Сочинение на тему Высокотемпературный электронный аспект Венеры Ландерс

Исследовать планету Венера всегда была интересной темой для человечества. Улучшение и понимание Венеры очень важно. Это вторая планета от Солнца, она вращается вокруг Солнца на 224,7 днях Земли. Атмосфера этой планеты очень сложна для любого вида исследования поверхности, состав атмосферы Венеры составляет приблизительно 96,5% CO2, 3,5% азота и следы SO2, HCL и HF, однако атмосфера на Венере толще Земли, поэтому содержание азота составляет почти четыре времена, чем на Земле. Нашей главной целью является разработка зонда, который будет выживать на поверхности Венеры, поэтому мы сосредоточимся на состоянии тропосферы, которая простирается от поверхности до 65 км радиуса планеты. Плотность воздуха на поверхности составляет 67 кг / м3, температура на поверхности составляет 467 ° С, а давление на поверхности составляет 90 атм.

Высокотемпературная электроника играет жизненно важную роль в миссиях на Венеру. Эти технологии все еще разрабатываются для применения на планете Венера. Из-за нехватки электроники, которая собирает и передает данные при + 450 ° C Венеры, почти все из предложенных миссий были для очень ограниченной продолжительности, чтобы исследовать эту планетную среду.

Раньше на поверхность Венеры отправлялось мало людей, но из-за нехватки высокотемпературных электронных компонентов и старых технологий они не выживали более 2 часов.

Основная проблема:

 
• Атмосферные условия на Венере очень экстремальные, поэтому длительное время работы высокотемпературной электронной схемы затруднено.

 

• Из-за очень высокой температуры (около 500 ° C) и давления (около 90 атмосфер) на Венере живучесть активного устройства, пассивного устройства и упаковочных материалов представляет собой проблему.

Состояние дел:

Многие агентства развернули несколько космических кораблей на Венере, более 23 к настоящему времени, такие как Landers, Balloons и Probes. Здесь мы кратко рассмотрим проницательные приземления Венеры:

Как видно, во всех случаях максимальное время выживания на поверхности составляло 2 часа и 7 минут. Помимо старой механической технологии, для этих лендеров не использовались высокотемпературные батареи / электроника.

Благодаря современным технологиям вместо тяжелой и большой посадочной площадки мы можем иметь маленькую

<Р> Rover. Из-за адской ситуации на Венере, в течение долгого времени исследования поверхности, ровер содержит некоторые специальные компоненты, такие как:

 
• Сосуд под давлением, интегрированный с усовершенствованным термоконтролем
   

• Высокотемпературная электроника с низким энергопотреблением.

 

• Некоторые компоненты, например датчик и / или телеком на 480 ° C.

 

• Система быстрого сбора и анализа проб при 480 ° C.

 

• Хранение энергии при высокой температуре.

 

• Система охлаждения.

Одной из наиболее важных частей ровера Venus, которая напрямую связана с высокотемпературной электроникой, является сосуд высокого давления с усовершенствованным терморегулированием. Он защищает мозговую систему ровера от суровых условий на поверхности Венеры (давление, тепло и окисление). Усовершенствованная система терморегуляции, которая устанавливается внутри сосуда под давлением, выполняет две функции.

Первый состоит в том, чтобы минимизировать теплопередачу от окружающей среды к электронным устройствам, а второй – для согласования тепла, выделяемого внутренними электрическими компонентами, такими как система питания, передатчик и инструменты.

Некоторые технологии были разработаны и эксплуатируются.

 
• Твердотельные материальные устройства Используйте, которые могут работать при высокой температуре, такие как кремний и карбид кремния.

 

• Термоэлектронные вакуумные устройства являются высокотемпературными устройствами, поскольку они рассчитаны на работу при температуре от 600 ° C до почти 1000 ° C. Эти устройства были продемонстрированы для работы в среде при 500 ° C, но дальнейшая оптимизация все еще требуется. Проблемы при разработке этой технологии включают требования к интеграции и энергопотреблению.

Недавнее поколение полупроводников, в том числе карбида кремния (SiC), алмаза и нитрида галлия, позволило провести кратковременные демонстрации электрических устройств при температурах от 550 ° C до 650 ° C. До сих пор эти устройства давали очень мало времени для работы при таких высоких температурах. Для длительной работы стабильность этих устройств очень важна. NASA Grc разработало технологический транзистор на основе SiC для непрерывной работы при 500 ° C более 3000 часов.

В этом эссе я собираюсь сосредоточиться на высокотемпературном электронном аспекте Venus Landers и кратко взглянуть на результаты испытаний NASA GRC по высокотемпературным компонентам и найти лучшие материалы и устройства.

Решение:

Я собираюсь объяснить решение в деталях. Как правило, высокотемпературные электронные компоненты для спускаемого аппарата Venus подразделяются на три категории: активные устройства, пассивные устройства, упаковочные материалы и датчики давления при высокой температуре. Мы рассмотрим эти категории и их подмножества.

Активные устройства:

Твердотельные устройства (SOI Devices). Используя активный терморегулятор с мощной системой охлаждения, мы можем поддерживать температуру внутри сосуда под давлением ~ 300 ° C (теоретически). В этом случае маломощную электронику на основе SOI, работающую при 300 ° C, можно рассматривать для использования внутри терморегулируемой Venus Lander. Эта электроника в настоящее время используется в буровом оборудовании. Такая электроника поможет снять нагрузку с термоконтроля и значительно увеличить живучесть миссии и срок ее службы, а также можно управлять током утечки.

Твердотельное (устройства с широкой запрещенной зоной):

Используя пассивные терморегуляторы, необходимо учитывать полупроводники с широкой запрещенной зоной при температуре выше 300 ° C. Взглянув на приведенную выше таблицу, можно увидеть, что нитрид галлия, карбид кремния, алмаз и термоэлектронные вакуумные устройства могут работать при температуре планеты Венера (~ 500 ° C). Но с учетом таких фактов, как стоимость, срок службы и диапазон технологий, карбиды кремния (устройства SiC) являются лучшим выбором для этой задачи.

Однако на бумаге максимальная рабочая температура для SiC составляет 600 ° C, но проблемы с диффузией и окислением металлических контактных слоев значительно снижают как рабочую температуру, так и срок службы. В этом случае надлежащие металлические слои должны быть выбраны, чтобы уменьшить диффузию и окисление. Также необходимо учитывать другие факты, такие как процесс интеграции и металлизации.

Недавно ученые из команды NASA Glenn изобрели новый тип устройства SIC. Интегральные схемы JFET на основе 4H-SiC (24 транзистора, с 2 уровнями металлического межсоединения) и керамическая упаковка для более 1000 часов постоянной работы при 500 ° C для испытаний в атмосфере Земли. Это один большой шаг вперед для приземления Venus, потому что это устройство SIC не нуждается в охлаждении или тепловой системе или даже сосуде под давлением. Ток, напряжение и некоторые характеристики ключевых параметров очень хороши, как показано ниже.

Шаги испытания поверхности Венеры на 4H-SiC JFET.

a) Полная сборка, показывающая чип SIC Ring Oscillator перед тестированием в горячем состоянии.

б) Полная сборка до тепловых испытаний показывает сетчатую крышку экрана, которая позволяет чип

погружение в смоделированную атмосферу Венеры во время испытания.