CN105388636A - 一种制冷型自辐射红外微辐射阵列 - Google Patents

一种制冷型自辐射红外微辐射阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制冷型自辐射红外微辐射阵列器件，属于红外动态仿真技术领域，涉及红外动态场景生成器件。制冷型自辐射红外微辐射阵列主要包括基底、微辐射元、制冷器、控制电路、导热层、封装窗口等，是一种微光机电系统，通过控制每一个微辐射元的温度，从而改变每一个微辐射元的辐射量值，产生具有一定帧频的动态红外图像，实现红外场景模拟。使用本发明的制冷型自辐射红外微辐射阵列能够减少衍射现象，提高图像质量，可作为红外动态场景模拟系统的核心器件，解决了在中波波段和长波波段复杂战场环境的高动态、高分辨率、大动态范围场景模拟技术的难题，具有广泛的应用前景。

Description

一种制冷型自辐射红外微辐射阵列
技术领域
本发明属于红外动态仿真技术领域，涉及红外动态场景生成器件。
背景技术
目前，在国防领域，红外成像器大量应用于精确制导武器系统、空间侦察系统、临近空间预警系统、星载红外遥感系统等各类国家重大型号，随着相关型号技战术要求的不断提高，为了提高其抗干扰能力，使其适应复杂的战场环境，提升作战效能，需要进行大量的仿真验证试验，因此，对复杂战场环境的高动态、高分辨率、大动态范围红外场景模拟技术的需求也就越来越迫切。
在国外，一般采用红外动态场景模拟器进行复杂战场环境模拟、红外成像器性能测试及仿真，能够实现各类干扰因素、多目标、复杂战场环境等的模拟，可以在实验室内实现真实战场环境的模拟，减少外场试验次数，节约研究经费，以较高的效费比提高精确制导武器系统的复杂战场环境适应能力。
红外动态场景模拟器主要采用红外液晶光阀、红外电阻阵列、红外CRT、红外微镜阵列(红外DMD)等技术，另外，国外还有采用大屏幕方案的系统，即将红外光学景象投射到一个大屏幕上，供导引头进行测试，大屏幕方案测试效果较好，但占用空间较大，对光线遮挡要求比较严格，不利于在技术阵地开展测试工作。近年来，随着微机械学和大规模集成控制学的迅速发展和成熟，已经具备了由紫外到远红外不同种类的DMD器件。红外DMD是最新型的图像源技术，具有方便控制，动态仿真效果好的优点，国外的红外DMD器件的制作技术已经很成熟，达到了商品化的程度。
在国内，自红外成像器研制以来，针对红外成像器的红外测试装置及技术研究已广泛开展。利用机械刻靶作为图像源的红外测试装置，需要在机械靶后加上一个面源黑体，结构较简单，但不能实现复杂场景的动态模拟，不能满足红外成像导引头的动态测试需求。1998年，为满足红外成像导引头仿真试验需要，红外CRT动态场景模拟器被研制出来，其分辨率为256×256象素，但由于制备技术和工艺较难，同时红外CRT存在闪烁，帧频低等问题，不能满足高超声速导弹的高分辨率红外成像指导系统的需要。2004年，由上海技术物理研究所研制的红外电阻阵列动态场景模拟器，分辨率为256×256，帧频可以达到150Hz以上，但其辐射效率低，功耗大，而且控制系统过于庞大，目前还处于原理样机阶段，如要实现工程应用还要解决几个关键技术。2006年，哈工大等单位对可见光DMD进行窗口改造，实现了DMD红外中波动态场景模拟器的研制，取得了一些很有用的研究成果和测试数据，并已投入到工程应用中，但是由于从国外进口的可见光DMD器件单元像素尺寸最大的为12um，应用到红外动态场景测试领域中时，像元的尺寸仅为工作波段的1～4倍，尤其在长波红外波段，产生严重的衍射现象，大大影响红外场景测试系统的成像质量。
为了减少衍射现象，提高成像质量，研制单位一般采用牺牲分辨率，通过DMD器件的binning技术来实现，即将可见光DMD器件中的一个阵列的像素合成为一个像素使用。虽然通过此技术，减少了衍射现象，提高了成像质量，但大大降低了红外动态场景测试装置的分辨率，而在长波红外范围内衍射现象更为严重，成像质量也更差，对比度很低，无法满足高分辨率长波红外成像器的测试及半实物仿真要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制冷型自辐射红外微辐射阵列，作为中波波段和长波波段复杂战场环境的高动态、高分辨率、大动态范围红外场景模拟系统的核心器件，能够减少衍射现象，提高成像质量，且具有较高的分辨率。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种制冷型自辐射红外微辐射阵列，其特征在于包括基底(1)、微辐射元(2)、制冷器(3)、控制电路(4)、导热层(5)、封装窗口(6)，所述基底(1)用于承载微辐射元(2)并将多余的热量导出至制冷器(3)；所述微辐射元(2)为自辐射部件，用于在控制电路(4)的控制下改变温度，产生不同帧频的红外图像；所述制冷器(3)位于基底(1)背面，用于接收基底(1)导出的多余热量，保证基底(1)的温度处于恒定值；所述控制电路(4)制备在基底(1)上，用于控制微辐射元(2)的温度；所述导热层(5)位于基底(1)和微辐射元(2)之间，用于微辐射元(2)与基底(1)之间的热隔离及热耦合，所述封装窗口(6)位于微辐射元(2)前部，用于使微辐射元(2)处于真空环境。
所述制冷器(3)采用的制冷方式包括半导体制冷、低温气体制冷或者压缩机制冷方式。
所述导热层(5)是层状结构，其材料包括SiO2或聚酰亚胺。
所述基底(1)材料包括单晶硅、石英晶体或者蓝宝石。
所述微辐射元(2)为自辐射微型部件，可通过控制电路实现制冷或加热，制冷或加热方式包括半导体制冷、铁电制冷或者铁磁制冷。
所述微辐射元(2)材料包括碳纳米复合材料、碳黑或者金属黑。
所述微辐射元(2)之间具有间隙，保证热隔离。
所述控制电路(4)为集成电路，通过接口与微辐射元(2)、外部设备连接(7)，实现信号传输。
所述的封装窗口(6)为光学材料构成的密封窗口，所述光学材料包括硒化锌、硫化锌、锗、硅或者石英。
所述基底(1)与制冷器(3)之间涂敷导热脂。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明的制冷型自辐射红外微辐射阵列是一种微光机电系统，通过控制电路可精确控制每一个微辐射元的温度，使其具有一定的红外对比度，产生具有一定帧频的中波和长波动态红外图像，实现红外场景模拟，作为红外动态场景模拟系统的核心器件，解决了在中波波段和长波波段复杂战场环境的高动态、高分辨率、大动态范围场景模拟技术的难题，具有广泛的应用前景。
(2)本发明制冷器采用的帕尔贴制冷方式，具有易控制、易实现、体积小、重量轻、无活动部件等优点。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明制冷型自辐射红外微辐射阵列结构图
图2为本发明制冷型自辐射红外微辐射阵列正面图
图3为本发明制冷型自辐射红外微辐射阵列背面图
图4为本发明制冷型自辐射红外微辐射阵列三维示意图
图5为本发明微型帕尔贴阵列模型的结构图
图6为本发明仿真设计的理论模型示意图
图7为本发明加工流程图
图8为本发明控制电路结构图
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明制冷型自辐射红外微辐射阵列，如图1所示，包括基底1、微辐射元2、制冷器3、控制电路4、导热层5、封装窗口6。
微辐射元2位于器件基底1上，其辐射体尺寸为20μm×20μm×0.1μm，可选材料包括碳纳米复合材料及碳黑、金属黑(铂黑、金黑、镍磷黑等)等，数量为800×600，微辐射元2之间设置一定的间隙，保证热隔离。为了保证基底1温度均匀性，需要设计合理的基底1厚度，确定为5mm，其内安装温度传感器，为了与微辐射元2数量和尺寸匹配，其尺寸确定为45mm×25mm，基底1材料选择具有较高热导率、较好工艺兼容性的材料，可选材料包括K9光学玻璃、硅或者蓝宝石等。
微辐射元2为自辐射微型部件，可通过控制电路实现制冷或加热，从而实现对微辐射元2的温度控制，形成不同帧频的红外场景。制冷或加热方式可选择半导体制冷、铁电制冷或者铁磁制冷。
制冷器3用于接收基底1导出的来自于微辐射元2的多余热量，保证基底1的温度处于恒定值。制冷器3采用双级帕尔贴半导体制冷器，功率为20W，两级温差可达60℃。采用程控电源对其制冷功率进行控制，可将基底1控制在一个恒定的温度上。上述制冷方式有易控制、易实现、体积小、重量轻、无活动部件等优点。为了保证散热良好，基底1与制冷器3之间可以涂敷导热脂。
控制电路4采用通常的集成电路工艺制作在芯片上，既是衬底，又起着选通、驱动和在帧频之间维持温度的作用,可控制每一个微辐射元的输出功率、输入电压、输入电流，以控制每一个微辐射元的温度，通过接口与微辐射元、外部设备7等连接，实现信号传输。
导热层5位于基底1和微辐射元2之间，用于微辐射元2与基底1之间的热隔离及热耦合，导热层5为具有一定厚度的层状结构，尺寸为20μm×20μm×20μm，可选材料包括SiO2、聚酰亚胺等，通过选择导热体的材料、设计不同的尺寸，可以调节导热层5的导热特性，控制微辐射元2的散热条件。
封装窗口6位于微辐射元2前部，为光学材料构成的密封窗口，保证内部微辐射元2处于真空环境内，确保其热环境稳定，并保证微辐射元2的散热不存在对流散热，可选材料包括硒化锌、硫化锌、锗、硅、石英等。如图2所示，周边四个孔为安装孔，微辐射阵列前部为窗口位置，可根据具体波段增加封装窗口。
如图5所示，微辐射元2采用半导体制冷型微辐射元，基于半导体制冷原理的P型半导体、N型半导体及不同导电金属材料的选择与参数的确定，是利用TCAD仿真软件基于帕尔贴热电效应来确定的，通过仿真分析和数值计算进而优化得到微型帕尔贴阵列的合理金属材料、半导体掺杂浓度以及结构单元的尺寸参数。
如图6所示，在模型参数确定的基础上，利用有限元分析软件ANSYS进行热力学仿真分析。第一步，在软件中依据上一步仿真设计的结果，建立微型帕尔贴阵列重复子单元的有限元三维模型；第二步，在建立三维模型的基础上，选用合理的方式进行网格划分，此步骤中需要注意的是网格划分的精度控制，网格划分的精度不易过为细分，这样往往会增加计算机仿真的速度与进度，增加仿真过程中对于硬件的要求。然而网格划分的精度也不能过粗，这样的仿真结果会与客观有所偏差；第三步，要进行模型的理想化输入环境设置，其中包括：环境温度、材料参数属性设置、以及相关输入设置；最后一步进行有限元分析求解出设计的微型帕尔贴阵列在二维平面内的温场分布。
根据以上两种分析软件的仿真结果，通过不断的迭代改变参数设置的方式，进行不断的优化，直至仿真的结构达到设计指标的要求。
如图7所示，微型帕尔贴阵列器件的实现最关键的环节就是基于MOEMS技术的工艺制造环节，与传统的帕尔贴热电臂模具加工，人工焊接的加工工艺相比，微加工MOEMS工艺主要包括：清洗工艺、氧化工艺、化学气相沉积、光刻工艺、刻蚀工艺等。低压化学气相沉积(LVCVD)的生长机理是利用硅的气态化合物，硅原子按照衬底晶向成核，沉积在硅衬底表面的过程，LPCVD的特点是沉积在低气压条件下进行，厚度均与，优良的台阶覆盖能力，用于完成N型半导体膜层和P型半导体膜层的制备。光刻工艺是利用光通过掩膜板上的图形窗口，照射涂有光刻胶的待刻蚀衬底，在衬底表面形成图案的方法。光刻是MEMS器件图形结构的关键工艺技术，对各层薄膜的图形以及掺杂区域的确定有着决定性的作用，光刻胶是实现光刻图像转移的材料，分为正胶和负胶两类。正胶和负胶的搭配使用能够实现N型半导体柱和P型半导体柱的制备。蒸渡是将金属材料附着在N型半导体和P型半导体柱上面，进而形成环形回路，通过以上工艺进而完成微型帕尔贴阵列的制备。
如图8所示，另一个关系到器件成功与否的关键技术为半导体制冷型红外微型帕尔贴阵列的控制电路。单个微帕尔贴单元的电路原理首先进行需求分析，针对于8×8的帕尔贴阵列，设定加热的速率分为256级，而且要求其进行校正，所以驱动每一个辐射单元的DA数据应大于8位。而通信中一般以字节为单位，因此采用16位DA数据进行控制，那么在200HZ的帧频下工作，数据传输速率为：V＝8行×8列×200HZ×16位＝209.7152Kbps。通过计算得出的数据传输速率指的仅能满足50Hz帧频下有效数据的传输，由于数据传输过程中还存在各种时间损耗，所以实际工作中对数据传输速率的要求将大于209.7152Kbps。由于对电阻阵列的驱动方式采用的是按列扫描，所以驱动控制器的另一个重要参数是列扫描时间。在200Hz的帧频下工作时，列扫描时间(T)可用下式进行计算：T＝1/(200Hz×8)＝156.25us。驱动控制器主要用于接收实时传输单元的数据，按照通讯协议对数据进行处理，完成对电阻阵列的驱动控制等。为达到高实时性的要求，主要是利用大规模集成电路FPGA实现微型帕尔贴阵列工作时钟的驱动电路，依据板卡的功能以及微帕尔贴阵列的驱动控制需求，设计驱动板卡由PCI总线控制器、FPGA、EEPROM、数据缓存器、板上CPU和数模转换电路等。
通过以上的方式实现了图像数据的高速传输和多路模拟驱动信号的快速产生。
微阵列单元的单元电路用通常的集成电路工艺制作在芯片上，它既是微帕尔贴阵列的衬底，又起着选通、驱动和在帧频之间维持温度的作用。它包括我外围的寻址电路和单元控制电路。采用多路传输器作为外围电路大大减少了输入输出线，也简化了封装。这里列采用扫描寻址的模式，即一行接一行的寻址。基于倒装芯片技术在微帕尔贴阵列器件封装中进行应用，分析基板和焊料的性能要求,通过设计和制作用于微型帕尔贴片和基板的焊料凸点结构,并应用全自动贴片设备进行微型结构的互连。这种贴片与基板的高精度、高可靠性的互连的封装技术,可实现微型帕尔贴阵列器件的小型化和批量化生产。
通过以上的分析可知：本发明可以通过控制微辐射元的电流的方向和电流的大小，控制升温还是降温，以及升降温的快与慢，具有使用灵活、动态范围宽的特点，同样可以满足相应的需求。
本发明的制冷型自辐射红外微辐射阵列能够达到的技术指标主要有：
(1)工作波段：3μm～5μm，8μm～12μm；
(2)最大分辨率：≥800×600；
(3)最大模拟温差：≥10K；
(4)帧频：≥80Hz；
(5)有效像素率：≥99％；
(6)温度非均匀性：≤1％。
尽管已参照最佳实施方式描述了本发明的技术方案，但是本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围并不局限于这些具体实施方式，在不偏离本发明的基本原理的情况下，可以对所述实施方式以及其中的具体技术特征－例如各个模块进行拆分、组合或改变，拆分、组合或改变后的技术方案仍将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制冷型自辐射红外微辐射阵列，其特征在于包括基底(1)、微辐射元(2)、制冷器(3)、控制电路(4)、导热层(5)、封装窗口(6)，所述基底(1)用于承载微辐射元(2)并将多余的热量导出至制冷器(3)；所述微辐射元(2)为自辐射部件，用于在控制电路(4)的控制下改变温度，产生不同帧频的红外图像；所述制冷器(3)位于基底(1)背面，用于接收基底(1)导出的多余热量，保证基底(1)的温度处于恒定值；所述控制电路(4)制备在基底(1)上，用于控制微辐射元(2)的温度；所述导热层(5)位于基底(1)和微辐射元(2)之间，用于微辐射元(2)与基底(1)之间的热隔离及热耦合，所述封装窗口(6)位于微辐射元(2)前部，用于使微辐射元(2)处于真空环境。
2.根据权利要求1所述的制冷型自辐射红外微辐射阵列，其特征在于：所述制冷器(3)采用的制冷方式包括半导体制冷、低温气体制冷或者压缩机制冷方式。
3.根据权利要求1所述的制冷型自辐射红外微辐射阵列，其特征在于：所述导热层(5)是层状结构，其材料包括SiO2或聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的制冷型自辐射红外微辐射阵列，其特征在于：所述基底(1)材料包括单晶硅、石英晶体或者蓝宝石。
5.根据权利要求1所述的制冷型自辐射红外微辐射阵列，其特征在于：所述微辐射元(2)为自辐射微型部件，可通过控制电路实现制冷或加热，制冷或加热方式包括半导体制冷、铁电制冷或者铁磁制冷。
6.根据权利要求1所述的制冷型自辐射红外微辐射阵列，其特征在于：所述微辐射元(2)材料包括碳纳米复合材料、碳黑或者金属黑。
7.根据权利要求1所述的制冷型自辐射红外微辐射阵列，其特征在于：微辐射元(2)之间具有间隙，保证热隔离。
8.根据权利要求1所述的制冷型自辐射红外微辐射阵列，其特征在于：所述控制电路(4)为集成电路，通过接口与微辐射元(2)、外部设备连接(7)，实现信号传输。
9.根据权利要求1所述的制冷型自辐射红外微辐射阵列，其特征在于：所述的封装窗口(6)为光学材料构成的密封窗口，所述光学材料包括硒化锌、硫化锌、锗、硅或者石英。
10.根据权利要求1所述的制冷型自辐射红外微辐射阵列，其特征在于：所述基底(1)与制冷器(3)之间涂敷导热脂。
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