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Dokumentenidentifikation DE69808042T2 17.04.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0934615
Titel VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BETREIBEN EINES UNTER STRAHLUNG ARBEITENDEN ELEKTRONISCHEN BAUTEILS MIT KOMPLEMENTÄREN MOS-TRANSISTOREN
Anmelder Commissariat a l'Energie Atomique, Paris, FR
Erfinder GIRAUD, Alain, F-91400 Orsay, FR;
JOFFRE, Francis, F-91440 Bures-sur-Yvette, FR
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69808042
Vertragsstaaten DE, GB, IT
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 25.06.1998
EP-Aktenzeichen 989337233
WO-Anmeldetag 25.06.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/FR98/01352
WO-Veröffentlichungsnummer 0099000882
WO-Veröffentlichungsdatum 07.01.1999
EP-Offenlegungsdatum 11.08.1999
EP date of grant 18.09.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.04.2003
IPC-Hauptklasse H02H 5/00

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines unter Strahlung arbeitenden elektronischen Bauteils mit Transistoren des Typs Komplementär-MOS (Metal Oxyde Semiconductor). Sie betrifft auch eine Vorrichtung zum Versorgen eines solchen elektronischen Bauteils und von Systemen mit einer oder mehreren derartigen Vorrichtungen.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung versteht man unter elektronischem Bauteil mit Komplementär-MOS-Transistoren oder. CMOS-Transistoren nicht nur elementare Einzelbauteile wie zum Beispiel Ports oder Inverter, die CMOS-Transistoren enthalten, sondern auch Systeme, die durch eine Vielzahl von elementaren Einzelbauteile gebildet werden, zum Beispiel Schaltkreise, Teile von Schaltkreisen, Mikroprozessoren oder Rechner, die CMOS-Transistoren enthalten.

Die Erfindung findet Anwendungen bei der Herstellung von elektronischen Vorrichtungen wie zum Beispiel Steuervorrichtungen, die in einer lebensfeindlichen Umgebung von ionisierender Strahlung verwendet werden können, insbesondere in der zivilen Nuklearindustrie. Die Erfindung findet auch Anwendungen bei der Herstellung von mitgeführten bzw. eingebauten elektronischen Vorrichtungen, die in einer lebensfeindlichen ionisierenden Atmosphäre verwendet werden können.

Stand der Technik

Die Entwicklung von in der zivilen Nuklearindustrie verwendeten Systemen hat während der Neunziger-Jahre beträchtlich zugenommen.

Aus Kosten-, Lieferfrist- und Gesetzgebungsgründen wurden die speziell für den Einsatz unter Strahlung konzipierten Bauteile größtenteils durch weit verbreitete Standardbauteile ersetzt, insbesondere durch Bauteile des CMOS-Typs (Bauteile mit Transistoren des Komplementär-Metalloxidhalbleitertyps).

Indem also im Voraus Bauteile ausgewählt werden, deren Strahlungsfestigkeit gut ist und bei denen bestimmte Regeln der Konzeption der Architektur der Systeme respektiert werden, können diese Systeme bei ionisierender Strahlung mit Dosen über 1 Mrad verwendet werden.

Gegenwärtig durchgeführte Studien zeigen sogar, dass die zunehmende Qualität der Herstellungsverfahren der Bauteile in sehr beachtlicher Weise ihr intrinsisches Verhalten verbessern. Trotzdem bleibt wahr, dass die Unbeständigkeit der neuen Bauteile die frühere Beherrschung der Strahlungsfestigkeit schwierig macht. Bei den meisten Anwendungen bzw. - Einsätzen solcher mitgeführten bzw. eingebauten Bauteile ist es wichtig, präventiv auf den Verlust der Funktionalität eines elektronischen Systems zu reagieren. Ein Verlust der Funktionalität kann nämlich die Ursache für eine große Verschlechterung der Bauteile sein, zurückzuführen auf die integrierte Strahlungsdosis.

Man geht davon aus, dass ein Bauteil einen Funktionalitätsverlust erleidet, wenn es entweder defekt ist oder seine Aufgaben nicht fehlerfrei ausführt.

Wenn die Architektur eines elektronischen Systems mit einer bestimmten Anzahl redundanter Elemente oder Teile konzipiert wurde, ist es möglich, das System zu rekonfigurieren, um neue Elemente einzuschalten, die vorher abgeschaltet waren, und dafür Elemente abzuschalten, die vorher eingeschaltet waren. Zu diesem Thema kann man sich zum Beispiel auf das Dokument (1) beziehen, dessen Referenzangaben am Ende der vorliegenden Beschreibung zu finden sind.

Eine solche Rekonfiguration ermöglicht also, in dem System präventiv, temporär oder definitiv die Bauteile zu eliminieren, die defekt sind oder eventuell eine Störung verursachen könnten.

Die Rekonfiguration eines einer Strahlung ausgesetzten elektronischen Systems, während der bestimmte Bauteile abgeschaltet werden, ermöglicht, eine zu große Schädigung der Bauteile zu vermeiden, ja sogar eine "Regenerierung" dieser letzteren.

Es ist nämlich bekannt, dass die elektronischen Bauteile der Mikrocontroller und insbesondere die Bauteile des Typs MOS, wenn sie ionisierender Strahlung ausgesetzt waren aber abgeschaltet wurden, wenigstens teilweise wieder ihre ursprünglichen Kennwerte erlangen können, nachdem sie beschädigt worden waren, als sie eingeschaltet waren.

