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Satellite-based exploration of the Earth’s magnetosphere Satellitengestützte Erforschung der Erdmagnetosphäre
2015/06/03
Advanced electronics developed for ultra-precise measurements of the Earth’s magnetosphere captures stunning early results
German versionUnterpremstaetten, Austria (3 June, 2015). The Full Service Foundry division of ams AG (SIX: AMS), a leading provider of high performance analog ICs and sensors, Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS and the Space Research Institute (Institut für Weltraumforschung, IWF) of the Austrian Academy of Sciences (Österreichische Akademie der Wissenschaften, OeAW) today presented the very promising results of its highly accurate measurements of the Earth’s magnetosphere from space.
As part of NASA’s „Magnetospheric Multiscale“ mission launched in March 2015, four identically equipped satellites are performing highly accurate three-dimensional measurements of the Earth’s magnetosphere. The ambitious goal of this mission is to explore the dynamics of the magnetosphere, measuring with extreme accuracy very small variations in the Earth’s magnetic field. The research effort spearheaded by the Space Research Institute (based in Graz, Austria) is focused on the so-called magnetic reconnection, which is a physical process in which the Earth’s magnetic energy is converted to kinetic energy, thermal energy, and particle acceleration. Magnetic reconnection is one of the mechanisms responsible for the aurora, as well as for temporary disturbances in the Earth's magnetosphere.
Like all measurement instruments and equipment in satellites, the Space Research Institute’s magnetometer has to be as small and light as possible, while consuming very little power. In addition, it must offer very high accuracy under harsh conditions such as very low temperatures and radiation.
Developed by the Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS in co-operation with the Space Research Institute, a tiny custom application specific integrated circuit (ASIC) enables the satellites’ digital flux-gate magnetometer (DFG) to acquire highly accurate three-dimensional measurements of the magnetosphere while drawing ultra-low current. The DFG sensor was supplied by the University of California, Los Angeles. Operating at a resolution of 10 picoTesla, which is several thousand times more sensitive than a conventional electronic compass, the device is able to sense the smallest variations in magnetic flux.
The Fraunhofer ASIC was fabricated by ams on its specialty 0.35µm CMOS (C35) process technology, which allows for the design of complex analog/mixed-signal integrated circuits. Based on a unique process architecture, the rad-hard C35 technology is very well suited for use in space and aerospace applications. The Fraunhofer and Space Research Institute design team also benefited from ams’ turnkey solutions for IC design, which include a comprehensive Process Development Kit (PDK) and IP block portfolio, advanced process technologies as well as product qualification services and supply chain management capabilities. These enable ams’ foundry customers to significantly mitigate their development risks and to reduce the
duration of the development cycle.
“The ams specialty 0.35µm CMOS process enabled the team of researchers and scientists at Fraunhofer IIS to develop a complex analog/mixed-signal integrated circuit that impressively outperformed our expectations in all respects – performance, power consumption, die area and reliability”, said Johann Hauer, project manager for ASIC Development at Fraunhofer IIS.
“After two months in space, we are very proud to confirm that the chip-based magnetometer significantly surpasses the requirements of accuracy and stability”, commented Werner Magnes, deputy director at the Graz Space Research Institute.
„During almost 25 years of co-operation with Fraunhofer IIS, ams has successfully developed a vast number of complex integrated circuits for both research as well as industrial programs. We are happy that integrated circuits manufactured by ams now operate reliably in outer space and contribute to a better understanding of the Earth’s physics”, stated Markus Wuchse, general manager of ams’s Full Service Foundry division.
About the Full Service Foundry division of ams
The Full Service Foundry division of ams has successfully positioned itself in the analog/mixed-signal foundry market. Its process technology portfolio includes 0.18µm and 0.35µm specialty technologies based on ams’s analog, mixed-signal, high-voltage and RF processes. With its ‘More than Silicon’ initiative, ams offers a comprehensive service and technology package that goes beyond industry-standard foundry services. It includes leading-edge technology extensions such as 3D ICs using Through Silicon Vias, color coating, back end process customization, WLCSP and many more. Superior support during the design phase, high-end tools and experienced engineers, silicon-proven high-performance analog IP blocks, assembly and test services for turnkey solutions complete the Full Service Foundry package.
About Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS
The Fraunhofer-Gesellschaft is the leading organization for applied research in Europe. Its research activities are conducted by 66 institutes and research units at locations throughout Germany. The Fraunhofer-Gesellschaft employs a staff of nearly 24,000, who work with an annual research budget totaling more than 2 billion euros.
The Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS is one of the world’s leading application-oriented research institutions for microelectronic and IT system solutions and services. It ranks first among all Fraunhofer Institutes. With the creation of mp3 and the co-development of AAC, Fraunhofer IIS has reached worldwide recognition. In close cooperation with partners and clients the Institute provides research and development services in the following areas: Audio & Multimedia, Imaging Systems, Energy Management, IC Design and Design Automation, Communication Systems, Positioning, Medical Technology, Sensor Systems, Safety and Security Technology, Supply Chain Management and Non-destructive Testing.
About 880 employees conduct contract research for industry, the service sector and public authorities. Founded in 1985 in Erlangen, Fraunhofer IIS has now 12 locations in 10 cities: Erlangen (headquaters), Nuremberg, Fürth, Dresden, further in Bamberg, Waischenfeld, Coburg, Würzburg, Ilmenau and Deggendorf. The budget of 120 million euros is mainly financed by projects. 23 percent of the budget is subsidized by federal and state funds.
About the Graz Space Research Institute
The Graz Space Research Institute (Institut für Weltraumforschung, IWF) of the Austrian Academy of Sciences (Österreichische Akademie der Wissenschaften, ÖAW) focuses on the physics and exploration of the solar system, covering the whole chain of research needed in its fields: from developing and building space-qualified instruments to analyzing and interpreting the data returned by these instruments. In terms of science, IWF concentrates on space plasma physics, on the upper atmospheres of solar system bodies and exoplanets, and on the Earth’s and the Moon’s gravity field.
Presently, IWF Graz is involved in fifteen international space missions, led by the European Space Agency (ESA), or by national space agencies in the US (NASA), Japan, Russia, and China. The missions cover fleets of satellites in near-Earth space, observation of the Sun, exploration of planets inside and outside our solar system, as well as orbiting and landing on comets.
More information: www.iwf.oeaw.ac.at
Follow IWF Graz on twitter: https://twitter.com/IWF_Graz
Unterpremstätten & Graz/Österreich, Erlangen/Deutschland (3. Juni 2015). Der Geschäftsbereich Full Service Foundry der ams AG (SIX: AMS), ein führender Entwickler und Hersteller von hochwertigen analogen ICs und Sensoren, das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS und das Institut für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ermöglichen mit einer neuartigen integrierten Schaltung erstmals die präzise dreidimensionale Vermessung des Erdmagnetfeldes.
Vier identisch bestückte Satelliten, die im Zuge der NASA Mission „Magnetospheric Multiscale“ (MMS) Mitte März in den Weltraum geschickt wurden, führen dreidimensionale Messungen der magnetischen Schutzhülle der Erde durch. Ziel der Mission ist es, die Dynamik des Erdmagnetfelds zu erforschen sowie kleinste Änderungen mit höchster Genauigkeit zu vermessen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen des Grazer Instituts für Weltraumforschung steht die so genannte magnetische Rekonnexion, bei der magnetische Energie in Teilchenenergie umgewandelt und explosionsartig freigesetzt wird, wodurch auf der Erde magnetische Stürme und Phänomene wie das Nordlicht entstehen.
Wichtig für den Einsatz von Messinstrumenten in Satelliten ist eine platz-, gewichts- und leistungssparende Elektronik. Darüber hinaus werden höchste Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und der Toleranz gegenüber radioaktiver Strahlung und Temperaturänderungen gestellt. Die kundenspezifische, integrierte Schaltung für hochempfindliche Magnetfeldmessung wurde vom Fraunhofer IIS gemeinsam mit dem IWF Graz für ein digitales Fluxgate-Magnetometer (DFG) entwickelt. Die University of California, Los Angeles, hat den Magnetfeldsensor gebaut. Das Messgerät erfasst kleinste Magnetfelder mit einer Auflösung von zehn Picotesla und ist damit mehrere tausend Mal empfindlicher als ein elektronischer Erdkompass.
Der für die Herstellung verwendete 0,35µm CMOS Spezialprozess von ams ermöglicht die Entwicklung von extrem effizienten und hochgenauen, integrierten Schaltungen. Durch seine Prozessarchitektur und Robustheit gegen Strahlung eignet sich der C35 Prozess besonders gut für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Ein umfangreiches Angebot an stromsparenden Schaltungsbauteilen und Bibliotheken, IP Blöcken und Sensorelementen reduziert Entwicklungszeit und -risiko maßgeblich und ermöglicht die Entwicklung von komplexen, analogen Schaltungen, die auf Anhieb funktionieren.
„Mit dem 0,35µm CMOS Prozess von ams war es unseren Wissenschaftlern am Fraunhofer IIS möglich, eine integrierte Auswerteschaltung zu entwickeln, die die Erwartungen unserer Projektpartner in jeder Hinsicht – Performance, Verlustleistung, Chipfläche, Zuverlässigkeit - erfüllen konnte“, sagt Johann Hauer, zuständiger Projektleiter für die ASIC-Integration am Fraunhofer IIS.
„Nach der ersten noch recht kurzen Testphase kann bereits bestätigt werden, dass das auf dem steirischen Chip basierende Magnetometer die wissenschaftlichen Anforderungen in puncto Auflösungsgenauigkeit und Stabilität sogar deutlich übertrifft“, sagt Werner Magnes, stellvertretender IWF-Direktor und verantwortlicher Wissenschaftler.
„Wir arbeiten seit beinahe 25 Jahren mit dem Fraunhofer IIS zusammen und konnten in dieser Zeit gemeinsam zahlreiche komplexe Schaltungen sowohl für den Forschungsbereich als auch für die Industrie realisieren. Es freut uns sehr, dass unsere ICs mit Hilfe des IWFs nun sogar das All erobern durften und wir so auch einen Beitrag zu einem besseren Verständnis über die Physik unsere Erde beitragen können“, betont Markus Wuchse, Leiter des Geschäftsbereichs Full Service Foundry von ams.
Über den Geschäftsbereich Full Service Foundry von ams
Der Geschäftsbereich Full Service Foundry von ams hat sich erfolgreich im Foundry-Markt für analoge und Mixed-Signal-ICs positioniert. Sein Portfolio an Halbleitertechnologien umfasst auch 0,18-µm- und 0,35-µm-Spezialtechnologien basierend auf den analogen, Mixed-Signal-, Hochvolt- und Hochfrequenz-Prozessen von ams. ams bietet mit seiner Initiative "More than Silicon" ein umfassendes Paket aus Technik und Dienstleistungen an, das die üblichen Foundry-Angebote der Branche weit übersteigt. Das Unternehmen bietet auch führende Technologien wie etwa 3D-ICs mittels Siliziumdurchkontaktierungen, Farbfilter, kundenspezifische Modifikation des Back-End-Prozesses, WLCSP und vieles mehr. Erstklassige Unterstützung während der Entwicklung, Hochleistungswerkzeuge und erfahrene Ingenieure, in Silizium bewährte analoge Hochleistungs-IP-Komponenten, Dienstleistungen beim Zusammenbau und Test für schlüsselfertige Lösungen komplettieren das Servicepaket der Full
Über Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die führende Organisation für angewandte Forschung in Europa. Unter ihrem Dach arbeiten 66 Institute und Forschungseinrichtungen an Standorten in ganz Deutschland. Knapp 24 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter erzielen das jährliche Forschungsvolumen von mehr als 2 Milliarden Euro. Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen ist eine weltweit führende anwendungsorientierte Forschungseinrichtung für mikroelektronische und informationstechnische Systemlösungen und Dienstleistungen. Es ist heute das größte Institut in der Fraunhofer-Gesellschaft. Unter anderem mit der maßgeblichen Beteiligung an der Entwicklung der Audiocodierverfahren mp3 und MPEG AAC ist das Fraunhofer IIS weltweit bekannt geworden.
In enger Kooperation mit den Auftraggebern betreiben die Wissenschaftler internationale Spitzenforschung in den Forschungsfeldern Audio & Multimedia, Bildsysteme, Energiemanagement, IC-Design und Entwurfsautomatisierung, Kommunikation, Lokalisierung, Medizintechnik, Sensorsysteme, Sicherheitstechnik, Versorgungsketten sowie Zerstörungsfreie Prüfung.
Rund 880 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in der Vertragsforschung für die Industrie, für Dienstleistungsunternehmen und öffentliche Einrichtungen. Das 1985 gegründete Institut hat 12 Standorte in 10 Städten: Erlangen (Hauptsitz), Nürnberg, Fürth und Dresden sowie in Bamberg, Waischenfeld, Coburg, Würzburg, Ilmenau und Deggendorf. Das Budget von 120 Millionen Euro pro Jahr wird bis auf eine Grundfinanzierung in Höhe von 23 Prozent aus der Auftragsforschung finanziert.
Über das ÖAW-Institut für Weltraumforschung
Das Grazer Institut für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) beschäftigt sich mit der Physik und der Erforschung des Sonnensystems. Mit über 80 Mitarbeiter(inne)n ist es das österreichische Weltrauminstitut par excellence. Die Arbeiten reichen von Entwicklung und Bau weltraumtauglicher Instrumente im Weltraum bis hin zur physikalischen Interpretation der Messungen mit diesen Instrumenten. Wissenschaftlich befasst sich das IWF vor allem mit der Weltraumplasmaphysik, mit der oberen Atmosphäre von Planeten und Exoplaneten und mit dem Schwerefeld von Erde und Mond.
Derzeit ist das IWF an 15 internationalen Weltraummissionen beteiligt, die von der Europäischen Weltraumorganisation ESA oder nationalen Weltraumagenturen in den USA (NASA), Japan, Russland und China geleitet werden. Die Missionen reichen von Satellitenflotten im erdnahen Weltraum über die Sonnenbeobachtung und Erforschung von Planeten inner- und außerhalb unseres Sonnensystems bis zur Landung auf Kometen.
Weitere Informationen: www.iwf.oeaw.ac.at
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