-
Verwandte
Anmeldung
-
Die
Erfindung ist verwandt mit der gleichzeitig anhängigen vorläufigen Anmeldung Nr. 60/063,392,
eingereicht am 10. Oktober 1997, für einen "Mikrosatelliten mit integrierten Schaltungen". Die verwandte Anmeldung
hat dieselben Erfinder und Rechtsnachfolger wie die vorliegende
Erfindung.
-
Gebiet der
Erfindung
-
Das
Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft allgemein die Kapselung
elektronischer Vorrichtungen und elektromechanischer Systeme und
insbesondere Mikrosatelliten.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Ein
Ziel moderner Technologie besteht darin, Konstruktionen für die Kapselung
elektronischer Vorrichtungen, elektrischer Systeme und elektromechanischer
Systeme anzubieten, welche die Zuverlässigkeit erhöhen und
gleichzeitig das Volumen minimieren. Eine solche Kapselung nennt
man Mikrokapselung, und es ist ein Konstruktionsziel, das in den
letzten Jahren ein überaus
großes
Interesse gefunden hat. Mikrokapselungstechniken führten zu
einer Reihe neuer Produkt- und Systemkonstruktionen, einschließlich Mikrosatelliten,
die multiple Funktionen, erhöhte
Zuverlässigkeit
und ein minimales Volumen bieten. Solche Mikrosatelliten verringern
das Nutzlastgewicht und gleichzeitig die Startkosten.
-
Mikrosatelliten
werden sehr schnell wichtige wissenschaftliche und wirtschaftliche
Gegebenheiten. Jedoch sind die meisten Satelliten, die in diese Klasse
fallen, immer noch ziemlich groß (~
50 kg, ~ 0,5 m). Eines der Haupthindernisse für eine weitere Verringerung
dieser Parameter ist die mangelnde Integration aller Funktionen
des Satelliten. Typischerweise sind die meisten Satelliten aus körperlich
getrennten Untersystemen aufgebaut, von denen jedes aus einer Kombination
aus Leiterplatten und Bauteilen zusammengesetzt ist. Durch diese
Methode der Aufteilung werden wertvoller Raum und wertvolles Gewicht
direkt verschwendet durch steigende Anforderungen an Aufbau und
Leistungs-Ressourcen des Satelliten.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Mikrosatelliten mit vielfältigen Funktionen
zu geringeren Kosten, aber mit erhöhter Zuverlässigkeit, zu schaffen.
-
Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen im wesentlichen
integrierten Satelliten (INT-SAT) zu bieten, bestehend aus der gesamten elektronischen
Schaltungstechnik eines voll funktionsfähigen Satelliten, die in einem
einzigen Modul komprimiert ist.
-
Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Konstruktionen auf der
Basis von integrierten Schaltungen bereitzustellen, um Gewicht und
Volumen elektronischer und elektromechanischer Systeme zu minimieren,
bei gleichzeitiger Erhöhung
der Zuverlässigkeit.
-
Diese
und andere Ziele der Erfindung werden durch eine Ausfqührungsform
der Erfindung verwirklicht, indem Wafer mit integrieren Schaltungen hergestellt
werden, um auf jedem Wafer individuelle Funktionen bereitzustellen.
Die Wafer werden im Inneren eines Gehäuses in gestapelter Konfiguration montiert,
wobei die Wafer voneinander beabstandet und parallel zueinander
angeordnet werden. Zwischen den Wafern sind mittels elektrischer
Verbindungsmittel elektrische Querverbindungen vorgesehen, um elektrische
Verbindungen entlang der Kanten der Wafer zu schaffen. Die Zuverlässigkeit
wird dadurch gesteigert, dass zwischen zwei oder mehr Wafern eine
Funktionsredundanz vorgesehen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die Daten zwischen den Wafern elektro-optisch
mit Hilfe lichtemittierender und lichterfassender Einrichtungen übertragen.
-
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird mit Bezug auf die Figuren beschrieben, in denen gleiche
Positionen mit denselben Bezugsbezeichnungen gekennzeichnet sind.
-
1 ist
eine schematische Ansicht eines Infrarot-Teleskop-Mikrosatelliten,
der mehrere Ausführungsformen
der Erfindung beinhaltet, wobei die schematische Ansicht die Front
und die Seite des Mikrosatelliten zeigt.
-
2 ist
eine schematische Ansicht des Mikrosatelliten von 1,
von der Seite und von hinten gesehen.
