IT202100000605A1 - RADIATION-RESISTANT WEARABLE SILICON DOSIMETER BASED ON FLOATING GATE SENSOR TECHNOLOGY - Google Patents

RADIATION-RESISTANT WEARABLE SILICON DOSIMETER BASED ON FLOATING GATE SENSOR TECHNOLOGY Download PDF

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IT202100000605A1
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wearable
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Aldo Parlato
Cristiano Calligaro
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Blackcat Beyond
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    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/02Dosimeters
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Description

DOSIMETRO AL SILICIO INDOSSABILE, RESISTENTE ALLE RADIAZIONI, BASATO SULLA TECNOLOGIA DEI SENSORI A GATE FLOTTANTE RADIATION RESISTANT WEARABLE SILICON DOSIMETER BASED ON FLOATING GATE SENSOR TECHNOLOGY

CAMPO TECNICO TECHNICAL FIELD

La presente invenzione ? relativa a un dispositivo per determinare l'esposizione individuale alle radiazioni ionizzanti. In particolare, la presente invenzione si riferisce ad un dosimetro indossabile resistente alle radiazioni e riutilizzabile, comprendente un sensore di radiazione basato sul principio della scarica di un transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor) a Gate Flottante (FG), accoppiato ad un?interfaccia di elaborazione, realizzati entrambi in tecnologia resistente alle radiazioni (Radiation Hardened By Design, RHBD), e integrato monoliticamente in un dispositivo a semiconduttore realizzato in tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), detto dosimetro essendo utilizzabile in varie applicazioni, come per esempio la radioterapia. The present invention ? relating to a device for determining individual exposure to ionizing radiation. In particular, the present invention relates to a radiation-resistant and reusable wearable dosimeter, comprising a radiation sensor based on the principle of the discharge of a Floating Gate (FG) MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor, coupled to a processing, both made in radiation resistant technology (Radiation Hardened By Design, RHBD), and integrated monolithically in a semiconductor device made in CMOS technology (Complementary Metal Oxide Semiconductor), said dosimeter being usable in various applications, such as radiotherapy .

BACKGROUND BACKGROUND

I dosimetri vengono utilizzati a scopi medicali per proteggere i pazienti sottoposti alle radiazioni ionizzanti. Infatti, l?esposizione dei tessuti biologici di una parte del corpo umano ad una forte dose di radiazioni ionizzanti pu? determinare delle forme di avvelenamento, potenzialmente letali. Si ricorre quindi ai dosimetri indossabili di piccola taglia, che consentono di misurare la dose cui ? soggetto un paziente durante l?esposizione alla radiazione nei trattamenti terapeutici e nella diagnostica medica. Dosimeters are used for medical purposes to protect patients subjected to ionizing radiation. In fact, the exposure of the biological tissues of a part of the human body to a high dose of ionizing radiation can determine forms of poisoning, potentially lethal. Small wearable dosimeters are therefore used, which allow you to measure the dose to which ? subjects a patient during radiation exposure in therapeutic treatments and medical diagnostics.

Tuttavia, nonostante le apparecchiature utilizzate nelle terapie siano sempre pi? precise e pi? evolute tecnologicamente, si pensi alle apparecchiature radioterapiche di ultima generazione oggi in uso per i trattamenti oncologici, la precisione della dose impartita rispetto a quella aspettata rimane dell?ordine del ? 5%. Tenendo presente che ogni anno nel mondo vengono effettuate circa 7.5 milioni di radioterapie, potenzialmente potrebbero verificarsi un elevato numero di casi in cui una discrepanza nella dose di radiazione somministrata rispetto a quella prevista potrebbe provocare un sovradosaggio molto rischioso nei pazienti trattati con le radiazioni a scopo terapeutico. However, despite the equipment used in therapies are increasingly? precise and more technologically advanced, think of the latest generation radiotherapy equipment in use today for oncological treatments, the precision of the dose imparted compared to the expected one remains of the order of ? 5%. Bearing in mind that approximately 7.5 million radiotherapies are performed each year worldwide, there could potentially be a large number of cases in which a discrepancy in the dose of radiation administered compared to that expected could lead to a very dangerous overdose in patients treated with radiation for therapeutic.

Il problema risiede nel fatto che, nella valutazione delle dosi assorbite spesso vengono utilizzate tecnologie inaccurate, complicate o, addirittura, obsolete. Per esempio, una tecnica utilizzata per dosimetria in radioterapia ? la film-dosimetria. Essa utilizza rivelatori costituiti da film planari ad elevata sensibilit?, con i quali interagisce la radiazione. A questo insieme appartengono, per esempio, i film radiografici, che sono costituiti da un?emulsione di Sali d?argento e gelatina su un supporto rigido, e necessitano di sviluppo (processo chimico) post-irradiazione. Pertanto, i diversi passi del processo possono influenzare l?accuratezza e la riproducibilit? della misura. Oppure i rilevatori radiocromici, ovvero pellicole trasparenti consistenti di un singolo o doppio spessore di materiale sensibile alle radiazioni. Essi rispondono alle radiazioni colorandosi di blu a seguito di un processo di polimerizzazione di monomeri di monocristalli organici. The problem lies in the fact that inaccurate, complicated or even obsolete technologies are often used in the evaluation of absorbed doses. For example, a technique used for dosimetry in radiotherapy ? film dosimetry. It uses detectors made up of highly sensitive planar films, with which the radiation interacts. This set includes, for example, radiographic films, which are made up of an emulsion of silver salts and gelatin on a rigid support, and require post-irradiation development (chemical process). Therefore, different process steps can affect the accuracy and reproducibility of the process. of the measure. Or radiochromic detectors, which are transparent films consisting of a single or double thickness of radiation-sensitive material. They respond to radiation by turning blue following a polymerization process of monomers of organic single crystals.

Tuttavia, la film-dosimetria ? una tecnica complessa ed un confronto tra risultati differenti pu? essere effettuato solo nelle stesse condizioni di misura. However, film-dosimetry ? a complex technique and a comparison between different results pu? only be carried out under the same measurement conditions.

Maggiore affidabilit? e riproducibilit? della misura si ottiene utilizzando la tecnologia dei transistori MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) integrata nei dosimetri di radiazione ionizzante, in conseguenza delle loro capacit? di monitorare i raggi-? e i raggi-X. Inoltre, la loro ridotta dimensione rende praticabile la misura della dose durante le applicazioni della radiazione per trattamenti medicali o diagnostici, anche in-vivo. I dosimetri a transistori MOSFET sono stati usati per molti anni nelle applicazioni spaziali, specialmente per misurare l?esposizione dell?equipaggio durante le attivit? extra-veicolari. Greater reliability? and reproducibility of the measure is obtained using the technology of the MOSFET transistors (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) integrated in the ionizing radiation dosimeters, as a result of their capacitance? to track the rays-? and X-rays. Furthermore, their small size makes it possible to measure the dose during applications of radiation for medical or diagnostic treatments, even in-vivo. MOSFET transistor dosimeters have been used for many years in space applications, especially to measure crew exposure during space activities. extra-vehicular.

Le tecnologie attuali per la realizzazione di dosimetri di radiazione assorbita si basano principalmente sull?uso di sensori basati sulla tecnologia dei transistori MOSFET a Gate Flottante (FG). Questo dispositivo basa il suo principio di funzionamento sulla scarica della sua tensione di soglia che avviene quando viene esposto alla radiazione. Una volta utilizzato per la misura, il sensore pu? essere ricaricato. The current technologies for the realization of absorbed radiation dosimeters are mainly based on the use of sensors based on the technology of the MOSFET transistors with Floating Gate (FG). This device bases its operating principle on the discharge of its threshold voltage which occurs when it is exposed to radiation. Once used for measurement, the sensor can? be recharged.

Per esempio nell?articolo ?A very-low-cost dosimeter based on the off-the-shelf CD4007 MOSFET array for in vivo radiotherapy applications? (O.F.Siebel et al., 1350-4487/? 2015 Elsevier Ltd.) viene riportato un caso dell?uso di un dosimetro a MOSFET a basso costo adatto per applicazioni radioterapiche in vivo. Inoltre, vengono discussi gli aspetti fondamentali degli elementi di base costitutivi di un dosimetro a MOSFET, ovvero il sensore di radiazioni, il circuito di lettura e la dipendenza dalla temperatura. For example in the article ?A very-low-cost dosimeter based on the off-the-shelf CD4007 MOSFET array for in vivo radiotherapy applications? (O.F.Siebel et al., 1350-4487/? 2015 Elsevier Ltd.) a case of the use of a low-cost MOSFET dosimeter suitable for in vivo radiotherapy applications is reported. Furthermore, the fundamental aspects of the basic constituent elements of a MOSFET dosimeter, namely the radiation sensor, the readout circuit and the temperature dependence are discussed.

Il sensore di radiazione ? quindi uno degli elementi costitutivi di un dosimetro a MOSFET. Il sensore di radiazione convenzionale a Gate Flottante, descritto nel brevetto americano US 4,788,581, basa il suo funzionamento sulla creazione, durante l?esposizione, di coppie elettrone-lacuna (e-/h<+>) nel film di ossido, che caricano la struttura a Gate Flottante, cio? una struttura non connessa, isolata dal resto del dispositivo. Questo metodo richiede l?applicazione di una tensione mentre avviene la rilevazione, la quale pu? risultare problematica per applicazioni che richiedono operazioni a bassissima potenza. Inoltre, il fatto di utilizzare un ossido relativamente sottile per convertire la radiazione incidente in coppie e-/h<+ >pu? essere un limite alla sensibilit? del dispositivo. The radiation sensor? therefore one of the constituent elements of a MOSFET dosimeter. The conventional floating gate radiation sensor, described in US patent 4,788,581, bases its operation on the creation, during exposure, of electron-hole pairs (e-/h<+>) in the oxide film, which charge the floating gate structure, that is? an unconnected structure, isolated from the rest of the device. This method requires the application of a voltage while the detection occurs, which can? be problematic for applications requiring very low power operations. Furthermore, the fact of using a relatively thin oxide to convert the incident radiation into e-/h<+ >pairs can? be a limit to sensitivity? of the device.

Per esempio, il brevetto US 8,519,345 B2, pubblicato nel 2013, rivendica un sensore a MOSFET realizzato in tecnologia CMOS, basato sulla scarica di un condensatore a ossido di campo, accoppiato ad un transistor iniettore e ad un transistor di lettura. Tuttavia, il sensore, se da un lato risolve le problematiche di sensibilit?, utilizzando un Ossido di Campo di spessore pi? elevato per convertire la radiazione in coppie lacuneelettrone, dall?altro non utilizza il Gate di Controllo (CG), risultando quindi in una scarsa controllabilit? del sensore durante il suo funzionamento. For example, US patent 8,519,345 B2, published in 2013, claims a MOSFET sensor made in CMOS technology, based on the discharge of a field oxide capacitor, coupled to an injector transistor and a readout transistor. However, if on the one hand the sensor solves the sensitivity problems, using a thicker Field Oxide? high to convert the radiation into electron hole pairs, on the other hand it does not use the Control Gate (CG), thus resulting in a poor controllability? of the sensor during its operation.

