Применение микроминиатюрных измерительных преобразователей Холла и устройств на их основе в космическом приборостроении. Авторы: А.П. Драпезо ---- ИФТТП. - презентация

1 Применение микроминиатюрных измерительных преобразователей Холла и устройств на их основе в космическом приборостроении. Авторы: А.П. Драпезо ---- ИФТТП (НПЦ по материаловедению) НАН Беларуси, г.Минск; В.А. Ярмолович - Белорусский государственный университет, г.Минск, В.А. Котцов - ИКИ РАН, г.Москва Э.И. Рожавский - СКБ КП ИКИ РАН, г. Таруса - П.П. Моисеев - ООО «НПП «АСТРОН ЭЛЕКТРОНИКА», г.Орел

2 Что было сделано за последние 20 лет: Что было сделано за последние 20 лет: -6 видов датчиков для эксперимента Аргус (программа Марс -96); - секторный датчик угла поворота для сканирующего устройства видеоспектрометра ОМЕГА (проект Марс- экспресс); - - датчики для сканирующего устройства БСКР-Т прибора МСУ- ГС (проект ЭЛЕКТРО-Л); - - датчики для поворотного и сканирующего устройства спектрометров ФЕБУС и МСАСИ (проект БЕПИ КОЛОМБО); - - датчики для сканирующего устройства спектрометра ОЗОНОМЕТР-З (проект ИОНОСФЕРА); Все датчики разработаны с применением микроминиатюрных преобразователей Холла МПХ ФТТ и оригинальных магнитных систем на основе самарий-кобальтовых магнитов. Механоэлектрические преобразователи угла поворота, линейных перемещений, реперных точек и др. имеют миниатюрное исполнение, малый вес и энергопотребление, двойное или тройное «горячее» резервирование электронной части, широкий температурный диапазон, в том числе криогенного диапазона, высокую стойкость к механическим и спецвоздействиям. Все датчики разработаны с применением микроминиатюрных преобразователей Холла МПХ ФТТ и оригинальных магнитных систем на основе самарий-кобальтовых магнитов. Механоэлектрические преобразователи угла поворота, линейных перемещений, реперных точек и др. имеют миниатюрное исполнение, малый вес и энергопотребление, двойное или тройное «горячее» резервирование электронной части, широкий температурный диапазон, в том числе криогенного диапазона, высокую стойкость к механическим и спецвоздействиям.

3 Эксперимент: АРГУС (программа Марс-96) ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И АТМОСФЕРЫ МАРСА КОМПЛЕКС ТЕЛЕВИЗИОННЫХ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ МНОГОСПЕКТРАЛЬНАЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКАЯ СЪЕМКА Основные задачи: изучение атмосферы и поверхности Марса, картографическое обеспечение других экспериментов и последующих миссий. Комплекс АРГУС включает три основных научных прибора: многофункциональную стереоскопическую ТВ-камеру высокого разрешения HRSC, диапазон длин волн 0,4-1,0 мкм; широкоугольную стереоскопическую ТВ-камеру WAOSS, диапазон длин волн 0,4-0,7 мкм; картирующий спектрометр ОМЕГА, диапазон длин волн 0,35-5,2 мкм. Указанные приборы располагаются на трехосной платформе-манипуляторе, которая обеспечивает наведение и стабилизацию оптических приборов. Перечень разработанных, изготовленных и поставленных датчиков ИФТТП НАН Беларуси для платформы Аргус и картирующего спектрометра ОМЕГА: - полнооборотный датчик угла поворота ……………………. ДУПХ ФТТ ; - секторный датчик угла поворота ………………….. ДУПХ-20-6С ФТТ ; - секторный датчик угла поворота ………………….. ДУПХ-20-6 ФТТ ; - устройство гальванической развязки ………………….. УГРА ФТТ ; - выключатель бесконтактный …………………. ВБК-01 ФТТ ; - выключатель бесконтактный …………………. ВБК-01-3 ФТТ ; Все датчики имели тройное «горячее» резервирование. Успешно прошли все виды испытаний, в том числе на радиационную стойкость и надежность.

4 Прибор «Омега» - картрирующий спектрометр видимого и ближнего ИК диапазонов с сенсорами положения нашего производства, летающий в космическом аппарате «Марс Экспресс» Cекторный сенсор контроля положения зеркала картрирующего оптического и ИК спектрометров. Три независимые канала измерений сенсора обеспечивали точность в 1 угловую секунду;

5 ПОВОРОТНОЕ И СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВА СПЕКТРОМЕТРОВ ФЕБУС И МСАСИ ПРОЕКТА БЕПИ КОЛОМБО Датчик углового положения 360° с оптическим окном Магнитная система датчика углового положения с и датчиком парковки бленды оптическим окном Оптико-механическое сканирующее устройство спектрометра МСАСИ (с постоянной и переменной составляющими магнитного поля менее 5 нТл и менее 1 нТл, cоответственно) Датчика углового положения 360° с магнитными экранами Магнитная система датчика углового положения

