KR101160661B1 - Ｃｍｏｓ 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CMOS 반도체 소자가 방사선(특히, 이온화 방사선)에 피폭되었을 때 변화하는 최소입력문턱전압(Minimum input threshold voltage, VIL)을 감지하여 방사선을 감지할 수 있게 한 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치에 있어서, 방사선 피폭에 따라 전기적 파라미터값이 열화(degradation)되는 CMOS반도체소자와 ; 상기 CMOS반도체소자의 소비전류 및 출력전압을 디지털신호로 변환하는 전압검출부와 ; 상기 전기적 전압검출부(2)에서 검출된 신호와 기준값과 비교하고, 감지된 신호의 변화로부터 CMOS반도체소자의 방사선 피폭에 따른 열화에 의한 특성변화를 산출하는 주제어기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

ＣＭＯＳ 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치{diagnostic device of a electronic equipment from radiation induced degradation using the CMOS semiconductor devices}
본 발명은 전자장비의 방사선 열화특성 진단장치에 관한 것으로서, 상세하게는 실제 전자장치에 사용되고 있는 CMOS 구조의 반도체 소자의 방사선열화특성을 실시간으로 자기진단 할 수 있는 방법 및 장치의 구성을 통하여 전자보드나 전자장치의 방사선 열화특성을 진단함에 있어 센서를 통한 간접적인 예측분석방법이 아닌 실제전자소자의 열화특성을 실시간적으로 모니터링 함으로써 방사선으로 인한 고장을 예측할 수 있게 한 방사선 열화 특성 진단장치 및 방법에 관한 것이다.
특히, CMOS 반도체 소자가 방사선(특히, 이온화 방사선)에 피폭되었을 때 변화하는 최소입력문턱전압(Minimum input threshold voltage, VIL)을 감지하여 방사선을 감지할 수 있게 한 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치에 관한 것이다.
고직접화가 가능한 CMOS형태의 전자소자는 전리/비전리 방사선에 노출되는 경우 유기되는 방사선의 조사조건에 따라 Upset/Latchup, Burnout 및 Electrical parameter의 변화를 초래한다. 이러한 방사선피해영향은 전자소자의 신뢰성에 있어 치명적인 결함으로 작용될 수 있다. 따라서 방사선환경에 적용되는 전자제어장치의 경우 적용되는 방사선 환경조건에 만족하기 위한 내방사선 설계를 하여야 한다. 예를 들어 방사선 지역의 기기 및 원전내의 작업용 로봇 등은 방사능의 피폭으로 인한 심각한 손상에 노출되어 있으며, 기준치 이상의 방사선에 피폭이 될 경우 오동작 및 고장을 유발하게 되며, 이를 사전에 방지하기 위하여 이들 장비 및 기기들이 피폭되는 방사능의 값을 누적하여 실시간으로 모니터링 하여 기준치에 도달하기 직전에 방사선 환경에서 작업 장비를 철수시키거나 기기 및 장비를 교체하여 사고를 예방할 수 있는 기술을 적용하고 있다. 또한 우주분야 적용되는 인공위성의 경우 우주방사선 및 Van-allen radiation belt에 포획된 전리/비전리 방사선에 대한 내방사선 설계를 위하여 이중(Dual redundancy)/삼중화장치(Tripple modular redundancy)를 통한 오류보정 기술과 방사선센서를 이용하여 검출된 방사선피폭정보를 간접적으로 측정되고 있고 이렇게 측정된 방사선량의 값을 사용하여 전자장치의 방사선에 의한 영향에 의한 전자장치의 고장진단이나 수명예측을 하고 있다. 하지만, 실제적으로 전자소자의 방사선에 의한 영향은 주로 동작온도조건 및 입출력 바이어스조건에 따라서 전자소자의 열화진행의 정도 및 어넬링(Annealing) 특성이 다르게 나타나게 되며 이러한 이유로 간접적으로 측정된 방사선피폭 량에 대한 정보만으로는 전자소자의 진단/수명예측 정보의 정확성을 얻는 데 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서, 실제 방사선환경에서 사용되어지고 있는 전자장치와의 동일한 환경조건(온도,습도)과 입출력바이어스 조건상에서 방사선피폭정보와 이에 따른 전기적특성의 변화를 온라인으로 진단하여 전자소자 및 전자제어장치의 정확한 고장진단 및 수명예측을 하기 위한 전자장비의 방사선 열화특성 진단장치의 구성방법 및 상용화된 CMOS전자소자를 이용한 누적방사선 검출장치의 활용방법을 제공함을 목적으로 한다.
