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。     

制冷焦平面探测器组件冷平台材料研究进展

红外焦平面探测器在航空、航天、军事等多个领域具有广泛应用。我国亟需发展大面阵、轻量化和高可靠性的红外焦平面探测器及其杜瓦组件。介绍了国内外红外探测器组件的冷平台材料选用情况,包括Fe-Ni膨胀合金、低膨胀高导热合金和新型陶瓷等。总结了红外焦平面探测器热失配应力的来源以及减小热失配应力的解决方案。最后给出了红外探测器研制过程中的冷平台材料选取建议以及在红外焦平面探测器组件发展趋势下需要重点研究的相关技术。     

3D打印氧化锆材料在红外探测器中的应用探索

杜瓦为红外焦平面探测器提供良好的低温工作环境以及光、机、电、热传输通道。其中冷台面支撑结构作为红外探测器的承载平台,承受设备运输、振动、冲击等作用,对支撑结构的强度提出了更高的要求。因此需要开发新型支撑结构以提高杜瓦的可靠性。根据红外探测器组件低传导漏热、高可靠性的需求,从宏观和微观的角度对不同的支撑结构材料进行分析,对比了两种成型工艺所制备的支撑结构对红外探测器设计制造的影响。与传统加工方式相比,采用数字光处理(Digital Light Procession, DLP)技术成型的氧化锆精度可达到±0.03 mm,与X射线衍射仪(X-Ray Diffractometer, XRD)衍射峰标准卡片符合。这说明其纯度较高,且该技术能缩短工艺时长,优化封装流程。     

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。     

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。     

长线列红外探测器组件冷台面结构设计

介绍了用于“高分五号”卫星全谱段光谱成像仪的红探测器组件冷台面结构设计,为满足卫星八年工作寿命要求,通过冷台面结构材料匹配和卸载槽设计,利用有限元仿真对结构进行分析,获得了低应力的冷台面结构,并根据探测组件在轨工作剖面,完成了开关机300次试验验证,探测器开关机寿命满足卫星要求。     

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。     

星载红外探测器组件环境适应性分析与性能优选

为满足低等级红外探测器组件在高可靠性领域的空间应用需求,对星载红外探测器组件进行温度循环试验、力学试验以及高温老炼试验等环境试验考核,并基于双积分球式均匀照明系统对环境试验前后红外探测器组件相对光谱响应率进行测试。通过对比环境试验前后红外探测器组件相对光谱响应率变化,分析红外探测器组件的环境适应性,揭示红外探测器组件的质量缺陷及其他潜在缺陷,剔除早期失效,并从参试红外探测器组件中筛选出性能优良的探测器应用在星载偏振扫面仪进行大气偏振探测。试验结果表明:参试的红外探测器组件在环境试验前后具有良好的稳定性和可靠性,可以满足航天载荷应用需求。     

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。     

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。     

双波段共口径成像系统光机设计与分析

为了克服机载光电有效载荷(可见光摄像机和红外热像仪)各自独立、焦距过短的缺点,着重对可见光/红外共口径系统关键技术进行了研究。采用可见光、中波红外双波段共用主次镜的光学结构,可见光和红外焦距分别为1 500 mm和750 mm。选用合适的光学材料、合理的支撑方式,对系统反射镜支撑组件进行了静力学、动力学建模,优化了结构形式。采用光机热集成分析方法,指导、评价和优化光机系统设计过程,提高结构固有频率,增强系统热稳定性适应范围。系统结构设计基频大于200 Hz,在5 ℃均匀温变工况和重力作用下,反射镜面形PV值小于/10,RMS值小于/40,光学系统传递函数(MTF)达到0.38。结果表明,采用该方法设计的光机结构固有频率高,重力及热耦合变形、抗振性能等方面均能满足要求,系统具有良好的成像质量。     

微桥结构PZT厚膜红外探测器研究

利用KOH溶液腐蚀结合SF6气体干法刻蚀工艺制备了锆钛酸铅(PbZr0.3Ti0.7O3,PZT)厚膜热释电红外探测器,得到了器件Si基背面完全悬空的微桥绝热结构.使用由斩波器调制的黑体辐射,测试了探测器在低频段的电压响应率、噪声等效功率和探测率等参数.结果表明,探测器在调制频率为5.3 Hz时的电压响应率约为4.5×...     

一种红外探测器冷头结构的设计优化

针对某红外探测器工作时冷头结构发生异常、热阻变大以致冷头芯片不到温的现象,开展了相关研究。采用Ansys有限元软件对该红外探测器的冷头结构进行了仿真分析,并结合分析结果对其进行了优化设计。通过仿真分析发现,优化后的冷头结构在保证探测器芯片低温应力与低温变形的情况下,可以显著降低冷头表面及冷头结构件的应力。按照优化后的冷头结构来装配三个新状态的红外探测器组件,并对其进行了1000次的老炼实验。结果表明,实验前后冷头的强度、探测器响应的非均匀性和盲元率等关键指标并未发生变化;优化后冷头结构的可靠性更高,有利于探测器的长期使用;优化方案合理。     

红外焦平面探测器芯片应力降低方法研究

以1280×1024红外焦平面探测器为例,利用三维可视化实体模拟软件建立了包含冷指部件、陶瓷框架、探测器芯片的三维模型,并利用ANSYS仿真软件对模型(仅球形冷台结构与常规冷台不同,其余零件均相同)进行了仿真对比.研究结果表明,球形冷台结构通过增加冷台与制冷机接触面的面积可以实现更低的芯片热应力以及更小的芯片热变形,进...     

低温背景下红外焦平面阵列的噪声分析

对红外探测器在低温背景下的噪声模型及特性进行了分析与实验研究。利用探测器噪声四参数法计算模型与方法;搭建实验平台对红外探测器在不同低温背景温度下的性能进行测试,得到红外探测器的低频时间噪声,高频时间噪声,低频空间噪声各自与温度、积分时间的关系。实验表明:在一定温度区间内,低频时间噪声表现出较强的温度相关性,低频空间噪声表现出较明显非线性响应特性,高频空间噪声表现出积分时间相关性。