Les circuits radio en carbure de silicium peuvent résister à la chaleur volcanique de Vénus
En tant qu'artiste, il imagine un futur rover Vénus, qui reçoit l'énergie du vent qui souffle dans l'atmosphère dense de Vénus.À
l'été 2020, au plus fort de la pandémie, il y avait aussi des avantages. L'un d'eux était le vol d' astronautes américains vers l'ISS et leur retour réussi sur une fusée commerciale de SpaceX. Cet événement était important pour de nombreuses raisons, dont l'une est la suivante: lorsque la NASA sera soulagée de la nécessité de livrer des personnes en orbite terrestre basse, l'agence pourra cibler des cibles plus éloignées. Peut-être même à Vénus.
L'engouement pour une éventuelle mission à Vénus a stimulé la découverte de la phosphine dans son atmosphère - un signe possible de vie microbienne (bien que cette découverte soit désormais contestée). Cependant, les conditions sur la deuxième planète du Soleil sont si dures que l'atterrisseur qui a duré le plus longtemps là-bas, Venera-13 (URSS), n'a pu transmettre des données que pendant 2 heures 7 minutes. La température moyenne à la surface de Vénus est de 464 ° C, l'atmosphère est pleine de gouttelettes d'acide sulfurique, corrodant facilement les métaux, et la pression atmosphérique à la surface est 90 fois plus élevée que celle de la Terre. Et pourtant, les scientifiques considèrent Vénus comme la jumelle de notre planète.
Les tailles et les masses des deux planètes sont presque les mêmes. Sur la base de certaines preuves, d'énormes océans peuvent avoir existé sur Vénus pendant 3 milliards d'années - et, par conséquent, il aurait pu y avoir de la vie. Quels cataclysmes ont conduit à la perte d'eau par Vénus? Les planétaires aimeraient le savoir - peut-être que cela nous parlera de notre propre destin en relation avec le changement climatique.
Pour résoudre cela et d'autres mystères de Vénus, nous devons construire des véhicules de descente robotiques intelligents. Mais pourrons-nous fabriquer des machines avec des outils, des moyens de communication, contrôlés et mobiles, capables de survivre dans un environnement aussi hostile non pas pendant des heures, mais pendant des mois et des années?
Nous pouvons. La technologie de production de matériaux a fait de grands progrès depuis les années 1960, lorsque l'URSS a lancé une série d'atterrisseurs sur Vénus. Nous pourrons désormais nous assurer que la coque et la mécanique du futur véhicule de descente pourront y résister pendant plusieurs mois. Qu'en est-il de l'électronique délicate? Dans l'environnement vénusien, les systèmes au silicium d'aujourd'hui ne dureront pas un jour. Un jour de la Terre, bien sûr - un jour sur Vénus dure 243 jours de la Terre. Et même les systèmes de refroidissement actifs ne prolongeront pas leur durée de vie de 24 heures.
La réponse était un semi-conducteur, combinant deux éléments communs, le carbone et le silicium, dans un rapport 1: 1: carbure de silicium, SiC. Il est capable de résister à des températures extrêmement élevées tout en fonctionnant parfaitement. Au Centre de recherche Glennà la NASA, les circuits en carbure de silicium fonctionnent depuis plus d'un an à une température de 500 ° C. Cela démontre le fait qu'ils sont capables de résister à de telles températures, et aux intervalles de temps requis par l'atterrisseur vénusien.
Le carbure de silicium est déjà utilisé dans les circuits d'alimentation des onduleurs solaires, de l'électronique de moteur électrique et des commutateurs de réseau intelligents avancés. Cependant, créer des circuits en carbure de silicium capables de conduire un véhicule tout-terrain dans les conditions infernales de Vénus, et d'envoyer des données de là vers la Terre, testera le matériau à la limite de ses capacités. En cas de succès, nous obtiendrons plus qu'un simple avant-poste mobile dans l'un des points les moins amicaux du système solaire. Nous comprendrons comment envoyer des capteurs sans fil à des endroits sur Terre que nous n'avons jamais envoyés auparavant - aux pales de turbine des avions à réaction et des turbines à gaz, aux têtes de forage pétrolier, au centre de diverses fabrications à haute température et haute pression. processus. La possibilité de placer l'électronique dans de tels endroits peut très bien réduire le coût de fonctionnement et d'entretien de l'équipement.et aussi pour augmenter son efficacité et sa sécurité.
