CN209525007U - 一种四象限砷化镓太阳敏感器组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种四象限砷化镓太阳敏感器组件，通过腐蚀隔离的方法制备四象限单结砷化镓光电池，以使太阳敏感器具有较宽的工作温度范围和优良的耐空间辐照性，可用于微纳卫星姿控系统，具有体积小、质量轻、精度高等优点。此外，本实用新型实施例提供的光电池通过基座与印制电路板固定连接实现光电池的整体封装，无需另设封装结构，从而简化太阳敏感器的结构。

Description

一种四象限砷化镓太阳敏感器组件

技术领域

本实用新型实施例涉及航天技术领域，尤其涉及一种用于微纳卫星姿控系统的四象限砷化镓太阳敏感器组件。

背景技术

微纳卫星目前已成为商业航天领域最热门的研究方向，微纳卫星具有质量轻、体积小、研制周期短等特点。而姿控系统是卫星非常重要的分系统，太阳敏感器和星敏感器是最常用的姿控定位方式。但星敏感器成本高昂，质量和体积相对较大，同时功耗也更高。太阳敏感器是一种常用的光电姿控传感器，通过敏感太阳矢量的方位来确定太阳矢量在星体坐标中的方位，从而获取航天器相对于太阳方位信息的光学姿态，以实现对航天器的姿态控制，以及对航天器的太阳帆板定位。

目前，太阳敏感器的构成主要包括光学头部、传感器部分和信号处理部分。其中，光学头部利用光电转换功能实时获取星体相对太阳的姿态角度信息，通常该光学头部实现光电转换功能的器件为硅基光电池。随着通讯技术的发展，对航天器的姿态测量精度提出了越来越高的要求，而现有的太阳敏感器的硅基光电池测量精度低、工作温度范围窄、耐空间辐照性能差，无法满足当前微纳卫星的姿控要求。

实用新型内容

针对上述存在问题，本实用新型实施例提供一种四象限砷化镓太阳敏感器组件，能够解决现有技术中太阳敏感器测量精度低、工作温度范围窄、耐空间辐照性能差的技术问题。

本实用新型实施例提供了一种四象限砷化镓太阳敏感器组件，包括：四象限单结砷化镓电池、玻璃盖片、印制电路板以及基座；

所述四象限单结砷化镓电池包括受光区，所述四象限单结砷化镓电池还包括受光面和背离所述受光面的背光面，所述受光面和所述背光面均设置有至少一条电极引线；

所述玻璃盖片位于所述四象限单结砷化镓电池的受光面一侧，且所述玻璃盖片覆盖所述四象限单结砷化镓电池的受光面；

所述印制电路板位于所述四象限单结砷化镓电池的背光面一侧，所述印制电路板设置有焊盘，一条所述电极引线与一个所述焊盘对应电连接，所述印制电路板还设置有固定螺孔；

所述基座位于所述玻璃盖片背离所述四象限单结砷化镓电池的一侧，且所述基座还包裹所述四象限单结砷化镓电池，并通过螺钉与所述印制电路板的固定螺孔固定连接，所述基座的面向所述受光面的一侧设置有开口区域，所述开口区域覆盖所述四象限单结砷化镓电池的受光区。

可选的，所述四象限单结砷化镓电池包括：

n型锗基底；

以及沉积于所述n型锗基底靠近所述受光面一侧的砷化镓外延层，所述砷化镓外延层上设置有四个有源区，四个所述有源区呈2×2的阵列排布。

可选的，所述四象限单结砷化镓电池的尺寸为11.5mm×11.5mm；所述有源区的尺寸为4.75mm×4.75mm。

可选的，所述四象限单结砷化镓电池还包括：

蒸镀于所述砷化镓外延层背离所述n型锗基底一侧的减反射膜。

可选的，所述受光面设置有四条第一电极引线，所述背光面设置有两条第二电极引线；

四条所述第一电极引线分别与所述受光面的四个所述有源区一一对应电连接；两条所述第二电极引线分别与任意相邻的两个所述有源区对应的背光面电连接。

可选的，所述太阳敏感器组件还包括：盖片胶；

所述盖片胶位于所述玻璃盖片与所述四象限单结砷化镓电池的受光面之间；所述盖片胶具有透光性，用于粘贴所述四象限单结砷化镓电池和所述玻璃盖片。

可选的，所述太阳敏感器组件还包括：底片胶；

所述底片胶位于所述印制电路板与所述四象限单结砷化镓电池的背光面之间；所述底片胶用于粘贴所述四象限单结砷化镓电池和所述印制电路板。

可选的，所述印制电路板上还设置有电连接器；

所述电连接器用于将所述印制电路板接收的所述四象限单结砷化镓电池的光电流输出。

本实用新型实施例提供了一种四象限砷化镓太阳敏感器组件，该太阳敏感器组件具有进行光电转换的四象限单结砷化镓电池；在四象限单结砷化镓电池的受光面一侧覆盖有玻璃盖片，以保护四象限单结砷化镓电池的受光面免受侵蚀；在四象限单结砷化镓电池的背光面一侧覆盖有印制电路板，并将印制电路板的焊盘与四象限单结砷化镓电池的电极引线电连接，以使四象限单结砷化镓电池转换的电能通过印制电路板传输；在玻璃盖片远离四象限单结砷化镓电池的一侧还设置有基座，该基座通过螺钉与印制电路板固定连接，以包裹四象限单结砷化镓电池，实现四象限单结砷化镓电池的封装；在基座面向四象限单结砷化镓电池受光面的一侧，基座上设置有开口区域，以露出四象限单结砷化镓电池受光区，使四象限单结砷化镓电池能够进行光电转换。本实用新型实施例能够解决现有技术中太阳敏感器组件的工作温度范围窄、耐空间辐照性能差以及封装结构复杂，影响太阳敏感器组件的应用和发展的技术问题。本实用新型实施例通过在太阳敏感器组件中采用四象限单结砷化镓电池进行光电转换，以使太阳敏感器组件具有较宽的工作温度范围和优良的耐空间辐照性，用于微纳卫星姿控系统，具有体积小、质量轻、精度高等优点。此外，本实用新型实施例提供的太阳敏感器组件通过基座与印制电路板固定连接实现太阳敏感器组件的封装，无需另设封装结构，从而简化太阳敏感器组件的结构。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种太阳敏感器组件的俯视结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种太阳敏感器组件的截面结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种四象限单结砷化镓电池的俯视结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种四象限单结砷化镓电池的截面结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的另一种太阳敏感器组件的俯视结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的另一种太阳敏感器组件的截面结构示意图；

图7是本实用新型实施例提供的另一种四象限单结砷化镓电池的截面结构示意图；

图8是本实用新型实施例提供的又一种太阳敏感器组件的截面结构示意图；

图9是本实用新型实施例提供的再一种太阳敏感器组件的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

本实用新型实施例提供一种四象限砷化镓太阳敏感器组件，该四象限砷化镓太阳敏感器组件能够进行光电转换，可应用于对设备进行测量和定位的领域，例如可应用于微纳卫星姿控系统中。图1是本实用新型实施例提供的一种太阳敏感器组件的俯视结构示意图，图2是本实用新型实施例提供的一种太阳敏感器组件的截面结构示意图。结合图1和图2，本实用新型实施例提供的四象限砷化镓太阳敏感器组件100包括四象限单结砷化镓电池10、玻璃盖片20、印制电路板30以及基座40。

结合图1和图2，本实用新型实施例中四象限单结砷化镓电池10包括受光区110，该四象限单结砷化镓电池10还包括受光面101和背离受光面101的背光面102，该受光面101和背光面102均设置有至少一条电极引线11；玻璃盖片20位于四象限单结砷化镓电池10的受光面101一侧，且玻璃盖片20覆盖四象限单结砷化镓电池10的受光面101；印制电路板30位于四象限单结砷化镓电池10的背光面102一侧，印制电路板30设置有焊盘31，一条电极引线11与一个焊盘31对应电连接，印制电路板30还设置有固定螺孔32；基座40位于玻璃盖片20背离四象限单结砷化镓电池10的一侧，且基座40还包裹四象限单结砷化镓电池10，并通过螺钉50与印制电路板30的固定螺孔32固定连接，基座40的面向受光面101的一侧设置有开口区域，该开口区域覆盖四象限单结砷化镓电池10的受光区110。

具体的，四象限砷化镓太阳敏感器组件100中四象限单结砷化镓电池10为太阳能电池，能够进行光电转换，并且当入射至四象限单结砷化镓电池10的受光面101的太阳光与四象限单结砷化镓电池10的受光面101呈θ角时，四象限单结砷化镓电池10能够产生的电流I_θ为：

I_θ＝I₀×cosθ×S

其中，I₀为太阳光垂直照射四象限单结砷化镓电池10的受光面101时产生的单位面积电流，S为太阳光与受光面呈θ角时四象限单结砷化镓电池10的受光面101的光照面积。