Nella domanda di brevetto US2015/0162369 pubblicata a giugno 2015, si descrive un sensore di radiazione basato sulla tecnologia a Gate Flottante (FG), che risolve le suddette problematiche, avente un?elevata sensibilit? alla radiazione ionizzante ed un?eccellente capacit? di controllo nelle fasi di programmazione e di lettura. Il sensore include una struttura a Gate Flottante (FG) avente un?ampia regione contenente sia un Capacitore a effetto Tunnel (TC) che un Capacitore di Controllo (CC), la cui capacit? ? fino a 100 volte maggiore di quella del TC, per fornire un ottimo controllo nella programmazione e facilitare la programmazione della struttura FG utilizzando le tecniche di ?tunneling Fowler-Nordheim?. In particolare, il CC risulta costituito da uno strato di Silicio policristallino disposto al di sopra di una spessa regione di isolamento (come per es. una struttura di isolamento a trincea poco profonda o Shallow Trench Isolation, STI), circa 50 volte pi? spessa dello strato di ossido del Capacitore a effetto Tunnel, e da un Gate di Controllo (CG) realizzato mediante una regione isolata (P-Well) di silicio drogato tipo-P (lacune), disposta al di sotto della spessa struttura dielettrica. La struttura dielettrica spessa favorisce un?elevata sensibilit? alla radiazione ionizzante fornendo un ampio volume sensibile che aumenta il numero di coppie elettrone-lacuna (e-/h<+>) producenti la scarica del Gate Flottante durante l?esposizione. Inoltre, questa struttura ? realizzabile mediante un processo standard di produzione CMOS e risulta integrabile monoliticamente in un dispositivo insieme ad un circuito di lettura esterno e ad un convertitore analogico-digitale. L?approccio monolitico appare conveniente sia per quanto riguarda le prestazioni che per quanto concerne i costi di realizzazione. In the patent application US2015/0162369 published in June 2015, a radiation sensor based on the Floating Gate (FG) technology is described, which solves the above problems, having a high sensitivity? to the ionizing radiation and an?excellent capacity? of control in the programming and reading phases. The sensor includes a Floating Gate (FG) structure having a large region containing both a Tunneling Capacitor (TC) and a Control Capacitor (CC), the capacitance of which is? ? up to 100 times that of TC, to provide excellent programming control and facilitate programming of the FG structure using ?Fowler-Nordheim tunneling? techniques. In particular, the CC is constituted by a layer of polycrystalline silicon arranged above a thick insulation region (such as, for example, a shallow trench insulation structure or Shallow Trench Isolation, STI), about 50 times more of the oxide layer of the Tunnel Effect Capacitor, and by a Control Gate (CG) made by means of an isolated region (P-Well) of P-type doped silicon (holes), arranged below the thick dielectric structure. Thick dielectric structure promotes high sensitivity to ionizing radiation providing a large sensitive volume which increases the number of electron-hole pairs (e-/h<+>) producing the floating gate discharge during exposure. Furthermore, this structure? realizable through a standard CMOS production process and can be integrated monolithically in a device together with an external reading circuit and an analog-to-digital converter. The monolithic approach appears convenient both in terms of performance and construction costs.

Un sensore di radiazione di questo tipo, quindi, ? sicuramente un ottimo candidato per realizzare la progettazione di un dosimetro indossabile riutilizzabile, compatto ed economico, in quanto lavora a bassa tensione e non richiede alimentazione durante l?esposizione (passivo). A radiation sensor of this type, therefore, ? certainly an excellent candidate to realize the design of a reusable, compact and economical wearable dosimeter, as it works at low voltage and does not require power during exposure (passive).

Il circuito di lettura e di elaborazione del segnale ? un altro elemento costitutivo di un dosimetro a MOSFET. Per garantire la riusabilit? del dispositivo, la circuiteria di lettura deve essere progettata in modo tale da essere resistente alla radiazione (?RAD-HARD?) ed evitare la degradazione della circuiteria interna per effetto della radiazione assorbita, che potrebbe affliggere la misura della dose stessa. Il sensore di radiazione a Gate flottante pu? essere utilizzato pi? di una volta a causa della sua caratteristica di essere ricaricabile prima dell?esposizione che ne genera la scarica, quindi gli effetti della degradazione della circuiteria dovuta all?esposizione devono essere presi in considerazione. Nelle applicazioni mediche, per esempio, ci si pu? aspettare una dose totale che ecceda i 100 Gy dopo un certo numero di cicli di irradiazione. Oltre il sensore stesso, tutta l?elettronica dovrebbe essere tollerante alla radiazione fino alla massima dose assorbita. The signal reading and processing circuit? another building block of a MOSFET dosimeter. To ensure reusability? of the device, the reading circuitry must be designed in such a way as to be resistant to radiation (?RAD-HARD?) and to avoid the degradation of the internal circuitry due to the effect of the absorbed radiation, which could afflict the measurement of the dose itself. The floating gate radiation sensor can? be used more than once due to its characteristic of being rechargeable prior to exposure causing it to discharge, therefore the effects of circuitry degradation due to exposure must be taken into account. In medical applications, for example, you can? expect a total dose to exceed 100 Gy after a certain number of irradiation cycles. Besides the sensor itself, all electronics should be tolerant of radiation up to the maximum absorbed dose.

In conclusione, un dosimetro che abbia le seguenti caratteristiche: In conclusion, a dosimeter that has the following characteristics:

? sia realizzato mediante un sensore di radiazione a Gate flottante, ? is realized by means of a floating gate radiation sensor,

? abbia dimensioni ridotte, permettendo di misurare la dose durante le applicazioni di radiazione, ? has small dimensions, allowing to measure the dose during radiation applications,

? sia in grado di misurare la dose di radiazione in maniera veloce e accurata, ? sia ricaricabile e, quindi, riutilizzabile pi? di una volta, ? is able to measure the radiation dose quickly and accurately, ? both rechargeable and, therefore, reusable pi? once upon a time,

? funzioni come dosimetro passivo, e come tale sia in grado di misurare valori di dose integrati per un lungo periodo di tempo, non richieda alimentazione durante l?esposizione alla radiazione e funzioni a bassa potenza, ? functions as a passive dosimeter, and as such is capable of measuring integrated dose values over a long period of time, does not require power during radiation exposure and functions at low power,

? sia realizzato in una tecnologia standard come quella CMOS, ? is made in a standard technology such as CMOS,

? sia implementabile in un singolo chip insieme con la circuiteria di lettura e di elaborazione ? is implementable in a single chip together with the reading and processing circuitry

? e i cui componenti siano realizzabili in maniera resistente alla radiazione (RAD-HARD), ? and whose components can be manufactured in a radiation-resistant manner (RAD-HARD),

? quindi desiderabile. ? therefore desirable.

SOMMARIO SUMMARY

La presente invenzione si riferisce ad un dosimetro indossabile riutilizzabile, monolitico e resistente alla radiazione (?RAD-HARD?), realizzato in tecnologia CMOS, comprensivo di un sensore di radiazione ionizzante passivo a Gate Flottante integrato monoliticamente in un singolo chip insieme ad una circuiteria di lettura e ad un circuito di elaborazione per convertire la corrente di uscita in tensione e il segnale analogico di uscita in digitale. The present invention refers to a reusable, monolithic and radiation resistant (?RAD-HARD?) wearable dosimeter, made in CMOS technology, including a floating gate passive ionizing radiation sensor integrated monolithically in a single chip together with a circuitry readout and a processing circuit for converting the output current into voltage and the analog output signal into digital.

Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione il dosimetro indossabile consiste di una soluzione totalmente integrata che pu? essere riutilizzabile. According to an embodiment of the invention the wearable dosimeter consists of a totally integrated solution which can be reusable.

Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione il dosimetro indossabile comprende un singolo sensore o un array di sensori fabbricati su di un substrato di semiconduttore, ciascun sensore comprendente una struttura a Gate flottante (FG) isolata dal resto del dispositivo, detta struttura FG comprendente un capacitore ad effetto Tunnel (TC), o iniettore, formato con un ossido di Gate sottile, per introdurre la carica all?interno della struttura FG, un capacitore di Controllo formato con un dielettrico circa 30 volte pi? spesso dell?ossido di Gate e che condivide con il TC la struttura di Gate flottante ed una circuiteria di lettura comprensiva di transistor PMOS ed NMOS utilizzati per far scorrere la corrente; detto dosimetro comprendente ulteriormente un circuito di elaborazione comprendente un convertitore tensionecorrente (I/V) programmabile a rilevazione resistiva ed un convertitore analogicodigitale (ADC) interfacciato con detto convertitore tensione-corrente (I/V). According to an embodiment of the invention the wearable dosimeter comprises a single sensor or an array of sensors manufactured on a semiconductor substrate, each sensor comprising a floating gate (FG) structure isolated from the rest of the device, said FG structure comprising a tunnel effect capacitor (TC), or injector, formed with a thin Gate oxide, to introduce the charge inside the structure FG, a Control capacitor formed with a dielectric about 30 times larger? often of the Gate oxide and which shares with the TC the floating Gate structure and a reading circuitry including PMOS and NMOS transistors used to make the current flow; said dosimeter further comprising a processing circuit comprising a programmable voltage-to-current converter (I/V) with resistive detection and an analog-to-digital converter (ADC) interfaced with said voltage-current converter (I/V).

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione la struttura di Gate flottante (FG), realizzata tramite uno strato di Silicio policristallino, viene condivisa tra il Capacitore di Controllo (CG), il capacitore ad effetto Tunnel (TG) e i transistor NMOS e PMOS appartenenti alla circuiteria di lettura. According to an embodiment of the present invention the floating gate structure (FG), realized through a layer of polycrystalline silicon, is shared between the control capacitor (CG), the tunnel effect capacitor (TG) and the NMOS and PMOS transistors belonging to the reading circuitry.

Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione il convertitore ADC appartiene alla tipologia di ADC (da 5 a 10-bit) basato sull?architettura flash a stringa resistiva, ed ? realizzato utilizzando tecniche resistenti alla radiazione (RHBD, Radiation-Hardened-By-Design), come per esempio gli anelli di guardia aumentati o ?Enhanced Guard Ring? (EGR), i transistor ad anello o ?Edgeless Transistor? (ELT), sia a livello di architettura, che di layout, onde garantire che la dose assorbita non degradi la circuiteria. According to an embodiment of the invention, the ADC converter belongs to the ADC typology (from 5 to 10-bit) based on the resistive string flash architecture, and is? manufactured using Radiation-Hardened-By-Design (RHBD) techniques, such as ?Enhanced Guard Ring? (EGR), ring transistors or ?Edgeless Transistor? (ELT), both in terms of architecture and layout, to ensure that the absorbed dose does not degrade the circuitry.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sensore viene caricato mediante iniezione della carica nella struttura a Gate flottante (FG) secondo il meccanismo a effetto tunnel di ?Fowler-Nordheim? applicando elevate tensione positive (per esempio 8V) all?elettrodo di Gate del Capacitore di Controllo (CG) e negative (per esempio - 4V) all?elettrodo di Gate del Capacitore a effetto Tunnel (TG); una volta che la massima quantit? di carica ? stata immagazzinata nel FG (condizione in cui la corrente che fluisce nel circuito ? nulla), il sensore viene esposto alla radiazione; l?energia rilasciata dalla radiazione incidente permette alle cariche intrappolate di trovare una via di fuga e il FG viene progressivamente scaricato potenzialmente fino a svuotarsi completamente dei portatori di carica (condizione di massima corrente che fluisce nel circuito); queste due condizioni estreme corrispondono ad una transizione da una situazione di dose assorbita nulla ad una situazione di dose massima assorbita rivelabile e misurabile; il sensore quindi viene ricaricato nuovamente per rinizializzare il sensore alle stesse condizioni di misura precedenti all?irradiazione. According to an embodiment of the present invention, the sensor is charged by injection of the charge into the floating gate (FG) structure according to the ?Fowler-Nordheim? tunnel effect mechanism? applying high positive voltage (for example 8V) to the Gate electrode of the Control Capacitor (CG) and negative (for example - 4V) to the Gate electrode of the Tunnel Capacitor (TG); once the maximum amount? of charge ? been stored in the FG (condition in which the current flowing in the circuit is zero), the sensor is exposed to the radiation; the energy released by the incident radiation allows the trapped charges to find an escape route and the FG is potentially progressively discharged until it is completely empty of charge carriers (condition of maximum current flowing in the circuit); these two extreme conditions correspond to a transition from a situation of zero absorbed dose to a situation of maximum detectable and measurable absorbed dose; the sensor is then recharged again to reinitialize the sensor under the same measurement conditions prior to irradiation.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sensore viene programmato applicando elevate tensione (per esempio 8V) all?elettrodo di Gate del Capacitore di Controllo (CG) e negative (per esempio - 4V) all?elettrodo di Gate del Capacitore a effetto Tunnel (TG); la variazione di tensione di soglia viene verificata applicando basse tensioni; quando la tensione di soglia ? elevata il dosimetro ? pronto per essere irradiato; per effetto della radiazione assorbita la tensione di soglia viene progressivamente abbassata rispetto al suo valore iniziale e la variazione della tensione di soglia determina l?aumento della corrente; la variazione di corrente connessa alla variazione di tensione di soglia viene convertita in valore di tensione mediante un convertitore tensione-corrente (I/V) programmabile e trasformata in valore digitale mediante un convertitore analogico-digitale (ADC), in modo da poter essere letta da qualsiasi sistema digitale. According to an embodiment of the present invention, the sensor is programmed by applying high voltage (for example 8V) to the Gate electrode of the Control Capacitor (CG) and negative (for example - 4V) to the Gate electrode of the Effect Capacitor Tunnels (TG); the threshold voltage variation is checked by applying low voltages; when the threshold voltage ? elevated the dosimeter ? ready to be irradiated; as a result of the absorbed radiation, the threshold voltage is progressively lowered with respect to its initial value and the variation of the threshold voltage determines the increase of the current; the current variation connected to the threshold voltage variation is converted into a voltage value by a programmable voltage-current converter (I/V) and transformed into a digital value by an analog-digital converter (ADC), so that it can be read from any digital system.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

La figura 1A mostra un transistor MOS a Gate Flottante (1) secondo la tecnica nota. La figura 1B mostra un sensore di radiazione (100) secondo la tecnica nota comprendente una regione di iniezione (10), una regione sensibile (20) ed una regione di elaborazione (30) e avente delle cariche intrappolate nella regione sensibile. Figure 1A shows a floating gate MOS transistor (1) according to the prior art. Figure 1B shows a radiation sensor (100) according to the prior art comprising an injection region (10), a sensitive region (20) and a processing region (30) and having charges trapped in the sensitive region.

La figura 2 mostra un sensore di radiazione (100) secondo la tecnica nota durante l?esposizione alla radiazione (40) che determina lo svuotamento delle cariche (60) dall?area sensibile (20), e un residuo di cariche rimanenti nell?area sensibile (50). La figura 3 mostra un sensore di radiazione (100) secondo la tecnica nota dopo l?esposizione alla radiazione (40), contenente delle cariche rimanenti (70) nell?area sensibile. Figure 2 shows a radiation sensor (100) according to the prior art during exposure to radiation (40) which determines the emptying of the charges (60) from the sensitive area (20), and a residue of charges remaining in the area sensitive (50). Figure 3 shows a radiation sensor (100) according to the prior art after exposure to radiation (40), containing remaining charges (70) in the sensitive area.

La figura 4 mostra un sensore di radiazione (100) secondo la tecnica nota prima dell?esposizione alla radiazione (40), nella condizione di massimo riempimento delle cariche (80) e di minima corrente. Figure 4 shows a radiation sensor (100) according to the prior art before exposure to radiation (40), in the condition of maximum filling of the charges (80) and minimum current.

La figura 5 mostra un sensore di radiazione (100) secondo la tecnica nota dopo l?esposizione alla radiazione (40), nella condizione di totale svuotamento delle cariche (90) e di massima corrente. Figure 5 shows a radiation sensor (100) according to the prior art after exposure to radiation (40), in the condition of total emptying of the charges (90) and maximum current.

La figura 6 mostra la rappresentazione grafica (200) dell?andamento della corrente di drain Idr in funzione della tensione di soglia Vt di un sensore di radiazione. Figure 6 shows the graphic representation (200) of the trend of the drain current Idr as a function of the threshold voltage Vt of a radiation sensor.

La figura 7 mostra uno schema a blocchi di un dosimetro indossabile (300) secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, comprendente un sensore di radiazione (C-Sensor), (310), un convertitore tensione-corrente (I-V converter), (320) ed un convertitore analogico degitale (ADC), (330) realizzati in tecnica resistente alla radiazione. Figure 7 shows a block diagram of a wearable dosimeter (300) according to an embodiment of the present invention, comprising a radiation sensor (C-Sensor), (310), a voltage-current converter (I-V converter), ( 320) and an analog to digital converter (ADC), (330) made in radiation resistant technique.

La figura 8 mostra lo schema circuitale (320B) di un convertitore tensione-corrente (320) secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Fig. 8 shows the circuit diagram (320B) of a voltage-to-current converter (320) according to an embodiment of the present invention.

La figura 8A mostra il layout fisico (350) di una coppia di transistor ad anello del tipo Edge Less Transistor (ELT) utilizzati nell?architettura del dosimetro. Figure 8A shows the physical layout (350) of a pair of ring transistors of the Edge Less Transistor (ELT) type used in the architecture of the dosimeter.

La figura 8B mostra il layout fisico (400) di una regione del convertitore I-V (320) comprendente una pluralit? di interruttori, realizzati mediante transistor ad anello (ELT) di tipo N (401) e di tipo P (403) separati da una doppia corona di anelli di guardia (402 e 404). Figure 8B shows the physical layout (400) of a region of the I-V converter (320) comprising a plurality of of switches, made using N-type (401) and P-type (403) ring transistors (ELT) separated by a double crown of guard rings (402 and 404).

La figura 8C mostra una sezione trasversale (500) di una regione del convertitore I-V (320) comprendente le aree di polarizzazione P+ contenente i transistor P (XP) e le aree di polarizzazione N+ contenente transistor N (XN), separate da anelli di guardia (510A e 510B) con polarizzazione di substrato (511) e di Nwell (512). Figure 8C shows a cross section (500) of a region of the I-V converter (320) comprising P+ bias areas containing P transistors (XP) and N+ bias areas containing N transistors (XN), separated by guard rings (510A and 510B) with substrate (511) and Nwell (512) bias.

La figura 9 mostra lo schema circuitale (600) di un convertitore analogico digitale ADC (330) secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Figure 9 shows the circuit diagram (600) of an analog to digital converter ADC (330) according to an embodiment of the present invention.

La figura 10 mostra l?andamento della curva caratteristica (650) del sensore MOSFET a Gate Flottante prima (before) e dopo (after) l?irradiazione. Figure 10 shows the trend of the characteristic curve (650) of the Floating Gate MOSFET sensor before (before) and after (after) the irradiation.

La figura 11 mostra il grafico (660) dell?andamento della variazione di tensione di soglia (Voltage Shift) in funzione della radiazione assorbita (rad) per una serie di sensori a confronto (#1,3,7 vs #2,5,10). Figure 11 shows the graph (660) of the trend of the threshold voltage variation (Voltage Shift) as a function of the absorbed radiation (rad) for a series of sensors compared (#1,3,7 vs #2,5, 10).

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DETAILED DESCRIPTION

L?idea di usare i transistori MOSFET per i dosimetri integrati ? stata sviluppata sin dagli anni 70 ed ? stata applicata in molti campi, come per esempio, quello spaziale, quello delle centrali nucleari e quello militare, per poi essere applicato anche in quello della terapia e della diagnostica medica. Per quanto riguarda le applicazioni spaziali, i dosimetri a MOSFET sono stati utilizzati per molti anni per verificare l?esposizione ai raggi cosmici degli equipaggi nelle spedizioni extra-veicolari. I dosimetri a MOSFET tradizionali si basano sulla tecnologia degli FGMOS, o MOSFET a ?Gate Flottante? (Fig.1A). Un FGMOS tradizionale (1) consiste in uno standard MOS al quale ? stato aggiunto il Gate Flottante (FG), ovvero uno strato di Polisilicio (6) isolato elettricamente da due strati di Ossido di Silicio (2), tra il substrato di semiconduttore, per es. Silicio (7), ed il Gate di Controllo (CG) (8). Lo strato isolante di Ossido di Silicio (2) che separa il FG dal substrato deve essere sufficientemente sottile da permettere l'iniezione di cariche nel substrato, mentre lo strato che lo separa dal Gate di Controllo deve essere spesso a sufficienza da non consentire la fuoriuscita di carica dal dispositivo. Vi sono numerose varianti di questo schema, tra le quali alcune presentano l'aggiunta di pi? terminali di gate per transistor al fine di poter memorizzare pi? di un bit di informazione. The idea of using MOSFET transistors for integrated dosimeters? been developed since the 70s and ? been applied in many fields, such as, for example, space, nuclear power plants and the military, to then be applied also in that of medical therapy and diagnostics. As far as space applications are concerned, MOSFET dosimeters have been used for many years to verify the exposure to cosmic rays of crews in extra-vehicular expeditions. Traditional MOSFET dosimeters are based on FGMOS technology, or ?Floating Gate? (Fig.1A). A traditional FGMOS (1) consists of a standard MOS to which ? the Floating Gate (FG) has been added, i.e. a layer of Polysilicon (6) electrically isolated by two layers of Silicon Oxide (2), between the semiconductor substrate, e.g. Silicon (7), and the Control Gate (CG) (8). The insulating layer of Silicon Oxide (2) which separates the FG from the substrate must be thin enough to allow the injection of charges into the substrate, while the layer which separates it from the Control Gate must be thick enough not to allow the leakage charge from the device. There are numerous variations of this scheme, some of which have the addition of more? gate terminals for the transistor in order to be able to store more? of a bit of information.

Per caricare il FG (6), una tensione positiva deve essere applicata al CG (8) per trascinare gli elettroni dal canale (5) al Gate Flottante (6). Chiaramente prima deve essersi formato il canale di elettroni (5) applicando una differenza di potenziale tra gli elettrodi di source (3) e drain (4). To charge the FG (6), a positive voltage must be applied to the CG (8) to pull the electrons from the channel (5) to the Floating Gate (6). Clearly first the electron channel (5) must have been formed by applying a potential difference between the source (3) and drain (4) electrodes.

Un esempio di realizzazione di un sensore di radiazione MOSFET Gate Flottante viene presentato nella domanda di brevetto US2015/0162369, usata qui di seguito come riferimento, in cui il sensore di radiazione basato su di una cella di memoria nonvolatile MOSFET a Gate Flottante, comprende un ?Tunnel Gate?, separato dal substrato da uno strato isolante (ossido di silicio) sottile e un ?Gate di Controllo?, in cui la regione isolante ? circa 30 volte pi? spessa. An embodiment of a Floating Gate MOSFET radiation sensor is presented in patent application US2015/0162369, used hereinafter as reference, in which the radiation sensor based on a Floating Gate MOSFET non-volatile memory cell comprises a ?Tunnel Gate?, separated from the substrate by a thin insulating layer (silicon oxide) and a ?Control Gate?, in which the insulating region ? about 30 times more thick.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dosimetro indossabile monolitico e realizzato in tecnica resistente alla radiazione comprende un sensore di radiazione (100) del tipo MOSFET a Gate Flottante descritto nella domanda di brevetto US2015/0162369, a cui si fa espressamente riferimento nella presente descrizione. Il sensore di radiazione (100), mostrato schematicamente nella figura 1B, comprende una struttura a Gate Flottante (FG), costituita di polisilicio, (12), che ? condivisa tra 3 regioni: una regione di iniezione delle cariche (10), una regione sensibile alla radiazione (20) ed una regione di elaborazione (30) del segnale. Nella regione di iniezione (10), la struttura a Gate Flottante (12) ? separata dal substrato di Silicio da uno strato di isolante, ossido di silicio, di spessore compreso tra i 110 e i 150 nm, che ? l?Ossido di Gate (11). Il condensatore costituito dal polisilicio dell?elettrodo di Gate (12), dall?Ossido di Gate (11) e dalla regione di P-well creata nel substrato di Silicio sottostante, forma il ?Tunnel Capacitor (10B)?, o condensatore a effetto Tunnel, attraverso il quale le cariche vengono iniettate nella regione sensibile (20) del sensore. Nella regione sensibile (20) la struttura a ?Gate Flottante? ? separata dalla regione di Silicio (P-well) sottostante da uno spesso strato di isolante, per esempio un Ossido di Silicio a trincea di isolamento superficiale (14), o STI ?Shallow Trench Isolation?, spesso 30 volte l?Ossido di Gate (11), ovvero di uno spessore di circa 3500 nm, in cui le cariche vengono immagazzinate e sono impossibilitate a fuoriuscire fino a che non ricevono una energia sufficiente da vincere le forze che le trattengono all?interno dello strato di FG. Il condensatore costituito dall?elettrodo di Gate (12), dall?Ossido STI (14) e dalla regione Pwell del substrato di Silicio ? il condensatore di Controllo o ?Control Capacitor? (20B), il cui volume esteso consente un aumento di carica immagazzinata e quindi di sensibilit?. Infine, la regione di elaborazione del segnale (30) ? costituita da una circuiteria di lettura comprendente una serie di transistori MOSFET (13) di tipo P (PMOS), ovvero a canale P (lacune), e di tipo N (NMOS) ovvero a canale N (elettroni). La tensione applicata all?elettrodo di Gate di detti di transistori MOSFET (13) nella circuiteria di lettura viene controllata mediante l?elettrodo di Gate (15) del Capacitore di Controllo (20B). According to an embodiment of the present invention, the monolithic wearable dosimeter and made in radiation-resistant technique comprises a radiation sensor (100) of the Floating Gate MOSFET type described in patent application US2015/0162369, to which express reference is made in the this description. The radiation sensor (100), schematically shown in Figure 1B, comprises a Floating Gate (FG) structure, made of polysilicon, (12), which ? shared between 3 regions: a charge injection region (10), a radiation sensitive region (20) and a signal processing region (30). In the injection region (10), the Floating Gate structure (12) ? separated from the silicon substrate by a layer of insulator, silicon oxide, with a thickness between 110 and 150 nm, which ? the Gate Oxide (11). The capacitor made up of the polysilicon of the Gate electrode (12), the Gate Oxide (11) and the P-well region created in the underlying Silicon substrate, forms the ?Tunnel Capacitor (10B)?, or effect capacitor Tunnel, through which the charges are injected into the sensitive region (20) of the sensor. In the sensitive region (20) the ?Floating Gate? ? separated from the underlying Silicon region (P-well) by a thick layer of insulator, for example a surface isolation trench Silicon Oxide (14), or STI ?Shallow Trench Isolation?, often 30 times the Gate Oxide ( 11), i.e. of a thickness of about 3500 nm, in which the charges are stored and are unable to escape until they receive sufficient energy to overcome the forces that hold them inside the FG layer. The capacitor made up of the Gate electrode (12), the STI Oxide (14) and the Pwell region of the Silicon substrate ? the Control Capacitor or ?Control Capacitor? (20B), whose extended volume allows an increase in stored charge and therefore in sensitivity. Finally, the signal processing region (30) ? consisting of a reading circuitry comprising a series of P-type (PMOS), i.e. P-channel (holes), and N-type (NMOS) or N-channel (electrons) MOSFET transistors (13). The voltage applied to the gate electrode of said MOSFET transistors (13) in the reading circuitry is controlled by the gate electrode (15) of the control capacitor (20B).

Come detto precedentemente, il principio fisico su cui si basa il sensore ? la scarica della regione di Gate Flottante per effetto dell?assorbimento di una dose di radiazione ionizzante. All?inizio il sensore viene programmato mediante l?applicazione di una tensione positiva (circa 8V) all?elettrodo di Gate (15) del Capacitore di Controllo e di una tensione negativa (-4V) al ?Tunnel Gate? (16). Grazie al ridotto spessore dell?Ossido di Gate, questa differenza di potenziale ? sufficiente ad innescare un ?effetto tunnel?, mediante il quale le cariche penetrano nella struttura a Gate Flottante (FG), che ? isolata dal resto del dispositivo dall?Ossido di Silicio. Una volta immagazzinate nella struttura FG le cariche non hanno possibilit? di fuoriuscire se non attraverso l?applicazione di un?elevata tensione in modalit? inversa o mediante altri meccanismi capaci di trasferire abbastanza energie alle cariche per farle fuoriuscire: tra questi meccanismi c?? quello che sfrutta l?energia della radiazione ionizzante. As previously mentioned, the physical principle on which the sensor is based? the discharge of the floating gate region due to the absorption of a dose of ionizing radiation. Initially the sensor is programmed by applying a positive voltage (about 8V) to the Gate electrode (15) of the Control Capacitor and a negative voltage (-4V) to the ?Tunnel Gate? (16). Thanks to the reduced thickness of the Gate Oxide, this potential difference is sufficient to trigger a ?tunnel effect?, through which the charges penetrate the structure to Floating Gate (FG), which ? isolated from the rest of the device by silicon oxide. Once stored in the FG structure, the charges have no chance? to escape if not through the? application of a? high voltage in mode? reverse or through other mechanisms capable of transferring enough energy to the charges to make them escape: among these mechanisms c?? the one that exploits the energy of ionizing radiation.

Infatti, l?energia rilasciata dalla radiazione incidente permette alle cariche intrappolate di scavalcare la barriera di potenziale presente all?interfaccia tra il substrato di Silicio e l?Ossido di Silicio e farle evadere per raggiungere il canale del transistor. Per esempio, in Fig 1B si mostra il sensore di radiazione avente delle cariche intrappolate in corrispondenza della regione sensibile (20). In Fig.2 si pu? osservare come per effetto della radiazione incidente (40), alcune cariche (60) ricevono un?energia sufficiente per sfuggire alla barriera di potenziale che le tiene intrappolate nel FG e si determina un progressivo processo di scarica del FG. Una volta terminata l?irradiazione, (Fig.3), rimane una carica residua (70) immagazzinata nella struttura a FG (12) corrispondente ad una certa quantit? di radiazione assorbita, la quale carica viene calcolata per differenza tra la quantit? di carica immagazzinata prima e dopo l?esposizione. Una volta che il FG viene svuotato completamente delle cariche, il sensore si trova nella condizione di massima corrente che il MOSFET consente di erogare (Fig.5), ovvero di corrente di drain Id = Imax; viceversa, nelle condizioni iniziali la corrente erogata era praticamente nulla, ovvero Id = 0 (Fig.4). Il passaggio da una condizione di corrente erogata nulla alla condizione di massima corrente erogata determina la transizione da una situazione di zero dose assorbita alla situazione di massima dose assorbita (misurabile). Ricaricando il sensore ? possibile ripetere un'altra rilevazione nelle stesse condizioni di misura. In fact, the energy released by the incident radiation allows the trapped charges to climb over the potential barrier present at the interface between the silicon substrate and the silicon oxide and make them escape to reach the transistor channel. For example, in Fig 1B the radiation sensor is shown having charges trapped at the sensitive region (20). In Fig.2 you can? observe how due to the effect of the incident radiation (40), some charges (60) receive sufficient energy to escape the potential barrier which keeps them trapped in the FG and a progressive process of discharge of the FG is determined. Once the irradiation is finished, (Fig.3), there remains a residual charge (70) stored in the FG structure (12) corresponding to a certain quantity? of absorbed radiation, which charge is calculated by the difference between the quantity? of charge stored before and after exposure. Once the FG is completely emptied of the charges, the sensor is in the maximum current condition that the MOSFET allows to deliver (Fig.5), i.e. drain current Id = Imax; conversely, in the initial conditions the current delivered was practically zero, ie Id = 0 (Fig.4). The passage from a condition of null current supplied to the condition of maximum current supplied determines the transition from a situation of zero absorbed dose to the situation of maximum absorbed dose (measurable). Recharging the sensor? It is possible to repeat another measurement under the same measurement conditions.

