CN113793878A - 一种双级制冷红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双级制冷红外探测器，包括双级制冷组件和封装杜瓦，所述双级制冷组件包括外壳以及真空封装于外壳内的MEMS节流制冷器和半导体制冷器，MEMS节流制冷器贴装于半导体制冷器的冷端，所述封装杜瓦包括窗框以及真空封装于窗框内的冷屏和芯片，窗框固设于外壳上，芯片贴装于T型导热块上，T型导热块和冷屏的底部均固设于MEMS节流制冷器上。该发明采用MEMS节流制冷器对光学结构器件进行制冷，相比传统的机械式节流探测器，大大减小了本身热质量，同时还采用半导体制冷器对MEMS节流制冷器进行一级预冷，有效解决了MEMS节流制冷器制冷量不足以及冷量分布不均匀带来的问题；并且通过半导体制冷器的设置还解决了制冷结构及光学结构器件的支撑和漏热问题。
Description
技术领域
本发明属于红外探测技术领域，具体涉及一种双级制冷红外探测器。
背景技术
红外探测器是红外技术的核心部件，也是红外技术发展的先导。红外探测器在导弹制导、航天探测、预警卫星和侦察等民用和军事等方面具有十分广泛的应用。机械节流制冷器具有体积小、重量轻、结构紧凑、低温端无运动部件等特点，在红外探测领域具有广泛的应用。
然而现有的机械式节流制冷探测器，一般为一级制冷，仅靠机械式节流制冷器对探测器进行制冷，同时,这种机械式节流制冷器本身具有较大的热质量，在利用其冷却器件过程中需要消耗大部分冷量冷却自身，导致所需制冷量及耗气量较大等问题，并且其制冷量分布不均，中间温区冷量大，中间温区之外冷量小，冷屏制冷不到位，除此之外，现有的机械式节流制冷器下部分支撑结构热传导漏热严重，以上均是限制节流制冷红外探测器实际应用的关键因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种双级制冷红外探测器，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双级制冷红外探测器，包括双级制冷组件和封装杜瓦，所述双级制冷组件包括外壳以及真空封装于外壳内的MEMS节流制冷器和半导体制冷器，所述MEMS节流制冷器贴装于半导体制冷器的冷端，所述封装杜瓦包括窗框以及真空封装于窗框内的冷屏和芯片，所述窗框固设于外壳上，所述芯片贴装于T型导热块上，所述T型导热块和冷屏的底部均固设于MEMS节流制冷器上。
进一步的，所述外壳和窗框内壁均镀金。
进一步的，所述半导体制冷器的冷端表面设有凹槽，所述MEMS节流制冷器两端置于凹槽侧壁上。
进一步的，所述冷屏布置于MEMS节流制冷器的中间温区冷却，所述T型导热块及T型导热块上的芯片布置于MEMS节流制冷器的最低制冷温度区。
进一步的，所述MEMS节流制冷器包括制冷器换热通道，所述制冷器换热通道包括节流元件、冷流体通道和热流体通道，所述热流体通道的一端为接高压气体源的进气口，另一端经过节流元件后与所述冷流体通道一端接通，所述冷流体通道的另一端为出气口，通过排气管流向大气。
进一步的，所述节流元件的出口与冷流体通道之间通过膨胀腔连通。
进一步的，所述MEMS节流制冷器包括玻璃载体，所述玻璃载体上通过刻蚀工艺刻出所述制冷器换热通道，所述制冷器换热通道为螺旋槽道。
进一步的，所述MEMS节流制冷器还包括玻璃盖板，所述玻璃盖板与玻璃载体贴合密封。
进一步的，所述冷流体通道和热流体通道紧贴形成流体组，相邻两个流体组之间设有间距，且所述冷流体通道内的流体与所述热流体通道内的流体流动方向相反。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的这种双级制冷红外探测器采用MEMS节流制冷器对光学结构器件进行制冷，相比传统的机械式节流探测器，大大减小了本身热质量，同时还采用半导体制冷器对MEMS节流制冷器进行一级预冷，有效解决了MEMS节流制冷器制冷量不足以及冷量分布不均匀带来的问题；并且通过半导体制冷器的设置还解决了制冷结构及光学结构器件的支撑和漏热问题。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明双级制冷红外探测器的结构示意图；
图2是本发明双级制冷红外探测器中双级制冷组件的结构示意图；
