СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ МАТРИЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ Российский патент 2016 года по МПК H01L51/42 

Изобретение относится к способам повышения надежности матричных фотоэлектронных модулей (ФЭМ), работающих в условиях космического пространства или предназначенных для работы в других условиях, требующих высокой безотказности устройств регистрации и невозможности их замены в течение длительного времени. ФЭМ работают в различных диапазонах излучения, от 0,2 мкм до 100-150 мкм (ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения).

Матричный ФЭМ - смотрящее устройство, в котором входным сигналом является оптическое изображение, а выходным - стандартный цифровой или аналоговый видеосигнал, соответствующий входному изображению.

Регистрируемое изображение формируется на матрице фоточувствительных элементов (МФЧЭ) матричного фотоприемного устройства (МФПУ) с помощью оптической системы (ОС), включающей зеркала, линзы и электронно-механические исполнительные механизмы, необходимые для точной фокусировки изображения в заданной плоскости.

ФЭМ включает следующие основные узлы:

1 Матричное фотоприемное устройство (МФПУ);

2 Блок сопряжения (БС);

3 Блок электронной обработки сигналов (БЭОС).

МФПУ включает МФЧЭ, поэлементно состыкованный с ней кремниевый БИС мультиплексор, датчики температуры (ДТ), растр, на котором они установлены и разварены, светоограничительный экран с диафрагмой и светофильтром с заданным спектром пропускания. МФПУ преобразует оптическое излучение в электрический видеосигнал.

БС на основе заданной тактовой частоты вырабатывает необходимые постоянные и импульсные напряжения для питания и управления работой МФПУ, позволяющие последнему нормально функционировать, и преобразует выходной видеосигнал в цифровой формат. Иногда МФПУ совмещен с БС.

БЭОС проводит цифровую обработку сигналов МФПУ по заданным алгоритмам и формирует обработанный выходной сигнал ФЭМ в заданном формате (цифровом или аналоговом).

Одни устройства предназначены для работы в земных условиях (различные системы, работающие на земле, на воде и в воздухе), а другие - в условиях космического пространства. Если в земных условиях существует возможность замены устройства, вышедшего из строя, то в космосе возможность замены устройства или его компонентов в процессе эксплуатации отсутствует. В то же время полная стоимость космической системы наблюдения слишком велика, чтобы заменять ее, например, каждый год.

Следовательно, ФЭМ, работающие в условиях космического пространства, должны быть высоконадежными устройствами, чтобы успешно эксплуатироваться в течение не менее 7-10 лет, или 60000-90000 ч, при вероятности безотказной работы 0,99.

Надежность постоянно работающих устройств - это безотказность. Безотказность - свойство устройства непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение определенного промежутка времени или наработки. Наработка - продолжительность непрерывной работы устройства до наступления отказа или предельного состояния, после наступления которого полноценная работа устройства невозможна.

Надежность указанных устройств описывается вероятностью безотказной работы МФЭМ P(t) или средней наработкой до отказа Т_ср.

Вероятность безотказной работы объекта - это вероятность того, что в пределах заданной наработки t отказ объекта (изделия) не возникает.

Максимальная величина вероятности безотказной работы в самом начале наработки исправного устройства практически равна единице. С увеличением времени наработки величина P(t) постепенно снижается.

Вероятность безотказной работы объекта P(t) и Т_ср связаны между собой следующей зависимостью:

Средняя наработка до отказа зависит от формы кривой вероятности безотказной работы P(t).

Гамма-процентная наработка до отказа при заданном значении γ - продолжительность наработки устройства, при которой его вероятность безотказной работы не падает ниже величины γ.

Надежность ФЭМ определяется произведением надежностей каждого узла. Следовательно, надежность ФЭМ определяется наименее надежным узлом.

В условиях длительной автономной работы факторами, определяющими надежность ФЭМ или его узлов, являются:

- естественное «старение» их электронных компонентов, обусловленное жесткостью режимов питания аппаратуры, термодиффузией, приводящей к ухудшению параметров микросхем, транзисторов, диодов, и другими процессами;

- дополнительное «старение», обусловленное облучением частицами космического излучения (γ-кванты, электроны, протоны и т.д.), создающими дефекты в используемых полупроводниковых структурах, приводящие к ускоренному отказу используемых устройств.

Эти факторы приводят либо к резкому выходу из строя отдельных компонентов ФЭМ, либо к постепенному ухудшению их параметров.

Естественное «старение» таких электронных компонентов, как интегральные схемы, полупроводниковые приборы, конденсаторы и резисторы, происходит с достаточно большими характерными временами (≥10⁶ ч), а «старение», например, фотодиодов, используемых в ИК технике, характеризуется существенно меньшими временами (≥10⁴ ч).

Дополнительное «старение» электронных компонентов может быть устранено специальной защитой их от воздействия космического излучения. Однако даже 100% защита от указанного излучения не уменьшает естественное «старение» электронных компонентов. Оно приводит к постепенному ухудшению главных параметров ФЭМ (пороговая облученность, пороговая мощность, удельная обнаружительная способность, эквивалентная шуму разность температур).

Эти параметры определяются величиной шума наиболее чувствительного узла устройства - МФПУ. Вследствие этого главным узлом, определяющим безотказность ФЭМ, является МФПУ.

Вероятность безотказной работы МФПУ равна произведению вероятностей безотказной работы его компонентов - МФЧЭ и кремниевого БИС мультиплексора.

Высокое значение вероятности безотказной работы кремниевого БИС мультиплексора, как и схем других электронных компонентов, близко к единице в течение времени, обеспечивающего возможность необходимой продолжительности работы в космосе (≥10⁶ ч). Высокое значение вероятности безотказной работы МФЧЭ близко к единице лишь в начальный период работы. Поэтому именно МФЧЭ определяет величину вероятности безотказной работы МФПУ и, соответственно, ФЭМ в течение наработки.

Целью настоящего изобретения является повышение безотказности ФЭМ за счет повышения надежности МФПУ.

Поставленная цель достигается тем, что ФЭМ, функционирующий в режиме преобразования, накопления, усиления и оцифровки оптического изображения, сфокусированного на МФПУ, регистрирует его не менее двух раз, изображение перед каждой регистрацией смещается в направлении, совпадающем с направлением ряда и/или строки МФЧЭ, на шаг, кратный шагу ФЧЭ в МФЧЭ, время накопления сигнала при каждой регистрации не менее, чем максимальное время накопления в режиме работы с одной регистрацией, деленное на полное число шагов смещения изображения, и не более, чем максимальное время накопления в режиме работы с одной регистрацией, считываемые неработоспособными ФЧЭ с одного элемента изображения оптические сигналы, преобразованные в выходные сигналы, деселектируются, считываемые работоспособными ФЧЭ с этого же элемента изображения оптические сигналы, преобразованные в выходные сигналы, суммируются и нормируются, а продолжительность наработки ФЭМ определяется наличием заданного количества дефектных сигналов в полном видеосигнале от такого же количества элементов изображения с заданным расположением в картинке.

Сущность заявляемого способа состоит в регистрации каждого элемента изображения К независимыми ФЧЭ (К≥2), что позволяет в случае выхода из строя одного, двух и т.д. ФЧЭ зарегистрировать данный сигнал, по крайней мере, одним ФЧЭ из К и получить электронный сигнал, соответствующий заданному элементу изображения. При регистрации одного элемента изображения все сигналы дефектных ФЧЭ, соответствующие ему, должны быть деселектированы, т.е. должны быть отброшены, а все сигналы недефектных ФЧЭ должны быть просуммированы и нормированы путем деления суммарного сигнала на число сигналов недефектных ФЧЭ. При этом наработка продолжается до момента, когда на зарегистрированной картинке появится заданное количество дефектов с заданным расположением. Границы устанавливаемого времени накопления сигнала каждым ФЧЭ определяются характерными временами быстро и медленно изменяющихся регистрируемых картинок. Например, если проводится регистрация медленных процессов, происходящих на Земле, например облачных фронтов, то время накопления каждого ФЧЭ близко к максимальному времени накопления в режиме работы с одной регистрацией. При регистрации быстрого процесса, например полета ракеты или скоростного самолета, время накопления снижается до времени накопления, близкого к максимальному времени накопления, деленному на полное число шагов смещения изображения. При этом регистрация считается успешной, если появляющиеся дефекты расположены в угловых и/или боковых частях картинки, а их количество не превышает заданного числа.

В этом случае продолжительность наработки с высокой вероятностью безотказной работы, в течение которой мы будем регистрировать изображение без дефектов, значительно увеличится в сравнении с обычным смотрящим режимом работы МФПУ, в котором оптическое излучение, соответствующее одному элементу изображения, попадает только на один ФЧЭ.

Для иллюстрации заявляемого способа рассмотрим МФПУ формата M×N ФЧЭ. Каждый ФЧЭ имеет экспоненциальный механизм отказов, т.е. его вероятность безотказной работы описывается выражением

а вероятность отказа описывается выражением

где Т_ср - среднее время безотказной работы одного ФЧЭ.

Вероятность безотказной работы МФЧЭ в смотрящем режиме при отсутствии дефектных ФЧЭ будет равна

где N·M - формат МФПУ;

Р - Полное число регистраций со смещением картинки относительно МФЧЭ.

