Vákuumtöltésű miniatűr kristályoszcillátor
Újabb lépés az űrtechnikai alkalmazások felé
Bár az űrtechnológia sokunk számára inkább szakmai érdekesség, mint napi gyakorlat, azonban egyre több magyar startup jelenik meg ezen a piacon is, akiknek rendszeres kihívás az extrém környezetállósági, megbízhatósági és élettartam-paraméterek teljesítése. Ez utóbbiaknak nem egyszer még a minősítése is komoly méréstechnikai probléma – erre mutat példát az alábbi cikk.
Az elektronikus alkatrészeket az űrmissziók a környezeti feltételek számtalan nehézségével szembesítik. Az alkatrészeknek a névleges paramétereiket akár 15 éven át, széles hőmérséklet-ingadozásnál is megbízhatóan kell teljesíteniük, ráadásul mindezt a pályára állítás ütés- és rázás-igénybevételeinek elviselését követően. A kristályoszcillátoroknál ezenkívül fontos követelmény, hogy rendkívül pontos és stabil frekvenciareferenciaként szolgáljanak a lehető legkisebb energiafogyasztással és a lehető legkisebb tokozatban. Ezeket a magas követelményeket főként szabályozott fűtésű kristályoszcillátorokkal (Oven Controlled Crystal Oscillator – OCXO) szokás kielégíteni. Ezzel szemben a vákuumtöltésű1 miniatűr kristályoszcillátor (Evacuated Miniature Crystal Oscillator – EMXO) ugyanilyen vagy még jobb teljesítőképességet és környezetállóságot kínál félakkora méretben, kisebb teljesítményfelvétellel és további előnyös tulajdonságokkal. Ezért nem meglepő az EMXO egyre növekvő népszerűsége.
Kicsi, de óriási
Az a tény, hogy a kristályoszcillátorokban kvarckristályt használnak, elég közhelyes állításnak tűnik, de ez a kvarckristály valójában egy szigorú követelmények szerint megmunkált piezoelektromos alkatrészt jelent. A kialakítása révén egy előre meghatározott frekvencián rezeg, amely nagyfokú stabilitását az eredendően nagy értékű Q jósági tényezőjének köszönheti. Ugyanakkor a rezgőkristályok nagyon érzékenyek még a hőmérséklet apró változásaira is, amely a sajátfrekvenciájuk megváltozását okozza. Bizonyos alkalmazásokban ez a változás elfogadható, de sok más alkalmazásban nem. A hőmérséklet-kompenzált kristályoszcillátorokat (Temperature-Compensated Crystal Oscillator – TCXO) úgy tervezik, hogy ezt a problémát egy hőmérséklet-érzékeny reaktanciájú részáramkörnek a visszacsatoló hurokba beépítésével enyhítsék. Ám az elérhető javulás mértéke bizonyos igényesebb alkalmazások számára még ezzel együtt sem elegendő.
A stabilitás több mint tízszeres javulása érhető el azáltal, hogy a kristályt egy kisméretű fűtött térbe – „kályhába”2 – helyezzük. Az így keletkezett eszközt nevezzük OXCO-nak. Ez azzal jár, hogy egy tipikus OXCO meglehetősen energiafaló eszköz, amely ráadásul nagyobb és súlyosabb is a TXCO-knál. Ez a megnövekedett energiaigény jelentős problémát jelent az űrtechnológiában és más alkalmazásokban, ahol a minimális méret és tömeg létfontosságú követelmény.
Az EMXO-t azért hozták létre, hogy ugyanazokat a paramétereket hozza, mint az OXCO, de kisebb, könnyebb és hermetikusan lezárt tokozatban, jelentősen lecsökkentett energiafelvétellel – csupa olyan tulajdonsággal, amelyek kulcsfontosságúak az űrtechnikai alkalmazásokban. A Microchip Technology EX-219 típusjelű terméke a legkorszerűbb EMXO-megoldások jó példája, amelynek a teljesítőképesség-paramétereit az 1. táblázat mutatja.
1. táblázat Az EX-219 a specifikációs paraméterei a stabilitás, a teljesítményfelvétel és a környezeti feltételek alapján is – az RF adó-vevőegységeket, a GPS helymeghatározást és a referenciaoszcillátor-funkciókat is beleértve – alkalmasnak mutatkozik az űrtechnikai alkalmazásokban
Az EMXO-k fejlesztése sok évnyi munkába került, de az erőfeszítések megérték a fáradságot. Amíg egy OXCO kis hővezető-képességű szigetelést tartalmaz az energiafogyasztás minimalizálása érdekében, az EMXO a vákuumot használja hőszigetelésre. Az alkalmazott vákuum minősége 10-6 torr3, amely gyakorlatilag minden többlettömeg nélkül, szennyezésmentesen teljesíti a szigetelés feladatát. Nincs a hegesztéskor szétfreccsenő, olvadt fémből, porból vagy gőzből eredő szennyezés, és ez a kivételesen nagy vákuum nagyon keveset romlik az idők folyamán. A szennyezésmentes kivitel azt is lehetővé teszi, hogy bevonat és tokozat nélküli, „meztelen” rezgőkristályt használjunk a nagyobb, tokozott változatok helyett, amely mind a méret, mind pedig a tömeg csökkentéséhez is hozzájárul.
