地獄にも送れるラジオ

炭化ケイ素無線回路は金星の火山熱に耐えることができます

アーティストとして、金星の密集した大気に吹く風からエネルギーを受け取る未来の金星探査車を想像します。



2020年の夏、パンデミックの最盛期には、利点もありました。それらの1つは 、ISSへのアメリカの宇宙飛行士の飛行とSpaceXからの商用ロケットでの彼らの成功した帰還でした。このイベントは多くの理由で重要でしたが、その1つは次のとおりです。NASAが低軌道に人々を届ける必要性から解放されると、機関はより遠いターゲットをターゲットにできるようになります。多分金星にさえ。



金星への可能な任務についての興奮は、その大気中 のホスフィンの発見に拍車をかけました -微生物の生命の可能性のある兆候（この発見は現在論争中ですが）。しかし、太陽から2番目の惑星の条件は非常に厳しく、そこで最も長く続いた着陸船である ベネラ13号（ソ連）は、わずか2時間7分でデータを送信することができました。金星の表面の平均気温は464℃で、大気は硫酸の液滴でいっぱいで、金属を腐食しやすく、表面の大気圧は地球の90倍です。それでも、科学者たちは金星を私たちの惑星の双子であると考えています。



2つの惑星のサイズと質量はほぼ同じです。いくつかの証拠に基づくと、金星には30億年もの間、巨大な海が存在していた可能性があります。したがって、生命が存在した可能性があります。金星による水の損失につながった大変動は何ですか？惑星科学者はこれを知りたがっています-おそらくそれは気候変動に関連した私たち自身の運命について私たちに教えてくれるでしょう。



金星のこれと他の謎を解決するために、私たちはいくつかの巧妙なロボット降下車を作る必要があります。しかし、このような敵対的な環境で何時間も、何ヶ月も何年も生き残ることができる、制御されたモバイルのツール、通信手段を備えたマシンを作ることができるでしょうか？



私たちはできる。ソ連が金星に一連の着陸船を打ち上げた1960年代以来、材料生産技術は大きな進歩を遂げました。これで、将来の降下車両の船体と機構が数か月間そこに耐えられることを確認できるようになります。繊細な電子機器はどうですか？金星の環境では、今日のシリコンシステムは1日も続かないでしょう。もちろん、地球の日-金星の日は243地球日続きます。また、アクティブな冷却システムでさえ、24時間寿命を延ばすことはありません。



答えは、2つの一般的な元素である炭素とシリコンを1対1の比率で組み合わせた半導体でした。炭化ケイ素、SiCです。完全に機能しながら、非常に高い温度に耐えることができます。で グレンリサーチセンターNASAでは、炭化ケイ素回路が500°Cの温度で1年以上稼働しています。これは、彼らがそのような温度に耐えることができ、金星の着陸船が必要とする時間間隔で耐えることができるという事実を示しています。



炭化ケイ素は、ソーラーインバーター、電気モーターエレクトロニクス、および高度なスマートグリッドスイッチの電源回路ですでに使用されています。しかし、金星の地獄のような条件で全地形対応車を運転できる炭化ケイ素回路を作成し、そこから地球にデータを送信すると、その能力の限界まで材料がテストされます。成功すれば、太陽系で最も友好的でない場所の1つに、単なる移動前哨基地以上のものを手に入れることができます。ジェット機やガスタービンのタービンブレード、オイルドリルのヘッド、さまざまな高温高圧製造の中心など、これまでに送信したことのない地球上の場所にワイヤレスセンサーを送信する方法を理解します。プロセス。そのような場所に電子機器を配置する機能は、機器の操作と保守の両方のコストを大幅に削減する可能性があります。また、その有効性と安全性を高めるために。



ストックホルムの王立工科大学（KTI）とフェイトビルのアーカンソー大学の科学者チームは、炭化ケイ素回路がこれ以上のことを実行できると信じています。想像もできないことも可能です。





Vulcan IIは、500°Cでの性能テスト用に設計された炭化ケイ素アナログおよびデジタルチップです。これまでに、VulcanIIチップとその前身を使用して40個の回路を作成しました。

