Radiation Plus Electronics là một kết hợp tồi. Nhập một phương pháp sản xuất Rad-Hard mới

Bức xạ không gian có thể tàn phá các thiết bị điện tử. Trong khi có nhiều cách để ngăn ngừa thiệt hại, kỹ thuật sản xuất mới được phát triển của MIT sử dụng công nghệ CMOS rad-cứng cho thấy nhiều hứa hẹn.

Bầu khí quyển của Trái đất bảo vệ chúng ta khỏi bức xạ ion hóa năng lượng cao như tia gamma và tia X. Các kỹ sư thiết kế thiết bị điện tử trên mặt đất (tức là bất cứ thứ gì không đi vào không gian) có thể tiếp tục công việc của họ mà hầu như không biết đến ảnh hưởng của bức xạ ion hóa trên thiết kế của họ.

Tuy nhiên, một khi chúng ta bắt đầu xem xét các môi trường khắc nghiệt - như không gian hoặc độ cao trên trái đất - thì bức xạ trở thành tiêu điểm trong thiết kế. 

Bức xạ trong không gian

Bức xạ, theo nghĩa cơ bản nhất của nó, là một dạng năng lượng được phát ra dưới dạng tia, sóng điện từ và / hoặc hạt . Con người tiếp xúc với nhiều dạng bức xạ lành tính như ánh sáng và sóng vô tuyến.

Tuy nhiên, trong sâu thẳm không gian, bên ngoài lớp màng bảo vệ bầu khí quyển của chúng ta, tồn tại nhiều loại bức xạ khác nhau. 

Bức xạ trong không gian. Hình ảnh được sử dụng với sự cho phép của NASA

 

Theo NASA, bức xạ không gian có ba dạng: các hạt bị mắc kẹt trong từ trường Trái đất, các hạt bị bắn vào không gian trong các tia sáng mặt trời và các tia vũ trụ thiên hà. Tia vũ trụ thiên hà là các proton năng lượng cao và các ion nặng từ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta. Tất cả các dạng bức xạ này đều ion hóa.

Bức xạ không gian và điện tử 

Vì các dạng bức xạ ion hóa này tồn tại trong không gian, nhưng không tồn tại trên trái đất, các thiết bị điện tử không gian phải được thiết kế với những cân nhắc đặc biệt. 

Theo báo cáo của NASA về ảnh hưởng của bức xạ đối với các thiết bị điện tử , bản chất ion hóa của bức xạ không gian có thể xuyên qua các thiết bị và tạo ra điện tích bên trong các thiết bị điện tử làm từ silicon.

Sự tích tụ điện tích này có thể phá vỡ bản chất tinh thể của một thành phần điện tử và gây ra sự thay đổi hoặc hỏng hóc hoàn toàn các đặc tính hoạt động của thiết bị. Chức năng bị suy giảm và sau đó bị lỗi khi các thành phần điện tử nhận được nhiều bức xạ hơn.

Mô tả cách bức xạ gây nhiễu hệ thống điện tử. Hình ảnh được sử dụng với sự cho phép của NASA

 

Tác động của tia vũ trụ lên điện tử cũng có thể làm thay đổi trạng thái số, dẫn đến lỗi lật bit và dữ liệu sai . Ảnh hưởng của bức xạ này tiếp tục trở nên tồi tệ hơn khi các thiết bị điện tử nhỏ hơn và trở nên dễ bị ảnh hưởng hơn bởi tác động của nhiễu năng lượng thấp.

Cách Xử lý Bức xạ Không gian

Mặc dù có nhiều cách tính toán lỗi lật bit do bức xạ gây ra , nhưng các tùy chọn để xử lý hư hỏng cấu trúc đối với thiết bị điện tử còn hạn chế. 

Hầu hết các kỹ sư chọn sử dụng các thành phần được làm cứng bằng bức xạ (hoặc rad-cứng) trong thiết kế của họ. Điều này có thể có nghĩa là bao bọc các hệ thống điện trong vỏ bọc cứng bằng bức xạ, thiết kế chip bằng kỹ thuật rad-hard hoặc cả hai. 

Theo Fa-Xin Yu và các cộng sự, một số kỹ thuật thiết kế vi mạch rad-cứng bao gồm đế cách điện, sử dụng mạch tích hợp lưỡng cực, sử dụng đế có dải thông rộng và sử dụng SRAM thay vì DRAM.

MIT phát triển phương pháp sản xuất Rad-Hard mới

Phòng thí nghiệm Lincoln của MIT từ lâu đã nghiên cứu cách sản xuất mạch tích hợp rad-cứng . Công nghệ của họ, mà họ gọi là công nghệ CMOS silicon-on-insulator (FDSOI) đã cạn kiệt hoàn toàn, hiện đang được chế tạo ở độ sâu 90 nanomet. 

Tấm wafer CMOS cách điện silicon đã cạn kiệt hoàn toàn. Hình ảnh được sử dụng với sự cho phép của Nicole Fandel và MIT

Sau gần hai thập kỷ công nghệ trưởng thành dưới sự tài trợ của DARPA, cuối cùng nó đã sẵn sàng cho ngành công nghiệp này.

Điều này có được sau nhiều năm tối ưu hóa công nghệ FDSOI cho nhiều điều kiện, bao gồm dải tần RF, công suất cực thấp, cả nhiệt độ lạnh và nhiệt độ cao, và cài đặt bức xạ.

Vào tháng 6, đã có thông báo rằng công nghệ chế tạo tập trung vào môi trường bức xạ sẽ được chuyển giao từ Phòng thí nghiệm Lincoln của MIT cho nhà sản xuất vi mạch SkyWater để sử dụng trong ngành công nghiệp.

Craig Keast, phó giám đốc Bộ phận Công nghệ Tiên tiến của Phòng thí nghiệm Lincoln, tự hào rằng một khi công nghệ được chuyển giao, nó sẽ là “công nghệ xử lý bức xạ tiên tiến nhất hiện có cho cộng đồng thiết kế mạch bức xạ trong nước.” 

Hợp tác với Bộ Quốc phòng

Tuổi thọ của công nghệ này là một ví dụ tuyệt vời về cách học viện và ngành công nghiệp thường làm việc cùng nhau vì lợi ích của tiến bộ công nghệ. 

Bằng cách đưa công nghệ này vào ngành công nghiệp, SkyWater hy vọng sẽ giúp Bộ Quốc phòng phát triển các giải pháp cho an ninh quốc phòng. SkyWater cũng nhận thấy ứng dụng tiềm năng của công nghệ này trong các lĩnh vực liên quan đến phi quốc phòng như hoạt động vũ trụ thương mại và ứng dụng hình ảnh y tế. 

Và, tất nhiên, tin tức này sẽ mở ra nhiều cánh cửa cho việc phát triển thiết bị điện tử để khám phá không gian.