专利名称：一种消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法
技术领域：
本发明涉及光学传感器技术领域，尤其涉及一种消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法。
背景技术：
成像器件是目前成像领域中运用最为广泛的器件之一。成像器件将外部光信号转换为电信号，再转换为数字系统所能处理的数字信号，其应用非常广泛，无论是在DC、DV还是监视系统中，都有它的存在。成像质量的好坏，很大程度上取决于成像器件的性能以及其外围电路的工作方式和电路性能。常见的成像器件如图4所示，利用成像器件成像时，先对器件进行复位操作，目的是为了把可能存在于浮栅中的光电子都扫出浮栅，传统复位方法是利用FN隧穿来进行擦除，然后通过热电子注入的方式进行软编程以调整工艺失配、防止过擦除，这些都是为了将器件的复位阈值电压调节到一定的范围内，这个范围越小越好。整个复位操作的流程图如图5所示。其中，Idi为待调MOSFET漏极初始电流； Idref为参考MOSFET漏极参考电流；θ为可忍受的待调管最大漏极电流与参考电流的偏差。这种传统的利用软编程技术来减小阈值分布的方法对外围电路要求严格，实际中往往无法将工艺失配控制在较小的范围内。如果成像器件上不同区域的成像单元工艺失配较大，受到复位阈值偏差的影响，即使它们受到一样光学信号的曝光，最后读取出来的数据也有较大差异，从而导致严重的失真，无法获得理想的光学数据。

发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法，包括为成像器件阵列中的每一个像素配置一个参考单元和若干个成像单元；建立分别以f (Vt)和g(h)为横坐标和纵坐标的矩阵MA ；其中，在成像单元和参考单元被擦除后的阈值分布曲线上，将阈值分布区间平均分为N份，取每一份中点对应的阈值电压得到N个阈值电压，f(Vt)反映这N个初始阈值电压；在成像器件正常工作的光强分布范围内，平均选取M个光强值，g(h)反映这M个不同的光强值与参考单元的差分特性；矩阵MA反映不同初始阈值电压和不同差分参量下各个实际光强的值；在实际成像操作时，先对所有的成像单元和参考单元进行擦除，对某一像素中的成像单元进行有光成像操作，对参考单元做无光成像操作，然后对参考单元的f (Vt)和g(h)进行测量，在矩阵MA中执行查表程序，得到实际光强的值。上述方案中，所述为成像器件阵列中的每一个像素配置一个参考单元和若干个成像单元的步骤中，是在成像单元的邻近位置配置参考单元，以减小工艺、温度、工作电压和外部干扰因素引起的失配，使成像单元和参考单元在擦除之后有一致的初始阈值电压。上述方案中，所述参考单元只进行复位操作、读取操作和无光成像操作；所述成像单元与参考单元同时进行复位和读取操作外，还进行有光成像操作。上述方案中，所述建立分别以f (Vt)和g(h)为横坐标和纵坐标的矩阵MA包括在成像单元和参考单元被擦除后的阈值分布曲线上，将阈值分布区间平均分为N份，取每一份中点对应的阈值电压，得到N个阈值电压；在对成像单元进行无光成像的情况下，选取一个对应函数f (Vt)来反映这N个初始阈值电压，测试这N个不同阈值电压下的f (Vt)值；在成像器件正常工作的光强分布范围内，平均选取M个光强值，选取一个参量g (h)来反映这 M个不同的光强值与参考单元的差分特性；对这N个初始阈值电压下的器件单元进行读取测试，得到无光成像条件下的对应函数f (Vt)的值，然后对各个成像器件做有光成像和读取操作，得到反映光强分布的差分函数g(h)；建立分别以f (Vt)和g(h)为横坐标和纵坐标的矩阵MA，坐标中的光学信息与f (Vt)和g(h) —一对应。上述方案中，所述对某一像素中的成像单元进行有光成像操作，是使其阈值电压漂移到某一个新的值。上述方案中，所述对参考单元的f(Vt)和g(h)进行测量时，由于成像单元和参考单元之间的各种失配小，可认为参考单元和成像单元的参量f (Vt)是一致的，所以测量的差分参量g(h)是在某确定的初始阈值电压下的完全反映光强的参量。上述方案中，所述参考单元不参与有光成像，在参考单元所占位置的实测光强值丢失，可利用周围成像单元读出的光强值做插值运算，将插值的数值作为参考单元所处位置的光强值。(三)有益效果现有技术包括从工艺上改进使得复位后的成像器件阈值分布区域减少，但是实际应用中还是会有相当的阈值分布，为了提高成像质量，可以采用本发明提出的差分技术来消除初始阈值电压不同给成像阵列带来的影响，同时消除了成像过程中隧穿效应非线性引入的影响。


