一項名為“極端環(huán)境下的硅鍺綜合電子設備”（SiGe Integrated Electronics for Extreme Environments）的計劃由美國國家航空航天局（NASA）資助，投資1200萬美元，耗時63個月。負責該計劃的11人研究小組由佐治亞理工學院領導，成員來自阿肯色大學、奧本大學、馬里蘭大學、田納西大學和范德比爾特大學，參與其中的還包括波音公司BAE系統(tǒng)項目、IBM公司、Lynguent公司和NASA噴氣推進實驗室。

　　5年來，該項目不斷取得進展，約有125篇論文發(fā)表。12月出版的美國電氣及電子工程師學會（IEEE）會刊《設備與可靠材料》上刊發(fā)文章對該項目所取得的研究成果進行了綜合介紹。

　　極端環(huán)境的挑戰(zhàn)

　　安德魯·柯斯是馬歇爾航天中心技術主管，也是NASA的項目主管。他解釋說，大部分符合軍方規(guī)格的電子設備所適應的溫度范圍在零下55攝氏度到125攝氏度之間，而在深太空，不僅溫度遠遠超過了這個范圍，同時還存在很強的輻射。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)的硅鍺電子設備正是在這一溫度范圍內可靠工作，并且對各種輻射的抵抗和免疫能力也很高。

　　該項計劃領導者、佐治亞理工學院電子與計算機工程系教授約翰·克雷斯勒表示，計劃的總體任務是為NASA開發(fā)一種終端對終端解決方案（end-to-end solution）。這是一個針對太空任務而建立的實驗性基礎設施框架，包括了所需要的每件事物，以制造適應深太空極端環(huán)境的電子設備。

　　“研究小組使用了IBM已經成熟的0.5微米硅鍺技術。”克雷斯勒說，“它并沒有改變硅鍺晶體管的基本組成，而是設計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。”

　　硅鍺技術的優(yōu)勢

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

　　研究人員基于一種硅鍺（SiGe）技術，開發(fā)出針對太空電子設備的新路線，能適應巨大的溫度變化并抵抗高強太空輻射，也將改變航空工具和太空儀器的設計方向。該計劃結束后，研究人員向NASA提供了一套模型工具、線路設計、集成技術、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——硅鍺遙遠電子學裝置（REU），其由硅鍺微芯片制造，并在模擬太空環(huán)境中成功進行了實驗。

　　NASA最近對新型硅鍺電子設備進行了評估，確定技術完善水平為6級，這意味著線路已經被集成為亞系統(tǒng)，在相關環(huán)境中經過了測試。下一步將向7級水平邁進，包括將硅鍺線路裝入太空飛行工具進行測試；若到了8級水平，則表明新技術已經足夠成熟，可以被安裝到一個完整的空間任務工具上；而9級水平的技術可以用于例行性基礎任務。

　　輕型化要求

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

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

　　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，制造傳感器接口設備，為遙遠電子學設備傳感器（REU）接口原型提供基本建筑構架。該建筑構架來自最初設計于上世紀90年代、現(xiàn)已被取消的洛克希德·馬丁X-33航天飛機。

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

　　其他面向太空任務的公司也在開發(fā)新型硅鍺技術，NASA希望降低技術的知識產權障礙，以便擴大應用范圍�？死姿估照f：“任何有興趣的團體都可獲取這一基礎設施框架，這種技術方法能用于任何電子設備的裝配，從一臺儀器、一架航天器、一個軌道平臺，到月球表面的應用、提坦任務（Titan missions），它都能提供幫助�！�

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