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2020太空漫游,与半导体一起探索未知的世界

By 2020年09月03日 九月 11th, 2020 No Comments

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你是否想象过,有一天我们也可以把平板电脑送入太空?虽然平板电脑的历史并不比人造卫星长,但却是人类的一项优秀发明。它强大的功能,帮助我们在地球上解决各种各样的工作及生活问题——打游戏、看视频、拍照片,甚至是在iPad上制作复杂的图形或文件。然而,你的平板电脑在冲上外太空的时候,就已经开始宕机了——平板电脑里的半导体根本无法在外太空进行工作。

众所周知,人造卫星的所有工作任务都是由电子信号组成的,外表看起来像是冰箱一样的机械设备,但内部却装载了许多电子控制器,可以有机地完成任务。每个电子控制器和连接它的电路都包含半导体。那么宇宙飞船和人造卫星上赖以工作的半导体,到底为什么能够帮助科学家们开展太空探索呢?不如跟着天问一号一起去看看!

北京时间7月23日12点41分,中国大地颤抖,长征五号遥四火箭托举起中国人的深空梦,将“天问”一号送入太空,启程奔赴遥远的火星。

在中国,有四大著名的航天基地,快来一起看看它们分布在哪里吧~

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此次火星探测计划就是由海南文昌航天发射场发射,此次“天问一号”将一次完成“环绕、着陆、巡视”三大任务,在探测火星上,设定了五大科学目标,主要涉及空间环境、形貌特征、表层结构等研究。

火星探测任务模拟图

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如果任务成功,中国将成为世界上首次探索火星即完成软着陆任务的国家。而要实现这五大科学目标,半导体功不可没!

在探索宇宙空间的过程中,天问一号搭载了十三种载荷,包括了七种环绕器载荷——高分辨率相机、火星磁强针、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪、环绕器次表层探测雷达、火星矿物光谱分析仪、中分辨率相机,另外在火星车上,我们还搭载了六种载荷——导航地形相机、多光谱相机、火星车次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪。

据悉,这十三种载荷采用的半导体有一部分来自于中国江西联创光电旗下全资子公司特微电子。特微电子研制生产的结型场效应晶体管、电压控制器件等系列产品,将在火星环绕、着陆和巡视探测过程中发挥重要作用。

众所周知,航天器在太空的作业环境非常极端,空间中存在着各种可能破坏CPU的现象,例如真空,振动和极端温度。

 

半导体在太空中会碰到哪些极端环境

天问一号火星探测车上的半导体应用至今未对外公布,但从以往的太空探测车上我们了解到,一般火星探测器上的CPU规格都较低,例如火星探测车“好奇号”上安装的CPU规格却仅为200MHz。这主要是因为,太空中恶劣的环境,让科学家们不得不降低CPU的要求。

过去,我们会使用受辐射和温差影响较小的蓝宝石或砷化镓制成制作半导体芯片,但其售价不菲,因技术问题,量产的可能性很低。航天半导体比最新的硅半导体技术落后将近20多年,大部分航天用半导体都会经过特别设计。

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1. 耐极端温度

太空温度可能降至-220℃或达到150℃,火星表面温差也很大——海盗1号 (美国国家航空航天局维京号计划中两艘飞往火星中的第一艘)曾测得火星昼夜温度分别为一34℃和-85℃,过高的温度会造成导体晶格热运动加剧,使得载流子数量增多,迁移率加快,与此同时,漏电流也会增加,会使其性能劣化。而低温则会导致半导体导电性下降,导致晶振不能起震。而常规的半导体能够承受的温度范围仅在0-70摄氏度。

为了保证仪器设备表面温度处于正常工作状态,研究人员常通过在航天器外表面使用不同的太阳吸收率和热辐射率的涂层来调节其热平衡温度,以保证设备在合适的使用温度内工作。

这一次中国科学院上海硅酸盐研究所研发的耐高温多层隔热材料和多层柔性隔热材料就帮助天问一号轻松解决的温差问题,让天问一号勘探火星成为可能。

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2. 防辐射

近年来,被称为银河系宇宙射线(Galactic Cosmic Rays,简称GCR)的辐射和太阳风暴,都给航天事业造成了很多困扰。当辐射与CPU碰撞时,会产生电压,存储位值也会随之发生变化,从而导致“单粒子翻转事件(single event upset,简称SEU)”的错误现象,该事件会导致星载计算机软、硬件发生故障或失效。 随着处理规则的改进和时钟速率的提高,CPU的工作电压逐年下降。即使在辐射撞击时发生最小的电压变化,CPU也会受到很大影响。

除了常规为半导体元件覆盖导电型低吸辐比柔性薄膜二次表面镜、防静电低吸辐比柔性薄膜二次表面镜等关键材料外,日本电气股份有限公司Nippon Electric Company(NEC)开发了一种技术,该技术仅在向半导体是假电压时才物理连接电路,从而减少了电子流向的范围,从而最大程度降低了辐射效应。另外,通过抑制不必要的电子流动,还能降低功耗。

NEC已经使用加速器完成了地面测试,目前该技术已经按照计划在太空进行测试。

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3. 抗高压

太空中的高压情况会让半导体产生物理上的变化,制作半导体的材料必须承受太空旅行过程中产生的压力。每一个产品都要经过空间环境适应性(真空-紫外辐射)考核试验,确保关键材料在型号上的可靠应用。

所以,对于要飞上太空的半导体而言,高处理速度和高功率功效都不是最重要的,由于以上这些恶劣的环境,稳定性和可靠性,才是航天半导体最需要追求的目标。文章开头提到的平板电脑上搭载的半导体不能直接进入宇宙是有理由的。 “进入宇宙的半导体本身可以看作是使用目的不同的零件。” 宇宙用从设计开始就不同,为了具备上面提到的极限温度变化、压力、宇宙放射线的耐性,不仅要设计特殊的设计,还要进行高水平的包装。

 

卫星半导体检测实验

卫星在正式发射之前,需要经过严格的空间环境测试,例如像面包一样被烘烤,像分子冰激凌一样被快速冷冻,像在游乐场一样快速摇晃,以及辐射测试。

但对于半导体元件来说,它的测试更为严苛。

如果半导体组建无法承受极端温度环境和寿命测试,就无法进一步进入下一步开发阶段,同样,如果它在辐射过程中停止了工作,它就不能被用于更高级别的单元开发,除非我们找到了更适合它的材料或元件。所有被应用在航天事业中的半导体,都是当下半导体研究中的佼佼者。

毫不夸张地说,天问一号进入太空后是否能交出一份满意的答卷,中国航天事业的领军者心中也一定有了答案。这次的探测,早在无数次的半导体实验测试中,已经有了结果。

SK海力士目前也在参与在特殊环境下的半导体测算实验,并于2020年在汽车半导体市场取得了重大进展。未来SK海力士也希望能够在发展汽车半导体的基础下,开展包括特殊半导体和航天半导体的研究,SK海力士愿意为全人类探索外太空贡献出自己的一份力量。

 

1参考来源:https://baike.baidu.com/item/%E6%B5%B7%E7%9B%971%E5%8F%B7/1545190?fr=aladdin

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