Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY MEMS alkalmazása az űrben Horváth Barbara.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY MEMS alkalmazása az űrben Horváth Barbara."— Előadás másolata:

1 BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY MEMS alkalmazása az űrben Horváth Barbara

2 /34 A MEMS (Micro Electro Mechanical System) Különböző mikrométeres nagyságrendű egységek integrálása IC-kbe 2

3 /34 Szerepe az űrtechnikában Az aláméretezéssel feljavított az eszközök teljesítménye Kicsi tömeg és energiafelhasználás „Kötegelt” gyártás – eszköz árának csökkentése 3

4 /34 Két anyag, aminek a jövőben az űrkutatás szempontjából fontos szerepe van: Szilícium Szén 4

5 /34 Szilícium Építőanyag Erősebb és kevésbé sűrű mint az alumínium, rozsdamentes acél vagy titán Magas olvadáspont Kiváló hővezetőképesség A Földkéreg 25.7%-át teszi ki és a 2. leggyakoribb elem az oxigén után. Leggyakoribb ásványa a kvarc (SiO 2 ). 5

6 /34 Rögzített elektróda Mozgó elektróda Működés elve: Analóg eszközökben: ADXL50 Gyorsulásmérő 3 mm Szilícium 6

7 /34 MEMS gyorsulásmérő, mely a STS-93 Flight-ot ellenőrízte (Columbia űrsikló 26. útja 1999 július 23.) Silicon Designs 1010J & 1210J MEMS Accelerometers Kilövés Pályamódosítás Sensor ASIC Szilícium 7

8 /34 Optikai MEMS eszközök MEMS “Pop Up” Mirror (Sandia) MEMS “Pop Up” Lens (UCLA) M.C. Wu, Micromachining for Optical and Optoelectronic Systems, Proc. IEEE, 85(11), Nov 1997; research/mot/1integrated.html romachine/images6.html S.J. Walker and D.J. Nagel, Optics & MEMS m 8

9 /34 MEMS Mikro-rakéta 15-rakétás “Chip” a STS-93-on The Aerospace Corporation micropropulsion/index.html TRW, CalTech, and The Aerospace Corp. Valve Nozzle Thruster Module The Aerospace Corporation Hideg gázos rakéta-modul 9

10 /34 Bond Pads Linear Field Ionizer Field Emission Wires Field Ionization Array 300  Field Ionization Array The Aerospace Corporation Micro Ion Engine Micro Resistojet: Integrált elektronikával Mikron alatti alkalmazások könnyen elérhetők MEMS Mikro-rakéta 10

11 /34 SWJ 97 The Aerospace Corporation Szilikon szerepe: Struktúra, Sugárzás elleni pajzs Hőmérséklet kontroll, Optikai anyag, MEMS hordozó, Electronika hordozó Szilikon Nanoműhold koncepció 11

12 /34 Hyperspectral Sensor 100 m Focal point for long wavelengths Focal point for short wavelengths A fókusztávolság többszáz km 5,000 nanoműhold áll sorban, és mind különböző spektrális sávszélességben alkot képet Toleráns a tengely- és sugáreltérésekre Totál tömege 30 kg Fresnel lens 12

13 /34 Femtoműhold Önálló szenzor és kommunikációs eszköz egy köb-milliméterben 13

14 /34 Szén Nanocsövek Extrem-erős Erő/tömeg = acél 600-szorosa Flexibilis Nyomásra elhajlás-álló Önjavító Vezető Réznél nagyságrendekkel jobban vezet Félvezető Bizonyos elrendezésben félvezetőként reagálhat 1 nanometer 1000 nanometer (Hátrány: az azbeszthez hasonlóan erős a tüdőrák-keltő képessége) 14

15 /34 Szerkezeti – geometriai tulajdonságok Egy-(SWNT) és többfalú (MWNT) Királis vektor C(n,m): meghatározza, hogy milyen irányban csavarodik fel a sík, hogy csővé alakuljon. 1D struktúra (3D gyémant, 2D grafit) nagyon nagy hossz/átmérő arány C = n*R1+m*R2 15