상세하게는 CMOS 반도체 소자가 방사선(특히, 이온화 방사선)에 피폭되었을 때 변화하는 최소입력문턱전압(Minimum input threshold voltage, VIL)과 입출력누설전류와 정지소비전류의 변화를 장비 운용 중에 실시간적인 측정을 통하여 방사선피폭으로 인하여 발생되어지는 오류현상을 감지하여 고장진단과 추이분석을 통한 수명예측을 위한 분석방법을 이용한 실시간 방사선 열화 특성 진단장치를 제공함과 더불어 상용화된 CMOS전자소자를 이용하여 바이어스입력조건 및 온도변화에 따른 방사선 시험 실측결과를 통하여 얻어진 전기적특성변화정보를 이용하여 열화정도에 따른 실제 피폭된 누적방사선량을 검출할 수 있는 방사선 선량계로의 활용방법을 제공함을 목적으로 한다.
이러한 본 발명의 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치에 있어서, 방사선 피폭에 따라 전기적 파라미터값인 최소입력문턱전압이 열화(degradation)되는 CMOS반도체소자와 ; 상기 CMOS반도체소자의 소비전류 및 출력전압을 디지털신호로 변환하는 전압검출부와 ; 상기 전기적 전압검출부(2)에서 검출된 신호와 기준값과 비교하고, 감지된 신호의 변화로부터 CMOS반도체소자의 방사선 피폭에 따른 열화에 의한 특성변화를 산출하는 주제어기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은 방사능환경에서 사용되는 각종 전자제어 및 계측시스템을 비롯한 전자장비의 고장을 진단하는 방법으로 실제로 전자장치를 구성하는 전자소자의 누적선량에 따른 전기적 열화현상을 계측함으로써 실질적이고 정확한 진단이 가능함과 동시에 실제 운영환경에서의 고장예측시간을 예측하여 인공위성 및 원전 제어 로봇 등과 같은 방사능환경에 직접적으로 노출되어 사용되는 전자제어시스템의 실시간적인 고장예측시점을 판단하여 줌으로써 임의의 고장사고에 대한 실질적인 대응체계를 확립하는데 있어서 매우 중요한 정보를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치의 구성도이고,
도 2는 전압검출부의 구성도이고,
도 3은 전압제어부의 구성도이고,
도 4는 전류점출부의 구성도이고,
도 5는 입출력제어부의 구성도이고,
도 6은 예측알고리즘을 나타낸것이고,
도 7은 진단 및 예측과정의 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치의 일예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치는 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치에 있어서, 방사선 피폭에 따라 전기적 파라미터값이 열화(degradation)되는 CMOS반도체소자(1)와 ; 상기 CMOS반도체소자(1)의 소비전류 및 출력전압인 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 전압검출부(2)와 ; 상기 전압검출부(2)에서 검출된 신호를 허용기준치인 기준값과 비교하고, 누적된 계측정보의 추이분석을 통하여 감지된 신호의 변화정보를 획득하고 또한 전기적특성변화정보에 따른 누적 방사선량 피폭정보의 측정결과 정보를 이용하여 CMOS반도체소자로 구성된 전자제어장치의 실제 임무수행중 방사선피폭에 따른 고장진단 과 임무수행가능시점을 산출하는 주제어기(3)를 포함하여 구성된다.