四象限单结砷化镓电池10的受光区110具有四个象限，该四个象限能够构成一个(X，Y)坐标系。当太阳光以θ角入射至四象限单结砷化镓电池10的受光面101时，四象限单结砷化镓电池10的四个象限的受光面积不同，致使四个象限产生的电流之间存在差异，可通过该电流差异获知太阳的位置，以实现其测量和定位功能。相对于现有技术的硅基电池，本实施例的太阳敏感器组件100中四象限单结砷化镓电池10的工作温度范围宽、耐空间辐照性能优良，从而使得太阳敏感器组件100能够应用于较恶劣的环境中，且在测量和定位应用上具有较高的精度。

通过在四象限单结砷化镓电池10的受光面101覆盖玻璃盖片20，该玻璃盖片20具有透光性，太阳光能够透过玻璃盖片20照射至四象限单结砷化镓电池10的受光面101，以使四象限单结砷化镓电池10进行光电转换。同时，覆盖四象限单结砷化镓电池10的受光面101的玻璃盖片20能够降低空间紫外线、粒子等对四象限单结砷化镓电池10的受光面101的影响。

四象限单结砷化镓电池10光电转换产生的电流都需要经过转换后才能正常输出，以对四象限单结砷化镓电池10每一象限产生的电流进行分析。通过将四象限单结砷化镓电池10的电极引线11与印制电路板30的焊盘31对应电连接，以使四象限单结砷化镓电池10每一象限产生的电流分别通过印制电路板30输出。

此外，四象限砷化镓太阳敏感器组件100还包括基座40，该基座40位于玻璃盖片20背离四象限单结砷化镓电池10的一侧，且该基座40通过螺钉50与印制电路板30的固定螺孔32固定连接，使得基座40与位于四象限单结砷化镓电池10背光面一侧的印制电路板30结合，将四象限单结砷化镓电池10包裹，以形成四象限砷化镓太阳敏感器组件100的封装结构。其中，基座40面向四象限单结砷化镓电池10受光面的一侧设置有开口区域，该开口区域能够露出四象限单结砷化镓电池10的受光区，以使四象限单结砷化镓电池10能够接收太阳光，进行光电转换。其中，四象限砷化镓太阳敏感器组件100在实际应用中的安装和固定可通过基座40来实现。

本实用新型实施例通过在四象限砷化镓太阳敏感器组件中采用四象限单结砷化镓电池进行光电转换，能够使四象限砷化镓太阳敏感器组件具有较宽的工作温度范围和优良的耐空间辐照性，用于微纳卫星姿控系统，具有体积小、质量轻、精度高等优点。此外，本实用新型实施例提供的四象限砷化镓太阳敏感器组件通过基座与印制电路板固定连接实现太阳敏感器组件的封装，无需另设封装结构，从而简化太阳敏感器组件的结构。

可选的，图3是本实用新型实施例提供的一种四象限单结砷化镓电池的俯视结构示意图，图4是本实用新型实施例提供的一种四象限单结砷化镓电池的截面结构示意图。结合图1、图2、图3和图4，四象限砷化镓太阳敏感器组件100中四象限单结砷化镓电池10包括n型锗基底12，以及沉积于n型锗基底12靠近受光面101一侧的砷化镓外延层13，该砷化镓外延层13上设置有四个有源区131、132、133和134，该四个有源区131、132、133和134呈2×2的阵列排布。

具体的，四象限单结砷化镓电池10中n型锗基底12与砷化镓外延层13的交界面附近形成PN结。其中，砷化镓外延层13上具有四个有源区131、132、133和134，将砷化镓外延层13分成四个部分，构成坐标系(X，Y)的四个象限。而n型锗基底13为一整体的结构，没有划分区域，因此n型锗基底12与砷化镓外延层13的交界面附近形成的PN结为单结的结构。其中，n型锗基底靠近受光面一面的面积大于四个有源区131、132、133和134的面积之和，以使每一个有源区的砷化镓外延层13均与n型锗基底12接触。示例性的，四象限单结砷化镓电池可选为一矩形结构，该矩形结构的长a和宽b构成的尺寸例如为11.5mm×11.5mm；而四个有源区131、132、133和134可选为四个相同的正方形，任意一个边长L的有源区的尺寸例如为4.75mm×4.75mm。