1.リングジェネレーター

2.8ビットSARアナログ-デジタルコンバーターおよび4ビットランプアナログ-デジタルコンバーター

3.RS485レシーバー

4.8ビット加算器および4ビット乗算器

5.555タイマー

6.3つ-ステージオペレーショナルアンプ

7.DC-DC電流コンバーター

8.統合ゲートドライバー



炭化ケイ素は新しい材料ではありません。その大規模生産の始まりは、1895年に現在でも生産に使用されている炭化ケイ素（炭化ケイ素）を合成するプロセスを発明したエドワード・グッドリッチ・アチソンの名前に関連してい ます。彼は人工ダイヤモンドを手に入れようとしましたが、実験の結果、SiC結晶が現れました。この材料は、1906年に初めて電気の使用に成功しました。その後、 ヘンリーハリソンチェイスダンウッディが無線検出器を発明しました。今日まで、それは最初の商用半導体デバイスと見なされています。



しかし、炭化ケイ素の大きな結晶の信頼できる生産を確立することは非常に困難です。エンジニアがパワートランジスタの製造に使用するのに十分な結晶を成長させることができる装置を発明したのは1990年代になってからでした。最初の炭化ケイ素プレートのサイズはわずか30mmでしたが、徐々に業界は50、75、100、150、さらには200mmのプレートに移行しました。プレートのサイズを大きくすると、デバイスの効率が向上します。過去20年間で、研究と生産は非常に進歩し、炭化ケイ素パワー半導体はすでに購入できるようになりました。



炭化ケイ素半導体には、いくつかの非常に魅力的な特性があります。一つ目は、カーボランダムの絶縁破壊電圧がシリコンの10倍であるということです。これは本質的に、材料が分解して制御不能に電気を伝導し始めるポイントであり、爆発につながることがあります。したがって、同じサイズの2つのデバイス（1つはシリコン上、もう1つはカーボランダム上）のうち、2番目のデバイスは最初のデバイスの10倍の電圧に耐えることができます。また、同じ電圧に耐えられる2つのトランジスタを作成すると、炭化ケイ素トランジスタをシリコントランジスタよりもはるかに小さくすることができます。サイズの違いが消費電力の違いになります。同じブレークダウン電圧（たとえば1200 V）の場合、炭化ケイ素トランジスタのターンオン抵抗はシリコントランジスタのターンオン抵抗の200〜400分の1になります。したがって、エネルギー損失も少なくなります。電力変換器のサイズが小さいため、スイッチング周波数を上げることができ、したがってコンデンサとインダクタをより小さく、より軽くすることができます。



炭化ケイ素の2番目の驚くべき特性は熱伝導率です。カーボランダムに流れる電流によってカーボランダムが加熱されると、熱がすばやく放散され、デバイスの寿命が延びます。バンドギャップの広い半導体の中 で、カーボランダムの熱伝導率はダイヤモンドに次ぐものです。この特性により、高出力の炭化ケイ素トランジスタを、はるかに低いワット数の炭化ケイ素トランジスタと同じサイズのヒートシンクに接続できますが、機能的で耐久性のあるデバイスを備えています。



炭化ケイ素の3番目の特性であり、金星にとって最も重要なのは、室温での電荷キャリアの濃度が非常に低いことです。この濃度は、電気のキャリアがいくつ熱を放出しているかを示します。低濃度は悪いと思うかもしれません。しかし、私たちが高温での仕事について話しているのでない場合に限ります。



事実、シリコンは温度が上がると半導体特性を失いますが、溶融したり燃え尽きたりするからではありません。熱によって生成された電荷キャリアで満たされるだけです。熱は電子にエネルギーを与え、電子が原子に結合している価電子帯から伝導帯に引き裂かれ、正に帯電した正孔を残します。現在、これらの正孔を持つ電子は導電率に寄与しています。シリコンの場合は250〜300°Cの中程度の温度で、トランジスタはノイズを発生し、電流をリークし始めます。温度が高くなると、電荷キャリアの濃度が高くなりすぎて、トランジスタをオフにすることができなくなり、「オン」の位置でスイッチが詰まったようなものになります。



「トランジスタオーバーフロー」が発生する瞬間までのカーボランダムの温度予備力ははるかに高く、800°Cを超える温度でも機能します。



これらすべての特性により、炭化ケイ素はシリコンよりも高い電圧、電力、温度で動作することができます。また、シリコンに適した温度でも、炭化ケイ素は、そのようなデバイスをより頻繁に、より少ない損失で切り替えることができるため、多くの場合、より優れた性能を発揮します。その結果、より信頼性が高く効率的なデバイス、回路、システムが実現します。それらはより小さく、より軽く、そして金星の条件で生き残ることができます。





