Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской революции



Скачать 123.36 Kb.
Дата01.05.2018
Размер123.36 Kb.
Название файлаstatya_Alexey_18_01_2017.docx

УДК 681.321

Устройство для измерения накопленной дозы с использованием

p-канальных МОПТ из состава КМОП-микросхем
Бутин А. В. МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва)

В работе представлено обоснование возможности использования в качестве датчиков накопленной дозы гамма-излучения p-канальных МОП-транзисторов из состава КМОП-микросхем. Исследована возможность расширения диапазона дозовых нагрузок, регистрируемых с помощью датчиков накопленной дозы. Рассмотрен вариант исполнения устройства на основе микроконтроллера STM32. Проведена отработка макета устройства на моделирующей установке ГУ-200 и получены калибровочные зависимости датчиков накопленной дозы для дальнейшего их использования.

The goal of this paper is to propose the basis of p-channel MOSFETs within digital CMOS ICs using as a total dose detector. This paper also discusses the opportunity of range widening for impact to be detected by the total dose detectors. The schematic diagram and practical realization of the device based on microcontroller STM32 are shown. Finally, the device prototype was irradiated at GU200 facility (RISI, Moscow, Russia) and the result was a total dose detector set of calibration curves for further calculations.
Радиоэлектронная аппаратура космических аппаратов (КА) подвергается воздействию ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП). Срок активного существования КА в значительной степени определяется дозовой нагрузкой составных частей аппаратуры КА. Поскольку радиационная обстановка внутри КА в процессе функционирования КА на орбите может существенно меняться и достигать критических значений, приводящим к отказам аппаратуры, для устойчивого функционирования космических группировок необходимо иметь оперативную информацию об остаточном ресурсе аппаратуры КА. Поэтому актуальной задачей мониторинга радиационной обстановки на борту КА является определение дозы, накопленной в чувствительном объеме элементов аппаратуры [1, 2].

Для измерения накопленной дозы применяют дозиметры основе p-канальных МОПТ [3–5]. Затвор транзисторов соединяют со стоком, подложку - с истоком и через транзистор пропускается постоянный рабочий ток. Информативным параметром является напряжение между выводами стока и истока. Составной часть схемы измерения с помощью таких датчиков является источник тока, необходимый для каждого детектора.

Накопление положительного заряда в подзатворном диэлектрике при облучении МОПТ приводит к изменению порогового напряжения. Положительный заряд, образованный при облучении, пропорционален накопленной дозе.

Для оценки дозовой стойкости аппаратуры КА и ее составных частей используют предельное значение накопленной в чувствительных областях элементов дозы излучения, при которой сохраняется работоспособность аппаратуры [1, 2].

Показатели дозовой стойкости аппаратуры и ее составных частей, как правило, определяют по результатам облучения на изотопных источниках Со60 с энергией гамма-квантов 1,25 МэВ [3].

Основной задачей исследований дозовой стойкости МОП-приборов является обеспечение наилучшего соответствия результатов измерения поглощенной дозы в чувствительном объеме МОПТ, используемого в качестве детектора, значению поглощенной дозы в чувствительном объеме МОП-приборов из состава исследуемой аппаратуры. Для этого в качестве чувствительного элемента целесообразно использовать p-канальные МОПТ из состава простейших цифровых интегральных схем, близких по конструкции и технологии изготовления к испытываемым объектам [4].

При выборе конкретного типа МОП – микросхем в качестве датчика накопленной дозы (ДНД) необходимо ориентироваться на следующие ограничения:

- конструкция МОП – микросхемы (материал корпуса, наличие слоев металлизации, топологические нормы, технология межэлементной изоляции), должна наиболее близко соответствовать элементной базе, применяемой в изделиях, дозовую стойкость которых предполагается исследовать в облучательных экспериментах;

- функциональные возможности МОП – микросхемы должны разрешать детерминированную установку выходных каскадов, используемых в качестве детекторов в состояние «лог.1»;

- диапазон чувствительности МОП – микросхем к действию гамма-излучения должен находиться в пределах 10-100 крад;

- МОП – микросхемы должны иметь устойчивые показатели дозовой стойкости.

Получение сток-затворной характеристики р-канального МОП-транзистора из состава КМОП-микросхем 1594ТЛ2Т может быть реализовано с помощью измерительного стенда, структурная схема которого приведена на рисунке 1.

Вследствие образования встроенного заряда в подзатворном диэлектрике в процессе облучения, пропорционального накопленной дозе, начальная сток-затворная характеристика р-канального МОПТ (I) смещается (II) в область более отрицательных значений (см. рисунок 2). При накопленной дозе D ток стока IDS0 снизится до значения IDSD [4].

