A eletrônica de carboneto de silício pode funcionar em Vênus sem proteção e resfriamento

Direita: Em 1º de março de 1982, o dispositivo de aterrissagem Venera-13 fez um pouso suave na superfície de Vênus e derrubou a tampa protetora da câmera. Esquerda: tentativa de colher uma amostra do solo venusiano

Vênus se distingue por condições ambientais extremamente hostis. Devido ao grande número de gases de efeito estufa, existe uma temperatura extremamente alta (cerca de 460 ° C) e uma pressão de cerca de 9,4 MPa, cerca de 90 vezes a pressão da Terra. Um problema adicional é a alta concentração de SO ₂ na atmosfera (cerca de 180 ppm na superfície). Essa concentração é suficiente para formar densas nuvens de ácido com dezenas de quilômetros de espessura.

Devido a esses problemas, os desenvolvedores de naves espaciais anteriores e atuais precisam implementar medidas extraordinárias para proteger os microcircuitos de silício: estes são poderosos alojamentos de alta pressão e / ou sistemas de resfriamento para proteger eletrônicos críticos. A instalação da proteção aumenta muito a massa do dispositivo e o custo da missão. Com essa proteção, o recorde absoluto do tempo de operação na superfície de Vênus para o aparelho terrestre é de 2 horas e 7 minutos. O registro pertence à estação interplanetária Venera-13 , um veículo de descida pesando 1644 kg e um módulo de pouso de 750 kg.


Módulo de aterrissagem "Venus-13"

Um grupo de engenheiros do Centro de Pesquisa da NASA. J. G. Glenna propôs novo material para circuitos eletrônicos, o que aumentará drasticamente a sobrevivência do dispositivo e reduzirá o custo da missão. Para a fabricação de eletrônicos, eles sugerem o uso de novo material.

Nos últimos anos, várias experiências impressionantes foram realizadas com a confiabilidade dos chips de carboneto de silício (4H-SiC). Em uma das experiências anteriores, o mesmo grupo do centro de Glenn fabricou microcircuitos a partir de 24 transistores de efeito de campo com um portão baseado em transição ( JFET ), dois níveis de interconexões metálicas e uma caixa de cerâmica. Os chips funcionaram de forma estável no forno a uma temperatura de 500 ° C por 1000 horas. Mas esses experimentos foram conduzidos na atmosfera da Terra, então agora o grupo preparou outro experimento, desta vez em uma atmosfera ácida e sob pressão.

Dois circuitos integrados para osciladores de anel de carboneto de silício JFET foram fabricados. Os geradores de anel foram escolhidos principalmente porque trabalham com um número mínimo de interconexões metálicas (um sinal de saída além dos padrões + V _DD , GND e -V _SS para alimentação). Além disso, este é um padrão aceito para demonstração de circuitos lógicos integrados; seu sinal de saída pode ser diferenciado mesmo em condições de ruído elétrico significativo.

Para o teste, foram gerados geradores de anel de três e 11 estágios. Eles foram colocados sem nenhuma proteção nas condições físicas e químicas correspondentes às condições atmosféricas na superfície de Vênus. A experiência foi realizada no laboratório de condições ambientais extremas no Centro de Pesquisa da NASA. J. G. Glenn - em uma câmara de 800 litros da NASA Glenn Extreme Environments Rig (GEER).


Câmera GEER no Centro de Pesquisa da NASA. J. G. Glenn para equipamento de teste em condições ambientais extremas

Para fazer leituras do chip durante o teste, uma sonda de passagem especial foi projetada na câmera, cujo final estava na câmera. A ilustração mostra essa extremidade da sonda com um circuito integrado de um gerador de anel de 11 estágios antes e após o teste.



O microchip foi embalado em uma caixa de 3 × 3 mm, os sinais elétricos foram recebidos por um cabo de quatro fios de liga de níquel 201. O isolamento dos fios foi feito de isolamento térmico de cerâmica com óxido de magnésio triturado em uma concha de Inconel 600. Para isolar a sonda na câmara GEER, as extremidades dos dois lados foram seladas com vários ciclos de cura de vidro resistente ao calor Ferro 1180A.

Uma tampa com orifícios foi instalada em uma extremidade da sonda através da qual a atmosfera ácida de Vênus penetrou. Pode ser visto na foto (b) na parte superior (Tela de malha).

Antes de enviar “para Vênus”, ou seja, para a câmara GEER, os circuitos e sondas integrados funcionavam por mais de 47 horas em um forno com uma atmosfera terrestre a temperaturas de 460 ° C a 480 ° C, e depois outras 56 horas em uma câmara GEER com condições moderadas - temperatura 460 ° C, em atmosfera de nitrogênio e sob pressão de 9,0 MPa. Somente depois disso SO2 _foi introduzido na câmara e a pressão foi aumentada.

O experimento no simulador da atmosfera venusiana durou 21,7 dias. Os sinais dos chips da câmera via cabo de 14 metros foram transmitidos para instrumentos controlados por computador, localizados em um local seguro. A energia de 24 V foi transferida para eles da mesma maneira.



Como mostrado no gráfico, o gerador de anel de três estágios trabalhou completamente por 521 horas do experimento a uma frequência estável de 1,26 ± 0,05 MHz, e o gerador de 11 estágios trabalhou a uma frequência de 245 ± 5 KHz por cerca de 109 horas, após as quais o sinal começou a decair e desapareceu através 161 horas No entanto, o estudo do microcircuito após o experimento mostrou que ele permaneceu em um estado totalmente operacional e funcional.


O resultado do gerador de anel de 11 estágios na câmara GEER (acima) e após a extração no final do experimento (abaixo)

O artigo científico foi publicado em dezembro de 2016 na revista AIP Advances (doi: 10.1063 / 1.4973429).