JP7248539B2 - 圧力伝送装置および原子力発電プラント計測システム - Google Patents

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Description

本発明は、耐放射線回路装置、それを用いた圧力伝送装置、および原子力発電プラント計測システムに関する。
原子力プラント、放射線利用施設においては、プラントおよび施設のプロセスを計測するために、計測器が複数設置されている。これらの計測器には、半導体素子を含む回路が備わっている。回路を構成する素子の中では、一般的に半導体素子が放射線に弱いとされている。放射線（ガンマ線）が照射されると半導体素子の酸化膜中で電子とホールが生成される。導電体に比較して酸化膜中では電子の移動度が小さいため、電子とホールが再結合せずに放射線の照射量に応じて増加していく。酸化膜中の電子は、ホールよりは移動度が大きいため、酸化膜中から抜け出すが、ホールは移動度が小さいため正の電荷として酸化膜中に蓄積することがある。
放射線の線量率が低ければその影響も小さいが、例えば原子力プラントの事故時のような過酷環境となると、線量率も高くなるため影響も大きくなる。
すなわち、半導体素子（特に集積回路）が適用される計測器であれば、指示値のドリフトや、最悪の場合計測不能となる可能性がある。
そのため、放射線が照射される計測器には、鉛等での遮蔽や、線源から距離を設ける等の対策がされている。その他の対策案としては、放射線に強い半導体材料を使用するものがある。
具体的には近年パワー半導体で使用されている炭化ケイ素（以下、ＳｉＣと呼ぶ）に代表されるような、バンドギャップが広く放射線に強い半導体材料である。現在、集積回路にはケイ素（以下、Ｓｉと呼ぶ）材料が用いられるが、これをＳｉＣにすることで大幅な耐放射線性の向上が見込める。
一方で、ＳｉＣなどのバンドギャップが広い半導体は集積回路化が難しい課題がある。特に、ＳｉＣウエハはパワー半導体での用途が主流であることから、集積回路化に適しているｐ型基板が流通していない。そのため、ＳｉＣをオペアンプのような集積回路として動作させる場合には、基板電位（素子の底部）に駆動電圧がかかる仕様となる。
なお、Ｓｉ集積回路の汎用的な基板は、ｐ型基板であるため、ＧＮＤ電位となる。それに対して、ＳｉＣ集積回路の汎用的な基板は、ｎ型基板であるため、ＧＮＤ電位には接続できない。何故ならばｎ型基板をＧＮＤ電位（負側電位）とすると、寄生するＰＮ接合ダイオードに電流が流れてしまうからである。
上記構成のようにｎ型基板で製作したＳｉＣ集積回路では、基板（ｎ型基板）をＧＮＤ電位とすることができないため、駆動電圧が変動することで集積回路の特性が変化してしまう。この課題が新たに分かったため、安定して動作させるためには対策が必要であることが判明した。
このようなＳｉＣ半導体に関連する先行技術文献としては、特許文献１や非特許文献１がある。
特許文献１の［要約］には、「［課題］高い放射線環境に曝される炭化ケイ素半導体装置において、γ線の被曝に起因して素子分離層の分離性能が低下することを防ぐことで、炭化ケイ素半導体装置の長期に亘る高い信頼性の維持を実現する。［解決手段］半導体基板２の主面に形成された半導体素子１と、半導体基板２の主面に形成され、かつ半導体素子１の周囲を平面視で囲む素子分離層３と、素子分離層３の直上に絶縁層４を介して形成され、素子分離層３に電気的に接続された導電体部５とを形成する。」と記載され炭化ケイ素半導体装置の技術が開示されている。
また、非特許文献１には、ＳｉＣパワーデバイスの技術が開示されている。
特開２０１８－２０６９３４号公報
700-V 1.0-mΩ cm^2 buried gate SiC-SIT (SiC-BGSIT)；Y.Tanaka et al., IEEE EDL,27,No11,2006
前記の特許文献１に開示された技術では、高い放射線環境に曝される炭化ケイ素半導体装置における素子分離の問題については、対策が示されているが、ノイズに対する対策は示されていないため、ノイズ対策が不充分であるという課題（問題）がある。
また、前記の非特許文献１に開示されたＳｉＣパワーデバイスは、大電流を用いるＳｉＣパワー半導体であるため、素子の縦方向に大電流が流れて基板底部が高電圧となるが、それに比べて駆動電圧は非常に小さく、動作への影響は無視できるので基板電位は気にせず運用できた。それに対して、ＳｉＣを集積回路として用いる場合は、基板電位にかかる駆動電圧の変動が集積回路の特性に影響してしまう課題（問題）がある。
本発明は、放射線環境の下でも正常に動作する安定した特性のＳｉＣ集積回路を搭載したＳｉＣ半導体素子を提供することを課題（目的）とする。
前記の課題を解決するために、本発明を以下のように構成した。
すなわち、本発明の圧力伝送装置は、ＳｉＣ集積回路を搭載するＳｉＣ半導体素子と、被覆材を備え、前記ＳｉＣ半導体素子を設置するプリント基板と、前記プリント基板の内部に配置され、前記ＳｉＣ集積回路の基板電極の底面と対向する所定の面を有する導電性配線と、前記ＳｉＣ集積回路の基板電極の底面と前記導電性配線の所定の面との間に配置される、樹脂材料またはゴム材料である絶縁材と、を備えることにより、前記プリント基板と前記導電性配線との間に、前記絶縁材と前記被覆材とを設けた耐放射線回路装置を有し、ガンマ線の積算照射線量が少なくとも４５０ｋＧｙに至るまで動作するように構成されていることを特徴とする。
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。
本発明によれば、放射線環境の下でも正常に動作する安定した特性のＳｉＣ集積回路を搭載したＳｉＣ半導体素子を提供できる。
本発明の第１実施形態に係る耐放射線回路装置の断面の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る耐放射線回路装置の断面の構成例を示す図である。 Ｓｉ集積回路における基板を含めた断面の構造例を示す図である。 ＳｉＣ集積回路における基板を含めた断面の構造例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力伝送装置の構成例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力伝送装置に備えられる増幅回路の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る耐放射線回路装置を適用した圧力伝送装置における、ガンマ線照射試験の結果の例を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る原子力発電プラント計測システムのシステム構成例の概要を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る原子力発電プラント計測システムのドレンタンクと圧力伝送装置の近傍を拡大し、制御装置関連とともに構成例を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態（以下においては「実施形態」と表記する）を、適宜、図面を参照して説明する。
≪第１実施形態：耐放射線回路装置≫
本発明の第１実施形態に係る耐放射線回路装置１Ａについて、図１、図３Ｂを参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る耐放射線回路装置１Ａの断面の構成例を示す図である。
図１において、耐放射線回路装置１Ａは、ＳｉＣ半導体素子１０とプリント基板２１と絶縁材１３とを備えている。
なお、導電性配線２２と被覆材２３は、後記するように本実施形態では、プリント基板２１に含まれる構成要素である。また、ＳｉＣ集積回路１１は、後記するように本実施形態では、ＳｉＣ半導体素子１０に含まれる構成要素である。
《ＳｉＣ半導体素子１０》
図１において、ＳｉＣ半導体素子１０は、断面に示した部分において、ＳｉＣ集積回路１１と、電極（Ｃｕ電極）１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと、ワイヤーボンディング１４Ａ，１４Ｂと、モールド樹脂１５を有して構成されている。ただし、ＳｉＣ半導体素子１０は、図示されていない部分においても、複数の電極や、ワイヤーボンディングを有している。
ＳｉＣ集積回路１１は、放射線や高温に強いＳｉＣ（シリコンカーバイド、炭化ケイ素）を用いて、アナログ回路のオペアンプや、論理回路等を備えて構成されている。
なお、ＳｉＣ集積回路１１には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）も用いられるが、アナログ回路のオペアンプを構成する場合には、バイポーラトランジスタやダイオードや抵抗、コンデンサ、配線を主体として構成すると、放射線に対しての耐性が非常に強くなる。
また、ＳｉＣ集積回路１１の端子を、ＳｉＣ半導体素子１０の電極１２Ａ，１２Ｂにワイヤーボンディング１４Ａ，１４Ｂをして電気的に接続する。なお、図１における基板の電極（基板電極）１２Ｃは、ＳｉＣ半導体素子１０の図示していない正側の電源（Ｖｄｄ）電位の電極に、図示していないワイヤーボンディングで接続されている。
そして、ＳｉＣ集積回路１１と電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを含めて、モールド樹脂１５でシールドする。
ＳｉＣ半導体素子１０を、前記のような構成をとることによって、プリント基板２１に搭載する電子部品とする。
《プリント基板２１》
プリント基板２１は、複数の層構成を有しており、表面や裏面において、前記のＳｉＣ半導体素子１０や図示していない各種の電子部品が搭載される。また、プリント基板２１の内部の複数の層においては、複数の配線が設けられ、層間や表面あるいは裏面へのスルーホールを介する配線とともに回路配線を構成する。
図１においては、プリント基板２１の表面に前記のＳｉＣ半導体素子１０が備えられ、そのＳｉＣ半導体素子１０の下方に絶縁材１３（絶縁手段）と被覆材２３を介して導電性配線２２が設けられている。
この導電性配線２２は、少なくともその一部がＳｉＣ半導体素子１０に搭載されたＳｉＣ集積回路１１の直下に備えられる。そのため、ＳｉＣ集積回路１１の基板の電極（基板電極）１２Ｃの底面と、導電性配線２２の上面の一部の面（所定の面）とが対向する。
また、導電性配線２２は、例えば、電源配線のような固定電圧（例えばＶｄｄ、もしくは負側の電源電位Ｖｓｓ）の配線に接続する。