Mindez azt jelenti, hogy az EMXO „belső” tömege kisebb lehet, mint egy tipikus OCXO-é, ezáltal a termosztát kisebb térfogatú fűtött teret igényel, amely a kisebb teljesítményigénnyel is együtt jár. Mivel az EMXO belső terében vákuum van, és az OCXO-énál kisebb a termikus hatásoknak kitett tömeg is, a felfűtési idő is sokkal rövidebb. Ráadásul a „meztelen” kristály is integráltan helyezkedik el a hibrid tokozatban. Ez méretcsökkentést tesz lehetővé, amely révén az EMXO félakkora tokozatban is elfér, mint egy tipikus OCXO.
Az EMXO áramkörei két hordozólapkán foglalnak helyet: az egyik a fűtött felület (a „kályha”), a másik pedig a kimeneti elektronika hordozója. A rezgőkristály feszültségkompenzált, kétszer forgatott (SC/IT) metszetű, amellyel alacsony fáziszaj, lassabb öregedés és kisebb gyorsulásérzékenység érhető el. A kristály négypontos hordozószerkezeten foglal helyet a mechanikai igénybevételek és a g- (gyorsulás-) érzékenység csökkentése érdekében. A kimeneti szerelvény, amely nem igényel hőszigetelést, közvetlenül a tokozat alaplemezére van ültetve (1. ábra).
1. ábra Az EMXO egy „kályha”- és egy kimeneti szerelvényt tartalmaz külön hordozólapkára telepítve. A „kályha”-szerelvény hőszigetelő távtartókra van ültetve a minimális hőveszteség érdekében, a kimeneti szerelvény pedig közvetlenül a tokozat fenéklemezén foglal helyet. A kristályt négypontos rögzítés tartja. Az egész eszközt hibrid technológiával valósították meg
Hogyan oldottuk meg az EMXO szivárgási sebességének vizsgálatát?
Az EMXO számos előnye között az egyik a vákuumzáró tokozat szivárgási ütemének különlegesen alacsony értéke. Ez olyan kicsiny (1×10-12 atm.cc/s héliumra kalibrált szivárgási sebesség), amely kívül esik a rendelkezésre álló mérőeszközök mérési tartományán. Az EMXO tokozatát hideghegesztés zárja le, amely a tokozat zárásának folyamata során járulékos hőközlés nélkül létesít fémes kötést az érintkező felületek között. Ennek ellenére a szivárgás jelentős probléma lehet a hermetikusan lezárt tokozatoknál. A kormányzati űrhatóság előírja, hogy a tokozott eszközök megfeleljenek egy bizonyos finom szivárgási tesztelés követelményeinek. Ám mivel az EMXO-k szivárgási sebessége alacsonyabb, mint amit a kereskedelemben használható eszközök mérni lennének képesek, nem lehetséges az EMXO-k szivárgási sebességét azon szabványos héliumalapú mérési módszerekkel tesztelni, amelyet a katonai specifikációk előírnak az űrben használt elektronikus eszközök vizsgálatára.
Meg kell jegyezni, hogy annak ellenére, hogy a kiszivattyúzott tokozat szivárgási sebessége nem jelentős az űrben, ez fontos szempont a földön végzett vizsgálatok esetén. A hermetikus tokozatokat rendszerint ellenálláshegesztéssel vagy varratos hegesztéssel zárják le, majd szokásosan hélium és valamely más nemesgáz keverékével, mint nyomjelző anyaggal töltik vissza nagyjából 1 atm nyomással. Ez lehetővé teszi 1×10-8 atm.cc/s felbontású kereskedelmi műszerekkel 1×10-10 és 1×10-9 atm.cc/s közötti szivárgási sebesség kimutatását.
A héliumbombázás szokásos eljárás az olyan kiszivattyúzott tokozatok szivárgási sebességének mérésére, amelyet az EMXO-ban is használunk. E teszt során kis mennyiségű héliumot injektálnak be a lezárt tokozatba a szivárgás vizsgálata érdekében. A módszer hátránya azonban, hogy a hélium átszivárog a tokozat fém- és üveganyagán. A finom szivárgási teszt folyamán ez az elnyelt hélium kiszabadul a fém és üveg anyagából, és ezzel a valóságos körülményeknél pesszimisztikusabb szivárgási sebességet eredményez. Ez a folyamat „deszorpcióként” ismert (az elnyelődés ellentétes folyamatára használt „abszorpció” kifejezésből származtatva – A szerk. megj.), amely 1×10-9 atm.cc/s hélium látszólagos szivárgási sebességként mutatkozik meg.
