CN111006773A - 一种空间环境下的mems红外辐射面均匀性提升系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，属于红外辐射定标技术领域，解决了现有红外辐射面的温度均匀性差的问题。本发明的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，包括热匀化导热层、加热层和分离式电极组，热匀化导热层位于加热层和MEMS红外辐射面之间；分离式电极组为加热层供电，使加热层发热；加热层对MEMS红外辐射面进行加热；热匀化导热层对MEMS红外辐射面起到热匀化作用，提升MEMS红外辐射面温度的均匀性。本发明能够大幅度提升空间环境下MEMS红外辐射面的均匀性，温度分布均匀性优于3K，确保其满足红外载荷辐射定标的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及红外辐射定标技术领域，尤其涉及一种空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统。
背景技术
定标黑体光源是红外载荷的重要组成部分，其性能的好坏会影响到红外成像的质量。其中，定标黑体光源辐射面均匀性是关键技术指标，是定标黑体能否满足试验需求的关键。
传统的定标黑体主要由四个部分组成：辐射黑体、电热源、温度传感器与温度控制器，辐射黑体一般是采用机械加工的方法制备，为辐射板或辐射涂层；电热源位于辐射黑体的周围或背面，并对辐射黑体进行加热，使辐射黑体能够辐射出一定强度的红外辐射；温度传感器安装在辐射黑体的内部，以获取黑体辐射面的温度；温度控制器控制辐射黑体的温度，以确保红外辐射的稳定性。
由于传统定标黑体的体积、重量较大，加热时功耗经常能达到上百瓦甚至上千瓦。此外，由于定标黑体的热质量大，散热速度缓慢，导致定标黑体达到温度稳定的实际时间需要30～40min，无法满足定标需求。
另一方面，由于载荷不断向小型化、轻量化方向发展，对极小空间内的高精度在轨辐射定标需求也越来越迫切，这就需要利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)红外标准黑体辐射源，MEMS红外标准黑体辐射源要满足如下要求：①体积小、重量轻；②能够适应多种环境，例如机载环境、星载高真空环境等；③具有极高的可靠性和良好的天地一致性。
虽然在红外传感领域出现了各种追求低功耗、快速响应的红外光源芯片，其辐射面尺寸较小，一般为几毫米量级，但由于尺寸太小，能量不够，无法满足定标温度范围，并且由于用途不同，这些芯片结构往往设计成悬空薄膜结构等节能结构，导致辐射面的温度呈明显的梯度分布，均匀性差，无法用作定标黑体芯片。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，用以解决现有红外辐射面的温度均匀性差的问题。
本发明提供了一种空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，包括热匀化导热层、加热层和分离式电极组，热匀化导热层位于加热层和MEMS红外辐射面之间；
分离式电极组为加热层供电，使加热层发热；
加热层对MEMS红外辐射面进行加热；
热匀化导热层对MEMS红外辐射面起到热匀化作用，提升MEMS红外辐射面温度的均匀性。
进一步，所述热匀化导热层为薄膜层，位于所述MEMS红外辐射面的下方，并与MEMS红外辐射面接触。
进一步，所述热匀化导热层的水平方向的导热性能优于垂直方向的导热性能。
进一步，所述热匀化导热层与MEMS红外辐射面之间设置有绝缘层。
进一步，所述分离式电极组位于所述MEMS红外辐射面的周侧，为所述加热层供电；
分离式电极组由多个分离的微电极构成，微电极之间彼此并联。
进一步，所述微电极的数量为15～30个。
进一步，空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统还包括为所述分离式电极组供电的外部供电电极，外部供电电极一端与外部供电电源连接，另一端与所述分离式电极组连接。
进一步，空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统还包括芯片支撑组件，芯片支撑组件包括衬底、支撑架和底板，衬底通过支撑架架设在底板上；
所述加热层铺设在衬底上。
进一步，所述衬底的材质为单晶硅、蓝宝石或氧化锆。
