CN109297225A - 一种温度可调的红外探测器模块筛选复合制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度可调的红外探测器模块筛选复合制冷装置。它包括中空液氮冷平台、冷指液氮冷腔、液氮侧罩杜瓦、曲柄连杆制冷机、变温冷平台、宝石传热棒、弹性绝热圈组成。本发明通过对两冷平台物理热隔离设计，由液氮和制冷机分别对其进行制冷，让液氮为探测器及探测器安装冷平台提供低温背景和真空环境，从而降低曲柄连杆制冷机的热负载，使得大规模红外探测器筛选测试可获得所需的工作温度。本发明结构简单、操作方便，实现了50K‑150K温区的大规模红外探测器封装前性能筛选测试，为红外探测器工程化组件的封装成品率提供了保障。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器模块筛选测试技术，具体是指一种温度可调的红外探测器模块筛选的复合制冷装置，能够满足50K-150K温区红外探测器模块的筛选测试。
背景技术
红外探测器制备技术在航天、航空红外领域有着重要意义。随着红外探测器向甚长波扩展和探测灵敏度的提高，红外探测器须在深低温才能工作。为了提高红外探测器杜瓦组件的成品率。红外探测器模块在进入组件封装前须进行光谱测试和电性能测试筛选。
查阅中国专利CN201210019382.3《一种低能耗控温杜瓦》其是作为红外探测器性能筛选测试用侧照杜瓦。其低温是液氮制冷获得，在冷面与内筒之间插入一块低温传热冷片，在冷板的底面安装加热片。用电流输出性PID高精度温度控制仪对杜瓦进行变温控制。其应用的温度范围为100K-170K。查阅中国专利CN200610163824.6《焦平面探测器成像测试用液氮金属杜瓦》，其特点为焦平面成像测试用直照杜瓦，冷装载面为呈阶梯结构，在阶梯面上分别安装探测器和冷屏。其优点是探测器可以获得更加接近液氮77K温度，冷屏靠液氮制冷也可以获得接近液氮77K温度，这样探测器可以获得较低的背景辐射。以上两个专利的优点是利用低廉的液氮作为冷源，红外探测器测试时，杜瓦内真空度靠活性炭或分子筛低温吸附来维持。但其存在一点不足为安装在其内探测器的工作温度只能在液氮温度以上。随着碲镉汞、量子阱或二类超晶格在长波12.5微米以上应用的需求，探测器需要工作在65K以下(甚至55K)。很明显前面两专利无法满足。查中国专利CN201610775886.6《一种可拆卸的集成式变温测试杜瓦及其组件》。其创新点是将标准工程应用的红外探测器制冷组件的ADDC封装技术进行局部修改，具体如下：1)在陶瓷引线环与窗口帽的原有激光焊接改为了活真空O型橡胶圈密封结构；2)在标准ADDC制冷组件的冷平台下表面安装活性炭；3)标准ADDC制冷组件排气管的冷焊更改为排气阀结构；其优点为可实现55K-130K温度区的变温测试需求。但其存在不足：1)探测器的焦耳热、冷屏的辐射热、杜瓦的外引线固体传导传热等热负载都是由曲柄连杆制冷机提供。随着探测器规模扩大和高频读出电路发展，探测器的焦耳热会越来越大。曲柄连杆制冷机提供冷量可能难以匹配，可能无法让探测器工作在50K左右，即便到达温度，制冷机的工作电流相对偏大，对探测器性能的测试干扰也会大。比如640×512规模中心距30微米CTIA读出电路探测器的焦耳热约200mW，组件杜瓦的漏热约300mW/60K，而常见曲柄连杆制冷机在60K以下温度能提供的冷量约500mW以下；2)探测器、冷屏、陶瓷基板和制冷机气缸的冷平台都是通过低温胶胶结，如果器件不达标，那么芯片、冷屏、陶瓷基板和气缸冷平台就不能再次利用；
随着超大规模(比如640×512、1024×1024)碲镉汞、量子阱或二类超晶格在长波12.5微米以上发展，迫切需要发展一种低廉、探测器无损可拆，温度在50K-80K性能筛选的重复使用的制冷装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度可调的红外探测器模块筛选的复合制冷装置，实现了50K-150K温区的大规模红外探测器封装前的性能筛选测试的探测器无损快捷可拆安装、低干扰和制冷装置重复使用，为红外探测器工程化组件的封装成品率提供了保障。
本发明的一种温度可调的红外探测器模块筛选的复合制冷装置结构是基于液氮侧罩杜瓦的技术基础，在原有冷平台上利用两冷平台物理隔离安装，分别由液氮和制冷机进行制冷实现两冷平台的两个不同温度。测试杜瓦的冷屏、引线等的热负载冷量由液氮提供，探测器工作时的焦耳热由制冷机提供。这样探测器可以获得低于77K的工作。如图1所示，它包括：中空液氮冷平台1、冷指液氮冷腔2、液氮侧罩杜瓦3、曲柄连杆制冷机4、变温冷平台5、宝石传热棒6、弹性绝热圈7。中空液氮冷平台1通过其外螺纹101垫铟片螺接在冷指液氮冷腔2内。冷指液氮冷腔2通过真空钎焊焊接在液氮侧罩杜瓦3的杜瓦内筒上。曲柄连杆制冷机4通过激光焊焊接在液氮侧罩杜瓦3的杜瓦外筒上。宝石传热棒6胶结在曲柄连杆制冷机4的冷指401上，变温冷平台5胶结在宝石传热棒6上。在中空液氮冷平台1和变温冷平台5之间塞入弹性绝热圈7。
所述的中空液氮冷平台1选用铝合金材料，直径小端有一外螺纹101，中间有一通孔102套于宝石传热棒6外部，其内径比宝石传热棒6的直径大2mm～3mm，圆周外侧圆周均布8只螺孔103、上端面圆周均布8只螺孔104，圆柱一侧有一斜向贯穿通孔105。
所述的冷指液氮冷腔2材料为热导率高的紫铜，形状为圆筒形，一端为一内螺纹201，中间有一通孔202套于曲柄连杆制冷机4冷指401的外部。
所述的液氮侧照杜瓦3为红外探测器性能筛选测试用侧照杜瓦，其低温是液氮制冷获得，在冷面与内筒之间插入一块低温传热冷片，在冷板的底面安装加热片。用电流输出性PID高精度温度控制仪对杜瓦进行变温控制。其应用的温度范围为100K-170K。
所述的变温冷平台5材料为柯伐，形状为薄板圆柱形，一侧中间有一凸台501，其内径比宝石传热棒6直径大0.1mm～0.2mm。凸台501内侧中间有一圆孔502贯穿至圆柱侧壁。
所述的宝石传热棒6选用热导率高的蓝宝石为材料，形状为圆柱形。
所述的弹性绝热圈7选用导热较差的聚四氟乙烯材料，形状为八爪圆台形，如图2所示。
本发明的实现步骤如下：
1)在中国专利CN201210019382.3《一种低能耗控温杜瓦》所述的液氮侧照杜瓦3上将冷指液氮冷腔2与液氮侧照杜瓦3的杜瓦内筒通过钎焊焊接成一体。冷指液氮冷腔2与曲柄连杆制冷机4同轴，将曲柄连杆制冷机4的冷指401插入冷指液氮冷腔2的通孔202，曲柄连杆制冷机4与液氮侧照杜瓦3的杜瓦外筒通过激光焊焊接在一起。
2)将铂电阻引脚用导线引出并用低温胶将铂电阻胶结于变温冷平台5的圆孔502内，把导线从侧壁贯穿孔中穿出。用低温胶(DW3)依次将宝石传热棒6及变温冷平台5胶结于的冷指401上，实现了曲柄连杆制冷机4的冷量传输。
3)将中空液氮冷平台1的外螺纹101垫0.1mm厚的铟片与冷指液氮冷腔2的内螺纹201螺接，将液氮冷源通过固体传导传递到中空液氮冷平台1上。
4)在中空液氮冷平台1和变温冷平台5之间塞入弹性绝热圈7，保证曲柄连杆制冷机4至变温冷平台5的冷量传输部分轴向固定，并将通过穿出变温冷平台5的圆孔502穿出的导线从中空液氮冷平台1的斜向贯穿通孔501中穿出。
5)将电极固定座螺接于中空液氮冷平台1的预留螺孔103上。
以上完成了本发明温度可调的红外探测器模块筛选的复合制冷装置组装装配；
本发明的工作方法如下
1)旋开所述液氮侧照杜瓦3的旋转压块，让带窗片的窗框与测试杜瓦本体分离，露出液氮中空冷平台1，将需要测试的红外探测器模块用真空油脂贴装于变温冷平台5上之后，通过环形PCB板将探测器的引线与电极固定座实现电联。
2)将冷屏底部垫0.1mm的铟片与中空液氮冷平台1的预留螺孔104螺接固定。再旋转液氮侧照杜瓦3的旋转压块，让带窗片的窗框与测试杜瓦本体通过O型橡胶圈密封。
3)利用专用的真空阀门对本发明装置进行排气，待真空度优于5E-4Pa后关闭专用真空阀门，并让液氮侧照杜瓦3内部与外部真空隔离。
4)往液氮侧照杜瓦3的杜瓦内筒内注入液氮，液氮冷量通过冷指液氮冷腔2、中空液氮冷平台1再传递到冷屏，中空液氮冷平台1和冷屏对外的辐射热、探测器信号线与真空杜瓦外的电通讯的引线的固体传导漏热这些冷量由液氮提供。测试杜瓦内的真空通过液氮侧照杜瓦3内的活性炭或分子筛吸附气体的原理，确保测试杜瓦内维持一定的真空度，来实现真空绝热。
5)用电源给曲柄连杆制冷机4供电，让曲柄连杆制冷机4制冷，冷量通过曲柄连杆制冷机4冷指401流过宝石传热棒6传到变温冷平台5上，从而将变温冷平台5上的待测红外探测器冷到指定的温度。由于曲柄连杆制冷机4的冷指401、宝石传热棒6和变温冷平台5都处在液氮温度的背景环境内，其与外部环境的辐射换热很小，由于两冷平台的温度差小，探测器在两个冷平台之间的引线漏热也小，制冷机的提供的冷量主要是提供探测器工作时的焦耳热。通过在探测器上的测温反馈，可以让探测器温度工作在50K-150K。
本发明有如下优点是：
1)冷平台的分温区设计：
①80K冷平台，冷平台的辐射、测试杜瓦的引线漏热等均有液氮提供，冷屏可以获得较低的温度，降低探测器的背景辐射。由于液氮具有无限大冷量，使得探测器的外引线数量和冷屏的可扩展性大。
②50K-150K冷平台在液氮环境环绕下，冷平台的热负载主要包括探测器焦耳热和探测器外引线在50K-80K温度时，最大温差30K的固体传热两部分；在高于80K时，制冷机的负载为探测器焦耳热与探测器外引线在两冷台温度差的漏热之差。导致制冷机所提供的冷量较小，制冷选型方便和低廉。
2)无损快捷可拆安装；
3)重复使用，快捷方便
附图说明
图1为温度可调的红外探测器模块筛选的复合制冷装置的示意图；
图中：
1——中空液氮冷平台；
101——外螺纹；
102——通孔；
103——螺孔一；
104——螺孔二；
105——贯穿通孔；
2——冷指液氮冷腔；
201——内螺纹；
202——通孔；
3——液氮侧照杜瓦；
4——曲柄连杆制冷机；
401——冷指；
5——变温冷平台；
501——凸台；
502——贯穿圆孔；
6——宝石传热棒；
7——弹性绝热圈；
图2为弹性绝热圈7的示意图。
具体实施方式
下面结合附图于实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
本实施例为某项目甚长波红外探测器模块筛选复合制冷装置的装配方法，如图1所示，它的主要实施方法如下：
a)冷指液氮冷腔2材料为紫铜，外径为φ28mm，且表面进行抛光处理，该零件的高热导率起着传递液氮冷量的作用。将冷指液氮冷腔2装配入液氮侧照杜瓦3的杜瓦内筒预留孔位中，采用真空钎焊方式连接，焊接后的检漏漏率达到7.0×10-11torr/l.s，量级满足使用要求。
b)曲柄连杆制冷机4选用中国兵器工业集团公司第二一一研究所研制的SCI10R集成式斯特林制冷机，将该曲柄连杆制冷机4的冷指401装配入液氮侧照杜瓦3的杜瓦外筒预留孔位中，并与冷指液氮冷腔2同轴，采用激光焊接方式连接。
