单一电源供电功耗低。CMOSAPS经光电转换后直接生成电流信号仅需单一的V(或.V)电源功耗仅为CCD的/lo。CCD阵列驱动脉冲复杂驱动电源多使CCD成像系统的供电相当复杂功耗大无法与深亚微米VLSI技术兼容()抗干扰能力强目前已有专为空间应用的抗辐射CMOS图像传感器问世。而CCD抗空间辐射的能力比较差空间应用证明在空间辐射条件下CCD的热点(即无光信号时有信号输出的像维普资讯http:wwwcqvipcom《半导体光电~年第卷第期李杰等:CMOSAPS器件及其在星敏感器中的应用元)大量增加()数据渎出方式灵活可对感兴趣的区域像素进行随机读取增加了工作的灵活性和效率。由于CMOSAPS的光电探测和输出放大器是在像元内可以像DRAM那样被单独选址和读出。CCD的图像电荷需要顺序读出才能到达输出端这一方面要求必须使用较大的驱动功耗也由于CCD固有的转移效率影响了信号的质量。.CMoSAPS在星敏感器上的应用现状在CMOSAPS应用于星敏感器的研究方面世纪年代初期美国NASA(国家航空和宇宙航行局)出资委托喷气推动实验室(JPI)对CMOSAPS及其在星敏感器中应用进行重点研究。最初JPL用×像元的CMOSAPS构成第一代试验性APS星敏感器称之为Stracker实验证明了基于CMOSAPS的星敏感器的精度可以满足要求。比利时IMEC公司受欧洲宇航局的委托研究可用于空间应用的APS。年IRIS一问世这是IRIS系列的第一代产品其抗辐射能力为krad读出噪声e信噪比为dB位数字读出。这是为小卫星的星敏感器(ASCoSS)面研制的是欧洲宇航局和IMCE联合研制的第一代APS。ASCoSS的尺寸仅为mm×mm×mm星敏感器精度好于/等星视场为。×。祯频Hz在相同的光学条件下该指标完全可与CCD相比拟】。年IRIS问世IRIS的总体性能如下口:×辐射加固像素平面位辐射加固ADC串、并行控制和数据接口CCSDS遥控遥测协议有EDAC功能的M字节SDRAM图像存储接口外部图像压缩芯片接口自动曝光控制可预定命令控制的自操作能力三倍冗余的纠错能力。近期应用于空间导航探测的CMOSAPS芯片的研究见于Fillfactory公司的报告Fillfactory专门致力于高性能的CMOSAPS芯片的研制开发高填充因子、低暗电流和高转换灵敏度、高信噪比的CMOS图像传感器。年FillFactory公司出品的STAR系列是专门为cM()SAPS应用于空间探测导航面研制的其典型芯片SATR的特点为::×像元像元尺寸m×m.mCMOS技术个晶体管积分有源像元像元内设置二极管以提高MTF和PRNU辐射加固设计片内双采样电路消除固定图形噪声。.CMOSAPS星敏感器的精度分析这里仅就那不勒斯大学的D.Accardo研究的算法来分析CMOSAPS星敏感器的精度。选用两个性能相近的CCD和CMOS芯片做精度对比分析其中CMOS传感器是STARCCD传感器为由EEV生产的CCD。两种传感器的像元矩阵和像元尺寸接近并都适于星敏感器的应用。假定两种传感器的光学系统特性相同两种传感器的性能对比如表所示。表lCCD与CMOSAPS的特性比较像元阵列像元尺寸/m满阱能力暗电流复位噪声FPNPRNUFillfactorye/S满势阱信号STAR××kee(室温)<.<.EEVCCDe/s满势阱信号一O××Okee(K)<.<.根据D.Accardo对星敏感器精度的估算方法APS与CCD的精度对比结果如表其中APS的快门时间分别为单快门、双快门和三快门时间测量的更新频率为Hz和Hz。由结果可见所得的APS的目标测量精度达到~”与CCD的接近。表APS与CCD的精度对比传感器模式的HzHz更新频率星数量精度()la星数量精度()laEEV..STAR单快门O..STAR双快门..STAR三快门O..··维普资讯http:wwwcqvipcomSEMICNDUCTRPTELECTRNICSV.No.ct.发展趋势及展望从O世纪O年代第一片高性能CMOSAPS问世以来对CMOS图像传感器的研究和应用有了突飞猛进的发展在实现微小尺寸上取得了快速的进步已有m单元尺寸的报道当采用.m特征尺寸的工艺技术时能生产出更高性能的CMOS图像传感器CMOSAPS技术已经并将得到进一步成熟。随着微电子技术的发展特别是近年来以微型机电系统(MEMS)和微光机电系统(MOEMS)为代表的微米纳米技术的发展卫星微小化成为卫星新的发展趋势之一。而对小卫星以至微纳卫星的姿态控制的精度要求越来越高但传统的星敏感器因重量、功耗方面的原因难以应用在微纳卫星上。用CMOS成像器件替代CCD的星敏感器应用到微纳卫星上以实现纳型卫星对地高分辨率遥感功能并为微纳型卫星提供替换模拟式太阳敏感器或CCD太阳敏感器的低功耗、高集成度、高精度并且操作简单可靠的新型姿态敏感器件已成为发展的必然趋势。