Изучение возможности дистанционного нарушения работоспособности электронных устройств

1. План работы

1.1. Разработка и изготовление несложных электронных устройств для использования в качестве подопытных объектов.
1.2. Проведение испытаний имеющихся генераторов магнитных, электрических и электромагнитных полей на подопытных объектах.
1.3. Разработка устройств для контроля параметров воздействующих полей.

2. Сведения о конструкции интегральных микросхем

В имеющихся в настоящее время электронных устройствах используются, как правило, интегральные микросхемы.

2.1. В основной массе разрабатываемых и изготавливаемых микросхем размеры элементов составляют ненамного менее 1 мкм – порядка 0.25 … 0.5 мкм.
2.2. Технологический процесс, как правило, металл – оксид – полупроводник (МОП).
2.3. Основные применяемые материалы – кремний (изредка – арсенид галлия), алюминий (изредка – медь).
2.4. Количество слоев металлизации, как правило, порядка пяти. Толщина слоев кремния порядка 1 мкм. Ширина алюминиевых дорожек порядка 1 мкм, толщина порядка 1 мкм. В каждом слое металлизации слой металла (алюминия) стараются сделать максимальным по площади.
2.5. При разработке топологии микросхемы избегают создания замкнутых петлевых токопроводящих контуров.
2.6. На входных цепях используется защита от статического электричества – либо защитные диоды, либо защитные схемы. Защита может выдерживать напряжения порядка 100 вольт.
2.7. В соответствии с размерами и параметрами элементов собственные резонансные частоты имеющихся контуров могут составлять сотни МГц - десятки ГГц.

Рис. 2.1. Структура интегральной микросхемы.

Ниже представлены фотографии кристаллов некоторых микросхем.

Наиболее перспективным способом деструкции микросхемы представляется электрический пробой оксидного слоя в МОП-структурах посредством генерации достаточной разности потенциалов в электронных цепях, расположенных внутри кристалла.

3. Схемы и конструкции подопытных объектов

3.1. Низкочастотный генератор на КМОП-микросхеме с автономным питанием и светодиодной индикацией работоспособности.

Рис. 3.1.1. Схема электрическая принципиальная НЧ-генератора на КМОП-микросхеме.

Рис. 3.1.2. Печатная плата НЧ-генератора на КМОП-микросхеме. Размер платы 35 х 25 мм².

Генератор выдает световые импульсы частотой примерно 1 Гц. Микросхема установлена на лицевой стороне печатной платы в панели. Токопроводящие проводники и элементы схемы размещены на обратной стороне печатной платы. Это обеспечивает удобство проведения экспериментов и возможность оперативной замены микросхемы в случае ее порчи. Собственный источник питания (аккумуляторная батарея) размещен на плате. Генератор может работать в процессе испытаний в автономном режиме или с подключением к внешнему источнику питания с одновременной подзарядкой аккумуляторной батареи.

4. Испытания различных источников импульсного и непрерывного сигнала

4.1. Емкостной накопитель энергии с импульсным соленоидом

Рис. 4.1.1. Емкостной накопитель энергии [5].

Параметры емкостного накопителя: максимальная запасаемая энергия примерно 1 кДж, максимальное выходное напряжение 500 В.

Рис. 4.1.2. Импульсный соленоид [4].

Параметры генерируемого импульсным соленоидом поля при работе с представленным выше емкостным накопителем:
Амплитуда магнитной индукции вблизи рабочей поверхности соленоида (на расстоянии 2 мм от центра) 2.6 Тл. Длительность магнитного импульса примерно 7 мс. Контроль производился с помощью импульсного тесламетра с датчиком Холла [1].

Рис. 4.1.3. Импульсный тесламетр.

Рис. 4.1.4. Измерительная катушка (диаметр каркаса 25 мм, высота каркаса 5 мм).

Измерительная катушка представляет собой каркас из немагнитного токонепроводящего материала (оргстекло), на который намотан медный провод диаметром примерно 0.12 мм и длиной 1 м.

Рис. 4.1.5. Схема измерения напряженности электрического поля.

Рис. 4.1.6. Схема испытаний.

При проведении испытаний корпус микросхемы подопытного объекта вплотную прижимался к рабочей поверхности соленоида. В соленоид подавался импульс тока от емкостного накопителя энергии. Работоспособность подопытного объекта нарушить не удалось.

Рис. 4.2.1. Высоковольтный источник постоянного напряжения [3].

Параметры высоковольтного источника постоянного напряжения: максимальное выходное напряжение до 10 кВ (в режиме искрового разряда 6 … 7 кВ), максимальный непрерывный ток короткого замыкания 2.5 мА. Измерение выходного напряжение производилось с помощью киловольтметра с диапазонами 10 и 20 кВ [2].

Рис. 4.2.2. Киловольтметр постоянного напряжения (диапазоны 10 и 20 кВ, внутреннее сопротивление 100 и 200 МОм).

Для увеличения выходной мощности в импульсном режиме разряда применялся дополнительный высоковольтный конденсатор собственной конструкции, для зарядки которого использовался вышеуказанный высоковольтный источник питания.

4.2.1. Высоковольтный конденсатор

Расчетная формула для емкости конденсатора: C = (e₀eS)/d, где S - площадь обкладки, d - толщина изолирующей прокладки, e - относительная диэлектрическая проницаемость материала прокладки, e₀ ≈ 8.85 ∙ 10^-12 Ф/м - электрическая постоянная.

Наиболее доступными материалами для изготовления высоковольтного конденсатора являются алюминиевая фольга в качестве обкладок и полиэтиленовая пленка в качестве межобкладочной изоляции. С учетом изложенного был изготовлен конденсатор с обкладками из алюминиевой фольги толщиной 50 мкм и полиэтиленовой изоляцией толщиной 0.15 мм (рабочее напряжение 6 кВ) емкостью около 0.1 мкФ.

Рис. 4.2.1.1. Высоковольтный конденсатор (емкость 0.1 мкФ, рабочее напряжение 6 кВ, габаритные размеры 240 х 150 х 6 мм³).

Энергия E, запасаемая в конденсаторе емкостью C, заряженного до напряжения U, определяется формулой:

Запасаемая конденсатором емкостью C = 0.1 мкФ при напряжении заряда U = 6000 В энергия E составляет 1.8 Дж.

Рис. 4.2.2.1. Конструкция искрового разрядника.

Рис. 4.2.2.2. Конструкция контрольной катушки.

Рис. 4.2.2.3. Схема контроля напряженности электрического поля.

Рис. 4.2.2.4. Схема испытаний.

При проведении испытаний корпус микросхемы подопытного объекта прижимался к обратной стороне платы разрядника через изолирующую прокладку из полиэтилена толщиной около 1 мм. Разряд происходил самопроизвольно при достижении напряжения на обкладках накопительного конденсатора C1 равному напряжению пробоя воздушного промежутка (примерно 6 кВ). Работоспособность подопытного объекта нарушить не удалось.

Рис. 4.2.3.1. Конструкция катушки с разрядниками.

Рис. 4.2.3.2. Схема контроля напряженности электрического поля.

Емкость накопительного конденсатора C1 около 0.1 мкФ, максимальное напряжение заряда примерно 6 кВ. В момент разряда амплитуда напряжения на выводах контрольной катушки составила около 20 В. Колебания синусоидальные частотой около 0.5 МГц с затухающей амплитудой.

Рис. 4.2.3.3. Схема испытаний.

При проведении испытаний корпус микросхемы подопытного объекта прижимался к обратной стороне монтажной платы в месте, где расположена катушка. Разряд происходил самопроизвольно при достижении напряжения на обкладках накопительного конденсатора C1 равному суммарному напряжению пробоя воздушных промежутков (примерно 6 кВ). Работоспособность подопытного объекта нарушить не удалось.

Напряженность вихревого электрического поля, генерируемого катушкой, на порядок превосходит напряженность поля, генерируемого искровым разрядом при одинаковой энергии накопителя.

4.3. СВЧ-печь

Параметры сигнала: мощность 900 Вт, длительность воздействия 0.5 … 1 минута. При размещении подопытного объекта в СВЧ-печи без поглотителей энергии на его поверхности возникает дуговой разряд. Это не позволяет понять причину повреждения – тепловое воздействие или электрический пробой. Поэтому подопытный объект устанавливался в защитное приспособление, играющее роль поглотителя энергии. Вся конструкция помещалась в СВЧ-печь.

