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

1 Применение микроминиатюрных измерительных преобразователей Холла и устройств на их основе в космическом приборостроении Авторы: А.П. Драпезо ---- Научно-технический центр Вист групп сенсор 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 видео спектрометра 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 спец воздействиям. 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 спец воздействиям.

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: - полно оборотный 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» - картирующий спектрометр видимого и ближнего ИК диапазонов с сенсорами положения нашего производства, летающий в космическом аппарате «Марс Экспресс» Cекторный сенсор контроля положения зеркала картирующего 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 н Тл и менее 1 н Тл, соответственно) 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

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 …………… 0.12 х 1.2 х 70 мм. Габариты магниточувствительных кристаллов ………. 0.5 х 0.5 х 0.07 мм. Концентрация носителей заряда ( электронов ),.. 1,4 х (1,1 х 10 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 Ферромагнитный концентратор магнитного потока Ферромагнитный концентратор магнитного потока

16 Трехкомпонентный датчик слабых магнитных полей

17 Первичные преобразователи магнитного поля для МКА - диапазон измеряемых индукций ……………………………… н Тл; - диапазон рабочих температур ………………………… от минус 150 ˚С до ˚С; - двухканальное исполнение каждого канала магнитометра; - разрешающая способность, не менее …………………….. 1 н Тл; - диапазон рабочих частот …………………………… (100) к Гц; - 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.

18 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±5,0 м Тл, 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%

19 По космическим фирмам ходит горькое четверостишие неизвестного автора: