Радиационно-устойчивые электронные схемы для космоса и АЭС

Источник: rdmag.com

Обычные электронные схемы на основе кремния быстро выходят из строя под действием ионизирующего излучения или высокой температуры. После аварии на АЭС Фукусима на разведку ситуации отправляли специальных роботов. Машины ломались через несколько часов работы, потому что их «начинка» не выдерживала радиации. Специалисты Университета штата Юта (США) разработали микроскопические электро-механические схемы (MEMS), способные работать в экстремальных условиях. Проект профессора Массуда Табиб-Азара финансировался DARPA (агентством перспективных исследований министерства обороны США). Существующие радиационно-стойкие электронные устройства делятся на две категории: обычные электронные элементы, экранированные свинцом или другими металлами и элементы на основе материалов, изначально способных сопротивляться радиации.

Работа кремниевой схемы основывается на управлении токопроводящим полупроводниковым каналом. Радиация создает в канале ток, не поддающийся сигналам контроля, и нормальная работа схемы нарушается. MEMS лишены полупроводникового канала, и поэтому более устойчивы к излучению. Они работают по другому принципу: электрический заряд заставляет нужные электроды соприкасаться друг с другом, как в переключателе. Но у элементов MEMS есть свои недостатки: низкая скорость работы, меньшая надежность, большие размеры, высокое напряжение питания. Команде Табиб-Азара удалось преодолеть эти ограничения. Во-первых, если MEMS устройство выступает в качестве логического элемента, а не отдельного переключателя, количество схем, необходимых для компьютера, снижается в 10 раз. В то же время, надежность и скорость работы резко возрастает.

Методика формирования узких щелей между мостами логических элементов позволяет уменьшить напряжение активизации с 10–20 Вольт до 1,5 Вольт. Обычная электроника сильно нагревается во время работы. Логические вентили MEMS имеют меньшие утечки тока, так что для их охлаждения требуется менее мощные кулеры. Каждый элемент имеет размеры 25×25 мкм, а толщина составляет всего 0,5 мкм. На вентиле размещены два «моста», в целом схема чем-то напоминает шаблон для игры в крестики-нолики. «Мосты» выполнены из диэлектрика — стеклоподобного нитрида кремния, нанесенного на основу из поликристаллического кремния (для жесткости). В центре площадки размещены вольфрамовые электроды — часть диэлектрика вытравливается и покрывается металлическими полосками. Когда схема подключается к источнику напряжения, электроды притягиваются друг другу, контактируют, и по ним начинает идти ток.

Чтобы испытать новые элементы, ученые нагревали их до 277 градусов по Цельсию в течение часа. Затем они трижды помещали устройства в ядро 90-килловатного исследовательского реактора TRIGA (каждый эпизод длился 2 часа, провода к устройству контроля выводились в дальнюю комнату для оценки параметров). Все эти экстремальные условия не разрушили работу логических вентилей. Наконец, исследователи протестировали элементы в нормальном режиме, в течение примерно 2 месяцев (более одного миллиарда циклов) устройства работали без сбоев. Но, чтобы внедрить технологию в производство, надежность MEMS должна быть увеличена в миллион раз. Как отмечает профессор Табиб-Азар, следующим этапом проекта будет постройка маленького компьютера на основе схем нового типа.