-
3 ist
eine weitere schematische Ansicht des Mikrosatelliten von 1,
mit Blickrichtung in die Front des Satelliten, wobei ein Teil der
Abdeckung eines mittig angebrachten Gehäuses für ein integriertes Elektronikmodul
entfernt wurde, um verschiedene Details zu zeigen.
-
4A ist
eine Explosions-Montageansicht, welche die Kapselung einer beabstandeten,
gestapelten Anordnung von Wafern mit integrierter Schaltung für verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung zeigt, in einem Beispiel, das zur Verwendung in dem
Mikrosatelliten von 1 konfiguriert, aber nicht darauf
beschränkt
ist.
-
4B zeigt
eine Detail-Ansicht der zusammenpassenden Schnittstelle zwischen
den beiden Hälften
des Gehäuses
von 4A.
-
4C zeigt
eine Detail-Ansicht eines Wafer-Haltesteges und seiner Nut.
-
5A ist
eine Draufsicht eines Wafers mit integrierter Schaltung für eine Ausführungsform
der Erfindung.
-
5B ist
ein Querschnitts-Aufriss von vorne eines Gehäuses, die den Einbau eines
Wafers mit integrierter Schaltung für eine Ausführungsform der Erfindung zeigt.
-
6A zeigt
eine schematische Ansicht eines Kontaktfingers für eine Ausführungsform der Erfindung.
-
6B zeigt
eine bildliche Detail-Ansicht der Halterung für fünf Feder-Kontaktfinger in einer
Nut des Gehäuses,
zum Halten und elektrischen Verbinden eines Abschnitts eines Wafers
mit integrierter Schaltung.
-
6C zeigt
einen Seiten-Aufriss der Halterungs-Baugruppe der 6A und 6B.
-
7 zeigt
eine vereinfachte Schnittansicht einer Vielzahl von in einem Gehäuse montierten
Wafern mit integrierter Schaltung für eine Ausführungsform der Erfindung.
-
8 ist
eine Detail-Ansicht eines Abschnitts eines Wafers mit integrierter
Schaltung, der Lichterfassungsvorrichtungen, lichtemittierende Vorrichtungen
und Signalverarbeitungsschaltungen für eine Ausführungsform der Erfindung aufweist.
-
9 ist
eine vereinfachte Ansicht entlang der Kanten zweier beabstandeter
Wafer mit integrierter Schaltung, die eine elektro-optische Datenkommunikation
zwischen den einander gegenüberliegenden,
epitaktisch gewachsenen oder auf andere Weise auf die Wafer mit
integrierter Schaltung aufgebrachten lichtemittierenden Vorrichtungen
und Lichterfassungsvorrichtungen darstellt.
-
10 zeigt
einen Wafer mit integrierter Schaltung, der ein Oberflächenraster
aufweist, und eine Anordnung von Lichterfassungsvorrichtungen, für eine Ausführungsform
der Erfindung, die in einem Infrarot-Teleskop für einen Mikrosatelliten eingebaut ist.
-
11 zeigt
einen Wafer mit integrierter Schaltung, der auf einer Seite eine
integrierte photolithographische Spiralantenne und eine Photomischvorrichtung
und auf der anderen Seite eine Massenplatte aufweist, für eine weitere
Ausführungsform
der Erfindung.
-
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
-
Wie
im Folgenden beschrieben wird, bietet die vorliegende Erfindung
einen vollkommen integrierten Satelliten (INT-SAT), der die gesamte
Elektronik eines voll funktionsfähigen
Satelliten in einem einzigen Modul komprimiert enthält. Dieses
Modul ist sehr kompakt und leicht und so gebaut, dass es speziell
konstruierte 4 bis 8 Inch große
Silizium-Wafer und
GaAs-Größen-Chips
aufweist. Dank des kreativen Anwendung von Halbleiterverarbeitungs-
und Kristallwachstums-Techniken können alle für einen Satelliten gemäß dem Stand
der Technik erforderlichen Bauteile auf den Silizium- und GaAs-Chips
implementiert werden. Das komprimierte Elektronikmodul des INT-SAT
hat typischerweise ein Volumen von nur 200 Kubikzentimetern und
wiegt typischerweise weniger als 500 Gramm. Da die Elektronik das
Herzstück
fast jeder Mission ist, führt
die Integration der vorliegenden Erfindung zu enormen Gewichts-
und Größen-Einsparungen,
wodurch die Masse des Satelliten auf deutlich unter 10 kg verringert
werden kann. Man beachte jedoch, dass die gekapselten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nicht auf den Gebrauch in Mikrosatelliten
beschränkt
sein sollen, da solche Ausführungsformen
ein breites Anwendungsfeld für
die Minimierung des Volumens verschiedener elektronischer Vorrichtungen
haben.
