Mems alkalmaz sa az rben
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 34

MEMS alkalmazása az űrben PowerPoint PPT Presentation


  • 59 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

MEMS alkalmazása az űrben. Horváth Barbara. A MEMS ( Micro Electro Mechanical System ). Különböző mikrométeres nagyságrendű egységek integrálása IC-kbe. Szerepe az űrtechnikában. Az aláméretezéssel feljavított az eszközök teljesítménye Kicsi tömeg és energiafelhasználás

Download Presentation

MEMS alkalmazása az űrben

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


MEMS alkalmazása az űrben

Horváth Barbara


A MEMS (Micro Electro Mechanical System)

  • Különböző mikrométeres nagyságrendű egységek integrálása IC-kbe


Szerepe az űrtechnikában

  • Az aláméretezéssel feljavított az eszközök teljesítménye

    • Kicsi tömeg és energiafelhasználás

    • „Kötegelt” gyártás – eszköz árának csökkentése


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

Szilícium

Szén


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).


Szilícium

Analóg eszközökben: ADXL50 Gyorsulásmérő

Működés elve:

Rögzített elektróda

Mozgó elektróda

3 mm


Szilícium

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

Kilövés

Silicon Designs 1010J & 1210J

MEMS Accelerometers

Pályamódosítás

Sensor

ASIC


Optikai MEMS eszközök

MEMS “Pop Up” Mirror

(Sandia)

MEMS “Pop Up” Lens

(UCLA)

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

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

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


Valve

Nozzle

Thruster Module

MEMS Mikro-rakéta

Hideg gázos rakéta-modul

15-rakétás “Chip” a STS-93-on

The Aerospace Corporation

The Aerospace Corporation

http://www.design.caltech.edu/

micropropulsion/index.html

TRW, CalTech, and The Aerospace Corp.


Field

Ionization

Array

Bond

Pads

300

m

Linear

Field

Ionizer

Field

Ionization

Array

Field

Emission

Wires

MEMS Mikro-rakéta

  • Integrált elektronikával

  • Mikron alatti alkalmazások könnyen elérhetők

Micro Ion Engine

Micro Resistojet:

The Aerospace Corporation

The Aerospace Corporation


SWJ 97

Szilikon Nanoműhold koncepció

  • Szilikon szerepe:

  • Struktúra,

  • Sugárzás elleni pajzs

  • Hőmérséklet kontroll,

  • Optikai anyag,

  • MEMS hordozó,

  • Electronika hordozó

The Aerospace Corporation


Hyperspectral Sensor

Focal point

for short

wavelengths

Focal point

for long

wavelengths

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

100 m


Femtoműhold

Önálló szenzor és kommunikációs eszköz egy köb-milliméterben

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


1 nanometer

1000 nanometer

Szén

  • Nanocsövek

    • Extrem-erős

      • Erő/tömeg = acél 600-szorosa

    • Flexibilis

    • Nyomásra elhajlás-álló

    • Önjavító

    • Vezető

      • Réznél nagyságrendekkel jobban vezet

    • Félvezető

      • Bizonyos elrendezésben félvezetőként reagálhat

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


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

Szerkezeti – geometriai tulajdonságok


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

Királis vektor - indexek


Űrlift

13kg / 65g

90,000,000 kg / 450,000 kg

90,000 kg / 450kg

Forradalmi struktúrák

1360 kg / 6kg

2200 kg / 11kg

Neolitikum / Nanocső (200:1)

270,000 kg / 1360kg


Műholdak kategorizálása

  • 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.

AZ ÓN WHISKER NÖVEKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA


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


Műhold programok trendjei

  • Ár csökkentése

  • Tömeg és térfogat csökkentése

    • Típikus kilövési költség $10000- $50000 per kg

    • Megnőtt integráltság

      • Fejletttokozási technológiák

    • Újszerű struktúrájú anyagok

  • Teljes életciklus költségek

    • Csökkentett idő a gyártáskor, kvalifikáláskor, teszteléskor és kilövéskor

    • Hosszabb üzemidő

AZ ÓN WHISKER NÖVEKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA


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)

NASA műhold tervei


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)


Tervezett DSA küldetések

TechSat 21 Distributed

Radar (AFRL)

(mikroműholdakkal2001 óta fejlesztik)

Terrestrial Planet

Finder (JPL)

(Föld-szerű bolygók és élet keresése)

Space Technology 5 & 6 (NASA - NMP) –

First to use primarily MEMS components

2006.03.22


Amit fontolóra kell venni a DSA-nál

  • Relatívpoziciók 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


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


Alkatrészek teljesítménye javított, melyet úgy értek el hogy integrálták az antennát más alkatrészekkel egyazon chipen

“Smart” antennas

Double-folded shot antenna

2.5 mm aranyréteg szilícium-oxid dielektrikus membránon

Reconfigurable V-Antenna

Az antennák egymástól függetlenül mozgathatóak az aktuátorokkal

Szilícium mikromaratással alkakítják ki

Antennák

77 GHz Double-Folded Slot Antenna

17.5 GHz V-Antenna


Űrben lévő sugárzás hatása

  • Sugárzás

    • Lebontja azelektromos és optikai alkatrészeket

    • Detektorokban nő a zaj

    • Digitális áramkörökben hibákat generál

    • Szigetelőket feltölti

    • Élő szervezetre károsan hat


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


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

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 sugárzás

(főként protonok, akár1020 eV)


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


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


Radiation induced photocurrent shorts out Vdd

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

In CMOS circuits: Latch-up can occur (PMOS and NMOS are both on at the same time)

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

- 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

Hatása eszközökre és áramkörökre


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.


  • Login