Siliziumkarbidelektronik kann auf Venus ohne Schutz und Kühlung arbeiten

Rechts: Am 1. März 1982 landete der Lander Venera-13 sanft auf der Oberfläche der Venus und ließ die Schutzhülle von der Kamera fallen. Links: Versuchen Sie, eine Probe venusianischen Bodens zu entnehmen

Die Venus zeichnet sich durch extrem feindliche Umweltbedingungen aus. Aufgrund der großen Anzahl von Treibhausgasen herrscht eine extrem hohe Temperatur (ca. 460 ° C) und ein Druck von ca. 9,4 MPa, etwa das 90-fache des Erddrucks. Ein weiteres Problem ist die hohe SO ₂ -Konzentration in der Atmosphäre (ca. 180 ppm an der Oberfläche). Diese Konzentration reicht aus, um dichte Säurewolken mit einer Dicke von mehreren zehn Kilometern zu bilden.

Aufgrund solcher Probleme müssen Entwickler früherer und aktueller Raumfahrzeuge außergewöhnliche Maßnahmen zum Schutz von Silizium-Mikroschaltungen ergreifen: Dies sind leistungsstarke Hochdruckgehäuse und / oder Kühlsysteme zum Schutz kritischer Elektronik. Die Installation eines Schutzes erhöht die Masse des Geräts und die Kosten der Mission erheblich. Mit einem solchen Schutz beträgt die absolute Aufzeichnung für die Betriebszeit auf der Oberfläche der Venus für den Erdapparat 2 Stunden 7 Minuten. Der Rekord gehört zur interplanetaren Station Venera-13 , einem 1644 kg schweren Abstiegsfahrzeug und einem 750 kg schweren Landemodul.


Landemodul "Venus-13"

Eine Gruppe von Ingenieuren des NASA Research Center. J. G. Glenna schlug neues Material für elektronische Schaltungen vor, das das Überleben des Geräts dramatisch verbessern und die Kosten der Mission senken wird. Für die Herstellung von Elektronik empfehlen sie die Verwendung neuer Materialien.

In den letzten Jahren wurden mehrere beeindruckende Experimente mit der Zuverlässigkeit von Siliciumcarbid (4H-SiC) -Chips durchgeführt. In einem der vorherigen Experimente stellte dieselbe Gruppe aus dem Glenn-Zentrum Mikroschaltungen aus 24 Feldeffekttransistoren mit einem übergangsbasierten Gate ( JFET ), zwei Ebenen von Metallverbindungen und einem Keramikgehäuse her. Die Chips funktionierten 1000 Stunden lang stabil im Ofen bei einer Temperatur von 500ºC. Diese Experimente wurden jedoch in der Erdatmosphäre durchgeführt. Jetzt hat die Gruppe ein weiteres Experiment vorbereitet, diesmal in saurer Atmosphäre und unter Druck.

Es wurden zwei integrierte Schaltkreise für JFET-Siliziumkarbidringoszillatoren hergestellt. Ringgeneratoren wurden in erster Linie ausgewählt, weil sie mit einer minimalen Anzahl von Metallverbindungen arbeiten (ein Ausgangssignal zusätzlich zu den Standards + V _DD , GND und -V _SS für die Stromversorgung). Darüber hinaus ist dies ein anerkannter Standard zur Demonstration logischer integrierter Schaltkreise, deren Ausgangssignal auch unter Bedingungen erheblichen elektrischen Rauschens unterschieden werden kann.

Zu Testzwecken wurden drei- und elfstufige Ringgeneratoren hergestellt. Sie wurden ohne jeglichen Schutz unter physikalischen und chemischen Bedingungen platziert, die den atmosphärischen Bedingungen auf der Oberfläche der Venus entsprachen. Die Erfahrung wurde im Labor für extreme Umweltbedingungen im NASA Research Center gemacht. J. G. Glenn - in einer Kammer mit 800 Litern NASA Glenn Extreme Environments Rig (GEER).


GEER Kamera im NASA Research Center. J. G. Glenn zum Testen von Geräten unter extremen Umgebungsbedingungen

Um während des Tests Messwerte vom Chip zu erhalten, wurde in der Kamera eine spezielle Durchgangssonde entwickelt, deren Ende sich in der Kamera befand. Die Abbildung zeigt dieses Ende der Sonde mit einer integrierten Schaltung eines 11-stufigen Ringgenerators vor und nach dem Testen.



Der Mikrochip wurde in ein 3 × 3 mm-Gehäuse gepackt, elektrische Signale wurden von einem Kabel aus vier Drähten aus Nickel 201-Legierung empfangen. Die Isolierung der Drähte bestand aus einer keramischen Wärmedämmung mit zerkleinertem Magnesiumoxid in einer Hülle aus Inconel 600. Um die Sonde in der GEER-Kammer zu isolieren, wurden die Enden auf beiden Seiten mit mehreren versiegelt Aushärtungszyklen von hitzebeständigem Glas Ferro 1180A.

An einem Ende der Sonde wurde ein Deckel mit Löchern angebracht, durch den die saure Atmosphäre der Venus eindrang. Es ist auf dem Foto (b) oben (Netzbildschirm) zu sehen.

Vor dem Versand an die Venus, dh an die GEER-Kammer, arbeiteten integrierte Schaltkreise und Sonden mehr als 47 Stunden in einem Ofen mit irdischer Atmosphäre bei Temperaturen von 460 ° C bis 480 ° C und dann weitere 56 Stunden in einer GEER-Kammer mit gemäßigten Bedingungen - Temperatur 460 ° C, in einer Stickstoffatmosphäre und unter einem Druck von 9,0 MPa. Erst danach wurde SO ₂ in die Kammer eingespeist und der Druck erhöht.

Das Experiment im Simulator der venusianischen Atmosphäre dauerte 21,7 Tage. Die Signale der Chips von der Kamera über ein 14 Meter langes Kabel wurden an computergesteuerte Instrumente an einem sicheren Ort übertragen. Auf die gleiche Weise wurde ihnen eine 24-V-Spannung übertragen.



Wie in der Grafik gezeigt, arbeitete der 3-stufige Ringgenerator 521 Stunden des Experiments bei einer stabilen Frequenz von 1,26 ± 0,05 MHz vollständig und der 11-stufige Generator etwa 109 Stunden bei einer Frequenz von 245 ± 5 kHz, wonach das Signal zu zerfallen begann und durch verschwand 161 Stunden Die Untersuchung der Mikroschaltung nach dem Experiment zeigte jedoch, dass sie in einem voll funktionsfähigen und funktionsfähigen Zustand blieb.


Das Ergebnis des 11-stufigen Ringgenerators in der GEER-Kammer (oben) und nach Extraktion am Ende des Experiments (unten)

Der wissenschaftliche Artikel wurde im Dezember 2016 in der Zeitschrift AIP Advances (doi: 10.1063 / 1.4973429) veröffentlicht.