また、前記したように、ＳｉＣ集積回路１１の直下には、絶縁材１３を備える。これにより、ＳｉＣ集積回路１１を構成する基板の電極（基板電極）１２Ｃの底面と、プリント基板２１の導電性配線２２の上面の一部の面（所定の面）との間には、絶縁材１３と被覆材２３を介して、大きな値の寄生容量（寄生静電容量）２０が形成される。
なお、絶縁材１３は、例えば、樹脂材料やゴム材料などを用いる。
《寄生容量と耐ノイズ性》
以上の構成により、ＳｉＣ集積回路１１のＶｄｄに接続された基板の電極１２Ｃと、固定電位（例えばＶｄｄ）が供給された導電性配線２２との間を、絶縁材１３と被覆材２３を介して、大きな値の寄生容量（寄生静電容量）２０で結合することによって、ＳｉＣ集積回路１１の基板（電極１２Ｃ）の電位が安定する。
そのため、ＳｉＣ集積回路１１（ＳｉＣ半導体素子１０）は、放射線環境下におけるノイズやドリフトに対する動作が安定する。
なお、図１の構成において、導電性配線２２は、前記したように、電源配線のような固定電圧の配線であることが望ましい。さらには、正側の電源電位（Ｖｄｄ）の配線であることが望ましい。
その理由は、導電性配線２２とＳｉＣ集積回路１１（ＳｉＣ半導体素子１０）の底部間の寄生容量を安定して所定の値を確保しやすいことと、電源配線の方がノイズの影響が少ない場合が一般的であるので、ＳｉＣ集積回路１１（ＳｉＣ半導体素子１０）にかかる駆動電圧をより安定化できるためである。
＜第１実施形態の総括＞
第１実施形態の耐放射線回路装置１Ａにおいては、放射線に強いＳｉＣ集積回路１１を用いている。
そして、前記の大きな値の寄生容量（寄生静電容量）２０が形成されることによって、ＳｉＣ集積回路１１を構成する基板の電位は安定する。そのため、ＳｉＣ集積回路１１およびＳｉＣ半導体素子１０は、放射線の照射や、ＳｉＣ集積回路１１の動作や、他の機器の電源のオン・オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）によって、発生するノイズに対しても、安定した動作をする。
すなわち、ＳｉＣ集積回路１１およびＳｉＣ半導体素子１０は、放射線照射による特性劣化を低減し、ＳｉＣ半導体素子１０、およびそれを用いた回路、計測器が放射線の照射を受けても正確な値を出力し、放射線環境下においても正常に動作する。
なお、ＳｉＣ集積回路１１におけるオペアンプ（不図示）などのアナログ回路は、動作中の放射線照射によるドリフトや、微弱なノイズに対しても影響を受けやすいので、アナログ回路を含むＳｉＣ集積回路１１に対して、前記のノイズ対策は、特に有効である。
ＳｉＣ集積回路１１はＳｉＣを素子として用いているが、ＳｉＣの基板は、一般的にはｎ型基板が流通している。そのため、ＳｉＣのｐ型基板の入手が困難である。このような状況下においては、前記の大きな値の寄生容量２０を備えた構成による安定した動作の効果は、重要である。
なお、このノイズに対するＳｉＣ集積回路１１の安定動作については、図３Ａ、図３Ｂを参照して、再度、詳細を後記する。
＜第１実施形態の変形例１＞
図１においては、固定電圧の配線に接続する導電性配線２２は、その上面の所定の面をＳｉＣ集積回路１１の基板の電極（基板電極）１２Ｃの底面の直下をすべて占めるように配置された例を示した。換言すると、平面視して導電性配線２２の領域内に基板の電極（基板電極）１２Ｃのすべてが収まるようにした例を示した。しかし、導電性配線２２の上面の所定の面をＳｉＣ集積回路１１の基板の電極（基板電極）１２Ｃの底面の直下の一部を占めるように配置をするだけでも、ノイズを低減するという効果がある。
＜第１実施形態の変形例２＞
図１においては、前記のように、固定電圧の配線に接続する導電性配線２２は、その上面の所定の面をＳｉＣ集積回路１１の基板の電極（基板電極）１２Ｃの底面の直下をすべて占めるように配置された例を示した。しかし、さらに導電性配線２２をＳｉＣ半導体素子１０の直下をすべて占めるように配置すると、すなわち、平面視して導電性配線２２の領域内にＳｉＣ半導体素子１０の構成要素のすべてが収まるようにすると、ＳｉＣ集積回路１１のノイズをさらに低減するのみならず、ＳｉＣ半導体素子１０の各部品、配線のノイズを低減する可能性がある。
＜第１実施形態の効果＞
ＳｉＣ集積回路１１を構成する基板と、プリント基板２１の導電性配線２２の上面の所定の面との間に絶縁材１３と被覆材２３を介して、大きな値の寄生容量２０を設ける構成によって、ＳｉＣ集積回路１１およびＳｉＣ半導体素子１０は、ＳｉＣ集積回路１１の動作によって、放射線照射や動作中に発生するノイズやドリフトに対しても、耐性のある安定した動作をするという効果がある。
≪第２実施形態：耐放射線回路装置≫
次に、本発明の第２実施形態に係る耐放射線回路装置１Ｂについて、図２を参照して説明する。
図２は、本発明の第２実施形態に係る耐放射線回路装置１Ｂの断面の構成例を示す図である。
図２において、耐放射線回路装置１Ｂは、ＳｉＣ半導体素子１０とプリント基板２１と、第２金属電極（はんだ）１６Ａ，１６Ｂと、空間１７とを備えている。
なお、プリント基板２１には、第１実施形態における図１と同様に、複数の層構成を有しており、表面や裏面において、前記のＳｉＣ半導体素子１０や図示していない各種の電子部品が搭載されているが、本発明の課題の放射線下におけるノイズとは直接には関係しないので、記載を省略している。