图3是本发明双级制冷红外探测器中双级制冷组件的俯视图；
图4是本发明双级制冷红外探测器中MEMS节流制冷器的剖面示意图；
图5是本发明双级制冷红外探测器中MEMS节流制冷器的制冷器换热通道示意图。
附图标记说明：1、外壳；2、半导体制冷器；3、MEMS节流制冷器；4、窗框；5、窗片；6、冷屏；7、芯片；8、T型导热块；9、排气管；10、凹槽；11、进气口；12、热流体通道；13、玻璃载体；14、玻璃盖板；15、膨胀腔；16、冷流体通道；17、出气口；18、节流元件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种双级制冷红外探测器，包括双级制冷组件和封装杜瓦，所述双级制冷组件包括外壳1以及真空封装于外壳1内的MEMS节流制冷器3和半导体制冷器2，所述半导体制冷器2粘贴于外壳1底部，所述MEMS节流制冷器3贴装于半导体制冷器2的冷端，所述封装杜瓦包括窗框4以及真空封装于窗框4内的冷屏6和芯片7，所述窗框4固设于外壳1上，所述芯片7贴装于T型导热块8上，所述T型导热块8和冷屏6的底部均固设于MEMS节流制冷器3上。
其中，封装杜瓦的窗框4与双级制冷组件的外壳1采用激光焊接，窗框4的顶部设有窗片5，窗片5与窗框4采用软钎焊连接，同时在封装杜瓦内激活吸气剂，抽真空并夹封，保证封装杜瓦内的真空环境，减小制冷器和冷屏6等的漏热。
在本实施例中，半导体制冷器2用于一级制冷，冷却MEMS节流制冷器3，MEMS节流制冷器3用于二级制冷，冷却封装杜瓦内的冷屏6和芯片7等部件，同时封装杜瓦内保持真空环境，以减小对流换热造成的冷量损失；而且本实施例中采用MEMS节流制冷器3对冷屏6和芯片7等光学结构器件进行制冷，相比传统的机械式节流探测器，大大减小了本身热质量，与此同时，还采用半导体制冷器2对MEMS节流制冷器3进行一级预冷，从而有效解决了MEMS节流制冷器3制冷量不足以及冷量分布不均匀带来的问题。另外，本实施例中将半导体制冷器2置于MEMS节流制冷器3下方，可对MEMS节流制冷器3及冷屏6和芯片7等光学结构器件起到支撑作用，从而替代现有机械式节流制冷器下部分的支撑结构，进而可解决现有机械式节流制冷器的支撑结构热传导漏热严重的问题。
可优选的，在所述外壳1和窗框4内壁均镀金，以进一步减小冷屏6和制冷器等的辐射漏热。
进一步的，本实施例中还可通过控制半导体制冷器2的输入功率起到对芯片7进行控温辅助的作用。
由于半导体制冷器2在200K及以上温度可以制冷，但是在200K以下就没有制冷的作用的，反而会制热，而为了进一步保证半导体制冷器2对MEMS节流制冷器3的预冷效果，优选的，在所述半导体制冷器2的冷端表面设置凹槽10，所述MEMS节流制冷器3两端置于凹槽10侧壁上，即MEMS节流制冷器3下表面与半导体制冷器2上表面之间留有一定间隙；当温度在200K以上时，半导体制冷器2可以对MEMS节流制冷器3提供冷量，协助制冷，而当等到温度处于低温（即200K以下）的时候，通过在半导体制冷器2上设置凹槽10，使得半导体制冷器2不会夺取MEMS节流制冷器3中心温区的冷量，影响MEMS节流制冷器3的中心温区制冷。
作为一种具体实施方式，如图4和图5所示，所述MEMS节流制冷器3包括制冷器换热通道，所述制冷器换热通道包括节流元件18、冷流体通道16和热流体通道12，所述热流体通道12的一端为接高压气体源的进气口11，另一端经过节流元件18后与所述冷流体通道16一端接通，所述冷流体通道16的另一端为出气口17，通过排气管9流向大气。可优选的，所述节流元件18的出口与冷流体通道16之间通过膨胀腔15连通。
高压气体工质由进气口11进入热流体通道12，之后流入节流元件18内，节流元件18为尺寸比冷、热流体通道都小的微型槽道，热流体由热流体通道12进入节流元件18后产生较大的压降，即产生节流制冷效应，从而在节流元件18内制冷产生冷流体，冷流体在膨胀腔15内进一步释放压力，进入冷流体通道16，并与热流体换热，进而冷却进入MEMS节流制冷器3内的热流体，直至节流元件18内的热流体达到稳定的制冷温度，即最低制冷温度；而与热流体完成热交换后的冷流体则由出气口17流出，并通过外壳1上设置的排气管9流向大气。
在此过程中，膨胀腔15内积聚部分经节流元件18制冷达到最低制冷温度的冷流体工质，因而将所述T型导热块8及T型导热块8上的芯片7布置于MEMS节流制冷器3的该最低制冷温度区内，保证其对芯片7的制冷效果，同时，本实施例中在MEMS节流制冷器3和芯片7之间设计采用T型导热块8进行传热制冷，由于MEMS节流制冷器3的最低制冷温度区域面积小，而T型导热块8的底部表面积小，顶部表面积大，通过T型导热块8底部与该最低制冷温度区域接触，将冷量传递至T型导热块8顶部，对置于T型导热块8顶部的芯片7进行冷却，这种结构设计一方面充分利用了MEMS节流制冷器3的最低制冷温度区的冷量，另一方面保证了芯片7表面均匀冷却；而所述冷屏6则布置于MEMS节流制冷器3的中间温区冷却，利用中间温区的冷量进行冷却，从而提高制冷量的利用率，避免冷量的浪费。
具体的，所述MEMS节流制冷器3包括玻璃载体13，其中，节流元件18、冷流体通道16、热流体通道12等均是利用光刻刻蚀工艺在玻璃载体13表面形成的微型槽道，而为了保证MEMS节流制冷器3的小型化，可将玻璃载体13上的所述制冷器换热通道设计为螺旋槽道。优选的，可在玻璃载体13上设置玻璃盖板14，玻璃盖板14采用键合工艺与玻璃载体13贴合密封，形成完整的MEMS节流制冷器3，保证MEMS节流制冷器3内的冷流体通道16和热流体通道12相互独立。
进一步的，设计相邻的冷流体通道16与热流体通道12曲率相同且紧贴形成流体组，从而增强冷、热流体通道之间的导热，保证换热效果，同时冷流体通道16和热流体通道12内的流体采用相反的流动方向，即采用逆流换热的方式，而相邻两个流体组之间设有间距，即相邻的冷流体通道16或相邻的热流体通道12之间保持一定的距离，从而保证径向的温度梯度，减小制冷器的径向导热损失。
综上所述，本发明提供的这种双级制冷红外探测器采用MEMS节流制冷器对光学结构器件进行制冷，相比传统的机械式节流探测器，大大减小了本身热质量，同时还采用半导体制冷器对MEMS节流制冷器进行一级预冷，有效解决了MEMS节流制冷器制冷量不足以及冷量分布不均匀带来的问题；并且通过半导体制冷器的设置还解决了制冷结构及光学结构器件的支撑和漏热问题。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双级制冷红外探测器，其特征在于：包括双级制冷组件和封装杜瓦，所述双级制冷组件包括外壳以及真空封装于外壳内的MEMS节流制冷器和半导体制冷器，所述MEMS节流制冷器贴装于半导体制冷器的冷端，所述封装杜瓦包括窗框以及真空封装于窗框内的冷屏和芯片，所述窗框固设于外壳上，所述芯片贴装于T型导热块上，所述T型导热块和冷屏的底部均固设于MEMS节流制冷器上。
2.如权利要求1所述的一种双级制冷红外探测器，其特征在于：所述外壳和窗框内壁均镀金。
3.如权利要求1所述的一种双级制冷红外探测器，其特征在于：所述半导体制冷器的冷端表面设有凹槽，所述MEMS节流制冷器两端置于凹槽侧壁上。
4.如权利要求1所述的一种双级制冷红外探测器，其特征在于：所述冷屏布置于MEMS节流制冷器的中间温区冷却，所述T型导热块及T型导热块上的芯片布置于MEMS节流制冷器的最低制冷温度区。
5.如权利要求1所述的一种双级制冷红外探测器，其特征在于：所述MEMS节流制冷器包括制冷器换热通道，所述制冷器换热通道包括节流元件、冷流体通道和热流体通道，所述热流体通道的一端为接高压气体源的进气口，另一端经过节流元件后与所述冷流体通道一端接通，所述冷流体通道的另一端为出气口，通过排气管流向大气。
6.如权利要求5所述的一种双级制冷红外探测器，其特征在于：所述节流元件的出口与冷流体通道之间通过膨胀腔连通。
7.如权利要求5所述的一种双级制冷红外探测器，其特征在于：所述MEMS节流制冷器包括玻璃载体，所述玻璃载体上通过刻蚀工艺刻出所述制冷器换热通道，所述制冷器换热通道为螺旋槽道。
8.如权利要求7所述的一种双级制冷红外探测器，其特征在于：所述MEMS节流制冷器还包括玻璃盖板，所述玻璃盖板与玻璃载体贴合密封。
9.如权利要求7所述的一种双级制冷红外探测器，其特征在于：所述冷流体通道和热流体通道紧贴形成流体组，相邻两个流体组之间设有间距，且所述冷流体通道内的流体与所述热流体通道内的流体流动方向相反。
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