CN108007578B - 一种红外大面阵多模块自动拼接机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外大面阵多模块自动拼接机构。红外大面阵多模块自动拼接机构由焦平面拼接基板、大面阵探测器模块、大面阵红外探测器拼接机构、微调压电步进马达、微调压电旋转马达组成。先在定位打孔焦平面拼接基板并涂覆低温胶，将多个面阵探测器安装在基板上，借助红外焦平面大面阵多模块对中拼接机构实现水平面及Z轴高度方向高精度调节。之后将拼接基板与多个红外探测器模块常温固化，最后再将红外焦平面多模块对中拼接机构与带大面阵红外探测器和微调步进及旋转马达分离，这样就完成了多模块大面阵红外探测器的三维拼接。本发明可实现多个探测器模块间高精度自动对中拼接、精度高、重复性好，同时大规模面阵模块可单独替换，可维修性好。
Description
技术领域
本发明涉及多模块红外探测器的拼接技术，具体指一种红外大面阵多模块自动拼接机构，它适用于大面阵红外焦平面探测器组件组装，同样适用于多模块CCD焦平面探测器组件组装。
背景技术
红外遥感仪器的两个重要性能指标为视场和空间分辨率。红外遥感仪器的两个重要性能指标为视场和空间分辨率。视场扩大可以增加仪器的观测范围，空间分辨率提高可以改善仪器的成像质量。在红外成像系统中，光学系统的焦距和探测器的规模尺寸决定了系统的视场，光学系统的焦距和像元尺寸大小决定了系统的空间分辨率。在探测器靶面一定的情况下，为了提高成像系统的作用距离和分辨率等总体指标，需要采用长焦距光学系统，导致系统视场减小，因此在红外探测器规模和像元尺寸一定的情况下，红外系统视场和分辨率存在相互制约的关系。
在研制高分辨大视场光学系统中，为了克服视场和分辨率存在矛盾，解决的途径之一为采用高分辨效率、超大规模面阵红外焦平面探测器。红外探测器受制备工艺、填充系数、灵敏度、成品率、成本等因素的限制，其规模是一定的。为了得到超大规模面阵大像元的面阵探测器件，一般采用多个大规模的面阵探测器(如1K×1K、4K×4K等)通过“无缝”拼接而成。“无缝”拼接并不是指真正意义上的焦平面无缝拼接，而是通过一定的视场拼接方法，对整个视场进行无缝覆盖。典型的方法有品字形拼接，通过两次或多次成像覆盖，采用图像拼接的方法完成视场的无缝拼接。或是采用田字型拼接，直接实现视场的无缝拼接，这样成像的光学结构更为简单，成像时间更短，但需要多个大规模的面阵探测器之间在三维空间上具有较高的精度要求。
传统的拼接主要是满足在XY平面及旋转方向的精度，其拼接方法为在显微镜或显微投影仪下，用镊子将探测器模块放在涂有粘合剂的基板上，然后手动或通过特定的微调机构将探测器拨动到指定的位置。具体见中国专利03230349.1长线列红外探测器件拼接装置。或是采用多模块面阵红外探测器三维拼接结构进行品字形的多个小模块焦平面探测器拼接，但是这个方法通过铰链的方式精度控制比较难于操作。具体见CN103411681A
通过传统的方法不能满足对Z轴即高度方向多个探测器焦面的平面度精度的拼接要求。文章《Performance of the QWIP focal plane arrays for NASA'sLandsat DataContinuity Mission》(Proc.of SPIE Vol.8012)3个640×512拼接在一起，其三个模块拼接后Z轴方向多个探测器焦面的平面度精度达到
±8.54μm。文章描述的原理是控制探测器衬底、读出电路、硅衬底的精度，同时在读出电路与硅衬底、硅衬底与因瓦基板之间用不同直径的空心微小珠和粘合剂在填充间隙。具体实施方法未见报道。
