CN106549067B - 一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构 - Google Patents
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Abstract
一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，包括探测器芯片(1)等；探测器芯片(1)安装在蓝宝石(2)上；第一过渡板(31)一侧面为平面，另一侧面中部开有环形槽，蓝宝石(2)粘接在第一过渡基板(31)平面一侧；第二过渡基板(32)一侧面为平面，另一侧面中部有环形凸起结构，凸起结构与第一过渡板(31)上的环形槽对接形成空腔，宝石补偿片(7)安装在空腔内，粘贴在第一过渡基板(31)上；第二过渡基板(32)安装在冷板(4)上。本发明通过该应力卸载结构，吸收由于层叠材料热膨胀系数不匹配产生的热应力及热变形，有效降低了大型红外焦平面的热应力及热变形，提高了大型红外焦平面器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型红外焦平面结构形式。
背景技术
随着空间红外遥感器的发展，遥感器的视场不断增大，空间分辨率不断提高。所以，红外探测器的规模也越来越大。但是受限于单片探测器的规模，通常必须将多片探测器进行拼接才能满足使用要求，拼接之后的焦面尺寸较大，目前已经可以达到100～300毫米。
红外焦平面结构如图1(a)、图1(b)所示，红外焦平面器件一般采用碲镉汞光伏阵列与探测器芯片1通过倒装焊接技术互联，再粘到蓝宝石片2上，蓝宝石片2粘接在热膨胀系数较小的过渡基板3上，过渡基板3的材料通常为殷钢，并将以上结构安装在冷板4上，冷板4一般采用导热系数较大的材料，目前常用的为钼铜材料，通过调整钼和铜的组分可以在一定范围内调整钼铜的热膨胀系数。制冷机的冷头5部位与冷板4连接，为其提供冷量，冷头5一般采用导热系数和热容量较大的紫铜。冷头5与制冷机冷指6连接。
红外焦平面一般在低温条件下(55～120K)才能具备最好的探测性能，而探测器的封装和零件的装配是在常温下进行。由于各种材料之间的热膨胀系数不一致，常温降至工作温度的过程中不可避免的产生热应力及变形。对于大型焦平面而言，此问题尤为突出，可能会造成探测器材料的损伤，严重影响了焦平面器件的寿命和可靠性。另外，热变形还可以引起探测器光敏面翘曲，使得探测器不共面，从而影响成像质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，探测器在低温工作环境下，通过该应力卸载结构，吸收由于层叠材料热膨胀系数不匹配产生的热应力及热变形，有效降低了大型红外焦平面的热应力及热变形，提高了大型红外焦平面器件的可靠性。
本发明所采用的技术方案是：一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，包括探测器芯片、蓝宝石、第一过渡基板、第二过渡基板、冷板、宝石补偿片；探测器芯片安装在蓝宝石上；第一过渡板一侧面为平面，另一侧面中部开有环形槽，蓝宝石粘接在第一过渡基板平面一侧；第二过渡基板一侧面为平面，另一侧面中部有环形凸起结构，凸起结构与第一过渡板上的环形槽对接形成空腔，宝石补偿片安装在空腔内，粘贴在第一过渡基板上；第二过渡基板安装在冷板上。
所述第一过渡基板长边两侧沿厚度边的中线向内开有弧形的卸载环使得第一过渡基板两侧分成上下两层；卸载环弧形边缘开有应力释放槽。
所述第一过渡基板环形槽两侧的平面上各开有一道弧形的应力释放槽。
所述第二过渡基板环形凸起结构两侧的平面上各开有一道弧形的应力释放槽，分别与第一过渡基板环形槽两侧的平面上的应力释放槽对应。
所述第二过渡基板上平面的一侧表面上开有环形的应力释放槽。
所述第一过渡基板和第二过渡基板之间形成的空腔内填充金属橡胶或铜丝棉。
所述第二过渡基板和冷板之间填充铟箔，位于第二过渡基板平面一侧表面上的应力释放槽外围。
所述冷板为钼铜板。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过合理的结构设计，对焦平面热应力进行卸载，有效降低了材料热膨胀系数不一致所导致的热应力，减小了热应力过大引起材料破坏的风险，提高了器件的使用寿命及可靠性。
(2)本发明通过卸载结构吸收材料热不匹配产生的热变形，降低了大型红外焦平面各模块探测器光敏面的翘曲程度，有效保证光敏面之间的共面度，提高了器件的使用性能。
(3)本发明通过合理的材料布局，降低了冷指到探测器芯片的热阻，保证焦面各零部件之间的导热性能和温度均匀性；
(4)本发明在结构中使用金属橡胶或铜丝棉，增加了结构的阻尼特性，可以减小制冷机冷指振动对探测器的影响。
附图说明
图1(a)为现有红外焦平面结构侧视图；
图1(b)为现有红外焦平面结构轴侧图；
图2为本发明的大型红外焦平面结构截面图；
图3为本发明的大型红外焦平面结构爆炸图；
图4为本发明第一过渡基板的结构示意图；
图5为图4中A-A位置的剖视图；
图6为本发明第二过渡基板的结构示意图；
图7为图6中A-A位置的剖视图。
具体实施方式
如图2、图3所示，一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，包括探测器芯片1、蓝宝石2、第一过渡基板31(Invar)、第二过渡基板32(Invar)、冷板4、宝石补偿片7、金属橡胶或铜丝棉8和铟箔9；探测器芯片1安装在蓝宝石2上；第一过渡板31一侧面为平面，另一侧面中部开有环形槽，蓝宝石2粘接在第一过渡基板31平面一侧；第二过渡基板32一侧面为平面，另一侧面中部有环形凸起结构，凸起结构与第一过渡板31上的环形槽对接形成空腔，宝石补偿片7安装在空腔内，粘贴在第一过渡基板31上；第二过渡基板32安装在冷板4上。冷板4安装在冷头5上，冷头5安装在冷指6上。冷头5侧截面为“T”形的圆柱体，材料为紫铜；冷指6为圆柱状结构，冷指6材料为钛合金。探测器芯片1为碲镉汞红外焦平面器件，用于空间相机红外探测。
如图4～图7所示，第一过渡基板31长边两侧沿厚度边的中线向内开有弧形的卸载环13使得第一过渡基板31两侧分成上下两层；卸载环13弧形边缘开有应力释放槽10。第一过渡基板31环形槽两侧的平面上各开有一道弧形的应力释放槽10。第二过渡基板32环形凸起结构两侧的平面上各开有一道弧形的应力释放槽10，分别与第一过渡基板31环形槽两侧的平面上的应力释放槽10对应。第二过渡基板32上平面的一侧表面上开有环形的应力释放槽10。第一过渡基板31和第二过渡基板32之间形成的空腔内填充金属橡胶或铜丝棉8。第二过渡基板32和冷板4之间填充铟箔9，位于第二过渡基板32平面一侧表面上的应力释放槽10外围。冷板4为钼铜板。
探测器芯片1粘接在蓝宝石2上，蓝宝石2粘接在热应力卸载结构上，热应力卸载结构安装在冷板4(钼铜板)上。冷板4与热应力卸载结构安装四周填充铟箔9，增加冷板4与热应力卸载结构的热传导特性。热应力卸载结构为分体结构，包括第一过渡基板31、第二过渡基板32；第一过渡基板31开环形卸载槽，安装一起后，第一过渡基板31、第二过渡基板32的组合卸载环12形成中间卸载凹槽。第一过渡基板31与第二过渡基板32之间可以填充金属橡胶或铜丝棉8，减小结构之间的热阻，并增加结构阻尼特性。
工作原理如下：在常温降至低温的过程中，由于材料为钼铜的冷板4热涨系数较大，收缩比殷钢大，产生上凸变形，通过第一过渡基板31、第二过渡基板32之间的应力卸载槽10变形，吸收一部分热失配产生的应力及变形，未卸载掉的应力与变形传递到第一过渡基板31上，第一过渡基板31上端卸载环13对此应力与变形进一步卸载，从而有效减小红外焦平面上的应力与变形。如果卸载后探测器仍不满足平面度指标的要求，还可在第一过渡基板31上粘贴蓝宝石片进一步改善热变形。
另外，冷指6工作过程中伴随着机械振动或者气体的压力波动，从而可以引起探测器的振动，当振动量级较大时，将会影响相机的成像质量。采用本发明中的卸载结构形式之后，一方面由于振动传递路径延长，另一方面由于填充金属橡胶或铜丝棉8具有很好的阻尼特性，可以显著降低探测器处的振动。
为了验证本发明的正确性和可行性，将图1实心结构焦平面以及图2卸载结构焦平面分别进行了建模分析，分析结果表明：当工作温度为60K时，采用卸载结构(未采用宝石补偿)计算的探测器芯片1最大应力为41.1Mpa，探测器芯片1在焦深方向的变形为23.1μm；粘贴补偿宝石片7后，探测器芯片1变形为6.3μm，探测器芯片1应力为41.7Mpa，而采用非卸载结构计算的芯片最大应力为62.1Mpa，探测器芯片1在焦深方向的变形为90.6μm。由此可见，卸载结构对芯片热应力及变形改善显著，进行宝石补偿后，芯片热变形抑制显著，有效提高了探测器芯片1的可靠性。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。
Claims (8)
1.一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，其特征在于，包括探测器芯片(1)、蓝宝石(2)、第一过渡基板(31)、第二过渡基板(32)、冷板(4)、宝石补偿片(7)；探测器芯片(1)安装在蓝宝石(2)上；第一过渡基板(31)一侧面为平面，另一侧面中部开有环形槽，蓝宝石(2)粘接在第一过渡基板(31)平面一侧；第二过渡基板(32)一侧面为平面，另一侧面中部有环形凸起结构，凸起结构与第一过渡基板(31)上的环形槽对接形成空腔，宝石补偿片(7)安装在空腔内，粘贴在第一过渡基板(31)上；第二过渡基板(32)安装在冷板(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，其特征在于：所述第一过渡基板(31)长边两侧沿厚度边的中线向内开有弧形的卸载环(13)使得第一过渡基板(31)两侧分成上下两层；卸载环(13)弧形边缘开有应力释放槽(10)。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，其特征在于：所述第一过渡基板(31)环形槽两侧的平面上各开有一道弧形的应力释放槽(10)。
4.根据权利要求3所述的一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，其特征在于：所述第二过渡基板(32)环形凸起结构两侧的平面上各开有一道弧形的应力释放槽(10)，分别与第一过渡基板(31)环形槽两侧的平面上的应力释放槽(10)对应。
5.根据权利要求4所述的一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，其特征在于：所述第二过渡基板(32)上平面的一侧表面上开有环形的应力释放槽(10)。
6.根据权利要求1或2所述的一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，其特征在于：所述第一过渡基板(31)和第二过渡基板(32)之间形成的空腔内填充金属橡胶或铜丝棉(8)。
7.根据权利要求5所述的一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，其特征在于：所述第二过渡基板(32)和冷板(4)之间填充铟箔(9)，位于第二过渡基板(32)平面一侧表面上的应力释放槽(10)外围。
8.根据权利要求1或2所述的一种具有热应力卸载能力的大型红外焦平面结构，其特征在于：所述冷板(4)为钼铜板。
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