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Mikroprozessortechnik und Raumfahrtelektronik

Ansprechpartner: Prof. Dr. Burkart Voß

Kontaktdetails:

Tel.: +49 3641 205 731

E-Mail: burkart.voss@eah-jena.de

Web: Homepage

Mit Hilfe digitaler Signalverarbeitungsalgorithmen lassen sich oft einem Messsignal überlagerte Störungen effizient eleminieren bzw. unterdrücken. Abhängig von dem Ansatz kann das in vielen Fällen in Echtzeit passieren, so dass weniger gestörte Messsignale zur Verfügung gestellt werden können. 
Gerade bei Messungen in rauhen Umgebungen treten Störungen besonders markant auf und die zur Verfügung stehende Rechenleistung ist begrenzt, so dass individuelle Maßnahmen definiert werden müssen, die ausreichend entstörte Messsignale ermöglichen. 

Begleitend zu der Vertiefungsrichtung „Raumfahrtelektronik“ des Masterstudienganges ET/IT beschäftigen wir uns auch mit Forschungsfragen, die sich um die Folgen des Einsatzes von Elektronik im Weltraum drehen. 

Im Weltraum herrschen rauhe Bedingungen – extreme Temperaturwechsel, Vakuum und nicht zuletzt die kosmische Strahlung, vor der wir auf der Erde durch das Erdmagnetfeld abgeschirmt werden. Gerade die kosmische Strahlung, die aus sehr schnellen Ionen besteht, ist für elektronische  Bauteile extrem gefährlich. Ein einzelner Treffer eines schweren Ions kann im Bauteil einen Kurzschluss auslösen, der zur Zerstörung des Bauteils führt, wenn der Kurzschlussstsrom nicht unterbrochen wird. Dieser Effekt wird Latchup genannt. 

Um trotzdem ohne Ausfälle auf Satelliten funktionieren zu können, werden elektronische Bauelemente speziell für Anwendungen im Weltraum entwickelt, hergestellt und qualifiziert. Das funktioniert recht gut, allerdings ist es teuer. Wegen der relativ kleinen Nachfrage nach solchen Bauelementen werden auch in der Regel ältere Technologien zur Herstellung eingesetzt, was die Leistungsfähigkeit der integrierten Schaltkreise extrem beschränkt. 
Wenn nicht speziell für den Weltraum qualifizierte Bauteile verwendet werden sollen, muss das System so gebaut werden, dass die Bauteile vor Zerstörung geschützt sind und dass (temporäre) Ausfälle der Bauteile toleriert werden. Das kann man mit entsprechenden Redundanzkonzepten und Schutzschaltungen gegen den Latchup erreichen, die die Versorgungsspannung der Bauteile rechtzeitig abschalten und so den Kurzschluss unterbrechen. 

Um solche Schutzmaßnahmen entwicklen und testen zu können, muss man die Effekte kosmischer 
Strahlung auch im Labor erzeugen können. Das macht man normalerweise mit Teilchenbeschleunigern – eine sehr aufwendige und kostenintensive Methode. 

Da durch die schweren Ionen der kosmischen Strahlung letztendlich Energie im Bauteil deponiert wird, haben wir untersucht, ob man den das Bauteil zerstörenden Latchup-Effekt nicht auch dadurch erzeugen kann, dass man Energie mit Hilfe eines kurzen Laserpulses in das Bauteil einträgt, nachdem man das Gehäuse des ICs aufgeätzt hat. Es hat sich gezeigt, dass das sogar mit einer Laserdiode funktioniert, wie sie z.B. in DVD-Brennern eingebaut ist. So ist ein sehr kompakter Aufbau entstanden, mit dem man den Latchup-Effekt ortsaufgelöst reproduzierbar mit geringem Aufwand erzeugen kann.

Dank der Ortsauflösung können die SEL - empfindlichen Stellen kartiert werden. Die obige Abbildung des MSP430 wurde mit dem entwickelten Gerät erzeugt. Die für das Auslösen eines SEL notwendigen Laserpulsenergien sind farbig markiert, die Helligkeit ist ein Maß für den im SEL-Fall fließenden Latchupstrom. Man kann hier sehen, dass unterschiedliche Strompfade mit unterschiedlichen Latchupströmen wirksam werden.

So sind wir in der Lage, Latchupschutzschaltungen zu entwickeln und zu testen, da wir an einer relativ großen Anzahl von Bauteilen (mit entsprechenden Streuungen der Parameter) messen können, wie lange es dauert, bis ein Latchup das Bauteil zerstört hat und wie groß die Streuung dieser Zeitdauer ist. Kennt man die Zeit, die man zum Abschalten des Latchupstromes hat, kann man gezielt eine Latchup-Schutzschaltung entwickeln, die den Effekt erkennt und rechtzeitig abschaltet. Nach dem Aufbau der Schutzschaltung können wir diese dann auch ausgiebig mit einer statistisch relevanten Anzahl an Testobjekten mit Hilfe unseres Aufbaus testen. 

Es hat sich weiterhin gezeigt, dass auch Speicherfehler gezielt erzeugt werden können, also das Verändern einer ‚0‘ in eine ‚1‘ oder umgekehrt. Da diese Effekte auch in terrestrischen Anwendungen auftreten können und bei sicherheitskritischen Anwendungen erhebliche Auswirkungen haben können, werden in diesen sicherheitskritischen Anwendungen in der Regel in der Software Maßnahmen implementiert, die Auswirkungen dieser Speicherfehler verhindern. Problematisch ist hier allerdings das Testen der Software, die Speicherfehler treten ja nur sehr selten auf. Hier können wir mit Hilfe unseres Ansatzes Lösungen erarbeiten, die diese Softwaremaßnahmen testbar machen. 

Forschungsschwerpunkte Zusammenfassung

  • Untersuchungen zum Latchup-Effekt und zu Speicherfehlern aufgrund von Strahlungseinwirkung
  • Entwicklung von Latchup-Schutzschaltungen