参考文献:I赵文伯刘俊刚.CMOS图像传感器发展现状IJ.半导体光电。():.IIIPrydderchaML.WalthamaNJTurchettaaR·eta.A×CMOSmonolithicactivepixelsensorwithintegratedADCsforspacescienceJ.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA:.MagnaP.DetectionofvisiblephotonsinCCDandCMOS:acomparativeviewJ.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA:.TadidPechtOClarkCPainB.eta.WidedynamicrangeAPSstartracker,J.Proc.SHE:.OglersWUwaertsDDierickxBeta.CompactCMOSvisionsystemsforspaceuseA.SecondRoundTableonMicronanoTechnologiesforSpaceESA/ESTECCNoordwijktheNetherlands.FossumER.Activepixelsensor:areCCD’sDinosaursIJ.Proc.ofSPIE:.SalomonPFossumE.ClarkC.eta.Activepixe··jforautonomousspacecraftapplicationsJ.Proc.SPIEO:.ClarkC.YadidPecht().FossumER.eta.ApplicationofAPSarraystostarandfeaturetrackingsystems,J.Proc.SPIE:.TadidPechtO.ClarkC.PainB。eta.WidedynamicrangeAPSstartracker,J.Proc.SHE:.FossumER.BartmanRKEisenmanAR.ApplicationoftheactivepixelsensorconcepttoguidanceandnavigationJ.Proc.SHE。。:.HopkinsonGRPurllDJ。AbbeyAF。eta.ActivepixelarraydevicesinspacemissionJ.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA。:.CVanHoof。TorfsTCronjeT.RS:ACMSAPSsinglechipradiationtolerantimagingsystemDB/OIhttp://escies.org/public/mnt/PosterVanHoof.pdf。//.BogaertsJDierickxBMeynantsGeta.TotaldoseanddisplacementdamageeffectsinaradiationhardenedCMOSAPSJ.IEEETrans.ElectronDevices:.AccardoDomenico.TrackingalgorithmforstarsensorsusingCMOSdevicesR.BerlinGermany:PreliminaryProgramthIAASymposiumonSmallSate】itesforEarthObservation..作者简介:李杰(一)女吉林省白山人年毕业于吉林工业大学电子系现为长春大学电子信息工程学院副教授中科院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生主要从事空间遥感与图像处理方面的研究。Email:ljieyahoo.corn.cn·、¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨·¨¨¨¨l维普资讯http:wwwcqvipcom

用户评价(0)

关闭

新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

抱歉,积分不足下载失败,请稍后再试!

提示

试读已结束,如需要继续阅读或者下载,敬请购买!

文档小程序码

使用微信“扫一扫”扫码寻找文档

1

打开微信

2

扫描小程序码

3

发布寻找信息

4

等待寻找结果

我知道了
评分:

/4

CMOS APS器件及其 在星敏感器中的应用

VIP

在线
客服

免费
邮箱

爱问共享资料服务号

扫描关注领取更多福利