Das Phänomen der Regenerierung der abgeschalteten Bauteile unter Strahlung ist zurückzuführen auf eine Evakuierung der durch die Strahlen induzierten Ladungen und durch einen Kompensations- und Neuverteilungseffekt der Ladungen. Insbesondere in den MOS- Bauteilen wandern die Löcher zu der Zone der Oxid-Halbleiter-Grenzfläche, um die in der Oxidschicht gefangenen Ladungen zu kompensieren. Zu diesem Thema kann man die Dokumente (2) und (3) konsultieren, deren Referenzangaben am Ende der vorliegenden Beschreibung zu finden sind.

Um eine Rekonfiguration eines elektronischen Systems vorzusehen und den eventuellen Pannen der Bauteile zuvorzukommen, ist es nötig, eine Relation herzustellen zwischen der Dosis der durch die Bauteile empfangenen ionisierenden Strahlung und der Funktionalität des Systems.

Um die durch die Bauteile empfangene Strahlungsdosis zu bestimmen, kann man sich bekanntlich der Verschiebung der Schwellenspannung der CMOS-Bauteile bedienen.

Zum Beispiel kann ein einfaches CMOS-Bauteil wie etwa ein Inverter des Typs 7404 als Dosimeter benutzt werden.

Ein Inverter des Typs 7404 setzt sich zusammen aus einem NMOS- und PMOS- Transistorenpaar. Bei einer gegebenen Versorgungsspannung +Vcc des Bauteils liegt die Umschaltschwelle des Inverters bei Vcc/2. Wenn das Bauteil einer Strahlung ausgesetzt wird, sinkt diese Schwelle. Nach den Polarisationsbedingungen während der Bestrahlung (hohe Polarisierung) kann der Schwellenwert sogar negativ werden.

Es zeigt sich, dass bei einer Polarisation null während der Bestrahlung des Bauteils die Schwellenspannung des Inverters eine relativ homogene Funktion der empfangenen Dosis ist.

Einem elektronischen System zugeordnet, kann ein Inverter des Typs 7404 mit MOS-Bauteilen also zum Messen der empfangenen Dosis dienen. Man kann zu diesem Thema das Dokument (4) konsultieren, dessen Referenzangaben am Ende der vorliegenden Beschreibung zu finden sind.

Ein weiterer nützlicher Parameter zum Messen der Strahlung ist der Strom, den die CMOS-Bauteile verbrauchen. Der Verbrauchsstrom eines CMOS-Bauteils nimmt zu mit der Dosis an empfangener Strahlung. Dies ist eine Konsequenz einer Befreiung von der 0-Volt- Schwellenspannung der Transistoren des Typs NMOS (MOS des n-Typs). Der Verlust- bzw. Kriechstrom der Transistoren nimmt nämlich zu, wenn die Schwellenspannung negativ ist. Auch verwendet man in bestimmten Vorrichtungen das Messen des Ruhestroms, um die empfangene Dosis an ionisierender Strahlung zu kontrollieren. Zu diesem Thema kann man das Dokument (5) konsultieren, dessen Referenzangaben am Ende der vorliegenden Beschreibung zu finden sind.

Es zeigt sich jedoch, dass die Benutzung des Parameters des durch ein Bauteil verbrauchten Stroms schlecht die Verfügbarkeit des Bauteils oder des elektronischen Systems ausdrückt, bei dem dieser Strom gemessen wurde. Die Intensität des Stroms bleibt nämlich empfindlich für die Dosismenge und zeigt keinen Einfluss einer Regeneration des Bauteils. Üblicherweise beobachtet man eine schnelle Zunahme des verbrauchten Stroms, gefolgt von einer langsameren Abnahme, ohne dass deswegen die Verfügbarkeit des Bauteils oder der Bauteile davon berührt wird. Außerdem sind die Strahlungen ausgesetzten elektronischen Bauteile meist imstande, jenseits der Kennwerte zu funktionieren, die der Hersteller dieser Bauteile liefert.

Die Vorrichtungen oder Verfahren zur Bestimmung der Strahlungsdosis, so wie oben beschrieben, ermöglichen gewiss, das Überschreiten der vorher festgelegten kritischen Schwelle zu signalisieren, ermöglichen aber nicht, den Betrieb eines elektronischen Systems für eine bestimmte, in einer vorgegebenen Zeit auszuführende Aufgabe zu garantieren.

Um also die Zuverlässigkeit des Betriebs eines elektronischen Systems zu erhöhen, überdimensioniert man diese Systeme im Allgemeinen. Eine solche Maßnahme hat jedoch negative Auswirkungen auf die Kosten, die Komplexität und die Abmessungen des Systems.

Zudem berücksichtigen die oben beschriebenen Mittel nicht das schon erwähnte Phänomen der Regenerierung der Bauteile.

Um die Beschreibung des Stands der Technik zu vervollständigen, kann man das Dokument (6) nennen, das den Einfluss einer Strahlung auf die minimale Versorgungsspannung eines MOS-Bauteils zeigt.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgaben der Erfindung bestehen darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen man den Betrieb von elektronischen Bauteilen steuern kann, die nicht die oben dargestellten Einschränkungen aufweisen.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es nämlich, den Betrieb eines elektronischen Bauteils oder einer Vielzahl elektronischer Bauteile während einer bestimmten Dauer zu garantieren, indem man den ionisierenden Strahlungen Rechnung trägt, die die Bauteile während dieser Dauer empfangen haben.

Die Erfindung hat auch die Aufgabe, die Fähigkeit der Bauteile, sich zu regenerieren, zu berücksichtigen, wenn sie nicht eingeschaltet sind. Um diese Aufgaben zu erfüllen, hat die Erfindung ein Verfahren genau nach Anspruch 1 zum Gegenstand.

Die Erfindung betrifft insbesondere Bauteile, die eine oder mehrere CMOS- Transistor-Stufen umfassen.

Das Verfahren kann außerdem eine sogenannte Ruhephase umfassen, die entweder nach der Arbeitsphase eintritt oder wenn die Überprüfung eine Betriebsstörung festgestellt hat. In dieser Phase legt man eine Ruhespannung an das Bauteil.

Im Sinne der Erfindung versteht man unter Versorgungs-Nominalspannung die Spannung, mit der das Bauteil normalerweise in einer Vorrichtung versorgt werden muss, in die es integriert ist.

Außerdem definiert man die minimale Betriebsspannung als die für das Bauteil niedrigste nötige Spannung, um eine Arbeit ohne Funktionalitätsverlust auszuführen.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, dass der richtige Betrieb eines bestrahlten elektronischen Bauteils sichergestellt werden kann, wenn man an dieses Bauteil eine höhere Versorgungsspannung anlegt.

Mit anderen Worten ermöglicht eine Erhöhung ΔV der Versorgungsspannung die Aufrechterhaltung des störungsfreien Betriebs eines Bauteils bei einer bestimmten integrierten Strahlungsdosis während einer Arbeitsphase. So kann man, indem man die durch das Bauteil integrierte Dosis an ionisierender Strahlung misst, eine Betriebsdauer oder Arbeitsphasendauer bestimmen, während der ein störungsfreier Betrieb des Bauteils, dessen Versorgungsspannung um ΔV erhöht wird, aufrechterhalten werden kann.

Dank dem erfindungsgemäßen Verfahren - wenn das perfekte Funktionieren des Bauteils bei der Initialspannung Vinit festgestellt wurde - kann der Betrieb während der Arbeitsphase mit einer Spannung von wenigstens ΔV über der Initialspannung aufrechterhalten werden.

Insbesondere kann das Bauteil während der Arbeitsphase mit einer Spannung versorgt werden, die im Wesentlichen seiner Nominalspannung entspricht.

In diesem Fall ist die Initialspannung, bei der die Kontrolle durchgeführt wird so, dass Vinit = Wnom - ΔV.

Um den Betrieb unter Strahlung während einer bestimmten Dauer zu garantieren, kann die Dauer der Arbeitsphase angepasst werden in Abhängigkeit von der durch die Strahlen verursachten Zunahme der Versorgungsspannung ΔV.

Für eine bestimmte durch ein Bauteil integrierte Dosis hat die Versorgungsspannung dieses einen mit Vmin bezeichneten minimalen Betriebswert.

So kann man nach einem besonderen Aspekt der Erfindung für jedes elektronische Bauteil die minimale Betriebsspannung unter Bestrahlung Vmin bestimmen, und man passt die Dauer der Arbeitsphase in Bezug auf die Dauer der Ruhephase in Abhängigkeit von der genannten minimalen Betriebsspannung an.

Noch genauer ist es auch möglich, die Dauer der Arbeitsphase und die Ruhephase in Abhängigkeit von einem Unterschied zwischen der Nominalspannung und der Minimalspannung anzupassen.

Diese Maßnahmen ermöglichen, einen optimalen Betrieb des Bauteils oder der Bauteile zu erhalten, indem man ihre Fähigkeit berücksichtigt, sich während der Ruhephase zu regenerieren, während der eine Ruhespannung, vorzugsweise null, an sie angelegt ist.

Zudem, um der Regeneration der Bauteile voll Rechnung zu tragen, kann man die minimale Betriebsspannung während oder direkt nach der Ruhephase bestimmen.

Nach einem anderen besonderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren mit folgenden Schritte definiert:

- man bestimmt durch einen Test eine minimale Betriebsspannung Vmin des Bauteils unter Strahlung,

- man versorgt das Bauteil mit einer Versorgungsspannung Valim wie Vmin + ΔV ≤ Valim ≤ Vnom während einer Arbeitsphase, deren Dauer festgelegt wird in Abhängigkeit von ΔV, wobei ΔV eine Spannung ist,

- man legt während einer Ruhephase an das Bauteil eine Ruhespannung an.

Da also die Versorgungsspannung um eine Größe von wenigstens gleich ΔV höher ist als die minimale Betriebsspannung, kann das Bauteil eine Strahlungsdosis - abhängig von Δ - integrieren, ohne seine Funktionalität zu verlieren. Der Zusammenhang zwischen der Spannungsdifferenz ΔV und der zulässigen Strahlendosis kann experimentell hergestellt werden.

Die Erfindung hat auch eine Vorrichtung nach Anspruch 11 zum Gegenstand.

Die Selektionseinrichtungen sind zum Beispiel ein elektronischer Port mit drei Eingängen, jeweils verbunden mit der Nominalspannungsquelle, der Ruhespannungsquelle und der Initialspannungsquelle.

Die Betriebskontrolleinrichtungen des Bauteils können Testschaltkreise sein, fähig Test durchzuführen, zum Beispiel "Lebens-Tests", "Kohärenz-Tests" oder "Auto- bzw. Selbst- Tests". Die Kontrolleinrichtungen können auch Schaltungen des Typs " Wachhund" umfassen.

Die Schaltungen des "Wachhund"-Typs sind im Allgemeinen für Bauteile wie zum Beispiel Mikroprozessoren vorgesehen. Der Mikroprozessor muss der "Wachhund"-Schaltung regelmäßig einen "Lebenszeichen"-Impuls liefern, der eine Bestätigung seines perfekten Funktionierens bildet.

Die Erfindung betrifft auch einen Rechner mit einer Vielzahl abwechselnd bzw. nacheinander arbeitender redundanter Recheneinheiten. Erfindungsgemäß ist jede Recheneinheit mit einer Versorgungskontrolleinheit ausgerüstet - wie oben beschrieben.

Insbesondere kann jede Recheneinheit ein Mikrocontroller sein.

Um den abwechselnden Betrieb der Recheneinheiten zu koordinieren, kann ein solcher Mikrocontroller programmiert sein, um nach Beendigung einer Arbeitsphase eine andere Recheneinheit einzuschalten.

Noch genauer kann jede Recheneinheit so programmiert sein, dass sie fähig ist:

a) bei Abschluss einer Arbeitsphase eine nachfolgende Recheneinheit auszuwählen,

b) die Kontrolleinrichtungen der Versorgungskontrolleinrichtung der genannten nachfolgenden Recheneinheit zu steuern, um eine Kontrollphase und eine Arbeitsphase einzuleiten, wenn die Kontrolle ein korrektes Funktionieren anzeigt,

c) eine andere nachfolgende Recheneinheit auszuwählen, wenn die Kontrolle ein fehlerhaftes Funktionieren anzeigt.

Als Variante des oben beschriebenen Systems betrifft die Erfindung auch ein elektronisches System mit einer Vielzahl von Recheneinheiten und einem elektronischen Modul zur Überwachung des abwechselnden Betriebs der Recheneinheiten. In diesem System umfasst der Überwachungsmodul wenigstens eine Versorgungskontrollvorrichtung wie oben beschrieben, verbunden mit der Vielzahl von Recheneinheiten.

Nach einem weiteren besonderen Aspekt der Erfindung wird ein Testverfahren definiert, das wenigstens einen Transistor des CMOS-Typs umfasst und bei dem man folgendermaßen vorgeht:

- man lässt das Bauteil arbeiten, indem man die Versorgungsspannung des Bauteils reduziert, bis man ein fehlerhaftes Funktionieren des Bauteils detektiert,

- man misst die Versorgungsspannung (Vmin) des Bauteils, unterhalb der das fehlerhafte Funktionieren eintritt, und

- man vergleicht diese Versorgungsspannung mit einer Versorgungs-Nominalspannung (Vnom) des Bauteils, um einen Betriebstoleranzbereich des Bauteils unter Strahlung festzulegen.

Der Betriebstoleranzbereich kann zum Beispiel verstanden werden als Differenz zwischen der Nominalspannung und derjenigen Spannung, unter der ein Störbetrieb beobachtet wird. Der Betriebstoleranzbereich bildet also eine Information über die Qualität des Bauteils, die seine Fähigkeit ausdrückt in einem Strahlungsmilieu zu arbeiten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, bezogen auf die beigefügten, nur erläuternden und nicht einschränkenden Zeichnungen.

Kurzbeschreibung der Figuren

- Die Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schema, das eine Versuchsvorrichtung zur Messung der minimalen Betriebsspannung eines elektronischen Bauteils in einer Strahlungszone darstellt.

- Die Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine Relation zwischen der minimalen Betriebsspannung eines kontinuierlich versorgten Bauteils als Funktion einer durch dieses Bauteile empfangenen Strahlungsdosis.

- Die Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Relation zwischen der minimalen Betriebsspannung einer Gruppe gleicher elektronischer Bauteile als Funktion einer durch diese Bauteile empfangenen Strahlungsdosis zeigt, wobei die Bauteile während der Bestrahlung nicht versorgt werden und nach der Messung der minimalen Betriebsspannung wieder der Strahlung ausgesetzt werden.

- Die Fig. 4 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Versorgungskontrollvorrichtung.

- Die Fig. 5 ist eine schematische vereinfachte Darstellung eines elektronischen Rechners, ausgerüstet mit erfindungsgemäßen Versorgungskontrollvorrichtungen.

- Die Fig. 6 ist ein elektronisches System von Recheneinheiten, ausgerüstet mit einer erfindungsgemäßen Versorgungskontrollvorrichtung.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsarten der Erfindung

Vor der eigentlichen Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorteilhaft, die Funktionswaise einer Versuchsvorrichtung zu erläutern, die ermöglicht, die minimale Betriebsspannung Vmin eines Bauteils zu messen. Diese Spannung bildet nämlich einen nützlichen Parameter bei der Anwendung der Erfindung.

Zu diesem Zweck liefert die Fig. 1 ein Beispiel einer automatischen Messvorrichtung der minimalen Spannung.

Die Vorrichtung umfasst ein Messfeld 10 mit einer Bestrahlungszone 12 und einer Zone 14, Schutzzone genannt, in der die Bestrahlung vernachlässigbar ist.

Ein Bauteil 16, zum Beispiel eine Karte mit gedruckten Schaltungen oder einem Mikroprozessor, dessen minimale Betriebsspannung man wissen möchte, ist in der Bestrahlungszone 12 angeordnet, um dort einer bestimmten ionisierenden Strahlung ausgesetzt zu werden.

Das Bauteil 16 ist einerseits mit einer kontrollierten Versorgungsvorrichtung 18 verbunden, angeordnet außerhalb des Messfelds 10, und andererseits mit einem logischen elektronischen System 20 zur Kontrolle seines perfekten Funktionierens. Das logische Kontrollsystem 20 ist in der Schutzzone 14 angeordnet, um nicht bestrahlt zu werden. Es ist dazu bestimmt, eine bestimmte Anzahl von Tests durchzuführen, die ermöglichen, die Funktionalität des Bauteils festzustellen, mit dem es verbunden ist.

Außerdem ist das logische Kontrollsystem 20 mit einer Dialog-Software und einem Informationsaustausch-Port ausgestattet, über den es mit einer Kontrolleinheit verbunden ist, zum Beispiel einem PC 24.

Der PC 24 ist auch mit der Versorgungskontrollvorrichtung 18 verbunden, um die an das Bauteil 16 angelegte Versorgungsspannung zu steuern und zu variieren.

Nach einem ersten Versuchsprotokoll arbeitet das bestrahlte Bauteil 16 kontinuierlich und dialogiert mit der logischen Kontrolleinheit 20, die ihr perfektes Funktionieren feststellt. Zunächst wird eine Nominalspannung von 5 V an das Bauteil 16 gelegt. Dann wird die Versorgungsvorrichtung ungefähr alle 10 Minuten gesteuert, um die minimale Betriebsspannung zu bestimmen. Praktisch geht man so vor, dass die dem Bauteil 16 gelieferte Spannung in Schritten von 0,1 V reduziert wird, bis ein Funktionalitätsverlust durch das logische Kontrollsystem 20 detektiert wird.

Der Funktionalitätsverlust drückt sich aus durch die Tatsache, dass die durch das logische Kontrollsystem 20 ausgeführten Tests sich als negativ erweisen, oder einfacher durch den Verlust der Kommunikation zwischen dem PC 24 und dem logischen Kontrollsystem 20.

Die Fig. 2 zeigt in graphischer Form die Entwicklung der minimalen Betriebsspannung eines Mikroprozessors des Typs OKI 80 C86, gemessen wie oben weiter beschrieben.

Um die in der Fig. 2 dargestellten Messungen zu realisieren, ist das Bauteil einer Bestrahlung von 100 Gy/h ausgesetzt worden.

Schließlich ist in der Fig. 2 die durch das Bauteil empfangene Strahlungsdosis als Abszisse aufgetragen, im logarithmischen Maßstab und ausgedrückt in Gray, während die minimale Betriebsspannung als Ordinate aufgetragen ist, in Volt.

Die Analyse der Fig. 2 zeigt deutlich eine Zunahme der minimalen Betriebsspannung im Laufe der Zeit, in Abhängigkeit von der Zunahme der durch das Bauteil integrierten Strahlungsdosis.

Bei einer anderen Versuchsmessungsreihe wurden Mikrocontroller des Typs 68EM05C4EC einer Strahlung von 60 Gylh ausgesetzt.

Jedoch wurden die Mikrocontroller während der Bestrahlung nicht versorgt und die Messungen der minimalen Betriebsspannung sind bei abgestuften Dosen (doses paliers) durchgeführt worden, indem der Mikrocontroller aus der Bestrahlungszone herausgezogen wurde.

Die Messresultate der Minimalspannung werden durch die Kurve der Fig. 3 angegeben.

In der Fig. 3 ist die durch einen Mikrocontroller empfangene Strahlungsdosis als Abszisse aufgetragen und ausgedrückt in Gray, während die minimale Betriebsspannung als Ordinate aufgetragen ist, in Volt.

Indem man die Fig. 3 analysiert, kann man feststellen, dass die minimale Betriebsspannung mit der durch das Bauteil integrierten Strahlungsdosis zunimmt.

Die Tatsache, dass die Bauteile während der Bestrahlung nicht versorgt werden, versetzt sie in den Zustand der günstigsten Bedingungen und ermöglicht ihnen, höhere Strahlungsdosen auszuhalten. Eine solche Untersuchung ermöglicht die Durchführung einer ersten Selektion der Bauteile bezüglich ihrer Strahlungsfestigkeit.

Die Fig. 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Versorgungskontrollvorrichtung.

Die Versorgungskontrollvorrichtung trägt das allgemeine Bezugszeichen 100. Sie ist verbunden mit einem elektronischen Bauteil 104, das sie mit elektrischer Energie versorgt und das im Allgemeinen in einer Strahlungszone 106 angeordnet ist.

Die Vorrichtung 100 umfasst eine Selektionsschaltung 110 mit Umschaltern, die ermöglichen, das Bauteil 104 selektiv mit einer Nominalspannungsquelle 112, einer sogenannten Initialspannungsquelle 114 und einer Ruhespannungsquelle 116 zu verbinden. Die Initialspannungsquelle umfasst eine Spannungserniedrigungsschaltung 118, verbunden mit der Nominalspannungsquelle 112.

Die Ruhespannungsquelle schließlich kann ganz einfach ein Masseanschluss sein. Ihre Spannung beträgt also 0 Volt.

Die Selektionsschaltung 110 ermöglicht, die Schaltung 104 in drei Betriebsphasen arbeiten zu lassen, jede gekennzeichnet durch eine an die Schaltung 104 angelegte Spannung.

Die erste Phase ist eine sogenannte Arbeitsphase, während der das Bauteil 104 mit der Nominalspannung verbunden ist und normal funktioniert. Die Dauer dieser Phase wird durch die Kontrollvorrichtung 120 festgelegt, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Intensität der Strahlung, der das Bauteil ausgesetzt ist. In einem solchen Fall kann die Kontrollvorrichtung 120 auch mit einem Dosimeter ausgerüstet werden, wenn die Strahlung nicht bekannt ist. Dieses Organ ist jedoch nicht wesentlich und in der Figur nicht dargestellt.

Eine weitere Phase ist die Ruhephase, während der das Bauteil nicht unter Spannung steht oder nur unter einer niedrigen Spannung steht. In dieser Phase kann sich das Bauteil regenerieren.

Die Ruhephase wird während einer Dauer aufrechterhalten, die zum Beispiel von der Dauer der Arbeitsphase, von der Strahlungsdosis des Bauteils und von der Differenz zwischen der Nominalspannung und der Minimalbetriebsspannung abhängt. Die Ruhephase kann auch solange aufrecht erhalten werden, wie das Bauteil ausfällt bzw. sein Betrieb gestört ist.

Schließlich wird während einer Kontrollphase eine Initialspannung Vinit, die niedriger ist als die Nominalspannung, an die Schaltung angelegt und der störungsfreie Betrieb des Bauteils wird überprüft.

Zu diesem Zweck ist die Versorgungskontrollvorrichtung 100 mit Betriebskontrolleinrichtungen 120 ausgestattet, die mit dem Bauteil 104 verbunden sind.

Wie oben angegeben, können diese Einrichtungen 120 mit bekannten Schaltungen des Typs "Lebens-Test" oder "Wachhund" ausgestattet sein.

Die Kontrolleinrichtungen 120 sind auch mit der Selektionsschaltung 110 verbunden, um sie zu steuern und insbesondere, um die Arbeitsphase zu sperren, wenn ein störungsfreier Betrieb nicht bestätigt wird.

Zusätzlich kann man anmerken, dass die Kontrolleinrichtungen 120, die zusammen mit einem einstellbaren Spannungserniedriger 118 benutzt werden, auch verwendet werden können, um die minimale Betriebsspannung des Bauteils 104 zu ermitteln. Es genügt nämlich bei der Kontrollphase, die Spannung bis unter die Initialspannung Vinitt abzusenken, solange, bis effektiv ein Funktionalitätsverlust festgestellt wird.

Die Fig. 5 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Vorrichtung der Fig. 4.

Die Fig. 5 zeigt schematisch und teilweise einen Rechner, ausgestattet mit einer Vielzahl von gleichen Recheneinheiten 200a und 200b, von denen nur zwei dargestellt sind.

Jede Recheneinheit ist mit einem programmierbaren Speicher des Typs PROM (Programmable Read Only Memory) und einem Mikrocontroller ausgestattet.

Jede Recheneinheit ist mit einem Dateneingangs- und -ausgangs-Interface 202a, 202b ausgestattet, um die über einen Eingangs- und Ausgangsbus 204 übertragenen Daten zu senden und zu empfangen.

Der Bus 204 ermöglicht, Informationen mit den peripheren Geräten auszutauschen oder mit einem zentralen Speicher, ebenfalls mit einem Eingangs- und Ausgangsinterface 207 ausgestattet.

Jede Recheneinheit ist auch mit einer elektronischen Überwachungsschaltung des Typs "Wachhund" 208a, 208b und einer Kontrolleinrichtung 210a, 210b ausgestattet.

Die elektronische Überwachungsschaltung 208a, 208b ist jeweils mit einer entsprechenden Rechenschaltung 200a, 200b verbunden, die ihr kontinuierlich charakteristische, ihren Betrieb betreffende Signale liefern muss. Bei dieser Anwendung spielen die Überwachungsschaltungen 208a, 208b im Wesentlichen die Rolle der oben beschriebenen Kontrolleinrichtungen 120 (Fig. 4).

In gleicher Weise spielt die mit jeder Recheneinheit verbundene Kontrolleinheit 210a, 210b im Wesentlichen die Rolle der Selektionsschaltung 110 der Fig. 4.

Die Kontrolleinheit 210a, 210b wird nicht nur durch die entsprechende Überwachungsschaltung 208a und 208b gesteuert, die den störungsfreien Betrieb der zugeordneten Recheneinheit überprüft, sondern auch durch die Recheneinheit selbst, die ihre Abschaltung steuern kann.

Man kann schließlich feststellen, dass die Recheneinheiten jeweils über die Kontrolleinheiten und die Überwachungsschaltungen versorgt werden, verbunden mit einer gemeinsamen Versorgungsleitung 212.

Schließlich bilden die Kontrolleinheit und die Überwachungsschaltung, die jedem Mikrocontroller zugeordnet sind, zusammen eine Versorgungskontrollvorrichtung, wie dargestellt in der Fig. 4.

Um den Betrieb des Rechners der Fig. 5 zu erklären, geht man davon aus, dass zunächst der erste Mikrokontroller der ersten Recheneinheit 200a in Betrieb ist, während die Mikrocontroller der anderen Recheneinheiten im Ruhezustand sind.

In diesem Fall steuert der erste Mikrocontroller den Betrieb des Rechners. Wenn seine Arbeitsphase beendet ist, "weckt" er einen zweiten Mikrocontroller. Der zweite Mikrocontroller wird dann mit einer Initialversorgungsspannung versorgt, die niedriger ist als die Nominalversorgungsspannung, und wird in Verbindung mit der Kontrollschaltung 208b einem oder mehreren Kontrolltests unterzogen, um seine Funktionalität festzustellen.

Wenn der störungsfreie Betrieb überprüft ist, wird der zweite Mikrocontroller mit seiner Nominalspannung versorgt. Ein Arbeitsdatenübertragung findet statt zwischen den Mikrocontrollern. Der zweite Mikrocontroller beginnt dann eine Arbeitsphase, während der erste Mikrocontroller in eine Ruhephase zurückkehrt, in der er nicht versorgt wird.

Wenn hingegen das perfekte Funktionieren des zweiten Mikrocontrollers nicht bestätigt wird, bleibt dieser im seiner Ruhephase und der erste Mikrocontroller "weckt" einen anderen Mikrocontroller.

Ein solcher Betrieb ermöglicht, aufgrund der Fähigkeit der Bauteile, sich zu regenerieren, wenn sie abgeschaltet sind, die Verfügbarkeit der Rechner zu erhöhen.

Die Fig. 6 zeigt ein anderes elektronisches System, ausgestattet mit Recheneinheiten und einer erfindungsgemäßen Versorgungskontrollvorrichtung.

Das System der Fig. 6 umfasst eine Vielzahl von Recheneinheiten mit den Bezugszeichen 300-1, ..., 300-n. Alle Recheneinheiten sind mit einem Dateneingangs- und - ausgangsbus 302 verbunden.

Das System umfasst auch einen elektronischen Überwachungsmodul 304, der erfindungsgemäß arbeitet und das abwechselnde sukzessive Einschalten von einer oder von mehreren Recheneinheiten steuert.

Ein Kontrollbus 306 verbindet den Überwachungsmodul mit den Recheneinheiten.

Über den Bus 306 führt der Überwachungsmodul in entsprechenden Kontrollphasen Überprüfungen der Funktionalität der Recheneinheiten durch.

Während der Kontrollphasen wird in der oben beschriebenen Weise eine Initialspannung Vinit an die Recheneinheiten gelegt.

Der Überwachungsmodul 304 ist auch konzipiert, um die minimale Betriebsspannung jeder Recheneinheit, die angeschlossen ist, zu messen und zu speichern.

Der Überwachungsmodul 304 ist elektrisch durch Verbindungen 308 mit jeder Recheneinheit 300-1, ..., 300-n verbunden, um an diese eine erfindungsgemäß kontrollierte Versorgungsspannung anzulegen.

Schließlich ist der Modul 304 programmiert, um für jede Recheneinheit 300-1, ..., 300-n individuell ein Verhältnis der Dauer der Arbeitsphase zu der Dauer der Ruhephase anzupassen, in Abhängigkeit von einer Differenz der Spannung zwischen der Nominalversorgungsspannung und der Minimalversorgungsspannung dieser Recheneinheit.

GENANNTE DOKUMENTE

(1) Calculateurs durch embarques pour 1a robotique nucléaire (gehärtete mitgeführte bzw. eingebaute Computer für die Nuklear-Robotik) Rad-Hard embedded computor for nuclear robotics von A. Giraud et al., Seiten 43 bis 47 (Akten des RADECS-Kongresses 1993)

(2) Fr-A-2 721 122

(3) Fr-A-2 663 160

(4) Handbook of radiation effects von Andrew Holmes-Siedle/Lens Adams, Oxford Science Publications, Seiten 110 bis 113

(5) Total-Dose Issues for Microelekctronics in Space Systems von Ronald L. Pease. IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 43, Nr. 2, April 1996, Seiten 442 bis 450 (6) SHUMAKE D. P. et al. "Hardened CMOS/SOS LSI circuits for satellite applications" IEEE ANNUAL CONFERENCE ON NUCLEAR AND SPACE RADIATION EFFECTS, WILLIAMSBURG, VA, USA, 12-1δ Juli 1977, Vol. ns-24, Nr. 6, Seiten 2177-2180, XP002061047 ISSN 0018-9499, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE; Dez. 1977, USA.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Betreiben wenigstens eines unter Strahlung arbeitenden elektronischen Bauteils, das wenigstens eine Stufe mit komplementären MOS-Transistoren (104, 202a, 202b, 300-1, ..., 300-n) mit einer Versorgungs-Nennspannung (Vnom) umfasst und bei dem die Verbindung bzw. der Zusammenhang zwischen einer Zunahme (ΔV) der Versorgungsspannung und der durch das Bauteil integrierten zulässigen Strahlungsdosis bekannt ist, und bei dem man:

- während einer sogenannten Kontrollphase an das Bauteil (104, 202a, 202b, 300-1, ..., 300-n) eine Anfangsversorgungsspannung (Vinit) anlegt, die niedriger als die Nennspannung und gleich groß oder größer als eine Minimalbetriebsspannung (Vmin) ist, und man eine Überprüfung des Funktionierens des Bauteils durchführt, und

- während einer sogenannten Arbeitsphase von bestimmter Dauer, eingeleitet wenn die Überprüfung ein korrektes Funktionieren des Bauteils ergeben hat, an das Bauteil eine Arbeitsversorgungsspannung (Valim) mit einer Größe (ΔV) anlegt, die mit der Dauer der Arbeitsphase und der Strahlung verbunden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man außerdem während einer sogenannten Ruhephase, eingeleitet entweder wenn die Arbeitsphase beendet ist oder wenn die Überprüfung ein fehlerhaftes Funktionieren ergeben hat, an das Bauteil eine Ruhespannung anlegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Arbeitsversorgungsspannung im Wesentlichen gleich der Nennspannung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem man eine Spannungsdifferenz ΔV festlegt, die ermöglicht, ein korrektes Funktionieren des Bauteils (104, 202a, 202b, 300-1, 300-n) bei einer bestimmten Strahlungsdosis aufrechtzuerhalten und man die Anfangsspannung Vinit nach der folgenden Formel ermittelt:

