Melodia curentă

Titlu

Artist


Circuitele radio din carbură de siliciu vor putea suporta căldura infernală de la suprafața planetei Venus

Scris de pe mai 10, 2021

Circuitele radio din carbură de siliciu putea rezista pe suprafața fierbinte a planetei Venus. Emoția pentru o posibilă misiune în Venus a fost provocată de descoperirea a gazului fosfină – un posibil semn al vieții microbiene – în atmosfera planetei. Dar a doua planetă de la soare are un mediu atât de extrem încât landerul cu cea mai lungă durată, Venera 13 sovietică, a fost capabil să trimită date timp de doar 2 ore și 7 minute. Temperatura medie a suprafeței pe Venus este de 464 ° C, atmosfera este densă, cu picături de acid sulfuric foarte corozive, iar presiunea atmosferică la suprafață este de aproximativ 90 de ori mai mare decât cea a Pământului. Cu toate acestea, oamenii de știință se gândesc la Venus ca la geamănul lumii noastre.
Desigur, dimensiunea și masa acestor două planete sunt foarte apropiate. Și dovezile indică timpuri similare: de până la 3 miliarde de ani, Venus ar fi putut avea oceane masive la fel ca noi aici pe Pământ și, prin urmare, poate că a existat viață. Ce evenimente cataclismice au dus la pierderea de apă a lui Venus? Oamenii de știință planetari le-ar plăcea să știe, deoarece s-ar putea să ne informeze despre soarta noastră pe măsură ce schimbările climatice sunt din ce în ce mai pronunțate. Pentru a rezolva acest lucru și celelalte ghicitori ale lui Venus, vom avea nevoie de mai multe sonde spațiale robotizate foarte capabile. Dar putem construi mașini – complete cu instrumente, comunicații, controlabilitate și mobilitate – care să poată supraviețui unui astfel de mediu ostil nu doar ore întregi, ci de la luni la ani? Noi putem. Tehnologia materialelor a avansat suficient din anii 1960, când fosta Uniune Sovietică a început să lanseze seria Venera de landers către Venus, pentru a se asigura că corpul exterior și mecanica unui viitor lander vor putea dura câteva luni.  Sistemele de astăzi bazate pe siliciu nu ar dura o zi în condițiile Venus. (Desigur, ne referim la o zi a Pământului. O zi venusiană este de 243 de zile pe Pământ.) Chiar și adăugarea de sisteme de răcire active ar putea să nu le ofere mai mult de 24 de ore în plus. Răspunsul este un semiconductor care combină două elemente abundente, carbon și siliciu, într-un raport 1: 1 – carbură de siliciu. SiC poate rezista la temperaturi extrem de ridicate și încă funcționează foarte bine. Oamenii de știință de la NASA Glenn Research Center au operat deja circuite SiC mai mult de un an la 500 ° C, demonstrând nu numai că pot lua căldura, dar pot face acest lucru pe parcursul vieții de care va avea nevoie un lander Venus. Carbidul de siliciu își pune deja amprenta în electronica de putere pentru invertoarele solare, electronica cu acționare cu motor a vehiculelor electrice și treapta avansată de comutare a rețelei inteligente.

Planeta Venus – Foto: JPL-Caltech / NASA – Temperatura medie a suprafeței: 464 ° C / Presiunea suprafeței: 92 megapascali /Atmosferă: 96,5% CO2, 3,5% N, 0,015% SO2 /Durata zilei: 5.832 ore (243 zile de pe Pământ) / Cel mai lung timp cât a rezistat o sondă pe Venus: Venera 13, cel puțin 127 de minute

Dar crearea circuitelor SiC care pot controla un rover pe peisajul infernal al lui Venus și poate trimite date de acolo pe Pământ va testa acest material la limitele sale. Dacă va reuși, vom obține mai mult decât un avanpost mobil într-unul dintre cele mai puțin ospitaliere din sistemul solar. Vom obține, de asemenea, informații despre cum să mutăm senzorii fără fir în locuri de pe Pământ pe care nu le-au mai trecut niciodată – pe palele motoarelor cu reacție și ale turbinelor cu gaz natural, pe capetele burghielor adânci din puțurile de petrol și în interiorul unei gazde a proceselor de fabricație industrială la temperaturi ridicate și la presiune înaltă Capacitatea de a localiza electronice în aceste locuri are o șansă semnificativă de a reduce costurile de funcționare și întreținere a echipamentelor, îmbunătățind în același timp performanța și siguranța atât a instrumentelor, cât și a persoanelor în medii industriale. De fapt, echipa noastră, cu membri la KTH Royal Institute of Technology, din Stockholm și la Universitatea din Arkansas, în Fayetteville, consideră că circuitele din carbură de siliciu ne pot duce acolo și dincolo, la aplicații pe care nu le-am imaginat încă. Carbidul de siliciu nu este un material nou. Producția pe scară largă este creditată lui Edward Goodrich Acheson în 1895. Chimistul american încerca să creeze diamante artificiale atunci când experimentele sale au produs cristale de SiC. Compusul a fost folosit cu succes ca material electronic în 1906, când Henry Harrison Chase Dunwoody a inventat detectorul radio SiC. Până în prezent este considerat primul dispozitiv comercial cu semiconductori.