c)宝石传热棒6选用蓝宝石材料，直径为φ15mm，表面进行抛光处理，用低温胶(DW3)将宝石传热棒6的其中一个端面胶结在曲柄连杆制冷机4的冷指端面上，该零件的高热导率起着传递制冷机冷量的作用。
d)中空液氮冷平台1选用铝合金材料，其外螺纹101垫0.1mm铟片螺接在冷指液氮冷腔2的内螺纹201内，铟片具有良好的导热性和延展性，更有效地将液氮冷量传递到中空液氮冷平台1。
e)用低温胶(DW3)将测温铂电阻胶结在变温冷平台5的圆孔502内，并用φ0.1mm的锰铜引线将铂电阻的引脚引出，将引线依次从变温冷平台5的侧壁贯穿孔502、中空液氮冷平台1的贯穿通孔105中穿出，铂电阻选用测温PT电阻，待胶干透后再用低温胶(DW3)将变温冷平台5的下端面胶结在宝石传热棒6的端面上。
f)将电极固定座螺接于中空液氮冷平台1的预留螺孔103。
g)将红外探测器模块用真空油脂贴装于变温冷平台5上之后，通过环形PCB板将探测器的引线与液氮侧照杜瓦3的电极固定座实现电联。
h)冷屏选用304L不锈钢材料，外表面抛光减小辐射漏热，内表面发黑降低背景辐射，冷屏底部垫0.1mm的铟片与中空液氮冷平台1的预留螺孔104螺接固定。再旋转所述液氮侧照杜瓦3的旋转压块，让带窗片的窗框与测试杜瓦本体通过O型橡胶圈密封。
以上完成了温度可调的红外探测器模块筛选的复合制冷装置各零部件的装配。
Claims (6)
1.一种温度可调的红外探测器模块筛选复合制冷装置，包括中空液氮冷平台(1)、冷指液氮冷腔(2)、液氮侧罩杜瓦(3)、曲柄连杆制冷机(4)、变温冷平台(5)、宝石传热棒(6)、弹性绝热圈(7)，其特征在于：
所述的中空液氮冷平台(1)通过其上的外螺纹(101)垫铟片螺接在冷指液氮冷腔(2)内，冷指液氮冷腔(2)通过真空钎焊焊接在液氮侧罩杜瓦(3)的内筒上，曲柄连杆制冷机(4)的冷指(401)在冷指液氮冷腔(2)内，曲柄连杆制冷机(4)通过激光焊焊接在液氮侧罩杜瓦(3)的外筒上，宝石传热棒(6)在中空液氮冷平台(1)内，宝石传热棒(6)胶结在曲柄连杆制冷机(4)的冷指(401)上，变温冷平台(5)胶结在宝石传热棒(6)上，在中空液氮冷平台(1)和变温冷平台(5)之间塞入弹性绝热圈(7)。
2.根据权利要求1所述的一种温度可调的红外探测器模块筛选复合制冷装置，其特征在于：所述的中空液氮冷平台(1)选用铝合金材料，直径小端有一外螺纹(101)，中间有一将宝石传热棒(6)置于其中的通孔(102)，圆周外侧圆周均布8只螺孔(103)、上端面圆周均布8只螺孔(104)，圆柱一侧有一斜向贯穿通孔(105)。
3.根据权利要求1所述的一种温度可调的红外探测器模块筛选复合制冷装置，其特征在于：所述的冷指液氮冷腔(2)材料为热导率高的紫铜，形状为圆筒形，一端有内螺纹(201)，中间有一将曲柄连杆制冷机(4)冷指(401)置于其中的通孔(202)。
4.根据权利要求1所述的一种温度可调的红外探测器模块筛选复合制冷装置，其特征在于：所述的变温冷平台(5)材料为柯伐，形状为薄板圆柱形，一侧中间有一凸台(501)，其内侧中间有一圆孔(502)贯穿至圆柱侧壁。
5.根据权利要求1所述的一种温度可调的红外探测器模块筛选复合制冷装置，其特征在于：所述的宝石传热棒(6)选用热导率高的蓝宝石材料，形状为圆柱形。
6.根据权利要求1所述的一种温度可调的红外探测器模块筛选复合制冷装置，其特征在于：所述的弹性绝热圈(7)选用导热较差的聚四氟乙烯材料，形状为八爪圆台形。
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