在有电离辐射的区域中运行的集成电路、危险报警器及方法技术

本发明专利技术涉及用于在具有电离辐射的区域（NUC）中运行的集成电路（51），尤其是微控制器，其具有至少一部分温度调节电路以用于通过以下方式将电路温度（T）调节提高到预先给定的、基本恒定的运行温度值（TS）上，即把该电路的电功率消耗（PV）提高了可调的附加电功率（PH）。该电路具有输出对其作用的电离辐射所导致的该集成电路的损坏信息（DEG）的能力，其中该损坏信息可以根据与辐射剂量有关的该可调附加电功率的下降来确定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于在具有电离辐射的区域中运行的集成电路、尤其是微控制器。本专利技术另外还涉及一种用于在具有电离辐射的区域中、尤其是在核区域中运行的危险报警器。该危险报警器具有至少一个用于探测至少一个危险参量的探测单元、用于输出报警信号的至少一个集成电路以及其他电气器件。最后本专利技术涉及一种用于确定由作用在集成电路上的电离辐射所造成的集成电路的损坏信息的方法。
技术介绍
也被简称为IC（Integrated Circuit）的集成电路是在半导体衬底或在半导体芯片上所设置的电子电路。因此其也被称作固体电路或单片电路。这种集成电路典型地具有多个相互连接的电子器件。用于制造该集成电路的半导体材料优选地是硅。也可以替代地是锗、砷化镓、碳化硅或其他合适的半导体材料。优选地，为了在技术上实现集成电路的的半导体器件而采用了CMOS半导体工艺（CMOS表示互补金属氧化物半导体）。也可以替代地采用PMOS或NMOS半导体工艺、双极半导体工艺或其组合，比如BiCMOS半导体工艺。危险报警器比如是火灾报警器，比如光学烟雾报警器或热报警器。光学烟雾报警器比如可以基于散射光原理或基于声光原理。如果该危险报警器是热报警器，那么就比如借助依赖于温度的电阻来检测当前存在于该热报警器的环境中的温度。所考虑的危险报警器也可以是烟雾气体报警器，其具有气体传感器来作为探测单元，比如气体FET（FET表示场效应晶体管）。另外，该危险报警器也可以是移动报警器，其具有用于移动探测的PIR探测单元（PIR表示被动红外）。所考虑的危险报警器也可以具有前述探测单元的组合。危险报警器也可以作为线型烟雾报警器来构造，其基于消光原理。这种线型烟雾报警器尤其用在大或窄的空间中，比如在走廊、仓库和生产厂房以及飞机库中，并安装在天花板下的墙壁上。在第一实施方式中，发射器和接收器相对着布置，并且不需要反射器。在第二实施方式中，由发射器所发射的光束通过反射器被偏转返回到接收器。发射器和接收器彼此相邻地布置。这种线型烟雾报警器的测量段典型地处于20m至200m的范围内，其在第一实施方式的情况下对应于在发射器与接收器之间的与测量段相对应的距离。在第二实施方式的情况下，在发射器/接收器与反射器之间的距离对应于测量段的一半。用电离辐射来表示具有5eV和更高电离能量的粒子辐射或电磁辐射，其能够把电子从原子或分子中撞击出来，使得留下带正电荷的离子或分子残留。一些电离辐射来自于放射性物质，比如在具有增大的、尤其具有高放射性辐射的区域中。这种区域比如可能是核区域或太空。核区域尤其表示比如在核电厂内的、放射性废料的核技术再加工设备或最终或临时仓库中的空间隔离区域。电离或放射性辐射通常对电子构件、并尤其是对半导体器件具有破坏性的有害影响。这种器件具有小于1μm、尤其小于100nm的非常精细的半导体结构。所有类型的高能电离辐射在此都与半导体晶体进行相互作用。阿尔法和贝塔辐射作为粒子辐射已经可以通过几毫米厚的材料厚度而被屏蔽，比如通过壳体铁板或塑料壳体，而仅利用高的材料耗费才能够实现对电磁伽马辐射的有效屏蔽。按照屏蔽要求，可能需要一米以及更大屏蔽厚度的铅屏蔽。