量子阱640×480红外探测器用IDCA组件的研制.pdf

低温与超导 第 3 6卷第 6期 低 温技 术 Cr y o g e n i c s Cr y o&S up e r e o n d V0 1 3 6 No 6 量子阱 6 4 0 X 4 8 0红外探测器用 I D C A组件的研制 朱魁章，仰 叶(中国电子科技集团公司第十六研究所，合肥 2 3 0 0 4 3)摘要：描述了量子阱6 4 0 4 8 0低温红外探测器用 I D C A组件的研制和集成，包括斯特林制冷机的选择、杜瓦的 设计、芯片封装和组件的试验结果与分析，组件可靠性设计，给出了量子阱 6 4 04 8 0用 I D C A组件的主要性能参 数。关键词：热工学；制冷；集成制冷机；红外探测器；杜瓦；I D C A；量子阱640 x 4 8 0 De v e l o pme nt o f qu an t u m we l l 6 4 0 X 48 0 i n f a r e d d e t e c t o r f o r I DCA Z h u k u i z h a n g，Ya n g Ye (T h e 1 6 t h I n s ti t u t e o f C h i n a E l e c t ron i c s T e c h n o l o g y G rou p C o r p o r a t i o n，H e f e i 2 3 0 0 4 3，C h i n a)Ab s t r a c t：Th e p a p e r d e s c ri b e s t h e i n t e g r a ti o n o f q u a n t u m we ll 6 4 0 4 8 0 i n f a r e d d e t e c t o rd e w a r a n d S ti r l i n g c r y o c o o l e r Th e c o n t e n t ma i n l y i n c l u d e s：c h o i c e o f S t i r l i n g c r y o c o o l e r，d e s i g n o f t h e d e war，e n c a p s u l a t i o n o f t h e c h i p，d a t a a n d an a l y s i s a b o u t I DE A 8 e x p e rime n t s a n d d e s i g n o f I DC A S r e l i a b i l i t y Th e p a p e r als o d e fi n e s the c a p a b i l i t y p a r a me t e r o f t h e s u b a s s e mb l y Ke y w o r d s：P y m l o gy，R e f r i g e rat i o n，S t i r l i n g c r y o c o o l e r，I n f are d d e t e c t o r，D e w a r，I D C A(I n t e g r a t e d D e w ar C o o l e r A s s e m b l y)。Q u a n t u m w e l l 6 4 O 4 8 0 1 引言 量子阱红外焦平面器件是二十世纪 8 0年代 先进的薄膜生长技术和微电子技术相结合的产 物，利用薄膜生长技术 MB E、MO C V D交替生长作 为势阱层的 G a A s 材料和势垒层 的 A 1 G a A s 材料，通过改变量子阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行 人工剪裁，从而可以方便 地获得 62 0 响应 的 量子阱红外探测器。在当前的大面阵红外探测器 件中量子阱与传统的 H g C d T e红外探测器相 比具 有以下优点：(1)波长连续可 调。通过调解量子 阱宽度 和势垒高度 可 以方便 获得 32 0 的响 应，尤其在大于 1 4 的超长波领域。(2)G a A s 材 料生长和器件制备技术成熟，可 以获得大面积、均 匀性好、低成本、高性能的大面阵量子阱红外焦平 面。(3)光谱 响应带 宽窄，可控制在 1 ，不 同波 段之间的光学串音小。因此，特别适宜制备双色、多色焦平面器件。(4)抗辐射，特别适宜天基红 外探测及其应用。自 1 5年前的 B F L e v i n e 第 一个应用 G a A s A 1 G a A s 量子阱材料制备了峰值波长 8 3 、探 测率为 1 6 X 1 0 的红外探测器，由此掀起了对量 子 阱红外探 测器 的研究热潮，不断 向大面 阵、高 温、双色和多色方向发展。