用于炽热地狱的芯片

2019-03-07 20:53:47 来源: 河东信息港

集成混频器电路可以在500℃下工作,它能够承受金星表面、天然气涡轮机内或6千米深的油井管道内的高温。

物联技术仍旧面临许多难题。美国阿肯色大学(University of Arkansas)与瑞典皇家理工学院(KTH Royal Institute of Technology)的研究者针对这些难点设计了一款无线系统。他们在本月的IEEE Electron Device Letters上发表了一篇论文,文中描述了一个可以在室温到高达500摄氏度范围内工作的混频器,而混频器是任何无线系统中都需要的一种重要元件。这是款能够承受如此高温的集成混频器电路。

IEEE会士、阿肯色大学电子工程学教授艾伦·曼图兹(Alan Mantooth)是极端环境电子学方面的专家。在几个计划中“令人兴奋的是试着把一辆探测车或其他某种仪器放在金星表面,目前设备正常工作时间的记录是超过两个小时”。金星上一天的平均温度高达467℃,但这种高温是含硫的。

你并不需要环游世界以寻找这种地狱般的地方。

用于炽热地狱的芯片

在地球上就有这种曼图兹和他的同事感兴趣的区域,比如天然气涡轮发电机的内部。目前,涡轮发电机根据规定的时间间隔关闭以进行维护——无论涡轮叶片等部件是否真的需要检查。虽然可以通过冗余的涡轮机减小损失,但意外宕机每天会消耗价值一百万美元的电力供应,曼图兹教授说到。涡轮机制造商“更希望有内置传感器来告诉他们零件何时需要更换”。这样一来制造商可以避免计划外的设备关停并通过实际数据来设定维护周期。不过这些传感器需要在接近1000 ºC的高温蒸汽环境下工作,同时由于靠近高速旋转的涡轮叶片,它们还需要承受约14000高斯(Gs)磁感应强度下的电磁力。

混频器芯片和外围无源器件被嵌在测试板上,之后它会被加热到500摄氏度并进行测试。

阿肯色大学团队也在研究用于柴油发动机燃烧室的传感器,以便让计算机能更好地控制柴油发动机的效率。并且该团队正在开发一款用于驱动油井底部钻头的电子设备,那里的温度可达150℃。

在以上这些应用背景下,硅可能并不是的半导体衬底。硅的能带间隙太窄以至于在高温环境下很容易产生电子运动,即使在不需要的情况下也会产生电流。拥有宽能带间隙的材料则不存在这类问题,比如氮化镓、碳化硅。考虑到较宽的能带间隙和较好的导热性能,瑞典皇家理工学院和阿肯色大学的团队终选择了碳化硅。“碳化硅不会在高温环境中失效。”曼图兹说。

该集成混频器电路由瑞典皇家理工学院的安娜·鲁苏(Ana Rusu)教授团队设计,之后由阿肯色大学的曼图兹教授团队封装,回到鲁苏教授团队手中完成测试。该电路能够实现59MHz到500kHz的下变频以进行后续的信号处理。

关于作者

塞缪尔·K·摩尔是负责IEEE Spectrum杂志和站的高级。他在2000年加入IEEE Spectrum,关注领域包括:新型半导体、精神疾病刺激治疗器和生物技术自动化。如今他指导出版的运营,并由于IEEE Spectrum对福山核电站事故的出色报道而获得Neal Award。他是IEEE会员,拥有布朗大学(Brown University)的生物医学工程学士学位和纽约大学(New York University)的学硕士学位。

本文观点仅代表作者,不代表《科学美国人》。

(翻译:常灏杰;审校:戴晨)

文章来源[IEEE Spectrum]:

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