図２において、電極１２Ａ，１２Ｂとプリント基板２１の電気配線との接続をとるために、第２金属電極１６Ａ，１６Ｂを設けている。
また、第２金属電極１６Ａ，１６Ｂを設けることにより、ＳｉＣ集積回路１１の基板の電極１２Ｃとプリント基板２１との間に、空間１７を設ける。
図２における空間１７（絶縁手段）の役目は、図１における絶縁材１３と同じく、電気的な隔離の役目である。
以上の構成によって、ＳｉＣ集積回路１１の基板の電極（基板電極）１２Ｃの底面と、導電性配線２２の上面の一部の面（所定の面）とが対向する。
また、導電性配線２２は、例えば、電源配線のような固定電圧（例えばＶｄｄ、もしくはＶｓｓ）の配線に接続する。
また、前記したように、ＳｉＣ集積回路１１の直下には、空間１７が設けられている。
この構成により、ＳｉＣ集積回路１１を構成する基板の電極（基板電極）１２Ｃの底面と、プリント基板２１の導電性配線２２の上面の一部の面（所定の面）との間には、空間１７と被覆材２３を介して、大きな値の寄生容量（寄生静電容量）２０Ｂが形成される。
この寄生容量２０Ｂが、ＳｉＣ集積回路１１を構成する基板の電極（基板電極）１２Ｃと、電源配線のような固定電圧に接続された導電性配線２２との間に形成されることによって、ＳｉＣ集積回路１１およびＳｉＣ半導体素子１０は、放射線の照射や、ＳｉＣ集積回路１１の動作や、他の機器の電源のオン・オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）によって、発生するノイズに対しても、安定した動作をする。
なお、空間１７の基板の電極１２Ｃとプリント基板２１（被覆材２３）との間の距離は、絶縁性と寄生容量２０Ｂの容量値との間でトレードオフの関係にあるので、製造工程の状況に応じて、適宜、決定する。
また、基板電極である電極１２Ｃもモールド樹脂で封止してもよいが、放熱を考慮して金属の電極とすることが望ましい。
＜第２実施形態の効果＞
本発明の第２実施形態に係る耐放射線回路装置１Ｂは、第１実施形態における絶縁材１３（図１）を用いていないので、コスト低減や工程の軽減に寄与する場合がある。
また、本発明の第２実施形態に係る耐放射線回路装置１Ｂは、第１実施形態に係る耐放射線回路装置１Ａと同様に、ＳｉＣ集積回路１１およびＳｉＣ半導体素子１０は、ＳｉＣ集積回路１１の動作によって、放射線照射や動作中に発生するノイズやドリフトに対しても、耐性のある安定した動作をするという効果がある。
＜ＳｉＣとＳｉの集積回路における基板について＞
ＳｉＣとＳｉの集積回路における基板について、図３Ａと図３Ｂを参照して説明する。
《Ｓｉ集積回路における基板》
図３Ａは、Ｓｉ集積回路１０１における基板を含めた断面の構造例を示す図である。
図３ＡにおけるＳｉ半導体のＳｉ集積回路１０１は、ｐ基板が従来から広く用いられている。すなわち、Ｓｉ（ケイ素）を用いる集積回路としては、ｐ基板が汎用的であり容易に調達できる。
図３Ａにおいて、Ｓｉ集積回路１０１は、基板１１１がｐ型半導体であるｐ基板（ｐ-Ｓｉ）で形成され、その上にｐ型エピタキシャル層１１２が形成されている。
そして、ｐ型エピタキシャル層１１２の上層部に、ｎ-ｗｅｌｌ（１２１）とｐ-ｗｅｌｌ（１２２）が設けられている。
また、ｎ-ｗｅｌｌ（１２１）の上にｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２３が構成され、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２３のゲート電極の下に位置するドレイン電極とソース電極が、ｎ-ｗｅｌｌ（１２１）に設けられている。
また、ｐ-ｗｅｌｌ（１２２）の上にｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２４が構成され、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２４のゲート電極の下に位置するドレイン電極とソース電極が、ｐ-ｗｅｌｌ（１２２）に設けられている。
そして、Ｓｉによるｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２３とＳｉによるｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２４等によって構成されるＣＭＯＳ（Complementary MOS）回路や、複数のＭＯＳＦＥＴを備えるＳｉ集積回路１０１が構成されている。
なお、図３Ａには記載していないが、Ｓｉ集積回路１０１には、ダイオード、バイポーラトランジスタ、コンデンサ、抵抗素子、配線などが備えられることがある。
図３Ａにおいては、基板１１１がｐ型半導体で形成されているので、寄生ダイオードが導通しないように、ｐ型の基板１１１は、負側の電位となるＧＮＤ電位に接続される。つまり、ｐ型基板のＩＣであるＳｉ集積回路１０１は、基板電位がＧＮＤとなる。
《ＳｉＣ集積回路における基板》
図３Ｂは、ＳｉＣ集積回路２０１における基板を含めた断面の構造例を示す図である。
図３ＢにおけるＳｉＣ集積回路２０１は、ｎ基板である。ＳｉＣは、パワー半導体での用途が一般的であるため、ｎ基板が流通の大半を占めており、ｐ基板の調達が一般的には困難である。
したがって、図３ＢのＳｉＣ集積回路２０１においては、基板２１１がｎ型半導体であるｎ基板（ｎ-Ｓｉ）で形成され、その上にｎ型エピタキシャル層２１２が形成されている。
そして、ｎ型エピタキシャル層２１２の上層部に、ｎ-ｗｅｌｌ（２２１）とｐ-ｗｅｌｌ（２２２）が設けられている。
また、ｎ-ｗｅｌｌ（２２１）の上にｐ型ＭＯＳＦＥＴ２２３が構成され、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ２２３のゲート電極の下に位置するドレイン電極とソース電極がｎ-ｗｅｌｌ（２２１）に設けられている。
また、ｐ-ｗｅｌｌ（２２２）の上にｎ型ＭＯＳＦＥＴ２２４が構成され、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２２４のゲート電極の下に位置するドレイン電極とソース電極がｐ-ｗｅｌｌ（２２２）に設けられている。
そして、ＳｉＣによるｐ型ＭＯＳＦＥＴ２２３とＳｉＣによるｎ型ＭＯＳＦＥＴ２２４等によって構成されるＣＭＯＳ回路や、複数のＭＯＳＦＥＴを備えるＳｉＣ集積回路２０１が構成されている。
なお、図３Ｂには記載していないが、ＳｉＣ集積回路２０１には、ダイオード、バイポーラトランジスタ、コンデンサ、抵抗素子、配線などが備えられることがある。
このように、ＳｉＣ集積回路２０１は、基板（ｎ基板）２１１がｎ型半導体で形成されているので、基板（ｎ基板）２１１にＧＮＤとしての負側の電位（Ｖｓｓ）を設定できない。すなわち、ｎ基板に負側の電位（Ｖｓｓ）を供給すると、ＳｉＣ集積回路２０１に内在する寄生のダイオードが順方向となって電流が流れてしまうからである。
したがって、寄生ダイオードが導通しないように、ｎ型の基板２１１は、正側電源の電位となるＶｄｄを印加する必要がある。そのため、負側電源の電位をＶｓｓとして、ＧＮＤに対しては、駆動電圧に相当するＶｄｄ－Ｖｓｓの電位を介して、Ｖｄｄ電位をｎ型の基板２１１に印加することになる。
なお、ＳｉＣ集積回路２０１において、アナログのオペアンプが用いられる場合には、ＧＮＤに対して、＋Ｖｄｄ電源と－Ｖｓｓ電源がＧＮＤを挟んで使用される場合がある。また、単に－Ｖｓｓ電源をＧＮＤに接続して用いる場合がある。その両方の場合があるので、図３Ｂにおいては、ＧＮＤと基板２１１との間にかかる電圧を（Ｖｄｄ－Ｖｓｓ）と表記している。
例えば、ＳｉＣオペアンプに電源電圧として±４Ｖをかける場合、駆動電圧は８Ｖとなる。この場合に、図３Ｂにおいて、ＧＮＤ電位を０Ｖに設定する場合と、－４Ｖに設定する場合がある。この２通りの場合にも表記できるように、ＧＮＤからＶｄｄ－Ｖｓｓの電圧をｎ型の基板２１１に印加するように表記している。
しかしながら、Ｖｓｓ電位の基板（ｐ基板）１１１をＧＮＤとする場合（図３Ａ）に比較して、Ｖｄｄ電位の基板（ｎ基板）２１１を直接にＧＮＤに接続しない場合は、駆動電圧の変動を受けやすい。
以上、図３ＢのＳｉＣ集積回路２０１の構成において、駆動電圧（Ｖｄｄ－Ｖｓｓ）が、放射線照射や他の機器のオン・オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）などの外部ノイズ等の影響で変動するとＳｉＣ集積回路２０１における各素子のＩＣの特性も変化してしまうことがある。
すなわち、Ｖｄｄ電位をｎ型の基板２１１に印加するＳｉＣ集積回路２０１は、Ｓｉ集積回路１０１に比較して、放射線照射や外部ノイズに影響を受けやすく、対策が必要であるという課題がある。
《ＳｉＣ集積回路２０１の動作安定化》
そのため、前記した第１実施形態（図１）や第２実施形態（図２）のように、ＳｉＣ集積回路２０１の直下に導電性配線２２を設け、ＳｉＣ集積回路２０１の基板の電極１２Ｃと導電性配線２２との間に寄生容量２０を形成することによって、放射線照射や他の機器のオン・オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）などの外部ノイズからの影響を低減する。そしてＳｉＣ集積回路２０１の駆動電圧（Ｖｄｄ－Ｖｓｓ）の変動を抑制し、安定した動作をさせる。
≪第３実施形態：圧力伝送装置≫
次に、第１、第２実施形態の耐放射線回路装置を増幅回路に備えた圧力伝送装置を第３実施形態として説明する。
図４は、本発明の第３実施形態に係る圧力伝送装置３０１の構成例を示す図である。
図４において、圧力伝送装置３０１は、増幅回路３１１、センターダイアフラム３１２、シールダイアフラム３１４Ａ，３１４Ｂ、圧力センサ３１５、導圧路３１６を備えて構成されている。
圧力伝送装置３０１は、圧力を受圧するための２個の一対のシールダイアフラム３１４Ａ，３１４Ｂと、センターダイアフラム３１２とによって、導圧路３１６の内部の封入液（シリコーンオイル）３１３で圧力センサ３１５まで圧力を伝える。なお、シールダイアフラム３１４Ａが高圧側で、シールダイアフラム３１４Ｂが低圧側である。
そして、その圧力信号を信号線３１７によって、増幅回路３１１に送り、増幅した出力信号を圧力伝送装置３０１として出力する。
図４の構成において、増幅回路３１１は、半導体素子が含まれる電気回路であり、従来品はＳｉの半導体素子を用いることから放射線に比較的弱い。そのため、ＳｉＣのような放射線に強い半導体の適用が有効である。