-
1 zeigt
eine schematische Ansicht eines Mikrosatelliten 2, der
verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung beinhaltet. Die in diesem Beispiel gezeigte Konfiguration
ist für
ein Mikrosatelliten-Teleskop bestimmt, das für spektroskopische Bilderzeugung
in den Bereichen des sichtbaren, des nahen Infrarot- und des Kurzwelleninfrarot-Lichts
geeignet ist. Die Erfindung soll jedoch nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt
sein, und verschiedene der in dem beispielhaften Mikrosatelliten-Teleskop
eingebauten Ausführungsformen
der Erfindung haben einen breiteren Anwendungsbereich für die Mikrominiaturkapselung
von elektronischen Vorrichtungen mit integrierten Schaltungen. Wie
in diesem Beispiel dargestellt, weist der Mikrosatellit eine Batterieeinheit 4 auf,
die auch als Gegengewicht am Ende eines Schwerkraftgradientenauslegers 6 dient.
Das andere Ende des Schwerkraftgradientenauslegers ist starr mit
einer hohlen zentralen Nabe 8 eines Rollverhinderungs-Stabilisierungsschwungrades 10 verbunden.
Das Rollverhinderungs-Stabilisierungsschwungrad 10 weist
drei am äußersten
Umfang gelegene bogenförmige
Segmente 12 auf, die, wie abgebildet, durch Speichen 14 mit
der zentralen Nabe 8 verbunden sind. 2,
die eine schematische Ansicht des hinteren oder rückwärtigen Abschnitts
des Mikrosatelliten 2 ist, zeigt, wie in dem aufgeschnittenen
Abschnitt des Schwerkraftgradientenauslegers 6 dargestellt,
dass ein Flachbandkabel 16 vom Ausleger 6 umschlossen
wird, das Strom von der Batterieeinheit 4 durch die Nabe 8 in
ein Gehäuse
für integrierte
Wafer 19 leitet. Wie im Folgenden noch näher beschrieben
wird, wird das Flachbandkabel 16 sowohl dazu verwendet,
um die von den Solarzellen 18 abgezweigte Ladespannung
elektrisch zu leiten, um die Batterieeinheit 4 wieder aufzuladen,
als auch dazu, um während
der Zeiten der Dunkelheit in der Umlaufbahn Strom von der Batterieeinheit
zum Gehäuse für integrierte
Wafer 19 zu leiten. Der Mikrosatellit 2 weist
ferner ein parabolisches Außengehäuse 20 zwischen
der Nabe 8 und einer zehnseitigen vieleckigen Außengehäuseverkleidung 22 auf,
die, wie abgebildet, mit Solarzellen 18 bedeckt ist. Die
Solarzellen sind unter Verwendung eines (nicht abgebildeten) geeigneten
Epoxidharz-Klebers
an der Gehäuseverkleidung 22 befestigt.
Die Außengehäuseverkleidung ist
an ihrem abschließenden
Ende offen, und eine Vielzahl von Montagespeichen 24 sind
zwischen der inneren Wandfläche
der Verkleidung 22 und dem Gehäuse für integrierte Wafer 19 verbunden.
Das (nicht abgebildete) Flachbandkabel wird durch hohle Abschnitte
der Speichen 24 geführt,
um die Solarzellen 18 elektrisch mit den IC-Wafern im Gehäuse 19 zu verbinden.
-
Es
wird nun weiterhin Bezug genommen auf 1 und 2 sowie
auch auf 3. Das Gehäuse für integrierte Wafer 19 ist
an seinem Frontende offen, so dass eine auf einem Wafer mit integrierter Schaltung 28 ausgebildete
integrierte photolithographische Spiralantenne und Photomischvorrichtung 26 freiliegt.
In 3 ist ein Abschnitt des Gehäuses für integrierte Wafer 19 entfernt
worden, um die gestapelte Anordnung von aufeinanderfolgenden integrierten
Wafern 32 zu zeigen, die auf eine Art und Weise, die im
Folgenden noch näher
beschrieben wird, im Gehäuse 19 fest
montiert sind. In diesem Beispiel ist das innerste Ende des Gehäuses 19 offen,
um ein kreisförmiges,
transparentes Saphir-Fenster 30 freizulegen (siehe 4A).