Vinit = Vnom - ΔV.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Arbeitsphase eine bestimmte Dauer aufweist, abhängig von der Spannungsdifferenz ΔV.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man für jedes elektronische Bauteil die Minimalbetriebsspannung (Vmin) unter Strahlung bestimmt und man ein Verhältnis der Dauer der Arbeitsphase in Bezug auf die Dauer der Ruhephase in Abhängigkeit von der genannten Minimalbetriebsspannung anpasst.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem man die Dauer der Arbeitsphase und der Ruhephase in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der Nennspannung und der Minimalspannung anpasst.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem man die Minimalbetriebsspannung während der Ruhephase bestimmt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhespannung die Spannung null oder eine schwache Spannung ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1 mit folgenden Schritten:

-man bestimmt durch einen Test eine Minimalbetriebsspannung Vmin des Bauteils unter Strahlung,

- man versorgt das Bauteil mit einer Versorgungsspannung Valim wie Vmin + ΔV ≤ Valim ≤ Vnom während einer Arbeitsphase, deren Dauer in Abhängigkeit von ΔV festgelegt wird, wo ΔV eine minimale Spannungsdifferenz zwischen der Spannung Valim und der Spannung Vmin ist,

- man legt an das Bauteil während einer Ruhephase eine Ruhespannung an.

11. Vorrichtung (100) zur Versorgungskontrolle nach Anspruch 1 von wenigstens einem elektronischen Bauteil mit wenigstens einer Stufe mit komplementären MOS-Transistoren, wobei diese Vorrichtung umfasst:

- Einrichtungen (120, 208a, 208b, 304) zur Kontrolle des Funktionierens des elektronischen Bauteils,

- eine Versorgungs-Nennspannungsquelle (112),

- eine Ruhespannungsquelle (116),

- eine Quelle (114) der sogenannten Anfangsspannung, niedriger als die Nennspannung,

- Selektionseinrichtungen (110, 210a, 210b), gesteuert durch die Kontrolleinrichtungen, um an das Bauteil selektiv anzulegen:

-- die Anfangsspannung während einer Kontrollphase,

-- die Versorgungs-Nennspannung während einer Arbeitsphase, wenn das Bauteil während der Kontrollphase korrekt funktioniert,

-- die Ruhespannung während einer Ruhephase, wenn das elektronische Bauteil während der Kontrollphase fehlerhaft funktioniert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Kontrolleinrichtungen (120, 208a, 208b) wenigstens eine Schaltung des Typs "Wachhund" bzw. "Aufpasser" umfassen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Anfangsspannungsquelle eine Spannungserniedrigungseinrichtung umfasst, verbunden mit der Nennspannungquelle.

14. Rechner mit einer Vielzahl redundanter Recheneinheiten (200a, 200b), abwechselnd bzw. nacheinander arbeitend, dadurch gekennzeichnet, dass jede Recheneinheit mit einer Versorgungskontrolleinrichtung nach Anspruch 11 ausgestattet ist.

15. Rechner nach Anspruch 14, bei dem jede Recheneinheit einen Mikrocontroller umfasst, der fähig ist, bei Abschluss einer Arbeitsphase Spannung an eine andere Recheneinheit anzulegen.

16. Rechner nach Anspruch 14, bei dem jede Recheneinheit so programmiert ist, dass sie fähig ist:

a) bei Abschluss einer Arbeitsphase eine nachfolgende Recheneinheit auszuwählen,

b) die Kontrolleinrichtungen (208a, 208b) der Versorgungskontrolleinrichtung der genannten nachfolgenden Recheneinheit zu steuern, um eine Kontrollphase und eine Arbeitsphase einzuleiten, wenn die Kontrolle ein korrektes Funktionieren anzeigt,

c) eine andere nachfolgende Recheneinheit auszuwählen, wenn die Kontrolle ein fehlerhaftes Funktionieren anzeigt.

17. Elektronisches System mit einer Vielzahl von Recheneinheiten (300-1, ..., 300-n) und einem elektronischen Überwachungsmodul (304) für den abwechselnden Betrieb der Recheneinheiten, bei dem der Überwachungsmodul wenigstens eine Versorgungskontrollvorrichtung nach Anspruch 11 umfasst, verbunden mit der Vielzahl Recheneinheiten.

18. System nach Anspruch 17, bei dem jede Recheneinheit mit der Überwachungsvorrichtung durch einen Datenbus (306) zur Kontrolle ihres korrekten Funktionierens verbunden ist und eine elektrische Verbindung zu ihrer elektrischen Versorgung umfasst.

19. System nach Anspruch 18, bei dem der Überwachungsmodul (304) Einrichtungen zur Bestimmung einer minimalen Betriebsspannung jeder Recheneinheit (300-1, ..., 300-n) umfasst und fähig ist, ein Verhältnis der Arbeitsphasendauer in Bezug auf die Ruhephasendauer jeder Recheneinheit in Abhängigkeit von der minimalen Betriebspannung dieser Recheneinheit anzupassen.

20. Testverfahren nach Anspruch 1, bei dem man folgendermaßen vorgeht:

- man lässt das Bauteil arbeiten, indem man die Versorgungsspannung des Bauteils reduziert, bis man ein fehlerhaftes Funktionieren des Bauteils detektiert,

- man misst die Versorgungsspannung (Vmin) des Bauteils, unterhalb der das fehlerhafte Funktionieren eintritt, und

- man vergleicht diese Versorgungsspannung mit einer Versorgungs-Nennspannung (Vom) des Bauteils, um einen Betriebstoleranzbereich des Bauteils unter Strahlung zu festzulegen.







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