基于SiP技術(shù)的單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器

吳迪，陳紓，陳龍江，葉志龍，鄭循江

（1. 上海市空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109；2. 上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引 言

隨著深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，火星探測(cè)已成為21世紀(jì)深空探測(cè)的重要內(nèi)容之一。光電敏感器如星敏感器、太陽(yáng)敏感器是航天器必備測(cè)量傳感器。傳感器的質(zhì)量、性能對(duì)整個(gè)任務(wù)的順利完成至關(guān)重要。

數(shù)字式太陽(yáng)敏感器可為空間飛行器在給定視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行太陽(yáng)有無(wú)判斷，也可用來(lái)為其它光學(xué)敏感器（如星敏感器、紫外敏感器、紅外地球敏感器等）的視場(chǎng)提供監(jiān)護(hù)。此外，它還能用于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡一類的有效載荷與太陽(yáng)帆板的精確定向控制，星敏感器與紅外地平儀太陽(yáng)入射光線的保護(hù)控制，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)和時(shí)標(biāo)信號(hào)，確定空間飛行器在自旋過(guò)程中的相位基準(zhǔn)，測(cè)定飛行器的自旋轉(zhuǎn)速和角度等姿態(tài)數(shù)據(jù)，確保深空探測(cè)任務(wù)的安全。

為了滿足航天器使用要求，需提高衛(wèi)星平臺(tái)關(guān)鍵測(cè)量單機(jī)的性能。我國(guó)目前衛(wèi)星研制電子元器件依賴于國(guó)外進(jìn)口的一般等級(jí)的軍級(jí)產(chǎn)品達(dá)不到整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命、高可靠的要求。單片數(shù)字式太陽(yáng)敏感器采用多芯片系統(tǒng)封裝集成SiP技術(shù)。SiP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)已有芯片進(jìn)行封裝集成，通過(guò)疊層的封裝，改變了傳統(tǒng)基于印制板的電路設(shè)計(jì)模式，使系統(tǒng)更緊湊、性能更好。通過(guò)這種技術(shù)可以設(shè)計(jì)出國(guó)產(chǎn)的SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器，極大地提高系統(tǒng)的可靠性，減少成本。在航天器上可以比較大規(guī)模地使用SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器，改變現(xiàn)有的航天器姿態(tài)的測(cè)量模式，使航天器具有高可靠性、高精度、高速、高機(jī)動(dòng)的性能，從而在空間環(huán)境中具有極好的適應(yīng)性和生存能力。

1 技術(shù)指標(biāo)

1）視場(chǎng)：64° ± 2°（圓錐形視場(chǎng)）；

2）精度：60″（3σ）；

3）功耗：≤1 W；

4）重量：≤0.15 kg；

5）數(shù)據(jù)更新率：≥30 Hz；

6）供電：4.75～2.25 V

7）數(shù)據(jù)輸出接口：RS422 LVDS

8）設(shè)計(jì)壽命：8～15年（MEO/HEO軌道）；

9）工作溫度：–30～60 ℃；

10）在軌存儲(chǔ)溫度：–30～60 ℃。

2 組成與工作原理

2.1 組 成

圖1為SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器的組成示意圖。該產(chǎn)品有外殼體、SoC處理芯片、信號(hào)處理板、定制APS探測(cè)器[1-5]、溫度傳感器、基準(zhǔn)棱鏡、RS422及LVDS接口組成。

圖1 SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器的組成Fig. 1 Components of the SiP digital sun sensor

1）光學(xué)系統(tǒng)

通過(guò)小孔成像原理（如圖2），將太陽(yáng)光線矢量成像在SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器APS探測(cè)器光敏面上。

圖2 小孔成像原理Fig. 2 The pinhole imaging principle

2）結(jié)構(gòu)組件

采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支撐光學(xué)系統(tǒng)及電路板、處理芯片的骨架，結(jié)構(gòu)主要分為殼體以及底蓋部分。

3）電子學(xué)模塊

電子學(xué)模塊主要用來(lái)完成圖像采集，信息處理和對(duì)外接口電路等功能。

4）軟件模塊

配合電子學(xué)模塊，將探測(cè)器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，傳給SoC處理芯片，SoC處理芯片通過(guò)其軟件將光斑計(jì)算出相應(yīng)的灰度質(zhì)心，并把質(zhì)心坐標(biāo)通過(guò)RS422或者LVDS接口傳出數(shù)字式太陽(yáng)敏感器，供姿軌控分系統(tǒng)使用。

2.2 工作原理

SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器工作原理，如圖3、圖4所示。太陽(yáng)光線矢量通過(guò)濾光片在探測(cè)器上進(jìn)行成像，成像后通過(guò)探測(cè)器電路進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，提供給SoC處理芯片。SoC處理芯片將圖像進(jìn)行分析，求出光斑的灰度質(zhì)心坐標(biāo)。光斑灰度質(zhì)心坐標(biāo)輸出至上級(jí)系統(tǒng)。

上級(jí)系統(tǒng)可通過(guò)RS422對(duì)SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器進(jìn)行曝光時(shí)間及曝光閾值的控制?？赏ㄟ^(guò)LVDS接口將太陽(yáng)光斑進(jìn)行拍攝并下傳。

圖3 Sip單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器原理框圖Fig. 3 Principle chart of Sip digital Sun sensors

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）視場(chǎng)的確定

基于數(shù)字太陽(yáng)敏感器的用途，其視場(chǎng)一般有兩種，即矩形視場(chǎng)和圓形視場(chǎng)。驗(yàn)證樣機(jī)的視場(chǎng)為圓形，視場(chǎng)范圍為64° ± 2°（圓錐形視場(chǎng)）。

2）焦距的確定

由于驗(yàn)證樣機(jī)所采用的光電探測(cè)器為類似于APS型通用CMOS APS探測(cè)器的定制APS探測(cè)器，由其性能參數(shù)可知，像元大?。?5 μm × 15 μm，總像素?cái)?shù)：1 024 × 1 024，對(duì)應(yīng)的有效芯片尺寸為15.3 mm × 15.3 mm，視場(chǎng)半高為7.65 mm。

為保證整機(jī)的視場(chǎng)達(dá)到64° ± 2°，并使視場(chǎng)邊緣不會(huì)出現(xiàn)漸暈，光線引入器的半視場(chǎng)角為64°。估算焦距近似為f = 1.73 mm，經(jīng)實(shí)際光線追跡仿真得到，半高為7.65 mm時(shí)，整機(jī)光線引入器系統(tǒng)的焦距為1.4 mm，此時(shí)整體視場(chǎng)為132°，半視場(chǎng)滿足66°。

3）濾光片

太陽(yáng)敏感器的工作原理是針對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行小孔成像，而由于太陽(yáng)光強(qiáng)度太大，需進(jìn)行濾光、衰減。

本項(xiàng)目驗(yàn)證樣機(jī)所研制的濾波片，由藍(lán)寶石基片、濾光層、阻光層3個(gè)疊層結(jié)構(gòu)組成，中心為微型濾光孔，濾光層將高強(qiáng)度的太陽(yáng)光衰減到滿足定制探測(cè)器工作照度閾值要求的強(qiáng)度，微型濾光孔將光闌口徑的光束，同比例、均勻地縮小為探測(cè)器成像及質(zhì)心定位算法所需的光斑大小及像素個(gè)數(shù)，以提供探測(cè)器進(jìn)行精確光電轉(zhuǎn)換所需的微型均勻光斑，形成的濾光片方案如圖5所示。

濾光片有濾光層和阻光層兩個(gè)膜層，要求采用具有良好溫度適應(yīng)性和良好空間抗輻照性能的多層介質(zhì)膜系；工作溫度范圍為–50～+100 ℃，膜層結(jié)構(gòu)形變 ＜5%，透過(guò)率變化 ＜ 1%；兩個(gè)膜層中金屬膜抗輻照性能指標(biāo)要求 ＞ 180 Krad（Si）；對(duì)兩個(gè)膜層的光譜透過(guò)率有具體數(shù)值要求，在滿足上述視場(chǎng)、工作溫度及輻照指標(biāo)要求下：

濾光層的光譜范圍為：400～1 100 nm，中心波長(zhǎng)為620 nm，透過(guò)率中心值和平均值為（2.5 ± 0.01）‰（千分之二點(diǎn)五，定值），正入射和掠入射（65°入射角）透過(guò)率相對(duì)差值 ＜ 10% （百分之十），膜層厚度 ≤300 nm。

阻光層的光譜范圍：200～1 400 nm，中心波長(zhǎng)為620 nm，透過(guò)率中心值和平均值 ≤ 1‰（小于等于千分之一），膜層厚度 ≤ 300 nm。

阻光層有防反射要求：要求綜合反射率小于1%。濾光片實(shí)物如下圖6所示。

圖6 濾光片實(shí)物Fig. 6 Filters

采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行光學(xué)分析，以0.85個(gè)太陽(yáng)常數(shù)的400～1 100 nm入射光為目標(biāo)光束，剩余反射率取4%，追跡光線數(shù)目為40萬(wàn)條，進(jìn)行光線追跡模擬。分析的對(duì)象包括單孔視場(chǎng)光闌和單孔濾光片，在充分利用空間尺寸情況下設(shè)計(jì)出數(shù)太光電探頭的成像系統(tǒng)模型，并對(duì)該光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)仿真。