图1是成像器件在被擦除后，器件上所有成像单元阈值电压的分布曲线；其中，横坐标是阈值电压值，纵坐标表示相应阈值电压所对应的成像单元数量占整个器件阵列数量的百分比。图2是pXq大小的成像器件阵列的示意图。图3是本发明提出的一种基于差分技术消除成像器件阈值偏差影响的实例。图4是成像器件结构示意图。图5是传统的通过软编程技术来减小复位阈值电压分布的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明提供了一种消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法。成像器件曝光前需要对成像器件进行相应的复位操作，以使得成像器件阵列中的各个成像单元都有较小的工艺失配。这时，在控制栅和衬底之间加正脉冲，器件的衬底处于深耗尽状态，曝光时， 光照射到的耗尽区将产生光电子；在控制栅上所加的电压作用下，耗尽区收集的光电子将隧穿到浮栅上并存储下来，从而引起阈值漂移；读取曝光后器件的不同阈值所对应的不同电学信息，通过放大、滤波和A/D转换，从而得到反映光信号的电信号，进而获得图像。但是从实际应用角度来看，曝光前的复位并不能理想地使成像器件阵列中的每一个成像单元都复位到同样的阈值，实际得到的是一个两边少，中间多的阈值分布。复位操作之后的这种阈值偏差，将导致不同器件接受相同光照之后阈值漂移的终点值不同，从而最后得到的图像将有所失真。为了消除掉这种由于阈值偏差所导致的图像失真，本发明提出了一种消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法，该方法包括以下步骤在成像器件阵列上，设置一些参考单元，对这种单元进行复位操作、无光成像操作和读取操作；其余单元为成像单元，它们的邻近位置安置参考单元以减小工艺、温度、工作电压和外部干扰等因素引起的失配，从而成像单元和参考单元在擦除之后有几乎完全一致的初始阈值电压。根据擦除后的阈值分布曲线，将阈值分布区间平均分为N份，取每一份的中点对应的阈值电压，得到N个阈值电压点。在不对成像单元进行曝光编程的情况下，选取一个参量f(Vt)反映这N个不同初始阈值电压。测试这N个不同阈值电压下的f (Vt)值为多少。 在成像器件正常工作的光强分布范围内，平均地取M个光强值。选取一个参量g(h)来反映这M个不同的光强值与参考单元的差分特性。通过实验的方法，对于N个初始阈值电压下的器件单元进行读取测试，得到非曝光编程条件下的对应参量f (Vt)的值，然后对各个f (Vt) 下器件做曝光读取测试，得到反映光强分布的差分参量g(h)。建立分别以f (Vt)和g(h)为横纵指标的矩阵MA，MA反映了不同初始阈值电压和不同差分参量下各个实际光强的值。实际成像操作时，先对所有的成像单元和参考单元进行擦除，对某一像素(包含成像单元和参考单元)中的成像单元进行曝光编程操作，使其阈值电压漂移到某一个新的值。而对参考单元做无光成像操作。然后对参考单元的f (Vt)进行测量，由于成像单元和参考单元之间的各种失配较小，可以认为参考单元和成像单元的参量f (Vt)是一致的，所以测量的差分参量g(h)是在某确定的初始阈值电压下的完全反映光强的参量，已知f(Vt)和g(h)之后，在矩阵MA中执行查表程序，可以得到实际光强的值。由于参考单元不参与有光成像操作，所以参考单元所占位置的实测光强值丢失， 可以采用利用周围成像单元读出的光强值做插值运算，把插值的数值作为参考单元所处位置的光强值。实施例如图2所示，100为一个pXq大小的成像器件阵列，101为100成像器件阵列中的