进一步，所述衬底的上表面覆盖有绝缘介质薄膜。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明提供的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，不仅包括加热层，还包括热匀化导热层、分离式电极组，将加热层、热匀化导热层、分离式电极组集成于一个芯片上，使得系统结构紧凑、功耗低、响应快速、节能环保；
(2)本发明提供的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，热匀化导热层位于MEMS红外辐射面下方，两者紧密接触，热匀化导热层具有优良的导热性，可对MEMS红外辐射面起到热匀化作用；
(3)本发明提供的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，分离式电极组位于MEMS红外辐射面两侧，并与外部供电电极连接，为加热层供电，加热层对MEMS红外辐射面加热，分离式电极组能够保证电流均匀，从而提升MEMS红外辐射面温度均匀性；
(4)本发明提供的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，能够大幅度提升空间环境下MEMS红外辐射面的均匀性，温度分布均匀性优于3K，确保其满足红外载荷辐射定标的使用要求。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可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说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
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为具体实施例的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统的结构图；
图2为具体实施例的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统的工作原理图；
附图标记：
1-热匀化导热层；2-加热层；3-分离式电极组；31-微电极；4-外部供电电极；41-引脚；5-MEMS红外辐射面；6-芯片支撑组件；61-衬底；62-支撑架；63-底板；7-绝缘介质薄膜；8-绝缘层；9-导电金丝。
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，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，提供了一种空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统(以下简称为系统)，用于提高MEMS红外辐射面的均匀性，如图1-图2所示，系统包括热匀化导热层1、加热层2、分离式电极组3和外部供电电极4，外部供电电极4与外部电源连接为分离式电极组3供电，分离式电极组3为加热层2供电使其发热，加热层2对MEMS红外辐射面5进行加热，热匀化导热层1位于加热层2与MEMS红外辐射面之间，对MEMS红外辐射面5起到热匀化作用，用于提升辐射面温度的均匀性。
系统还包括芯片支撑组件6，芯片支撑组件6为整个系统的基底和承载结构，具体地，芯片支撑组件6包括衬底61、支撑架62和底板63，衬底61通过支撑架62架设在底板63上，且底板63的面积大于衬底61的面积，即衬底61向底板63方向投影，其投影能够完全落在底板63上。本实施例中，衬底61与底板63均为矩形板，衬底61的厚度大于底板63的厚度，支撑架62包括四个支撑腿，四个支撑腿分布在衬底61的底部端面的四个角处。
衬底61采用导热性能好且耐高温的材料制成，例如单晶硅、蓝宝石、氧化锆等材料，使得衬底61具有较好的导热性能，与MEMS工艺有较好的兼容性。本实施例中，衬底61的材质为单晶硅。
加热层2铺设在衬底61的上表面，为MEMS红外辐射面5加热，且能控制MEMS红外辐射面5的温度，加热层2采用金属材料制成，厚度为2±0.5μm。本实施例中，加热层的材质为铂，厚度为2μm。在本实施例中，加热层2形状为矩形，加热层2的面积小于衬底61的面积，即加热层2向衬底61方向投影，其投影完全落在衬底61上。
为使衬底61性能稳定，在衬底61的上表面覆盖有一层绝缘介质薄膜7，以避免加热层2与衬底61直接接触，避免高温条件下衬底61的性能不稳定，影响系统的稳定性。绝缘介质薄膜7采用隔热性能好的材料制成，且其厚度为1±0.5μm。在本实施例中，绝缘介质薄膜7采用二氧化硅制成，厚度为1μm。