SBIRS-high系统由6个中波红外512×512拼接而成，其拼接原理为首先选取一个平面度很高的胶接平面，选择不易变形且温度特性良好的胶，将其均匀的涂在平面上；然后采用吸盘将焦平面放置在胶上，等待胶干后放开吸盘，拼接焦平面的平面度依靠吸盘每次放置焦平面的高度保证，其平面度误差依靠胶来调整。其优点在于可以实现非常高精度的平面拼接；其难点在于胶材料的选取、吸盘重复高度的控制、涂胶工艺要求高；缺点在于风险很高，焦平面一旦胶接后焦平面无法替换，其中一个焦平面模块的损坏将导致整个拼接焦平面报废。
发明内容
本发明的目的是提供一种红外大面阵多模块自动拼接机构及实现方法，实现多个大规模的面阵探测器之间在三维方向上具有较高的位置精度，解决了大面阵红外焦平面探测器的三维高精度组装要求。
本发明一种红外大面阵多模块自动拼接机构如附图1所示，它包括大规模探测器模块1、SiC/Al大基板2、安装支架3、Z轴向微调机构4、Z轴旋转微调机构5、X，Y向微调控制机构6、SiC/Al大基板固定螺钉7及四角调节小宝石片8。
所述的SiC/Al大基板2为各个模块开孔方形结构，其材料为合金Al基SiC陶瓷复合材料，由贴装基板201、对中方孔202、小宝石片台阶203、对中细孔204组成。尺寸为100mm×70mm×5mm，每一个探测器模块1决定相应的对中方孔202、四个小宝石片台阶203和四个对中细孔204的位置。探测器模块1贴装在贴装基板201上，对中胶接固定后探测器模块1的宝石电极板102与贴装基板201上表面贴合。
所述的安装支架3由上支架301、支撑柱302及安装底板303组成。上支架301通过支撑柱302与安装底板303连接，SiC/Al大基板2则通过限位台阶305和固定螺钉7固定在上支架301上。Z轴向微调机构4和Z轴旋转微调机构5都固定在大地板安装底孔304内。
所述的Z轴向微调机构4由第一压电步进马达401、第一固定连杆402及第一调节连杆403组成，第一压电步进马达401最小步进量为1μm，最大行程为80mm，具有非常高的步进精度和足够大的行程。通过在芯片模块四个角的下面安装四只第一压电步进马达401可以实现，单模块和多模块的Z轴向高精度微调节。
所述的Z轴旋转微调机构5由压电旋转马达501、第二固定连杆502及第二调节连杆503组成，压电旋转马达501最小旋转量为1arcsec，具有非常高的旋转控制精度。通过在芯片模块中心下方安装一只压电旋转马达501可以实现，单模块和多模块绕Z轴向的方位角微调节。
所述的XY向微调机构6由第二压电步进马达601、连杆602及调节杆603组成，第二压电步进马达601最小步进量为1μm，最大行程为80mm，具有非常高的步进精度和足够大的行程。通过在上支架301边缘固定的第二压电步进马达601推拉调节杆603，实现单模块和多模块XY向高精度微调节。在三维方向调节完成后，对多个模块进行四周灌胶、固化，最后形成贴装有多个高精度拼接的大规模探测器模块1的SiC/Al大基板2。
所述的红外大面阵多模块自动拼接机构的第一压电步进马达401、压电旋转马达501、第二压电步进马达601都是通过电脑控制的，可以直接输入调节数值，以实现自动高精度对中。
本发明由于采用胶结固定的方式，当拼接有多个大规模探测器模块1的SiC/Al大基板2上的某个大规模探测器模块1损坏或失效后，可对损坏或失效的模块进行更换。进行更换操作时，只需使用恒温加热器局部加热损坏或失效模块周围的低温胶，等胶变软熔化后，从背部顶出有损坏或失效模块的贴装基板201，再重新拼接贴装一个完好大规模探测器模块1在SiC/Al大基板上，在对其进行对中微调节灌胶胶结，待胶固化后即完成现单模块的修复工作。
