Aktuality

Mikrosystémové technológie zo SAV pre kozmický výskum

Vložil(a): F. Krpelan, 6.2.2015, videné 958-krát

Slovensko vstupuje do programu PECS (Plan for European Cooperating State) Európskej vesmírnej agentúry (ESA) (Aktuality SAV, 22.12.2014). Umožní to prepojiť doterajšie výskumné aktivity ústavov SAV v kozmickej fyzike (vrátane astronómie, astrofyziky a geofyziky), kozmickej biológii a medicíne, materiálovom inžinierstve a v diaľkovom prieskume Zeme s aktivitami ESA.
 
 
V súčasnosti sa v kozmickom výskume a astronautike presadzujú inteligentné senzory, v ktorých sa využívajú mikro-elektro-mechanické systémy (MEMS).  V senzorových moduloch sú MEMS využité hlavne ako snímače, pretože umožňujú dosahovať  vyššiu presnosť, efektívnosť, menšie rozmery a nižšiu hmotnosť. Výskum a vývoj inteligentných senzorov a MEMS umožnil ich široké využitie v mnohých priemyslených oblastiach, napr. v automobilovom priemysle, medicíne, geofyzike a i. Pre aplikácie v kozmickom výskume je dôležitá aj odolnosť MEMS na žiarenie a vibrácie. 
 
 
Na Slovensku sa výskumom v oblasti senzorov a MEMS zaoberá niekoľko výskumných skupín v SAV a STU. Príkladom využitia MEMS v kozmickom výskume je analyzátor prachových častíc MIDAS (Micro Imaging Dust Analysis System), jeden z viacerých vedeckých prístrojov umiestnených na kozmickej sonde Rosetta, ktorých úlohou je výskum kométy a jej okolia z  väčšej vzdialenosti (Obr. 1). Analyzátor MIDAS umožňuje zachytiť a snímať jednotlivé prachové častice s vysokým rozlíšením, určiť ich tvar, orientáciu, merať množstvo jednotlivých častíc, elektrickú vodivosť a pod. Vo vývoji tohto analyzátora boli použité aj mikrosystémové technológie zo SAV.
 
 
Vývoj analyzátora MIDAS výskumnými kolektívmi zo 6 krajín koordinoval W. Riedling z Ústavu kozmického výskumu Rakúskej akadémie vied v Grazi  (SRI AAS) na prelome tisícročia [1]. Na tomto vývoji sa zúčastnil aj kolektív Laboratória elektrónovej litografie ÚI SAV (LEL UISAV) v rámci spolupráce s Ústavom pre všeobecnú elektrotechniku a elektroniku Technickej univerzity vo Viedni (IAEE TUW) a Ústavom technickej fyziky na Univerzite v Kasseli v Nemecku (ITP UK). Na Obr. 2 je pohľad na analyzátor MIDAS s meracím systémom na princípe atómového silového mikroskopu (AFM -  Atomic Force Microscopy) [3]. 
 
 
V tom čase ÚI SAV udržiaval dlhoročnú spoluprácu s jedným z týchto výskumných kolektívov z ITP UK. Iniciátormi tejto spolupráce boli Peter Hudek (ÚI SAV) a I. W. Rangelow (ITP UK). Spolupracovali sme v oblasti využitia mikrosystémovýxh technológií pre vývoj piezorezistívnych senzorov na princípe AFM. Jedným z aplikácií matice takýchto senzorov boli merania v kozmickom priestore. Ďalšie zahraničné pracovisko z projektu MIDAS, s ktorým ÚI SAV udržiaval dlhoročnú spoluprácu bol IAEE TUW, hlavne zásluhou vedúceho LEL UISAV J. Bugára a P. Hudeka. Jedným zo spoločných  výskumných projektov bol rakúsko-slovenský projekt vedecko-technickej spolupráce East-West-Project OWP-92 „E-Beam and  Ion-Beam-Projection-Lithography for the Production of Sub-0.5 Micron Structures in Microelectronics“ v rokoch 1992-2000. Hlavnými rakúskymi partnermi v tomto projekte boli prof. W. Fallmann a G. Stangl (v roku 2011 bol ocenený Pamätnou plaketu Slovenskej akadémie vied, Aktuality 23.11.2011). Jedným z riešených úloh projektu bol vývoj technológie prípravy štruktúr pre kolektor prachových častíc pre výskum v kozmickom priestore, na ktorej sme spolupracovali s F. Rüdeanuerom z Rakúskeho výskumného centra v Seibersdorfe, G. Stanglom z IAEE TUW a I.W. Rangelowom z  ITP UK. 
 
 
Naša účasť na vývoji analyzátora MIDAS bola výsledkom mnohoročných výkumných aktivít kolektívu, využitia drahého zariadenia (elektrónového litografu) a medzinárodnej spolupráce Laboratória elektrónovej litografie ÚI SAV s IAEE TUW a ITP UK. Výsledky tohto vývoja boli publikované v niekoľkých vedeckých publikáciách, z ktorých reprezentatívne sú [2, 3]. 
Základný výskum, vývoj a využitie MEMS technológií v kozmickom výskume je jednou z možností, ktorou sa môže SAV zapojiť do programov PECS Európskej vesmírnej agentúry ESA. 
 
 
Ivan Kostič
Laboratórium elektrónovej litografie ÚI SAV 
 
 
 
Literatúra
 
[1] RIEDLER, W., TORKAR, K., RÜDENAUER, F., FEHRINGER, M., SCHMIDT, R. et al. The MIDAS experiment for the Rosetta mission. In Advances in Space Research, vol. 21 (11), 1998, p.  1547–1556.  doi:10.1016/S0273-1177(97)00947-2
[2] STANGL, G., HUDEK, P., KOSTIC, I., RÜDENAUER, F., RANGELOW, I.W., RIEDLING, K., FALLMANN, W. Micro-Technology of Densely Spaced Non-Conventional Patterns for Space Applications. In Microelectronic engineering, vol. 41-42, 1998, 187–190. ISSN: 0167-9317. doi:10.1016/S0167-9317(98)00042-2
[3] BARTH, W., DEBSKI, T., ABEDINOV, N., IVANOV, T.Z., HEERLEIN, H., VOLLAND, B., GOTSZALK, T., RANGELOW, I.W., TORKAR, K., FRITZENWALLNER, K., GRABIEC, P., STUDZINSKA, K., KOSTIC, I., HUDEK, P. Evaluation and fabrication of AFM array for ESA-Midas/Rosetta space mission. In Microelectronic Engineering, 2001, vol. 57-58, p. 825-831. ISSN 0167-9317. doi:10.1016/S0167-9317(01)00558-5

 

Príloha

Detail kozmickej sondy Rosetta s označením vedeckých prístrojov. Analyzátor MIDAS je umiestnený na orbiteri (zvýraznený v zelenom rámčeku).
Príloha

Detail analyzátor MIDAS s meracím systémom na báze AFM [3]
Príloha

Detail kolektora prachových častíc pre analyzátor MIDAS. Predstavuje pole stľpikov v elektrónovom reziste so submikrometrovými priemermi, ktoré boli vytvorené priamou elektrónovou litografiou v LEL UISAV. Stľpiky v reziste slúžili ako maska pri reaktívnom iónovom leptaní kremíka v ITP UK (snímok I. W. Rangelow, P. Hudek, I. Kostic).