CN104731126B - 一种基于集成式杜瓦组件变温测试制冷结构的控温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于集成式杜瓦组件变温测试制冷结构的控温方法，所述的集成式杜瓦组件变温测试制冷结构包括环氧拉杆柄、环氧拉杆、液氮腔密封盖板、外壳、液氮存储腔、杜瓦一体支撑小端密封盖板、芯柱、定杆帽、液氮托盘、冷头、测温铂电阻、引线、引线环、杜瓦一体支撑密封底板、加热电阻、杜瓦一体支撑大端密封盖板。本发明设计了一种通过调节液氮面与冷平台不同距离量来实现测试温度达到85‑130K的制冷结构，通过热量补偿实现对测试温度精确控制；本发明在整个测试过程不受制冷机压缩机振动及电磁干扰，测试精度高，结果稳定；本发明适用于采用了直线型脉冲管制冷机与探测器耦合集成式杜瓦组件探测器性能过程测试。

Description

一种基于集成式杜瓦组件变温测试制冷结构的控温方法

技术领域

本发明涉及集成式杜瓦组件封装技术，具体是指一种用于集成式超长线列红外焦平面杜瓦组件封装过程中对探测器进行变温测试的制冷结构的控温及测温方法，它适用于采用了直线型脉冲管制冷机与探测器集成耦合式杜瓦组件内探测器性能过程测试。

背景技术

随着对空间分辨率及探测器灵敏度等要求的提高，红外焦平面探测器常常采用线列或者阵列拼接探测器芯片模块的方式以提高分辨率。对于采用这类拼接方式的红外焦平面探测器对工作温度及温度均匀性要求较高，因此常常采用杜瓦组件与直线型脉冲管集成耦合方式以满足大冷量、深低温的制冷需求。

在集成式杜瓦探测器封装过程中，一般是杜瓦、探测器与直线型脉冲管制冷机完成封装后，采用制冷机开机测试探测器性能，通过这种方式测试带来的缺点就是：1)无法确定探测器各模块在经过组装、封装等多道工艺后，其低温工作时的性能指标是否能与封装之前保持一致；2)如果测试过程中发现某个探测器模块有问题，还需要将已经完成密封焊接的的杜瓦与制冷机冷指两端的焊缝通过机加工方式铣开，这不仅会因在修配过程中产生的应力对制冷机冷指及其他零部件造成损坏,还会延长探测器封装周期；3)采用直线型脉冲管制冷机进行开机测试时，还会带来另外一些问题：比如制冷机压缩机工作过程中，会产生持续振动；制冷机压缩机线圈转动会造成电磁干扰，会增加探测器的噪声，可能影响测试结果的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成式杜瓦组件内变温测试的制冷结构的控温方法，解决了探测器与制冷机耦合封装过程中探测器性能无干扰的测试和缩短封装周期问题，满足探测器性能在封装过程中性能控制的要求。

本发明的一种集成式杜瓦组件变温测试的制冷结构，如附图1所示，包括环氧拉杆柄1、环氧拉杆2、液氮腔密封盖板3、外壳4、液氮存储腔5、杜瓦一体支撑小端密封盖板6、芯柱7、定杆帽8、液氮托盘9、冷头10、测温铂电阻11、引线12、引线环13、杜瓦一体支撑密封底板14、加热电阻15、杜瓦一体支撑大端密封盖板16、待测试杜瓦17。环氧拉杆柄1与环氧拉杆2的上端通过低温胶胶接，液氮腔密封盖3与外壳4中间由液氮密封盖板橡胶圈301实现密封，外壳4分别与液氮存储腔5上端、杜瓦一体支撑小端密封盖板6通过激光焊接进行密封，液氮存储腔5与芯柱7通过激光焊接方式密封，定杆帽8的螺纹将环氧拉杆2下端与液氮托盘9固定，芯柱7与冷头10之间采用真空钎焊方式连接，在冷头10表面使用低温环氧胶分别胶接测温铂电阻11、加热电阻15,测温铂电阻11、加热电阻15均通过引线12连接，引线环13与杜瓦一体支撑密封底板14通过激光焊接连接，杜瓦一体支撑大端密封盖板16与待测杜瓦17的一体支撑1702下部小端面之间由杜瓦一体支撑大端密封盖板橡胶圈1601实现密封,待测试杜瓦17内冷链1701下端面与冷头10固定使其紧密接触。

本发明的实现方法如下：

将待测试杜瓦的排气管1704与排气机组通过法兰连接，将其腔体抽真空，使测试装置内部真空度达到1×10^-4Pa时。将液氮缓缓注入液氮存储腔内，经过一段时间后，杜瓦内探测器冷平台逐渐达到热平衡，此时杜瓦内部真空度达到1×10^-5Pa。在此条件下可实现杜瓦及变温测试制冷结构内部固体传导漏热和各零部件的辐射漏热不变。因此可由热传导公式进行推导，得到其中，λ为芯柱7的导热系数，A为芯柱7薄壁的横截面积，Q_漏热为杜瓦17漏热，ΔL为环氧拉杆2推拉的长度变化量。如附图2所示，T₁为环氧拉杆2将液氮托盘9推到芯柱7的底部时由待测杜瓦17冷平台上二极管所测温度值，T₂为环氧拉杆2将液氮托盘9拉到芯柱7的上部时由待测杜瓦17冷平台上二极管所测温度值，因此，ΔT＝(T₂-T₀)-(T₁-T₀)＝T₂-T₁,T₀为液氮温度。由公式可得知环氧拉杆2的长度ΔL与ΔΤ为线性关系。因此在环氧拉杆2的上端201区域刻上一定的分度值，该分度值代表了的分度，通过拉动不同刻度来调节液氮面与冷平台不同距离量，实现较大的测温范围。

为了保证所需的测温精度，在冷头10上贴了测温铂电阻11和加热电阻15，其中测温铂电阻11用于监测冷头10的温度，当冷头10温度过低时，可通过加热电阻15加热得到热量Q对热量进行补偿，即Q_总＝Q_传导+Q_加热，其中Q_加热＝I²·R，式中，I为加热电阻15通入电流，R为加热电阻的阻值。由公式从而达到所需的测量温度。

本发明的测量温度的控制步骤如下:

1)将由待测试杜瓦及变温测试制冷结构所组成的密封腔体进行抽真空，在该腔体内部真空达到1×10^-4Pa后，将刻有刻度的环氧胶拉杆2推到芯柱7底部，此时开始灌入液氮，并实时记录杜瓦冷平台上的测温二极管(待测杜瓦17芯片基板上已胶接的二极管)的数值可监控整个降温过程，在经过t₁Min时间的液氮冷却后，待测杜瓦17内已达到热平衡状态，此时记录杜瓦冷平台上温度T₁和刻度L₁；

2)待液氮存储腔5内液氮蒸发完后，将杜瓦冷平台的温度恢复到室温状态，再开始下一次测试，将环氧拉杆2拉到L2刻度，并持续灌入液氮，直至t₂min后,杜瓦内部达到热平衡，此时记录杜瓦探测器基板的温度T₂.如图1所示，当环氧拉杆2拉到L2刻度时，整个液氮存储腔7内充满液氮，而芯柱7被液氮托盘9分成两部分，液氮托盘9侧壁面与芯柱7内壁面之间存在0.2mm的间隙，既利于环氧杆2的推拉，也可由于毛细作用阻止液氮向下流动，因此芯柱7上部分充满液氮，下部分没有液氮，此时冷量传输途径为液氮冷量通过液氮托盘9侧面及芯柱7薄壁传输到冷头10，通过冷链1701将冷量传输到杜瓦冷平台及探测器，从而达到冷却探测器的目的；

3)由环氧拉杆2的长度ΔL与ΔΤ为线性关系，即式中T₀为液氮温度。因此在环氧拉杆2上端201区域刻上一定的分度值，该分度值代表了的分度，通过拉动不同刻度来调节不同液氮冷却量，实现精确控制所需的制冷温度。

4)为了保证所需的测温精度，在冷头10上贴了测温铂电阻11和加热电阻15，其中测温铂电阻11用于监测冷头10的温度，当冷头10温度过低时，可通过加热电阻15加热得到热量Q,对热量进行补偿，即Q_总＝Q_传导+Q_加热，其中Q_加热＝I²·R·t，式中，I为加热电阻15通入电流，R为加热电阻的阻值，t为加热电阻通电加热时间。由公式从而达到精确控制测量温度。

本发明的优点是：

1)本发明的制冷结构和实现方法简单，通用性强，成本低廉；

2)本发明的变温制冷结构易于安装及拆卸，不会影响后续直线性脉管制冷机冷指与杜瓦一体支撑的激光焊接工艺；

3)本发明采用液氮制冷方式冷却冷平台上的探测器模块，设计了一种可以调节液氮量实现制冷温度范围85-130K的结构，扩大了测温范围，通过环氧拉杆2的推拉实现测量温度的初步控制，通过在冷头10上胶接加热电阻15方式对热量进行补偿实现了温度精确控制；

4)本发明由于采用了液氮测试，整个测试过程不受制冷机压缩机振动及电磁干扰，测试精度高，结果稳定；

5)本发明适用于采用了直线型脉冲管制冷机与探测器耦合集成式杜瓦组件的探测器性能过程测试。

附图说明

图1为一种用于集成式杜瓦组件内变温测试制冷结构示意图。

图中：

1—环氧拉杆柄；

2—环氧拉杆；

201-环氧拉杆刻度部分

3—液氮密封盖板；

301—液氮密封盖板橡胶圈

4—外壳；

5—液氮存储腔；

6—杜瓦一体支撑小端密封盖板；

601—杜瓦一体支撑小端密封盖板橡胶圈；

7—芯柱；

8—定杆帽；

9—液氮托盘；

10—冷头；

11—测温铂电阻；

12—引线；

13—引线环；

14—杜瓦一体支撑密封底板；

15—加热电阻；

16—杜瓦一体支撑大端密封盖板；

1601—杜瓦一体支撑大端密封盖板橡胶圈；

17—待测试杜瓦；

1701—待测试杜瓦冷链；

1702—待测试杜瓦一体支撑；

1703—待测试杜瓦冷平台；

1704—待测试杜瓦排气管；

图2为环氧拉杆2及液氮托盘9推拉位置变化示意图,图2(A)为环氧拉杆2移动的起始位置；图2(B)为环氧拉杆2移动到所需要的温控位置；。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

实施例是某超长线列红外探测器焦平面集成式杜瓦组件探测器性能测试，如附图1所示，它的主要实施方法如下：

1、本发明中用于一种集成式杜瓦组件内变温测试的制冷结构的各零部件的制备方法和装配顺序如下：

a)芯柱7为不锈钢304L材料，壁厚为0.15mm，且外表面抛光处理，该零件起着液氮存储制冷及较低低固体传导漏热和作用。冷头10材料为高导无氧铜，且外表面进行抛光处理。芯柱7的下端与冷头10之间采用真空钎焊方式连接，焊接后检漏漏率达到7.0×10^{- 11}torr·l/s量级满足使用要求；

b)液氮存储腔5的材料为不锈钢304L，该零件表面进行抛光处理以减少辐射漏热。将步骤a)中已完成真空焊接的芯柱7的顶端与液氮存储腔5的下端采用激光焊接方式连接，焊接后漏率需达到7.0×10^-11torr·l/s量级满足使用要求；

c)外壳4的材料为不锈钢304L，该零件内表面进行抛光处理以减少辐射漏热。外壳4与液氮存储腔5之间采用激光密封焊接，焊接后漏率需达到7.0×10^-11torr·l/s量级；

d)使用低温胶将测温铂电阻11与加热电阻15分别粘贴到冷头10的下表面及侧面上，测温铂电阻11选用测温Pt电阻；加热电阻采用430Ω的电阻。并用0.1mm的锰铜引线12将测温传感器11与加热电阻15的进行连接，0.1mm的锰铜引线12的一端分别与测温传感器11与加热电阻15连接，另一端暂不与引线环13焊线。

e)环氧拉杆2的材料为环氧棒料，且环氧拉杆2的上端201区域刻有一定长度的分度值，该分度值代表了拉杆拉动长度与温差的关系。液氮托盘9材料为不锈钢304L.将环氧拉杆2的下部分加工凸台，将环氧拉杆2的下部凸台嵌入液氮托盘9的中心孔内，并用定杆帽8将液氮托盘中间的外螺纹固定。

f)将步骤e)装配好的环氧拉杆2与液氮托盘9组件缓慢推入芯柱7中,；

g)将液氮密封盖板3的材料为不锈钢材料，该零件左面挖有一个直径4mm的液氮注入孔，中间有一直径略大于环氧拉杆2的通孔以便环氧拉杆2插入。右侧挖有液氮挥发后的排气孔，主要起着减少液氮蒸发量的作用。液氮密封盖3下表面的卡槽内装入直径3mm液氮密封盖板橡胶圈301以实现密封；

h)引线环13为柯伐与玻璃珠烧结而成，杜瓦一体支撑密封底板14材料为不锈钢304L，其面向真空面抛光。引线环13与杜瓦一体支撑密封底板14之间采用激光焊接方式连接，焊接后漏率需达到7.0×10^-11torr·l/s量级；

i)环氧拉杆柄1材料为环氧棒料，环氧拉杆柄1与环氧拉杆2通过低温胶接方式连接。

2、本发明中用于一种集成式杜瓦组件内变温测试的制冷结构与待测试杜瓦17的装配过程如下：

a)将杜瓦一体支撑小端密封盖板6的下表面的橡皮圈密封槽内嵌入直径3mm杜瓦一体支撑小端密封盖板橡胶圈601；

b)将待测试杜瓦冷链1701下端面放置一片与冷头10下端面大小的0.1mm厚度的铟片；

c)将已经完成装配的变温测试制冷结构的冷头10由待测试杜瓦17的杜瓦一体支撑1702小端插入，并将待测试杜瓦冷链1701下端面与冷头10压紧固定，在此过程中需保证铟片平整且两个面紧密接触以达到良好的导热性能；

d)将杜瓦一体支撑小端密封盖板6与待测试杜瓦一体支撑1701的上端面进行密封；

e)将杜瓦一体支撑大端密封盖板16与待测试杜瓦一体支撑1701的下端面用杜瓦一体支撑大端密封盖板橡胶圈实现密封；

f)将加热片15与测温传感器11通过0.1mm的引线12分别引出到引线环13上，用于冷头10处温度测量及采用加热方式进行热量补偿；

g)将杜瓦一体支撑密封底板14与杜瓦一体支撑1702的底部进行密封装配，此时已完成待测杜瓦17与变温测试制冷结构的密封装配。

3、对某待测杜瓦17进行变温制冷测试的过程如下：

1)变温测试实施过程计算：

环氧拉杆2上端201区域刻上一定的分度值，该分度值代表了的分度，该制冷结构中，芯柱7材料为不锈钢304L,其在77K-130K的平均热导率为5.9W.m/K，A为芯柱7薄壁的横截面积为1.02×10^-3m²，Q为待测杜瓦17的总漏热为2.1W.环氧拉杆2的长度ΔL与ΔΤ为线性关系，即由公式可得 $\mathrm{\ΔL}=\mathrm{\λ}\·A\·\frac{(T2-T1)}{Q}\·=5.9\×1.02\×{10}^{-3}\×\frac{(130-85)}{2.1}=0.129m,$ 即环氧拉杆2的刻度部分总长为129mm，通过拉动不同刻度值来调节不同液氮冷却量，初步实现控制所需的制冷温度；当环氧拉杆2推拉时由于最小刻度为毫米且读数的小数点后两位时不能四舍五入时，其测试温度精度不满足要求，此时可以通过冷头10上所贴的加热电阻15进行热量补偿，由于加热电阻阻值为430Ω，则通过计算可知所需加热电流。变温测试过程中测试温度与环氧拉杆2长度变化量及加热电阻热量补偿量如表1所示。

2)针对某超长线列集成式杜瓦90K测温实施过程如下：

a)将待测试杜瓦17及变温制冷结构所组成的密封腔体抽真空，待该腔体内部真空达到1×10^-4Pa后，将刻有刻度的环氧拉杆2推到芯柱7底部，此时开始缓缓灌入液氮，并实时记录杜瓦冷平台上的测温二极管(待测杜瓦17冷平台1703的基板上已胶接的二极管)的数值可监控冷平台的整个降温过程，在经过t₁Min时间的液氮冷却后，待测杜瓦17内已达到热平衡状态，此时记录杜瓦冷平台上温度T₁为85K和刻度为0mm；

表1不同温度下环氧拉杆2实际长度变化量及加热电阻热量补偿量

测试温度(K)	环氧拉杆长度变化量(mm)	加热电阻加热量(W)
			85	0	0
90	14	0.82
			95	28	0.41
100	43	0
			105	57	0.84
110	71	0.42
			115	86	0
120	100	0.873
			125	114	0.423
130	129	0

b)待液氮存储腔5内液氮蒸发完后，将杜瓦冷平台温度恢复到室温状态，再开始下一次测试，为了达到测试杜瓦冷平台所需的90K的工作温度，通过计算需将环氧拉杆2拉到14mm位置，并持续灌入液氮，直至t2min后,杜瓦内部达到热平衡，此时记录杜瓦探测器基板的温度T2为89.2K，ΔL为14mm.

c)由于环氧拉杆2的在操作时拉14mm的刻度时，所需的测试温度未能达到90K,因此需要补偿热量为0.82W，通过对加热电阻15通入0.044A的电流并通过测温铂电阻11监测冷头10的温度以防加热过度导致温度升高。

以上就完成了一种集成式杜瓦组件内变温测试的制冷结构及实现了集成式杜瓦过程性能测试的方法，解决了直线型脉冲管制冷机与探测器耦合集成式杜瓦组件的探测器性能过程测试问题。

Claims (1)

1.一种基于集成式杜瓦组件变温测试制冷结构的控温方法，所述的集成式杜瓦组件变温测试制冷结构包括环氧拉杆柄(1)、环氧拉杆(2)、液氮腔密封盖板(3)、外壳(4)、液氮存储腔(5)、杜瓦一体支撑小端密封盖板(6)、芯柱(7)、定杆帽(8)、液氮托盘(9)、冷头(10)、测温铂电阻(11)、引线(12)、引线环(13)、杜瓦一体支撑密封底板(14)、加热电阻(15)、杜瓦一体支撑大端密封盖板(16)、待测试杜瓦(17)，其特征在于包括以下步骤：

1)将由待测试杜瓦及变温测试制冷结构所组成的密封腔体进行抽真空，在该腔体内部真空达到1×10^-4Pa后，将刻有刻度的环氧拉杆(2)推到芯柱(7)底部，此时开始灌入液氮，并实时记录杜瓦冷平台(1703)上的测温二极管的数值可监控整个降温过程，在经过t₁Min时间的液氮冷却后，待测杜瓦(17)内已达到热平衡状态，此时记录杜瓦冷平台上温度T₁和刻度L₁；

2)待液氮存储腔(5)内液氮蒸发完后，将杜瓦冷平台的温度恢复到室温状态，再开始下一次测试，将环氧拉杆(2)拉到L2刻度，并持续灌入液氮，直至t₂min后,杜瓦内部达到热平衡，此时记录杜瓦探测器基板的温度T₂，当环氧拉杆(2)拉到L2刻度时，整个液氮存储腔(5)内充满液氮，而芯柱(7)被液氮托盘(9)分成两部分，液氮托盘(9)侧壁面与芯柱(7)内壁面之间存在0.2mm的间隙，既利于环氧拉杆(2)的推拉，也可由于毛细作用阻止液氮向下流动，因此芯柱(7)上部分充满液氮，下部分没有液氮，此时冷量传输途径为液氮冷量通过液氮托盘(9)侧面及芯柱(7)薄壁传输到冷头(10)，通过冷链(1701)将冷量传输到杜瓦冷平台及探测器，从而达到冷却探测器的目的；

3)由环氧拉杆(2)的长度ΔL与ΔΤ为线性关系，即式中：λ为芯柱(7)的导热系数，A为芯柱(7)薄壁的横截面积，Q为杜瓦(17)漏热，ΔL为环氧拉杆(2)推拉的长度变化量，△T＝(T₂-T₀)-(T₁-T₀)＝T₂-T₁，T₀为液氮温度，T₁为环氧拉杆(2)将液氮托盘(9)推到芯柱(7)的底部时由待测杜瓦(17)冷平台上二极管所测温度值，T₂为环氧拉杆(2)将液氮托盘(9)拉到芯柱(7)的上部时由待测杜瓦(17)冷平台上二极管所测温度值；因此在环氧拉杆(2)上端(201)区域刻上一定的分度值，该分度值代表了的分度，通过拉动不同刻度来调节不同液氮冷却量，实现精确控制所需的制冷温度；

4)为了保证所需的测温精度，在冷头(10)上贴了测温铂电阻(11)和加热电阻(15)，其中测温铂电阻(11)用于监测冷头(10)的温度，当冷头(10)温度过低时，可通过加热电阻(15)加热得到热量Q,对热量进行补偿，即Q_总＝Q_传导+Q_加热，其中Q_加热＝I²·R·t，式中，I为加热电阻(15)通入电流，R为加热电阻的阻值，t为加热电阻通电加热时间，由公式从而达到精确控制测量温度。