さらに、ＳｉＣ集積回路（１１）に対して図１、図２に示したようなＳｉＣ半導体素子（１Ａ，１Ｂ）のような構造をとると、さらに、放射線に強い半導体素子や集積回路が得られる。
＜増幅回路＞
次に、第３実施形態の圧力伝送装置３０１に備えられる増幅回路３１１について図５を参照して詳しく説明する。
図５は、本発明の第３実施形態に係る圧力伝送装置３０１に備えられる増幅回路３１１の構成例を示す図である。
図５において、増幅回路３１１は、プリント基板２１、２１Ｂ、ボルト４４４、ＳｉＣオペアンプ（ＳｉＣ集積回路）４１１、ＳｉＣ集積回路４１２、４１３を備えて構成される。なお、ＳｉＣ集積回路４１２、４１３もＳｉＣオペアンプであることもある。
増幅回路３１１は、図５に示すように、プリント基板２１に、ＳｉＣ集積回路（４１１～４１３）と、その他に種々の素子（不図示）とが設置される構成である。
なお、プリント基板２１Ｂにも、ＳｉＣ半導体素子（４１１～４１３）に相当する回路が設けられている。
前記したように、放射線に比較的弱いＳｉの半導体素子をＳｉＣに置き換えることで大幅な耐放射線向上が見込める。
ただし、ＳｉＣ集積回路を対策無しに設置してしまうと、先述したようなプリント基板表面からの回り込みなどの外部ノイズにより集積回路自体の性能が劣化してしまう。
図５に示す複数のＳｉＣ集積回路（４１１～４１３）を有する増幅回路３１１の構成において、本発明第１実施形態、第２実施形態で説明した絶縁手段（１３，１７）およびプリント基板内に設置した導電性配線２２（図１）によって形成された疑似容量（２０，２０Ｂ）を設けることで、放射線と外部ノイズの影響を低減し、安定した圧力伝送装置３０１の動作および計測を提供できる。
＜ガンマ線照射試験の結果＞
図６は、本発明の第３の実施形態に係る耐放射線回路装置１Ａを適用した圧力伝送装置３０１における、ガンマ線照射試験の結果の例を示す図である。
図６において、縦軸は圧力伝送装置の出力を示し、出力の単位は電圧［Ｖ］である。横軸はガンマ線の積算線量を示し、積算線量の単位は［ｋＧｙ］である。なお、横軸は対数表示である。
図６において、特性線１００１で示すのは、Ｓｉ製の集積回路（Ｓｉ集積回路）を搭載したＳｉ半導体素子を用いた従来品（Ｓｉ伝送器）の特性を示している。
また、特性線１００２で示すのは、図１で示した構成のＳｉＣ集積回路（１１）を用い、かつ基板電極（１２Ｃ）と導電性配線２２との間に絶縁材（１３）を設けた構成のＳｉＣ半導体素子（１Ａ）を用いた本発明の圧力伝送装置（ＳｉＣ伝送器）３０１の特性を示している。
従来品のＳｉ伝送器（圧力伝送装置）は、放射線に比較的弱いＳｉ製の素子を用いててるため、特性線１００１に示すように、ガンマ線の照射開始から計測値がドリフトしていき、積算１ｋＧｙを超えた付近から大きくドリフトして故障に至ってしまう。
一方、本発明のＳｉＣ素子を適用した圧力伝送装置（ＳｉＣ伝送装置）３０１は、特性線１００２に示すように、照射から約３０ｋＧｙ程度まで出力の変動がほとんど見られず、従来品のＳｉ伝送器（圧力伝送装置）を大きく超える約４５０ｋＧｙまで動作できることを試験的に表している。
図６に示す前記の試験結果から、本発明の実施形態にかかる耐放射線回路装置１Ａを適用することで、放射線耐性に優れる計測器を提供できることがわかる。
＜第３実施形態の効果＞
本発明の第１実施形態にかかる耐放射線回路装置１Ａを第３実施形態に係る圧力伝送装置３０１に適用することで、放射線耐性に優れる計測器を提供できる。
また、通常計測時のみならず、放射線量が大幅に上昇する過酷事故時などでも安定して計測することができることから、高信頼なシステムを提供できる。
≪第４実施形態：原子力発電プラント計測システム≫
次に、原子力発電プラント計測システムのシステム構成の概要を図７Ａと図７Ｂを参照して説明する。
図７Ａは、本発明の第４実施形態に係る原子力発電プラント計測システムのシステム構成例の概要を示す図である。
図７Ｂは、本発明の第４実施形態に係る原子力発電プラント計測システムのドレンタンクと圧力伝送装置の近傍を拡大し、制御装置関連とともに構成例を示す図である。
図７Ａおよび図７Ｂにおいて、原子力発電プラント計測システム５００は、圧力容器５１１、主蒸気配管５１３、高圧タービン５１４、低圧タービン５１５、発電機５１６、湿分分離加熱器５１７、ドレンタンク５１８、ドレン配管５１９、給水ポンプ５２０、給水加熱器５２１、復水ポンプ５２２、復水器５２３、冷却水配管５２４、給水配管５２５、ドレンタンク５２６、制御装置７１２、中央制御装置７１３を備えて構成されている。
なお、図７Ａにおけるドレンタンク５２６の近傍を示す領域６００を拡大して、詳細を示したのが図７Ｂにおける領域６０１に示す構成である。ただし、図７Ａと図７Ｂとで、例えばドレンタンク５２６の部材をデフォルメして表記している。
図７Ｂに示すように、領域６０１で示した部分の構成は、ドレンタンク５２６、給水配管５２５、ドレン配管５２７、および図４を参照して説明した圧力伝送装置３０１で構成されている。
なお、図７Ｂに示した圧力伝送装置３０１は、図４で示したように、増幅回路３１１、センターダイアフラム３１２、封入液３１３、シールダイアフラム３１４Ａ，３１４Ｂ、圧力センサ３１５、導圧路３１６を備えて構成されている。
図７Ａ、図７Ｂに示した、以上の原子力発電プラント計測システム（原子力発電システム）５００において、第３実施形態で説明した圧力伝送装置３０１を用いていることに特徴がある。
したがって、図７Ａ、図７Ｂで示した原子力発電プラント計測システム５００の詳細な説明は省略し、圧力伝送装置３０１が関連する事象・動作について、簡単に説明する。
図７Ｂ（図７Ａ）に示した原子力発電プラント計測システム（原子力発電システム）５００においては、一例としてドレンタンク５２６の水位計測に用いる圧力伝送装置３０１の設置状況を示している。

図７Ｂにおいて、圧力伝送装置３０１は、原子力発電プラント一次系における測定流体を計測する部位に設けられる管状の導圧路３１６と、この導圧路内に充填された封入液３１３とを備えている。
また、圧力伝送装置３０１は、導圧路３１６における一方の開口を閉塞する状態で設けられ測定流体の圧力を受圧するシールダイアフラム３１４Ａ，３１４Ｂ、センターダイアフラム３１２と、検知した圧力を電気信号に変換する圧力センサ３１５を備えている。
また、圧力伝送装置３０１は、圧力センサ３１５の出力信号を増幅するＳｉＣ半導体素子１０（図１）が設置される増幅回路３１１と、を備えている。
以上の構成を備えた圧力伝送装置３０１は、圧力の作用によって変位を生ずる膜であるダイアフラムであるシールダイアフラム３１４Ａ，３１４Ｂ、センターダイアフラム３１２が導圧路３１６内に充填された封入液３１３を介して、ドレンタンク５２６の高圧側と低圧側から圧力を受けることで、圧力センサ３１５が圧力を水位に換算して電気信号に変換する。 この電気信号を制御線（信号線）７１１によって、制御装置７１２を介して、中央制御装置（中央制御室）７１３へ計測値を伝送する。
図７Ｂにおいて、特に原子力発電システムが運転中の場合には放射線量が高くなり、同一の装置を長期間使用する場合には放射線劣化が懸念される。また、配管破断などの事故が発生すると、圧力伝送装置周囲の放射線量が大幅に上昇するため、従来の圧力伝送装置では短時間で故障するリスクが考えられる。
この大幅に上昇する放射線に対しては、前記したように、本願の圧力伝送装置３０１の増幅回路３１１に耐放射線回路装置１Ａ，１Ｂを適用することが有効である。これにより、原子力発電システムの給水系及び復水系等の放射線量の高い環境においても、測定誤差精度を長期間保つことができる安全かつ高信頼な計測システム（原子力発電プラント計測システム５００）が提供できる。
＜第４実施形態の効果＞
図７に示した原子力発電プラント計測システム（原子力発電システム）５００によって、原子力発電システムの給水系及び復水系等の放射線量の高い環境においても、測定誤差精度を長期間保つことができる安全かつ高信頼な計測システムが提供できる。
≪その他の実施形態≫
なお、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために、詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を追加・削除・置換をすることも可能である。
以下に、その他の実施形態や変形例について、さらに説明する。
《電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ》
第１実施形態の図１、第２実施形態の図２において、電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、銅（Ｃｕ）の電極として説明したが、銅に限定されない。例えば、アルミニウム、銀、金、あるいは、合金でもよい。
《導電性配線２２》
第１実施形態の図１において、導電性配線２２は、ＳｉＣ集積回路１１の基板の電極１２Ｃと対向している、もしくは対向している部分があればよい。そのため、導電性配線２２の形状は、ＳｉＣ集積回路１１の基板の電極１２Ｃの形状と全く同一である必要はない。導電性配線２２のプリント基板２１上の配線の都合によって、導電性配線２２の形状は様々に設定できる。
《第２金属電極１６Ａ，１６Ｂ》
第２実施形態の図２において、第２金属電極１６Ａ，１６Ｂとして、「はんだ」を例示したが、第２金属電極１６Ａ，１６Ｂは、ＳｉＣ半導体素子１０をプリント基板２１から離して空間１７を設けるためであるので、「はんだ」以外で構成してもよい。
《アナログ回路》
第１実施形態におけるＳｉＣ集積回路において、アナログ回路としてオペアンプの例で放射線対策やノイズ対策が有効であることを説明したが、オペアンプに限定されない。増幅回路や比較回路や発振回路などのアナログ回路に対しても、本願のノイズ対策として有効である。
また、論理回路（ロジック回路）においても、クロック周波数が高速な回路や低電圧で動作する回路に対しても、本願の放射線対策やノイズ対策として有効である。
《耐放射線回路装置の他の適用例》
本発明の第３実施形態では、耐放射線回路装置の適用例として圧力伝送装置を示した。しかし、耐放射線回路の適用例は、圧力伝送装置に限定されない。例えば、流量計や各種ガス検知器、プリアンプなどの放射線環境下で用いる可能性のある様々な機器に適用が可能である。
《システムへの適用例》
本発明の第４実施形態に係る原子力発電プラント計測システムでは、原子力発電における放射線の影響を受ける可能性のあるシステム構成について説明した。しかし、この例に限定されない。放射線を測定する放射線分布測定システムなどの放射線環境下における放射線機器・施設の様々なシステムにも本発明の前記した耐放射線回路装置を用いることが可能であり、効果的である。
