La electrónica de carburo de silicio puede funcionar en Venus sin protección ni enfriamiento

Derecha: el 1 de marzo de 1982, el módulo de aterrizaje Venera-13 hizo un aterrizaje suave en la superficie de Venus y dejó caer la cubierta protectora de la cámara. Izquierda: intento de tomar una muestra de suelo venusiano

Venus se distingue por condiciones ambientales extremadamente hostiles. Debido a la gran cantidad de gases de efecto invernadero, hay una temperatura extremadamente alta (aproximadamente 460 ° C) y una presión de aproximadamente 9.4 MPa, aproximadamente 90 veces la presión de la Tierra. Un problema adicional es la alta concentración de SO ₂ en la atmósfera (aproximadamente 180 ppm en la superficie). Esta concentración es suficiente para formar densas nubes ácidas de decenas de kilómetros de espesor.

Debido a tales problemas, los desarrolladores de naves espaciales pasadas y actuales tienen que implementar medidas extraordinarias para proteger los microcircuitos de silicio: estos son potentes alojamientos de alta presión y / o sistemas de enfriamiento para proteger la electrónica crítica. La instalación de protección aumenta enormemente la masa del dispositivo y el costo de la misión. Con tal protección, el registro absoluto del tiempo de operación en la superficie de Venus para el aparato terrestre es de 2 horas 7 minutos. El registro pertenece a la estación interplanetaria Venera-13 , un vehículo de descenso que pesa 1644 kg y un módulo de aterrizaje de 750 kg.


Módulo de aterrizaje "Venus-13"

Un grupo de ingenieros del Centro de Investigación de la NASA. J. G. Glenna propuso nuevo material para circuitos electrónicos, que aumentará dramáticamente la supervivencia del dispositivo y reducirá el costo de la misión. Para la fabricación de productos electrónicos, sugieren utilizar material nuevo.

En los últimos años, se han realizado varios experimentos impresionantes con la fiabilidad de los chips de carburo de silicio (4H-SiC). En uno de los experimentos anteriores, el mismo grupo del centro de Glenn fabricó microcircuitos a partir de 24 transistores de efecto de campo con una puerta basada en transición ( JFET ), dos niveles de interconexiones metálicas y una caja de cerámica. Los chips funcionaron de manera estable en el horno a una temperatura de 500 ° C durante 1000 horas. Pero esos experimentos se realizaron en la atmósfera de la Tierra, por lo que ahora el grupo ha preparado otro experimento, esta vez en una atmósfera ácida y bajo presión.

Se fabricaron dos circuitos integrados para osciladores de anillo de carburo de silicio JFET. Los generadores de anillo se eligieron principalmente porque funcionan con un número mínimo de interconexiones metálicas (una señal de salida además del estándar + V _DD , GND y -V _SS para la alimentación). Además, este es un estándar aceptado para demostrar circuitos integrados lógicos, su señal de salida se puede distinguir incluso en condiciones de ruido eléctrico significativo.

Para las pruebas, se fabricaron generadores de anillo de tres y 11 etapas. Fueron colocados sin protección en condiciones físicas y químicas correspondientes a las condiciones atmosféricas en la superficie de Venus. La experiencia se llevó a cabo en el laboratorio de condiciones ambientales extremas en el Centro de Investigación de la NASA. J. G. Glenn - en una cámara de 800 litros de la NASA Glenn Extreme Environments Rig (GEER).


Cámara GEER en el Centro de Investigación de la NASA. J. G. Glenn para probar equipos en condiciones ambientales extremas

Para tomar lecturas del chip durante la prueba, se diseñó una sonda especial de paso en la cámara, cuyo final estaba en la cámara. La ilustración muestra este extremo de la sonda con un circuito integrado de un generador de anillo de 11 etapas antes y después de la prueba.



El microchip fue empacado en una caja de 3 × 3 mm, las señales eléctricas fueron recibidas por un cable de cuatro alambres de aleación de níquel 201. El aislamiento de los alambres estaba hecho de aislamiento térmico cerámico con óxido de magnesio triturado en una carcasa hecha de Inconel 600. Para aislar la sonda en la cámara GEER, los extremos de ambos lados se sellaron con múltiples ciclos de curado de vidrio resistente al calor Ferro 1180A.

Se instaló una tapa con agujeros en un extremo de la sonda a través de la cual penetraba la atmósfera ácida de Venus. Se puede ver en la foto (b) en la parte superior (Pantalla de malla).

Antes de enviar "a Venus", es decir, a la cámara GEER, los circuitos integrados y las sondas funcionaron durante más de 47 horas en un horno con una atmósfera terrestre a temperaturas de 460 ° C a 480 ° C, y luego otras 56 horas en una cámara GEER con condiciones moderadas - temperatura 460 ° C, en una atmósfera de nitrógeno y bajo una presión de 9.0 MPa. Solo después de que _se introdujo SO ₂ en la cámara y se aumentó la presión.

El experimento en el simulador de la atmósfera venusiana duró 21.7 días. Las señales de los chips de la cámara a través de un cable de 14 metros se transmitieron a instrumentos controlados por computadora ubicados en un lugar seguro. Se les transfirió alimentación de 24 V de la misma manera.



Como se muestra en el gráfico, el generador de anillo de 3 etapas funcionó completamente durante 521 horas del experimento a una frecuencia estable de 1.26 ± 0.05 MHz, y el generador de anillo de 11 etapas trabajó a 245 ± 5 KHz durante aproximadamente 109 horas, después de lo cual la señal comenzó a decaer y desapareció. 161 horas Sin embargo, el estudio del microcircuito después del experimento mostró que permaneció en un estado completamente operativo y funcional.


El resultado del generador de anillo de 11 etapas en la cámara GEER (arriba) y después de la extracción al final del experimento (abajo)

El artículo científico fue publicado en diciembre de 2016 en la revista AIP Advances (doi: 10.1063 / 1.4973429).