Desarrollo de sensores solares finos para aplicaciones satelitales
2025
| Tesista | Martha DÍAZ SALAZAR Ingeniería Automática, Universidad Tecnológica de La Habana, Cuba |
| Directar | Dra. Mariana Tamasi. CNEA, CONICET - Argentina |
| Lugar de realización | Departamento Energía Solar, Gerencia de Investigación y Aplicaciones, CNEA. - Argentina |
| Fecha Defensa | 16/12/2024 |
| Jurado | Dr. Mariano Gómez Berisso. CNEA - Argentina |
Título completo
Desarrollo de sensores solares finos para aplicaciones satelitales
Resumen
Los sensores solares de posición se utilizan en aplicaciones espaciales como parte del sistema de determinación y control de actitud de un satélite. Este trabajo de tesis aborda el diseño, fabricación y caracterización de sensores solares finos de posición para aplicaciones espaciales, utilizando la tecnología de microfabricación disponible en la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la experiencia adquirida en el Departamento Energía Solar (DES) en el desarrollo de sensores solares gruesos. Se enfoca en la necesidad de contar con dispositivos capaces de medir la posición del Sol con mayor precisión que los sensores solares gruesos previamente desarrollados en el DES de la CNEA.
El trabajo comenzó con el diseño de seis propuestas de sensores para medir la posición del Sol en uno y dos ejes. Estos diseños utilizan arreglos de fotodiodos integrados en un sustrato de silicio cristalino, junto con una ventana que limita y direcciona la luz incidente sobre el detector. Los diseños se evaluaron y compararon mediante simulaciones en términos de la linealidad de la respuesta, la sensibilidad y el campo de visión. Los resultados indicaron que los factores claves que influyen en la sensibilidad y el campo de visión del sensor son la altura de la ventana y el tamaño de la ventana o del fotodiodo, dependiendo de la configuración. Además, se concluyó que el sensor con detector de dos cuadrantes ofrece una mejor sensibilidad que la configuración de fotodiodo triangular y que para una mejor linealidad de la salida, se prefiere una ventana cuadrada. La mejor combinación de sensibilidad y simetría se obtiene con el diseño de dos cuadrantes con ventana circular. A partir de las simulaciones, se definieron los parámetros de fabricación, como la separación entre los fotodiodos, el tamaño de la ventana y el grosor del vidrio.
Durante la fabricación, se optimizaron diversas técnicas, logrando buenos resultados en la definición de las máscaras duras, con un espesor de SiO2 de 270 nm. Se elaboraron arreglos de fotodiodos formados por junturas localizadas n+/p/p+, utilizando procesos típicos de microfabricación como crecimientos de SiO2, difusión de dopantes, fotolitografías con alineación y depósitos de metales. Además, se definieron los pasos para la elaboración de la ventana metalizada y se desarrolló un soporte para facilitar la caracterización eléctrica de los sensores.
Los dispositivos elaborados fueron caracterizados mediante curvas características corriente-tensión, respuesta espectral y respuesta angular. Esta última fue comparada con las simulaciones realizadas, permitiendo determinar el error de alineación en el dispositivo. La validación del modelo propuesto, a partir del contraste entre los resultados simulados y experimentales, proporciona una herramienta clave para optimizar el desarrollo de sensores.
El resultado más significativo fue que los sensores fabricados de uno y dos ejes son capaces de determinar la posición del Sol con una precisión de 1° en un campo de visión de 50°, con una respuesta angular que se ajusta adecuadamente a las simulaciones. Con este resultado se mejoró la precisión de los sensores solares elaborados en el DES.
Finalmente, se realizó un ensayo de ambiente espacial en la línea EDRA del acelerador TANDAR de la CNEA. Se evaluó el daño por radiación producido por protones en los dispositivos, simulando una misión de 5 años en una órbita baja, observándose una degradación de hasta un 20% en condiciones extremas.
Este desarrollo contribuye al Plan Espacial Nacional, incrementando la oferta de productos disponibles para la industria espacial argentina y mejorando la capacidad tecnológica del país en el campo de los sensores solares para aplicaciones espaciales. Los resultados obtenidos proporcionan una base sólida para el desarrollo de sensores solares nacionales, con posibles mejoras en futuras versiones.
Complete Title
Development of fine sun sensors for space applications
Abstract
Sun sensors are used in space applications as part of a satellite's attitude determination and control system. This thesis addresses the design, fabrication, and characterization of fine sun sensors for space applications, utilizing the microfabrication technology available at the National Atomic Energy Commission (CNEA) and the expertise gained at the Solar Energy Department (DES) in the development of coarse sun sensors. It is based on the need for devices capable of measuring the Sun’s position with higher precision than the previously developed coarse sun sensors at DES of CNEA.
This work began with the design of six proposals for single and dual axis sun position sensors. These designs are based on a photodiode array detector and a window to limit and direct the light that reaches the detector. The designs were evaluated and compared through simulations in terms of response linearity, sensitivity, and field of view.
From the simulations performed, we concluded that for each design, the key factors that influence the sensitivity and field of view performance are the window height and window or photodiode size, depending on the sensor configuration. From the comparison across architectures, the detector configuration, as well as the window geometry, influences the sensitivity and linearity of the response under similar operating conditions. The two-quadrant detector configuration offers a better sensitivity than the triangular photodiode configuration and for better linearity of the output, a square window is preferred. The results indicated that the two-quadrant design with a circular window provided the best combination of sensitivity and symmetry. Based on the simulations, the fabrication parameters were defined, such as the separation between photodiodes, window size, and glass thickness.
During the fabrication process, it was optimized the techniques to obtain the hard mask, achieving satisfactory results in the definition of hard masks, with a SiO₂ thickness of 270 nm. Arrays of photodiodes were fabricated using localized n+/p/p+ junctions and typical microfabrication processes such as SiO₂ growth, dopant diffusion, aligned photolithography, and metal deposition. Additionally, the steps for fabricating the metalized window were established, and a support structure was developed to facilitate the electrical characterization of the sensors.
The fabricated devices were characterized through current-voltage curves, spectral responsivity, and angular response. The latter was compared with the simulations, allowing for the determination of alignment error in the device. The validation of the proposed model, through the comparison of simulated and experimental results, provides a key tool for optimizing sensor development.
The most significant result was that the fabricated one- and two-axis sensors were able to determine the Sun’s position with 1° accuracy within a 50° field of view, with an angular response that closely matched the simulations. This result improved the precision of the solar sensors previously developed at DES.
Finally, a space environment test was conducted on the EDRA line of the TANDAR accelerator at CNEA. Proton radiation damage to the devices was evaluated, simulating a 5-year mission in low Earth orbit, with up to 20% degradation observed under extreme conditions.
This development contributes to the National Space Plan by increasing the range of products available to the Argentine space industry and enhancing the country’s technological capacity in the field of solar sensors for space applications. The results provide a solid foundation for the development of national solar sensors, with potential improvements in future versions.
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