一个像素。先对成像器件阵列中的成像单元进行全芯片擦除。在擦除操作以后，对阵列中的成像单元的阈值进行测量，阵列中的成像单元的阈值将呈现一个分布，如图1所示。这个分布在实际中是范围越小，阵列成像单元的一致性就越好，最后的成像失真也越小。本发明不致力于减小这个分布范围，而是采用差分技术来消除初始阈值电压分布给成像带来的影响。在成像器件阵列上，设置一些参考单元，对这种单元只进行复位操作、读取操作和无光成像操作。其余单元为成像单元，成像单元和参考单元工艺失配一致，将参考单元安置在其临近位置以减小工艺、温度等因素引起的失配，从而成像单元和参考单元在擦除之后有几乎完全一致的初始阈值电压。根据擦除后的阈值分布曲线，将阈值分布区间平均分为N份，取每一份的中点对应的阈值电压，得到N个阈值电压点。在不对成像单元进行曝光编程的情况下，选取一个参量f(Vt)反映这N个不同初始阈值电压。测试这N个不同阈值电压下的f (Vt)值为多少。 在成像器件正常工作的光强分布范围内，平均地取M个光强值。选取一个参量g(h)来反映这M个不同的光强值与参考单元的差分特性。通过实验的方法，对于N个初始阈值电压下的器件单元进行读取测试，得到非曝光编程条件下的对应参量f (Vt)的值，然后对各个f (Vt)下器件做曝光读取测试，得到反映光强分布的差分参量g(h)。建立分别以f(Vt)和g(h)为横纵指标的矩阵MA，MA反映了不同初始阈值电压和不同差分参量下各个实际光强的值。实际成像操作时，先对所有的成像单元和参考单元进行擦除，对某一像素(包含成像单元和参考单元)中的成像单元进行曝光编程操作，使其阈值电压漂移到某一个新的值。而不对参考单元做任何编程操作。然后对参考单元的f (Vt)进行测量，由于成像单元和参考单元之间的各种失配较小，可以认为参考单元和成像单元的参量f (Vt)是一致的，所以测量的差分参量g(h)是在某确定的初始阈值电压下的完全反映光强的参量。已知f(Vt) 和g(h)之后，在矩阵MA中执行查表程序，可以得到实际光强的值A。由于参考单元不参与有光成像，所以参考单元所占位置的实测光强值丢失，可以采用利用周围成像单元的光强值来插值，把插值的数值作为参考单元所处位置的光强值。 当然，任何成像器件都不可避免存在坏点，即这些单元永远不可能编程到想要的阈值电压上。对于这样的坏点，舍弃其不准确的读出数据，用它所在阵列中的位置周围的正常单元的读出数据来代替坏点的数据。
Xg(hl)g(h2)g(h3)...g(hs) · ·g(hM)f(Vtl)AllA12A13AlsAIMf(Vt2)A21A22A23A2s · ·A2Mf(Vt3)A31A32A33A3 sA3M · · , · * ,t , * * * af(Vtr)ArlAr2Ar3Ars* * *ArM · · *· ·* ·* * · · ·f(VtN)ANlAN2AN3 ANsANM表1矩阵MA以实例说明该方法实现的过程如下，例如，需要读取成像器件阵列中坐标为(i，j)的像素Dij感应的光强值。Dij的实现形式如图3所示，Ml和M2为浮栅晶体管，其中Ml作为参考单元，而M2作为成像单元，二者完全一致，共用源极a并接地，二者临近放置，保证二者由于工艺偏差导致的失配最小。对整个器件阵列进行擦除操作后，Ml和M2的阈值电压为阈值分布范围内的某个值Vti，在参考单元的控制栅b上加一定的读取电压后，对参考单元的参量f (Vt)进行检测，比如，f (Vt)选取为通过Ml的电流II。由于不对Ml进行曝光编程，所以Il只反映了初始阈值电压的大小。对成像单元M2则进行曝光编程操作，M2的阈值电压会漂移到某一个新的值，这个漂移量与初始阈值电压Vti以及光强h有关。在成像单元M2的控制栅c加与参考单元控制栅极一样的读取电压，通过M2的电流为12。例如，成像单元的差分参量g(h)为12-11，由于Ml和M2匹配程度非常高，g(h)参量将仅仅反映初始阈值电压为Vti的成像器件对光强的反映。根据矩阵MA，已知f (Vt)和g(h)，通过查表程序，可以得到成像器件感受的实际光强值A。通过使用差分技术，消除了由于成像器件擦除不均勻，擦除阈值电压产生偏差而导致图像失真的问题。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法，其特征在于，包括为成像器件阵列中的每一个像素配置一个参考单元和若干个成像单元；建立分别以f (Vt)和g(h)为横坐标和纵坐标的矩阵ΜΑ;其中，在成像单元和参考单元被擦除后的阈值分布曲线上，将阈值分布区间平均分为N份，取每一份中点对应的阈值电压得到N个阈值电压，f(Vt)反映这N个初始阈值电压；在成像器件正常工作的光强分布范围内，平均选取M个光强值，g(h)反映这M个不同的光强值与参考单元的差分特性；矩阵MA 反映不同初始阈值电压和不同差分参量下各个实际光强的值；在实际成像操作时，先对所有的成像单元和参考单元进行擦除，对某一像素中的成像单元进行有光成像操作，对参考单元做无光成像操作，然后对参考单元的f (Vt)和g(h)进行测量，在矩阵MA中执行查表程序，得到实际光强的值。
