MEMS alkalmazása az űrben

1. MEMS alkalmazása az űrben Horváth Barbara

2. A MEMS (Micro Electro Mechanical System) • Különböző mikrométeres nagyságrendű egységek integrálása IC-kbe

3. Szerepe az űrtechnikában • Az aláméretezéssel feljavított az eszközök teljesítménye • Kicsi tömeg és energiafelhasználás • „Kötegelt” gyártás – eszköz árának csökkentése

4. Két anyag, aminek a jövőben az űrkutatás szempontjából fontos szerepe van: Szilícium Szén

5. 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).

6. Szilícium Analóg eszközökben: ADXL50 Gyorsulásmérő Működés elve: Rögzített elektróda Mozgó elektróda 3 mm

7. 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

8. 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

9. 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.

10. 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

11. SWJ 97 Szilikon Nanoműhold koncepció • Szilikon szerepe: • Struktúra, • Sugárzás elleni pajzs • Hőmérséklet kontroll, • Optikai anyag, • MEMS hordozó, • Electronika hordozó The Aerospace Corporation

12. 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

13. Femtoműhold Önálló szenzor és kommunikációs eszköz egy köb-milliméterben http://eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust

14. 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)

15. 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

16. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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)

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. Űrben lévő sugárzás hatása • Sugárzás • Lebontja azelektromos és optikai alkatrészeket • Detektorokban nő a zaj • Digitális áramkörökben hibákat generál • Szigetelőket feltölti • Élő szervezetre károsan hat

29. 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

30. 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)

31. 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

32. 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

33. 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

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.