具体步骤如下：
1)SiC/Al大基板2加工研磨过程中进行常温5分钟、液氮浸泡5分钟、再回室温5分钟的温度冲击，反复5次以上，同时测量SiC/Al大基板2面型变化，高低温处理目的是释放材料的低温应力，SiC/Al大基板2的贴装基板201的贴装面平面度小于0.01mm即可，若实测情况变化小于0.005mm则具体的反复冲击次数足够，即认为应力释放完成。温度冲击确保大规模探测器模块1与SiC/Al大基板2热适配适应性，提高探测器工作的可靠性。冲击完成后，通过高精度紫外激光对SiC/Al大基板2进行中心划十字线，划线宽度和深度都为0.01±0.005mm，定位精度为0.003mm。
2)将本发明的多模块自动拼接机构按如图1所示组装，其中第一压电步进马达401、压电旋转马达501需先安装在支撑底板303上。组装完成后将自动拼接机构整个固定在高精度投影仪上。将小宝石片8放入宝石片台阶203上，按照红外探测器封装工艺规范配置DW3胶，在小宝石片8上表面(即与芯片底面接触面)涂覆少量刚配置的DW3胶。之后用小吸盘把各个大规模探测器模块1放入在相应的贴装位置。
在投影仪下首先用探针推动各个大规模探测器模块1使得各模块与SiC/Al大基板2在X，Y方向偏差都小于±0.05mm，实现在投影仪下的初步调节。此时第一压电步进马达401、压电旋转马达501、第二压电步进马达601均不与各个大规模探测器模块1接触。
3)将多模块自动拼接机构平稳移动至高精度影像仪(OGP-MPV)平台上，通过在电脑控制端输入旋转速率和角度，控制压电旋转马达501在X，Y方向，使得各个大规模探测器模块1之间的中心相互重合，平行度小于0.002mm。
4)在高精度影像仪(OGP-MPV)平台上，通过在电脑控制端输入步进尺寸和步长，控制第二压电步进马达601，在XY轴方向，使得各个大规模探测器模块1中心相互重合，XY轴方向重合差值小于0.002mm。
5)在高精度影像仪(OGP-MPV)平台上，先测量所有大规模探测器模块1焦平面处在Z轴方向的高度差，根据影像仪确定所有大规模探测器模块1焦平面处的最高点相对坐标值，在此基础上再加上0.01mm，确定为所有大规模探测器模块1的调节基准。通过在电脑控制端输入步进尺寸和步长，控制第一压电步进马达401，使得其它所有大规模探测器模块1和最高点所在大规模探测器模块1的其它点都往上微抬，最后在Z轴方向，各个大规模探测器模块1之间在Z轴方向平面度PV值小于0.005mm。
6)当所有探测器模块对中完成后，压电步进马达的第一调节连杆403固定不动。按照红外探测器封装工艺规范配置DW3胶，通过专门涂胶针，从大规模探测器模块外边缘注胶，利用毛细现象和胶自身的流动性，使得大规模探测器模块1与SiC/Al大基板2之间完成充满DW3胶，同时取少量DW3胶放置于培养皿内置于多模块自动拼接机构旁边，作为大规模探测器模块1胶接固化的备胶。之后多模块自动拼接机构静置超过72h使DW3胶自然固化，在24h内复测大规模探测器模块1之间在Z轴方向的平面度，若稍有变化，还能进行微调节，以满足各个大规模探测器模块1之间在Z轴方向平面度PV值最终小于0.005mm。
7)待胶完全固化后，分离多模块自动拼接机构的第一压电步进马达401。拆除SiC/Al大基板固定螺钉7，将拼接带有多个大规模探测器模块1的SiC/Al大基板2从安装上支架301取下，获得三维方向高精度自动拼接的大规模探测器模块基板。
以上就完成了红外大面阵多模块自动拼接的实现方法。
本发明的优点是：
