mems alkalmaz sa az rben
Download
Skip this Video
Download Presentation
MEMS alkalmazása az űrben

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 34

MEMS alkalmazása az űrben - PowerPoint PPT Presentation


  • 74 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'MEMS alkalmazása az űrben' - maximus-zenas


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
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
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

slide9
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.

slide10
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

slide11
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

slide14
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
slide26
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.htmlSugárzás 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, JPLSugárzás 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.
ad