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总电离剂量，DS18B20温度传感器的现场测试活动

Jiri Hofman，IEEE学生会员，Richard Sharp，IEEE高级会员

摘要

正在进行综合测试，以确定达拉斯DS18B20智能数字温度传感器是否是i）在原位gamma;辐射测试期间的温度监测的潜在解决方案，以及ii）商业低成本空间应用的合适候选者。 这项工作提出并讨论了使用钴-60伽马源的总电离剂量（TID）照射的应用测试方法。 初步测试结果也在本文中公布。

关键字：自动测试设备，智能传感器，原位测试，温度传感器，总电离剂量

一、介绍

几十年来，铂温度传感器一直是高精度温度测量的标准解决方案。 它们具有高辐射耐受性，使得它们成为地面辐射测试和空间应用的极好传感器。 尽管如此，这种传感技术还有许多应用限制（精密稳定电阻测量单元，高质量电缆和多路复用器，自发热问题）。 传感器成本也成为另一重要因素，特别是在设计复杂的多通道测量系统时。

处理上述缺点的现代温度测量方法之一是基于智能数字传感器，其通常包含单芯片IC中的整个测量链。 然后传感器的数量仅受数字总线设计和功率分配的限制。 测量系统的总体精度仅基于传感器的质量，因此可以显着简化数据采集系统和电缆。

市面上有许多类型的智能传感器，但只有少数几种使用适合多通道系统的总线。 传感器封装的另一个限制 - 现代IC通常被设计为表面安装的，因此必须使用接口板来将这样的传感器与电缆相互连接。

达拉斯（Maxim Integrated）DS18B20采用TO-92（塑料晶体管）封装，可轻松连接电缆。 它使用专有的1-Wire总线，可以将多个传感器连接到单线总线。 传感器的数量确实不受限制，每个传感器可以通过每个设备独有的64位数字代码来寻址。 这些优点结合优异的测量精度使得该传感器成为现代测试和测量系统的理想选择。

二、测试设备说明

被测设备（DUT）DS18B20 [1]是一个全遥控可编程数字温度计，带有可在非易失性存储器中存储的报警寄存器。 设备的关键参数如下：

- 电源电压：3.0V至5.5V

- 有源电源电流：最大1.5mA

- 待机电源电流：最大1mu;A

- 测量范围：-55°C至 125°C

- 精度：plusmn;0.5°C（-10°C至 85°C）

- 决议：9至12位

- 转换时间：最多750ms （@ 12bits）

图1 DS18B20传感器的框图

DUT可以使用寄生电源电路供电，因此器件只能通过2线（引脚DQ，GND）连接到主系统。 此测试活动中没有使用此功能，并且DUT通过引脚V DD供电

1-Wire数字接口[2]可用于命令DUT和读取存储在其暂存器寄存器中的数据（图1）。

DUT温度传感器基于带隙感测电路。 除了上述数据表规格外，温度测量精度由制造商通过下列图表定义，称为“典型性能曲线”（图2）。

图2 DS18B20制造商定义的典型误差曲线。

温度范围为0℃-0℃。图片改编自[1]。

三、测试方法与计划

在每个实验期间将测试一组50个DUT，部件号DS18B20 ，组织为矩阵5times;10（图3）。 每次使用一套唯一的50个DUT。 随机购买了DUT，但是它们的序列号是从每个片段下载的，并且DUT已经按照表I中定义的序列号排序。注意，对于初始实验，使用了一组较旧的DUT。 这些设备在被照射之前已被用于其他实验，因此它们的状态可能与其他实验中使用的DUT组不同（它们也可能来自不同的生产批次，从序列号范围可以检测到）。

表Ⅰ

DUT设置串行数字

测试方法主要集中在五个主要的兴趣领域：

1、温度测量精度

2、转换时间

3、1线总线可靠性

4、EEPROM数据可靠性

5、测试参数的偏置电流灵敏度

使用DUT测量值的比较和Pt 1000传感器采用的“真实”温度测量来评估12位温度测量的精度，假定自然辐射稳定。 随着DUT容器中的温度准稳定（室内空气温度振荡被抑制），这些读数之间差异的长期变化（趋势）应主要由辐射效应引起。 在照射开始之前，执行台架测试以获得初始的数据集，其随后用于确定校准因子。 每个DUT具有唯一的校准因子，用于在最终数据分析阶段补偿非辐射误差。

转换时间是通过检查1-Wire总线上的状态位来测量的，并根据发送转换命令的时间来测量其变化的延迟。 该方法受DUT矩阵中的并行性限制（共有5个DUT连接在一起，因此转换时间读数代表链中最慢的DUT的值）。

随着DUT 1-Wire总线使用8位循环冗余校验（CRC）技术来检测通信错误，CRC字节的常规读取用于确定1-Wire总线可靠性的辐射效应。

暂存器中8个字节中的3个可以存储到DUT EEPROM存储器中，但只有2个可以包含随机数据（剩余字节是定义转换参数的命令字节，是静态的）。 在测试活动期间，DUT矩阵列被分为两个隔离组 - 矩阵的上部（UP）和下部（LP），如图3所示。 在每个测试周期中重写UP EEPROM寄存器（每次测试模式AA和55十六进制反转）时，只能读取LP EEPROM寄存器。 从每个DUT捕获位错误的总数。

图3 DUT测试矩阵结构。 共有50个DUT被分为10组，

具有电气隔离的1-Wire总线和5列，具有分离的偏置控制。

为了确定DUT偏置电流的影响，DUT矩阵分为5列。 当DUT处于待机电源等待下一个命令时，每个测试周期（5分钟）的剩余时间内，5V电源电压循环到特定列的速率单独控制偏置。 当未供电时，DUT V DD引脚未连接（开路）。 该方法称为BIAS1，表II总结了其参数。

控制DUT偏置电流的另一种技术是在所有DUT永久供电时，改变每个测试周期的温度转换次数。 该方法被称为BIAS2，并且预期具有更大的效果，因为在转换期间的DUT电流消耗比待机模式高3个数量级。

已经计划共计5个实验来确定表III中定义的剂量率和偏倚控制方法敏感度。 参考[3]选择剂量率。 总剂量将基于照射期间的实验结果 - 该计划是照射DUT，直到被测物的50％仍然功能（通信）。 然后退火将分两步进行：

1、室温24小时

2、在100℃plusmn;5℃下168小时

在两个退火步骤中将执行标准测试循环。 如果DUT的主要部分在退火之后返回操作，则将重复照射以确定第二次照射的辐射灵敏度是否不同于第一次照射。

四、测试设备

自动化测试设备（ATE）的设计旨在将任何手动测试操作的需求降至最低，并进行连续的测试循环（图4）。

DUT容器设计用于抑制短期温度变化（使用双重聚苯乙烯绝缘层）。 将DUT插入组合为两个子矩阵UP和LP的插座中。 Pt 1000位于这些子矩阵之间的间隙（图5）。 DUT容器中没有其他辐射敏感设备比DUT本身。

为了降低单个损坏的DUT阻塞整个1-Wire总线的风险，矩阵被分为10组5个DUT，1-Wire总线由多路复用器分别切换到每个组。 该多路复用器由信号继电器构成，由连接到主站的LPT端口的继电器驱动模块控制。 该模块还控制DUT偏置（5VDC）。 多路复用器位于DUT板上，同时也被照射。

1-Wire总线由基于Dallas DS2480B串行1-Wire线驱动器的模块生成。 该模块是完全独立的，因此主PC只向其发送命令，而不影响1-Wire总线时序。

DUT

矩阵

PT 1000

单片机

总线

总线1

驱动

继电器和偏置驱动器

PT

1000转换器

电脑

DUT容器在照射室内

图4 ATE框图，设备在位于照射室的DUT容器

和放置在实验室中的一组仪器之间分配。

Pt 1000传感器完全独立于ATE，它是电隔离的，其电阻由商业模块（Tinytag TGP-4204）[5]持续测量。 该温度测量的精度在20℃下定义为0.7℃，这是照射室中的空气的典型温度。 由于DUT的精度测试方法是基于DUT和Pt 1000读数差的相对测量，绝对精度不是测试误差的主要来源。 假设这样，总测试精度预计会优于0.25°C。

预辐射校准过程还将抑制由DUT偏置电流引起的自热误差（校准将按照每个实验计划的特定偏置模式进行）。

图5 可以观察到可以观察DUT矩阵的开放

DUT容器的视图以及位于中心的微型Pt 1000传感器

用于这项工作的照射设备是位于英国斯温登的Isotron的批处理厂。 这是一个中型设备，专门用于医疗器械托盘的灭菌。 它具有约0.5MCi的钴-60，并提供高达200krad（Si）/ hr的剂量率。 使用具有两种硼酸锂和两种硫酸钙荧光粉的松下型UD-802A热释光剂量计（TLD）进行剂量测定。 在TLD读数的不确定度范围内，测量DUT矩阵区域的剂量率是均匀的。