Vulcan II este un cip cu circuite analogice și digitale multiple din carbură de siliciu pentru testare la 500 ° C. Am realizat până acum peste 40 de circuite cu Vulcan II și predecesorul său. Am realizat până acum peste 40 de circuite cu Vulcan II și predecesorul său. Imagine a unui cip Vulcan II. Imagine: Universitatea din Arkansas [1] Oscilator inelar [2] Aproximare succesivă pe 8 biți convertoare analog-digital și convertoare analog-digital cu rampă de 4 biți [3] Receptor RS 485 [4] Adunători pe 8 biți și multiplicatori pe 4 biți [5] ] 555 timer [6] Amplificator operațional în 3 trepte [7] Convertor DC-DC [8] Drivere de poartă integrate

Cu toate acestea, cristalele mari de SiC sunt dificil de fabricat în mod repetabil și abia la sfârșitul anilor 1990 inginerii au inventat echipamente care au permis creșterea cristalelor suficient de bune pentru a fi utilizate pentru fabricarea tranzistoarelor de putere. Aceste napolitane inițiale din carbură de siliciu aveau o lățime de doar 30 de milimetri, dar industria a progresat încet la diametre de napolitane de 50, 75, 100, 150 și acum 200 mm, făcând dispozitivele mai economice. Cercetarea și progresul au crescut în mod constant în ultimii 20 de ani, până la punctul în care dispozitivele cu semiconductor de putere SiC pot fi acum pu Carbura de siliciu are câteva proprietăți foarte atractive ca material semiconductor. Prima dintre acestea este o intensitate critică a câmpului electric de aproape 10 ori mai mare decât cea a siliciului. Această proprietate este practic punctul în care un material se defalcă și începe să conducă electricitatea necontrolat, uneori cu rezultate explozive. Deci, dacă aveți un dispozitiv de siliciu și un dispozitiv de carbură de siliciu de aceeași scară, cel din carbură de siliciu poate rezista de 10 ori mai multă tensiune. Alternativ, dacă cei doi tranzistori ar fi construiți pentru a gestiona aceeași tensiune, dispozitivul din carbură de siliciu ar putea fi fizic mult mai mic.
Această diferență de dimensiune se traduce printr-un avantaj de consum de energie. Pentru aceeași „tensiune de defecțiune” (1.200 de volți, să zicem), un tranzistor SiC are 1 / 200th la 1 / 400th rezistența „pornită” a unui tranzistor de siliciu și, prin urmare, pierderi de putere mai mici. Această dimensiune mai mică permite, de asemenea, o frecvență de comutare mai mare într-un convertor de putere, ceea ce ar însemna condensatoare și inductoare mai mici, mai ușoare, mai puțin costisitoare. Al doilea atribut uimitor al carburii de siliciu este conductivitatea termică: pe măsură ce SiC se încălzește datorită conducerii electrice, căldura poate fi îndepărtată rapid, prelungind durata de viață a unui dispozitiv. De fapt, printre semiconductorii cu bandă largă, conductivitatea termică a SiC este a doua numai a diamantului. Această proprietate vă permite să conectați un tranzistor de înaltă putere din carbură de siliciu la radiator de aceeași dimensiune pe care l-ați folosi pe o componentă din siliciu cu putere mult mai mică și să obțineți în continuare un dispozitiv complet funcțional și de lungă durată. O a treia proprietate, cea mai relevantă pentru funcționarea pe Venus, este concentrația intrinsecă foarte scăzută de SiC a purtătorilor de sarcină la temperatura camerei. Concentrația intrinsecă a purtătorului corespunde numărului de purtători de încărcare pe care căldura îi pune la dispoziție pentru a conduce electricitatea. (Doparea unui semiconductor cu atomi ai unui alt element poate crește purtătorii de încărcare disponibili. Dar concentrația intrinsecă este ceea ce există fără dopaj.) S-ar putea să credeți că o valoare scăzută aici, în special una mai mică decât cea a siliciului, ar fi un lucru rău.
