应用指南: 辐射传感器设计与应用

原创：Linear Int SYS

​LINEAR SYSTEMS 1987年以来通过创新提高质量

辐射传感器设计与应用: 3N163, Mark Stansberry, 2020-MAY-12, Rev A2

无线实时辐射传感器网络为公众和在高辐射区域工作的人们提供了更大的辐射危害防护。结合辐射水平的实时局部和全局热图，这些辐射网络将帮助政府和环境机构了解辐射状况，并在威胁生命之前迅速对辐射变化作出反应。低成本、低功率和无功率辐射传感器，也称为RADFETS（辐射场效应晶体管）或剂量计，是实现这些网络必需条件。RADFET的独特之处在于它不需要电源即可检测辐射。RADFET的独特之处还在于它记录了实际的辐射暴露量。作为一种非易失性模拟存储设备，RADFET将辐射暴露水平存储为阈值电压的变化。RADFET是相对简单的电路，仅由一个PMOS晶体管组成。LS 3N163 PMOS晶体管可用于设计满足成本、灵敏度、线性度和功率等不同设计要求的。针对这些不同的设计要求而优化RADFET的能力使网络设计者能够构建无线辐射传感器网络，该网络也可以针对成本和性能进行大规模优化。

一, 辐射检测器原理

PMOS（P沟道）MOSFET辐射检测器的工作原理是，当辐射或电离粒子撞击MOSFET时，会形成电子-空穴对。这进而导致MOSFET器件的阈值电压和漏极电流参数的变化。由于PMOS器件中阈值电压随辐射暴露的变化是高度线性的，因此通常将LS 3N163等PMOS器件用作辐射检测器。在典型的应用中，LS 3N163在无偏模式（无功率模式）下运行，并暴露在辐射中。然后测量阈值电压的变化并确定相应的辐射暴露水平。在需要更高灵敏度的另一种应用中，LS 3N163以偏置模式（功率模式）运行。

图1-简单的RADFET栅极，衬底，漏极和源极连接(P沟道晶体管无功率辐射检测模式)

二, 辐射传感器参数

辐射传感器设计的核心是灵敏度和灵敏度损失。灵敏度定义为每累积辐射剂量的阈值电压偏移的变化（以SI-Gray单位测量，1 Gy = 1 J / kg = 100 rad）。

累积辐射剂量（Gy）

图2：P沟道晶体管的阈值电压偏移与辐射剂量的关系

另一方面，灵敏度损失是由于先前暴露于辐射事件而导致的灵敏度损失。灵敏度损失水平大约为每kGy辐射能量暴露的1％（10）。这就要求对检测器进行重新校准，以便准确地测量辐射剂量。另外，由于LS 3N163的价格低廉，当灵敏度降至所需水平以下时，可以废弃这些设备。

三, 改善灵敏度

为了提高LS 3N163和其他MOSFET器件的辐射灵敏度，已经研究了不同的设计技术。已经表明，MOSFET的偏置会影响灵敏度。在偏置模式下，对辐射的敏感性要高于无偏置模式（非功率模式）。

关于6MV光子束数据的灵敏度数据表明，在无偏置模式下3N163的灵敏度为33mV / Gy，在偏置模式下为6mV / Gy（9）。在这项研究中，分析了一个和两个堆叠晶体管的偏置和未堆叠的配置。堆叠PMOS晶体管会增加栅极氧化物的有效氧化物厚度，从而增加其灵敏度。

四, 新兴应用

用于将振动转换为电能的能量收集器已用于向辐射传感器(2)提供电源。在这些应用中，能量采集器用于为读取电路供电，该读取电路测量辐射传感器中的阈值电压偏移。由于无线技术的普及、振动能量在工厂和所有类型的车辆中的广泛应用、以及RADFET的成本低廉，实时无线辐射传感器的实现已成为现实。这些无线网络应该是分层的。具有成本效益的高性能网络可以包括基于偏置和无偏置设计的不同灵敏度的辐射探测器。

参考文献

(1)Evaluation of a low-cost commercial mosfet as radiation dosimeter URL: http://www.ugr.es/~lallena/saapaper.pdf

(2)Ultra-low-power RADFET Sensing Circuit for Wireless Sensor Networks Powered by Energy Harvesting URL:

https://ore.exeter.ac.uk/repository/bitstream/handle/10871/25316/ieee%20sensors%202016_radfet_20160615_ camera-ready.pdf?sequence=1

(3)A Commercial off-the-shelf pMOS Transistor as X-ray and Heavy Ion Detector URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/630/1/012012/pdf

(4)Response to ionizing radiation of different biased and stacked pMOS structures URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424716308470

(5)Techniques to increase the sensitivity for dosimetry sensors URL: http://iwbbio.ugr.es/papers/iwbbio_108.pdf

(6)Readout techniques for linearity and resolution improvements in MOSFET dosimeters URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424709005214

(7)Radiation Detection: Selecting The Right Equipment For The Job

URL: http://www.raesystems.com/customer-care/resource-center/true-stories/radiation-detection-selecting-right- equipment-job

(8)3N163 Data Sheet, I-V Curves and Electrical Characteristics

URL: http://docs-asia.electrocomponents.com/webdocs/088a/0900766b8088a2a7.pdf

(9)Response to ionizing radiation of different biased and stacked pMOS structures URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424716308470

(10)Review on the characteristics of radiation detectors for dosimetry and imaging URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-9155/59/20/R303/pdf

视频: 取暖壁炉一氧化碳浓度是多少? Sparrow sense穿戴式一氧化碳报警器的应用场景之一.

相关阅读 (直接点击文字即可弹出内容)

1, 在同样条件下的贴片式低压n-JFETs的测量评级
2, 音频世界已进入另外的维度
3, PAD系列,低泄露,皮安级,单二极管
4, 今天就申请3N163免费样品
5, LS312, 业界唯一的单芯片, 对管, NPN三极管
6, 建立FETching分立式放大器的一些提示,Analog Devices
7, 参考设计-JFET输入低噪声放大电路,Texas Instrument
8, 压电加速度计放大电路
9, 产品简介: LSK489低噪声,低电容,单芯片,N沟道JFET对管放大器
10,规格书:LSK170超低噪声, 单通道, N沟道, JFET放大器
11，一个新的指南来如何设计集成电子的压电式（iEPE）加速度计
12,Linear Integrated Systems耳机放大器评估板
13,Linear系统公司引入低噪声半导体测试技术
14,线性集成系统公司总裁的访谈
15,LTspice®设计人员现在可以使用业界最低噪声的零件
16,Linear Systems重新启动从Siliconix收购的DMOS产品线

Linear Integrated Systems 制造的低噪声JFET用于:

1, 电容式麦霸放大器 
2, 压力传感器 
3, 工业超声探测前端 
4, 医疗超声探测前端 

5, 麦克风前置放大器(本案)
6, 乐器麦克风 

7, 吉他Pickup
8, 光电二极管 
9, 水听器 (本案)
10,动圈麦克风
11,铝带麦克风

12,留声机前置放大 

13,压电传感器 

14,力度传感器
15,混音器
16,声呐浮标 
17,振动传感器 
18,扭矩传感器 
19,应力传感器 
20,MEMS传感器
21,动圈麦克风
22,耳机放大器

23,CCD控制器

LiS公司的料号清单:

1,对管JFET放大器

LSK489,LSK389低噪声(本案);2N5911/5912系列,高频;LS830,低泄露/高阻;LSJ689(新款)

2,单通道JFET放大器

LSK189,低噪声;J210/11/12系列,高频;2N4117/18/19系列,低泄露/高阻;2N4416系列,高频;LSK170(本案)