五、检测结果

撰写本文时，初步实验0完成，实验2正在进行（总剂量为350krad（Si）的数据可用）。 实验1被跳过，将作为下一步进行。

图6示出了作为总剂量的函数的所有DUT的平均测量误差。 在实验0期间测量误差提高约20m℃/ krad（Si）时，实验2导致6m℃/ krad（Si）测量误差的增加幅度要低得多。 请注意，实验2数据采集不能从142到160 krad（Si）的总剂量进行工作，但是DUT在此间隙中被偏置和照射。 从图中也可以看出，在实验2期间，DUT的总剂量明显低于实验0。

图6 所有DUT与总剂量的平均测量误差。

这些特征证明了两个实验实验之间的差异 - 实验2导致测量误差的敏感性显着降低。 当DUT开始故障时，绘图特征以总剂量结束。

大多数被测器件的测量精度都经历了平滑的降低，但是有一些例外。 在实验0期间，DUT4执行的测量误差低于从所有DUT获取的平均值的50％。 反之亦然，DUT36的测量误差几乎比平均值高两倍。 DUT44是具有非平滑响应的典型DUT（图7），后者最终导致DUT故障，总共剂量低于其他DUT，响应更平稳。

在实验2期间，一些DUT显示出显着超过平均值的测量误差特征峰值，如图4中的DUT4所示。 还有被测物经历了测量误差的负敏感性 - 测量误差在高总剂量下显着降低，如DUT36所示，其测量误差从1.5摄氏度突然降低到总浓度为260千克的0.5摄氏度（Si）构成。

图7 所选DUT的测量误差与实验过程中的总剂量之间的关系。这些DUT被选为极端情况 - 最佳情况（DUT4），最差情况（DUT36）和具有非连续响应的DUT（DUT44）。

图 8 所选DUT的测量误差与实验期间的总剂量的关系2.这些DUT被选为极端情况 - 连续响应最差的情况（DUT48）和其响应峰值（DUT4，DUT36）的DUT。

图9 实验期间测量精度的两个限值的DUT读数的分布函数。

图10 实验2中测量精度两个限值的DUT读数的分布函数。

已经使用统计分析来确定DUT校准读数的概率在0.5°C的标称精度（制造商定义的精度）内，并在1°C内，作为作者可接受的测量定义的扩展精度极限 辐射环境的误差。 得到的分布函数如图1所示。 图9分别为实验0。 表IV是对读数等于93.3％读数的总剂量值的总结，这相当于3“西格玛”的质量水平。

为了识别测量误差的潜在偏差敏感性，根据表II中定义的DUT列命名，已经创建了包含测量误差的DUT列平均值的图表。 在实验0期间，观察到如图1所示的偏置灵敏度。 实验2中使用了不同的BIAS2方法，对测量误差灵敏度没有显着影响（图12）。

图11 DUT列的测量误差与实验过程中的总剂量之间的关系。

这些DUT列特性表明DUT列之间的电位差 - 不同偏置率的DUT组（BIAS1方法）。

图12 DUT列的测量误差与实验期间的总剂量之间的关系2.这些DUT列特性展示了DUT列之间的电位差 - 不同发送温度测量命令速率的DUT组（BIAS2方法）。

图13 实验期间DUT45的故障记录2.观察到

测量误差的阶跃变化以及DUT EEPROM读数误差的增加。

在两次执行实验期间，DUT的不恢复故障都有两种观察：

1.温度测量失败 - 输出寄存器中的某些位永久保持在逻辑H中，因此测量误差迅速变化并超出范围值。

2. EEPROM错误数量 - 根据测量错误，EEPROM寄存器位卡在逻辑H电平。 只有在测试期间重写的EEPROM寄存器（UP DUT）读取时，才会观察到此问题。

图13显示了实验期间DUT45的故障记录2.为了分析DUT故障阈值总剂量对DUT偏置速率和偏置控制模式的潜在灵敏度，DUT列剂量阈值平均值被计算并显示为偏置率的函数，如 两个实验（图14）。

图14 DUT失效剂量阈值作为DUT偏置率的函数。

可以看到显着的偏差率灵敏度以及两个进行的实验之间的差异。

在1-Wire总线或EEPROM测试中没有检测到数据或CRC错误。 转换时间测量结果显示辐射的轻微影响（转换时间的增加），但制造商规定的转换时间范围未被超过。

在实验结束时0（总剂量为412krad（Si）），两个延伸退火步骤如下进行： 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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