Das parabolische Gehäuse 20 hat
eine verspiegelte Innenwandfläche 34,
um das am vorderen Abschnitt des Mikrosatelliten 2 eintretende
und in das transparente Fenster 30 gelangende Licht zu
reflektieren. Man beachte, dass das transparente Fenster 30 dieselbe Form
hat wie jeder der integrierten Wafer 32. Das die integrierten
Wafer 32, den Spiralantennen-Wafer 26 und den
transparente Fenster-Wafer 30 umschließende Gehäuse für integrierte Wafer 19 bildet
ein integriertes Elektronikmodul 36, in dem die Wafer 32 verarbeitet
werden, um integrierte Schaltungen aufzuweisen, die in diesem Beispiel
einen Busabschnitt, einen Instrumenten- oder Steuerabschnitt und
einen Leistungsabschnitt für
den Mikrosatelliten 2 bereitstellen.
-
4A zeigt
eine Explosions-Montageansicht des integrierten Elektronikmoduls 36.
Wie abgebildet, weist das Gehäuse
für integrierte
Wafer 19 einen ersten halben Abschnitt 38 und
einen dazu passenden zweiten halben Abschnitt 40 auf. Jeder
halbe Abschnitt weist eine Vielzahl von Nuten 42 auf, die, wie
abgebildet, in eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Abstandshaltern
oder Wafer-Haltestegen 44 ausgebildet sind. In diesem Beispiel
hat das Gehäuse
für integrierte
Wafer 19 eine zylindrische Form, es kann jedoch auch eine
anders geformte Außenfläche haben.
In dem Zwischenraum zwischen den Wafer-Haltestegen 44 wird
eine Vielzahl von Wafer-Halte-Fingerkontakten 46 mit Hilfe
von Achszapfen 48 und Federsicherungszapfen 50 zwischen
den Wafer-Haltestegen 44 gehalten, wie in 6A, 6B und 6C dargestellt.
Man beachte ferner, dass, wie in 5A dargestellt,
jeder der Wafer 32 einen flachen oder sekantenförmigen Kantenabschnitt 52 hat,
der fluchtet, wenn die Wafer 32 in das erste Halbabschnitt-Gehäuse 38 montiert
werden, das zum zweiten Halbabschnitt-Gehäuse 40 ausgerichtet werden
muss, wodurch, wenn Letzteres mit Ersterem verbunden wird, der flache
Innenflächenabschnitt 54 des
zweiten Halbabschnitt-Gehäuses 40 und
der flache Abschnitt 54 gegeneinanderstoßen, um
im Wesentlichen eine Rotation der Wafer 32 zu verhindern und
auch, um sicherzustellen, dass die Wafer 32 innerhalb des
Wafer-Gehäuses 19 ordnungsgemäß fluchten.
-
Mit
Bezug auf 4A und 4B ist
zu beachten, dass die in Längsrichtung
einander gegenüberliegenden
Kantenabschnitte des ersten und des zweiten Halbabschnitt-Gehäuses eine
Zunge 56 aufweisen, die in eine Nut 58 von einander
gegenüberliegenden
Kantenabschnitten des ersten und des zweiten Halbabschnitt-Gehäuses 38 bzw. 40 passt. In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann das Gehäuse
für integrierte
Wafer 19 aus Graphit oder Siliziumkarbid bestehen und durch
spanende Bearbeitung gefertigt werden, oder aus Kohlefasern bestehen
und in einer Form geformt werden. Es können auch Metalle wie Aluminium
oder Edelstahl verwendet werden, dann muss jedoch darauf geachtet
werden, dass sichergestellt ist, dass die elektrisch leitenden Abschnitte
der Federsicherungszapfen 50, der Kontaktfinger 46 und
der Achszapfen 48 gegen das elektrisch leitende Gehäuse 19 elektrisch
isoliert sind. Man beachte ferner, dass die Achszapfen 48 und
die Federsicherungszapfen 50 zwischen den Wafer-Haltestegen 44 unter
Verwendung geeigneter mechanischer Befestigungsmittel oder Epoxidharz-Kleber
befestigt sind.
-
Ebenfalls
mit Bezug auf 5A kann ein typischer integrierter
Wafer 32 mindestens drei elektrisch leitende Leiterplatten-Busleitungen
aufweisen, wie zum Beispiel eine Busleitung 60 mit positiver Spannung
und eine Busleitung 62 mit negativer Spannung und eine
Busleitung 64 mit Erdungs- oder Referenzspannung. Der integrierte
Wafer 32 kann auch eine Vielzahl von Abschnitten mit integrierter Schaltung 66 aufweisen,
die unter Einsatz herkömmlicher
Fertigungstechniken für
integrierte Schaltungen auf dem Wafer ausgebildet werden. Die integrierten
Wafer 32 können
aus Silizium-Wafern, GaAs-(Galliumarsenid)-Wafern und so weiter
bestehen, je nachdem, wie es die Anwendung verlangt.
-
Ebenfalls
mit Bezug auf 4A und 5B sind
die Flachbandkabel 68 entweder durch Silberschlaglöten oder
Hartlöten
auf den rückwärtigen Abschnitten
der Kontaktfinger 46 angebracht (siehe 5B),
um die geeigneten Spannungen und die Erdung an ausgewählten Haltefingerkontakten 46 anzulegen,
wobei die Flachbandkabel 68 als die Busleitung 60 mit
positiver Spannung, die Busleitung 62 mit negativer Spannung
und die Busleitung 64 mit Erdungs- oder Referenzspannung
dienen. Man beachte, dass derartige Busleitungen auch anders als durch
Verwendung von Flachbandkabeln bereitgestellt werden können. Wie
abgebildet, weisen die Kontaktfinger 46 an ihren innersten
Enden Achsdurchführungen 49 auf,
durch die die Achszapfen 48 eingeführt werden, um die Achs-Enden
der Finger 46 zwischen den Haltestegen 44 zu befestigen.
Die Federsicherungszapfen 50 sind ebenfalls starr zwischen
den Haltestegen 44 montiert, in Kontakt mit den oberen
Flächen
der gegenüberliegenden
Kontaktfinger 46, um die freien Enden 70 der Kontaktfinger 46 gegen
die gegenüberliegenden
freien Enden 70 der gegenüberliegenden Kontaktfinger 46 gedrückt zu halten.
Die Kontaktfinger 46 können
zum Beispiel aus Berylliumkupfer-Federmetall gefertigt sein. Wird
ein integrierter Wafer 32 in die Nuten 42 der
Wafer-Haltestege 44 eingeführt (siehe 4C), drückt die
Kante des Wafers 32 ebenfalls gegen die abgerundeten Abschnitte
der Enden 70 der einander gegenüberliegenden Paare von an die
Stege 44 angrenzenden Kontaktfingern 46 und presst
die einander gegenüberliegenden
Kontaktfinger 46 auseinander, so dass der Wafer in die
Nuten 42 der Wafer-Haltestege 44 gedrückt werden
kann (siehe 4C), während er durch den Reibeingriff
mit den Kontaktfingern 46 starr festgehalten wird. Die
Enden 70 der Kontaktfinger 46 sind ebenfalls in
elektrischem Kontakt mit einer Busleitung für gedruckte Schaltung auf den
Wafern 32, um die Busleitungen für gedruckte Schaltungen mit
den geeigneten Busleitungen der Flachbandkabel 68 zu verbinden,
wie hierin erläutert. Man
beachte, dass der Gehäuseabschnitt 38 ebenfalls
zwei einander gegenüberliegende
längliche
Wafer-Haltestege 45 aufweist, entsprechend den Haltestegen 44.
-
Wie
in 7 dargestellt, sind die integrierten Wafer 32 in
drei Funktionsabschnitte gruppiert. Genauer gesagt, befindet sich
eine Gruppe der Wafer 32 in einem Busabschnitt 72,
eine zweite Gruppe der Wafer 32 in einem Leistungsabschnitt 74,
und eine dritte Gruppe der Wafer 32 in einem Instrumentenabschnitt 76.
Der Busabschnitt 72 weist die integrierten Schaltungen
für die
Bereitstellung von Mikroprozessoren, erforderlichen Datenspeichern,
erforderlichen Programmen, die im Speicher gespeichert sind, und so
weiter auf. Man beachte, dass auf dem Gehäuse 19 Sonnensensoren 78 angebracht
sind, die Signale an den Busabschnitt übermitteln, damit die Stromversorgung
des Mikrosatelliten von der Batterieeinheit 4 auf die Solarzellen 18 umgeschaltet
wird, wenn der Mikrosatellit 2 von der Dunkelheit ins Sonnenlicht fliegt,
und umgekehrt. Man beachte, dass in diesem Beispiel jeder der integrierten
Wafer 32 eine bestimmte Funktion für den Mikrosatelliten 2 bereitstellt. Für eine höhere Zuverlässigkeit
kann eine Vielzahl identischer integrierter Wafer 32 vorgesehen
werden, um zu gewährleisten,
dass, wenn einer der integrierten Wafer 32 defekt wird,
ein anderer zur Verfügung stehen
wird, um dieselben Funktionen zu bereitzustellen, um sicherzustellen,
dass der Mikrosatellit 2 weiterhin ordnungsgemäß arbeitet.
Die Länge
des Gehäuses
für integrierte
Wafer 19, L1, beträgt
in diesem Beispiel ungefähr
100 Millimeter, während
der als Abmessung L2 abgebildete Durchmesser des zylindrischen Gehäuses ungefähr 100 Millimeter
beträgt.
In unterschiedlichen Anwendungen können die Länge L1 und der Durchmesser
L2 größer oder
kleiner als die hier angegebenen Abmessungen sein.
-
Die
in 7 weiter oben dargestellte Konstruktion mit mehreren
Wafern ist von modularer Art. Die gesamte Grundfunktionalität der Satellitenplattform
befindet sich auf den Wafern 32 im Busabschnitt 72 des
INT-SAT, wodurch der Instrumentenabschnitt 76 frei bleibt
zur Anpassung an verschiedene Missionen. Die Idee besteht darin,
eine Architektur bestehend aus einem Stapel von Wafern 32 zu
haben, so dass jeder eine bestimmte Funktionalität haben kann. Wenn an der Konstruktion
eines bestimmten Wafers Änderungen
vorgenommen werden müssen, kann
jener Wafer 32 recht einfach durch einen anderen ersetzt
werden. Außerdem
werden, wenn eine höhere
Zuverlässigkeit
benötigt
wird, parallele Wafer 32 mit gleicher Funktionalität installiert,
um eine Sicherungsmöglichkeit
zu bieten. Wenn also bei einem Start ein Wafer 32 nicht
mehr funktioniert, kann der andere, der dieselbe Funktionalität hat, die
Mission durchführen.
Außerdem
wird in einer Halbleitergießerei üblicherweise
ein Los von 25 bis 50 identischen Wafern routinemäßig hergestellt,
so dass die Herstellung mehrerer Wafer 32 mit gleicher
Funktionalität die
Produktionskosten nicht erhöht.
-
In 8 können für dieses
Beispiel eines Mikrosatelliten-Teleskops die Abschnitte mit integrierter Schaltung 66 auf
einem integrierten Wafer 32 zur Verwendung im Instrumentenabschnitt 76 integrierte Schaltungen
aufweisen, wie zum Beispiel eine Vielzahl von Lichtdetektoren mit
integrierter Schaltung 80, eine Vielzahl von Lichtemittern
mit integrierter Schaltung 82 und die erforderlichen sonstigen
integrierten Schaltungen 84, um das von den Lichtdetektoren 80 erfasste
Licht in elektrische Signale umzuwandeln und um die Lichtemitter 82 dazu
anzutreiben, durch Daten moduliertes Licht 86 auszusenden. Als
Lichtdetektoren 80 bzw. Lichtemitter 82 können zum
Beispiel Indium-Galliumarsenid-Lichtdetektoren und
-Lichtemitter eingesetzt werden. Als Schaltkreise 84 können zum
Beispiel CMOS-Schaltungen eingesetzt werden. In einer bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung können
als Lichtdetektoren 80 und dazugehörige Auslese-Schaltkreise 84 monolithische optoelektronische
integrierte Schaltungen eingesetzt werden, die eine Photodiode und
CMOS-Auslese-Schaltungen
aufweisen, wie sie beschrieben werden im US-Patent Nr. 5,621,227
mit dem Titel "Method
and Apparatus for Monolithic Optoelectronic Integrated Circuit Using
Selective Epitaxy",
das dieselben Erfinder und Rechtsnachfolger wie die vorliegende
Erfindung hat. Die Lehren dieses Patents sind durch diese Erwähnung hierin
enthalten, soweit sie nicht hiermit kollidieren.
-
Wie
in 9, einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, dargestellt,
bilden zwei integrierte Wafer 32, die jeweils eine Vielzahl
von integrierten Schaltungen 66, wie in 8 dargestellt,
aufweisen, eine nah-fokussierte dreidimensionale Integrationsarchitektur
für die Übertragung
von Daten zwischen zwei oder mehr aufeinanderfolgenden gestapelten, wie
beschrieben hergestellten, integrierten Wafern 32. Durch
Verwendung der beschriebenen optischen Glieder zwischen den lichtemittierenden
Einrichtungen 82 und den Lichterfassungseinrichtungen 80 können Daten
of elektro-optischem Wege übertragen werden,
ohne Verwendung einer Festverdrahtung.
-
In
diesem Beispiel dienen aus InGaAs auf Silizium ausgebildete Detektoren,
die mit Wellenlängen im
Bereich 1100 nm bis 1600 nm arbeiten, als Eingänge einer generischen Signalverarbeitungseinheit. Die
Verwendung eines InGaAs-Materials und der angegebene Wellenlängenbereich
bieten Kompatibilität mit
Faseroptik, gute Detektorleistung und Chip-Transparenz. Die Schaltungen können unter Verwendung
von Silizium-CMOS-Technik implementiert werden. Das ermöglicht einen
Prozessor von fast unbegrenzter Größe, Leistung und Komplexität, wodurch
eine hohe Konstruktionsflexibilität erreicht wird. Die Ausgänge des
Prozessors können
LED (Lichtemitterdioden) oder Laser, die aus demselben InGaAs auf
Silizium wie die Detektoren ausgebildet sind, antreiben. Durch diese
Fähigkeit,
optische Quellen auf demselben Chip wie dem Prozessor wachsen zu
lassen (siehe US-Patent 5,621,227), kann das ganze System funktionieren.
-
Die
Architektur des INT-SAT ist speziell dafür ausgelegt, viele verschiedene
Missionsinstrumente zu unterstützen.
Das vorliegende erläuternde
Beispiel ist für
Fernabtast-Anwendungen
gedacht, insbesondere für
die Erzeugung von Bildern von der Erde in den Bereichen des sichtbaren,
des nahen Infrarot- und des Kurzwelleninfrarot-Lichts. Photodetektorenanordnungen
aus InGaAs auf Silizium können
Bilder im Wellenlängenbereich
von 0,3 bis 2,6 Mikrometern erfassen, indem sowohl Silizium- als auch
InGaAs-Materialien als Photosensoren eingesetzt werden. Außerdem sind
spektrographische Informationen von großem Nutzen bei Fernabtast-Anwendungen.
Deshalb ist das vorliegende integrierte spektroskopische Fernabtast-Bilderzeugungs-Instrument
eine der Anwendungen der vorliegenden Erfindung.
-
Der
grundlegende Erfindungsgedanke kann angewandt werden, um sowohl
eine Photodetektoren-Anordnung 88 als auch ein optisches
Oberflächenraster 90 auf
demselben Silizium-Substrat herzustellen (siehe 10).
Der Silizium-Chip 92 ist in drei Bereiche unterteilt: die
Detektoren-Anordnung und die Auslese-Elektronik 88, und
den Rasterbereich 90. Das durch einen Eingangsschlitz 95 einfallende
Licht wird auf das Oberflächenraster 90,
das metallisiert und deshalb reflektierend ist, geleitet. Das Licht
wird vom Raster 90 weg gebeugt und durch einen gekrümmten Fokussierspiegel 94 (der
Teil eines benachbarten Wafer-Aufbaus sein kann) auf die Photodetektoren-Anordnung 88 fokussiert.
In der abgebildeten Mehrfachanordnungs-Vorrichtung gibt es mehrere
Anordnungen, die parallel zu den Rasternuten an speziellen Orten
angeordnet sind. Diese Ausführung
bewirkt, dass jede Anordnung 88 eine Reihe von Pixeln einer
speziellen Wellenlänge
erfasst, wobei jede Anordnung eine andere Wellenlänge registriert.
Das ist für
eine spektrale Fenster-Bilderzeugung
am besten geeignet. "Spektrale
Fenster-Bilderzeugung" bedeutet
die Erfassung eines vollständigen Bildes
unter Verwendung von zwei (oder mehr) vorgegebenen Wellenlängen. Der
erhaltene Datensatz hat die Form I(x,y,λi;),
wobei i = 1, 2...n. Diese Vorrichtung ist zur Verwendung in einer
Spektrallinien-Abtast-Kamera am besten geeignet. Für das zur
Herstellung eines vollständigen
Bildes erforderliche mechanische Abtasten kann die Bewegung des
Satelliten auf seiner Umlaufbahn genutzt werden (Pushbroom-Technik).
-
Der
integrierte Mikrosatellit dieses Beispiels kann, wiederum mit Bezug
auf 1 bis 3, in einer der Erde zugewandten
Ausrichtung in einer niedrigen Erdpol-Umlaufbahn gehalten werden.
Das integrierte Elektronikmodul 36 des INT-SAT befindet
sich auf der Erdseite des Mikrosatelliten 2. Das Fernabtast-Teleskop
dieses Beispiels bildet den größten Teil des
Mikrosatelliten 2. Die Optik kann entweder ein einfacher
Newtonscher Reflektor oder ein Schmitt-Teleskop sein, der/das die
richtige Erdzuwendungs-Geometrie bietet und einen Einzelspiegel hat.
