Sirkuit radio silikon karbida dapat menahan panas vulkanik Venus
Sebagai seorang seniman, ia membayangkan penjelajah Venus masa depan, yang menerima energi dari angin yang bertiup di atmosfer padat Venus.
Di musim panas tahun 2020, di puncak pandemi, ada juga keuntungannya. Salah satunya adalah penerbangan astronot Amerika ke ISS dan keberhasilan mereka kembali dengan roket komersial dari SpaceX. Peristiwa ini penting karena berbagai alasan, salah satunya adalah sebagai berikut: ketika NASA dibebaskan dari kebutuhan untuk mengirim orang ke orbit Bumi yang rendah, badan tersebut akan dapat menargetkan target yang lebih jauh. Bahkan mungkin ke Venus.
Kegembiraan tentang kemungkinan misi ke Venus mendorong penemuan fosfin di atmosfernya - tanda kemungkinan kehidupan mikroba (meskipun penemuan ini sekarang diperdebatkan). Namun, kondisi planet kedua dari Matahari begitu keras sehingga pendarat yang bertahan paling lama di sana, Venera-13 (USSR), hanya mampu mengirimkan data selama 2 jam 7 menit. Suhu rata-rata di permukaan Venus adalah 464 ° C, atmosfer penuh dengan tetesan asam sulfat, logam mudah berkarat, dan tekanan atmosfer di permukaan 90 kali lebih tinggi daripada di Bumi. Namun, para ilmuwan menganggap Venus sebagai kembaran planet kita.
Ukuran dan massa kedua planet ini hampir sama. Berdasarkan beberapa bukti, samudra besar mungkin telah ada di Venus selama 3 miliar tahun - dan karenanya, mungkin ada kehidupan. Bencana alam apa yang menyebabkan hilangnya air oleh Venus? Ilmuwan planet akan senang mengetahui hal ini - mungkin ini akan memberi tahu kita tentang nasib kita sendiri sehubungan dengan perubahan iklim.
Untuk memecahkan ini dan misteri Venus lainnya, kita perlu membangun beberapa kendaraan robot keturunan yang pintar. Tetapi apakah kita dapat membuat mesin dengan perkakas, sarana komunikasi, terkontrol dan bergerak, yang mampu bertahan dalam lingkungan yang tidak bersahabat seperti itu bukan selama berjam-jam, tetapi selama berbulan-bulan dan bertahun-tahun?
Kita dapat. Teknologi produksi material telah membuat kemajuan besar sejak 1960-an, ketika Uni Soviet meluncurkan serangkaian pesawat pendarat ke Venus. Sekarang kami akan dapat memastikan bahwa lambung dan mekanik kendaraan keturunan masa depan dapat bertahan di sana selama beberapa bulan. Bagaimana dengan elektronik yang rumit? Di lingkungan Venus, sistem silikon saat ini tidak akan bertahan sehari. Hari Bumi, tentu saja - satu hari di Venus berlangsung selama 243 hari Bumi. Dan bahkan sistem pendingin aktif tidak akan memperpanjang masa pakainya hingga 24 jam.
Jawabannya adalah semikonduktor, menggabungkan dua elemen umum, karbon dan silikon, dalam rasio 1 banding 1: silikon karbida, SiC. Ia mampu menahan suhu yang sangat tinggi sambil berfungsi dengan sempurna. Di Pusat Penelitian Glenndi NASA, sirkuit silikon karbida telah beroperasi selama lebih dari setahun pada suhu 500 ° C. Ini menunjukkan fakta bahwa mereka mampu menahan suhu seperti itu, dan pada interval waktu yang dibutuhkan pendarat Venus.
Silikon karbida sudah digunakan di sirkuit catu daya untuk inverter surya, elektronik motor listrik, dan sakelar jaringan pintar canggih. Namun, membuat sirkuit silikon karbida yang mampu menggerakkan kendaraan segala medan dalam kondisi Venus yang sangat buruk, dan mengirim data dari sana ke Bumi, akan menguji material tersebut hingga batas kemampuannya. Jika berhasil, kita akan mendapatkan lebih dari sekadar pos terdepan seluler di salah satu titik paling tidak bersahabat di tata surya. Kami akan memahami cara mengirim sensor nirkabel ke tempat-tempat di Bumi yang belum pernah kami kirim sebelumnya - ke bilah turbin pesawat jet dan turbin gas, ke kepala bor minyak, ke pusat berbagai manufaktur bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi proses. Kemampuan untuk menempatkan elektronik di lokasi tersebut dapat mengurangi biaya pengoperasian dan pemeliharaan peralatan dengan baik.dan juga untuk meningkatkan efektivitas dan keamanannya.
