關(guān)于太空粒子對元器件性能影響研究分析

不久前獵戶座飛船的試飛，是人類發(fā)射突破近地軌道 (LEO) 載人飛船的再一次嘗試，也是自1974年阿波羅計劃以來第一艘成功飛離地球的載人飛船。雖然太空探索技術(shù)在那之后已經(jīng)有了突飛猛進(jìn)，然而探險家和太空裝置所面臨的危險并沒有任何改變。輻射、極端溫度波動以及升空時的劇烈振動，這些只是工程師在為惡劣的外太空環(huán)境設(shè)計電子產(chǎn)品時必須考慮的其中一些因素。

圖2:美國宇航局立方星計劃用微型衛(wèi)星 (來源: Wikipedia)

如果你認(rèn)為航天器這類高大上的技術(shù)只有高級工程師才能做到，那你就大錯特錯了。在今天，你不需要擁有像NASA那樣雄厚的財力支持就可以登上太空，至少近太空是沒問題的。很多創(chuàng)客都對新興的業(yè)余太空探索活動表現(xiàn)出了極大的興趣?，F(xiàn)在的科學(xué)實驗往往都與氣象衛(wèi)星有著千絲萬縷的關(guān)系，為此美國宇航局設(shè)立了一項立方體衛(wèi)星發(fā)射活動，如果你夠幸運，還可以獲得發(fā)射一顆微型衛(wèi)星的機會。不管你的預(yù)算如何，太空運行環(huán)境對于電子產(chǎn)品來說都是一次嚴(yán)苛的考驗。在設(shè)計太空電子產(chǎn)品時，必須要牢記各種設(shè)計技術(shù)與工程原理。在進(jìn)行詳細(xì)討論之前，我們首先來了解下在外太空運行電子產(chǎn)品會遇到的各種難題。

運行環(huán)境分析

圖3:太空中輻射和高能粒子的產(chǎn)生 (來源: Wikipedia)

地球磁場形成了一個防護(hù)盾，能防止高能粒子（質(zhì)子、電子和重離子）和輻射對人類造成傷害。這些粒子有的來源于太陽系，有的是在太陽粒子事件(SPE) 中由太陽爆發(fā)釋放出來。在離開地球安全范圍以后，這些粒子對敏感型電子產(chǎn)品的影響也會越來越大。高能粒子通過多種方式對電子產(chǎn)品造成影響，有人專門就此進(jìn)行了歸納總結(jié)：

·單粒子瞬變：高能粒子會對特別敏感的元件產(chǎn)生影響，進(jìn)而產(chǎn)生瞬態(tài)電流或電壓峰值。

·單粒子閂鎖：粒子攻擊會導(dǎo)致集成電路元件間發(fā)生電線短路，造成電氣故障，但重啟受影響的系統(tǒng)便可恢復(fù)。

·單粒子燒毀：損壞受影響器件的閂鎖事件。

·單粒子翻轉(zhuǎn)：內(nèi)部積累的電荷引起存儲器或邏輯器件發(fā)生“位翻轉(zhuǎn)”（詳情見下文）。

·位移損傷：高能粒子碰撞對芯片結(jié)構(gòu)的累積影響。

·總劑量效應(yīng)：絕緣體和氧化物中隨時間推移積累的正電荷會導(dǎo)致電路故障。

所以說，不同的粒子事件可能會引起各種能從根本上改變元件工作特性的問題。而電路中形成的雜散電流（即“迷流”）會導(dǎo)致不正確的電路操作。更糟糕的是，引入過度的能量將會損壞芯片。如果積累了足夠的電荷，處理器或存儲器中的位就會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而損壞數(shù)據(jù)。而如果損壞的數(shù)據(jù)對于控制導(dǎo)航或引擎控制等關(guān)鍵子系統(tǒng)很重要，就有可能損失整個飛船。

輻射只是其中一個方面，還需要考慮在極短的時間內(nèi)發(fā)生的極端溫度變化（根據(jù)飛船航行方向和與太陽距離的不同，溫度會從零下幾百度突然變化到零上幾百度，走向另一個極端）。如果處理不當(dāng)，最理想的情況是由熱應(yīng)力導(dǎo)致不可預(yù)知的電路行為，最糟糕時還會帶來災(zāi)難性故障。航空電子還必須能夠應(yīng)對在飛船駛離大氣層之前遇到的各種問題。對于不是針對極端壓力情況而設(shè)的元件和連接器，會因為火箭助推發(fā)射時的劇烈振動而被損壞。

設(shè)計堅固元件的必要性

在設(shè)計能夠在外太空可靠運行的電子元件時，需要采用各種獨特的設(shè)計技術(shù)來應(yīng)對輻射和極端溫度條件。在芯片級，對各元件進(jìn)行一些基本的修改便可以提供更好的靈活性。冗余也是一種常用的設(shè)計技術(shù)，即在設(shè)計時用到額外和/或冗余的元件、電路或整個系統(tǒng)。最后，為保護(hù)機載電子產(chǎn)品，還需要考慮到操作注意事項。

下面我們來進(jìn)一步了解一下每類設(shè)計技術(shù)：

芯片（元件）級設(shè)計要點：元件選擇是太空系統(tǒng)設(shè)計中的重要一步，需要考慮到元件設(shè)計和制造技術(shù)之間的諸多差異：

·“抗輻射加固”是指重新設(shè)計電子元件（通常是半導(dǎo)體類元件）使之能更好的適應(yīng)高能粒子環(huán)境而采用的各種設(shè)計與制造技術(shù)。通常的作法是將半導(dǎo)體硅襯底替換為“硅絕緣體” (SOI) 襯底或藍(lán)寶石襯底（藍(lán)寶石上硅，SOS）。如果有一個元件被高能粒子擊中，替代襯底能夠有效的減少雜散電流向其臨近元件擴散。

在這里隨便提一下你可能并不知道的太空半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計技巧：

·在某些應(yīng)用中，雙極結(jié)型晶體管的抗輻射能力優(yōu)于CMOS電路。

·用靜態(tài)RAM取代動態(tài)隨機存取存儲器 (DRAM)的這種設(shè)計權(quán)衡很常見，雖然SRAM在成本和實際布局（單位面積存儲空間更小）方面都不是很理想，但勝在它的耐性更強。

堅固耐用的冗余系統(tǒng)：選擇好能夠滿足運行要求的堅固元件后，下一個關(guān)鍵步驟就是確保系統(tǒng)整體架構(gòu)合理，并且元件之間的接口也與元件本身的設(shè)計一樣完美。

·選擇合適的材料是提高內(nèi)部系統(tǒng)抗輻射性的關(guān)鍵。雖然銅、鋁屏蔽材料抵抗能量較高的宇宙射線的效果不是很好，但卻可以用來保護(hù)飛船電路免于某些粒子的攻擊。另外，也可以選用鉛屏蔽材料。

·Hamming距離函數(shù)和奇偶校驗位可用于存儲器錯誤檢測和校正。Hamming函數(shù)為軟件解決方案，會增加處理開銷。

·三模冗余 (TMR) 等模塊化冗余技術(shù)是一種拓?fù)湓O(shè)計，這種技術(shù)采用相同電路的冗余副本來處理相同的數(shù)據(jù)輸入，然后將輸出傳送到“擇多門”進(jìn)行比較，并決定要傳遞到系統(tǒng)下游的正確方案。這種方法全部采用硬件操作，從速度上來說完勝Hamming 方案。美國某已報廢航天飛機的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) (DPS) 運用了5個冗余備份系統(tǒng)，其中有一個系統(tǒng)采用的軟件是專門針對故障安全而獨立開發(fā)的。而看門狗定時器被稱為另一種檢測和恢復(fù)計算機故障的設(shè)計技術(shù)。看門狗定時器采用遞減計數(shù)方式，而且主處理器會在計數(shù)到零之前將其復(fù)位。如果主計算機發(fā)生故障的同時看門狗定時器也計數(shù)到零，這種情況下看門狗會生成一個復(fù)位信號來重啟主處理器，并讓處理器在恢復(fù)正常操作之前處于安全模式。

·機電系統(tǒng)也是宇宙飛船上不可或缺的一部分，它所面臨的難題是需要在進(jìn)入寒冷的外太陽系前能夠應(yīng)對內(nèi)太陽系的高溫環(huán)境。溫度傳感器在搭配百葉窗這類機械系統(tǒng)后，能夠很好的調(diào)節(jié)飛船的內(nèi)部溫度。

·我們已經(jīng)就半導(dǎo)體設(shè)計進(jìn)行了大篇幅的討論，當(dāng)然也不能忽略了航天電子產(chǎn)品容易出現(xiàn)問題的另一個地方：子系統(tǒng)之間的接口。系統(tǒng)之間的連接器和電纜連接器必須足夠的堅固，這樣才確保飛船能夠成功發(fā)射，甚至返回。

·當(dāng)然還要考慮太空站的維護(hù)問題?？紤]周詳?shù)脑O(shè)計對于太空操作至關(guān)重要，只是這將是一個非常艱辛的過程。還記得阿波羅13號中的圓形和方形二氧化碳過濾裝置嗎？在三名宇航員安全轉(zhuǎn)移到登月艙后問題出現(xiàn)了，登月艙原本設(shè)計為供兩名宇航員使用36小時，可現(xiàn)在卻有三名宇航員要靠它存活96小時。為挽救宇航員的生命，休斯頓的工程師們在已廢棄的奧德賽指令艙中迅速拼裝出了一個能與方形盒子對接的過濾管道，成功解決了二氧化碳吸收問題。

圖4:宇航員JohnSwigert對右手邊的方形過濾盒子進(jìn)行改造，通過拼裝出的管道與登月艙中的圓形盒子對接，用到的就是宇航服內(nèi)的軟管。(來源: Mouser)

我們都知道一致且簡單的設(shè)計不僅可以降低成本，還能挽救生命。大多數(shù)工程師都會將簡單高效美觀的設(shè)計定義為“精巧”。Phoenix Contact的SUNCLIX光伏連接器雖然是為地球號太空船而設(shè)的，但因為不需要組裝工具，因此在很多場合也都被認(rèn)定為“精巧的設(shè)計”。如果說堅固耐用的冗余系統(tǒng)是一種工程方法論，那么精巧的設(shè)計就是經(jīng)驗、天賦和創(chuàng)造性融為一體的產(chǎn)物。

圖5:Phoenix Contact的SUNCLIX光伏連接器展現(xiàn)出了精巧的設(shè)計工藝 (來源: Mouser)

運行過程：在飛船和相關(guān)子系統(tǒng)運行中采用一些有效的方法也能減少影響：

·軌道的選擇很重要，因為某些軌道上分布的高能粒子較少。CubeSat這類宇宙飛船所運行的軌道都非常安全，因此可以使用商業(yè)現(xiàn)貨(COTS) 元件（無需輻射加強工藝）。

·在進(jìn)入高輻射太空區(qū)域之前對所有系統(tǒng)斷電（當(dāng)然最關(guān)鍵的系統(tǒng)除外），是保護(hù)機載系統(tǒng)所常用的方法。

Beyond the Final Frontier逾越最后一道屏障

對于電子元件來說，太空并不是唯一的惡劣環(huán)境。在地球上，我們就可以發(fā)現(xiàn)無數(shù)種惡劣的運行環(huán)境，比如：

·極地地區(qū)：超低溫

·沙漠/雨林地帶：高溫或非常潮濕的環(huán)境

·深海：高壓、低溫

·工業(yè)：化學(xué)腐蝕環(huán)境

·醫(yī)療：人體內(nèi)環(huán)境

每種環(huán)境都有著其獨特的運行問題。對于系統(tǒng)工程師來說，熟悉運行環(huán)境是制定有效設(shè)計決策、在設(shè)計初期考慮到所有可能的環(huán)境狀況的關(guān)鍵。當(dāng)然如果你認(rèn)為能設(shè)計出一個可以適應(yīng)任何工作情況的解決方案，可能就有點異想天開了。

飛船登陸后的設(shè)計問題就更加復(fù)雜了，航天器的使命不同，它的維護(hù)操作也會有不同的限制。工程師必須采用大量的技術(shù)確保系統(tǒng)可以處理可能會遇到的故障，這也是為什么抗輻射加固元件在技術(shù)上可能會落后5年甚至更久，但仍然比同類傳統(tǒng)用途COST貴。所有工程風(fēng)投必須在成本、進(jìn)度和技術(shù)性能之間取得平衡，當(dāng)然太空系統(tǒng)也未能幸免。某些承載了特殊使命的飛船登陸時間可能只有幾天，一旦錯過，就意味著要等待數(shù)年才能獲得另一次機會?？傊?，太空任務(wù)的成功，離不開勇敢、大膽的設(shè)計。