即使对阿尔法和贝塔辐射的屏蔽可以相对简单地来实现，但伽马辐射对半导体器件的屏蔽或壳体的作用仍然导致在小范围内也产生次级阿尔法粒子和贝塔粒子，其在此方面与半导体晶体进行相互作用。通过这种入射的粒子与晶格原子的相互作用，晶格原子可能从该晶格束缚中释放出来，并产生缺陷点。自由的原子如果具有足够传输的冲击能量，那么其能够撞击出其他的原子，或者运动到晶格间隙位置中。形成了所谓的空位-晶格间隙原子复合体。起作用的辐射的一种重要影响是产生晶体缺陷，其在禁带中产生附加的能量状态，并因此产生复合中心。在具有提高的复杂度的半导体微结构中，比如在微控制器、微处理器、ASIC或FPGA中，这种效应加速出现。但相反几乎不涉及电阻或电容器。由于该原因，优选地使用鲁棒的分立的半导体器件、如晶体管或二极管，以便对电路中的电参数的加速退化加以考虑，尤其大多数抗辐射的、较老的集成半导体构件、比如IC、逻辑门等，其具有大于1μm的结构尺寸，并由于广泛发展的小型化而在半导体市场上几乎不能获得。通过采用分立的半导体器件，因此可以实现诸如3年的、与诸如核电厂中的相关要求相对应的最短寿命。这种要求比如可以是，火灾报警器必须在3年的时间段内“经受住”0.25Gy的辐射剂量或能量剂量。在此用Gy（表示Gray，=100rad）来表示所吸收的能量剂量D的SI单位。与时间有关的所吸收的能量剂量在此被称作剂量率或剂量功率。放射性辐射对电子半导体构件的影响、尤其是与之相关联的对这种半导体部件的时间累积的或时间瞬时的损害的详细描述在波鸿鲁尔大学电子技术系1990年Detlef Brumbi的博士论文“Bauelemente-Degradation durch radioactive Strahlung und deren Konsequenzen fuer und Entwurf strahlenresistenter elektronischer Schaltungen（放射性辐射导致的器件退化以及其对于防辐射电子电路设计的影响）”中有描述。在2009年6月6日的美国加利福尼亚帕萨迪娜的加利福尼亚理工学院（CIT）的喷气推进实验室（JPL）的出版物JPL D-33339题目为“Test Method for Enhanced Low Dose Rate Damage（ELDRS） Effects in Integrated Circuits for Outer Planetary Mission（用于外行星任务的集成电路中的增强低剂量率损害（ELDRS）效应的测试方法）”中，关于计划的欧洲木星轨道器（JEO）任务，借助一种二级加速测试方法而对不同的集成电路、如双极技术和BiCMOS技术的电压调节器、运算放大器和比较装置关于其辐射敏感性进行研究。为了加快测试，而使用了与在任务期间所期待的真实剂量率相比更高的剂量率。具有直至1000krad（Si）的对于整个任务所期待的累加的辐射剂量的实际测试相反在很多时候都被纳入考虑范围，并因此是不切实际的。在所推荐的ELDRS测试中，电路首先以最大10mrad(Si)的小的剂量率被辐射，直至30至50krad的辐射剂量。接着，电路以40 mrad(Si)的剂量率被辐射，直至达到所要求的总辐射剂量。在该出版物的附录1中还公开，在辐射测试期间除了提高剂量率之外还可以提高电路的温度，以便通过由热所决定的反作用的复合速率来补偿由辐射所决定的所引起的空位的形成速率的提高。还公开的是，如果电路温度选择得太高（“如果温度太高，那么损害可能实际上被退火，如在Motorola LM324的第二附图中所示”），如在图10和11的例子中为135?C，那么电路的真正要确定的损害通过该“退火效应”而以不希望的方式再次消失。
技术实现思路