Den Tubus des Teleskops bildet das zehnseitige vieleckige Gehäuse 22, dessen
Außenflächen mit Solarzellen 18 bedeckt
sind. Das Rollverhinderungs-Stabilisierungsschwungrad 10 befindet
sich hinter dem Teleskopspiegel 34. Die Außenfläche des Rades 10 kann
ebenfalls mit Solarzellen bedeckt sein. Der lange, ausziehbare Schwerkraftkraftgradientenausleger 16 erstreckt
sich vom rückwärtigen Teil
des Mikrosatelliten 2 aus und trägt die Batterieeinheit 4,
die auch als Gegengewicht dient. Nach der Entfaltung dient die Schwerkraftkraftgradientenwirkung
dazu, den Satelliten der Erde zugewandt zu halten, wodurch Schrägstellung
und Gierung passiv gesteuert werden. Man beachte, dass alle Bauteile
außer
dem Busleitungs- Instrumenten- bzw. Leistungsabschnitt 72, 76 bzw. 74 (integrierte
Elektronik) passiv sind.
-
Der
ganze Satellit ist sehr klein, er nimmt nur ein Volumen von 5000
Kubikzentimetern ein. Das Busleitungsinstrumenten-(integrierte Elektronik-)Modul 36 selbst
nimmt nur 200 Kubikzentimeter ein und wird wahrscheinlich weniger
als 500 Gramm wiegen. Das zeigt, wie sehr durch die Integration
Nutzlastgröße und -gewicht
verringert werden.
-
Eine
vereinfachte schematische Zeichnung der Konstruktionskonzeption
ist in 3 dargestellt. Der in 11 dargestellte
Antennenaufbau 26 wird auf photolithographischem Wege auf
einem isolierenden Substrat (Wafer) 28 mit einer Massenplatte 27 hergestellt.
Die Antenne 26 ist vom Typ einer doppelten gleichwinkligen
Spirale, die für
ihre große
Bandbreite und kreisförmige
Polarisation wohl bekannt ist. Dies sind wünschenswerte Eigenschaften,
da die Frequenz hoch ist und die Ausrichtung des Satelliten zur
Bodenstation nicht bekannt ist. In der Mitte der Antenne 26 befindet
sich ein lichtundurchlässiger
Abschnitt 96 aus InGaAs, der die zwei Spiralarme 98 verbindet.
Es sind auch Verbindungen zu den Kanten der Antenne 26 vorhanden
(die hier als konzentrierte Schaltungselemente 100 dargestellt
sind), als Vorspannungs- und Signaleingang.
-
Der
lichtundurchlässige
Abschnitt 96 aus InGaAs wird von einem (nicht abgebildeten)
Impulslaser von unten beleuchtet. Das gepulste Laserlicht passiert
eine Öffnung 31 in
einer Massenplatten-Metallisierung am Boden des Substrats 28 und
durch ein im Substrat 25 des integrierten Wafers 28 vorhandenes
Fenster 29. Dadurch wird der Widerstand des lichtundurchlässigen Abschnitts 96 mit
der Frequenz des gepulsten Lichts moduliert. Wird die Antenne 26 mit
einer Gleichstromspannung vorgespannt, so bewirkt dies, dass ein
Wechselstrom in der Antenne entsteht. Der Antennenaufbau, die Kantenbauteile und
der lichtundurchlässige
Abschnitt 96 können
so gewählt
werden, dass die Antenne 26 auf die Betriebsfrequenz abgestimmt
ist, wodurch der oszillierende Strom verstärkt wird. Dieser Strom regt
die Antenne 26 zur Ausstrahlung an.
-
Der
Impulslaser kann auf verschiedene Arten implementiert werden, aber
eines der vielversprechendsten Verfahren besteht darin, einen passiv phasengekoppelten
Halbleiter-Laser herzustellen. Diese Technik, die bereits demonstriert
wurde, erzeugt einen Laser, der Impulse emittiert, deren Frequenz
durch die optische Länge
des Hohlraums bestimmt wird. Bei der hier gegebenen Frequenz und den
gewählten
Materialien ist der Hohlraum ca. 0,75 mm lang, was gut innerhalb
der praktischen Herstellungsgrenzen liegt. In der integrierten Busleitung
wird der Laser auf einem Wafer unterhalb des Antennenwafers angebracht,
er hätte
jedoch optischen Zugang zum lichtundurchlässigen Abschnitt 96 aus
InGaAs.
-
Zwar
wurden vorstehend verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
gezeigt und beschrieben, die Erfindung soll jedoch nicht auf diese
beschränkt
sein. Der Fachmann erkennt vielleicht bestimmte Modifikationen an
diesen Ausführungsformen,
und diese Modifikationen sollen vom Umfang der anhängenden
Ansprüche
abgedeckt sein.