2.根据权利要求1所述的消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法，其特征在于，所述为成像器件阵列中的每一个像素配置一个参考单元和若干个成像单元的步骤中， 是在成像单元的邻近位置配置参考单元，以减小工艺、温度、工作电压和外部干扰因素引起的失配，使成像单元和参考单元在擦除之后有一致的初始阈值电压。
3.根据权利要求2所述的消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法，其特征在于，所述参考单元只进行复位操作、读取操作和无光成像操作；所述成像单元与参考单元同时进行复位和读取操作外，还进行有光成像操作。
4.根据权利要求1所述的消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法，其特征在于，所述建立分别以f (Vt)和g(h)为横坐标和纵坐标的矩阵MA包括在成像单元和参考单元被擦除后的阈值分布曲线上，将阈值分布区间平均分为N份， 取每一份中点对应的阈值电压，得到N个阈值电压；在对成像单元进行无光成像的情况下， 选取一个对应函数f (Vt)来反映这N个初始阈值电压，测试这N个不同阈值电压下的f (Vt) 值；在成像器件正常工作的光强分布范围内，平均选取M个光强值，选取一个参量g(h)来反映这M个不同的光强值与参考单元的差分特性；对这N个初始阈值电压下的器件单元进行读取测试，得到无光成像条件下的对应函数f (Vt)的值，然后对各个成像器件做有光成像和读取操作，得到反映光强分布的差分函数g(h)；建立分别以f (Vt)和g(h)为横坐标和纵坐标的矩阵MA，坐标中的光学信息与f (Vt)和g(h) —一对应。
5.根据权利要求1所述的消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法，其特征在于，所述对某一像素中的成像单元进行有光成像操作，是使其阈值电压漂移到某一个新的值。
6.根据权利要求1所述的消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法，其特征在于，所述对参考单元的f(Vt)和g(h)进行测量时，由于成像单元和参考单元之间的各种失配小，可认为参考单元和成像单元的参量f (Vt)是一致的，所以测量的差分参量g(h)是在某确定的初始阈值电压下的完全反映光强的参量。
7.根据权利要求1所述的消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法，其特征在于，所述参考单元不参与有光成像，在参考单元所占位置的实测光强值丢失，可利用周围成像单元读出的光强值做插值运算，将插值的数值作为参考单元所处位置的光强值。
全文摘要
本发明公开了一种消除成像器件工艺失配和成像非线性影响的方法，包括为成像器件阵列中的每一个像素配置一个参考单元和若干个成像单元；建立分别以f(Vt)和g(h)为横坐标和纵坐标的矩阵MA；在实际成像操作时，先对所有的成像单元和参考单元进行擦除，对某一像素中的成像单元进行有光成像操作，对参考单元做无光成像操作，然后对参考单元的f(Vt)和g(h)进行测量，在矩阵MA中执行查表程序，得到实际光强的值。利用本发明提出的差分技术来消除初始阈值电压不同给成像阵列带来的影响，提高了成像质量，同时消除了成像过程中隧穿效应非线性引入的影响。
文档编号G01J1/42GK102213614SQ20101014510
公开日2011年10月12日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者冀永辉, 刘明, 王琴, 王风虎, 闫锋, 龙世兵 申请人:中国科学院微电子研究所