当有太阳光以θ角照射到四象限单结砷化镓电池10的受光面101时，四个有源区131、132、133和134的受光面积和光照强度不同，使得四个有源区131、132、133和134产生不同的电流I₁、I₂、I₃和I₄。由太阳能电池片的光伏特性可知，四象限单结砷化镓电池10的四个有源区131、132、133和134产生的电流I₁、I₂、I₃和I₄符合余弦特性。若有源区131为坐标系(X，Y)的第一象限，有源区132为坐标系(X，Y)的第二象限，有源区133为坐标系(X，Y)的第三象限，有源区134为坐标系(X，Y)的第四象限，则有：

I₁＝I₀×cosθ×(L+dx)×(L+dy)

I₂＝I₀×cosθ×(L-dx)×(L+dy)

I₃＝I₀×cosθ×(L-dx)×(L-dy)

I₄＝I₀×cosθ×(L+dx)×(L-dy)

其中，2L为四象限单结砷化镓电池10的受光区110的边长，(dx，dy)为太阳光斑的坐标。如此，可得出：

由此，通过检测四象限单结砷化镓电池10的四个有源区131、132、133和134分别产生的电流I₁、I₂、I₃和I₄，以及太阳光垂直照射四象限单结砷化镓电池10时，该四象限单结砷化镓电池10单位面积产生的电流I₀，即可计算出太阳光的光斑坐标(dx，dy)，通过太阳光的光斑坐标(dx，dy)即可计算太阳光入射角度θ和太阳的方位角β，如下：

其中，H为基座40的开口区域处与四象限单结砷化镓电池10的受光面的垂直距离。如此，由于四象限单结砷化镓电池10具有较高光电转换效率，因此太阳敏感器组件100能够对太阳光入射角θ和太阳的方位角β具有较高的测量精度和定位精度。

可选的，图5是本实用新型实施例提供的另一种太阳敏感器组件的俯视结构示意图，图6是本实用新型实施例提供的另一种太阳敏感器组件的截面结构示意图。结合图5和图6，四象限单结砷化镓电池10的受光面101设置有四条第一电极引线111、112、113和114，四象限单结砷化镓电池10的背光面102设置有两条第二电极引线115和116。其中，四条第一电极引线111、112、113和114分别与受光面101的四个有源区131、132、133和134一一对应电连接；两条第二电极引线115和116分别与任意相邻的两个有源区对应的背光面102电连接。

具体的，当太阳光照射四象限单结砷化镓电池10时，光子会使得四象限单结砷化镓电池10中的电子从价带激发至导带，并在价带内留下一个空穴，产生了自由电子-空穴对，即光生载流子。由于光生载流子受PN结势垒区中较强的内建电场的影响，使得四象限单结砷化镓电池10中P区的电子穿过PN结进入N区，N区的空穴穿过PN结进入P区，P区的电势升高，N区的电势降低，因此四象限单结砷化镓电池10输出的电流I的方向为由n型锗基底12指向砷化镓外延层13，相当于砷化镓外延层13为电源的正极，n型锗基底12为电源的负极。

本实施例中通过在四象限单结砷化镓电池10的受光面101设置四条第一电极引线111、112、113和114，且该四条第一电极引线111、112、113和114分别与受光面101的四个有源区131、132、133和134一一对应电连接，在背光面102设置两条第二电极引线115和116，且该两条第二电极引线115和116分别与任意相邻的两个有源区对应的背光面102电连接，并将每一电极引线通过焊接的方式对应电连接于印制电路板30的焊盘，以使各有源区产生的电流分别输出，从而实现对太阳光入射角和太阳的方位角的测量和定位。其中，第一电极引线111、112、113和114以及第二电极引线115和116的材料可选为TiPdAgAu，且第一电极引线111、112、113和114以及第二电极引线115和116与印制电路板30的焊接方式可选为电阻焊接。

可选的，图7是本实用新型实施例提供的另一种四象限单结砷化镓电池的截面结构示意图。如图7，四象限单结砷化镓电池10还包括蒸镀于砷化镓外延层13背离n型锗基底12一侧的减反射膜14。该减反射膜13能够降低四象限单结砷化镓电池10对太阳光的反射，提高太阳光的利用率，进一步提高测量和定位精度。该减反射膜14的材料例如可以为Al₂O₃和TiO₂。

可选的，图8是本实用新型实施例提供的又一种太阳敏感器组件的截面结构示意图。如图8，在上述技术方案的基础上，四象限砷化镓太阳敏感器组件100还包括盖片胶60。该盖片胶60位于玻璃盖片20与四象限单结砷化镓电池10的受光面101之间；该盖片胶60具有透光性，用于粘贴四象限单结砷化镓电池10和玻璃盖片20。

可选的，继续参考图8，在上述技术方案的基础上，四象限砷化镓太阳敏感器组件100还包括底片胶70。该底片胶70位于印制电路板30与四象限单结砷化镓电池10的背光面102之间；该底片胶用于粘贴四象限单结砷化镓电池10和印制电路板30。其中，底片胶70例如可以为一种透明或非透明的硅胶，该底片胶70具有绝缘性，以免影响四象限单结砷化镓电池10的光电转换。

可选的，图9是本实用新型实施例提供的再一种太阳敏感器组件的俯视结构示意图。如图9，在上述技术方案的基础上，印制电路板30上还设置有电连接器33。该电连接器33用于将印制电路板30接收的四象限单结砷化镓电池10的光电流输出，以使相应的设备元件对四象限单结砷化镓电池10产生的电流进行分析，实现四象限砷化镓太阳敏感器组件的测量和定位功能。

本实施例通过在四象限砷化镓太阳敏感器组件中采用四象限单结砷化镓电池进行光电转换，能够使四象限砷化镓太阳敏感器组件具有较宽的工作温度范围和优良的耐空间辐照性，用于微纳卫星姿控系统，具有体积小、质量轻、精度高等优点。此外，本实用新型实施例提供的光电池通过基座与印制电路板固定连接实现光电池的整体封装，无需另设封装结构，从而简化光电池的结构。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种四象限砷化镓太阳敏感器组件，其特征在于，包括：四象限单结砷化镓电池、玻璃盖片、印制电路板以及基座；

所述四象限单结砷化镓电池包括受光区，所述四象限单结砷化镓电池还包括受光面和背离所述受光面的背光面，所述受光面和所述背光面均设置有至少一条电极引线；

所述玻璃盖片位于所述四象限单结砷化镓电池的受光面一侧，且所述玻璃盖片覆盖所述四象限单结砷化镓电池的受光面；

所述印制电路板位于所述四象限单结砷化镓电池的背光面一侧，所述印制电路板设置有焊盘，一条所述电极引线与一个所述焊盘对应电连接，所述印制电路板还设置有固定螺孔；

所述基座位于所述玻璃盖片背离所述四象限单结砷化镓电池的一侧，且所述基座还包裹所述四象限单结砷化镓电池，并通过螺钉与所述印制电路板的固定螺孔固定连接，所述基座的面向所述受光面的一侧设置有开口区域，所述开口区域覆盖所述四象限单结砷化镓电池的受光区。

2.根据权利要求1所述的太阳敏感器组件，其特征在于，所述四象限单结砷化镓电池包括：

n型锗基底；

以及沉积于所述n型锗基底靠近所述受光面一侧的砷化镓外延层，所述砷化镓外延层上设置有四个有源区，四个所述有源区呈2×2的阵列排布。

3.根据权利要求2所述的太阳敏感器组件，其特征在于，所述四象限单结砷化镓电池的尺寸为11.5mm×11.5mm；所述有源区的尺寸为4.75mm×4.75mm。

4.根据权利要求2所述的太阳敏感器组件，其特征在于，所述四象限单结砷化镓电池还包括：

蒸镀于所述砷化镓外延层背离所述n型锗基底一侧的减反射膜。

5.根据权利要求2所述的太阳敏感器组件，其特征在于，所述受光面设置有四条第一电极引线，所述背光面设置有两条第二电极引线；

四条所述第一电极引线分别与所述受光面的四个所述有源区一一对应电连接；两条所述第二电极引线分别与任意相邻的两个所述有源区对应的背光面电连接。

6.根据权利要求1所述的太阳敏感器组件，其特征在于，还包括：盖片胶；

所述盖片胶位于所述玻璃盖片与所述四象限单结砷化镓电池的受光面之间；所述盖片胶具有透光性，用于粘贴所述四象限单结砷化镓电池和所述玻璃盖片。

7.根据权利要求1所述的太阳敏感器组件，其特征在于，还包括：底片胶；

所述底片胶位于所述印制电路板与所述四象限单结砷化镓电池的背光面之间；所述底片胶用于粘贴所述四象限单结砷化镓电池和所述印制电路板。

8.根据权利要求1所述的太阳敏感器组件，其特征在于，所述印制电路板上还设置有电连接器；

所述电连接器用于将所述印制电路板接收的所述四象限单结砷化镓电池的光电流输出。