Рисунок 1 – Структурная схема измерительного стенда для получения сток-затворной характеристики р-канального МОПТ.


Рисунок 2 – Сток-затворная характеристика p-канального МОПТ до облучения ( I )

и при накопленной дозе D ( II ).
Недостатком данной схемы измерения (рисунок 1) является то, что при многоточечном контроле на шины питания всех детекторов подается одинаковое напряжение. Поскольку накопленная доза в каждом конкретном месте расположения датчиков может существенно отличаться, то по причине нелинейности сток-затворной характеристики, в конечном итоге, целый ряд датчиков, накопленная доза в которых превысила критическое значение, может потерять чувствительность к воздействию ИИ (МОПТ перейдут в режим отсечки тока), в то время как другие датчики, накопленная доза в которых достаточно мала, сохранят работоспособность.

Для того, чтобы используемые при многоканальных измерениях датчики на МОПТ независимо от накопленной дозы сохраняли чувствительность в требуемом диапазоне, необходимо:

- обеспечить поочередное подключение к измерительной системе МОПТ;

- обеспечить до момента измерения тока стока МОПТ корректировку напряжения на шине питания выбранной микросхемы до значения, при котором ток стока попадает в нужный диапазон значений – не менее 2,0 мА.

На рисунке 3 приведена структурная схема устройства, удовлетворяющего данным требованиям.



Рисунок 3 - Структурная схема устройства с датчиками ДНД1…ДНД3.

Макет многоканального устройства с N датчиками накопленной дозы ДНД1…ДНДN реализован с использованием современных микроконтроллерных устройств [9-13], в том числе на основе микроконтроллера STM32 фирмы STMicroelectronics. Результаты измерений через параллельный порт выводятся на светодиодный индикатор.

Достаточно низкая стоимость, удобство программирования и наличие  бесплатного ПО  способствовали широкому распространению микроконтроллеров STM32 в среде разработчиков многофункциональных цифровых устройств.

Архитектура микроконтроллера STM32F407VGT6 позволяет организовать процесс многоканальных измерений параметров ДНД с погрешностью не хуже ±1,0 мВ, провести первичную обработку информации и вывести на индикацию результаты измерений, обеспечить необходимую конфигурацию портов ввода/вывода.

При прошивке программы управления микроконтроллера STM32F407VGT6 в качестве исходных данных записываются значения порогового напряжения UGS для каждого МОПТ выходных каскадов микросхем 1594ТЛ2Т.

В исходном состоянии все выводы порта I/O, к которым подключены выходы датчиков, находятся в высокоимпедансном состоянии.

После инициации микроконтроллера происходит поочередный опрос датчиков накопленной дозы с выполнением следующих операций:

- на выводе порта I/O, соответствующем данному датчику, устанавливается лог. «0», подключая сток МОПТ выходного каскада микросхемы к шине «GND»;

- запускаются ЦАП микроконтроллера, формирующего линейно возрастающее напряжение на шине питания, и соответствующий АЦП микроконтроллера, измеряющий напряжение на нагрузке;

- после достижения током в нагрузке с сопротивлением 100 Ом значения 2,0 мА ЦАП останавливается;

- соответствующее значение напряжения на выходе ЦАП передается АЛУ микроконтроллера;

- вычисляется величина сдвига порогового напряжения МОПТ выбранного датчика;

- по величине сдвига порогового напряжения и значению коэффициента чувствительности для данного датчика вычисляется значение накопленной дозы D;

- вычисленное значение и порядковый номер датчика преобразуются в параллельный шестнадцати разрядный двоичный код, значение которого выводится через порт I/O на светодиодный индикатор;

- вывод порта I/O, к которому присоединен через резистор сток МОПТ выбранного датчика, переводится в высокоимпедансное состояние;

- далее процесс измерения и индикации повторяется поочередно для каждого датчика.

Для реализации данного алгоритма было разработано ПО с использование среды программирования STM32Cube [11 - 13], предлагаемой фирмой STMicroelectronics. Для генерации кода инициализации ядра STM32 и периферии, встроенной в микроконтроллер STM32CubeTM, используется утилита с графическим интерфейсом STM32CubeMX.

Библиотека STM32Cube HAL представляет собой встраиваемое ПО уровня абстракции HAL (Hardware Abstraction Layer) для STM32, обеспечивающее максимальную переносимость кода внутри семейства STM32. Набор встраиваемых компонентов ПО (RTOS, USB, FatFS, TCP/IP, Graphics) настроен для их совместной работы.