热匀化导热层1为一层薄膜，位于MEMS红外辐射面5的下方，并与其紧密接触，其具有优良的导热性能，对MEMS红外辐射面5起到热匀化作用，提升辐射面温度的均匀性。具体地，热匀化导热层1采用PVD(Physical Vapour Deposition，物理气相沉积)或离子束辅助沉积等沉积工艺制备，为铂金属薄膜，厚度为2μm。为了使热匀化导热层1能够对整个MEMS红外辐射面5起到热匀化作用，热匀化导热层1的面积大于MEMS红外辐射面5的面积，且热匀化导热层1向MEMS红外辐射面5所在的方向投影，能够将MEMS红外辐射面5完全覆盖。
进一步，热匀化导热层1为各向异性的导热层，即水平方向的导热性能优于垂直方向的导热性能，以对MEMS红外辐射面起到热匀化作用，提升辐射面的温度均匀性。
本实施例中，MEMS红外辐射面5设有纳米态的碳涂层，能够大幅度提升红外线的发射率，增强MEMS红外辐射能量的能力，由于碳能够导电，为了进一步提升MEMS红外辐射面5的均匀性，在热匀化导热层1与MEMS红外辐射面5之间设置有绝缘层8，绝缘层可以避免电流不按照预定的路径流经，提升加热功率均匀性，从而提升MEMS红外辐射面5的均匀性。具体地，绝缘层8采用电绝缘性好的材质制成，绝缘层8的形状尺寸与热匀化导热层1的相适配。
分离式电极组3，位于MEMS红外辐射面5的周侧，具体地，分离式电极组3安装在衬底61上(当衬底61上设有绝缘介质薄膜7时，分离式电极组3位于绝缘介质薄膜7之上)，并分布在加热层2的周侧，为加热层2供电使加热层2发热，以对MEMS红外辐射面加热。在本实施例中，分离式电极组3位于加热层2相对的两侧。
分离式电极组3由多个分离的微电极31构成，每个微电极31与外部供电电极4连接，且微电极31之间彼此并联，微电极31为加热层2提供电能使其加热。分离式电极组3采用多个微电极31并联而成，能够有效提升系统的功率容量，增加系统的冗余度，提升系统的可靠性，同时能够保证加热层2电流和功率的均匀性，从而保证MEMS红外辐射面5的温度均匀性。
微电极31为具有一定形状的导电薄膜，多个微电极31采用列阵的方式排布在衬底61上。具体地，微电极31的形状为矩形，尺寸为1.2mm×0.6mm(长×宽)，微电极31的数量为15～30个，微电极31采用PVD工艺制备，为铂金属薄膜，每个微电极通过一根导电金丝9与外部供电电极4连接。在本实施例中，每组分离式电极组3由20个分离的微电极31等间距纵列排布而成，即MEMS红外辐射面5相对的两侧分别纵列排布有20个分离的微电极31。
外部供电电极4安装在底板63上，且位于衬底61外部，并与分离式电极组3相对设置，外部供电电极4与外部供电电源连接，为系统供应电能。具体地，外部供电电极4的下端面设有引脚41，引脚41穿过底板63与外部供电电源连接，外部供电电极4上端通过导电金丝9与分离式电极组3连接。
在本实施例中，引脚尺寸为0.8mm×0.8mm，导电金丝9尺寸为20mm×3.6mm。引脚41采用紫铜制备，为增加其可焊性，在引脚41的表面设有镀金涂层，外部供电电极4采用导电良导体(如紫铜)等制成的供电电极。
需要说明的是，外部供电电极4可以为一体式的结构，也可以为分离式的结构，当采用分离式的结构，其与分离式电极组3的微电极31一一对应，且分离出相应数量的引脚41。
此外，导电金丝9通过热超声焊接，焊接于分离式电极组3与外部供电电极4之间，且导电金丝9形成拱形弯曲，确保其稳定性。
芯片支撑组件6的衬底61、支撑架62、底板63之间通过粘结剂粘接，此粘结剂为耐高温无极粘结剂，确保无真空污染。
外部供电电极4通过真空钛合金螺钉安装在底板63上，确保其稳固牢靠。
系统所有的组成部分均适应真空低温环境，采用无污染材料，并经过放气处理，并无污染光学系统的污染物产生；所有材料需热膨胀系数相近，确保高温及高温循环不出现断裂等现象。
本实施例提供的空间环境下的大型MEMS红外辐射面均匀性提升系统，可实现大型MEMS红外辐射面辐射均匀性的提升，保证其均匀性达到计量级要求，满足红外载荷辐射定标需求。
本实施例中使用本系统后的MEMS红外辐射面，能够达到的技术指标主要有：
·工作波段：3μm～5μm，8μm～12μm；
·校准点数：≥20个；
·稳定性：0.4K/h；
·辐射温度范围及测量不确定度：辐射温度范围为270K～750K，测量不确定度0.5K(k＝2，k是不确定度的包含因子)(环境温度248K～252K)；
·发射率测量不确定度：0.03(k＝2)；