また、耐放射線回路装置は、原子力発電関連の装置やシステムへの適用例を説明したが、原子力発電関連に限定されない。放射線の影響が無視できない環境として航空宇宙（例えば人工衛星）関連にも本願の耐放射線回路装置は有用である。
１Ａ，１Ｂ 耐放射線回路装置
１０ ＳｉＣ半導体素子
１１，２０１，４１２，４１３ ＳｉＣ集積回路
１２Ａ，１２Ｂ 電極、Ｃｕ電極
１２Ｃ 電極、基板電極、Ｃｕ電極
１３ 絶縁材、絶縁手段
１４Ａ，１４Ｂ ワイヤーボンディング
１５ モールド樹脂
１６Ａ，１６Ｂ 第２金属電極、はんだ
１７ 空間、絶縁手段
２０，２０Ｂ 寄生容量
２１，２１Ｂ プリント基板
２２ 導電性配線
２３ 被覆材
１０１ Ｓｉ集積回路
１１１ ｐ型基板（ｐ－Ｓｉ）
１１２ ｐ型エピタキシャル層（エピタキシャル層）
１２１，２２１ ｎ－ｗｅｌｌ（ウェル）
１２２，２２２ ｐ－ｗｅｌｌ（ウェル）
１２３，１２４ ＭＯＳＦＥＴ（Ｓｉ－ＭＯＳＦＥＴ）
２２３，２２４ ＭＯＳＦＥＴ（ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ）
２１２ ｎ型エピタキシャル層（エピタキシャル層）
３０１ 圧力伝送装置
３１１ 増幅回路
３１２ センターダイアフラム
３１３ 封入液
３１４Ａ，３１４Ｂ シールダイアフラム
３１５ 圧力センサ
３１６ 導圧路
３１７ 制御線、信号線
４１１ ＳｉＣオペアンプ（ＳｉＣ集積回路）
４４４ ボルト
５００ 原子力発電プラント計測システム
５１１ 圧力容器
５１３ 主蒸気配管
５１４ 高圧タービン
５１５ 低圧タービン
５１６ 発電機
５１７ 湿分分離加熱器
５１８，５２６ ドレンタンク
５１９，５２７ ドレン配管
５２０ 給水ポンプ
５２１ 給水加熱器
５２２ 復水ポンプ
５２３ 復水器
５２４ 冷却水配管
５２５ 給水配管
７１１ 制御線（信号線）
７１２ 制御装置
７１３ 中央制御装置（中央制御室）

Claims (13)

  1. ＳｉＣ集積回路を搭載するＳｉＣ半導体素子と、
    被覆材を備え、前記ＳｉＣ半導体素子を設置するプリント基板と、
    前記プリント基板の内部に配置され、前記ＳｉＣ集積回路の基板電極の底面と対向する所定の面を有する導電性配線と、
    前記ＳｉＣ集積回路の基板電極の底面と前記導電性配線の所定の面との間に配置される、樹脂材料またはゴム材料である絶縁材と、
    を備えることにより、前記プリント基板と前記導電性配線との間に、前記絶縁材と前記被覆材とを設けた耐放射線回路装置を有し、
    ガンマ線の積算照射線量が少なくとも４５０ｋＧｙに至るまで動作するように構成されている
    ことを特徴とする圧力伝送装置。
  2. 請求項１において、
    前記導電性配線の所定の面は、前記ＳｉＣ集積回路の基板電極の底面の一部と対向する、
    ことを特徴とする圧力伝送装置。
  3. 請求項１において、
    前記導電性配線の所定の面は、前記ＳｉＣ集積回路の基板電極の底面のすべてと対向する、
    ことを特徴とする圧力伝送装置。
  4. 請求項１において、
    前記導電性配線は、前記プリント基板の電子回路における固定電位に接続される、
    ことを特徴とする圧力伝送装置。
  5. 請求項１において、
    前記導電性配線は、前記プリント基板の電子回路における電源電位に接続される、
    ことを特徴とする圧力伝送装置。
  6. 請求項５において、
    前記電源電位は、正側の電源電位である、
    ことを特徴とする圧力伝送装置。
  7. 請求項１において、
    前記ＳｉＣ集積回路の基板は、ｎ型基板である、
    ことを特徴とする圧力伝送装置。
  8. 請求項１において、
    前記ＳｉＣ集積回路にアナログ回路が備えられている、
    ことを特徴とする圧力伝送装置。
  9. 請求項８において、
    前記アナログ回路はオペアンプを備える、
    ことを特徴とする圧力伝送装置。
  10. 請求項２において、
    前記プリント基板の電子回路は、測定流体の圧力の電気信号を増幅して出力する増幅回路を備える、
    ことを特徴とする圧力伝送装置。
  11. 請求項１において、
    測定流体の圧力を前記耐放射線回路装置を備える増幅回路で増幅して出力する、
    ことを特徴とする圧力伝送装置。
  12. 請求項１に記載の圧力伝送装置を備える、
    ことを特徴とする原子力発電プラント計測システム。
  13. 請求項１２において、
    原子力発電プラント一次系における測定流体を計測する部位に設けられる管状の導圧路と、
    前記導圧路内に充填された封入液と、
    前記導圧路における一方の開口を閉塞する状態で設けられ測定流体の圧力を受圧するシールダイアフラムと、
    前記シールダイアフラムが検知した圧力を電気信号に変換する圧力センサと、
    前記圧力センサの出力信号を増幅するＳｉＣ半導体素子が設置される増幅回路と、
    を備える、
    ことを特徴とする原子力発電プラント計測システム。
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