Для обычного смотрящего режима МФПУ с одной регистрацией и при отсутствии дефектных ФЧЭ выражение (4) приобретает следующий стандартный вид, указывающий на справедливость общего выражения:

Гамма-процентная наработка в указанном режиме при вероятности безотказной работы Р=0,99 при большом формате МФПУ (N·M≥128×128), при отсутствии дефектных ФЧЭ и при Т_ср=10⁵ ч становится чрезвычайно короткой (<1 ч).

Рассмотрим зависимость вероятности безотказной работы МФПУ от времени наработки (4) более подробно.

На фиг. 1 и 2 показаны зависимости вероятности безотказной работы МФЧЭ (МФПУ) формата 1024×768 ФЧЭ, каждый из которых имеет среднее время безотказной работы Т_ср=10⁵ ч, для разного количества регистраций.

На фиг. 1 - зависимость p(t) для одной и двух регистраций картинки.

На фиг. 2 - эта же зависимость p(t) для четырех, шести, восьми и десяти регистраций картинки.

Из фиг. 1 легко увидеть, что гамма-процентная наработка МФЧЭ при вероятности безотказной работы Ρ=0,99, сохранении бездефектной картинки и при двух регистрациях возрастает сразу на четыре порядка, т.е. в 10000 раз.

Из зависимости фиг. 2 следует, что при 10 регистрациях гамма-процентная наработка МФЧЭ при вероятности безотказной работы Ρ=0,99 и сохранении бездефектной картинки возрастает на семь порядков или в 10000000 раз. В этом случае гамма-процентная наработка МФЭМ при вероятности безотказной работы Ρ=0,99 достигает величины 9·10⁴ ч (>10 лет), которая вполне достаточна для космических систем наблюдения и регистрации.

Если же допускается наработка ФПУ с заданным количеством и расположением дефектов полученного изображения, то ее длительность еще увеличится в сравнении с бездефектным выходным изображением.

Таким образом, подтверждается, что безотказность МФЭМ повышается при количестве регистраций N≥2 за счет увеличения гамма-процентной наработки МФПУ с высоким значением вероятности безотказной работы.

Заявляемый способ повышения безотказности ФЭМ реализуется с помощью, например, размещения поворотного зеркала в оптическом тракте, фокусирующем изображение на ФЭМ. Угол поворота зеркала должен быть весьма небольшим, а это достаточно просто сделать.

Изобретение предназначено для повышения безотказности матричных фотоэлектронных модулей (ФЭМ), работающих в условиях космического пространства или предназначенных для работы в других условиях, требующих высокой безотказности устройств регистрации и невозможности их замены в течение длительного времени. Согласно способу каждый элемент изображения регистрируют К независимыми фоточувствительными элементами (ФЧЭ), что позволяет в случае выхода из строя одного, двух и т.д. ФЧЭ зарегистрировать сигнал, по крайней мере, одним ФЧЭ из К и получить электронный сигнал, соответствующий заданному элементу изображения. При регистрации одного элемента изображения сигналы, полученные от недефектных ФЧЭ, должны быть просуммированы и нормированы путем деления суммарного сигнала на их число. Наработка продолжается до момента, когда на зарегистрированной картинке появится заданное количество дефектов с заданным расположением. Границы устанавливаемого времени накопления сигнала каждым ФЧЭ определяются характерными временами быстро и медленно изменяющихся регистрируемых картинок. Технический результат - повышение продолжительности гамма-процентной наработки ФЭМ с высокой вероятностью безотказной работы. 2 ил.

Способ повышения безотказности фотоэлектронного модуля (ФЭМ), функционирующего в режиме преобразования, накопления, усиления и оцифровки оптического изображения, сфокусированного на матричном фотоприемном устройстве (МФПУ), отличающийся тем, что, с целью повышения безотказности ФЭМ за счет повышения надежности МФПУ, ФЭМ регистрирует изображение не менее двух раз, изображение перед каждой регистрацией смещается в направлении, совпадающем с направлением ряда и/или строки матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ), на шаг, кратный шагу фоточувствительного элемента (ФЧЭ) в МФЧЭ, время накопления сигнала при каждой регистрации не менее, чем максимальное время накопления в режиме работы с одной регистрацией, деленное на полное число шагов смещения изображения, и не более, чем максимальное время накопления в режиме работы с одной регистрацией, считываемые неработоспособными ФЧЭ с одного элемента изображения оптические сигналы, преобразованные в выходные сигналы, деселектируются, считываемые работоспособными ФЧЭ с этого же элемента изображения оптические сигналы, преобразованные в выходные сигналы, суммируются и нормируются, а продолжительность наработки ФЭМ определяется наличием заданного количества дефектных сигналов в полном видеосигнале от такого же количества элементов изображения с заданным расположением в картинке.