טכנולוגיית מיקרו-שבבים
משימות חלל חושפות את הרכיבים האלקטרוניים למגוון רחב של סביבות קשות. רכיבים חייבים לספק את הביצועים המדורגים שלהם עד 15 שנים על פני תנודות טמפרטורה רחבות ולאחר הזעזוע והרעידות שנתקלו בשלב השיגור. עבור מתנדים גבישים, דרישות נוספות כוללות שימוש כהתייחסות תדר מדויקת ויציבה ביותר תוך צריכת הכמות המינימלית של חשמל באריזה הקטנה ביותר האפשרית. זהו סדר גבוה שמולא בעיקר על ידי מתנד קריסטל מבוקר בתנור (OCXO). עם זאת, מתנד הקריסטל המיניאטורי (EMXO) מספק ביצועים שוים או אפילו טובים יותר בחצי הגודל, עם פחות צריכת חשמל ויתרונות אחרים. אז זה לא צריך להיות מפתיע שה-EMXO ממשיך לגדול בפופולריות.
קטן אבל אדיר
גביש הקוורץ המשמש במתנד גביש עשוי להיראות ארצי, אך הוא למעשה רכיב פיזואלקטרי מדויק המעובד לפי סובלנות מחמירה. מותאם לרטט בתדר מסוים, הוא שומר על רמה גבוהה של יציבות בגלל ערך ה-Q הגבוה שלו מטבעו. עם זאת, גבישים רגישים מאוד אפילו לשינויים קטנים בטמפרטורה הגורמים לשינוי בתדירותם. וריאציות אלה ניתנות לסובלנות עבור יישומים מסוימים, אך ברבים אחרים הם לא יכולים. מתנד הגבישים עם פיצוי הטמפרטורה (TCXO) תוכנן למתן בעיה זו על ידי הוספת מעגל תגובה רגיש לטמפרטורה בלולאת התנודה שלו. אפילו עם זה, רמת השיפור המתקבלת עשויה להיות לא מספיקה ליישומים תובעניים יותר.
שיפור גדול מפי עשרה ביציבות יכול להתממש על ידי הנחת הקריסטל בתנור קטן ובכך ליצור OCXO. עם זאת, התנור המופעל ב-OCXO טיפוסי הוא מכשיר זולל כוח יחסית שהופך אותו לגדול יותר וכבד יותר. צריכת חשמל מוגברת זו עלולה להוות בעיה משמעותית בטיסות חלל ויישומים אחרים שבהם מזעור הגודל והמשקל חיוניים.
ה-EMXO נוצר כדי לספק את אותה רמת ביצועים כמו OCXO אך באריזה קטנה וקלה יותר סגורה הרמטית תוך הפחתה משמעותית בצריכת החשמל – גורמי מפתח ביישומי טיסה בחלל. ה-EX-219 של טכנולוגיית Microchip הוא דוגמה טובה לעיצוב ה-EMXO העדכני ביותר עם מאפייני ביצועים המוצגים בטבלה 1.
שולחן 1. EX-219 פרמטרי מפרט ליציבות, צריכת חשמל ותנאי סביבה מראים התאמה ליישומי טיסה בחלל כולל משדר/מקלט RF, הנחיית GPS ומתנד ייחוס.
הפיתוח של EMXOs ארך שנים רבות אבל התוצאות היו שוות את המאמץ. בעוד OCXO משתמש בבידוד מוליכות תרמית נמוכה כדי למזער את צריכת החשמל, EMXO משתמש בוואקום בתור שיטת הבידוד. זה מייצר רמת ואקום ללא זיהום של 10-6 ומפחית את משקל הבידוד כמעט לכלום. אין זיהום מהתזות ריתוך, אבק או אדים, ורמת הוואקום הגבוהה ביותר הזו יורדת מעט מאוד עם הזמן. הסביבה נטולת הזיהום מקלה גם על השימוש בחסר קריסטל פתוח ולא בסוג ארוז גדול יותר, מה שמפחית עוד יותר הן את הגודל והן את המשקל.
משמעות הדבר היא שניתן להקטין את המסה הפנימית של EMXO מזו של OCXO טיפוסי, כך שיש פחות נפח לתנור לחימום וכן צריכת חשמל נמוכה יותר. מכיוון שה-EMXO פונה ויש לו הרבה פחות מסה תרמית מאשר OCXO, זמן החימום שלו הרבה יותר מהיר. בנוסף, ריק הקריסטל משולב בחבילה ההיברידית. זה תורם להקטנת הגודל, ומאפשר לממש את ה-EMXO באריזה פחות מחצי מהגודל של OCXO טיפוסי.
מעגל EMXO מורכב ממצע מחומם (תנור) ומצע יציאה. גביש עם פיצוי על מאמץ, בעל סיבוב כפול (חתך SC/IT) משמש להשגת רעשי פאזה טובים, קצב הזדקנות איטי יותר ורגישות נמוכה יותר. לקריסטל יש מבנה הרכבה של ארבע נקודות לחספוס ורגישות g נמוכה. נעשה שימוש בקוורץ סינטטי להשגת סובלנות גבוהה יותר לקרינה. המבנה המבודד תרמי שומר על טמפרטורה כמעט קבועה על פני טווח טמפרטורת ההפעלה שלו. מצע הפלט, שאינו צריך להיות מבודד תרמית, מותקן ישירות על המארז (איור 1).
איור 1. EMXO מורכב מתנור ומכלולי פלט המורכבים על מצעים. מכלול מצע התנור מותקן על נקודות מבודדות תרמיות כדי למזער אובדן חום, ומכלול הפלט מותקן על פלטפורמת הכותרת. לקריסטל יש תושבת ארבע נקודות ובנייה היברידית מועסקת לכל אורכו.
התגברות על האתגר של בדיקת שיעור דליפות EMXO
ל- EMXOיתרונות רבים כולל שיעור הדליפה שלו, שהוא כל כך נמוך (1×10–12 atm·cc/s הליום), שהוא מחוץ לטווח הציוד שנועד למדוד אותו. מארז EMXO אטום באמצעות ריתוך קר היוצר קשר מתכתי בין משטחי המתכת ללא הוספת חום בתהליך האיטום. עם זאת, דליפה יכולה להיות בעיה משמעותית עם אריזה סגורה הרמטית. סוכנויות החלל הממשלתיות דורשות שמכשירים ארוזים יעמדו בדרישות הדליפה שנקבעו על ידי בדיקות דליפות עדינות. אבל מכיוון ששיעור הדליפה של ה-EXMO נמוך ממה שמכשירים מסחריים יכולים למדוד, לא ייתכן ש-EMXO ייבדק דליפה באמצעות השיטות הסטנדרטיות מבוססות הליום שנקבעו על ידי מפרטים צבאיים לרכיבים אלקטרוניים המשמשים בחלל. יש לציין כי למרות ששיעור הדליפה של חבילה שפונתה אינו משמעותי בזמן בחלל, הוא מהווה שיקול חשוב גם כשהיא נטולת כדור הארץ.
חבילות הרמטיות נסגרות בדרך כלל באמצעות ריתוך התנגדות או ריתוך תפר, ובדרך כלל ממולאות בתערובת של גז אצילי והליום כחומר חומר מעקב בלחץ של כ-1 אטמוספירה. זה מאפשר את היכולת לזהות קצב דליפה בין 1×10–10 ל-1×10–9 atm·cc/s באמצעות מכשירים מסחריים ברזולוציה של 1×10–8 atm·cc/s.
הפצצת הליום היא טכניקה נפוצה המשמשת למדידת שיעורי דליפה של מתחמים מפונים כגון EMXO. במהלך בדיקה זו, מוזרקת כמות קטנה של הליום לאריזה האטומה לפני בדיקת הדליפה. עם זאת, החיסרון של תהליך ההפצצה הוא שהליום יכול להתפזר ולחלחל למתכת ולזכוכית של האריזה. במהלך תהליך גילוי הדליפה העדינה, הליום זה עלול להשתחרר מהמתכת או הזכוכית וכתוצאה מכך קצב דליפה פסימי. תהליך זה ידוע בשם ספיגה והוא יכול לגרום לקצב דליפה לכאורה של 1×10–9 הליום atm·cc/s.
התנור ב-EMXO נשלט פרופורציונלית, כך שצריכת החשמל שלו עומדת ביחס הפוך להתנגדות התרמית מהתנור למתחם המתנד. כלומר, התנור שואב זרם כדי לשמור על טמפרטורה כמעט קבועה, ובמהלך ההפעלה החום זורם מהתנור למארז באמצעות שלושה מנגנוני העברת חום: הסעה, הולכה וקרינה. ההולכה והקרינה מושפעות מהחומרים וממבנה האריזה, וככל שהם נשארים יציבים לכל החיים, תהיה להם השפעה לא משמעותית על שינוי זרם התנור. מכיוון שקצב זרימת החום באמצעות הסעה ב-EMXO מושפע משינויים בלחץ האריזה הפנימית, יחידה דולפת עם לחץ פנימי גבוה יותר תמשוך יותר זרם מטבעה. זה מאפשר לזהות רמות דליפה נמוכות מאוד באמצעות מכשירים פשוטים מכיוון שאם הוואקום מתכלה כתוצאה אפילו מדליפה קטנה מאוד, צריכת החשמל תגדל משמעותית.
Microchip מנצל את היחס בין צריכת החשמל/לחץ הפנימי לאחר שפיתח תהליך מדויק מאוד לקביעת שלמות החותם של חבילת EMXO ומאפשר לה להיות כשיר ליישומי שטח. בוצעו ניתוחים ב-EX-209/245 כדי לאמת תהליך זה.1 התוצאות מראות שמדידות באמצעות זרם תנור למדידת תקינות האיטום יכולות לסנן חלקים עם קצב דליפה של 1×10–6, 1×10–7 ו 1×10–8 הליום atm·cc/s בדקות, מספר שעות וכמה ימים לאחר האיטום, בהתאמה. ה-EMXO שומר על יציבותו גם כאשר לחץ האריזה הפנימי גדל עד ל-1 טור, כך שייקח עד 70 שנים ללחץ האריזה הפנימי של ה-EMXO עם שיעור דליפה של 1×10–12 atm·cc/s הליום להגיע לוואקום נמוך של 0,1 טור (איור 2). אם 1×10–11 קצב דליפת הליום atm·cc/sec ולחץ אריזה פנימי של 0.5 טור נבחרים עבור מרווח בטיחות שמרני, ה-EMXOs העדכניים ביותר יכולים להשיג חיי פעולה של 15 שנים.
איור 2. לחץ האריזה הפנימי של ה-EX-219 לאורך זמן בשיעורי דליפה שונים. שימו לב שייקח 70 שנים עד שהלחץ הפנימי של האריזה יגיע ל-0,1 טור בקצב דליפה של 1×10 -12 הליום cc/s
סיכום
ה-EMXO אולי פחות מוכר ממקביליו לשימוש בחלל, אבל הוא מציע שיפורים משמעותיים שיחד הופכים אותו לאלטרנטיבה מושכת במיוחד. למרות שהעובדה שהוא משתמש בוואקום כמבדיל העיקרי שלו, טכניקות בנייה כמו ריתוך קר ובנייה היברידית תורמות גם הן משמעותית לתוצאה הסופית. ה-EMXO נמצא בשימוש ביישומי טיסות חלל רבים כבר יותר מעשור מסיבות אלו, וככל שהוא זוכה להכרה, סביר להניח שרבים נוספים נמצאים בכנפיים.
הפניה
- “שימוש בזרם תנור במקום גלאי דליפות עדין כדי לאטום את תקינות המסך של החבילה המפונה באמצעות ריתוך קר של EMXO”, Hoklay Pak, Microchip Technology, מרץ 2021.