重要なコンポーネント：金星の着陸船は、地球と通信するために無線受信機と送信機を必要とします。その最も重要なコンポーネントの1つは、周波数ミキサーです。信号を受信すると、59MHzのキャリア信号を500kHzの周波数に変換し、デジタル化と処理に適しています。送信時に、逆変換を実行します。ミキサーの心臓部は、500°Cまでの温度で動作するように設計された炭化ケイ素バイポーラ接合トランジスタです。



着陸船にはさまざまな高電圧パワートランジスタが必要ですが、ほとんどの回路（プロセッサ、センサー、無線）には低動作電圧トランジスタが必要です。これまでのところ、そのようなトランジスタはカーボランダムから作られているものはほとんどありませんが、ケースの問題のおかげで、スタートが切れました。



ディスクリート炭化ケイ素パワーデバイスの商用アプリケーションが見つかったとき、エンジニアは、エネルギーの浪費につながる電気的寄生要因（不要な抵抗、インダクタンス、静電容量）を減らす必要があることに気づきました。これを行う1つの方法は、制御、ドライバー、および保護回路をパワーデバイスとより適切に統合し、回路レイアウトを改善することです。シリコンパワーエレクトロニクスでは、これらの回路はプリント回路基板上に配置されています。しかし、SiCパワートランジスタが到達できるより高い周波数では、PCBの寄生特性が高すぎて、過度のノイズが発生する可能性があります。これらの回路をパワーデバイスと梱包または組み合わせることで、ノイズを排除できます。しかし、後者のオプションは、これらの回路を炭化ケイ素から製造する必要があることを意味します。



室温での動作では、いくつかの理由から炭化ケイ素は最良の選択肢ではありません。おそらく、これらの中で最も重要なのは、消費電力と電圧が十分に低くならないことです。シリコンのバンドギャップが小さいということは、マイクロエレクトロニクスが1 Vの電圧で動作できることを意味します。ただし、カーボランダムのバンドギャップはほぼ3倍です。したがって、トランジスタに電流を流すために必要な最小電圧（しきい値電圧）も高くなります。私たちの「低電圧」炭化ケイ素マイクロエレクトロニクスには、通常15 Vを使用します。



さまざまな研究者が、20年以上にわたってカーボランダム上に低電圧マイクロエレクトロニクスを作成しようとしています。最初は進歩は穏やかでしたが、過去10年間でいくつかのブレークスルーが達成されました。





. . 250 °, 1000 °.



アーカンソーのエンジニアによって作成されたマイクロエレクトロニクスの最初の重要な回路の1つは、入力電極またはゲートを介してパワートランジスタを駆動するゲートドライバでした。この回路のいくつかのバージョンをすでに作成し、金星の温度と同様の温度で動作するようにテストしました。このデバイスは、電源の非常に正確な制御を可能にし、効率を最大化し、電磁干渉を最小化しました。最も困難な部分は、変化する条件に適応し、金星の過酷な条件で現れる可能性が高い老化の影響を考慮に入れることができるスキームを開発することでした。



シャッタードライバーは重要ですが、他の惑星を研究したい科学者の観点から、最も重要なシステムは無線送信機になります。受信したデータを地球に転送することが不可能な場合、一連の科学機器を別の惑星に送信することは意味がありません。



何千本ものワイヤーではなく、ローバー自体の内部でデータを送信できるため、コンパクトで信頼性の高い無線機を組み立てることがさらに重要になります。ワイヤーをワイヤレス制御に置き換えると、デバイスの重量が大幅に軽減されます。これは、4,000万kmの移動にとって非常に重要です。



そのため、前回のプロジェクトでは、主に炭化ケイ素をベースにした惑星間無線トランシーバーのコンポーネントの開発とテストを行いました。たとえば、地球上で5G周波数で動作するラジオ局を製造する場合、そもそもカーボランダムを選択する人は誰もいません。まず、室温では、カーボランダム内の電荷キャリアの移動度（これは半導体が増幅できる最大周波数を決定するパラメータの1つです）がシリコンの移動度よりも低くなります。しかし、金星の表面などの温度では、シリコンはまったく機能しないため、この目的に炭化ケイ素を適合させることは理にかなっています。



無線周波数に関しては、カーボランダムには1つの利点があります。電荷キャリアの数が少ないため、材料の寄生容量が低くなります。つまり、電荷が少ないため、デバイスの効率が低下するような相互作用が発生する可能性は低くなります。