·环境要求：温度范围250K～300K，真空度优于5×10-3Pa(即真空度≤5×10- 3Pa)。
·有效辐射面积：不小于20mm×20mm；
·发射率：≥0.90；
·温度范围：265K～750K；
·电流容量：0.2A(单根导电金丝)；
·温度分布均匀性：优于3K(即≤3K)；
·寿命：250K真空(真空度≤5×10-3Pa)下不少于1600小时；
·防污染要求：真空条件下无可凝性挥发物产生；
·工作环境：真空(真空度≤5×10-3Pa)低温(温度范围250K～300K)环境。
需要说明的是，在真实应用过程中，应用环境为空间环境，因此，该系统需要同时满足实验室环境和大气环境。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，其特征在于，包括热匀化导热层(1)、加热层(2)和分离式电极组(3)，热匀化导热层(1)位于加热层(2)和MEMS红外辐射面(5)之间；
分离式电极组(3)为加热层(2)供电，使加热层(2)发热；
加热层(2)对MEMS红外辐射面(5)进行加热；
热匀化导热层(1)对MEMS红外辐射面(5)起到热匀化作用，提升MEMS红外辐射面温度的均匀性。
2.根据权利要求1所述的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，其特征在于，所述热匀化导热层(1)为薄膜层，位于所述MEMS红外辐射面(5)的下方，并与MEMS红外辐射面(5)接触。
3.根据权利要求1或2所述的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，其特征在于，所述热匀化导热层(1)的水平方向的导热性能优于垂直方向的导热性能。
4.根据权利要求1所述的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，其特征在于，所述热匀化导热层(1)与MEMS红外辐射面(5)之间设置有绝缘层(8)。
5.根据权利要求1所述的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，其特征在于，所述分离式电极组(3)位于所述MEMS红外辐射面(5)的周侧，为所述加热层(2)供电；
分离式电极组(3)由多个分离的微电极(31)构成，微电极(31)之间彼此并联。
6.根据权利要求5所述的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，其特征在于，所述微电极(31)的数量为15～30个。
7.根据权利要求1-6所述的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，其特征在于，还包括为所述分离式电极组(3)供电的外部供电电极(4)，外部供电电极(4)一端与外部供电电源连接，另一端与所述分离式电极组(3)连接。
8.根据权利要求1所述的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，其特征在于，还包括芯片支撑组件(6)，芯片支撑组件(6)包括衬底(61)、支撑架(62)和底板(63)，衬底(61)通过支撑架(62)架设在底板(63)上；
所述加热层(2)铺设在衬底(61)上。
9.根据权利要求8所述的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，其特征在于，所述衬底(61)的材质为单晶硅、蓝宝石或氧化锆。
10.根据权利要求8或9所述的空间环境下的MEMS红外辐射面均匀性提升系统，其特征在于，所述衬底(61)的上表面覆盖有绝缘介质薄膜(7)。
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2019
- 2019-11-26 CN CN201911179919.0A patent/CN111006773B/zh active Active
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|---|
| 张玉国等: "真空低温环境下超大面源黑体现场校准技术", 《红外与激光工程》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111006773B (zh) | 2022-02-11 |
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