Az EMXO „kályhájának” hőmérsékletét arányos szabályozás stabilizálja, ezért a teljesítményfelvétel fordítottan arányos a „kályha” és a tokozat közötti hőellenállás értékével. Vagyis a „kályha” áramot vesz fel a közel állandó hőmérséklet fenntartása érdekében, és működése közben a hő három hőátadó mechanizmuson keresztül áramlik a kályhából a tokozat felé: konvekcióval (hőszállítással), vezetéssel és sugárzással. A vezetés és sugárzás a tokozatot alkotó anyagoktól függ, ezért aránylag változatlannak tekinthető az eszköz egész élettartama folyamán. Emiatt jelentéktelen befolyással bír a „kályha” áramfelvételének változására. Mivel az EMXO-ban a konvekción keresztüli hőáramlás sebességét a tokozat belső nyomásának változásai befolyásolják, a szivárgó, nagyobb belső nyomású egység eleve több áramot vesz fel. Ez viszont lehetővé teszi a nagyon alacsony szivárgási szintek észlelését egyszerű műszerekkel is, mert ha a vákuum már egy nagyon kis szivárgás hatására is leromlik, az energiafogyasztás jelentősen megnő.
A Microchip ezzel – a teljesítményfelvétel és a tokozat belső nyomása közötti összefüggést felhasználva – kidolgozott egy nagyon pontos módszert az EMXO-tokozat szivárgási integritásának mérésére, és azt felajánlotta az űrtechnikai alkalmazásokra szánt eszközök tanúsításában való felhasználásra. Az EX-209/245 szavány szerint végzett elemzések igazolták a módszer alkalmasságát[1]. Az eredmények bizonyítják a kályha áramfelvételének mérésével végrehajtott szivárgásintegritás-teszt használhatóságát az 1×10-6, 1×10-7 és 1×10-8 atm.cc/s hélium tartományban (rendre a tokozat lezárásától számított néhány perc, néhány óra és néhány nap elteltével). Az EMXO még akkor is megtartja a stabilitását, ha a tokozat belső nyomása eléri az 1 torr értéket, így az is nagyjából 70 évet venne igénybe, hogy az EMXO belső nyomása (az 1×10-12 atm.cc/s hélium szivárgási sebesség mellett) elérje az alacsony vákuumnak számító 0,1 torr értéket (2. ábra). Ha tehát a konzervatív biztonsági fokozatot jelentő 1×10-11 atm.cc/s hélium szivárgási sebességgel és 0,5 torr belső tokozatnyomással számolunk is, a legújabb EMXO-k elérhetik a 15 éves specifikáción belüli működési élettartamot.
2. ábra Az EX-219 belső tokozatnyomásának változása különböző szivárgási sebességeknél. Vegyük észre: ahhoz, hogy a tokozat belső nyomása elérje a 0,1 torr értéket 1×10-12 atm.cc/s héliumszivárgási sebességet feltételezve, 70 évre van szükség
Összefoglalás
Meglehet, az EMXO kevésbé jól ismert, mint a hasonló, űrtechnikában használt alkatrészek, de jelentős előnyöket kínál azokhoz képest, amelyek együttesen rendkívül vonzó alternatívaként jelenítik meg. Bár tény, hogy a fő megkülönböztető jegyét a vákuumos hőszigetelés adja, az olyan szerelési technológiák, mint a hideghegesztés és a hibrid kivitel, ugyancsak jelentősen hozzájárulnak a végeredményhez. Az EMXO-t már számos űrküldetésben felhasználták az utóbbi évtizedben, és az elismerés azt bizonyítja, hogy még sokkal több lehetőség rejlik benne.
Referencia
[1] „Using Oven Current Instead of Fine Leak Detector to Screen Seal Integrity of EMXO Cold-Weld Evacuated Package”, Hoklay Pak, Microchip Technology, March 2021.
Jegyzetek
1 Talán mulatságosnak találja az olvasó, hogy a magyar fordítás azt sugallja, mintha a tárgyalt alkatrész belső tere úgy lenne „feltöltve” vákuummal, mint valamiféle töltőgázzal, de nyilván érthető a fordítói szándék: tömör magyar megfelelőjét adni az angol „evacuated” kifejezésnek, amely az eszköz belsejében uralkodó technikai vákuumot kívánja kifejezni. – A ford. megj.
2 Az idősebbek még emlékezhetnek rá, hogy a magyar mérnöki zsargonban is „kristálykályhának” nevezték a rezgőkvarcot befoglaló kisméretű termosztátot. – A szerk. megj.
3 A szerző – vélhetően a szakma általános szokásait követve – előszeretettel használ nem koherens mértékegységeket. Ezek SI-egységekre való átszámítását azért kerültük, mert vélhetően ugyanannyira (vagy ugyanannyira nem) szemléletesek a „hétköznapi” olvasó (és a fordító) számára, mint az SI-egységek. 1 torr = 1 Hgmm = 1,33 mbar = 133 Pa. Ugyanitt említjük, hogy a szivárgási sebességet „atm.cc/s” mértékegységgel adja meg. 1 atm.cc/s SI mértékrendszerben 0,1 Pa.m3/s az „atm.cc/s hélium” kifejezés ennek a héliumos mérési módszerre vonatkoztatott értéke – A ford. megj.
Szerző: Hoklay Pak – Microchip Technology
www.microchip.com
