超长线列双波段红外焦平面探测器杜瓦封装技术研究

针对拼接型短/中波的超长线列焦平面探测器与直线脉管集成耦合的要求,分析了超长线列焦平面杜瓦封装的难点。通过对超长冷平台的温度均匀性、超长冷平台支撑结构、大体积组件杜瓦低热负载、超长线列杜瓦真空寿命等封装技术进行研究,提出了多点S型冷链结合导热层的三维热输出方法,设计了桥式两基板的超长冷平台支撑结构,解决了超长冷平台高温度均匀性、集成探测器后低应力及焦深控制、超长线列探测器杜瓦组件的环境适应性、低热负载和长真空寿命等关键技术,成功研制超长线列双波段焦平面探测器制冷组件,并通过一系列空间环境适应性试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足工程化应用的要求。     

集成冷光学的双波段杜瓦组件技术

集成冷光学的红外探测器杜瓦封装在中波、长波红外组件研制中具有重要意义，有利于抑制红外辐射背景、提升仪器灵敏度和集成度。提出了集成冷光学的中波、长波双波段探测器杜瓦组件，设计了一体化冷平台支撑、低漏热透镜支撑等新结构，解决了冷光学透镜组与探测器组合、双波段探测器透镜组之间高精度配准及高强度单点支撑钎焊等新工艺，建立了该冷光学集成组件杜瓦的冷面温度均匀性、双温区控制以及低热负载等关键参数。实现了杜瓦液氮热负载小于0.85 W，中波工作于73 K，冷面温度均匀性0.36 K，长波工作于65 K，冷面温度均匀性0.08 K，探测器与透镜组配准精度偏差优于±10μm，探测器光学模组间配准偏差优于±15μm。该新型杜瓦已通过一系列空间环境适应性试验验证，成功应用于风云四号系列气象卫星大气垂直探测仪中。     

大面阵红外探测器与低温冷平台集成后的应变测试研究

大面阵红外探测器是红外遥感仪器的核心元件。该类探测器大多由小规模面阵探测器拼接组成,与杜瓦低温冷平台集成后形成杜瓦组件。探测器在杜瓦低温冷平台上安装集成后的应力状态是影响芯片性能和寿命的关键因素。测试了低温时探测器在自由状态下和被安装在杜瓦组件内应变片的热输出,再利用两者的差值表征了探测器与杜瓦低温冷平台集成后的额外应变。以2000×512探测器组件为例,进行了测试验证分析,结果表明该方法可行。     

天问一号矿物光谱仪短波红外焦平面制冷组件EI北大核心CSCD

根据“天问一号”火星矿物光谱仪短波红外探测组件小型化、轻量化、低功耗的需求,分析了红外探测器匹配性设计、集成式制冷机杜瓦适应性研制的难点。针对短波红外探测器高灵敏度、低温目标及多光谱探测需求的长积分时间模式的集成封装、抗大量级星器分离冲击等特点,提出了高信噪比探测器总体设计、具有噪声隔离和集成式冷平台结构设计、抗径向冲击的斜支撑结构设计等。解决了短波红外集成组件探测器低温下低热应力、长积分时间下干扰隔离、大量级力学加固、航天应用的高可靠性厚膜电路研制等关键技术。成功研制了短波碲镉汞探测器杜瓦制冷组件,并经过高低温循环、随机振动及机械冲击等严苛的空间环境热学力学适应性试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足火星矿物光谱仪工程化应用的要求。     

低温光学用杜瓦柔性外壳结构热力特性研究

为了满足低温光学系统低背景、低功耗和红外探测器制冷组件高环境适应性的要求,提出了探测器制冷组件杜瓦主体（窗口、窗口帽和引线盘） 200 K低温保持,与制冷机膨胀机或脉管散热面柔性绝热连接的设计思想。针对低温光学用杜瓦柔性外壳工程应用中的特点,文中以某低温光学用长波12.5 μm 2 000元红外探测器杜瓦组件以例,提出了波纹管作为绝热连接的柔性外壳,重点阐述杜瓦柔性波纹管隔热、力学和相关漏热的设计,并开展不同热负载条件下波纹管热特性验证,可实现最小温度梯度为37.22 K,绝热热阻为1142 K/W,误差在37%。为综合评价低温光学用柔性外壳结构杜瓦组件的性能,对某低温光学用长波12.5 μm 2 000元探测器柔性外壳杜瓦组件开展热真空和鉴定级的力学试验考核验证,试验结果表明实现了200 K低温窗口,探测器60 K工作,杜瓦漏热为544 mW,低温工况工作时相对于常温工况制冷机的功耗下降了53%,并通过了4 g的随机力学考核,验证了低温光学用杜瓦柔性波纹管外壳模型合理可行,对于后续低温光学用杜瓦柔性外壳结构工程应用提供了重要参考。     

杜瓦/快速起动节流制冷器集成体及杜瓦/斯特林循环制冷机集成体

红外探测器必须在大约80K低温下才能正常工作。因此,它一定要装在杜瓦中,而且要有节流制冷器或制冷机给其提供低温环境。随着红外技术的迅速发展,出现了杜瓦/快速起动节流制冷器集成体和杜瓦/斯特林循环制冷机集成体。杜瓦/快速起动节流制冷器集成体将杜瓦与快速起动节流制冷器制做为一体,消除了原与节流制冷器相配合的杜瓦芯柱,降低了能耗,诚小了体积,减轻了质量。这种集成体中的快速起动节流制冷器是以玻璃为材料的平面状快速起动节流制冷器,它采用两级制冷,第一级选用氮-碳氢化合物混合气体为工质,第二级选用纯氮气体为工质,在快速起动节流制冷器內装有微型喷射泵,这样,不仅提高了节流制冷器制冷效率,而且可使快速起动节流制冷器制冷温度达70K以下,有利地提高了红外探测器的工作性能。杜瓦/斯特林循环制冷机集成体将杜瓦与斯特林循环制冷机制做为一体,斯特林循环制冷机冷指与杜瓦芯柱合二为一,红外探测器直接安装于斯特林循环制冷机冷指之上,消除了芯柱热传导、斯特林循环制冷机与杜瓦之间连接的热偶合器及其产生的热阻,较大地降低了系统能耗,减少了斯特林循环制冷机体积,减轻了斯特林循环制冷机质量。     

深低温工作甚长波面阵红外探测器封装技术

基于甚长波红外探测器对低于液氮温度工作环境的需求,提出了一种深低温工作甚长波红外探测器封装技术。通过对杜瓦组件漏热和芯片电学引出结构的优化设计,可控制芯片在30 K低温工作时整个杜瓦组件的静态热耗为0.65 W,最冷端位置的静态热耗为0.3 W,与之适配的两级脉管制冷机冷量可以满足上述热耗需求。完成了探测器组件的封装测试。结果表明,在制冷机膨胀机热端空气冷却测试条件下,探测器芯片部分可达到35 K的温度;杜瓦的外轮廓小于Φ130 mm×180 mm。该项技术成果促进了深低温工作的甚长波面阵红外探测器封装技术的发展。     

大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构设计

空间红外相机为提高成像质量,采用脉冲管制冷机对大面阵红外探测器进行制冷和杜瓦封装,形成杜瓦组件,使探测器工作在深低温环境下。冷指与热端之间仅靠脉冲管的薄壁结构连接,径向支撑刚度偏低,无法承受卫星发射阶段的振动,需对冷指增加支撑结构;但为提高制冷效率,又需要尽量增大连接探测器的冷指与制冷机热端之间的结构热阻,以减少结构间漏热。传统的方案是在冷指与热端之间增加金属支撑柱,但该结构会带来附加的漏热,且因为连接刚度较大,会由于装配及加工误差在脉冲管焊缝处产生较大的结构应力,影响组件性能。提出一种基于玻璃纤维束的冷指支撑结构,利用玻璃纤维束的高抗拉刚度及低抗弯刚度提高冷指径向支撑刚度的同时减小其在轴向上的结构应力;同时,玻璃纤维束的超低导热系数和小截面面积可以极大的提高结构热阻,显著减小附加漏热。与传统方案相比,玻璃纤维束支撑加强结构在提高冷指支撑刚度同时,将冷指与热端之间的结构热阻增大为原来的3 730倍,解决了冷指支撑加强结构既要求抗振性能好、又要求漏热小的难题,可适用于各种类型的大面阵红外探测器的杜瓦冷指支撑结构。     

微型低温制冷技术的现状和发展趋势

介绍了目前典型的军用第二代、第三代焦平面探测器杜瓦制冷机组件中斯特林制冷机和节流制冷器的应用情况,从焦平面探测器芯片探测元尺寸的变化,提出了配接制冷机的冷指尺寸的变化,介绍了昆明物理研究所微型低温制冷技术的发展现状及微型低温制冷机向高可靠性、低成本、高工作温度的发展趋势。     

用于冷光学长波红外杜瓦组件杂散光分析与抑制EI北大核心CSCD

红外谱段(8~12.5μm)作为红外对地光学载荷的主要探测谱段,在对地遥感领域发挥着重要的作用。以红外成像仪载荷的杜瓦组件为研究对象,宽幅高分辨率红外系统的光机结构作为输入边界,分析了关键面对系统杂散光的影响。为了抑制杂散光和降低背景辐射,利用柔性波纹管隔热实现200 K窗口和窗口帽低温设计。进一步分析了杜瓦组件窗口、窗口外壳、冷屏结构及表面处理工艺等对杜瓦内部杂散光的影响。冷屏采用三级挡板设计,滤光片为三波段集成,同时在考虑装配和加工精度的情况下,冷屏和滤光片支架采用分离方式。卫星红外成像仪载荷在轨运行良好,成像效果较好。为杜瓦设计和加工选择提供了一定依据。     

用于空间BIB探测器的0.3 W@4.2 K大冷量轻量化低温系统

大阵列BIB探测器由于其高量子效率和低暗电流而成为广泛的研究对象,特别是在空间应用方向。如2021年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜,它已经进行了许多重要的天文观测。一个稳定、高效、轻量化的液氦温区低温系统对BIB探测器的运行至关重要。氦节流制冷机可取代传统的大容积液氦杜瓦,能满足空间液氦温区的制冷要求。为了同时提高4.2 K的制冷量并减轻重量,提出了一种0.3 W@4.2 K的大冷量轻量化的4.2 K低温制冷系统。并且在现有0.1 W@4.1 K制冷量的低温系统上进行实验,验证了该系统的设计方法。在不同的冷却温度区采用不同的冷却方法,以实现冷却的高效性和轻便性。开发了一个新的集成斯特林制冷机,在80 K时提供高效的一级预冷,制冷量为15 W,重量仅为4.5 kg;二级预冷采用主动活塞调相的15 K脉管制冷机,制冷量为0.9 W。此多级低温制冷系统通过耦合氦气JT循环,可以在4.2 K时提供0.3 W的制冷量,输入功低于1.8 kW。此系统将为正在快速发展的红外天文观测所需的空间BIB探测器提供保障。     

长波QWIP-LED量子阱红外探测器杜瓦研制

在用于封装长波QWIP-LED量子阱探测器的杜瓦研制中,详细阐明了一种用于封装长波QWIP-LED量子阱红外探测器的结构,结构采用侧罩式设计,光信号从红外窗口进入,近红外窗口透出,提出了一种探测器胶接在管座上,管座整体再螺接在冷头的方法,提高探测器的互换性,通过热适配设计,降低低温应力对探测器影响,选择低冷损的TC4材料,降低杜瓦漏热,基本解决了长波QWIP-LED量子阱探测器杜瓦组件的关键技术,性能指标达标,成像效果良好,达到工程封装要求。     

分置式斯特林制冷机耦合间隙对探测器性能的影响

分置式斯特林制冷机作为红外探测器组件的重要组成部分,在实际应用中对红外探测器组件的性能影响较大。其中,分置式斯特林制冷机与杜瓦耦合时的耦合间隙是对红外探测器组件的性能影响最大的因素之一。因此针对二者的耦合间隙对探测器性能的影响进行了实验研究。当芯片温度为75 K且制冷机的冷头温度为70 K时,模拟仿真冷指与杜瓦的变形量,耦合间隙变形为0.0096 mm。低温环境对制冷机冷指与杜瓦变形的影响较小,可以忽略冷指与杜瓦变形对耦合间隙的影响。实验结果表明,红外探测器组件的降温时间随耦合间隙的增大而逐渐增大。随着时间的逐渐增大,不同耦合间隙对应的直流电流也各不相同。同一时刻下,耦合间隙越小,直流电流就越小。二极管电压随时间的增加呈现出逐渐增大并逐渐平稳的状态。在达到控温状态前,同一时刻下,耦合间隙越小,二极管电压越大。     

长/长波双色二类超晶格红外探测器研究

报道了长/长波双色二类超晶格红外焦平面探测器组件的研制。通过能带结构设计和分子束外延技术,获得了表面质量良好的长/长波双色超晶格外延材料。突破了长波超晶格低暗电流钝化、低损伤干法刻蚀等关键技术,制备出像元中心距30 μm的320×256长/长波双色InAs/GaSb超晶格焦平面探测器芯片。将芯片与双色读出电路互连,采用杜瓦封装,与制冷机耦合形成探测器组件。组件双波段50%后截止波长分别为7.7 μm（波段1）和10.0 μm（波段2）。波段1平均峰值探测率达到8.21×10¹⁰ cmW^-1Hz^1/2,NETD实现28.8 mK;波段2平均峰值探测率达到6.15×10¹⁰ cmW^-1Hz^1/2,NETD为37.8 mK,获得了清晰的成像效果,实现长/长波双色探测。     

低温光学系统两级温区的设计与分析

在低温光学系统内建立两级温区是红外弱目标双波段探测的基础和关键,采用氦气压缩式制冷技术,通过精密的结构、热、光学设计和分析,实现了低温光学系统内两个低温温区的隔离与建立,一级温区80～100 K,二级温区40～80 K,控温精度±0.5 K,温区内最大温差2.4 K,两温区独立控温、互不干扰,克服了国内低温光学研究受液氮制冷对温度和使用条件的限制,使国内低温光学的研究达到了具有更低工作温度和双温区同时工作的水平。     

超长线列红外焦平面杜瓦冷链设计

针对采用直线脉管制冷的超长线列红外焦平面器件杜瓦封装的需求, 提出了一种弹性冷链的设计方案。介绍了超长线列焦平面器件及直线脉管制冷机的特点以及对冷链的力学、热学要求, 针对超长线列焦平面杜瓦冷链的设计思路、设计方法进行了研究, 针对某型号脉管制冷机及典型超长线列探测器的尺寸、工作温度等要求, 采用局部弹性冷链方案, 通过有限元仿真工具对冷链进行优化设计, 使其能够满足设计指标要求。根据设计结果制作了冷链及测试杜瓦, 对冷链温差、器件拼接基板温度均匀性及低温形变进行了测试, 并通过振动试验对力学可靠性进行了验证。试验结果证明局部弹性冷链设计方案的正确性和可行性。     

热耦合同轴型双级高频脉管制冷机实验研究

空间探测技术对小型低温制冷机提 出了在不同温区同时供冷的要求,而双级高频脉管制冷机则 是一种极具潜力的解决方案。介绍了一种热耦合双级高频 脉管制冷机,其两级冷指均采用同轴型结构以提升制冷机 结构的紧凑性。在室温惯性管调相的方式下,获得了22.03 K的 最低无负载温度;当总的输入电功为413 W时,两级可同时获 得8 W@80 K和1 W@30 K的制冷量。针对不同预冷温度下的性能特 性开展了实验研究,得到了低温级冷指效率的变化规律。     

红外带通滤光片77 K光谱漂移特性实验研究

红外带通滤光片是决定红外探测器组件光谱响应范围的重要元件。滤光片光谱的截止波长在低温下会产生漂移,从而影响组件的光谱响应范围。为探究滤光片在低温下的光谱漂移情况,选取了几种典型的红外带通滤光片,并分别在常温和77 K温度下使用自制的低温光谱测试杜瓦对其进行了光谱测试。结果表明,低温下滤光片的前截止波长均向短波方向漂移。该漂移量的大小主要与工作波段有关。工作波长越长,漂移量越大。中波红外带通滤光片的截止波长在低温下的漂移量小于100 nm。基片材料对截止波长漂移的影响较小。该结论对于红外探测器滤光片的光谱设计具有重要的参考价值。     

红外探测器杜瓦冷头的低温可靠性研究

红外探测器杜瓦冷头结构受温度冲击时容易损伤,甚至会导致探测器组件失效。这是红外探测器组件产品研制中不可避免的可靠性问题之一。针对红外探测器杜瓦冷头的低温可靠性问题展开了相关研究。结合粘接失效原理和有限元仿真,讨论了粘接胶厚度、溢胶等情况对杜瓦冷头低温应力、冷头-冷指粘接面积与探测器温度关系的影响。结果表明,胶层状态是影响杜瓦冷头低温损伤和温度传导的重要原因。产品研制过程中可通过控制粘接胶层来降低大面阵探测器粘接结构的低温应力,从而提高冷头结构的低温可靠性。     

一种光学集成式杜瓦组件的设计与制备

红外探测器杜瓦集成光学技术通过将光学系统集成在杜瓦组件内部,使之处于恒定的低温环境中,实现光学系统的低温化、无热化和小型化,有效提高红外成像系统的探测精度、灵敏度和对环境温度变化的适应能力。本文通过短焦距、大视场集成光学中测杜瓦组件的研制,获得了杜瓦内集成低温光学系统的设计方法,对于开展杜瓦集成光学技术研究具有一定的参考意义。