상기 CMOS반도체소자(1)는 반도체 소자가 방사선 특히, 이온화 방사선에 피폭되면 소자 내부에서 발생되는 이온화현상에 의하여 최소입력문턱전압(Minimum input threshold voltage, VIL)이 변화하게 되며, 이 VIL의 변화량은 피폭 방사선량에 비례하기 때문에 VIL를 피폭 방사선량 측정변수로 사용할 수 있고 또한 VIL은 주변소자와의 인터페이스의 전기적 입출력 전압을 정의한 것으로 고장 또는 오동작의 집적적인 원인으로 작용되기 때문에 설계허용기준치 이하의 유무에 따라 실질적인 고장진단과 그 열화정도에 따른 고장시점의 예측이 가능하다. 또한 정지소비전류(Quiescent current) 및 입력누설전류(Input leakage current)의 증가현상 또한 설계조건에 따라 오동작을 유발하는 원인을 작용하기 때문에 허용기준치를 설정하고 이러한 허용기준치를 초과하는지 여부에 대한 확인과 증가추이정보의 분석을 통하여 허용기준치를 도달이 예상되는 고장시점예측의 방법으로 활용이 가능하다.
따라서 이러한 CMOS반도체소자(1)의 VIL은 상기 전압검출부(2)에서 디지털신호로 변환되어 주제어부(3)로 전달되며, 주제어부(3)는 이렇게 전달된 VIL와 기준전압값을 비교하거나, VIL의 변화로부터 방사선을 검출할 수 있는 것이다.
상기 진단장치와 같이 구성된 진단장치는 추가적으로 방사선 누적선량을 감지하기 위한 반도체방식의 TID(Total Ionizing dose)센서(4)와 ; 상기 TID센서(4)의 누적방사선량정보를 계측하기 위한 입력신호인 정전류신호를 입력하기 위한 전압제어부(5)와 ; 상기 전자장비를 구성하는 전자소자가 방사선 누적선량에 따라 변하는 비정상적인 소비전류를 검출하는 전류검출부(6)와 ; CMOS반도체소자의 입력포트에서의 최소입력문턱전압을 측정하기 위하여 상기 주제어기(3)의 제어에 따라 전압을 상기 전압제어부(5)로 입력시키거나 상기 CMOS반도체소자(1)로 입력시키 위한 입출력제어부(7)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 주제어기(3)는 상기 TID센서(4)의 출력전압과 상기 CMOS반도체소자(1)의 소비전류 및 출력전압으로부터 전자장비를 구성하는 전자소자의 전기적 파라메터의 변화에 따른 전자소자의 고장을 예측하는 프로그램이 내장되어 있다.
즉, 상기 CMOS반도체소자(1)를 이용하여 실시간으로 실제의 피폭량을 검출하고, 상기 TID센서(4)를 이용하여 누적 선량을 검출하며, 상기 전압검출부(2) 및 전류검출부(6)를 통해 전자장비를 구성하는 전자소자의 전기적인 파라미터값을 지속적으로 검출하여 그 변화정보를 분석함으로써 전소자의 피폭에 따른 특성 변화 및 내구성을 산출할 수 있는 것이다.
상기 전압검출부(2)는 상기 전류검출부, 입출력제어부, TID센서로부터 입력되는 아날로그 전압에 입력받는 전압팔로워(21a, 21b, 21c)와 ; 상기 주제어기(3)로부터 입력되는 제어신호에 따라 상기 전압팔로워로부터 입력되는 신호 중 어느 하나를 출력하는 멀티플렉서(22)와 ; 상기 멀티플렉서(22)로부터 출력되는 아날로그신호를 디지털신호로 출력하는 ADC(23)로 구성되고, 상기 전압제어부(5)는 상기 주제어기(3)로부터 전자소자로 전달되는 디지털 제어신호를 아날로그신호로 변환하는 DAC(51)와 ; 상기 TID센서(4)로 정전류신호를 입력하기 위한 V-I 변환기(52)와 ; 증폭기들(53a, 53b)로 구성된다.
그리고, 상기 전류검출부(6)는 상기 전자소자들의 바이어스 입력 전류를 검출하는 전류검출센서(61)와 ; 전류검출센서(61)의 출력을 증폭하는 증폭기(62)로 구성되고, 상기 입출력제어부(7)는 RF릴레이(71)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치는 도 6에 도시한 바와 같은 알고리즘에 의해 전자소자의 파라메터값의 변화 추이를 산출하고 이러한 파라메터값의 변화 추세로부터 전자소자의 사용가능 시간을 예측할 수 있는 것이다.
