BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICSDEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

MEMS alkalmazása az űrben

Horváth Barbara

/34

A MEMS (Micro Electro Mechanical System)

• Különböző mikrométeres nagyságrendű egységek integrálása IC-kbe

2

/34

Szerepe az űrtechnikában

• Az aláméretezéssel feljavított az eszközök teljesítménye

• Kicsi tömeg és energiafelhasználás• „Kötegelt” gyártás – eszköz árának csökkentése

3

/34

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

SSzzililíciumíciumSzénSzén

4

/34

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).

5

/34

Rögzített elektróda

Mozgó elektróda

Működés elve:

Analóg eszközökben: ADXL50 Gyorsulásmérő

3 mm

Szilícium

6

/34

MEMS gyorsulásmérő, mely a STS-93 Flight-ot ellenőrízte (Columbia űrsikló 26. útja 1999 július 23.)

Silicon Designs 1010J & 1210JMEMS Accelerometers

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Z-A

xis

Accele

rati

on

(g

's)

4200 4300 4400 4500 4600

Time (EDT, seconds)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Z-A

xis

Accele

rati

on

(g

's)

1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

Time (EDT, seconds)

Kilövés

Pályamódosítás

Sensor

ASIC

Szilícium

7

/34

Optikai MEMS eszközök

MEMS “Pop Up” Mirror(Sandia)

MEMS “Pop Up” Lens(UCLA)

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

http://www.mdl.sandia.gov/micromachine/images6.html

S.J. Walker and D.J. Nagel, Optics & MEMS http://code6330.nrl.navy.mil/6336/moems.htm

8

/34

MEMS Mikro-rakéta

15-rakétás “Chip” a STS-93-on

Th

e A

ero

spac

e C

orp

ora

tio

n

http://www.design.caltech.edu/micropropulsion/index.html

TRW, CalTech, and The Aerospace Corp.

ValveValve

NozzleNozzle

Thruster ModuleThruster Module

Th

e A

ero

spac

e C

orp

ora

tio

n

Hideg gázos rakéta-modul

9

/34

BondPads Linear

FieldIonizer

FieldEmissionWires

FieldIonizationArray

300

FieldIonizationArray

The Aerospace Corporation The Aerospace Corporation

Micro Ion EngineMicro Resistojet:

• Integrált elektronikával• Mikron alatti alkalmazások könnyen elérhetők

MEMS Mikro-rakéta

10

/34

SWJ 97

Th

e A

ero

sp

ac

e C

orp

ora

tio

n

Szilikon szerepe:

•Struktúra,•Sugárzás elleni pajzs•Hőmérséklet kontroll,•Optikai anyag,•MEMS hordozó,•Electronika hordozó

Szilikon Nanoműhold koncepció

11

/34

Hyperspectral Sensor

100 m

Focal pointfor longwavelengths

Focal pointfor shortwavelengths

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

12

/34

Femtoműhold

http://eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust

Önálló szenzor és kommunikációs eszköz egy köb-milliméterben

13

/34

Szén

• Nanocsövek• Extrem-erős

• Erő/tömeg = acél 600-szorosa• Flexibilis• Nyomásra elhajlás-álló• Önjavító• Vezető

• Réznél nagyságrendekkel jobban vezet• Félvezető

• Bizonyos elrendezésben félvezetőként reagálhat

1 nanometer

1000 nanometer

• (Hátrány: az azbeszthez hasonlóan erős a tüdőrák-keltő képessége)

14

/34

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

15

/34

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

16

/34

armchair zigzag generalarmchair zigzag general

17

/34

Forradalmi struktúrák

270,000 kg / 1360 kg

1360 kg / 6 kg2200 kg / 11 kg

90,000 kg / 450 kg

13 kg / 65 g

90,000,000 kg / 450,000 kg

Űrlift

Neolitikum / Nanocső (200:1)

18

/34

Műholdak kategorizálása

AZ ÓN WHISKER NÖVEKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA 19

• 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.

/34

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 20

/34

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 21

/34

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)

22

/34

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)

23

/34

Tervezett DSA küldetések

Terrestrial Planet Finder (JPL)

(Föld-szerű bolygók és élet keresése)

TechSat 21 Distributed Radar (AFRL)(mikroműholdakkal2001 óta fejlesztik)

Space Technology 5 & 6 (NASA - NMP) – First to use primarily MEMS components 242006.03.22

/34

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

25

/34

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

26

/34

1600 m

1600 m

Antennák

• Alkatrészek teljesítménye javított, melyet úgy értek el hogy integrálták az antennát más alkatrészekkel egyazon chipen• “Smart” antennas

• Double-folded shot antenna• 2.5 m 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

27

/34

Űrben lévő sugárzás hatása

• Sugárzás• Lebontja az elektromos és optikai

alkatrészeket• Detektorokban nő a zaj• Digitális áramkörökben hibákat generál• Szigetelőket feltölti• Élő szervezetre károsan hat

28

/34

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

29

/34

Sugárzás az űrben

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 sugárzáshttp://www.eas.asu.edu/~holbert/eee460/tiondose.html

(főként protonok, akár1020 eV)

30

/34

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

31

/34

From Space Radiation effects on microelectronics, JPL

Sugárzás hatása az anyagokra

• Mechanikai jellemzők• Hibák• Diszlokációk• Valószinüleg csak kicsit hat

rá, de kevés az adat

• Electromos jellemzők• Oxidok• p-n átmenetek

32

/34

Hatása eszközökre és áramkörökre

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.

From Space Radiation Effects in microelectronics, JPL/NASA

http://www.eng.uwaterloo.ca/~asultana/PROJECT_SOI_MOSFET.doc.pdf

http://www.aero.org/publications/crosslink/summer2003/03.html

Radiation induced photocurrent shorts out Vdd

33

/34

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.

34