用于检测由于辐射暴露而引起的半导体器件劣化的装置和方法与流程

本公开内容总体上涉及辐射暴露检测，并且具体而言，涉及检测由于辐射暴露而引起的半导体器件劣化的装置和方法。

背景技术：

模拟电路广泛用于过程控制系统。来自模拟电路的测量结果经常是过程控制系统的关键部分。在一些过程控制环境中，模拟电路被暴露于辐射，这会使用于实现电路的半导体器件劣化至故障点。随着累积的暴露于辐射增加，模拟电路的输出会漂移和/或电路的频率响应劣化，直到过程控制系统会不再补偿由劣化引起的误差。在劣化不利地影响来自模拟电路的测量结果之前对模拟电路劣化的检测使得操作者能够采取行动来保持过程处于控制之下。例如，如果检测到由于辐射而引起的与传感器相关联的模拟电路的劣化，使用该传感器以进行控制反馈的定位器或控制器可以切换至不同的控制模式并且忽略来自于该传感器所耦合至的模拟电路的反馈。

技术实现要素：

一种用于检测由于辐射暴露而引起的电路故障的示例性方法，包括：确定模拟电路中的半导体器件的电流；基于所述电流来确定所述半导体器件已被暴露于辐射的辐射量；将所述辐射量与辐射剂量阈值相比较；以及基于比较结果来指示所述半导体器件的劣化。

一种示例性装置，包括：半导体器件，所述半导体器件具有响应于辐射暴露的已知的劣化；以及过程控制设备，所述过程控制设备用于：监控所述半导体器件的供应电流、将所述供应电流与辐射暴露的累积量进行关联、将所述辐射暴露的量与从所述已知的劣化推导出的辐射剂量阈值相比较、以及基于比较结果来向操作者工作站发送警报。

另一种示例性装置，包括：模拟电路，所述模拟电路具有第一集成电路；基准电路，所述基准电路具有与所述第一集成电路相同的第二集成电路，其中所述基准电路提供反馈信号，所述反馈信号指示所述基准电路和所述模拟电路的劣化；以及过程控制设备，所述过程控制设备监控来自所述基准电路的所述反馈信号。

附图说明

图1是可以实施为检测由于辐射暴露而引起的电路的劣化的示例性装置的图示。

图2是可以与图1中的示例性装置一起实施的示例性定位器的图示。

图3是可以与本文所描述的示例性装置和方法相关联的示例性辐射劣化曲线。

图4是可以实施为检测由于辐射暴露而引起的电路的劣化的另一个示例性装置的图示。

图5是可以被执行为实施本文所描述的示例性装置的示例性方法。

图6是可以被执行为实施本文所描述的示例性装置的另一个示例性方法。

图7是可以用于实施本文所公开的示例的处理器平台的图示。

具体实施方式

本文所描述的示例性装置和方法可以被实施为预测和检测由于辐射暴露而引起的模拟电路内的半导体器件的劣化和故障。示例性装置和方法可以用在过程控制环境中或任何其它环境中。

本文所描述的一些示例包括半导体器件，诸如运算放大器，其具有由于辐射暴露而引起的已知的劣化特性。随着辐射暴露的累积量(辐射剂量)增加，半导体器件的电流消耗以可预测的方式变化。该变化会遵循与半导体相关联的劣化曲线。在一些示例中，劣化速率是可变的并且半导体已经暴露于辐射的总辐射剂量影响半导体的所测量的电流如何快速地减小。

在本文所描述的示例中，半导体器件耦合至定位器，该定位器测量供应至半导体器件的电流，并且使用劣化曲线来将所测量的电流与辐射剂量进行关联。该定位器基于半导体的劣化曲线将辐射剂量与预定的阈值相比较以检测辐射剂量何时达到辐射剂量阈值。为了实现示例性装置的操作，定位器可以包括用于存储数据和劣化曲线的存储器、用于接收数据和发送报警的通信接口、以及用于将所测量的供应电流与劣化曲线相比较的处理器。

辐射剂量阈值由劣化曲线来定义并且与辐射暴露的量相对应，该辐射暴露导致正被监控的电路劣化或发生故障。当辐射剂量达到辐射剂量阈值时，定位器可以向操作者工作站发送指示耦合至定位器的电路(例如，与反馈传感器相关联的模拟电路)可能正在劣化或接近于故障的警报。另外，如果辐射剂量在辐射剂量阈值的范围内，则电路的劣化或故障很可能发生并且处理器向操作者工作站发送报警。

图1是可以被实施为检测由于辐射暴露而引起的电路的劣化或故障的示例性装置100的框图。示例性装置100包括示例性半导体器件102，示例性半导体器件102用作指示示例性装置100已经暴露于辐射的辐射量(辐射剂量)的辐射暴露监控器。示例性半导体器件102可以被实施为具有由于辐射暴露而引起的已知的劣化的运算放大器(如在图1中所示出的)、晶体管、二极管或任何其它电路部件。半导体器件102的供应电流可以由耦合至半导体器件102的定位器104(例如，过程控制设备)来测量。与半导体器件102相关联的已知的劣化曲线将所测量的半导体器件102的电流与半导体器件102已经暴露于的辐射的量进行关联。随着辐射暴露的量增加，半导体器件102的电流以可预测的方式变化(如例如与半导体器件102相关联的劣化曲线所描述的)。例如，半导体器件102的供应电流可以由于辐射暴露的增大而减小。

可以基于在示例性装置100中使用的模拟电路来选择半导体器件102。模拟电路106(例如，过程控制电路)可以用于执行过程控制系统中的多种功能，诸如测量参数、操作过程控制部件和/或将数据传送至定位器104。可以根据模拟电路106可以经受的辐射量来选择半导体器件102。例如，半导体器件102可以被选择为使得劣化曲线所定义的辐射剂量阈值对应于示例性装置100的模拟电路106在劣化或故障之前可以经受的辐射量。因此，在一个此类示例中，如果与半导体器件102相关联的模拟电路106可以经受200,000辐射吸收剂量(即，200krad)的辐射暴露，则所选择的半导体器件102可以是已经针对多达200krad的辐射暴露的性能进行了测试的抗辐射运算放大器。在一些示例中，半导体器件102可以被选择为使得半导体器件操作用于通过达到由劣化曲线所定义的阈值电流来警告操作者潜在的电路故障，但半导体器件102贯穿于示例性装置100的操作而保持可操作的。在其它示例中，模拟电路106可以容忍不同量的辐射暴露，并且因此所选择的半导体器件102能够经受不同的辐射量。

在一些示例中，多余的或多个半导体器件102可以用于确保对辐射暴露的检测是准确的并且不是响应于由于另一个原因(诸如举例来说，电压浪涌或尖峰)而引起的半导体器件102的劣化或故障的错误检测。可以轮询(poll)或比较来自多个半导体器件102的电流测量结果以检测半导体器件102中的一个半导体器件是否正在响应于除了辐射暴露之外的某事物而发生故障。在一些示例中，半导体器件102中的全部半导体器件是相同类型并且可以在和与半导体器件102相关联的劣化曲线相比较之前对半导体器件102的电流测量结果取平均。在其它示例中，当对来自多个半导体器件102的测量结果进行比较时可以确定无关的电流测量结果，以及如果无关的电流测量结果存在，则可以忽视该测量结果。替代地，半导体器件102中的每一个半导体器件可以被额定为经受不同的辐射剂量，并且与相对应的劣化曲线相比较。

半导体器件102可以被实施在示例性装置中以仅用作包括了模拟电路106的示例性装置100的辐射暴露检测器件。在其它示例中，除了用作辐射暴露监控器之外，半导体器件102还可以以与半导体器件102的预期应用相一致的方式来起作用。例如，如果半导体器件102是运算放大器，则半导体器件102还可以执行放大功能。

半导体器件102耦合至示例性定位器104，示例性定位器104可以是与在过程控制系统中所使用的相类似的数字阀控制器。然而，在一些示例中，可以替代地使用其它类型的定位器104。在一些示例中，半导体器件102可以集成在定位器104内。在其它示例中，半导体器件102与定位器104分离并且定位器104可以远程地监控半导体器件102。定位器104还可以操作地耦合至模拟电路106和操作者工作站108。定位器104可以向操作者工作站108发送警报和报警并且从操作者工作站108接收消息、数据和命令。操作者工作站108可以是计算机、手持式设备、或能够发送和接收消息、数据和命令的任何其它设备。结合图2示出和描述了本文所描述的示例性定位器104的更详细描绘。

如图2中所描绘的，示例性定位器104包括存储器202、通信接口204以及处理器206。存储器202可以是任何类型的有形计算机可读存储设备或存储盘。存储器202用于临时地或永久地存储用于确定示例性装置100暴露于辐射的辐射剂量的任何数据。例如，与半导体器件102相关联的劣化曲线，与半导体器件102相关联的的任何测量结果(诸如举例来说，所测量的电流)以及在检测示例性装置100暴露于辐射的辐射剂量的过程期间确定或使用的任何值。

通信接口204操作用于接收来自半导体器件102的电流(该电流是由处理器206测量的)，并且向操作者工作站108(图1)发送报警。与示例性装置100的操作或状态有关的其它数据(诸如过程控制数据和命令)也可以通过通信接口204来传送。

处理器206经由信号监控器208来监控和测量流动通过半导体器件102的总电流。一旦测量了电流，处理器206就从存储器202访问劣化曲线并且将所测量的电流与劣化曲线相比较以经由电流和辐射相关器210将所测量的电流与辐射剂量进行关联。处理器206还可以使用劣化曲线来确定辐射剂量阈值。辐射剂量阈值可以与导致模拟电路106劣化至被认为不可接受的性能水平的辐射暴露的量相关联。辐射剂量阈值可以与劣化曲线上的点(在该点处，辐射剂量足够高以致使半导体器件102不能操作用于其目的)相对应。处理器206使用所确定的示例性装置100的辐射剂量并且经由辐射水平比较器212将该量与辐射剂量阈值相比较以确定辐射剂量是否已经达到了辐射剂量阈值。如果辐射剂量已经达到了辐射剂量阈值，则处理器206的报警管理器214可以向操作地耦合至定位器104的操作者工作站108发送报警和警报，向操作者告警模拟电路106的可能的劣化或故障。如果辐射剂量在辐射剂量阈值的范围内，则模拟电路的劣化或故障很可能发生并且报警管理器214向操作者工作站108发送指示模拟电路106的劣化或故障的可能性的报警。向操作者工作站108发送指示电路106的潜在故障的警报使得操作者能够采取行动来防止模拟电路106的故障影响过程控制系统。例如，响应于接收到警报，操作者可以改变过程控制系统的操作模式。在其它示例中，操作者可以更换或修理受影响的电路106的部件。

图3描绘了可以与本文所描述的示例性装置100的半导体器件102相关联的示例性劣化曲线300。图3的示例性劣化曲线300将半导体器件102的供应电流与辐射暴露的总剂量304进行关联。在该示例中，劣化曲线300与抗辐射微功率双运算放大器相关联。

示例性劣化曲线300具有当总剂量304很小(例如，小于5krad)时的初始电流306。当总剂量304达到退化剂量308时，供应电流302开始减小。供应电流302继续减小直至供应电流302不再足以操作半导体器件102。当供应电流302变得不可操作时的总剂量304是半导体器件102的劣化点310，并且还可以是由劣化曲线300定义的辐射剂量阈值。在一些示例中，可以将劣化曲线300的另一个点选择为辐射剂量阈值。图3的示例性劣化曲线300描绘了针对两个不同供应电压的曲线，但是可以存在其它的劣化曲线。

图4是可以被实施为检测由于辐射暴露而引起的劣化或故障的另一个示例性装置400的框图。如果具有由于辐射而引起的已知的劣化的半导体器件不可用或可用的半导体器件的劣化与模拟电路402的劣化不相对应，则可以实施图4的示例性装置400。模拟电路402可以执行装置400的一个或多个主要功能。在一些示例中，由模拟电路402执行的主功能可以包括放大霍尔效应传感器电路的桥路电阻。

示例性装置400包括可以用于检测由于辐射而引起的劣化的基准电路404。基准电路404可以与模拟电路402相类似，并且因此可以包含相似和/或相同的部件。例如，基准电路可以包含与模拟电路的至少一个集成电路相同的至少一个集成电路(例如，运算放大器)。在一些示例中，基准电路404可以被实施为经由通信接口204向定位器104提供反馈信号(例如，电流信号或电压信号)以针对由辐射而引起的劣化对基准电路404和/或模拟电路402进行监控。在一些示例中，从基准电路404至定位器104的信号可以包括来自固定电阻桥路的放大信号。因此，来自基准电路404的信号实质上仅仅受由于辐射而引起的劣化影响并且不受正由模拟电路402所测量的参数的波动影响。结果，从基准电路404至定位器104的信号指示基准电路404并且因此模拟电路402何时会经历由于辐射而引起的劣化。具体而言，基准电路404用于提供由于基准电路404耦合至的固定桥路电阻而引起的固定信号输出(例如，恒定电压或电流)。如果基准电路404暴露于辐射，则例如基准电路404内的运算放大器会劣化，而基准电路404耦合至的桥路电路将不以任何有意义的方式受到辐射的影响。然而，运算放大器的劣化引起基准电路的信号输出的变化，从而指示劣化的量。

如果定位器104的信号监控器206检测到来自基准电路404的信号已经劣化，则定位器104的报警管理器214可以向操作者工作站108发送警报和报警并且从操作者工作站108接收消息、数据和命令。为了检测来自基准电路的信号已经劣化，定位器可以将来自基准电路404的反馈信号的变化与变化阈值相比较。超过变化阈值的反馈信号中的变化可以指示模拟电路402和/或基准电路404正在经历劣化。变化阈值可以由操作者来选择。反馈信号的变化可以通过将反馈信号的初始值与反馈信号的当前值相比较来确定。

图1-图2和图4的示例性定位器104和/或处理器206可以通过硬件、软件和/或固件的任何组合来实施。因此，例如，示例性定位器104和/或处理器206可以通过一个或多个模拟或数字电路、逻辑电路、可编程处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、和/或现场可编程逻辑器件(FPLD)来实施。当阅读本专利中的装置或方法权利要求以涵盖纯软件和/或固件实施方式时，示例性定位器104和/或处理器206在此被明确地被定义为包括存储软件和/或固件的有形计算机可读存储设备或存储盘(诸如，存储器、数字多功能盘(DVD)、压缩盘(CD)、蓝光盘等)。更进一步地，图1-图2和图4中的示例性定位器104和/或处理器206可以包括一个或多个元件、过程和/或设备，和/或可以包括多于元件、过程和设备中的任何一个或全部中的一个。

另外，图1-图2和图4中的示例性定位器104和/或处理器206可以使用任何类型的有线连接(例如，数据总线、USB连接等等)或无线通信机制(例如，射频、红外线等)、使用任何过去、现在或将来的通信协议(例如，蓝牙、USB 2.0、USB 3.0等)来与部件中的一个或多个部件(例如，半导体器件102、模拟电路106和/或402、操作者工作站108、基准电路404等等)进行通信。此外，图1-图2和图4中的一个或多个部件可以使用这种有线连接或无线通信机制彼此进行通信。

图5描绘了可以利用本文所描述的示例性装置100来实施的示例性方法500。示例性方法500开始于处理器206的信号监控器208监控和/或测量半导体器件102的电流(框502)。处理器206的电流和辐射相关器210使用劣化曲线300来将所测量的电流与辐射剂量进行关联(框504)。辐射水平比较器212将辐射剂量与辐射剂量阈值相比较(框506)。处理器206然后确定辐射剂量是否已经达到了辐射剂量阈值(框508)。如果辐射剂量已经达到了辐射剂量阈值，则报警管理器214向操作者工作站108发送报警或警报，以向操作者告警模拟电路106的劣化或故障(框510)。如果辐射剂量尚未达到辐射剂量阈值，则处理器206确定如果辐射剂量是否在辐射剂量阈值的范围内(框512)。如果辐射剂量在辐射剂量阈值的范围内(例如，在10krad内)，则报警管理器214向操作者工作站108发送警报或报警。如果辐射剂量不在辐射剂量阈值的范围内，则信号监控器208可以继续监控半导体器件102的电流(框502)或检测由于辐射而引起的电路故障的过程可以结束。

图6描绘了可以利用本文所描述的示例性装置400来实施的示例性方法600。示例性方法600开始于定位器104的处理器206的信号监控器208监控和/或测量由基准电路404所输出的信号(框602)。处理器206然后通过将来自基准电路404的反馈信号的变化与变化阈值相比较来确定由基准电路404所输出的信号是否已经由于辐射而劣化(框604)。如果由基准电路404所输出的信号已经由于辐射而劣化，则报警管理器214向操作者工作站108发送报警或警报以向操作者告警模拟电路402的劣化或故障(框606)。如果基准电路的信号尚未由于辐射暴露而受影响，则信号监控器208可以继续监控由基准电路404所输出的信号(框602)或检测由于辐射而引起的电路故障的过程可以结束。

在所描述的示例中，由图5和图6中的流程图所表示的示例性方法500和600的至少一部分可以使用机器可读指令来实施，该机器可读指令包括用于由处理器(诸如下文结合图7论述的示例性处理器平台700中示出的处理器712)来执行的程序。程序可以体现在存储在有形计算机可读存储介质(诸如，CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字多功能盘(DVD)、蓝光盘、或与处理器712相关联的存储器)上的软件中，但是整个程序和/或其部分可以替代地由除了处理器712之外的设备来执行和/或体现在固件或专用硬件中。此外，尽管参照在图5和图6中示出的流程图描述了示例性程序，但可以替代地使用实施本文所描述的示例性装置的许多其它方法。例如，可以改变框的执行顺序，和/或可以改变、取消或组合所描述的框中的一些框。

如上文所提到的，图5和图6中的示例性方法500和600中的至少一部分可以使用存储在有形计算机可读存储介质(诸如，硬盘驱动器、闪存、只读存储器(ROM)、压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)、缓存、随机存取存储器(RAM)和/或在其中将信息存储任何持续时间(例如，延长的时间段、永久地、短暂地、临时缓冲、和/或信息的缓存)的任何其它存储设备或存储盘)上的经编码的指令(例如，计算机和/或机器可读指令)来实施。如本文所使用的，术语有形计算机可读存储介质被明确地被定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘并且不包括传播信号以及不包括传输介质。如本文所使用的，“有形计算机可读存储介质”和“有形机器可读存储介质”可互换地使用。另外地或替代地，图4中的示例性方法可以使用存储在非暂时性计算机和/或机器可读介质(诸如，硬盘驱动器、闪存、只读存储器、压缩盘、数字多功能盘、缓存、随机存取存储器和/或在其中将信息存储任何持续时间(例如，延长的时间段、永久地、短暂地、临时缓冲、和/或信息的缓存)的任何其它存储设备或存储盘上的经编码的指令(例如，计算机和/或机器可读指令)来实施。如本文所使用的，术语非暂时性计算机可读存储介质被明确地被定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘并且不包括传播信号以及不包括传输介质。

图7是能够执行指令以实施图5和图6中的方法的至少一部分的示例性处理器平台700的框图。处理器平台700可以是例如服务器、个人计算机、移动设备(例如，蜂窝电话、智能电话、诸如iPad^TM之类的平板设备)、个人数字助理(PDA)、互联网设备或任何其它类型的计算设备。

所示出的示例中的处理器平台700包括处理器712。所示出的示例中的处理器712是硬件。例如，处理器712可以由来自任何期望家族或制造商的一个或多个集成电路、逻辑电路、微处理器或控制器来实施。处理器712可以与处理器206相对应和/或可以包括信号监控器208、电流和辐射相关器210、辐射水平比较器212和报警管理器214。

所示出的示例中的处理器712包括本地存储器713(例如，缓存)。所示出的示例中的处理器712经由总线718与包括易失性存储器714和非易失性存储器716的主存储器进行通信。易失性存储器714可以由同步动态随机存取存储器(SDRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、RAMBUS动态随机存取存储器(RDRAM)和/或任何其它类型的随机存取存储器设备来实施。非易失性存储器716可以由闪存和/或任何其它期望类型的存储器设备来实施。对主存储器714、716的访问由存储器控制器来控制。

所示出的示例的处理器平台700还包括接口电路720。接口电路720可以由任何类型的接口标准(诸如，以太网接口、通用串行总线(USB)、和/或PCI express接口)来实施。

在所示出的示例中，一个或多个输入设备722连接至接口电路720。输入设备722允许用户将数据和命令输入至处理器712中。输入设备722可以由例如音频传感器、麦克风、相机(静物或视频)、键盘、按钮、鼠标、触摸屏、轨迹板、轨迹球、isopoint和/或语音识别系统来实施。

一个或多个输出设备724还连接至所示出的示例的接口电路720。输出设备724可以例如由显示设备(例如，发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、液晶显示器、阴极射线管显示器(CRT)、触摸屏、触觉输出设备、打印机和/或扬声器)来实施。所示出的示例中的接口电路720因此通常包括图形驱动卡、图形驱动芯片或图形驱动处理器。

所示出的示例中的接口电路720还包括通信设备，诸如发射器、接收器、收发器、调制解调器和/或网络接口卡，以经由网络726(例如，以太网连接、数字用户线(DSL)、电话线、同轴电缆、蜂窝电话系统等)促进数据与外部机器(例如，任何类型的计算设备)的数据交换。

所示出的示例中的处理器平台700还包括用于存储软件和/或数据的一个或多个大容量存储设备728。这种大容量存储设备728的示例包括软盘驱动器、硬盘驱动器、压缩盘驱动器、蓝光盘驱动器、RAID系统、和数字多功能盘(DVD)驱动器。大容量存储设备可以另外包括存储器202。

用于实施图5和图6中的方法500和600中的至少一部分的经编码的指令732可以存储在大容量存储设备728中、易失性存储器714中、非易失性存储器716中、和/或诸如CD或DVD之类的可移除有形计算机可读存储介质上。

尽管本文已经公开了特定的示例性方法、装置和制品，但是本专利的覆盖范围不限于此。相反，本专利覆盖了相当地落入本专利的权利要求范围内的所有方法、装置和制品。