4.3.1. В качестве защитного приспособления использованы два стеклянных сосуда, вставленных один в другой. Между стенками налита вода. Толщина водного слоя примерно 2 см. Во внутренний сосуд помещается подопытный объект. При мощности воздействия 900 Вт и длительности воздействия около 1 минуты вода нагревается почти до кипения, подопытный объект работает нормально.

4.3.2. В качестве защитного приспособления использована поролоновая губка, пропитанная водой. При мощности воздействия 900 Вт и времени воздействия около 0.5 минуты сгорела микросхема и светодиод подопытного объекта. Дуговой разряд не наблюдался.

5. Выводы

Для повреждения электронных цепей необходимо наличие электрической составляющей поля (электрической напряженности и наводимой разности потенциалов) достаточной величины. Конструкция генератора поля не играет роли, с энергетической точки зрения более выгодными являются импульсные генераторы электрического, магнитного или электромагнитного поля, создающие в зоне воздействия вихревое электрическое поле с  требуемой напряженностью. Можно использовать, в частности, магнитовзрывные генераторы [6 - 9]. Менее экзотическим путем для решения задачи будет применение импульсного генератора высокочастотного электромагнитного поля с направленным излучением. Частота генератора должна находиться в полосе пропускания окружающего электронную схему материала и, желательно, совпадать с резонансными частотами имеющихся в электронной схеме контуров. Воздействующее поле может быть либо в форме одиночного импульса, либо в форме серии импульсов. Так как интегральные микросхемы обладают свойством постепенного накопления дефектов вплоть до полной потери работоспособности, от генератора серии импульсов поля может потребоваться меньшая мгновенная мощность, нежели от генератора одиночных импульсов поля.

Ссылки:

1. Аналоговый импульсный тесламетр с датчиком Холла типа ПХЭ для измерения индукции магнитного поля
2. Аналоговый киловольтметр постоянного напряжения с диапазонами измерения 10 и 20 кВ
3. Высоковольтный преобразователь напряжения ~220/=10000 В
4. Генератор магнитных импульсов для неинвазивной стимуляции сердечной и мышечной деятельности посредством индуцированного электрического поля
5. Генератор мощных импульсов тока (емкостной накопитель энергии)
6. Карасик В. Р. Физика и техника сильных магнитных полей. - Издательство "Наука", Москва, 1964.
7. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. Методы генерации и физические эффекты, связанные с созданием импульсных полей мегаэрстедного диапазона: Пер. с англ. - Издательство "Мир", Москва, 1972.
8. Лагутин А. С., Ожогин В. И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 192 с. - ISBN 5-283-03910-2.
9. Паркинсон Д., Малхолл Б. Получение сильных магнитных полей: Пер. с англ. - М.: Атомиздат, 1971 г.
10. Физические величины: Справочник / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; Под. ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. – М.; Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.

Словарь терминов:

• Вольтметр - прибор для измерения электрического напряжения.
• Интегральная микросхема - микроэлектронное изделие, имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и предназначенное для обработки и преобразования сигналов.
• Магнитная индукция - вектор, численно равный пределу отношения силы, действующей со стороны магнитного поля на элемент проводника с электрическим током, к произведению тока и длины элемента проводника, если длина этого элемента стремится к нулю, а элемент так расположен в поле, что этот предел имеет наибольшее значение, и направленный перпендикулярно к направлению элемента проводника и к направлению силы, действующей на этот элемент со стороны магнитного поля, причем из его конца вращение по кратчайшему расстоянию от направления силы к направлению тока в элементе проводника должно быть видно происходящим против часовой стрелки.
• Напряженность электрического поля - сила, действующая со стороны электрического поля на единичный положительный точечный электрический заряд.
• Соленоид (от греч. solen - трубка и eidos - вид) – осесимметричная катушка индуктивности.
• Тесламетр (гауссметр) - прибор для измерения магнитной индукции.

15.01.2010

Альтернативные источники энергии
Компьютеры и Интернет
Магнитные поля
Механотронные системы
Перспективные разработки
Электроника и технология

Главная страница