После отладки разработанной программы была организована прошивка микроконтроллера и проверка работоспособность макета устройства.
Подтверждение возможности применения р-канальных МОП ЦИС для оперативной оценки дозовой нагрузки проходила в рамках исследований радиационной стойкости микросхем 1594ТЛ2Т (шесть триггеров Шмитта с инверсией) в условиях воздействия статического гамма-излучения изотопной установки ГУ-200 (АО «НИИП», г. Лыткарино) с известной мощностью и спектром излучения.

На изотопной установке ГУ-200 была проведена калибровка 6 микросхем 1594ТЛ2Т путем измерения их стокозатворной характеристики до и после облучения.

Значения рассчитанных коэффициентов чувствительности микросхем 1594ТЛ2Т приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Значения рассчитанных коэффициентов чувствительности микросхем 1594ТЛ2Т




Характеристики датчиков

№1

№2

№3

№4

№5

№6

Сдвиг порогового напряжения при накопленной дозе D, мВ

36,0

51,0

31,0

42,0

53,0

35,0

Коэффициент чувствительности, мВ/кР

0,900

1,275

0,775

1,050

1,325

0,875

После повторного облучения были измерены параметры р-канальных МОПТ выходного каскада микросхем 1594ТЛ2Т.

Используя значения коэффициентов чувствительности, приведенные в таблице 1, было получено расчетное значение накопленной дозы для каждого датчика. Отклонение расчетных значений накопленной дозы от измеренного средствами штатной дозиметрии не превысило 10%.

Таким образом, в рамках поисковых работ были апробированы технические решения для реализации устройства с датчиками накопленной дозы на современной программно-аппаратной платформе.

Полученные результаты дают основание рекомендовать предложенный метод оценки накопленной дозы для использования в аппаратуре с ограниченным ресурсом, применяемой в условиях воздействия ионизирующих излучений.

В дальнейшем предполагается выполнить исследования стабильности остаточных эффектов в КМОП-микросхемах при отличающихся условиях облучения и отжига.




Литература

  1. РМГ 78-2005 ГСИ. Излучения ионизирующие и их измерения. Термины и определения.

  2. ГОСТ 18298-79 Стойкость аппаратуры, комплектующих элементов и материалов радиационная. Термины и определения.

  3. Бутин В.И., Зинченко В.Ф., Романенко А.А. Система радиационных испытаний изделий электронной техники: Моногр./Владим. Гос. ун-т, Владимир, 2003 г.,188 с.

  4. «Применение МОП-транзисторов для оперативной дозиметрии в полях ионизирующих излучений», Чубруков Ф.В., Бутин В.И., Бутина А.В. / научно - технический сборник «Вопросы атомной науки и техники», 2015 г.

  5. T. R. Oldham, F.B. McLean, “Total Ionizing Dose Effects in MOS Oxides and Devices”, IEEE transactions on nuclear science, vol.50, no.3, June 2003

  6. «Полупроводниковые датчики для дозиметрического мониторинга радиоэлектронной аппаратуры объектов ядерной энергетики и систем космической связи". О.В. Мещуров, В.В. Емельянов, К.И. Таперо, Ю.Н. Жуков, Ю.А. Афанасьев. Сборник «ВАНТ», выпуск 1, 2001г.

  7. «Дозиметрический контроль на борту космических аппаратов с помощью МДП-дозиметров». О.В. Мещуров, К.И. Таперо, В.В. Емельянов, В.Н. Улимов, А.Д. Артемов, И.Ю. Калинкин, В.А. Орлов. Сборник «ВАНТ», выпуск 4, 2002г.

  8. Результаты исследований p-МОП дозиметров в условиях воздействия импульсного и стационарного ионизирующего излучения. О.В. Мещуров, К.И. Таперо, В.В. Емельянов, С.А. Соболев, А.Д. Артемов, Л.В. Курышев, А.Н. Ищук. Сборник «ВАНТ», выпуск 3, 2007г.

  9. Денисов А.А. Проектирование наносенсоров / Под ред. В.А.Шахнова - Москва, 2011. Том 6. Сер. Библиотека "Наноинженерия".

  10. Мысловский Э., Власов А., Акристиний М. Краткий обзор популярных семейств современных микроконтроллеров // Электронные компоненты. 2002. №5. С. 47-50.

  11. Ларина Е.А., Леонидов В.В., Москалев Н.С. Методика проектирования цифровых систем управления на базе AVR-микроконтроллеров // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 6-2 (48). С. 87-94.

  12. Vlasov A., Yudin A. Distributed control system in mobile robot application: general approach, realization and usage // Communications in Computer and Information Science. 2011. Т. 156 CCIS. С. 180-192.

  13. Леонидов В.В., Гуляев И.Б., Колчин Г.С. Программно-аппаратная платформа автоматизированного измерения параметров электронных модулей и полупроводниковых приборов // Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2011. № 1. С. 89-97.


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©rppna.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница