關(guān)于太空粒子對(duì)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(lèi)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(jì)劃以來(lái)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(xiǎn)家和太空裝置所面臨的危險(xiǎn)并沒(méi)有任何改變。輻射、極端溫度波動(dòng)以及升空時(shí)的劇烈振動(dòng)，這些只是工程師在為惡劣的外太空環(huán)境設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)必須考慮的其中一些因素。

圖2:美國(guó)宇航局立方星計(jì)劃用微型衛(wèi)星 (來(lái)源: Wikipedia)

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

運(yùn)行環(huán)境分析

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

地球磁場(chǎng)形成了一個(gè)防護(hù)盾，能防止高能粒子（質(zhì)子、電子和重離子）和輻射對(duì)人類(lèi)造成傷害。這些粒子有的來(lái)源于太陽(yáng)系，有的是在太陽(yáng)粒子事件(SPE) 中由太陽(yáng)爆發(fā)釋放出來(lái)。在離開(kāi)地球安全范圍以后，這些粒子對(duì)敏感型電子產(chǎn)品的影響也會(huì)越來(lái)越大。高能粒子通過(guò)多種方式對(duì)電子產(chǎn)品造成影響，有人專(zhuān)門(mén)就此進(jìn)行了歸納總結(jié)：

·單粒子瞬變：高能粒子會(huì)對(duì)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(huì)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(chǔ)器或邏輯器件發(fā)生“位翻轉(zhuǎn)”（詳情見(jiàn)下文）。

·位移損傷：高能粒子碰撞對(duì)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(shí)間推移積累的正電荷會(huì)導(dǎo)致電路故障。

所以說(shuō)，不同的粒子事件可能會(huì)引起各種能從根本上改變?cè)ぷ魈匦缘膯?wèn)題。而電路中形成的雜散電流（即“迷流”）會(huì)導(dǎo)致不正確的電路操作。更糟糕的是，引入過(guò)度的能量將會(huì)損壞芯片。如果積累了足夠的電荷，處理器或存儲(chǔ)器中的位就會(huì)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(duì)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(gè)飛船。

輻射只是其中一個(gè)方面，還需要考慮在極短的時(shí)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(yáng)距離的不同，溫度會(huì)從零下幾百度突然變化到零上幾百度，走向另一個(gè)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(shí)還會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性故障。航空電子還必須能夠應(yīng)對(duì)在飛船駛離大氣層之前遇到的各種問(wèn)題。對(duì)于不是針對(duì)極端壓力情況而設(shè)的元件和連接器，會(huì)因?yàn)榛鸺瓢l(fā)射時(shí)的劇烈振動(dòng)而被損壞。

設(shè)計(jì)堅(jiān)固元件的必要性

在設(shè)計(jì)能夠在外太空可靠運(yùn)行的電子元件時(shí)，需要采用各種獨(dú)特的設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)輻射和極端溫度條件。在芯片級(jí)，對(duì)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(jì)技術(shù)，即在設(shè)計(jì)時(shí)用到額外和/或冗余的元件、電路或整個(gè)系統(tǒng)。最后，為保護(hù)機(jī)載電子產(chǎn)品，還需要考慮到操作注意事項(xiàng)。

下面我們來(lái)進(jìn)一步了解一下每類(lèi)設(shè)計(jì)技術(shù)：

芯片（元件）級(jí)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：元件選擇是太空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要一步，需要考慮到元件設(shè)計(jì)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(jì)電子元件（通常是半導(dǎo)體類(lèi)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(jì)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(gè)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(kuò)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(jì)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(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (DRAM)的這種設(shè)計(jì)權(quán)衡很常見(jiàn)，雖然SRAM在成本和實(shí)際布局（單位面積存儲(chǔ)空間更小）方面都不是很理想，但勝在它的耐性更強(qiáng)。

堅(jiān)固耐用的冗余系統(tǒng)：選擇好能夠滿足運(yùn)行要求的堅(jiān)固元件后，下一個(gè)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(jì)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(lái)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(yàn)位可用于存儲(chǔ)器錯(cuò)誤檢測(cè)和校正。Hamming函數(shù)為軟件解決方案，會(huì)增加處理開(kāi)銷(xiāo)。

·三模冗余 (TMR) 等模塊化冗余技術(shù)是一種拓?fù)湓O(shè)計(jì)，這種技術(shù)采用相同電路的冗余副本來(lái)處理相同的數(shù)據(jù)輸入，然后將輸出傳送到“擇多門(mén)”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(lái)說(shuō)完勝Hamming 方案。美國(guó)某已報(bào)廢航天飛機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) (DPS) 運(yùn)用了5個(gè)冗余備份系統(tǒng)，其中有一個(gè)系統(tǒng)采用的軟件是專(zhuān)門(mén)針對(duì)故障安全而獨(dú)立開(kāi)發(fā)的。而看門(mén)狗定時(shí)器被稱為另一種檢測(cè)和恢復(fù)計(jì)算機(jī)故障的設(shè)計(jì)技術(shù)。看門(mén)狗定時(shí)器采用遞減計(jì)數(shù)方式，而且主處理器會(huì)在計(jì)數(shù)到零之前將其復(fù)位。如果主計(jì)算機(jī)發(fā)生故障的同時(shí)看門(mén)狗定時(shí)器也計(jì)數(shù)到零，這種情況下看門(mén)狗會(huì)生成一個(gè)復(fù)位信號(hào)來(lái)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(jī)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(yáng)系前能夠應(yīng)對(duì)內(nèi)太陽(yáng)系的高溫環(huán)境。溫度傳感器在搭配百葉窗這類(lèi)機(jī)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(jì)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(wèn)題的另一個(gè)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(jiān)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(wèn)題?？紤]周詳?shù)脑O(shè)計(jì)對(duì)于太空操作至關(guān)重要，只是這將是一個(gè)非常艱辛的過(guò)程。還記得阿波羅13號(hào)中的圓形和方形二氧化碳過(guò)濾裝置嗎？在三名宇航員安全轉(zhuǎn)移到登月艙后問(wèn)題出現(xiàn)了，登月艙原本設(shè)計(jì)為供兩名宇航員使用36小時(shí)，可現(xiàn)在卻有三名宇航員要靠它存活96小時(shí)。為挽救宇航員的生命，休斯頓的工程師們?cè)谝褟U棄的奧德賽指令艙中迅速拼裝出了一個(gè)能與方形盒子對(duì)接的過(guò)濾管道，成功解決了二氧化碳吸收問(wèn)題。

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

我們都知道一致且簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)不僅可以降低成本，還能挽救生命。大多數(shù)工程師都會(huì)將簡(jiǎn)單高效美觀的設(shè)計(jì)定義為“精巧”。Phoenix Contact的SUNCLIX光伏連接器雖然是為地球號(hào)太空船而設(shè)的，但因?yàn)椴恍枰M裝工具，因此在很多場(chǎng)合也都被認(rèn)定為“精巧的設(shè)計(jì)”。如果說(shuō)堅(jiān)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(jì)就是經(jīng)驗(yàn)、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(jì)工藝 (來(lái)源: Mouser)

運(yùn)行過(guò)程：在飛船和相關(guān)子系統(tǒng)運(yùn)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?yàn)槟承┸壍郎戏植嫉母吣芰Ｗ虞^少。CubeSat這類(lèi)宇宙飛船所運(yùn)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(wú)需輻射加強(qiáng)工藝）。

·在進(jìn)入高輻射太空區(qū)域之前對(duì)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(jī)載系統(tǒng)所常用的方法。

Beyond the Final Frontier逾越最后一道屏障

對(duì)于電子元件來(lái)說(shuō)，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(wú)數(shù)種惡劣的運(yùn)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(dú)特的運(yùn)行問(wèn)題。對(duì)于系統(tǒng)工程師來(lái)說(shuō)，熟悉運(yùn)行環(huán)境是制定有效設(shè)計(jì)決策、在設(shè)計(jì)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(jì)出一個(gè)可以適應(yīng)任何工作情況的解決方案，可能就有點(diǎn)異想天開(kāi)了。

飛船登陸后的設(shè)計(jì)問(wèn)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(huì)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(huì)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(huì)落后5年甚至更久，但仍然比同類(lèi)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(shí)間可能只有幾天，一旦錯(cuò)過(guò)，就意味著要等待數(shù)年才能獲得另一次機(jī)會(huì)。總之，太空任務(wù)的成功，離不開(kāi)勇敢、大膽的設(shè)計(jì)。