Desarrollo de sensores solares finos para aplicaciones satelitales

Abstract

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.