Dar nu este cazul dacă vrem să funcționăm la temperaturi ridicate. Iata de ce. Motivul pentru care siliciul încetează să mai funcționeze ca semiconductor atunci când temperaturile urcă nu se datorează faptului că se topește, sau arde sau ceva atât de dramatic. În schimb, tranzistoarele încep să fie inundate cu purtători de încărcare generate termic. Căldura oferă unor electroni suficientă energie pentru a fierbe din banda de valență, unde sunt legați de atomi, și în banda de conducție, lăsând în urmă găuri încărcate pozitiv. Electronii și găurile separate pot contribui acum la conducere. La temperaturi moderate, să spunem de la 250 la 300 ° C pentru siliciu, acest lucru face ca tranzistoarele să curgă curent și să devină zgomotoase. Dar la temperaturi mai ridicate, concentrația intrinsecă a purtătorului depășește orice contribuție a oferit dopajul și nu mai puteți opri tranzistoarele – ele devin ca întrerupătoarele blocate în poziția „pornit”. În schimb, SiC, cu o bandă mai largă și mai puțini purtători de sarcină intrinseci, are o marjă de temperatură mult mai mare înainte de apariția „inundației tranzistorului”, permițându-i să treacă în continuare cu mult peste 800 ° C. În mod colectiv, aceste proprietăți permit SiC să funcționeze la o tensiune, putere și temperatură mai ridicate decât poate siliciu. Și, chiar și pentru temperaturi în care siliciu este capabil să funcționeze, SiC îl depășește adesea, deoarece dispozitivele pot fi comutate la frecvențe mai mari cu pierderi mai mici.
Puneți totul împreună și aveți dispozitive mai eficiente și mai robuste, precum și circuite și sisteme, care sunt mai mici, cu o greutate mai mică și capabile să supraviețuiască în mediul venusian. În timp ce un viitor lander Venus va avea nevoie de cota sa de tranzistoare de putere de înaltă tensiune, majoritatea circuitelor sale – în procesoare, senzori și radio – trebuie să fie de varietatea de joasă tensiune. Acestea sunt mult mai puțin dezvoltate în carbură de siliciu decât în ​​siliciu, dar datorită unei probleme de ambalare, am început. Întrucât dispozitivele discrete de alimentare cu carbură de siliciu au găsit o utilizare comercială, inginerii au recunoscut nevoia de a reduce paraziții electrici – rezistența, inductanța și capacitatea nedorite, care risipesc puterea. O modalitate este de a integra mai bine, prin ambalare avansată, circuitele de control, acționare și protecție cu dispozitivele de alimentare. În electronica de putere cu siliciu, aceste circuite sunt situate pe plăci de circuite imprimate (PCB). Dar la tranzistoarele de putere SiC cu frecvențe mai mari, parazitele PCB pot fi prea mari, ducând la zgomot excesiv. Ambalarea sau chiar integrarea acestor circuite cu dispozitivele de alimentare ar elimina zgomotul. Dar ultima variantă ar însemna realizarea acestor circuite din carbură de siliciu. La temperatura camerei, carbură de siliciu nu este o alegere firească pentru microelectronica de joasă tensiune din mai multe motive. Poate că cel mai important este că tensiunea nu poate fi chiar atât de scăzută, deci nici consumul de energie nu este. Micul spațiu de bandă din siliciu înseamnă că puteți alimenta microelectronica cu doar 1 V.
Arhitectura transceiver-ului pe care o vizăm se numește heterodin cu frecvență medie scăzută. (În greacă, hetero înseamnă diferit, iar dyne înseamnă putere.) Pentru a despacheta ceea ce înseamnă asta, să urmăm un semnal de intrare prin partea receptorului a sistemului. Semnalele radio de la antenă sunt amplificate de un amplificator cu zgomot redus, apoi alimentate către un mixer. Mixerul combină semnalul recepționat cu o altă frecvență apropiată de frecvența purtătoare a semnalului. Acest amestec creează un semnal la două noi frecvențe intermediare, una mai mare decât purtătorul și una mai mică. Frecvența mai mare este apoi eliminată de un filtru trece-jos. Frecvența intermediară rămasă – care este mai potrivită procesării – este amplificată și apoi digitalizată de un convertor analog-digital, care livrează biții rezultați, reprezentând semnalul primit, către o unitate de procesare digitală. Modul în care am implementat de fapt circuitele RF care îndeplineau toate aceste funcții a fost determinat de performanța de înaltă frecvență a tehnologiei tranzistorului de joncțiune bipolar din carbură de siliciu (BJT) dezvoltată intern la KTH. Această tehnologie a dus la circuitele RF fundamentale necesare pentru a construi un transceiver pentru a trimite și primi semnale de 59 megahertz – un echilibru între limitele de frecvență înaltă ale tranzistorului și constrângerile componentelor pasive ale circuitului, care devin mai restrictive la frecvențe mai mici. (Această frecvență este aproximativ în intervalul de 80 MHz pe care l-au folosit aterizatorii Venera. Este probabil ca o misiune modernă Venus să-și trimită datele mai întâi către un satelit care orbitează planeta, care ar putea utiliza apoi frecvențele spațiului adânc al NASA pentru a transporta datele Acasă.) O parte reală a transmițătorului de tip make-or-break este mixerul, care convertește în jos semnalul de 59 MHz la o frecvență intermediară de 500 kilohertz. Inima mixerului nostru este un tranzistor de joncțiune bipolar SiC, cu intrări atât semnalul RF de 59 MHz, cât și un semnal de 59,5 MHz. Ieșirea, de la terminalul colector al tranzistorului, se conectează la o rețea de condensatori și rezistențe – toate proiectate să reziste la 500 ° C – care filtrează frecvența înaltă, lăsând doar frecvența intermediară de 500 kHz. În comparație cu circuitele analogice și digitale de joasă frecvență care vin după mixer, circuitele RF au provocat provocări în toate etapele de dezvoltare, inclusiv absența modelelor exacte ale tranzistorului, probleme cu impedanțe potrivite pentru a asigura trecerea celui mai mare semnal și fiabilitatea rezistențelor, condensatoarelor, inductoarelor și PCB-urilor. Apropo, aceste PCB-uri nu seamănă cu nimic cu ceea ce sunteți obișnuiți. Plăcile de circuite omniprezente FR-4 care stau la baza tuturor, de la gadget-uri portabile la servere de ultimă generație, s-ar deteriora rapid și se vor desface în condiții venusiene.
Așadar, folosim, în schimb, ceea ce se numește o placă ceramică la foc mic. Chip-urile se atașează la această placă dură cu fire de aur, în loc de aluminiu, care s-ar înmuia în curând. Interconectările de argint, unele acoperite cu titan, leagă componentele într-un circuit în loc de urme de cupru, care s-ar îndepărta de PCB. Inductoarele sunt realizate pe tablă ca spirale de aur. (Da, aceste circuite ar fi destul de scumpe.) Oricât de crucial este mixerul, un viitor rover Venus va avea nevoie de mult mai mult decât atât. Până în prezent, între Universitatea din Arkansas și KTH, am proiectat, construit și testat aproximativ 40 de circuite diferite pentru condiții de 500 ° C. Aceste circuite includ alte părți RF și analogice ale transceiverului și multe dintre circuitele digitale necesare procesării datelor de la transceiver și de la viitorii senzori ai științei planetare. Unele dintre acestea vor fi familiare pentru mulți ingineri, cum ar fi un temporizator 555, un convertor analog-digital pe 8 biți și convertorul digital-analog, un circuit cu buclă blocată în fază și o bibliotecă de circuite logice booleene. Admitem că, din moment ce acestea sunt piese produse în universitate, realizate în număr mic, testarea pe termen lung nu a fost încă încercată. Laboratoarele noastre au efectuat cel mult o săptămână sau două de funcționare la temperatură ridicată. Cu toate acestea, suntem încurajați de experimentele extinse ale altor grupuri și le luăm pentru a indica faptul că circuitele și dispozitivele noastre ar putea funcționa mai mult timp. În special, Centrul de Cercetare Glenn de la NASA a raportat recent IC-uri din carbură de siliciu, cu aproape 200 de tranzistoare pe cip, care au funcționat timp de 60 de zile în camera de mediu Venus a acelui centru.
Camera a supus tranzistoarele la 9,3 megapascali de presiune, căldură de 460 ° C și atmosfera caustică specială a planetei. Niciunul dintre acești tranzistori nu a cedat, sugerând că ar fi putut să reziste mult mai mult dacă ar fi fost disponibil mai mult timp în cameră. Mai sunt multe lucruri de făcut. Trebuie să ne concentrăm pe integrarea diferitelor circuite care au fost dezvoltate și pe îmbunătățirea randamentelor circuitelor de lucru. Trebuie totuși să dezvoltăm mai multe circuite și să dovedim că pot funcționa împreună luni sau ani cu stabilitatea necesară la temperaturile de la suprafața lui Venus. Acest ultim punct este deosebit de important dacă radiourile din carbură de siliciu și alte circuite de putere redusă vor avea vreodată sens în aplicații comerciale, cum ar fi turbinele cu jet și cu gaze naturale. Cu suficient efort și prioritate, acestea ar putea fi la ani distanță, nu la decenii. Circuitele din carbură de siliciu vor fi pregătite pentru o viitoare misiune Venus?

Opiniile cititorului

Lasă un comentariu

Your email address will not be published. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *