Vesoljske misije izpostavljajo elektronske komponente številnim zahtevnim okoljem. Komponente morajo zanesljivo zagotavljati svoje nazivne zmogljivosti do 15 let pri velikih temperaturnih nihanjih ter sunkih in vibracijah, ki se pojavijo v fazi izstrelitve.
Microchip Technology
Avtor: Hoklay Pak
Dodatne zahteve za kristalne oscilatorje so, da služijo kot izjemno natančna in stabilna referenčna frekvenca, hkrati pa porabijo najmanj električne energije v najmanjšem možnem ohišju.
To je zahtevna naloga, ki jo je izpolnil predvsem ogrevan kristalni oscilator (OCXO). Vendar evakuirani miniaturni kristalni oscilator (EMXO) zagotavlja enako ali celo boljšo zmogljivost in robustnost pri polovični velikosti, manjši porabi energije in drugih prednostih. Zato ne sme biti presenečenje, da priljubljenost EMXO še naprej narašča.
Majhen, a mogočen
Kvarčni kristal, ki se uporablja v kristalnem oscilatorju, se morda zdi vsakdanji, vendar je dejansko natančna piezoelektrična komponenta, obdelana po strogih tolerancah. Nastavljen je tako, da vibrira pri določeni frekvenci, zaradi visoke vrednosti Q pa ohranja visoko stopnjo stabilnosti. Vendar so kristali zelo občutljivi že na majhne temperaturne spremembe, zaradi katerih se njihova frekvenca spreminja. Ta nihanja so pri nekaterih aplikacijah dopustna, pri mnogih drugih pa ne. Temperaturno kompenzirani kristalni oscilator (TCXO) je bil zasnovan tako, da je to težavo ublažil tako, da je v oscilacijsko zanko dodal na temperaturo občutljivo reaktančno vezje. Tudi s tem dosežena stopnja izboljšanja je lahko nezadostna za zahtevnejše aplikacije.
Več kot desetkratno izboljšanje stabilnosti je mogoče doseči s postavitvijo kristala v majhno pečico, s čimer se ustvari OCXO. Vendar je pečica, ki se uporablja v tipičnem OCXO, razmeroma potratna naprava, zaradi česar je večja in težja. Povečana poraba energije je lahko velik problem pri vesoljskih poletih in drugih aplikacijah, pri katerih sta čim manjša velikost in teža bistvenega pomena.
EMXO je bil ustvarjen za zagotavljanje enake ravni zmogljivosti kot OCXO, vendar v manjšem in lažjem hermetično zaprtem ohišju, pri čemer se znatno zmanjša poraba energije, kar so ključni dejavniki pri uporabi v vesoljskih poletih. EX-219 podjetja Microchip Technology je dober primer najnovejše zasnove EMXO z zmogljivostnimi značilnostmi, prikazanimi v tabeli 1.
Razvoj EMXO je trajal več let, vendar so bili rezultati vredni vloženega truda. Medtem ko OCXO uporablja izolacijo z nizko toplotno prevodnostjo za zmanjšanje porabe energije, EMXO kot izolacijsko metodo uporablja vakuum. To omogoča vakuum brez kontaminacije na ravni 10-6 torrov in zmanjšuje težo izolacije praktično na nič. Pri tem ni kontaminacije zaradi brizganja zvara, prahu ali hlapov, ta izjemno visoka raven vakuuma pa se sčasoma zelo malo zmanjša. Okolje brez kontaminacije prav tako omogoča uporabo odprtega kristalnega polizdelka namesto večjega pakiranega tipa, kar še dodatno zmanjša velikost in težo.
To pomeni, da je notranja masa EMXO lahko manjša od mase tipičnega OCXO, zato je prostornina pečice manjša in poraba energije manjša. Ker je EMXO evakuiran in ima veliko manjšo toplotno maso kot OCXO, je njegov čas segrevanja veliko krajši. Poleg tega je v hibridnem ohišju vgrajen prazen kristal. To prispeva k zmanjšanju velikosti, tako da je EMXO mogoče izdelati v paketu, ki je za polovico manjši od tipičnega OCXO.
EMXO vezje je sestavljeno iz ogrevane podlage (“pečice”) in izhodne podlage. Za doseganje dobrega faznega šuma, počasnejšega staranja in manjše občutljivosti na pospešek se uporablja napetostno kompenziran, dvakrat obrnjen kristal (SC/IT-cut). Kristal ima štiritočkovno montažno strukturo za robustnost in nizko občutljivost na pospešek. Za doseganje večje odpornosti na sevanje se uporablja sintetični kremen. Toplotno izolirana struktura ohranja skoraj konstantno temperaturo v celotnem temperaturnem območju delovanja. Izhodni substrat, ki mu ni treba biti tako toplotno izoliran, je nameščen neposredno na ohišje (slika 1).
Premagovanje izziva EMXO pri preskušanju stopnje uhajanja vakuuma
EMXO ima številne prednosti, vključno s stopnjo uhajanja, ki je tako nizka (1×10-12 atm-cc/s helija), da je zunaj dosega opreme, namenjene merjenju. Ohišje EMXO je zatesnjeno s hladnim varjenjem, ki ustvari metalurško vez med kovinskimi površinami brez dodajanja toplote med postopkom tesnjenja. Pri hermetično zaprtih ohišjih je lahko uhajanje velik problem. Vladne vesoljske agencije zahtevajo, da zapakirane naprave izpolnjujejo zahteve glede puščanja, ki se določijo s finim testiranjem puščanja. Ker pa je stopnja puščanja EXMO nižja od tiste, ki jo lahko izmerijo komercialni instrumenti, je EMXO nemogoče testirati na puščanje s standardnimi metodami na osnovi helija, ki jih predpisujejo vojaške specifikacije za elektronske komponente, ki se uporabljajo v vesolju. Opozoriti je treba, da čeprav stopnja puščanja evakuiranega ohišja v vesolju ni pomembna, je pomemben dejavnik, ko je še vedno na Zemlji.
Hermetična ohišja so običajno zapečatena z uporovnim varjenjem ali varjenjem po šivih in so običajno napolnjena z mešanico žlahtnega plina in helija kot sledila pri tlaku približno 1 atmosfera. Tako je mogoče zaznati hitrost uhajanja med 1×10-10 in 1×10-9 atm-cc/s z uporabo komercialnih instrumentov z ločljivostjo 1×10-8 atm-cc/s.
Bombardiranje s helijem je običajna metoda, ki se uporablja za merjenje stopnje puščanja evakuiranih ohišij, kot je EMXO. Pri tem preskusu se v zaprto ohišje pred preskusom puščanja vbrizga majhna količina helija. Vendar je pomanjkljivost postopka bombardiranja ta, da lahko helij difundira in prodre v kovino in steklo ohišja. Med postopkom natančnega odkrivanja puščanja se lahko ta helij sprosti iz kovine ali stekla, zaradi česar je stopnja puščanja pesimistična. Ta proces je znan kot desorpcija in lahko povzroči navidezno hitrost uhajanja helija 1×10-9 atm-cc/s.
Pečica v EMXO je proporcionalno krmiljena, zato je njena poraba energije obratno sorazmerna s toplotno upornostjo od pečice do ohišja oscilatorja. To pomeni, da pečica odjema tok za vzdrževanje skoraj konstantne temperature, med delovanjem pa toplota teče iz pečice na ohišje prek treh mehanizmov prenosa toplote: konvekcije, prevodnosti in sevanja. Na prevodnost in sevanje vplivajo materiali in zgradba ohišja, in ker ostanejo trajno stabilni, bodo imeli neznaten vpliv na spreminjanje toka v pečici. Ker na hitrost pretoka toplote s konvekcijo v EMXO vplivajo spremembe notranjega tlaka v ohišju, bo netesna enota z višjim notranjim tlakom že po naravi črpala več toka. To omogoča odkrivanje zelo nizkih ravni puščanja s preprostimi instrumenti, saj se bo ob poslabšanju vakuuma zaradi že zelo majhnega puščanja poraba električne energije znatno povečala.
Microchip izkorišča razmerje med porabo energije in notranjim tlakom, saj je razvil zelo natančen postopek za določanje celovitosti tesnila EMXO ohišja, ki omogoča, da je primerno za uporabo v vesolju. Za potrditev tega postopka so bile opravljene analize na EX-209/245 [2].
Rezultati kažejo, da je mogoče z meritvami, pri katerih se za merjenje celovitosti tesnila uporablja tok iz pečice, v nekaj minutah, nekaj urah in nekaj dneh po tesnjenju pregledati dele s stopnjo puščanja 1×10-6, 1×10-7 in 1×10-8 atm-cc/s helija. EMXO ohrani stabilnost tudi, ko se notranji tlak v ohišju poveča do 1 torra, zato bi trajalo do 70 let, da bi notranji tlak v EMXO ohišju s stopnjo puščanja 1×10-12 atm-cc/s helija dosegel nizek vakuum 0,1 torra (slika 2). Če se za konservativno varnostno mejo izbereta hitrost uhajanja helija 1×10-11 atm-cc/s in notranji tlak v ohišju 0,5 torra, lahko najnovejši EMXO dosežejo življenjsko dobo 15 let.
Povzetek
EMXO je morda manj znan kot njegovi kolegi za uporabo v vesolju, vendar ponuja pomembne izboljšave, zaradi katerih je izjemno privlačna alternativa. Čeprav je njegova glavna razlika v tem, da uporablja vakuum, h končnemu rezultatu pomembno prispevajo tudi konstrukcijske tehnike, kot sta hladno varjenje in hibridna konstrukcija.
Zaradi teh razlogov se EMXO že več kot desetletje uporablja v številnih aplikacijah za vesoljske polete, in ker postaja vse bolj prepoznaven, je verjetno, da je v načrtu še veliko drugih.
Viri:
1: https://www.vectron.com/products/military/ocxo/EX-219.pdf
2. “Using Oven Current Instead of Fine Leak Detector to Screen Seal Integrity of EMXO Cold-Weld Evacuated Package”, Hoklay Pak, Microchip Technology, March 2021.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