Notre équipe de scientifiques du Royal Institute of Technology (KTI) de Stockholm et de l'Université de l'Arkansas à Fateville pense que les circuits en carbure de silicium peuvent faire tout cela et plus encore - ils sont capables de choses que nous ne pouvons même pas imaginer.
Le Vulcan II est une puce analogique et numérique en carbure de silicium conçue pour les tests de performances à 500 ° C. Jusqu'à présent, nous avons réalisé 40 circuits en utilisant la puce Vulcan II et son prédécesseur.
1. Générateur d'anneau
2. Convertisseurs analogique-numérique SAR 8 bits et convertisseurs analogique-numérique à rampe 4 bits
3. Récepteur RS 485
4. Additionneurs 8 bits et multiplicateurs 4 bits
5. Minuterie 555
6. Trois -amplificateur opérationnel de scène
7. Convertisseur de courant DC-DC
8. Pilotes de grille intégrés
Le carbure de silicium n'est pas un nouveau matériau. Le début de sa production à grande échelle est associé au nom d' Edward Goodrich Acheson , qui a inventé en 1895 le procédé de synthèse du carbure de silicium (carborundum), qui est encore utilisé pour la production aujourd'hui. Il a essayé d'obtenir des diamants artificiels, mais à la suite de l'expérience, des cristaux de SiC sont apparus. Pour la première fois, le matériau a été utilisé avec succès pour travailler avec l'électricité en 1906 - puis Henry Harrison Chase Dunwoody a inventé un détecteur radio. À ce jour, il est considéré comme le premier dispositif semi-conducteur commercial.
Cependant, il est extrêmement difficile d'établir une production fiable de gros cristaux de carborundum. Ce n'est que dans les années 1990 que les ingénieurs ont inventé des équipements capables de produire des cristaux suffisamment bons pour être utilisés pour fabriquer des transistors de puissance. Les premières plaques de carbure de silicium n'avaient qu'une taille de 30 mm, mais progressivement l'industrie s'est déplacée vers des plaques de 50, 75, 100, 150 et même 200 mm. L'augmentation de la taille de la plaque augmente l'efficacité de l'appareil. Au cours des 20 dernières années, la recherche et la production ont tellement progressé que des semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium peuvent déjà être achetés.
Un semi-conducteur en carbure de silicium possède plusieurs propriétés très intéressantes. Le premier d'entre eux est que la tension de claquage du carborundum est 10 fois supérieure à celle du silicium. C'est essentiellement le moment où le matériau se décompose et commence à conduire l'électricité de manière incontrôlable, ce qui conduit parfois à une explosion. Ainsi, sur deux appareils de même taille, l'un sur silicium et l'autre sur carborundum, le second peut supporter 10 fois plus de tension que le premier. Et si vous fabriquez deux transistors capables de résister à la même tension, un transistor en carbure de silicium peut être rendu beaucoup plus petit qu'un transistor en silicium. La différence de taille donne la différence de consommation d'énergie. Pour la même tension de claquage (par exemple, 1200 V), la résistance de mise en marche d'un transistor en carbure de silicium sera 200 à 400 fois inférieure à celle d'un transistor en silicium - par conséquent, les pertes d'énergie seront également moindres.En raison de la taille plus petite du convertisseur de puissance, il est possible d'augmenter la fréquence de commutation, et donc des condensateurs et des inductances plus petits et plus légers.
La deuxième propriété surprenante du carbure de silicium est la conductivité thermique. Lorsque le carborundum est chauffé par le courant qui le traverse, la chaleur peut être rapidement dissipée, ce qui prolonge la durée de vie de l'appareil. Parmi les semi - conducteurs avec une large bande interdite, la conductivité thermique du carborundum est juste derrière le diamant. Cette propriété permet à un transistor en carbure de silicium de haute puissance d'être connecté à un dissipateur thermique de la même taille qu'un transistor en carbure de silicium de puissance beaucoup plus faible - tout en conservant un dispositif fonctionnel et durable.