數(shù)字式太陽(yáng)敏感器的濾光片的光學(xué)仿真效果如圖7所示。

圖7 數(shù)字太陽(yáng)敏濾光片光學(xué)仿真Fig. 7 Optics simulation of the digital sensor filter

在光強(qiáng)為0.7個(gè)太陽(yáng)常數(shù)、入射角為66.7°的雜散光入射時(shí)，其平均消光系數(shù)為0.057 ＜ 0.1，滿是數(shù)字式太陽(yáng)敏感器中軟件算法的閾值要求，剩余反射率取1%～4%，追跡光線數(shù)目為50萬(wàn)條，進(jìn)行光線追跡模擬。

可知該濾光片所設(shè)置的波段、透過(guò)率、材料所形成的太陽(yáng)光斑能滿足光強(qiáng)分布輸入要求，且雜散光保護(hù)角可到66.7°（圓錐），滿足視場(chǎng)為64°圓錐視場(chǎng)的要求。

4 電子學(xué)設(shè)計(jì)

如圖8所示，SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器設(shè)計(jì)了SoC芯片 + 定制APS探測(cè)器的架構(gòu)。其中，SoC芯片作為主處理器，完成對(duì)APS探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)、信息處理、太陽(yáng)光斑灰度質(zhì)心計(jì)算、接口控制。SoC芯片為定制生產(chǎn)的SoC803A芯片。

1）SOC的設(shè)計(jì)指標(biāo)

（1）工作電壓：3.3 V，接口兼容5V（2）工作溫度：（–55～+125）℃

（3）功耗：＜ 0.5 W（40 MHZ），＜ 1 W（100 MHZ），＜ 100 μW（待機(jī)）

（4）重量：＜ 10 g

（5）TID：300 Krad（Si）

（6）SEL：120 MeVcm/mg；SEU ＜ 1E-6/d（7）封裝：軍用陶瓷封裝（8）工藝：軍用0.25 μm（9）標(biāo)準(zhǔn)：GJB2438-95、GJB597A-96

圖8 SIP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器電子學(xué)框圖Fig. 8 Electronic chart of SiP digital sun sensor

2）定制APS探測(cè)器

結(jié)合濾光片、精密構(gòu)型陶瓷管座、陶瓷臺(tái)階，以高精度、高可靠的精密裝調(diào)技術(shù)，形成如圖9所示的定制APS探測(cè)器。

5 樣機(jī)研制情況

如圖11所示，完成了SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器的研制。經(jīng)過(guò)初步標(biāo)定測(cè)試，拍圖測(cè)試分析，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均可達(dá)到要求。

圖9 帶濾光片的SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器探測(cè)器實(shí)物圖Fig. 9 SiP digital sun sensor with filter

圖10 SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器Fig. 10 SiP digital Sun sensor

如圖11所示的采點(diǎn)方式，對(duì)整個(gè)探測(cè)器幅面進(jìn)行標(biāo)定采點(diǎn)，計(jì)算該產(chǎn)品的焦距及主點(diǎn)。

對(duì)濾光片的安裝及膜層進(jìn)行外場(chǎng)測(cè)試，如圖12所示。由圖12可看出整個(gè)濾光片膜層均勻可靠，濾光片安裝沒(méi)有出現(xiàn)透光縫隙，滿足使用要求。圖12（a）是全幅面的拍攝結(jié)果，可知整個(gè)幅面除小孔以外均是黑暗的，滿足設(shè)計(jì)要求。圖12（b）是左圖放大的小孔成像光斑。

圖11 SIP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器標(biāo)定數(shù)據(jù)圖Fig. 11 Calibration chart of SiP digital Sun sensor

圖12 外場(chǎng)實(shí)際太陽(yáng)拍攝圖像Fig. 12 Sun image

6 結(jié) 論

本文主要設(shè)計(jì)了一種SiP單片集成數(shù)字式太陽(yáng)敏感器，并介紹了該產(chǎn)品的原理、濾光片的設(shè)計(jì)及電子學(xué)的設(shè)計(jì)方法，完成了原理樣機(jī)的研制。對(duì)整機(jī)進(jìn)行標(biāo)定、測(cè)試并在外場(chǎng)進(jìn)行太陽(yáng)光斑的拍圖測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明所提出方法可行，可滿足火星探測(cè)、深空探測(cè)的使用需求。

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