또한, 도 7에 도시한 바와 같은 과정에 의해 피폭에 따른 전자소자의 열화 정도를 감지하고, 현재의 열화 상태와 그동안의 추이에 따라 해당 전자소자의 사용가능 시간을 예측할 수 있다.
즉, 상기 TID센서와 전류검출부 및 CMOS반도체소자로부터 출력되는 전기적 파라메터(VIL, VOUT, ICC)로부터 전자소자의 누적선량을 측정하고, 측정된 누적선량과 주제어부에 기 설정된 기준값을 비교하여 전자소자의 전기적인 특성을 분석하고, 분석된 결과 전자소자가 열화되어 사용이 불가능할 경우에는 에러 처리하여 전자소자를 폐기하고, 이 정보를 저장하여 이후 다른 전자소자의 피폭에 따른 특성 변화의 자료로 설정하고, 사용 가능한 상태일 경우에는 피폭에 따른 특성 변화 추세의 정보로부터 해당 전자소자의 이후 동향이나 사용가능시간을 예측하게 된다.
1 : CMOS반도체소자
2 : 전압검출부
3 : 주제어기
4 : TID(Total Ionizing dose)센서
5 : 전압제어부
6 : 전류검출부
7 : 출력제어부

Claims (7)

  1. 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치에 있어서,
    방사선 피폭에 따라 전기적 파라미터(Electrical parameter)값인 최소입력문턱전압이 열화(degradation)되는 CMOS반도체소자(1)와; 상기 CMOS반도체소자(1)의 소비전류 및 출력전압을 디지털신호로 변환하는 전압검출부(2)와; 상기 전압검출부(2)에서 출력되는 신호와 기준값과 비교하고, 감지된 신호의 변화로부터 CMOS반도체소자의 방사선 피폭에 따른 열화에 의한 특성변화를 산출하는 주제어기(3)를 포함하여 구성되되;
    상기 진단장치는 방사선 누적선량을 감지하기 위한 TID(Total Ionizing dose)센서(4)와 ;
    상기 TID센서(4)로 정전류신호를 입력하기 위한 전압제어부(5)와 ;
    상기 전자장비를 구성하는 전자소자가 방사선 누적선량에 따라 변하는 비정상적인 소비전류를 검출하는 전류검출부(6)와 ;
    상기 주제어기(3)의 제어에 따라 전압을 상기 전압제어부(5)로 입력시키거나 상기 CMOS반도체소자(1)로 입력시키는 입출력제어부(7)를 포함함을 특징으로 하는 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 주제어기(3)에는 상기 TID센서(4)의 출력전압과 상기 CMOS반도체소자(1)의 소비전류 및 출력전압으로부터 전자장비를 구성하는 전자소자의 전기적 파라메터의 변화에 따른 전자소자의 고장을 예측하는 프로그램을 구비함을 특징으로 하는 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압검출부(2)는 상기 전류검출부, 입출력제어부, TID센서로부터 입력되는 아날로그 전압에 입력받는 전압팔로워(21a, 21b, 21c)와 ;
    상기 주제어기(3)로부터 입력되는 제어신호에 따라 상기 전압팔로워로부터 입력되는 신호 중 어느 하나를 출력하는 멀티플렉서(22)와 ;
    상기 멀티플렉서(22)로부터 출력되는 아날로그신호를 디지털신호로 출력하는 ADC(23)로 구성됨을 특징으로 하는 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압제어부(5)는 상기 주제어기(3)로부터 전자소자로 전달되는 디지털 제어신호를 아날로그신호로 변환하는 DAC(51)와 ;
    상기 TID센서(4)로 정전류신호를 입력하기 위한 V-I 변환기(52)와 ;
    증폭기들(53a, 53b)로 구성됨을 특징으로 하는 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류검출부(6)는
    상기 전자소자들의 바이어스 입력 전류를 검출하는 전류검출센서(61)와 ;
    전류검출센서(61)의 출력을 증폭하는 증폭기(62)로 구성됨을 특징으로 하는 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 입출력제어부(7)는 RF릴레이(71)임을 특징으로 하는 CMOS 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치.
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