La troisième propriété du carbure de silicium, et la plus importante pour Vénus, est une très faible concentration de porteurs de charge à température ambiante. Cette concentration indique combien de porteurs d'électricité libèrent de la chaleur. Vous pourriez penser qu'une faible concentration est mauvaise. Mais seulement si nous ne parlons pas de travail à des températures élevées.
Le fait est que le silicium perd ses propriétés semi-conductrices lorsque la température augmente, pas parce qu'il fond ou brûle. Il se remplit simplement de porteurs de charge générés par la chaleur. La chaleur donne aux électrons l'énergie qui les arrache de la bande de valence, où ils sont liés aux atomes, dans la bande conductrice, et laisse des trous chargés positivement. Or, ces électrons avec des trous contribuent à la conductivité. À des températures modérées, qui pour le silicium sont de 250 à 300 ° C, les transistors commencent à faire du bruit et à fuir. À des températures plus élevées, la concentration de porteurs de charge devient trop élevée et le transistor ne peut plus être désactivé - et ils deviennent quelque chose comme un interrupteur bloqué en position «marche».
La réserve de température du carborundum jusqu'au moment où le "débordement du transistor" se produit est beaucoup plus élevée - il fonctionne également à des températures supérieures à 800 ° C.
Toutes ces propriétés permettent au carbure de silicium de fonctionner à une tension, une puissance et une température plus élevées que le silicium. Et même à des températures qui fonctionnent pour le silicium, le carbure de silicium fonctionne souvent mieux car ces dispositifs peuvent être commutés plus fréquemment et avec moins de pertes. Le résultat est des dispositifs, des circuits et des systèmes plus fiables et plus efficaces. Ils sont plus petits, plus légers et capables de survivre dans les conditions de Vénus.
Composant critique: Le Lander vénusien aura besoin d'un récepteur radio et d'un émetteur pour communiquer avec la Terre. L'un de ses composants les plus importants est le mélangeur de fréquence. Lors de la réception d'un signal, il convertit le signal porteur de 59 MHz en une fréquence de 500 kHz, plus adaptée à la numérisation et au traitement. Lors de la transmission, il effectue la transformation inverse. Au cœur du mélangeur se trouve un transistor à jonction bipolaire en carbure de silicium conçu pour fonctionner à des températures allant jusqu'à 500 ° C.
Alors que l'atterrisseur aura besoin d'une variété de transistors de puissance haute tension, la plupart des circuits - processeur, capteur, radio - nécessiteront des transistors à basse tension de fonctionnement. Jusqu'à présent, peu de transistors de ce type sont fabriqués à partir de carborundum, mais grâce au problème des boîtiers, un début a été fait.
Lorsque des applications commerciales ont été trouvées pour les dispositifs d'alimentation en carbure de silicium discrets, les ingénieurs ont réalisé la nécessité de réduire les facteurs parasites électriques - résistance, inductance et capacité indésirables - qui entraînent un gaspillage d'énergie. Une façon d'y parvenir consiste à mieux intégrer les circuits de commande, de pilotage et de protection aux dispositifs d'alimentation, améliorant ainsi la disposition des circuits. Dans l'électronique de puissance au silicium, ces circuits sont situés sur des cartes de circuits imprimés. Mais aux fréquences plus élevées que les transistors de puissance SiC peuvent atteindre, les caractéristiques parasites du PCB peuvent être trop élevées, entraînant un bruit excessif. L'emballage ou même la combinaison de ces circuits avec des dispositifs d'alimentation éliminera le bruit. Mais cette dernière option signifierait la nécessité de fabriquer ces circuits en carbure de silicium.
Pour un fonctionnement à température ambiante, le carbure de silicium n'est pas la meilleure option pour plusieurs raisons. Le plus important d'entre eux est peut-être que la consommation d'énergie et la tension ne seront pas suffisamment faibles. La faible bande interdite du silicium signifie que la microélectronique peut fonctionner à une tension de 1 V. Cependant, la bande interdite du carborundum est presque trois fois plus grande. Par conséquent, la tension minimale requise pour pomper le courant à travers le transistor - la tension de seuil - sera également plus élevée. Pour notre microélectronique en carbure de silicium «basse tension», nous utilisons généralement 15 V.
