一項(xiàng)名為“極端環(huán)境下的硅鍺綜合電子設(shè)備”（SiGe Integrated Electronics for Extreme Environments）的計(jì)劃由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）資助，投資1200萬美元，耗時(shí)63個(gè)月。負(fù)責(zé)該計(jì)劃的11人研究小組由佐治亞理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)，成員來自阿肯色大學(xué)、奧本大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、田納西大學(xué)和范德比爾特大學(xué)，參與其中的還包括波音公司BAE系統(tǒng)項(xiàng)目、IBM公司、Lynguent公司和NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。

　　5年來，該項(xiàng)目不斷取得進(jìn)展，約有125篇論文發(fā)表。12月出版的美國(guó)電氣及電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）會(huì)刊《設(shè)備與可靠材料》上刊發(fā)文章對(duì)該項(xiàng)目所取得的研究成果進(jìn)行了綜合介紹。

　　極端環(huán)境的挑戰(zhàn)

　　安德魯·柯斯是馬歇爾航天中心技術(shù)主管，也是NASA的項(xiàng)目主管。他解釋說，大部分符合軍方規(guī)格的電子設(shè)備所適應(yīng)的溫度范圍在零下55攝氏度到125攝氏度之間，而在深太空，不僅溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了這個(gè)范圍，同時(shí)還存在很強(qiáng)的輻射。月球表面溫度在零下180攝氏度到120攝氏度之間，而極端環(huán)境小組開發(fā)的硅鍺電子設(shè)備正是在這一溫度范圍內(nèi)可靠工作，并且對(duì)各種輻射的抵抗和免疫能力也很高。

　　該項(xiàng)計(jì)劃領(lǐng)導(dǎo)者、佐治亞理工學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程系教授約翰·克雷斯勒表示，計(jì)劃的總體任務(wù)是為NASA開發(fā)一種終端對(duì)終端解決方案（end-to-end solution）。這是一個(gè)針對(duì)太空任務(wù)而建立的實(shí)驗(yàn)性基礎(chǔ)設(shè)施框架，包括了所需要的每件事物，以制造適應(yīng)深太空極端環(huán)境的電子設(shè)備。

　　“研究小組使用了IBM已經(jīng)成熟的0.5微米硅鍺技術(shù)�！笨死姿估照f，“它并沒有改變硅鍺晶體管的基本組成，而是設(shè)計(jì)了一種新型線路來改變硅鍺的自然屬性。新方法集成了最終線路，這樣制造的電子系統(tǒng)能可靠抵抗太空極端環(huán)境�！�

　　硅鍺技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

　　硅鍺合金結(jié)合了最普通的微芯片材料和納米鍺，最關(guān)鍵性質(zhì)是堅(jiān)固強(qiáng)韌，在沒有輻射防護(hù)或溫度極低條件下仍能正常工作。與傳統(tǒng)方法相比，硅鍺電子設(shè)備在降低重量、減小尺寸和復(fù)雜性，降低能耗與成本、提高可靠性和適應(yīng)性方面都具有很大優(yōu)勢(shì)。

　　研究人員基于一種硅鍺（SiGe）技術(shù)，開發(fā)出針對(duì)太空電子設(shè)備的新路線，能適應(yīng)巨大的溫度變化并抵抗高強(qiáng)太空輻射，也將改變航空工具和太空儀器的設(shè)計(jì)方向。該計(jì)劃結(jié)束后，研究人員向NASA提供了一套模型工具、線路設(shè)計(jì)、集成技術(shù)、系統(tǒng)/亞系統(tǒng)，并附上一份大綱說明，證明這些部分可以用于太空。此外，研究小組還給NASA配備了一套功能性的原型——硅鍺遙遠(yuǎn)電子學(xué)裝置（REU），其由硅鍺微芯片制造，并在模擬太空環(huán)境中成功進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

　　NASA最近對(duì)新型硅鍺電子設(shè)備進(jìn)行了評(píng)估，確定技術(shù)完善水平為6級(jí)，這意味著線路已經(jīng)被集成為亞系統(tǒng)，在相關(guān)環(huán)境中經(jīng)過了測(cè)試。下一步將向7級(jí)水平邁進(jìn)，包括將硅鍺線路裝入太空飛行工具進(jìn)行測(cè)試；若到了8級(jí)水平，則表明新技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，可以被安裝到一個(gè)完整的空間任務(wù)工具上；而9級(jí)水平的技術(shù)可以用于例行性基礎(chǔ)任務(wù)。

　　輕型化要求

　　如果取消大部分防護(hù)和專用電纜，將有助于解決太空發(fā)射的最大問題——重量。要將硅鍺技術(shù)拓展到太空應(yīng)用，關(guān)鍵一步就是開發(fā)出新的輕型模式，以適應(yīng)航空工具的要求�？滤拐f：“這一點(diǎn)硅鍺極端環(huán)境小組所做的研究非常成功，他們推進(jìn)了硅鍺技術(shù)發(fā)展水平。”

　　傳統(tǒng)方法保護(hù)太空電子設(shè)備是用大而笨重的金屬箱，屏蔽輻射和極端溫度。設(shè)計(jì)者必須將大部分電子設(shè)備放在保護(hù)箱中心位置，用又長(zhǎng)又重的電纜把它們和傳感器及其他外部設(shè)備連接起來。

　　BAE系統(tǒng)研究小組的工作是利用極端環(huán)境小組開發(fā)的技術(shù)，制造傳感器接口設(shè)備，為遙遠(yuǎn)電子學(xué)設(shè)備傳感器（REU）接口原型提供基本建筑構(gòu)架。該建筑構(gòu)架來自最初設(shè)計(jì)于上世紀(jì)90年代、現(xiàn)已被取消的洛克希德·馬丁X-33航天飛機(jī)。

　　據(jù)BAE系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)師理查德·博格介紹，最初的X-33設(shè)計(jì)中，每個(gè)傳感器接口都很大，將大量相似部件組合在一起作為前端信號(hào)接收部分，由數(shù)字微處理機(jī)、內(nèi)存芯片和光纖總線接口支持，這些都裝在一個(gè)5磅重的保護(hù)箱里。研究人員將大塊頭的X-33進(jìn)行了改造，利用硅鍺設(shè)計(jì)成一個(gè)微型化的傳感接口。這樣的硅鍺設(shè)備僅重200克，不要溫度或輻射保護(hù)，也有助于消除由于布線過長(zhǎng)使阻抗發(fā)生變化而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差。大量堅(jiān)固輕巧的REU設(shè)備可以裝在航天器上，或裝在與傳感器相連的數(shù)據(jù)采集設(shè)備上，大大降低了尺寸、重量、能耗和可靠性方面可能存在的問題。

　　其他面向太空任務(wù)的公司也在開發(fā)新型硅鍺技術(shù)，NASA希望降低技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)障礙，以便擴(kuò)大應(yīng)用范圍。克雷斯勒說：“任何有興趣的團(tuán)體都可獲取這一基礎(chǔ)設(shè)施框架，這種技術(shù)方法能用于任何電子設(shè)備的裝配，從一臺(tái)儀器、一架航天器、一個(gè)軌道平臺(tái)，到月球表面的應(yīng)用、提坦任務(wù)（Titan missions），它都能提供幫助�！�

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