L'électronique en carbure de silicium peut fonctionner sur Vénus sans protection ni refroidissement

Droite: Le 1er mars 1982, l'atterrisseur Venera-13 a effectué un atterrissage en douceur à la surface de Vénus et a laissé tomber le capot de protection de la caméra. À gauche: tentative de prélèvement d'un échantillon de sol vénusien

Vénus se distingue par des conditions environnementales extrêmement hostiles. En raison du grand nombre de gaz à effet de serre, il y a une température extrêmement élevée (environ 460 ° C) et une pression d'environ 9,4 MPa, environ 90 fois la pression de la Terre. Un problème supplémentaire est la forte concentration de SO ₂ dans l'atmosphère (environ 180 ppm à la surface). Cette concentration est suffisante pour former des nuages ​​acides denses de plusieurs dizaines de kilomètres d'épaisseur.

En raison de ces problèmes, les développeurs de vaisseaux spatiaux passés et actuels doivent mettre en œuvre des mesures extraordinaires pour protéger les microcircuits en silicium: ce sont de puissants boîtiers haute pression et / ou des systèmes de refroidissement pour protéger l'électronique critique. La mise en place d'une protection augmente considérablement la masse de l'appareil et le coût de la mission. Avec une telle protection, le record absolu du temps de fonctionnement à la surface de Vénus pour l'appareil terrestre est de 2 heures 7 minutes. Le record appartient à la station interplanétaire Venera-13 , un véhicule de descente pesant 1644 kg et un module d'atterrissage de 750 kg.


Module d'atterrissage "Venus-13"

Un groupe d'ingénieurs du NASA Research Center. J. G. Glenna a proposé un nouveau matériel pour les circuits électroniques, qui augmentera considérablement la survie de l'appareil et réduira le coût de la mission. Pour la fabrication de l'électronique, ils suggèrent d'utiliser de nouveaux matériaux.

Ces dernières années, plusieurs expériences impressionnantes ont été menées sur la fiabilité des puces en carbure de silicium (4H-SiC). Dans l'une des expériences précédentes, le même groupe du centre de Glenn a fabriqué des microcircuits à partir de 24 transistors à effet de champ avec une grille de transition ( JFET ), deux niveaux d'interconnexions métalliques et un boîtier en céramique. Les copeaux ont fonctionné de manière stable dans le four à une température de 500 ° C pendant 1000 heures. Mais ces expériences ont été menées dans l'atmosphère terrestre, alors le groupe a maintenant préparé une autre expérience, cette fois dans une atmosphère acide et sous pression.

Deux circuits intégrés pour oscillateurs annulaires en carbure de silicium JFET ont été fabriqués. Les générateurs en anneau ont été choisis principalement parce qu'ils fonctionnent avec un nombre minimum d'interconnexions métalliques (un signal de sortie en plus du standard + V _DD , GND et -V _SS pour l'alimentation). De plus, il s'agit d'une norme acceptée pour la démonstration de circuits intégrés logiques, leur signal de sortie peut être distingué même dans des conditions de bruit électrique important.

Pour les tests, des générateurs en anneau à trois et 11 étages ont été fabriqués. Ils ont été placés sans aucune protection dans des conditions physiques et chimiques correspondant aux conditions atmosphériques à la surface de Vénus. L'expérience s'est déroulée dans le laboratoire des conditions environnementales extrêmes du NASA Research Center. J. G. Glenn - dans une chambre de 800 litres de la NASA Glenn Extreme Environments Rig (GEER).


Caméra GEER au NASA Research Center. J. G. Glenn pour tester l'équipement dans des conditions environnementales extrêmes

Pour prendre des mesures de la puce pendant le test, une sonde spéciale de passage a été conçue dans l'appareil photo, dont l'extrémité se trouvait dans l'appareil photo. L'illustration montre cette extrémité de la sonde avec un circuit intégré d'un générateur annulaire à 11 étages avant et après le test.



Le microcircuit était emballé dans un boîtier de 3 × 3 mm, les signaux électriques étaient reçus par un câble de quatre fils en alliage Nickel 201. L'isolation des fils était faite d'isolation thermique en céramique avec de l'oxyde de magnésium écrasé dans une coque en Inconel 600. Pour isoler la sonde dans la chambre GEER, les extrémités des deux côtés ont été scellées avec plusieurs cycles de durcissement du verre résistant à la chaleur Ferro 1180A.

Un couvercle avec des trous a été installé à une extrémité de la sonde à travers laquelle l'atmosphère acide de Vénus a pénétré. On peut le voir sur la photo (b) en haut (écran maillé).

Avant d'envoyer «à Vénus», c'est-à-dire à la chambre GEER, les circuits intégrés et les sondes ont fonctionné pendant plus de 47 heures dans un four à atmosphère terrestre à des températures de 460 ° C à 480 ° C, puis encore 56 heures dans une chambre GEER à conditions modérées - température 460 ° C, sous atmosphère d'azote et sous une pression de 9,0 MPa. Ce n'est qu'après que du SO _{2 a été} introduit dans la chambre et la pression a été augmentée.

L'expérience dans le simulateur de l'atmosphère vénusienne a duré 21,7 jours. Les signaux des puces de la caméra via un câble de 14 mètres ont été transmis à des instruments contrôlés par ordinateur situés dans un endroit sûr. La puissance 24 V leur a été transférée de la même manière.



Comme le montre le graphique, le générateur d'anneau à 3 étages a complètement fonctionné pendant 521 heures de l'expérience à une fréquence stable de 1,26 ± 0,05 MHz, et le générateur à 11 étages a travaillé à une fréquence de 245 ± 5 KHz pendant environ 109 heures, après quoi le signal a commencé à se désintégrer et à disparaître à travers 161 heures Cependant, l'étude du microcircuit après l'expérience a montré qu'il est resté dans un état pleinement opérationnel et fonctionnel.


Le résultat du générateur d'anneau à 11 étages dans la chambre GEER (ci-dessus) et après son extraction à la fin de l'expérience (ci-dessous)

L'article scientifique a été publié en décembre 2016 dans la revue AIP Advances (doi: 10.1063 / 1.4973429).