MEMS alkalmazása az űrben Horváth Barbara

A MEMS (Micro Electro Mechanical System) Különböző mikrométeres nagyságrendű egységek integrálása IC-kbe MEMS is a abbrivation of micro-electro-mechanical-system

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

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

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 (SiO2).

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

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

Optikai MEMS eszközök MEMS “Pop Up” Mirror MEMS “Pop Up” Lens (Sandia) (UCLA) http://www.mdl.sandia.gov/micromachine/images6.html M.C. Wu, Micromachining for Optical and Optoelectronic Systems, Proc. IEEE, 85(11), Nov 1997; http://www.ee.ucla.edu/labs/laser/ research/mot/1integrated.html S.J. Walker and D.J. Nagel, Optics & MEMS http://code6330.nrl.navy.mil/6336/moems.htm

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

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

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

Hyperspectral Sensor Focal point for short wavelengths Focal point for long 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 100 m

Femtoműhold Önálló szenzor és kommunikációs eszköz egy köb-milliméterben http://eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust

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

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

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

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

Műholdak kategorizálása Méret szerint Nagy: 1000 kg Közepes: 500-1,000 kg Kicsi: mini: 100-500 kg mikro: 10-100 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. AZ ÓN WHISKER NÖVEKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA

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

Műhold programok trendjei Ár csökkentése Tömeg és térfogat csökkentése Típikus kilövési költség $10000 - $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

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)

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)

Tervezett DSA küldetések TechSat 21 Distributed Radar (AFRL) (mikroműholdakkal 2001 óta fejlesztik) Terrestrial Planet Finder (JPL) (Föld-szerű bolygók és élet keresése) Space Technology 5 & 6 (NASA - NMP) – First to use primarily MEMS components 2006.03.22

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

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

Antennák Alkatrészek teljesítménye javított, melyet úgy értek el hogy integrálták az antennát más alkatrészekkel egyazon chipen “Smart” antennas Double-folded shot antenna 2.5 mm 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

Űrben lévő sugárzás hatása Lebontja az elektromos és optikai alkatrészeket Detektorokban nő a zaj Digitális áramkörökben hibákat generál Szigetelőket feltölti Élő szervezetre károsan hat Inertial navigfation – a system which integrates and tracks all intertial forces so that , given a known starting point and orientation, it can determine its location, velocity and direction at any other time. Bolometer – detector specially for detecing submillimeter wavelenghths (200 micron to 1 mm) and is the most sensitive detector in this range. It consists of a heat sink and an absorber. When an incident particle hits the absorber, the temperature goes up relative to the heat sink and this is detected.

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 Temperature swings in orbit – critical components are insulated and heated to near ambient temperatures, however, due to the large outside temperature swings, the internal temperature swings are still ~30 C. Typical design temperature swings are 15C to 45 C. Corrosive elements present at launch include exposure to salt air. It is apparently not unusual for components to sit on the launch area for long periods of time while they wait for the launch window to open up. Vibrations from launch can be as high as 19.8 g’s in random directions. (white, beard, US Naval Research Laboratory) Circuit boards flex, screws back out, components break loose… Three main bands of vibration are typically used for testing: 1. transient vibration , < 80 Hz 2. random vibration, 20-2000 Hz 3. pyrotechnic shock, 100 – 10k Hz [Whole-Spacecraft Vibration Isolation for Broadband Attenuation Authors: Paul Wilke; Conor Johnson; Patrick Grosserode; Dino Sciulli; CSA ENGINEERING INC MOUNTAIN VIEW CA , http://www.stormingmedia.us/30/3091/A309154.html]

Sugárzás az űrben Napszélből eredő Van Allen sugárzási övekből eredő http://www.eas.asu.edu/~holbert/eee460/tiondose.html Napszélből eredő Electronok, protonok, nehéz ionok Van Allen sugárzási övekből eredő Belső öv: főként protonok > 10-100 MeV Külső öv: főként elektronok < 10 MeV Kozmikus sugárzás Elektromágneses sugárzás (főként protonok, akár1020 eV)

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

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

Hatása eszközökre és áramkörökre From Space Radiation Effects in microelectronics, JPL/NASA http://www.aero.org/publications/crosslink/summer2003/03.html Radiation induced photocurrent shorts out Vdd http://www.eng.uwaterloo.ca/~asultana/PROJECT_SOI_MOSFET.doc.pdf 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. Latchup occurs when the source of one MOS transistor forges a pathway to the drain of another. A transient radiation pulse can generate the current needed to bridge this gap. Current will then continue to flow unregulated between the two components. The entire circuit must be powered down to break the connection. In some cases, the circuit may be permanently damaged. [from http://www.aero.org/publications/crosslink/summer2003/03.html]

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.