Tim ilmuwan kami dari Royal Institute of Technology (KTI) di Stockholm dan dari Universitas Arkansas di Fateville percaya bahwa sirkuit silikon karbida dapat melakukan semua ini dan lebih banyak lagi - mereka mampu melakukan hal-hal yang bahkan tidak dapat kita bayangkan.
Vulcan II adalah chip silikon karbida analog dan digital yang dirancang untuk pengujian kinerja pada 500 ° C. Sejauh ini kami telah membuat 40 sirkuit menggunakan chip Vulcan II dan pendahulunya.
1. Generator cincin
2. Konverter analog-ke-digital SAR 8-bit dan konverter analog-ke-digital ramp 4-bit
3. Penerima RS 485
4. Penambah 8-bit dan pengganda 4-bit
5. Pewaktu 555
6. Tiga penguat operasional panggung
7. Konverter arus DC-DC
8. Driver gerbang terintegrasi
Silikon karbida bukanlah bahan baru. Awal produksi skala besarnya dikaitkan dengan nama Edward Goodrich Acheson , yang pada tahun 1895 menemukan proses sintesis silikon karbida (carborundum), yang masih digunakan untuk produksi hingga saat ini. Ia mencoba mendapatkan berlian buatan, tetapi sebagai hasil dari percobaan tersebut, kristal SiC muncul. Untuk pertama kalinya, material tersebut berhasil digunakan untuk bekerja dengan listrik pada tahun 1906 - kemudian Henry Harrison Chase Dunwoody menemukan detektor radio. Sampai hari ini, itu dianggap sebagai perangkat semikonduktor komersial pertama.
Namun, sangat sulit untuk menetapkan produksi kristal carborundum yang andal. Baru pada tahun 1990-an para insinyur menemukan peralatan yang dapat menumbuhkan kristal yang cukup baik untuk digunakan membuat transistor daya. Pelat silikon karbida pertama hanya berukuran 30 mm, tetapi secara bertahap industri berpindah ke pelat 50, 75, 100, 150 dan bahkan 200 mm. Meningkatkan ukuran pelat akan meningkatkan efisiensi perangkat. Selama 20 tahun terakhir, penelitian dan produksi telah berkembang pesat sehingga semikonduktor daya silikon karbida sudah dapat dibeli.
Semikonduktor silikon karbida memiliki beberapa sifat yang sangat menarik. Yang pertama adalah bahwa tegangan rusaknya karborundum 10 kali lebih tinggi dari pada silikon. Ini pada dasarnya adalah titik di mana material rusak dan mulai menghantarkan listrik tak terkendali, yang terkadang menyebabkan ledakan. Oleh karena itu, dari dua perangkat dengan ukuran yang sama, satu di silikon dan yang lainnya di carborundum, yang kedua dapat menahan tegangan 10 kali lebih banyak daripada yang pertama. Dan jika Anda membuat dua transistor yang dapat menahan tegangan yang sama, maka transistor silikon karbida dapat dibuat jauh lebih kecil daripada transistor silikon. Perbedaan ukuran memberikan perbedaan dalam konsumsi daya. Untuk tegangan tembus yang sama (katakanlah, 1200 V), resistansi hidup transistor silikon karbida akan 200-400 kali lebih kecil dari pada silikon - oleh karena itu, kehilangan energi juga akan lebih kecil.Karena ukuran yang lebih kecil di konverter daya, dimungkinkan untuk meningkatkan frekuensi switching, dan oleh karena itu kapasitor dan induktor yang lebih kecil dan lebih ringan.
Sifat mengejutkan kedua dari silikon karbida adalah konduktivitas termal. Saat carborundum dipanaskan oleh arus yang melewatinya, panas dapat dengan cepat hilang, yang memperpanjang umur perangkat. Di antara semikonduktor dengan celah pita lebar, konduktivitas termal karborundum adalah yang kedua setelah berlian. Properti ini memungkinkan transistor silikon karbida berdaya tinggi untuk disambungkan ke heatsink dengan ukuran yang sama dengan transistor silikon karbida watt yang jauh lebih rendah - dan masih memiliki perangkat yang berfungsi dan tahan lama.