16 /34 Királis vektor - indexek Királis indextől függő vezetési és optikai tulajdonságok (n,n) – karosszék (n,0) – cikk-cakk (n,m) – általános Ha (n-m)/3 osztható fémes, egyébként félvezető 16

17 /34 17

18 /34 Forradalmi struktúrák 270,000 kg / 1360 kg 1360 kg / 6 kg 2200 kg / 11 kg 90,000 kg / 450 kg 13 kg / 65 g 90,000,000 kg / 450,000 kg Űrlift Neolitikum / Nanocső (200:1) 18

19 /34 Műholdak kategorizálása AZ ÓN WHISKER NÖVEKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA 19 Méret szerint Nagy: 1000 kg Közepes: 500-1,000 kg Kicsi: mini: kg mikro: kg nano: 1-10 kg pico: <1 kg Pályája szerint Low earth orbit (LEO): <1,000 km magasság High LEO: 1,000-1,500 km magasság Medium earth orbit (MEO): 1,500-20,000 km magasság Geostationary (GEO), etc.

20 /34 Műhold programok trendjei Ár csökkentése Mind a kereskedelmi, tudományos és katonaiaknál is. Földi vezérlést is beleértve Méret csökkentése Még a nagy (pl. katonai) programoknál is Teljesítmény növelése capabilities such as number of telephone channels for commercial telecommunications Műhold gyártási ideje NASA műholdjainak gyártási ideje már 7 év helyett 26 hónap Fejlesztett tervezési eszközök Kockázat menedzsment rendszer szinten AZ ÓN WHISKER NÖVEKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA 20

21 /34 Műhold programok trendjei Ár csökkentése Tömeg és térfogat csökkentése Típikus kilövési költség $ $50000 per kg Megnőtt integráltság Fejlett tokozási technológiák Újszerű struktúrájú anyagok Teljes életciklus költségek Csökkentett idő a gyártáskor, kvalifikáláskor, teszteléskor és kilövéskor Hosszabb üzemidő AZ ÓN WHISKER NÖVEKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA 21

22 /34 NASA műhold tervei Kisebb tömeg, ezáltal olcsóbb kilövési költségek Kisebb eszközöket egyenként olcsóbb kilőni összeségében, mint egy nagyobb eszközt. Rendszer komplexitásának csökkentése Alacsonyabb pályáraállítási magasság Low Earth Orbit (LEO) ~ $10k per kilogram Geosynchronous Orbit (GEO) ~ $50k per kilogram Ezen feltételekhez alkalmazkodnak a MEMS eszközök Kis tömeg, ellenáll a tehetetlenségi és vibrációs hatásoknak Tűri a nagy sugárzási környezetet  Distributed Satellite Architecture (DSA) 22

23 /34 Distributed Satellite Architecture (DSA) Műhold-csoport Központi műhold-egység biztosítja a többi egységnek az infrastrukturális ellátást, mely technikailag implemen- tálásra alkalmas Mindegyik egység más alkalmazást lát el Független egységeket gyorsabban lehet legyártani a kisebb integráltság miatt Alkatrész hiba esetén könnyen kijavítható Megnövekedett apertúra méret az interferometer (távolságmérő) és radar rendszerek számára A jelenlegi Hubble, Chandra űrtávcsövek kapacitásai állandóak, a kilövés előtti mértékre szorítkoznak A Hubble-on képződő hibajelenségeket csak embereket javíthatják ki, a Chandra elérhetetlen (túl messze van) 23

24 /34 Tervezett DSA küldetések Terrestrial Planet Finder (JPL) (Föld-szerű bolygók és élet keresése) TechSat 21 Distributed Radar (AFRL) (mikroműholdakkal 2001 óta fejlesztik) Space Technology 5 & 6 (NASA - NMP) – First to use primarily MEMS components

25 /34 Amit fontolóra kell venni a DSA-nál Relatív poziciók és sebességek folyamatos kontrollja Megbízható visszajelzés a szenzoroktól valószínüleg csak egy másik önálló egységgel oldható meg Távoli RF kommunikáció szükséges RF adó/vevő pár szükséges jelfeldolgozó hardverrel Kutatott MEMS RF eszközök: Switch-ek Antennák Jelszűrők Fázis eltolók 25