基于前述的现有技术，本专利技术的任务是说明一种集成电路，其在具有电离辐射的区域中（常规）运行时具有延长的寿本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于在具有电离辐射的区域（NUC）中运行的集成电路，其具有温度调节电路的至少一部分以用于通过以下方式将电路温度（T）调节提高到预先给定的、基本恒定的运行温度值（TS）上，即将所述电路的电功率消耗（PV）提高了可调的附加电功率（PH），并具有输出所述集成电路的由对其作用的电离辐射所导致的损坏信息（DEG）的能力，其中所述损坏信息（DEG）可以根据与辐射剂量有关的可调的附加电功率（PH）的下降来确定。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.10.10 DE 102012218486.4;2012.10.18 US 13/65501.用于在具有电离辐射的区域（NUC）中运行的集成电路，其具有温度调节电路的至少一部分以用于通过以下方式将电路温度（T）调节提高到预先给定的、基本恒定的运行温度值（TS）上，即将所述电路的电功率消耗（PV）提高了可调的附加电功率（PH），并具有输出所述集成电路的由对其作用的电离辐射所导致的损坏信息（DEG）的能力，其中所述损坏信息（DEG）可以根据与辐射剂量有关的可调的附加电功率（PH）的下降来确定。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述预先给定的、基本恒定的运行温度值（TS）处于70?C至所述集成电路制造商所指定的最大运行温度值的范围内，其中所述集成电路尤其是针对扩大的温度范围或针对高温范围来设计。
3.根据权利要求1或2所述的集成电路，其中所述电路具有半导体芯片（S）和芯片壳体，并且其中在所述半导体芯片（S）上和/或在所述芯片壳体中应用至少一个电加热元件以用于加热所述集成电路。
4.根据前述权利要求之一所述的集成电路，其中所述集成电路具有半导体芯片（S），其中在所述半导体芯片（S）上集成有温度传感器（21）、尤其是pn二极管，以用于检测电路温度（T），并且其中所述温度传感器（21）是温度调节电路的部分。
5.根据前述权利要求之一所述的集成电路，其中所述集成电路是尤其以CMOS技术来制造的微控制器、微处理器、FPGA或ASIC。
6.根据权利要求5所述的集成电路，其中所述电路是处理器辅助电路，并且其中温度调节电路的至少一部分作为计算机程序（TC-PRG）来实现，所述计算机程序在所述集成的处理器辅助电路上被执行。
7.根据权利要求6所述的集成电路，其中所述处理器辅助电路具有模拟/数字变换器（27），以用于检测由所述温度传感器（21）输出的、与所述电路温度（T）相关的电测量变量，并且其中相应的数字值通过所述处理器辅助电路来进一步处理以用于温度调节。
8.根据权利要求6或7所述的集成电路，其中所述集成的处理器辅助电路是微控制器，其中在所述微控制器上执行的用于温度调节的计算机程序（TC-PRG）具有合适的程序步骤和/或控制合适的损耗功率控制程序（PV-PRG），以便对所述微控制器的内部功能组件、如计时器、存储器、时钟发生器、硬件乘法器、DMA、看门狗、串行接口、比较器、DAC以及模拟或数字输出端进行控制或暂时接通，使得能够调节所需电功率消耗（PV）以用于将所述微控制器温度调节到所述运行温度值（TS）上。
9.根据权利要求8所述的集成电路，其中通过所述温度调节程序（TC-PRG）来控制和/或接通所述内部功能组件，使得在所述半导体芯片（S）上所形成的损耗热量大面积地尽可能均匀地进行。
1...

【专利技术属性】
技术研发人员：H埃贝佐尔德，
申请(专利权)人：西门子瑞士有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH