挑战太空极端环境 美研发硅锗材料太空电子设备

　　一项名为“极端环境下的硅锗综合电子设备”（SiGe Integrated Electronics for Extreme Environments）的计划由美国国家航空航天局（NASA）资助，投资1200万美元，耗时63个月。负责该计划的11人研究小组由佐治亚理工学院领导，成员来自阿肯色大学、奥本大学、马里兰大学、田纳西大学和范德比尔特大学，参与其中的还包括波音公司BAE系统项目、IBM公司、Lynguent公司和NASA喷气推进实验室。

　　5年来，该项目不断取得进展，约有125篇论文发表。12月出版的美国电气及电子工程师学会（IEEE）会刊《设备与可靠材料》上刊发文章对该项目所取得的研究成果进行了综合介绍。

　　极端环境的挑战

　　安德鲁·柯斯是马歇尔航天中心技术主管，也是NASA的项目主管。他解释说，大部分符合军方规格的电子设备所适应的温度范围在零下55摄氏度到125摄氏度之间，而在深太空，不仅温度远远超过了这个范围，同时还存在很强的辐射。月球表面温度在零下180摄氏度到120摄氏度之间，而极端环境小组开发的硅锗电子设备正是在这一温度范围内可靠工作，并且对各种辐射的抵抗和免疫能力也很高。

　　该项计划领导者、佐治亚理工学院电子与计算机工程系教授约翰·克雷斯勒表示，计划的总体任务是为NASA开发一种终端对终端解决方案（end-to-end solution）。这是一个针对太空任务而建立的实验性基础设施框架，包括了所需要的每件事物，以制造适应深太空极端环境的电子设备。

　　“研究小组使用了IBM已经成熟的0.5微米硅锗技术。”克雷斯勒说，“它并没有改变硅锗晶体管的基本组成，而是设计了一种新型线路来改变硅锗的自然属性。新方法集成了最终线路，这样制造的电子系统能可靠抵抗太空极端环境。”

　　硅锗技术的优势

　　硅锗合金结合了最普通的微芯片材料和纳米锗，最关键性质是坚固强韧，在没有辐射防护或温度极低条件下仍能正常工作。与传统方法相比，硅锗电子设备在降低重量、减小尺寸和复杂性，降低能耗与成本、提高可靠性和适应性方面都具有很大优势。

　　研究人员基于一种硅锗（SiGe）技术，开发出针对太空电子设备的新路线，能适应巨大的温度变化并抵抗高强太空辐射，也将改变航空工具和太空仪器的设计方向。该计划结束后，研究人员向NASA提供了一套模型工具、线路设计、集成技术、系统/亚系统，并附上一份大纲说明，证明这些部分可以用于太空。此外，研究小组还给NASA配备了一套功能性的原型——硅锗遥远电子学装置（REU），其由硅锗微芯片制造，并在模拟太空环境中成功进行了实验。

　　NASA最近对新型硅锗电子设备进行了评估，确定技术完善水平为6级，这意味着线路已经被集成为亚系统，在相关环境中经过了测试。下一步将向7级水平迈进，包括将硅锗线路装入太空飞行工具进行测试；若到了8级水平，则表明新技术已经足够成熟，可以被安装到一个完整的空间任务工具上；而9级水平的技术可以用于例行性基础任务。

　　轻型化要求

　　如果取消大部分防护和专用电缆，将有助于解决太空发射的最大问题——重量。要将硅锗技术拓展到太空应用，关键一步就是开发出新的轻型模式，以适应航空工具的要求。柯斯说：“这一点硅锗极端环境小组所做的研究非常成功，他们推进了硅锗技术发展水平。”

　　传统方法保护太空电子设备是用大而笨重的金属箱，屏蔽辐射和极端温度。设计者必须将大部分电子设备放在保护箱中心位置，用又长又重的电缆把它们和传感器及其他外部设备连接起来。

　　BAE系统研究小组的工作是利用极端环境小组开发的技术，制造传感器接口设备，为遥远电子学设备传感器（REU）接口原型提供基本建筑构架。该建筑构架来自最初设计于上世纪90年代、现已被取消的洛克希德·马丁X-33航天飞机。

　　据BAE系统公司设计师理查德·博格介绍，最初的X-33设计中，每个传感器接口都很大，将大量相似部件组合在一起作为前端信号接收部分，由数字微处理机、内存芯片和光纤总线接口支持，这些都装在一个5磅重的保护箱里。研究人员将大块头的X-33进行了改造，利用硅锗设计成一个微型化的传感接口。这样的硅锗设备仅重200克，不要温度或辐射保护，也有助于消除由于布线过长使阻抗发生变化而导致的数据误差。大量坚固轻巧的REU设备可以装在航天器上，或装在与传感器相连的数据采集设备上，大大降低了尺寸、重量、能耗和可靠性方面可能存在的问题。

　　其他面向太空任务的公司也在开发新型硅锗技术，NASA希望降低技术的知识产权障碍，以便扩大应用范围。克雷斯勒说：“任何有兴趣的团体都可获取这一基础设施框架，这种技术方法能用于任何电子设备的装配，从一台仪器、一架航天器、一个轨道平台，到月球表面的应用、提坦任务（Titan missions），它都能提供帮助。”

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