6 Эффект Холла

7 Магнитная чувствительность элемента Холла где Ux– напряжение Холла на выходе датчика; Вn – величина индукции магнитного поля; Вn – величина индукции магнитного поля; Р – мощность, рассеиваемая на ПХ; Р – мощность, рассеиваемая на ПХ; Rx=-1/en - коэффициент Холла; Rx=-1/en - коэффициент Холла; n и – концентрация и подвижность электронов, соответственно; n и – концентрация и подвижность электронов, соответственно; b,L и d– ширина, длина и толщина пленки; b,L и d– ширина, длина и толщина пленки; I - ток питания преобразователя; I - ток питания преобразователя; e - заряд электрона e - заряд электрона (ǽ) -коэффициент теплопроводности подложки γ ~(ǽ)½. =( е/d n)½ =( е/d n)½

8 Технологический процесс изготовления МПХ

9 Пластина из гетероэпитаксиальной структуры n-InSb-i-GaAs с элементами Холла

10 Миниатюрный элемент Холла с выводами из золотой микропроволоки диаметром 20 мкм.

11 Микроминиатюрный холловский преобразователь

12 Основные технические характеристики элементов Холла Температурный коэффициент ЭДС Холла, не более … 0,02 (0,002) % / К. Температурный коэффициент электросопротивления, не более 0,03 % / К. Коэффициент нелинейности по магнитной индукции, не более …. 0,3 %. Входное (выходное ) сопротивление элемента Холла, не более.. 8 (2) Ом. Магнитная чувствительность, не менее …………… (100) мВ/Тл. Напряжение неэквипотенциальности, не более …………. 50 (30) мкВ. Номинальный ток питания элементов Холла …………… 30 (50) мА. Габариты элемента Холла в сборе, не более …………… 0.12х1.2х70 мм. Габариты магниточувствительных кристаллов ………. 0.5х0.5х0.07 мм. Концентрация носителей заряда ( электронов ),.. 1,4х10 17 (1,1х10 18) см -3. Подвижность носителей заряда …………………. 2,0 м 2 В -1 с -1. Рабочий температурный диапазон ………………….. 0,1 … 430 К;

13 МПХ и первичные преобразователи на их основе

14 Датчик угла поворота на эффекте Холла Различные сенсоры на микроминиатюрных преобразователях Холла (другие области применения) (другие области применения) Датчик загрузки карьерного самосвала Электронная педаль для управления скоростью автомобиля Датчик деформации – магнитный аналог тензорезистора Датчик уровня топлива УТ-90

15 Разработать и создать малогабаритный магнитометр для проведения исследований магнитных полей в космическом пространстве и многослойные пленочные экраны для обеспечения электромагнитной совместимости бортовой аппаратуры», выполняемой в рамках научно-технической программы Союзного государства «Разработка базовых элементов, технологий создания и применения орбитальных и наземных средств многофункциональной космической системы» («Космос-НТ») Союзная программа Космос НТ

16 Ферромагнитный концентратор магнитного потока Ферромагнитный концентратор магнитного потока

17 Трехкомпонентный датчик слабых магнитных полей

18 Первичные преобразователи магнитного поля для МКА - диапазон измеряемых индукций ……………………………… нТл; - диапазон рабочих температур ………………………… от минус 150 ˚С до ˚С; - двухканальное исполнение каждого канала магнитометра; - разрешающая способность, не менее …………………….. 1 нТл; - диапазон рабочих частот …………………………… (100) кГц; - первичные преобразователи магнитной индукции вынесены за пределы корпуса МКА на расстояние 500 мм. Это обеспечивает минимальное влияние на показания магнитометра ферромагнитных элементов и работающей аппаратуры МКА. - для минимизации габаритных размеров магнитометра предусмотрено транспортное положение. При этом складываются первичные преобразователи магнитного поля и штанга поворачивается на угол 90 градусов. Это позволяет расположить магнитометр вдоль борта МКА с минимальными габаритными размерами.

19 Первичные преобразователи магнитного поля для малых космических станций в транспортном сложенном состоянии (литера Э) Первичные преобразователи магнитного поля для малых космических станций в раскрытом состоянии

20 Лабораторная установка источника трехкомпонентного. Лабораторная установка источника трехкомпонентного постоянного и переменного магнитного поля (УВМП) постоянного и переменного магнитного поля (УВМП) УВМП предназначена для проверки основных характеристик магнитометра и МПЭ и обеспечивает в рабочем объеме индукцию постоянного и переменного трехкомпонентного магнитного поля в диапазоне 0±5,0мТл, с нелинейностью не более 3%. При исследованиях магнитометр или МПЭ калибруют в магнитном поле, возбуждаемом в центре катушек Гельмгольца УВМП постоянным током. Ток питания от 0 до 10 А; напряжение питания до 100 В; точность установки тока не более ±0,5%

21 По космическим фирмам ходит горькое четверостишие неизвестного автора: «Магниточистая» камера

22 Общий вид опытных образцов МПЭ: диаметр 20мм, высота 40мм.

23 Оптические изображения шлифов опытных образцов МПЭ Образец 1Образец 2Образец 3

24 По космическим фирмам ходит горькое четверостишие неизвестного автора: