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


  • 56 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 alkalmaz sa az rben

MEMS alkalmazása az űrben

Horváth Barbara


A mems micro electro mechanical system

A MEMS (Micro Electro Mechanical System)

  • Különböző mikrométeres nagyságrendű egységek integrálása IC-kbe


Szerepe az rtechnik ban

Szerepe az űrtechnikában

  • Az aláméretezéssel feljavított az eszközök teljesítménye

    • Kicsi tömeg és energiafelhasználás

    • „Kötegelt” gyártás – eszköz árának csökkentése


K t anyag aminek a j v ben az rkutat s szempontj b l fontos szerepe van

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

Szilícium

Szén


S zil cium

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).


S zil cium1

Szilícium

Analóg eszközökben: ADXL50 Gyorsulásmérő

Működés elve:

Rögzített elektróda

Mozgó elektróda

3 mm


S zil cium2

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


Opti kai mems eszk z k

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


Mems alkalmaz sa az rben

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.


Mems alkalmaz sa az rben

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


Mems alkalmaz sa az rben

SWJ 97

Szilikon Nanoműhold koncepció

  • Szilikon szerepe:

  • Struktúra,

  • Sugárzás elleni pajzs

  • Hőmérséklet kontroll,

  • Optikai anyag,

  • MEMS hordozó,

  • Electronika hordozó

The Aerospace Corporation


Hyperspectral sensor

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


Femto m hold

Femtoműhold

Önálló szenzor és kommunikációs eszköz egy köb-milliméterben

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


Mems alkalmaz sa az rben

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)


Szerkezeti geometriai tulajdons gok

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


Kir lis 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

Királis vektor - indexek


Forradalmi strukt r k

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


M holdak kategoriz l sa

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


M hold programok trendjei

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


M hold programok trendjei1

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


Nasa m hold 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)

NASA műhold tervei


Distributed satellite architecture dsa

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 k ldet sek

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 fontol ra kell venni a dsa n l

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


Mems alkalmaz sa az rben

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


Antenn k

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


Rben l v sug rz s hat sa

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 ellens ges k r lm nyekben

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


Sug rz s az rben

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)


Sug rz s okozta hibajelens gek

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


Sug rz s hat sa az anyagokra

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


Hat sa eszk z kre s ramk r kre

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


Technik k a sug rz s hat sainak m rs kl s re

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