選択したトランシーバアーキテクチャは、低中間周波数LOと呼ばれます。 ..。ヘテロはギリシャ語で「その他」を意味し、-dinは「エネルギー」を意味します。何が機能するかを理解するために、受信機から始めて信号をたどってみましょう。アンテナからの無線信号は、低雑音増幅器によって処理された後、ミキサーに送られます。ミキサーは、受信信号をキャリアに近い別の周波数と結合します。その結果、2つの新しい中間周波数を持つ信号が生成されます。1つはキャリアの周波数よりも高く、もう1つはより低い周波数です。次に、ローパスフィルターは高いフィルターを取り除きます。残りの中間周波数は、処理がより便利で、ADCによって増幅およびデジタル化され、受信したビットがデジタル処理ユニットに送信されます。



これらすべての機能を実行する回路の最終的な実装は、KTIで開発されたバイポーラトランジスタが高周波でどのように機能するかによって決定されました。その結果、59 MHzの周波数で動作するトランシーバーが得られます。これは、上からの周波数に対するトランジスターの制限と、周波数が低くなると低下する回路のパッシブコンポーネントの機能との間のバランスです。ソビエトの降下車両は80MHzの近い周波数を使用しました。現代のステーションは、軌道を回る宇宙船に情報を送信する可能性が高く、宇宙船はNASAの深宇宙周波数を使用して情報を家に中継することができます。



トランシーバーの最も重要な部分の1つは、周波数を59MHzから500kHzにダウンサイズする周波数ミキサーです。その心臓部にはバイポーラトランジスタがあり、その入力は59MHzと59.5MHzに信号を送ります。そのコレクター出力は、500°Cで動作し、高周波をフィルターで除去し、500kHzの中間周波数のみを残すことができるコンデンサーと抵抗器のセットに接続されています。





テスト中の炭化ケイ素ゲートドライバーの熱分布



ミキサーの下流にある低周波のアナログおよびデジタルコンポーネントと比較して、RF信号処理は開発のすべての段階で困難でした。トランジスタの正確なモデルはなく、インピーダンスの整合、抵抗、コンデンサ、インダクタ、プリント回路基板の信頼性に問題がありました。



ちなみに、プリント基板は今までのようには見えません。モバイルデバイスから最もクールなサーバーまですべてに電力を供給するFR-4ボードは、金星では弱体化し、崩壊します。低温同時焼成セラミックを使用 しました。チップは、アルミニウムではなく金の導体でこの最強のボードに接続されており、すぐに柔らかくなります。剥がれる銅の痕跡の代わりに、コンポーネントは銀の導体で接続されており、その一部はチタンで覆われています。ゴールドスパイラルはインダクタとして機能します（はい、そのようなボードは高価になります）。



周波数ミキサーは非常に重要なものですが、金星探査車は何よりもはるかに多くのものを必要とします。これまで、アーカンソー大学とスウェーデン王立工科大学の科学者は、500°Cの条件下で動作する40の異なる回路を設計、構築、テストしてきました。それらの中には、他の無線回路、トランシーバーのアナログ部品、トランシーバーからのデータを処理するための多くのデジタルデバイス、および惑星探査のための将来のセンサーがあります。それらの多くは、555タイマー、8ビットADC、フェーズロックループ、およびブール論理回路のセットなど、どのエンジニアにもなじみがあります。もちろん、これはすべて小さなバッチで手作りされているため、長期的なテストはまだ実施されていません。私たちの研究室では、これらのデバイスを高温条件下で1〜2週間テストしました。しかし、私たちは他のグループによる長期実験の結果に触発されており、それによって私たちの回路はより長く動作することができます。



特に、NASAのグレン研究センターは最近、金星の状態をシミュレートするチャンバー内で60日間動作する、チップあたり200個のトランジスタを備えた炭化ケイ素ベースの集積回路を製造しました。チャンバーの圧力は9.3MPa、温度は460°C、惑星大気は腐食性でした。どのトランジスタも故障しませんでした。つまり、はるかに長持ちする可能性があります。



やるべきことはまだたくさんあります。設計されたさまざまな回路を統合し、すでに動作している回路の効率を向上させることに焦点を当てる必要があります。他の回路を開発し、金星の表面の温度条件下で何ヶ月も何年も安定して動作することを証明する必要があります。また、これは、カーボランダムに基づく無線デバイスやその他の低電力システムが、ガスタービンやジェットタービンの研究などの商用アプリケーションで使用される場合に特に重要です。あなたがビジネスに取り掛かり、正しく優先順位を付けるならば、それは数十年かかることはありませんが、数年かかります。



炭化ケイ素回路は将来の金星ミッションの準備ができていますか？それらなしでは飛行の準備ができていないと言うのがより正確でしょう。