1)多个模块三维拼接采用微小型的压电马达进行，具有非常高的控制精度，几乎没有机械颤振，可以克服由机械零件变形而拼接存在应力形变或回弹造成的精度低的缺点，同时自动控制能够比人工操作更为精准。
2)自动控制的实现使得更多个探测器模块拼接成为可能，可以扩展为超大规模和甚大规模的拼接。
3)可实现多个模块间三维的高精度拼接，操作简单、重复性好。
4)使用充胶固定，充胶过程其它受力约束，应力较小，可靠性高。
5)每个模块可单独替换、更换相对简单，具有较高的可维修性。
附图说明
图1为红外大面阵多模块自动拼接结构图；
图中：1—大规模焦平面阵列探测器模块；
2—SiC/Al基板；
201—贴装基板；
202—对中方孔；
203—小宝石片垫片台阶；
204—对中细孔
3—安装支架；
301—上支架；
302—支撑柱；
303—安装底板；
304—大底板安装底孔；
4—Z轴向微调机构；
401—第一压电步进马达；
402—第一固定连杆；
403—第一调节连杆；
5—Z轴旋转微调机构；
501—压电旋转马达；
502—第二固定连杆；
503—第二调节连杆；
6—XY向微调机构；
601—第二压电步进马达；
602—连杆；
603—调节杆；
7—大基板固定螺钉；
8—小宝石片。
图2为SiC/Al基板示意图；
图3为安装支架示意图；
图4为Z轴向微调机构图；
图5为XY平面旋转机构；
图6为XY向微调机构；
图7为XY平面旋转微调及Z轴向微调示意图；
图8为XY向微调示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
本实施例为某航天预研项目大面阵红外探测器，其由四个短波1K×1K大规模探测器模块1高精度拼接组成，其贴装面尺寸为22.1mm×28.3mm。要求按照图2中l贴装基板201形式进行拼接，模块间中心平行成方正排列，大面阵探测器模块1的三维空间位置关系为：光敏面中心间距满足X方向22.530mm±0.005mm、Y方向28.40mm±0.005mm，各大面阵探测器模块1光敏面间Z方向高低差≤0.005mm，X轴、Y轴与Z轴偏差≤0.05°。红外大面阵多模块自动拼接实现方法的实施步骤如下：
1)根据贴装面尺寸SiC/Al大基板2加工研磨过程中进行常温5分钟、液氮浸泡5分钟、再回室温5分钟的温度冲击，反复5次以上，同时测量SiC/Al大基板2面型变化，高低温处理目的是释放材料的低温应力，SiC/Al大基板2的贴装基板201的贴装面平面度小于0.01mm即可，若实测情况变化小于0.005mm则具体的反复冲击次数足够，即认为应力释放完成。温度冲击确保大规模探测器模块1与SiC/Al大基板2热适配适应性，提高探测器工作的可靠性。冲击完成后，通过高精度紫外激光对SiC/Al大基板2进行中心划十字线，划线宽度和深度都为0.01±0.005mm，定位精度为0.003mm。
根据贴装面尺寸SiC/Al大基板2根据贴装面尺寸，相互位置关系与热适配性进行尺寸设计加工并做低温下的热应力释放处理，具体实施时采用在SiC/Al大基板2的贴装基板201完成一次研磨后，将其浸泡在液氮进行低温冲击，取出后用压缩空气回温后再浸泡，反复冲击五次后再进行二次研磨的法来释放材料的低温应力。使用高精度三坐标仪(DuraMax)复测各贴装基板201的贴装面平面度，要求其平面度需优于0.005mm。通过高精度紫外激光对SiC/Al大基板2进行中心划十字线，划线宽度和深度都为0.01±0.005mm，定位精度为0.003mm，并对SiC/Al大基板300℃、24h真空除气，复测贴装基板201的贴装面平面度，剔除平面度数据高于0.005mm的零件。
2)将本发明的大面阵多模块自动拼接机构按如图1所示组装，其中第一压电步进马达401、压电旋转马达501需先安装在支撑底板303上。组装完成后将自动拼接机构整个固定在高精度投影仪(V24B)上。将小宝石片8放入宝石片台阶203上，按照红外探测器封装工艺规范配置DW3胶，在小宝石片8上表面(即与芯片底面接触面)涂覆少量刚配置的DW3胶。之后用小吸盘把各个大规模焦平面探测器模块1放入在相应的贴装位置。
在投影仪下首先用探针推动各个大规模探测器模块1使得各模块与SiC/Al大基板2在X，Y方向偏差都小于±0.05mm，实现在投影仪下的初步调节。此时第一压电步进马达401、压电旋转马达501、第二压电步进马达601均不与各个大规模探测器模块1接触。
3)将多模块自动拼接机构平稳移动至高精度影像仪(OGP-MPV)平台上，通过控制压电旋转马达501，在X，Y方向，使得各个大规模探测器模块1之间的中心连线在X，Y方向相互平行，连线平行度偏差小于0.002mm。同时通过控制第二压电步进马达601，在XY轴方向，使得各个大规模探测器模块1光敏元边缘(或读出电路边缘)连线相互重合，XY轴方向重合差值小于0.002mm。
5)在高精度影像仪(OGP-MPV)平台上，先测量所有大规模探测器模块1焦平面处在Z轴方向的高度差，根据影像仪确定所有大规模探测器模块1焦平面处的最高点相对坐标值，在此基础上再加上0.01mm，确定为所有大规模探测器模块1的调节基准。各个模块的第二压电步进马达601，至少在XY各有一边保持对中时最后位置不变，这样确保各个模块在XY方向相对固定。通过控制第一压电步进马达401，使得其它所有大规模探测器模块1和最高点所在大规模探测器模块1的其它点都往上微抬，最后在Z轴方向，各个大规模探测器模块1之间在Z轴方向平面度PV值小于0.005mm。复测各个大模块XY轴方向的偏差，若在Z轴向微抬过程XY轴方向对中偏差大于0.005mm则用探针把模块边缘推至并贴合第二压电步进马达601配合边，确保XY轴方向最终对中偏差小于0.005mm。
6)当所有探测器模块对中完成后，压电步进马达的第一调节连杆403固定不动。按照红外探测器封装工艺规范配置DW3胶，通过专门涂胶针，从大规模探测器模块外边缘注胶，利用毛细现象和胶自身的流动性，使得大规模探测器模块1与SiC/Al大基板2之间完成充满DW3胶，同时取少量DW3胶放置于培养皿内置于多模块自动拼接机构旁边，作为大规模探测器模块1胶接固化的备胶。之后多模块自动拼接机构静置超过72h使DW3胶自然固化，在24h内复测大规模探测器模块1之间在Z轴方向的平面度，若稍有变化，还能进行微调节，以满足各个大规模探测器模块1之间在Z轴方向平面度PV值最终小于0.005mm。
7)待胶完全固化后，分离多模块自动拼接机构的第一压电步进马达401。拆除SiC/Al大基板固定螺钉7，将拼接带有多个大规模探测器模块1的SiC/Al大基板2从安装上支架301取下，获得三维方向高精度自动拼接的大规模探测器模块基板。
Claims (8)
1.一种红外大面阵多模块自动拼接机构，包括大规模探测器模块(1)、SiC/Al大基板(2)、安装支架(3)、Z轴向微调机构(4)、Z轴旋转微调机构(5)、XY向微调控制机构(6)、SiC/Al大基板固定螺钉(7)及四角调节小宝石片(8)，其特征在于：
所述的安装支架(3)由上支架(301)、支撑柱(302)及安装底板(303)组成，安装底板(303)具有大底板安装底孔(304)；每个探测器模块(1)对应四个四角调节小宝石片(8)；
XY向微调控制机构(6)通过安装法兰固定在上支架(301)上，Z轴向微调机构(4)通过第一固定连杆(402)固定在安装底板(303)上，Z轴旋转微调机构(5)通过第二固定连杆(502)固定在安装底板(303)上，SiC/Al大基板(2)固定在上支架的安装槽内；Z轴向微调机构(4)和Z轴旋转微调机构(5)都固定在大底板安装底孔(304)内；而多个探测器模块(1)通过低温胶贴装并胶结在贴装基板(201)上，对中胶接固定后探测器模块(1)的宝石电极板(102)与贴装基板(201)上表面贴合；通过在Z轴向微调机构(4)的第一调节连杆(403)和其顶上的小宝石片(8)，第二固定连杆(502)以及连杆(602)满足三维空间位置精度后，常温固定不动，最后获得多个大规模探测器模块(1)的高精度拼接模块组件。
2.根据权利要求1所述的红外大面阵多模块自动拼接机构，其特征在于：所述的SiC/Al大基板(2)为各个模块开孔方形结构，其材料为Al基SiC陶瓷复合材料，由贴装基板(201)、对中方孔(202)、小宝石片台阶(203)、对中细孔(204)组成，尺寸为100mm×70mm×5mm，每一个探测器模块(1)决定相应1个对中方孔(202)、四个小宝石片台阶(203)和四个对中细孔(204)的位置。
3.根据权利要求1所述的红外大面阵多模块自动拼接机构，其特征在于：上支架(301)通过支撑柱(302)与安装底板(303)连接。
4.根据权利要求1所述的红外大面阵多模块自动拼接机构，其特征在于：Z轴向微调机构(4)由第一压电步进马达(401)、第一固定连杆(402)及第一调节连杆(403)组成，第一压电步进马达(401)最小步进量为1μm，最大行程为80mm；通过在探测器模块(1)四个角的下面安装四只第一压电步进马达(401)可以实现单模块和多模块的Z轴向高精度微调节。
5.根据权利要求1所述的红外大面阵多模块自动拼接机构，其特征在于：Z轴旋转微调机构(5)由压电旋转马达(501)、第二固定连杆(502)及第二调节连杆(503)组成，压电旋转马达(501)最小旋转量为1arcsec；通过在探测器模块(1)中心下方安装一只压电旋转马达(501)可以实现单模块和多模块绕Z轴向的方位角微调节。
6.根据权利要求1所述的红外大面阵多模块自动拼接机构，其特征在于：XY向微调机构(6)由第二压电步进马达(601)、连杆(602)及调节杆(603)组成，第二压电步进马达(601)最小步进量为1μm，最大行程为80mm；通过在上支架(301)边缘固定的第二压电步进马达(601)推拉调节杆(603)实现单模块和多模块XY向高精度微调节。
7.根据权利要求1所述的红外大面阵多模块自动拼接机构，其特征在于：所述的SiC/Al大基板(2)在研磨过程中进行常温5分钟、液氮浸泡5分钟、再回室温5分钟的温度冲击，反复5次以上，同时测量SiC/Al大基板(2)面型变化，高低温处理目的是释放材料的低温应力，SiC/Al大基板(2)的贴装基板(201)的贴装面平面度小于0.01mm即可，若实测情况变化小于0.005mm则具体的反复冲击次数足够，即认为应力释放完成。
8.根据权利要求4所述的红外大面阵多模块自动拼接机构，其特征在于：所述的第一压电步进马达(401)、压电旋转马达(501)和第二压电步进马达(601)通过电脑控制，直接输入调节数值，就可实现自动高精度对中，其控制步进最高精度为1μm，最小旋转角度为1arcsec，最高步进速率为120mm/s。
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