Différents chercheurs tentent de créer de la microélectronique basse tension sur le carborundum depuis plus de 20 ans. Les progrès ont été modestes au début, mais plusieurs avancées ont été réalisées au cours des 10 dernières années.
. . 250 °, 1000 °.
L'un des premiers circuits clés pour la microélectronique créés par les ingénieurs de l'Arkansas était un pilote de grille, qui entraîne un transistor de puissance via une électrode d'entrée, ou grille. Nous avons déjà réalisé plusieurs versions de ce circuit, et l'avons testé pour fonctionner à des températures similaires à celles de Vénus. L'appareil permettait un contrôle très précis des alimentations électriques, maximisant l'efficacité et minimisant les interférences électromagnétiques. La partie la plus difficile a été de développer un schéma capable de s'adapter aux conditions changeantes et de prendre en compte les effets du vieillissement, qui sont susceptibles de se manifester dans les conditions difficiles de Vénus.
Les pilotes d'obturateur sont importants, mais du point de vue des scientifiques souhaitant étudier d'autres planètes, le système le plus important sera l'émetteur radio. Cela n'a aucun sens d'envoyer un ensemble d'instruments scientifiques sur une autre planète s'il est impossible de transférer les données reçues sur Terre.
Il sera encore plus important d'assembler une radio compacte et fiable, car elle pourra transmettre des données à l'intérieur du rover lui-même au lieu de milliers de fils. Le remplacement des câbles par une commande sans fil réduit considérablement le poids de l'appareil, ce qui est très important pour un trajet de 40 millions de km.
Par conséquent, dans notre dernier projet, nous avons principalement traité du développement et des tests de composants pour un émetteur-récepteur radio interplanétaire à base de carbure de silicium. Personne ne choisirait le carborundum en premier lieu, par exemple pour la fabrication d'une station de radio fonctionnant aux fréquences 5G sur Terre. Premièrement, à température ambiante, la mobilité des porteurs de charge dans le carborundum - et c'est l'un des paramètres qui détermine les fréquences maximales qu'un semi-conducteur peut amplifier - est inférieure à celle du silicium. Mais à des températures comme à la surface de Vénus, le silicium ne fonctionne pas du tout, il est donc logique d'adapter le carbure de silicium à cet effet.
En ce qui concerne les fréquences radio, le carborundum a un avantage. Le petit nombre de porteurs de charge garantit une faible capacité parasite du matériau. Autrement dit, comme il y a peu de frais, il est peu probable qu'ils interagissent de telle sorte que l'efficacité de l'appareil diminue.
L'architecture d'émetteur-récepteur que nous avons choisie est appelée LO basse fréquence intermédiaire . ... Hétéro signifie «autre» en grec et -din signifie «énergie». Pour comprendre comment ce qui fonctionne, suivons le signal, en commençant par le récepteur. Les signaux radio de l'antenne sont traités par un amplificateur à faible bruit, après quoi ils sont envoyés au mélangeur. Le mélangeur combine le signal reçu avec une autre fréquence, proche de la porteuse. Le résultat est un signal avec deux nouvelles fréquences intermédiaires - l'une d'elles est supérieure à celle de la porteuse et l'autre est inférieure. Ensuite, le filtre passe-bas se débarrasse du filtre supérieur. La fréquence intermédiaire restante, qui est plus pratique à traiter, est amplifiée et numérisée par l'ADC, et les bits reçus sont transmis à l'unité de traitement numérique.
La mise en œuvre finale du circuit qui remplissait toutes ces fonctions a été déterminée par la façon dont le transistor bipolaire développé au KTI fonctionnait aux hautes fréquences. Le résultat est un émetteur-récepteur fonctionnant à une fréquence de 59 MHz, qui est un équilibre entre les restrictions du transistor sur la fréquence par le haut et les capacités des composants passifs du circuit, qui diminuent lorsque les fréquences sont abaissées. Les véhicules d'origine soviétique utilisaient une fréquence proche de 80 MHz. Les stations modernes sont susceptibles de transmettre des informations à un vaisseau spatial en orbite, qui peut ensuite utiliser les fréquences de l'espace lointain de la NASA pour transmettre les informations à la maison.
L'une des parties les plus importantes de l'émetteur-récepteur est le mélangeur de fréquence, qui réduit la fréquence de 59 MHz à 500 kHz. En son cœur se trouve un transistor bipolaire dont l'entrée signale 59 MHz et 59,5 MHz. Sa sortie de collecteur est reliée à un ensemble de condensateurs et de résistances capables de fonctionner à 500 ° C, filtrant la haute fréquence et ne laissant qu'une fréquence intermédiaire de 500 kHz.
Distribution de chaleur dans le pilote de grille en carbure de silicium lors des tests
Comparé aux composants analogiques et numériques basse fréquence en aval du mélangeur, le traitement du signal RF a été difficile à tous les stades de développement. Il n'y avait pas de modèles exacts du transistor, il y avait des problèmes avec l'impédance d'adaptation, avec la fiabilité des résistances, des condensateurs, des inductances et des cartes de circuits imprimés.
Soit dit en passant, les circuits imprimés ne ressemblent pas à ceux auxquels vous êtes habitué. Les cartes FR-4 qui alimentent tout, des appareils mobiles aux serveurs les plus cool, s'affaibliraient et s'effondreraient dans Vénus. Nous avons utilisé des céramiques cuites à basse température . Les puces sont connectées à cette carte la plus solide avec des conducteurs en or, et non en aluminium, qui se ramolliraient rapidement. Au lieu de traces de cuivre qui se décolleraient, les composants sont reliés par des conducteurs en argent, dont certains sont gainés de titane. Les spirales en or agissent comme des inducteurs (oui, de telles cartes seront chères).
Bien que le mélangeur de fréquence soit une chose très importante, le rover Venus aura besoin de bien plus que toute autre chose. Jusqu'à présent, nous, scientifiques de l'Université de l'Arkansas et du Royal Institute of Technology, avons conçu, construit et testé 40 circuits différents pour fonctionner dans des conditions de 500 ° C. Parmi eux se trouvent d'autres circuits radio, des parties analogiques de l'émetteur-récepteur, de nombreux appareils numériques pour traiter les données de l'émetteur-récepteur et de futurs capteurs pour l'exploration planétaire. Beaucoup d'entre eux sont familiers à tout ingénieur - minuterie 555, ADC 8 bits, boucle à verrouillage de phase et un ensemble de circuits logiques booléens. Bien sûr, comme tout cela a été fabriqué à la main en petits lots, les tests à long terme n'ont pas encore été effectués. Dans nos laboratoires, nous avons testé ces appareils à haute température pendant une à deux semaines.Cependant, nous nous inspirons des résultats d'expériences à long terme d'autres groupes, à en juger par lesquels nos circuits pourront fonctionner plus longtemps.
En particulier, le Glenn Research Center de la NASA a récemment fabriqué des circuits intégrés à base de carbure de silicium, 200 transistors par puce, qui ont fonctionné pendant 60 jours dans une chambre simulant les conditions de Vénus. La chambre avait une pression de 9,3 MPa, une température de 460 ° C et une atmosphère planétaire corrosive. Aucun des transistors n'est tombé en panne - ce qui signifie qu'ils pourraient durer beaucoup plus longtemps.
Il reste encore beaucoup à faire. Nous devons nous concentrer sur l'intégration des différents circuits conçus et sur l'amélioration de l'efficacité de ceux déjà en fonctionnement. Nous devons développer d'autres circuits et prouver qu'ils peuvent fonctionner de manière stable pendant de nombreux mois et années dans les conditions de température de la surface de Vénus. Et cela est particulièrement important si des appareils radio et d'autres systèmes de faible puissance basés sur le carborundum sont jamais utilisés dans des applications commerciales telles que l'étude des turbines à gaz et à réaction. Si vous vous mettez au travail et établissez correctement vos priorités, cela ne prendra pas des décennies, mais plusieurs années.
Les circuits en carbure de silicium seront-ils prêts pour une future mission Vénus? Il serait plus juste de dire que le vol ne serait pas prêt sans eux.