國內(nèi)外大量的空間飛行實踐表明,空間帶電粒子誘發(fā)的充放電效應(yīng)(SESD,Spacecraft charging induced Electro-Static Discharge)是空間天氣效應(yīng)導(dǎo)致航天器故障的主要方式之一,且故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為星用電子器件和電路系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)或邏輯狀態(tài)跳變、工作模式非受控切換、執(zhí)行機構(gòu)操作異常等可恢復(fù)性“軟錯誤”。由于器件電路SESD故障宏觀現(xiàn)象與單粒子效應(yīng)(SEE,Single Event Effects)故障非常相似,且缺少SESD影響模型和甄別方法,航天工程應(yīng)用將大量的此類“軟錯誤”故障簡單地歸為單粒子所致。這種現(xiàn)狀對數(shù)量較多既遭受單粒子又遭受充放電作用的中高軌航天器在軌安全造成重大隱患,如何及時正確診斷和應(yīng)對空間充放電效應(yīng)故障,全面準(zhǔn)確評估航天器面臨的“似同非同”的空間環(huán)境風(fēng)險,至今仍是困惑國內(nèi)外航天界的重大難題。
圖1 空間充放電致星用器件電路故障的原理
中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點實驗室陳睿副研究員、韓建偉研究員團隊以典型星用SRAM電路為研究示例,通過器件和電路相結(jié)合的仿真方法,研究闡明了SESD導(dǎo)致星用SRAM電路故障的特征規(guī)律與微觀機制,建立了空間充放電致SRAM電路軟錯誤的量化模型,并利用地面充放電效應(yīng)模擬裝置試驗驗證了模型的有效性。研究基于阻尼衰減正弦振蕩脈沖模型建立了SESD干擾源;參考器件電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立了SESD誘發(fā)SRAM電路軟錯誤的宏觀模型。
宏觀模型f由兩部分組成,g函數(shù)為芯片管腳SESD電壓與耦合進(jìn)內(nèi)核晶體管源極電壓的對應(yīng)關(guān)系,由放電信號和外圍電路信號抑制比(PSRR)決定;u函數(shù)為芯片參數(shù)與內(nèi)核SESD閾值電壓的對應(yīng)關(guān)系,由芯片工藝參數(shù)與電路結(jié)構(gòu)決定。
圖2. SESD誘發(fā)SRAM存儲數(shù)據(jù)錯誤量化模型
該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研究發(fā)展計劃的資助,相關(guān)成果發(fā)表于IEEE Transactions on Device and Materials Reliability上。
論文信息:R.-J. Yuan, R. Chen, J.-W. Han, Y.-N. Liang, Z.-Y. Wang, H.-L. Yu, Mechanism and Quantitative Modeling of the SRAM Soft Error Induced by Space Electrostatic Discharge, IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, doi: 10.1109/TDMR.2024.3510716.
論文鏈接:https://ieeexplore.ieee.org/document/10777059
(供稿:天氣室)