Los circuitos de radio de carburo de silicio pueden soportar el calor volcánico de Venus
Como artista, imagina un futuro rover Venus, que recibe energía del viento que sopla en la densa atmósfera de Venus.
En el verano de 2020, en el apogeo de la pandemia, también hubo ventajas. Uno de ellos fue el vuelo de astronautas estadounidenses a la ISS y su regreso exitoso en un cohete comercial de SpaceX. Este evento fue importante por muchas razones, una de las cuales es la siguiente: cuando la NASA se libere de la necesidad de llevar personas a la órbita terrestre baja, la agencia podrá apuntar a objetivos más distantes. Quizás incluso a Venus.
El entusiasmo por una posible misión a Venus impulsó el descubrimiento de fosfina en su atmósfera - un posible signo de vida microbiana (aunque este descubrimiento ahora se discute). Sin embargo, las condiciones en el segundo planeta desde el Sol son tan duras que el módulo de aterrizaje que duró más tiempo allí, Venera-13 (URSS), pudo transmitir datos durante solo 2 horas y 7 minutos. La temperatura promedio en la superficie de Venus es de 464 ° C, la atmósfera está llena de gotitas de ácido sulfúrico, que corroen fácilmente los metales, y la presión atmosférica en la superficie es 90 veces mayor que la de la Tierra. Y, sin embargo, los científicos consideran que Venus es el gemelo de nuestro planeta.
Los tamaños y masas de los dos planetas son casi iguales. Según algunas pruebas, es posible que enormes océanos hayan existido en Venus durante 3 mil millones de años y, por lo tanto, podría haber habido vida. ¿Qué cataclismos llevaron a la pérdida de agua de Venus? A los científicos planetarios les encantaría saber esto; tal vez nos diga sobre nuestro propio destino en relación con el cambio climático.
Para resolver este y otros misterios de Venus, necesitamos construir algunos vehículos de descenso robóticos inteligentes. Pero, ¿seremos capaces de hacer máquinas con herramientas, medios de comunicación, controlados y móviles, capaces de sobrevivir en un entorno tan hostil no durante horas, sino durante meses y años?
Podemos. La tecnología de producción de materiales ha avanzado mucho desde la década de 1960, cuando la URSS lanzó una serie de módulos de aterrizaje a Venus. Ahora podremos asegurarnos de que el casco y la mecánica del futuro vehículo de descenso puedan resistir allí durante varios meses. ¿Qué pasa con la electrónica delicada? En el entorno de Venus, los sistemas de silicio actuales no durarán ni un día. Un día terrestre, por supuesto, un día en Venus dura 243 días terrestres. E incluso los sistemas de enfriamiento activo no extenderán su vida por 24 horas.
La respuesta fue un semiconductor, que combinaba dos elementos comunes, carbono y silicio, en una proporción de 1 a 1: carburo de silicio, SiC. Es capaz de soportar temperaturas extremadamente altas mientras funciona perfectamente. En el Centro de Investigación GlennEn la NASA, los circuitos de carburo de silicio han estado funcionando durante más de un año a una temperatura de 500 ° C. Esto demuestra el hecho de que pueden soportar tales temperaturas y en los intervalos de tiempo que requeriría el módulo de aterrizaje de Venus.
El carburo de silicio ya se está utilizando en circuitos de suministro de energía para inversores solares, electrónica de motores eléctricos e interruptores de red inteligente avanzados. Sin embargo, crear circuitos de carburo de silicio capaces de conducir un vehículo todo terreno en las condiciones infernales de Venus y enviar datos desde allí a la Tierra pondrá a prueba el material al límite de sus capacidades. Si tiene éxito, obtendremos algo más que un puesto de avanzada móvil en uno de los puntos menos amigables del sistema solar. Comprenderemos cómo enviar sensores inalámbricos a lugares de la Tierra que nunca antes habíamos enviado: a las palas de las turbinas de los aviones a reacción y las turbinas de gas, a los cabezales de las perforadoras de petróleo, al centro de varias manufacturas de alta temperatura y alta presión Procesos. La capacidad de colocar dispositivos electrónicos en tales ubicaciones bien puede reducir el costo de operación y mantenimiento del equipo.y también para aumentar su eficacia y seguridad.
Nuestro equipo de científicos del Royal Institute of Technology (KTI) en Estocolmo y de la Universidad de Arkansas en Fateville cree que los circuitos de carburo de silicio pueden hacer todo esto y más: son capaces de cosas que ni siquiera podemos imaginar.
El Vulcan II es un chip digital y analógico de carburo de silicio diseñado para pruebas de rendimiento a 500 ° C. Hasta ahora hemos hecho 40 circuitos utilizando el chip Vulcan II y su predecesor.
1. Generador de anillo
2. Convertidores de analógico a digital SAR de 8 bits y convertidores de analógico a digital de rampa de 4 bits
3. Receptor RS 485
4. Sumadores de 8 bits y multiplicadores de 4 bits
5. Temporizador 555
6. Tres -amplificador operacional de etapa
7. Convertidor de corriente CC-CC
8. Controladores de puerta integrados El
carburo de silicio no es un material nuevo. El inicio de su producción a gran escala se asocia con el nombre de Edward Goodrich Acheson , quien en 1895 inventó el proceso de síntesis de carburo de silicio (carborundo), que todavía se utiliza para la producción en la actualidad. Intentó conseguir diamantes artificiales, pero como resultado del experimento aparecieron cristales de SiC. Por primera vez, el material se utilizó con éxito para trabajar con electricidad en 1906; luego, Henry Harrison Chase Dunwoody inventó un detector de radio. Hasta el día de hoy, se considera el primer dispositivo semiconductor comercial.
Sin embargo, es extremadamente difícil establecer una producción confiable de grandes cristales de carborundo. No fue hasta la década de 1990 que los ingenieros inventaron equipos que podían hacer crecer cristales lo suficientemente buenos como para ser utilizados para fabricar transistores de potencia. Las primeras placas de carburo de silicio tenían un tamaño de solo 30 mm, pero gradualmente la industria se trasladó a placas de 50, 75, 100, 150 e incluso 200 mm. El aumento del tamaño de la placa aumenta la eficiencia del dispositivo. Durante los últimos 20 años, la investigación y la producción han avanzado tanto que ya se pueden comprar semiconductores de potencia de carburo de silicio.
Un semiconductor de carburo de silicio tiene varias propiedades muy atractivas. El primero de ellos es que el voltaje de ruptura del carborundo es 10 veces mayor que el del silicio. Este es esencialmente el punto en el que el material se descompone y comienza a conducir electricidad de manera incontrolable, lo que a veces conduce a una explosión. Por tanto, de dos dispositivos del mismo tamaño, uno sobre silicio y el otro sobre carborundo, el segundo puede soportar 10 veces más voltaje que el primero. Y si fabrica dos transistores que puedan soportar el mismo voltaje, entonces un transistor de carburo de silicio puede hacerse mucho más pequeño que uno de silicio. La diferencia de tamaño da la diferencia en el consumo de energía. Para el mismo voltaje de ruptura (digamos, 1200 V), la resistencia de encendido de un transistor de carburo de silicio será 200-400 veces menor que la de uno de silicio; por lo tanto, las pérdidas de energía también serán menores.Debido al tamaño más pequeño del convertidor de potencia, es posible aumentar la frecuencia de conmutación y, por lo tanto, condensadores e inductores más pequeños y ligeros.
La segunda propiedad sorprendente del carburo de silicio es la conductividad térmica. Cuando el carborundo se calienta por la corriente que lo atraviesa, el calor se puede disipar rápidamente, lo que prolonga la vida útil del dispositivo. Entre los semiconductores con una banda prohibida amplia, la conductividad térmica del carborundo es superada solo por el diamante. Esta propiedad permite que un transistor de carburo de silicio de alta potencia se conecte a un disipador de calor del mismo tamaño que un transistor de carburo de silicio de vataje mucho más bajo, y aún así tener un dispositivo funcional y duradero.
La tercera propiedad del carburo de silicio, y la más importante para Venus, es una concentración muy baja de portadores de carga a temperatura ambiente. Esta concentración indica cuántos portadores de electricidad están liberando calor. Podría pensar que una concentración baja es mala. Pero solo si no hablamos de trabajo a altas temperaturas.
El hecho es que el silicio pierde sus propiedades semiconductoras cuando aumenta la temperatura, no porque se derrita o se queme. Simplemente se llena con portadores de carga generados por el calor. El calor les da a los electrones la energía que los arranca de la banda de valencia, donde están unidos a los átomos, hacia la banda conductora y deja huecos con carga positiva. Ahora bien, estos electrones con huecos contribuyen a la conductividad. A temperaturas moderadas, que para el silicio es de 250-300 ° C, los transistores comienzan a hacer ruido y fugas de corriente. A temperaturas más altas, la concentración de los portadores de carga se vuelve demasiado alta y el transistor ya no se puede apagar, y se convierten en algo así como un interruptor atascado en la posición de "encendido".
La reserva de temperatura del carborundo hasta el momento en que se produce el "desbordamiento del transistor" es mucho mayor; también funciona a temperaturas superiores a 800 ° C.
Todas estas propiedades permiten que el carburo de silicio funcione a mayor voltaje, potencia y temperatura que el silicio. E incluso a temperaturas que funcionan para el silicio, el carburo de silicio a menudo funciona mejor porque dichos dispositivos se pueden cambiar con más frecuencia y con menos pérdidas. El resultado son dispositivos, circuitos y sistemas más fiables y eficientes. Son más pequeños, livianos y capaces de sobrevivir en las condiciones de Venus.
Componente crítico: El módulo de aterrizaje de Venus necesitará un receptor y transmisor de radio para comunicarse con la Tierra. Uno de sus componentes más importantes es el mezclador de frecuencia. Al recibir una señal, convierte la señal portadora de 59 MHz a una frecuencia de 500 kHz, más adecuada para digitalización y procesamiento. En la transmisión, realiza la transformación inversa. En el corazón del mezclador hay un transistor de unión bipolar de carburo de silicio diseñado para funcionar a temperaturas de hasta 500 ° C.
Si bien el módulo de aterrizaje necesitará una variedad de transistores de potencia de alto voltaje, la mayoría de los circuitos (procesador, sensor, radio) requerirán transistores de bajo voltaje de funcionamiento. Hasta ahora, pocos de estos transistores están hechos de carborundo, pero gracias al problema con las carcasas, se ha comenzado.
Cuando se encontraron aplicaciones comerciales para dispositivos de potencia de carburo de silicio discretos, los ingenieros se dieron cuenta de la necesidad de reducir los factores parásitos eléctricos (resistencia, inductancia y capacitancia no deseadas) que conducen al desperdicio de energía. Una forma de hacer esto es integrar mejor los circuitos de control, controlador y protección con dispositivos de potencia, mejorando el diseño del circuito. En la electrónica de potencia de silicio, estos circuitos están ubicados en placas de circuito impreso. Pero a las frecuencias más altas que pueden alcanzar los transistores de potencia de SiC, las características parásitas de la PCB pueden ser demasiado altas, lo que da como resultado un ruido excesivo. Empacar o incluso combinar estos circuitos con dispositivos de potencia eliminará el ruido. Pero esta última opción supondría la necesidad de fabricar estos circuitos a partir de carburo de silicio.
Para el funcionamiento a temperatura ambiente, el carburo de silicio no es la mejor opción por varias razones. Quizás el más importante de ellos es que el consumo de energía y el voltaje no serán lo suficientemente bajos. La pequeña banda prohibida del silicio significa que la microelectrónica puede operar a un voltaje de 1 V. Sin embargo, la banda prohibida del carborundo es casi tres veces mayor. Por lo tanto, el voltaje mínimo requerido para bombear corriente a través del transistor, el voltaje umbral, también será mayor. Para nuestra microelectrónica de carburo de silicio de "bajo voltaje" usualmente usamos 15 V.
Varios investigadores han estado intentando crear microelectrónica de bajo voltaje en carborundo durante más de 20 años. El progreso fue modesto al principio, pero se han logrado varios avances en los últimos 10 años.
. . 250 °, 1000 °.
Uno de los primeros circuitos clave para microelectrónica creado por ingenieros en Arkansas fue un controlador de puerta, que impulsa un transistor de potencia a través de un electrodo de entrada o puerta. Ya hemos hecho varias versiones de este circuito y lo hemos probado para que funcione a temperaturas similares a las de Venus. El dispositivo permitió un control muy preciso de las fuentes de alimentación, maximizando la eficiencia y minimizando la interferencia electromagnética. La parte más difícil fue desarrollar un esquema que pueda adaptarse a las condiciones cambiantes y tener en cuenta los efectos del envejecimiento, que probablemente se manifestarán en las duras condiciones de Venus.
Los impulsores del obturador son importantes, pero desde el punto de vista de los científicos que desean estudiar otros planetas, el sistema más importante será el transmisor de radio. No tiene sentido enviar un conjunto de instrumentos científicos a otro planeta si es imposible transferir los datos recibidos a la Tierra.
Será aún más importante ensamblar una radio compacta y confiable, ya que podrá transmitir datos dentro del propio rover en lugar de miles de cables. Reemplazar los cables con control inalámbrico reduce significativamente el peso del dispositivo, y esto es muy importante para un viaje de 40 millones de km.
Por lo tanto, en nuestro último proyecto, nos ocupamos principalmente del desarrollo y prueba de componentes para un transceptor de radio interplanetario basado en carburo de silicio. Nadie elegiría el carborundo en primer lugar, por ejemplo, para la fabricación de una estación de radio que funcione en frecuencias 5G en la Tierra. Primero, a temperatura ambiente, la movilidad de los portadores de carga en el carborundo -y este es uno de los parámetros que determina las frecuencias máximas que puede amplificar un semiconductor- es menor que la del silicio. Pero a temperaturas como las de la superficie de Venus, el silicio no funciona en absoluto, por lo que tiene sentido adaptar el carburo de silicio para este propósito.
Cuando se trata de frecuencias de radio, el carborundo tiene una ventaja. El pequeño número de portadores de carga garantiza una baja capacitancia parásita del material. Es decir, dado que hay pocos cargos, es poco probable que interactúen de tal manera que disminuya la eficiencia del dispositivo.
La arquitectura de nuestro transceptor elegida se denomina LO de baja frecuencia intermedia . ... Hetero significa "otro" en griego y -din significa "energía". Para entender cómo funciona, sigamos la señal, comenzando por el receptor. Las señales de radio de la antena son procesadas por un amplificador de bajo ruido, después de lo cual se envían al mezclador. El mezclador combina la señal recibida con otra frecuencia, cercana a la portadora. El resultado es una señal con dos nuevas frecuencias intermedias: una de ellas es más alta que la de la portadora y la otra es más baja. Luego, el filtro de paso bajo se deshace del más alto. La frecuencia intermedia restante, que es más conveniente de procesar, es amplificada y digitalizada por el ADC, y los bits recibidos se transmiten a la unidad de procesamiento digital.
La implementación final del circuito que realizaba todas estas funciones estaba determinada por la forma en que el transistor bipolar desarrollado en el KTI trabajaba a altas frecuencias. El resultado es un transceptor que opera a una frecuencia de 59 MHz, que es un equilibrio entre las restricciones del transistor en la frecuencia desde arriba y las capacidades de los componentes pasivos del circuito, que caen cuando se bajan las frecuencias. Los vehículos de ascendencia soviética utilizaron una frecuencia cercana de 80 MHz. Es probable que las estaciones modernas transmitan información a una nave espacial en órbita, que luego puede usar las frecuencias del espacio profundo de la NASA para transmitir la información a casa.
Una de las partes más importantes del transceptor es el mezclador de frecuencia, que reduce la frecuencia de 59 MHz a 500 kHz. En su corazón hay un transistor bipolar, cuya entrada señala 59 MHz y 59,5 MHz. Su salida de colector está conectada a un conjunto de condensadores y resistencias capaces de operar a 500 ° C, filtrando la alta frecuencia y dejando solo una frecuencia intermedia de 500 kHz.
Distribución de calor en el controlador de puerta de carburo de silicio en pruebas
En comparación con los componentes analógicos y digitales de baja frecuencia aguas abajo del mezclador, el procesamiento de señales de RF ha sido un desafío en todas las etapas de desarrollo. No hubo modelos exactos del transistor, hubo problemas con la adaptación de impedancia, con la confiabilidad de resistencias, capacitores, inductores y placas de circuito impreso.
Por cierto, las placas de circuito impreso no se parecen a las que estás acostumbrado. Las placas FR-4 que alimentan todo, desde dispositivos móviles hasta los servidores más geniales, se debilitarían y desmoronarían en Venus. Utilizamos cerámica cocida a baja temperatura . Los chips están conectados a esta placa más fuerte con conductores de oro, no de aluminio, que se ablandarían rápidamente. En lugar de restos de cobre que se desprenderían, los componentes están conectados por conductores de plata, algunos de los cuales están revestidos de titanio. Las espirales de oro actúan como inductores (sí, tales placas serán caras).
Si bien el mezclador de frecuencia es algo muy importante, el rover Venus necesitará mucho más que cualquier otra cosa. Hasta ahora, los científicos de la Universidad de Arkansas y el Instituto Real de Tecnología hemos diseñado, construido y probado 40 circuitos diferentes para operar en condiciones de 500 ° C. Entre ellos se encuentran otros circuitos de radio, partes analógicas del transceptor, muchos dispositivos digitales para procesar datos del transceptor y futuros sensores para la exploración planetaria. Muchos de ellos son familiares para cualquier ingeniero: temporizador 555, ADC de 8 bits, bucle de bloqueo de fase y un conjunto de circuitos lógicos booleanos. Por supuesto, dado que todo esto se hizo a mano en pequeños lotes, aún no se han llevado a cabo pruebas a largo plazo. En nuestros laboratorios, probamos estos dispositivos en condiciones de alta temperatura durante una o dos semanas.Sin embargo, nos inspiran los resultados de experimentos a largo plazo de otros grupos, a juzgar por los cuales, nuestros circuitos podrán funcionar más tiempo.
En particular, el Centro de Investigación Glenn de la NASA fabricó recientemente circuitos integrados basados en carburo de silicio, 200 transistores por chip, que han trabajado durante 60 días en una cámara que simula las condiciones de Venus. La cámara tenía una presión de 9,3 MPa, una temperatura de 460 ° C y una atmósfera planetaria corrosiva. Ninguno de los transistores falló, lo que significa que podrían durar mucho más.
Queda mucho por hacer. Necesitamos enfocarnos en integrar los diversos circuitos diseñados y mejorar la eficiencia de los que ya están en operación. Necesitamos desarrollar otros circuitos y demostrar que pueden funcionar de manera estable durante muchos meses y años en las condiciones de temperatura de la superficie de Venus. Y esto es especialmente importante si los dispositivos de radio y otros sistemas de baja potencia basados en carborundo se utilizan alguna vez en aplicaciones comerciales, como el estudio de turbinas de gas y de chorro. Si se pone manos a la obra y establece las prioridades correctamente, no le llevará décadas, sino varios años.
¿Estarán listos los circuitos de carburo de silicio para una futura misión a Venus? Sería más exacto decir que el vuelo no estaría listo sin ellos.