Sifat ketiga silikon karbida, dan yang paling penting bagi Venus, adalah konsentrasi pembawa muatan yang sangat rendah pada suhu kamar. Konsentrasi ini memberi tahu berapa banyak pembawa listrik yang melepaskan panas. Anda mungkin berpikir bahwa konsentrasi rendah itu buruk. Tetapi hanya jika kita tidak berbicara tentang pekerjaan pada suhu tinggi.
Faktanya adalah silikon kehilangan sifat semikonduktornya saat suhu naik, bukan karena meleleh atau terbakar. Ini hanya mengisi dengan pembawa muatan yang dihasilkan oleh panas. Panas memberikan elektron energi yang merobek mereka keluar dari pita valensi, di mana mereka terikat pada atom, ke dalam pita konduktif, dan meninggalkan lubang bermuatan positif. Sekarang elektron berlubang ini berkontribusi pada konduktivitas. Pada temperatur sedang, dimana untuk silikon adalah 250-300 ° C, transistor mulai mengeluarkan suara berisik dan arus bocor. Pada suhu yang lebih tinggi, konsentrasi pembawa muatan menjadi terlalu tinggi, dan transistor tidak dapat lagi dimatikan - dan mereka menjadi seperti sakelar yang macet dalam posisi "hidup".
Cadangan suhu karborundum hingga saat "transistor meluap" terjadi jauh lebih tinggi - ia juga bekerja pada suhu di atas 800 ° C.
Semua sifat ini memungkinkan silikon karbida beroperasi pada tegangan, daya, dan suhu yang lebih tinggi daripada silikon. Dan bahkan pada suhu yang sesuai untuk silikon, silikon karbida sering berkinerja lebih baik karena perangkat semacam itu dapat diganti lebih sering dan dengan lebih sedikit kehilangan. Hasilnya adalah perangkat, sirkuit, dan sistem yang lebih andal dan efisien. Mereka lebih kecil, lebih ringan, dan mampu bertahan dalam kondisi Venus.
Komponen Penting: Pendarat Venus akan membutuhkan penerima radio dan pemancar untuk berkomunikasi dengan Bumi. Salah satu komponen terpentingnya adalah pencampur frekuensi. Saat menerima sinyal, itu mengubah sinyal pembawa 59 MHz menjadi frekuensi 500 kHz, lebih cocok untuk digitalisasi dan pemrosesan. Saat transmisi, ia melakukan transformasi terbalik. Inti dari mixer adalah transistor pertemuan bipolar silikon karbida yang dirancang untuk beroperasi pada suhu hingga 500 ° C.
Sementara pendarat akan membutuhkan berbagai transistor daya tegangan tinggi, sebagian besar sirkuit - prosesor, sensor, radio - akan membutuhkan transistor tegangan operasi rendah. Sejauh ini, hanya sedikit transistor yang dibuat dari carborundum, namun berkat masalah kasingnya, permulaan telah dibuat.
Ketika aplikasi komersial ditemukan untuk perangkat daya silikon karbida diskrit, para insinyur menyadari kebutuhan untuk mengurangi faktor parasit listrik - resistansi yang tidak diinginkan, induktansi, dan kapasitansi - yang menyebabkan pemborosan energi. Salah satu cara untuk melakukan ini adalah dengan lebih mengintegrasikan sirkuit kontrol, driver, dan perlindungan dengan perangkat daya, meningkatkan tata letak sirkuit. Dalam elektronika daya silikon, sirkuit ini terletak di papan sirkuit tercetak. Tetapi pada frekuensi yang lebih tinggi yang dapat dijangkau oleh transistor daya SiC, karakteristik parasit dari PCB bisa menjadi terlalu tinggi, sehingga menimbulkan kebisingan yang berlebihan. Mengemas atau bahkan menggabungkan sirkuit ini dengan perangkat daya akan menghilangkan kebisingan. Tetapi opsi terakhir berarti kebutuhan untuk membuat sirkuit ini dari silikon karbida.
Untuk operasi suhu kamar, silikon karbida bukan pilihan terbaik karena beberapa alasan. Mungkin yang paling penting adalah bahwa konsumsi daya dan voltase tidak akan cukup rendah. Celah pita silikon yang kecil berarti mikroelektronika dapat beroperasi pada tegangan 1 V. Namun, celah pita carborundum hampir tiga kali lebih besar. Oleh karena itu, tegangan minimum yang dibutuhkan untuk memompa arus melalui transistor - tegangan ambang - juga akan lebih tinggi. Untuk mikroelektronika silikon karbida "tegangan rendah", kami biasanya menggunakan 15 V.
Berbagai peneliti telah mencoba membuat mikroelektronika tegangan rendah di carborundum selama lebih dari 20 tahun. Kemajuannya sederhana pada awalnya, tetapi beberapa terobosan telah dicapai dalam 10 tahun terakhir.
. . 250 °, 1000 °.
Salah satu sirkuit kunci pertama untuk mikroelektronika yang dibuat oleh para insinyur di Arkansas adalah driver gerbang, yang menggerakkan transistor daya melalui elektroda input, atau gerbang. Kami telah membuat beberapa versi sirkuit ini, dan mengujinya untuk bekerja pada suhu yang mirip dengan Venus. Perangkat memungkinkan kontrol catu daya yang sangat tepat, memaksimalkan efisiensi dan meminimalkan gangguan elektromagnetik. Bagian tersulit adalah mengembangkan skema yang dapat beradaptasi dengan kondisi yang berubah dan memperhitungkan efek penuaan, yang kemungkinan besar terwujud dalam kondisi keras Venus.
Penggerak rana penting, tetapi dari sudut pandang para ilmuwan yang ingin mempelajari planet lain, sistem yang paling penting adalah pemancar radio. Tidak masuk akal untuk mengirim seperangkat instrumen ilmiah ke planet lain jika tidak mungkin mentransfer data yang diterima ke Bumi.
Akan lebih penting lagi untuk merakit radio yang kompak dan andal, karena ia akan dapat mengirimkan data di dalam penjelajah itu sendiri, bukan ribuan kabel. Mengganti kabel dengan kontrol nirkabel secara signifikan mengurangi bobot perangkat - dan ini sangat penting untuk perjalanan sejauh 40 juta km.
Oleh karena itu, dalam proyek terakhir kami, kami terutama berurusan dengan pengembangan dan pengujian komponen untuk transceiver radio antarplanet berdasarkan silikon karbida. Tidak ada yang akan memilih carborundum sejak awal, misalnya, untuk pembuatan stasiun radio yang beroperasi pada frekuensi 5G di Bumi. Pertama, pada suhu kamar, mobilitas pembawa muatan di karborundum - dan ini adalah salah satu parameter yang menentukan frekuensi maksimum yang dapat diperkuat oleh semikonduktor - lebih rendah daripada silikon. Tetapi pada suhu seperti di permukaan Venus, silikon tidak berfungsi sama sekali, jadi masuk akal untuk mengadaptasi silikon karbida untuk tujuan ini.
Dalam hal frekuensi radio, carborundum memiliki satu keunggulan. Sejumlah kecil pembawa muatan menjamin kapasitansi parasit yang rendah dari bahan tersebut. Artinya, karena hanya ada sedikit biaya, mereka tidak mungkin berinteraksi sedemikian rupa sehingga efisiensi perangkat akan turun.
Arsitektur transceiver yang kami pilih disebut LO frekuensi menengah rendah . ... Hetero berarti "lainnya" dalam bahasa Yunani, dan -din berarti "energi". Untuk memahami bagaimana cara kerjanya, mari ikuti sinyalnya, dimulai dengan penerima. Sinyal radio dari antena diproses oleh penguat kebisingan rendah, setelah itu diumpankan ke mixer. Mixer menggabungkan sinyal yang diterima dengan frekuensi lain, dekat dengan pembawa. Hasilnya adalah sinyal dengan dua frekuensi antara baru - salah satunya lebih tinggi daripada frekuensi pembawa, dan yang lainnya lebih rendah. Kemudian filter low-pass menghilangkan yang lebih tinggi. Frekuensi antara yang tersisa, yang lebih nyaman untuk diproses, diperkuat dan didigitalkan oleh ADC, dan bit yang diterima ditransmisikan ke unit pemrosesan digital.
Implementasi akhir dari rangkaian yang menjalankan semua fungsi ini ditentukan oleh bagaimana transistor bipolar yang dikembangkan di KTI bekerja pada frekuensi tinggi. Hasilnya adalah transceiver yang beroperasi pada frekuensi 59 MHz, yang merupakan keseimbangan antara batasan transistor pada frekuensi dari atas dan kemampuan komponen pasif rangkaian, yang turun ketika frekuensi diturunkan. Kendaraan keturunan Soviet menggunakan frekuensi dekat 80 MHz. Stasiun modern cenderung mengirimkan informasi ke pesawat ruang angkasa yang mengorbit, yang kemudian dapat menggunakan frekuensi luar angkasa NASA untuk menyampaikan informasi ke rumah.