26 /34 DC-Contact Coplanar Waveguide Shunt Switch Switchek a sugárnyaláb alakítására és irányítására RF MEMS switchek hatékonyabbak, mint a szokványos switch-ek Idealis az űrbe: Gyors válaszidő Kis teljesítményű Széles sávszélesség Hatékony EM izolálás 26

27 /34 Antennák Alkatrészek teljesítménye javított, melyet úgy értek el hogy integrálták az antennát más alkatrészekkel egyazon chipen “Smart” antennas Double-folded shot antenna 2.5  m aranyréteg szilícium-oxid dielektrikus membránon Reconfigurable V-Antenna Az antennák egymástól függetlenül mozgathatóak az aktuátorokkal Szilícium mikromaratással alkakítják ki 77 GHz Double-Folded Slot Antenna 17.5 GHz V-Antenna 27

28 /34 Űrben lévő sugárzás hatása Sugárzás Lebontja az elektromos és optikai alkatrészeket Detektorokban nő a zaj Digitális áramkörökben hibákat generál Szigetelőket feltölti Élő szervezetre károsan hat 28

29 /34 MEMS ellenséges körülményekben “Ellenséges körülmény”-nek tekinthető Nagy hőmérsékletváltozások Korrodáló hatások Az anyagoknak korrózióállónak kell lenniük, és/vagy távol kell tartani korródáló elemektől Sugárzás Sugárzásállóság Távoli elhelyezkedés (nehezen szervízelhető) Energia konzerválás, eszközök időtállósága fontos Nagy amplitudójú vibráció (20 g) MEMS-eket jó lehetőségnek találják a kíméletlen körülményekben való működéshez. (~$8-20K/kg kilövéskor) Kicsi, könnyű, kis teljesítményű, megbízható, olcsó 29

30 /34 Sugárzás az űrben Napszélből eredő Electronok, protonok, nehéz ionok Van Allen sugárzási övekből eredő Belső öv: főként protonok > MeV Külső öv: főként elektronok < 10 MeV Kozmikus sugárzás Elektromágneses sugárzás (főként protonok, akár10 20 eV) 30

31 /34 Sugárzás okozta hibajelenségek Mechanikai törés a nagy energiájú nehéz ionok okozta károsodás miatt. Dielektrikum átszakadása a nagy töltések áthaladása végett a vékony dielektrikus rétegeken Teljesítmény-csökkenés az anyag jellemzőinek változása miatt Electromos Latch-up miatt nagy áramok folynak 31

32 /34 From Space Radiation effects on microelectronics, JPL Sugárzás hatása az anyagokra Mechanikai jellemzők Hibák Diszlokációk Valószinüleg csak kicsit hat rá, de kevés az adat Electromos jellemzők Oxidok p-n átmenetek 32

33 /34 Hatása eszközökre és áramkörökre In CMOS circuits: Latch-up can occur (PMOS and NMOS are both on at the same time) - Coupled by parasitic BJTs: This draws large currents which can burn out the circuit. - Using an SOI structure reduces coupling and makes it latch-up resistant. From Space Radiation Effects in microelectronics, JPL/NASA s/crosslink/summer2003/03.htm l Radiation induced photocurrent shorts out Vdd 33

34 /34 Technikák a sugárzás hatásainak mérséklésére Árnyékolás High density material (HDM), pl. ólom Nem mindig praktikus a súlya miatt Bremsstrahlung sugárzás a HDM-ből ártalmas lehet a másodlagos emisszió kis hullámhosszai miatt Low density Material (LDM), pl. Aluminium Nagy energiájú ionok(> 30 MeV H+) áthaladnak a LDM-en A lelassított ionok nagyobb kárt okozhatnak a hosszabb kölcsönhatási idő miatt Anyag struktúra Dielektrikumok használatának minimalizálása A csapdába esett töltés tartós elektromos teret generál Fáradás és deformálódás minimalizálása Semiconductor on Insulator (SOI) Csökkentett bulk anyag csökkenti a az áthaladó részecskék miatt kialakuló e-h párok kialakulását. 34


Letölteni ppt "BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY MEMS alkalmazása az űrben Horváth Barbara."

Hasonló előadás


Google Hirdetések