Ensayo para calificación de un circuito integrado con SiPM para aplicación espacial

Abstract

Los fotomultiplicadores de silicio (SiPM) son sensores de fotones individuales de estado sólido. Mecánicamente robustos, compactos e insensibles a campos magnéticos, resultan candidatos ideales para la detección de bajos niveles de luz en aplicaciones satelitales. La colaboración LabOSat se encuentra diseñando una misión espacial para integrar estos sensores a una carga útil y validar su operación en órbita. En este contexto, este trabajo de Tesis contribuye mediante una serie de ensayos sobre un circuito analógico llamado AFE (por Analog Front-End), el cual permite acondicionar la señal generada por un SiPM. Ya que en el espacio las condiciones ambientales son particulares. Exceptuando algunos casos muy infrecuentes, no se tiene acceso a realizar cambios de partes da ̃nadas o arreglos, la etapa de ensayos cumple un papel muy importante en el éxito de la misión. Con esta motivación, partiendo de los criterios normalizados en standards internacionales, se diseñaron y llevaron a cabo cuatro ensayos térmicos: ciclado térmico en vacío, shock térmico en vacío, ensayos de auto-calentamiento del circuito, y una caracterización del desempeño del circuito en un amplio rango de temperatura. Además, tanto antes de la serie de ensayos como después de ellos, se realizó un ensayo funcional y una inspección visual para identificar posibles fallas en el funcionamiento o mecanismo o cualquier tipo de efecto permanente de inter ́es. De esta manera se da soporte al desarrollo del diseño del AFE. Los aportes de esta Tesis serán utilizados a futuro para realizar el diseño termomecánico de detalle de la carga útil. En particular, este trabajo oficia de punto de partida para la realización de simulaciones computacionales, en donde los resultados de los ensayos se utilizarán para validar los modelos térmicos.

Silicon photomultipliers (SiPM) are solid-state single-photon sensors. Mechanically robust, compact and insensitive to magnetic fields, they are ideal candidates for detection of low-light levels in satellite applications. The LabOSat collaboration is designing a space mission to integrate these sensors into a payload and validate their operation in orbit. In this context, this Thesis work contributes through a series of tests on an analog circuit called AFE (from Analog Front-End), which conditions the signal generated by a SiPM. Environmental conditions in space are particular. Despite infrequent examples, there is no access to replace malfunctioning parts, making the testing phase crucial for the misión success. Based on international standards, four thermal tests were designed and carried out: vacuum thermal cycling, vacuum thermal shock, self-heating tests of the circuit, and a characterization of the performance of the circuit in a wide temperature range. In addition, both before and after the series of tests, a functional test and a visual inspection were carried out to identify possible failures in the operation, or any type of permanente defect. In this way, support is given to the development of the AFE design. The contributions of this Thesis will be used in the future to perform a detailed thermomechanical design of the payload. In particular, this work serves as a starting point for computational simulations, where the results of the tests will be used to validate the thermal models.