Salah satu bagian terpenting dari transceiver adalah pencampur frekuensi, yang menurunkan frekuensi dari 59 MHz menjadi 500 kHz. Di jantungnya ada transistor bipolar, yang inputnya memberi sinyal 59 MHz dan 59,5 MHz. Output kolektornya terhubung ke satu set kapasitor dan resistor yang mampu beroperasi pada 500 ° C, menyaring frekuensi tinggi, dan hanya menyisakan frekuensi antara 500 kHz.
Distribusi Panas dalam Penggerak Gerbang Silikon Karbida dalam Pengujian
Dibandingkan dengan komponen analog dan digital frekuensi rendah di bagian hilir mixer, pemrosesan sinyal RF telah menjadi tantangan di semua tahap pengembangan. Tidak ada model transistor yang tepat, ada masalah dengan impedansi yang cocok, dengan keandalan resistor, kapasitor, induktor, dan papan sirkuit tercetak.
Omong-omong, papan sirkuit tercetak tidak terlihat seperti yang biasa Anda lakukan. Papan FR-4 yang menggerakkan segala hal mulai dari perangkat seluler hingga server paling keren akan melemah dan hancur berantakan di Venus. Kami menggunakan keramik berbahan bakar bersama suhu rendah . Chip disambungkan ke papan terkuat ini dengan konduktor emas, bukan aluminium, yang akan cepat lunak. Alih-alih jejak tembaga yang akan terkelupas, komponen dihubungkan dengan konduktor perak, beberapa di antaranya dilapisi titanium. Spiral emas bertindak sebagai induktor (ya, papan seperti itu akan mahal).
Meskipun pengaduk frekuensi adalah hal yang sangat penting, penjelajah Venus membutuhkan lebih dari apa pun. Sejauh ini, kami para ilmuwan di University of Arkansas dan Royal Institute of Technology telah merancang, membangun, dan menguji 40 sirkuit berbeda untuk beroperasi di bawah kondisi 500 ° C. Diantaranya adalah sirkuit radio lainnya, bagian analog dari transceiver, banyak perangkat digital untuk memproses data dari transceiver, dan sensor masa depan untuk eksplorasi planet. Banyak dari mereka yang akrab bagi insinyur mana pun - timer 555, ADC 8-bit, loop fase-terkunci, dan satu set rangkaian logika Boolean. Tentu saja, karena ini semua dibuat dengan tangan dalam batch kecil, pengujian jangka panjang belum dilakukan. Di laboratorium kami, kami menguji perangkat ini dalam kondisi suhu tinggi selama satu hingga dua minggu.Namun, kami terinspirasi oleh hasil eksperimen jangka panjang oleh kelompok lain, yang menilai sirkuit kami akan dapat bekerja lebih lama.
Secara khusus, Pusat Penelitian Glenn NASA baru-baru ini membuat sirkuit terintegrasi berbasis silikon karbida, 200 transistor per chip, yang telah bekerja selama 60 hari dalam ruang yang mensimulasikan kondisi Venus. Ruangan itu memiliki tekanan 9,3 MPa, suhu 460 ° C dan atmosfer planet yang korosif. Tidak ada transistor yang gagal - yang berarti mereka bisa bertahan lebih lama.
Masih banyak yang harus dilakukan. Kita perlu fokus pada pengintegrasian berbagai sirkuit yang dirancang dan meningkatkan efisiensi sirkuit yang sudah beroperasi. Kita perlu mengembangkan sirkuit lain dan membuktikan bahwa sirkuit tersebut dapat bekerja secara stabil selama berbulan-bulan dan bertahun-tahun di bawah kondisi suhu permukaan Venus. Dan ini sangat penting jika perangkat radio dan sistem berdaya rendah lainnya berdasarkan carborundum pernah digunakan dalam aplikasi komersial seperti studi turbin gas dan jet. Jika Anda turun ke bisnis dan memprioritaskan dengan benar, itu tidak akan memakan waktu puluhan tahun, tetapi beberapa tahun.
Akankah sirkuit silikon karbida siap untuk misi Venus di masa depan? Akan lebih akurat untuk mengatakan bahwa penerbangan tidak akan siap tanpa mereka.