La variazione della corrente ? direttamente collegata alla variazione della tensione di soglia (Vt) del MOSFET, o minima tensione applicabile al Gate del MOSFET per far fluire la corrente attraverso il canale. Infatti, per effetto della radiazione incidente, la carica netta immagazzinata nel FG viene ionizzata, con la creazione di coppie lacune<+>/ elettroni-. Applicando una tensione positiva al Gate di Controllo, le cariche vengono separate, ovvero gli elettroni vengono attratti verso l?elettrodo di Gate e trasportati via dalla differenza di potenziale positiva, le lacune vengono dirette verso il substrato di Silicio. L?accumulo di lacune, o cariche positive, nel substrato determina l?aumento della tensione di soglia (Vt) richiesta per far fluire la corrente attraverso il canale di elettroni del MOSFET. La differenza in tensione di soglia con e senza irradiazione ? collegata alla dose impartita con un elevato grado di accuratezza. Per esempio, il valore della tensione di soglia ? ricavabile dal valore della corrente di Drain, Id, che fluisce attraverso il MOSFET a canale N (NMOS), mentre il MOSFET a canale P (PMOS) viene collegato a massa (spento). The variation of the current? directly related to the variation of the threshold voltage (Vt) of the MOSFET, or minimum voltage applicable to the gate of the MOSFET to make the current flow through the channel. In fact, due to the effect of the incident radiation, the net charge stored in the FG is ionized, with the creation of pairs of holes<+>/electrons-. By applying a positive voltage to the Control Gate, the charges are separated, i.e. the electrons are attracted towards the Gate electrode and carried away by the positive potential difference, the holes are directed towards the Silicon substrate. The accumulation of holes, or positive charges, in the substrate causes an increase in the threshold voltage (Vt) required for current to flow through the electron channel of the MOSFET. The difference in threshold voltage with and without irradiation ? related to the imparted dose with a high degree of accuracy. For example, the value of the threshold voltage ? obtainable from the value of the Drain current, Id, which flows through the N-channel MOSFET (NMOS), while the P-channel MOSFET (PMOS) is connected to ground (turned off).

Per esempio, in figura 6 ? mostrata la rappresentazione grafica dell?andamento della corrente di drain (Id) in funzione della tensione di soglia (Vt). For example, in figure 6 ? the graphic representation of the trend of the drain current (Id) as a function of the threshold voltage (Vt) is shown.

La semplice variazione della corrente, che ? direttamente collegata alla variazione della tensione di soglia, e proveniente dal sensore, non ? chiaramente pronta per essere processata digitalmente, ma richiede una conversione prima da valore di corrente a valore di tensione e poi da valore analogico a valore digitale, per ottenere un flusso di bit in uscita che possa essere usato da un qualsiasi sistema digitale. The simple variation of the current, that ? directly connected to the variation of the threshold voltage, and coming from the sensor, not ? clearly ready to be digitally processed, but requires a conversion first from current value to voltage value and then from analog value to digital value, to obtain an output bit stream that can be used by any digital system.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione la corrente di uscita del sensore viene processata mediante un convertitore programmabile tensione-corrente (I/V) e da un convertitore analogico-digitale (ADC). According to an embodiment of the present invention the output current of the sensor is processed by a programmable voltage-current converter (I/V) and by an analog-digital converter (ADC).

Per esempio, in Fig.7 ? mostrato uno schema a blocchi del dosimetro monolitico indossabile (300) realizzato secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, comprendente un sensore di radiazione (310), un convertitore I/V (320) ed un convertitore ADC (330). Secondo questo schema la corrente Id proveniente dal sensore viene processata dal convertitore I/V e trasformata in valore di tensione, Vout, che viene, a sua volta, inviata al convertitore analogico-digitale per la trasformazione in una stringa di bit (o sequenza di 0, 1). For example, in Fig.7 ? shown is a block diagram of the monolithic wearable dosimeter (300) made according to an embodiment of the present invention, comprising a radiation sensor (310), an I/V converter (320) and an ADC converter (330). According to this scheme, the current Id coming from the sensor is processed by the I/V converter and transformed into a voltage value, Vout, which is, in turn, sent to the analog-digital converter for transformation into a string of bits (or sequence of 0, 1).

Secondo una forma preferita di realizzazione della presente invenzione, a esclusione del sensore stesso, tutta la circuiteria elettronica che costituisce la catena di conversione del dosimetro indossabile ? realizzata mediante tecnica ?Radiation Hardness By Design? (RHBD) in modo tale da essere tollerante alla radiazione incidente fino alla massima dose totale assorbita (TID). In particolare, la tecnica RHBD utilizzata ? focalizzata sulla mitigazione degli effetti da ?Total Ionization Dose (TID)? e sulle contromisure per evitare i danni da singoli eventi di ?latch-up? (SEL) circuitali. Infatti, come ? noto, uno dei maggiori rischi della tecnologia CMOS ? l?innesco del ?latch-up?, causato dalla presenza di un circuito parassita all?interno dell?architettura base della tecnologia. Gli effetti pi? rilevanti nei circuiti CMOS dovuti alla dose totale assorbita possono essere sia la degradazione della tensione di soglia che l?innesco di correnti di perdita parassite tra Source e Drain nei transistor MOSFET. According to a preferred embodiment of the present invention, with the exception of the sensor itself, all the electronic circuitry which constitutes the conversion chain of the wearable dosimeter ? made using the ?Radiation Hardness By Design? (RHBD) in such a way as to be tolerant to incident radiation up to the maximum total absorbed dose (TID). In particular, the RHBD technique used ? focused on mitigating the effects of ?Total Ionization Dose (TID)? and countermeasures to avoid damage from single ?latch-up? (SEL) circuits. Indeed, how? known, one of the major risks of CMOS technology? the trigger of the ?latch-up?, caused by the presence of a parasitic circuit inside the basic architecture of the technology. The effects more relevant in CMOS circuits due to the total absorbed dose can be both the degradation of the threshold voltage and the triggering of parasitic leakage currents between Source and Drain in the MOSFET transistors.

Per esempio, nella presente invenzione si ? fatto ricorso ai transistor ?Enclosed Layout? (ELT), che coadiuvano nel mantenere un basso livello di corrente di perdita nei transistor N-MOS anche dopo l?irraggiamento. I transistor ELT sono noti anche come transistor senza spigoli, o ?EdgeLess?, in quanto la loro progettazione evita di includere gli spigoli della struttura di isolamento a trincea profonda, o STI, tra gli elettrodi di Source e Drain del transistor MOS. Tra le versioni pi? utilizzate di transistor ELT ci sono quelli a ?enclosed-gate? (Fig.8A), in cui l?elettrodo di Gate (351) del transistor ha forma di anello e circonda completamente il contatto di Source (o Drain) in modo che non possano formarsi canali di perdita fra il Source (352) e il Drain (353). Anche gli elementi passivi sono stati scelti secondo il requisito di tolleranza alla radiazione. For example, in the present invention it is resorted to the transistors ?Enclosed Layout? (ELT), which help maintain a low level of leakage current in N-MOS transistors even after irradiation. ELT transistors are also known as edgeless, or edgeless, transistors because their design avoids including the edges of the deep trench insulation structure, or STI, between the source and drain electrodes of the MOS transistor. Among the versions used of ELT transistors are there those with ?enclosed-gate? (Fig.8A), in which the Gate electrode (351) of the transistor has the shape of a ring and completely surrounds the Source (or Drain) contact so that no leakage channels can form between the Source (352) and the Drains (353). The passive elements were also chosen according to the radiation tolerance requirement.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione il convertitore I/V (Fig. 8) ? realizzato mediante l?implementazione di due amplificatori a cascata, il primo dei quali ? un ?mirrored cascode? (315) o amplificatore a due stadi e il secondo un traslatore di livello o ?level shifter? (316). Rispetto a un singolo stadio dell'amplificatore, questa combinazione fornisce un maggiore isolamento ingressouscita, una maggiore impedenza di uscita e una maggiore larghezza di banda. Inoltre, con la sua elevata impedenza di uscita, uno stadio ?cascode? pu? funzionare come un amplificatore ad alto guadagno. Il ?cascode? ? costituito da due transistor, uno dei quali funziona come sorgente comune e l'altro come Gate comune. Il traslatore di livello (o ?level shifter?) nell'elettronica digitale, ? un circuito utilizzato per tradurre segnali da un livello logico, per esempio dominio di tensione a un altro, per esempio dominio di corrente. According to an embodiment of the present invention the I/V converter (Fig. 8) is realized through the implementation of two cascade amplifiers, the first of which ? a ?mirrored cascode? (315) or two-stage amplifier and the second a level shifter or ?level shifter? (316). Compared to a single amplifier stage, this combination provides greater input-output isolation, higher output impedance, and greater bandwidth. Also, with its high output impedance, a ?cascode? can? function as a high gain amplifier. The ?cascode? ? consists of two transistors, one of which acts as a common source and the other as a common gate. The level shifter (or ?level shifter?) in digital electronics, ? a circuit used to translate signals from one logic level, e.g. voltage domain to another, e.g. current domain.

Il Convertitore I/V (320B) mostrato in Fig.8 beneficia di diversi accorgimenti tutti orientati a mitigare gli effetti delle radiazioni ionizzanti; per esempio vengono utilizzate resistenze in silicio policristallino nella catena di retroazione (321B), che non solo risultano stabili quando irraggiate (lettura attiva), ma che non degradano a seguito della dose di radiazione totale assorbita. Dette resistenze sono inoltre collegate a degli interruttori S1,?, SN, (322B) costruiti seguendo le regole RHBD; questi constano di un transistore a canale N e di un transistore a canale P entrambi costruiti con geometria ad anello (ELT) per ovviare al degrado lungo i bordi del canale a seguito della generazione delle coppie elettrone-lacuna durante l?irraggiamento. The I/V Converter (320B) shown in Fig.8 benefits from various expedients all aimed at mitigating the effects of ionizing radiation; for example polycrystalline silicon resistors are used in the feedback chain (321B), which are not only stable when irradiated (active reading), but which do not degrade as a result of the total absorbed radiation dose. Said resistors are furthermore connected to switches S1,?, SN, (322B) constructed according to RHBD rules; these consist of an N-channel transistor and a P-channel transistor both built with ring geometry (ELT) to obviate the degradation along the edges of the channel following the generation of electron-hole pairs during irradiation.

Secondo una forma di realizzazione, detti interruttori, che sono utilizzati nella catena di compensazione, sono provvisti di una doppia corona di polarizzazione, come mostrato nella Fig.8B in cui ? rappresentata una vista dall?alto (400) della doppia corona di anelli di guardia, con polarizzazioni rispettivamente di substrato e di Nwell, che separa la zona dei transistori (ELT) di tipo P (403) da quella dei transistor (ELT) di tipo N (401). L?anello di guardia con polarizzazione di substrato (402) circonda la zona contenente i transistor di tipo N (401) e l?anello di guardia con polarizzazione di Nwell (404) circonda la zona comprendente i transistor di tipo P (403). According to an embodiment, said switches, which are used in the compensation chain, are provided with a double polarization ring, as shown in Fig.8B wherein ? shown is a top view (400) of the double crown of guard rings, with respectively substrate and Nwell biases, which separates the area of the P-type transistors (ELT) (403) from that of the N (401). The substrate bias guard ring (402) surrounds the zone containing the N-type transistors (401) and the Nwell bias guard ring (404) surrounds the zone comprising the P-type transistors (403).

Nella Fig.8C sono mostrate in sezione trasversale le aree contenenti i transistor P (XP) e i transistor N (XN) separate da anelli di guardia (510A e 510B) con polarizzazione di substrato (511) e di Nwell (512). In questo modo i transistori a canale N (XN) ?vedono? le loro controparti a canale P (XP) attraverso due livelli di anelli di guardia: quello appartenente alla loro polarizzazione (polarizzazione di substrato) e quello appartenente alla polarizzazione dei transistor a canale P (polarizzazione di NWell). Dal momento che l?anello di guardia di substrato (510A) ? collegato a massa (Gnd) e l?anello di guardia di Nwell (510B) ? connesso alla tensione di alimentazione (VDD), si genera una zona a forte inversione di campo, che impedisce il passaggio di eventuali correnti parassite, come quelle derivanti dal degrado degli ossidi di trincea superficiale (STI), che normalmente separano le zone di tipo P da quelle di tipo N. In condizioni normali, infatti (senza anelli di guardia), ? noto che si genera l?accumulo delle lacune in corrispondenza degli ossidi di trincea (STI), che costituisce una corrente di lacune parassita che mette in comunicazione le zone N e le zone P. In Fig.8C the areas containing the P transistors (XP) and the N transistors (XN) separated by guard rings (510A and 510B) with substrate (511) and Nwell (512) bias are shown in cross section. In this way the N-channel transistors (XN) ?see? their P-channel counterparts (XP) through two levels of guard rings: the one belonging to their bias (substrate bias) and the one belonging to the bias of the P-channel transistors (NWell bias). Since the substrate guard ring (510A) is? connected to mass (Gnd) and the? guard ring of Nwell (510B) ? connected to the supply voltage (VDD), a strong field inversion zone is generated, which prevents the passage of any parasitic currents, such as those deriving from the degradation of surface trench oxides (STI), which normally separate the P-type zones from those of type N. In normal conditions, in fact (without guard rings), ? It is known that the accumulation of holes is generated in correspondence with the trench oxides (STI), which constitutes a current of parasitic holes which puts the N zones in communication with the P zones.

Questo tipo di soluzione ad anelli di guardia garantisce stabilit? verso qualunque tipo di degrado negli ossidi, condizione fondamentale nell?ambito della conversione di una grandezza analogica come quella proveniente dalla tensione di soglia del sensore. Allo stesso modo, nel design degli amplificatori operazionali (315, 316), le tecniche RHBD adottate sono state rivolte verso una mitigazione degli effetti di degrado negli ossidi spessi. Anche in questo caso, detti amplificatori operazionali sono progettati in maniera tale che i transistori a canale N siano fisicamente separati dalla zona in cui sono posizionati i transistori a canale P e siano circondati da anelli di guardia. This type of guard ring solution ensures stability towards any type of degradation in the oxides, a fundamental condition in the context of the conversion of an analog quantity such as that coming from the threshold voltage of the sensor. Similarly, in the design of operational amplifiers (315, 316), the RHBD techniques adopted have been directed towards a mitigation of the degradation effects in thick oxides. Also in this case, said operational amplifiers are designed in such a way that the N-channel transistors are physically separated from the area in which the P-channel transistors are positioned and are surrounded by guard rings.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione il convertitore analogico-digitale ? realizzato in forma di ?flash ADC?. L?architettura flash dell?ADC ? stata scelta proprio per la sua comprovata tolleranza alla radiazione fino ad una dose totale assorbita di 3 kGy e la sua insensibilit? a singoli eventi di ?latch-up? del circuito. Secondo una forma di realizzazione preferita, il convertitore ADC ? costruito mediante un?architettura Flash, che ? rappresentata secondo lo schema circuitale (600) in Fig.9. Secondo questa forma di realizzazione, detta architettuta Flash ? basata su di una stringa resistiva, costituita da 2<N >resistenze (631) (nel caso di ADC a N bit) e da 2<N >-1 comparatori (632). La tensione incognita Vin viene comparata a una tensione di riferimento VR, che si vuole confrontare con quella da convertire. Prima di entrare nei comparatori la tensione di riferimento viene suddivisa attraverso 2<N >resistenze fornendo a ciascun comparatore un valore in ingresso pi? piccolo di quello successivo di un valore associabile al bit meno significativo o LSB. La parola digitale composta dai bit in uscita dei comparatori rappresenta la conversione digitale della tensione analogica presente all'ingresso del convertitore. In uscita di ogni comparatore ? presente un latch rigenerativo che memorizza il risultato. Il latch presenta una retroazione positiva al fine di garantire che il dato memorizzato sia un "1" o uno "0" per evitare fenomeni di metastabilit?. According to an embodiment of the present invention the analog-to-digital converter ? realized in form of ?flash ADC?. The flash architecture of the ADC ? was chosen precisely for its proven tolerance to radiation up to a total absorbed dose of 3 kGy and its insensitivity? at single ?latch-up? events of the circuit. According to a preferred embodiment, the ADC converter ? built using a? Flash architecture, which ? represented according to the circuit diagram (600) in Fig.9. According to this embodiment, called Flash architecture ? based on a resistive string, made up of 2<N >resistors (631) (in the case of N bit ADCs) and 2<N >-1 comparators (632). The unknown voltage Vin is compared to a reference voltage VR, which is to be compared with the one to be converted. Before entering the comparators, the reference voltage is divided through 2<N> resistors providing each comparator with an input value more? smaller than the next one by a value that can be associated with the least significant bit or LSB. The digital word made up of the comparator output bits represents the digital conversion of the analog voltage present at the converter input. At the output of each comparator ? there is a regenerative latch that stores the result. The latch has a positive feedback to ensure that the data stored is a "1" or a "0" to avoid metastability phenomena.

Anche il convertitore ADC viene realizzato in tecnologia RHBD, prevedendo due livelli di salvaguardia dalle radiazioni ionizzanti: un primo livello che riguarda l?architettura e un secondo che riguarda il disegno fisico. La scelta di una architettura Flash basata su stringa resistiva si fonda sul principio della resistenza intrinseca che gli strati resistivi costruiti in silicio policristallino manifestano contro le radiazioni ionizzanti. In questo contesto, ove le radiazioni sono moderate rispetto ad un ambito prettamente spaziale, non ? tanto il malfunzionamento o la eventuale rottura del dispositivo che deve essere ovviato, quanto la sua stabilit? nell?ambito della catena di conversione. L?architettura Flash ? semplice, estremamente robusta e si basa su elementi costitutivi (i comparatori) che sono facilmente implementabili con tecniche di RHBD rispetto ad altre strutture analogiche, certamente pi? raffinate, ma anche prone al degrado da radiazione. The ADC converter is also made using RHBD technology, providing two levels of protection against ionizing radiation: a first level which concerns the architecture and a second which concerns the physical design. The choice of a Flash architecture based on a resistive string is based on the principle of the intrinsic resistance that the resistive layers built in polycrystalline silicon show against ionizing radiation. In this context, where radiation is moderate with respect to a purely spatial environment, isn't it? both the malfunction or the possible breakage of the device that must be remedied, as its stability? within the conversion chain. The Flash architecture? simple, extremely robust and is based on building blocks (the comparators) that are easily implemented with RHBD techniques compared to other analog structures, certainly more? refined, but also prone to radiation degradation.

Il comparatore (632), elemento cardine dell?ADC, ? costituito da una serie di invertitori, ciascuno retroazionato tramite uno ?switch? e da dei condensatori MIM (Metallo-Isolatore-Metallo) che campionano la tensione di riferimento in ingresso, partizionata dalla matrice resistiva. Il fatto che la comparazione venga fatta attraverso degli invertitori a loro volta realizzati in tecnologia RHBD (utilizzando transistori ELT, provvisti di anelli di guardia), rende il sistema particolarmente robusto, e l?utilizzo di condensatori MIM, anch?essi insensibili alla dose totale di radiazione, contribuisce ulteriormente a rendere la struttura poco sensibile alle radiazioni. L?aspetto architetturale viene inoltre supportato da un layout fisico accurato, in cui oltre ai tradizionali transistori ELT, un utilizzo massiccio di anelli di guardia evita ogni possibile polarizzazione proveniente dall?intrappolamento di lacune negli ossidi di isolamento; in particolare negli ?switch? di campionamento che devono trasferire la grandezza analogica (la tensione in ingresso partizionata) sul comparatore. The comparator (632), key element of the ADC, ? made up of a series of inverters, each one fed back through a ?switch? and by MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitors that sample the input reference voltage, partitioned by the resistive matrix. The fact that the comparison is made through inverters in turn made in RHBD technology (using ELT transistors, equipped with guard rings), makes the system particularly robust, and the use of MIM capacitors, also insensitive to the total dose of radiation, further contributes to making the structure less sensitive to radiation. The architectural aspect is also supported by an accurate physical layout, in which in addition to the traditional ELT transistors, a massive use of guard rings avoids any possible polarization coming from the entrapment of holes in the insulation oxides; in particular in the ?switches? sampling points which must transfer the analog quantity (the partitioned input voltage) to the comparator.

Analogo approccio con anelli di guardia ? adottato per i condensatori MIM. Una corona di isolamento viene posizionata intorno a ciascun condensatore per evitare qualsiasi possibile effetto di polarizzazione proveniente sia da condensatori limitrofi che da altri elementi attivi, come gli ?swtich?. Analogous approach with guard rings ? adopted for MIM capacitors. A crown of insulation is placed around each capacitor to avoid any possible polarization effect coming both from neighboring capacitors and from other active elements, such as ?switches?.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione il dosimetro indossabile, comprendente il sensore di radiazione, il convertitore I/V e il convertitore ADC flash ? realizzabile in tecnologia CMOS standard su di un dispositivo elettronico in forma monolitica, per esempio si pu? usare la tecnologia CMOS da 180 nm per realizzare un chip la cui area principale ? inferiore a 0.25 mm<2 >e in cui il sensore occupa un?area non pi? grande di 20 x 20 micron. According to an embodiment of the present invention the wearable dosimeter, including the radiation sensor, the I/V converter and the flash ADC converter ? feasible in standard CMOS technology on an electronic device in monolithic form, for example, can you? use 180nm CMOS technology to make a chip whose main area ? less than 0.25 mm<2 >and in which the sensor occupies an area no longer? large than 20 x 20 microns.

Parametri di fuzionamento e prestazioni. Operating and performance parameters.

Per caricare il sensore a Gate Flottante la carica deve essere condotta in modo tale da non danneggiare il dispositivo fisico e per questo motivo viene effettuata applicando un treno di impulsi ad alta tensione e verificando alla fine di ogni impulso la corrente effettivamente erogata. Per esempio, viene utilizzato un intervallo di tensioni applicate all?elettrodo di Drain che vanno da 0,5V a 1 V, mantenendo la tensione applicata all?elettrodo di Gate fissa a 5V. La tensione di soglia del sensore alla fine della procedura di carica misura, per esempio, Vt = 3,5 V, corrispondente ad una corrente di Drain dell?ordine di circa 40?A. Esponendo poi il sensore a dosi differenti di radiazione ionizzante, ? possibile effettuare una misura della scarica della tensione di soglia (Vt). Prima di irradiare il sensore, si procede alla misura della linearit? del convertitore I/V, che deve essere < 3%. Per esempio, in un intervallo 0,4V ? 3,9V la funzione di trasferimento, Vin Vs Vout, del convertitore I/V mostra una linearit? < 2%. Dopo una serie di cicli di carica e scarica la caratteristica di trasferimento non mostra variazioni sostanziali. To charge the Floating Gate sensor, the charge must be conducted in such a way as not to damage the physical device and for this reason it is carried out by applying a train of high voltage pulses and verifying the current actually supplied at the end of each pulse. For example, a range of voltages applied to the Drain electrode ranging from 0.5V to 1V is used, keeping the voltage applied to the Gate electrode fixed at 5V. The threshold voltage of the sensor at the end of the charging procedure measures, for example, Vt = 3.5 V, corresponding to a drain current of about 40?A. Then exposing the sensor to different doses of ionizing radiation, ? It is possible to carry out a measurement of the discharge of the threshold voltage (Vt). Before irradiating the sensor, we proceed to measure the linearity? of the I/V converter, which must be < 3%. For example, in a range of 0.4V ? 3,9V the transfer function, Vin Vs Vout, of the I/V converter shows a linearity? < 2%. After a series of charge and discharge cycles, the transfer characteristic shows no substantial changes.

In fase di caratterizzazione il dosimetro ? stato irradiato con un tasso di dose irradiata pari a 1,44 Gy/min (Si), in un intervallo di dosi tra 3 e 10 Gy (Si). In Fig.10 ? mostrata la curva caratteristica (650) del sensore prima (before) e dopo l?irradiazione (after), in cui si denota una diminuzione della tensione di soglia di 0,75 V dopo l?irradiazione. Dopo la lettura, il dosimetro ? stato ricaricato e irradiato di nuovo per verificare la possibilit? di riuso. Inoltre, per ogni dose, 3 dosimetri sono stati irradiati per verificare la ripetibilit? della misura. In Fig. 11 viene mostrato il grafico (660) della variazione di tensione di soglia, o ?Voltage shift? in funzione della dose irradiata per 2 diverse serie di tre sensori. Si pu? notare come il ?voltage shift? mostri una buona linearit? nell?intervallo 0.25-0,7 V ed una buona ripetibilit? tra le serie di sensori sottoposti all?irradiazione, valutata essere per ogni valore di dose all?interno di un intervallo di discostamento dal valor medio non pi? ampio del 6%. In the characterization phase, the dosimeter ? been irradiated with an irradiated dose rate of 1.44 Gy/min (Si), in a dose range of 3 to 10 Gy (Si). In Fig.10 ? the characteristic curve (650) of the sensor before (before) and after irradiation (after) is shown, which shows a decrease in the threshold voltage of 0.75 V after irradiation. After reading, the dosimeter ? been recharged and irradiated again to check the possibility? of reuse. Furthermore, for each dose, 3 dosimeters were irradiated to verify the repeatability. of the measure. Fig. 11 shows the graph (660) of the threshold voltage variation, or ?Voltage shift? as a function of the irradiated dose for 2 different series of three sensors. Can you? note how the ?voltage shift? show good linearity? in the range 0.25-0.7 V and a good repeatability? among the series of sensors subjected to irradiation, evaluated to be for each dose value within a range of deviation from the average value no longer? 6% large.

Inoltre, sempre in fase di caratterizzazione, il consumo di potenza del dosimetro ? stato verificato non superare il valore di a 2 mW ad una tensione di alimentazione di 5V. Per quanto riguarda la sensibilit? il dosimetro ? in grado di rilevare una dose di radiazione fino a 10 Gy con una risoluzione di 0,3 Gy in un intervallo di temperatura compreso tra 0 e 85 ?C. Furthermore, still in the characterization phase, the power consumption of the dosimeter ? been verified not to exceed the value of a 2 mW at a supply voltage of 5V. What about sensitivity? the dosimeter ? capable of detecting a radiation dose up to 10 Gy with a resolution of 0.3 Gy in a temperature range from 0 to 85 ?C.

In conclusione, il Dosimetro a Gate Flottante secondo una forma di realizzazione della presente invenzione presenta le seguenti caratteristiche: In conclusion, the Floating Gate Dosimeter according to an embodiment of the present invention has the following characteristics:

? ? basato su una memoria a Gate Flottante programmata tramite effetto tunnel (Fowler-Nordheim); ? ? based on a floating gate memory programmed by tunnel effect (Fowler-Nordheim);

? durante la carica la tensione di soglia viene portata a valori alti; ? during charging the threshold voltage is brought to high values;

? l'irradiazione che avviene in modalit? passiva (senza alimentazione) con il sensore a gate flottante determina la scarica del sensore; ? the irradiation that occurs in mode? passive (no power supply) with floating gate sensor causes sensor discharge;

? in modalit? attiva una catena di conversione composta da un convertitore I-V interfacciato con un ADC traduce la variazione della tensione di soglia in valori digitali; ? in mode? activates a conversion chain composed of an I-V converter interfaced with an ADC translates the variation of the threshold voltage into digital values;

? sia il convertitore I-V che l?ADC sono realizzati in tecnologia RHBD, sia a livello di architettura che di disegno fisico, mediante implementazione di resistori in silicio policristallino, di transistor ad anello (ELT) e zone di isolamento realizzate con doppie catene di anelli di guardia; ? both the I-V converter and the ADC are made in RHBD technology, both in terms of architecture and physical design, through the implementation of polycrystalline silicon resistors, ring transistors (ELT) and insulation zones made with double ring chains of guard;

? il dosimetro viene integrato in tecnologia CMOS standard da 180 nm; ? the dosimeter is integrated in standard 180 nm CMOS technology;

? test eseguiti su pi? dosimetri caricando e scaricando pi? volte il sensore mostrano buona linearit? di risposta (<2%) e un?ottima ripetibilit? (<6%). I vantaggi offerti dalla presente invenzione sono chiari da quanto spiegato in precedenza. In particolare, ? importante sottolineare il fatto che, poich? il processo di carica del Gate Flottante deve essere ripetuto pi? di una volta e che nelle applicazioni mediche questo fatto pu? tradursi in una dose totale che, alla fine di una serie di cicli di irradiazione, pu? superare i 100Gy, per garantire la riusabilit? del dosimetro, sia il convertitore I/V che il convertitore ADC sono stati progettati in tecnica RHBD in modo da essere tolleranti alle radiazioni fino alla massima dose di esposizione. Il Convertitore I/V accoppiato all?ADC concepito in questa modalit? RHBD, mostra stabilit? verso la radiazione e resistenza agli effetti di degradazione. Inoltre, il fatto che il dosimetro funzioni in modalit? passiva, ovvero in assenza di alimentazione, lo rende particolarmente agevole nelle operazioni di laboratorio per gli operatori del settore e la sua dimensione ridotta ne consente un preciso posizionamento nei punti maggiormente esposti alla radiazione nel caso di pazienti sottoposti alle radiazioni a scopi terapeutici. Infine, ? chiaro che numerose modifiche e varianti possono essere apportate alla presente invenzione, tutte rientranti nell'ambito di protezione dell'invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. ? tests performed on pi? dosimeters loading and unloading pi? times the sensor show good linearity? of response (<2%) and an?excellent repeatability? (<6%). The advantages offered by the present invention are clear from what has been explained above. In particular, ? important to underline the fact that, since? the charge process of the Floating Gate must be repeated more? once and that in medical applications this fact pu? result in a total dose which, at the end of a series of irradiation cycles, can exceed the 100Gy, to ensure the reusability? of the dosimeter, both the I/V converter and the ADC converter have been designed in RHBD technique in order to be tolerant to radiation up to the maximum exposure dose. The I/V converter coupled to the ADC conceived in this modality? RHBD, shows stability? towards radiation and resistance to degradation effects. Also, the fact that the dosimeter works in mode? passive, i.e. in the absence of power supply, makes it particularly easy in laboratory operations for operators in the sector and its small size allows precise positioning in the points most exposed to radiation in the case of patients subjected to radiation for therapeutic purposes. In the end, ? it is clear that numerous modifications and variations can be made to the present invention, all falling within the scope of protection of the invention, as defined in the attached claims.

Claims (16)

RIVENDICAZIONI 1. Dosimetro indossabile monolitico e riutilizzabile, resistente alle radiazioni, comprendente1. Monolithic, reusable, radiation resistant, wearable dosimeter comprising un sensore di radiazioni (100, 310) ricaricabile, basato sul principio della scarica di un capacitore a Gate Flottante per effetto della radiazione ionizzante, detto sensore comprendente:a rechargeable radiation sensor (100, 310), based on the principle of the discharge of a Floating Gate capacitor due to the effect of ionizing radiation, said sensor comprising: - un substrato di semiconduttore (per esempio Silicio);- a semiconductor substrate (for example silicon); - una struttura a Gate Flottante (FG), (12), isolata dal substrato di semiconduttore e condivisa tra una regione di iniezione (10), una regione sensibile (20) ed una regione di elaborazione (30), detta regione di iniezione (10) comprendente un Capacitore a effetto Tunnel (10B) per iniettare le cariche nella struttura a Gate Flottante (12), detta regione sensibile (20) comprendente un Capacitore di Controllo (20B), detto capacitore essendo soggetto alla perdita di carica per effetto della ionizzazione, e detta regione di elaborazione (30) comprendente una circuiteria di lettura (30B) comprensiva di transistori MOSFET (13) di tipo NMOS e PMOS;- a Floating Gate (FG) structure (12), isolated from the semiconductor substrate and shared between an injection region (10), a sensitive region (20) and a processing region (30), called injection region ( 10) comprising a Tunnel effect Capacitor (10B) for injecting the charges into the Floating Gate structure (12), said sensitive region (20) comprising a Control Capacitor (20B), said capacitor being subject to loss of charge due to the ionization, and said processing region (30) comprising a reading circuitry (30B) comprising MOSFET transistors (13) of the NMOS and PMOS type; caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente una catena di conversione che include un convertitore tensione-corrente I/V (320) per trasformare la corrente di uscita del sensore in segnale di tensione e un convertitore ADC (330) per trasformare il segnale analogico di ingresso in segnale digitale di uscita, detto convertitore I/V (320) e detto convertitore ADC (330) comprendenti elementi realizzati in tecnologia Radiation-Hardened-By-Design (RHBD) per garantire che la dose assorbita non degradi la circuiteria e per mitigare gli effetti di Total Ionization Dose (TID) e prevenire i Single Event Latch-up (SEL).characterized in that it further comprises a conversion chain which includes an I/V voltage-current converter (320) for transforming the sensor output current into a voltage signal and an ADC converter (330) for transforming the analog input signal into digital output signal, said I/V converter (320) and said ADC converter (330) comprising elements made in Radiation-Hardened-By-Design (RHBD) technology to ensure that the absorbed dose does not degrade the circuitry and to mitigate the effects of Total Ionization Dose (TID) and prevent Single Event Latch-up (SEL). 2. Dosimetro indossabile secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta struttura a Gate Flottante (12) essendo separata dal substrato di Silicio da uno strato di Ossido di Silicio, o Ossido di Gate (11), compreso tra i 110 nm e i 150 nm in corrispondenza di detto Capacitore a effetto Tunnel (10B) e da uno strato di isolante a trincea poco profonda (STI), (14), di spessore di circa 3500 nm, in corrispondenza di detto capacitore di Controllo (20B).2. Wearable dosimeter according to claim 1 characterized in that said Floating Gate structure (12) being separated from the Silicon substrate by a layer of Silicon Oxide, or Gate Oxide (11), comprised between 110 nm and 150 nm in correspondence with said Tunnel Effect Capacitor (10B) and by a layer of shallow trench insulator (STI), (14), with a thickness of about 3500 nm, in correspondence with said Control capacitor (20B). 3. Dosimetro indossabile secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni in cui detto dosimetro essendo programmabile prima dell?esposizione per essere riutilizzato pi? di una volta. 3. Wearable dosimeter according to any one of the preceding claims wherein said dosimeter being programmable before the exposure to be reused more? than once. 4. Dosimetro indossabile secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, detto sensore (100, 310A) comprendente elettrodi esterni (15, 16) per programmare il sensore prima dell?irradiazione mediante l?applicazione di una tensione positiva all?elettrodo (15) connesso al Gate del Capacitore di Controllo (20B) ed una tensione negativa all?elettrodo (16) connesso al Gate del Tunnel Capacitor (10B), l?applicazione di dette tensioni determinando l?iniezione della carica per effetto tunnel attraverso l?Ossido di Gate (11), e il suo immagazzinamento all?interno della struttura di Gate Flottante (12) in corrispondenza del Capacitore di Controllo (20B).4. Wearable dosimeter according to any one of the preceding claims, said sensor (100, 310A) comprising external electrodes (15, 16) for programming the sensor before irradiation by applying a positive voltage to the electrode (15) connected to the Gate of the Control Capacitor (20B) and a negative voltage to the electrode (16) connected to the Gate of the Tunnel Capacitor (10B), the application of said voltages determining the injection of the charge by tunnel effect through the Gate Oxide ( 11), and its storage inside the Floating Gate structure (12) in correspondence with the Control Capacitor (20B). 5. Dosimetro indossabile secondo la rivendicazione 4, detta tensione positiva applicata all?elettrodo (15) connesso al Gate del Capacitore di Controllo (20B) essendo pari a 8V e detta tensione negativa applicata all?elettrodo (16) connesso al Gate del Tunnel Capacitor (10B) essendo pari a ? 4V.5. Wearable dosimeter according to claim 4, said positive voltage applied to the electrode (15) connected to the Gate of the Control Capacitor (20B) being equal to 8V and said negative voltage applied to the electrode (16) connected to the Gate of the Tunnel Capacitor (10B) being equal to ? 4V. 6. Dosimetro indossabile secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, detta circuiteria di lettura (30B) essendo configurata per leggere la carica residua (70) immagazzinata nella struttura a Gate Flottante (12) di detto sensore dopo l?esposizione ad una quantit? di radiazione assorbita da detto sensore, detta carica residua essendo determinata per differenza tra la quantit? di carica immagazzinata prima e dopo l?esposizione.6. Wearable dosimeter according to any of the preceding claims, said reading circuitry (30B) being configured to read the residual charge (70) stored in the Floating Gate structure (12) of said sensor after exposure to an amount? of radiation absorbed by said sensor, said residual charge being determined by the difference between the quantity? of charge stored before and after exposure. 7. Dosimetro indossabile secondo la rivendicazione 6, detta circuiteria di lettura (30B) essendo configurata per fornire un valore di corrente erogata in uscita, o corrente di Drain, di detti transistori MOSFET (13) di tipo NMOS, detta corrente di uscita essendo determinata dalla quantit? di radiazione totale assorbita da detto sensore durante l?esposizione.7. Wearable dosimeter according to claim 6, said reading circuitry (30B) being configured to supply an output current value, or Drain current, of said NMOS type MOSFET transistors (13), said output current being determined from the quantity? of total radiation absorbed by said sensor during exposure. 8. Dosimetro indossabile secondo la rivendicazione 7, detta catena di conversione, comprendente detto convertitore tensione-corrente I/V (320) e detto convertitore analogico-digitale ADC (330), essendo configurata per processare detta corrente di uscita da detta circuiteria di lettura (30B).The wearable dosimeter according to claim 7, said conversion chain, comprising said I/V voltage-current converter (320) and said analog-to-digital converter ADC (330), being configured to process said output current from said reading circuitry (30B). 9. Dosimetro indossabile secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, detto convertitore I/V (320) comprendente una combinazione di un primo ed un secondo amplificatore a cascata, detto primo amplificatore essendo un ?mirrored cascode? (315) o amplificatore a due stadi, e detto secondo amplificatore essendo un traslatore di livello o ?level shifter? (316), detta combinazione convertendo il segnale di corrente di ingresso in segnale di tensione in uscita. The wearable dosimeter according to any one of the preceding claims, said I/V converter (320) comprising a combination of first and second cascaded amplifiers, said first amplifier being a ?mirrored cascode? (315) or two-stage amplifier, and said second amplifier being a level shifter? (316), said combination by converting the input current signal to the output voltage signal. 10. Dosimetro indossabile secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, detti elementi realizzati in tecnologia Radiation-Hardened-By-Design (RHBD) comprendenti: resistenze in silicio policristallino, transistor MOS del tipo a geometria ad anello (Enclosed Layout Transistor, ELT), doppie corone di anelli di guardia a polarizzazione di substrato e di Nwell, dette corone isolanti i transistor MOS di tipo P da quelli di tipo N.10. Wearable dosimeter according to any one of the preceding claims, said elements made in Radiation-Hardened-By-Design (RHBD) technology comprising: polycrystalline silicon resistors, MOS transistors of the ring geometry type (Enclosed Layout Transistor, ELT), double crowns of Nwell and substrate biased guard rings, called crowns insulating the P-type MOS transistors from the N-type ones. 11. Dosimetro indossabile secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, detto convertitore analogico-digitale (ADC), (330), appartenente alla categoria dei flash ADC (da 5 a 10-bit) e comprendente una stringa resistiva di 2<N >resistenze in serie e 2<N >-1 comparatori ed una circuiteria logica successiva per fornire un valore in uscita digitale.11. Wearable dosimeter according to any one of the preceding claims, said analog-to-digital converter (ADC), (330), belonging to the flash ADC category (from 5 to 10-bit) and comprising a resistive string of 2<N>resistance in series and 2<N >-1 comparators and subsequent logic circuitry for providing a digital output value. 12. Dosimetro indossabile secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la tensione applicata all?elettrodo di Gate di detti di transistori MOSFET (13) di detta circuiteria di lettura (30B) essendo controllata mediante l?elettrodo di Gate (15) del Capacitore di Controllo (20B).12. Wearable dosimeter according to any one of the preceding claims, wherein the voltage applied to the Gate electrode of said MOSFET transistors (13) of said reading circuitry (30B) being controlled by means of the Gate electrode (15) of the Capacitor of Control (20B). 13. Dosimetro indossabile secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto di essere realizzabile in tecnologia CMOS standard in una soluzione totalmente integrata, o singolo chip, detto chip avente un?area principale inferiore a 0.25 mm<2>, all?interno di detta area principale detto sensore di radiazione occupando un?area di superficie non superiore 20 x 20 micron.13. Wearable dosimeter according to any one of the preceding claims characterized in that it can be produced in standard CMOS technology in a totally integrated solution, or single chip, said chip having a main area lower than 0.25 mm<2>, inside said main area said radiation sensor occupying a surface area not exceeding 20 x 20 microns. 14. Dosimetro indossabile secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto di fornire una misura di dose con una ripetibilit? compresa in un intervallo di discostamento dal valor medio non pi? ampio del 6%.14. Wearable dosimeter according to any one of the preceding claims characterized in that it provides a dose measurement with a repeatability? included in an interval of deviation from the average value no longer? 6% large. 15. Dosimetro indossabile secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto di avere un consumo di potenza inferiore a 2 mW ad una tensione di alimentazione di 5V.15. Wearable dosimeter according to any one of the preceding claims characterized in that it has a power consumption lower than 2 mW at a supply voltage of 5V. 16. Dosimetro indossabile secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto di rilevare una dose di radiazione fino a 10 Gy con una risoluzione di 0,3 Gy in un intervallo di temperatura compreso tra 0 e 85 ?C. 16. Wearable dosimeter according to any one of the preceding claims characterized in that it detects a radiation dose up to 10 Gy with a resolution of 0.3 Gy in a temperature range between 0 and 85°C.
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