目前，中等规模 的 3 2 0 X 2 4 0和全 电视制式 的 6 4 0 X 4 8 0单色 和双色焦 平面器件在美国、德国和法 国等发达国家都 已经 产品化，以美 国 N A S A A R L联 合研 制的大 面 阵 1 0 2 4 X 1 0 2 4焦 平面 和 N A S A J P L研 制 的 640 5 1 2四色焦平 面代表了当今最高研究水平。现在 G a A s 材料工艺已经很成熟，利用该工艺可以实现 大面阵量子阱红外器件，而且成 品率 可以大幅度 提高，器件成本大幅度降低。除了用 于国防装备 外，还可 以广泛用 于消防安全、电力输送、矿山安 全、医疗诊断等国民经济各个领域。文章介绍了 量子阱 640 X 4 8 0红外探测器、杜瓦和斯特林制冷 机集成组件I D C A组件的研制和试验结果。2 制冷机的选择 为了组件结构紧凑，选用旋转式集成斯特林 制冷机，制冷机的冷量是根据 器件工作 时产生 的 收稿 日期：2 0 0 8 0 61 6 作者简介：朱魁章(1 9 6 2一)，男，高级工程师，主要从事低温制冷与真空技术的研究。维普资讯 http:/ 第 6 期 低 温技 术 C r y o g e n i c s 5 热量与杜瓦的静态热负载之和来确定。杜瓦的静 态热负载包括固体漏热、辐射漏热和残余气体漏 热，计算的环境温度为 2 3 ，计算结果如下：(1)固体漏热 量子阱 6 4 0 4 8 0红外探测器采用集成杜瓦，制冷机的冷指就是集成杜瓦的内胆，固体漏热包 括冷指和信号引线两部分的固体漏热。1)冷指的固体漏热 冷指材料为 3 0 4号 不锈 钢，尺寸为 中6 4 ra m 0 1 5 m m4 2 2 8 mm，导热系数=1 2 3 w m K，量子 阱探测 器工作温度为 6 8 K左右，根据 固 体传热公式：r1 2 Q =孚I A()d ，刀 式中：Q 冷指 的固体漏热，roW；A：冷指的横截 面积，I n ；：冷指 的有 效长度，m；A(T)：冷指材 料的导热系数，W m s。由上式得：Q =1 9 8 6 8 mW 2)引线 的传导漏热 信号引线采用一种低导热系数，且具有 较小 电阻率的材料，引线尺寸为 伽 0 2 5 mm，引线根数 为 2 O根，其引线的固体漏热为：Q =3 0 9 2 mW 杜瓦总的固体漏热 Q =2 2 9 6 mw(2)辐射漏热 杜瓦的辐射漏 热包 括杜瓦外 壳对内胆、冷屏 对器件和光窗对器件的辐射漏热三部分。根据斯蒂芬一波尔兹曼定律：Q =5 6 71 0 A 1 s(一 )式中：A ：冷指的外表 面积；s：材料 的平 均发 射率，s 、s：分别为两种材料 的发射率。c=!。s 2+(1 一s 1)s 2 A 1 A 2 1)杜瓦外壳对 内胆 的辐射漏热 Q s ：冷指表面的辐射率取 0 0 4 8；s：杜 瓦外 壁的表面辐射率，取 0 0 7 4。A1=0 8 6 4 1 0 m Q 1=1 4 1 1 m W 2)杜 瓦外壳对冷屏的辐射漏热 Q s=0 0 3；A=1 8 11 0 m；pr，=2 4 8 1 mW 3)光窗对芯片的辐射漏热 Q s=1；A=O 1 3 31 0 一 ，孔。；Q r=3 0 4 6 ro W 总的辐射漏热为：Q，=6 9 3 8 mW(3)残余气体漏热 杜瓦残余气体漏热与真空夹层 内残余气体 的 压强有关。为了保 证窗 口不起雾，杜 瓦真空 的中 止压强设计为 P 1 0 P a(7 51 0 m mH g)。残余气体分子的平均 自由程：8 6 l 吉 田：气体的粘滞系数；M：分子量 计算得 出 L=1 3 0 m m。杜瓦夹层间隙最大 d=1 6 1 m m，Ld，在 Ld的情况下，残余气体漏热 的公式：Q g=o 2 4 3 A a o 等 P 式 中：Q ：残余气体 传热；P：残余气 体 的压 力；。：两壁面平均适应系数；M：残余气体的分 子量；r：定压定容 比热的 比值。残余 气体 的：3 4 6 4 3 K c a r k g C，C =2 4 2 K c a r k g C，r=c D C =1 4 3 2。1 2 o 一 2+(1 一 2)1：残余气体对外壳的适应系数；：残余气 体对冷指的适 应系数；。：两个壁面之间 的平均 适应系数。由上式得，。=0 1 8 计算结果：Q =1 7 8 m w(4)器件工作时产生的热量 量子阱 6 4 0 4 8 0红外探测器工作时产生 的 热量为 4 0 m W。(5)需要 的最小制冷量 器件和杜 瓦工作 的最小制冷量等于器件工作 时产生的热量与杜瓦总漏热之和：Q。=Q =3 5 6 7 8 mW 根据器件杜瓦需要的最小制冷和组件结构紧 凑，初步选择 S Z X S 0 0型斯特林制冷机，制冷机在 环境温度 2 3 12 时的性能特性 如图 1所示，制冷机 的主要技术指标为：制冷量：6 0 0 ro W7 7 K 4 2 0 mW 6 8 K 输入功率：3 6 W 输入电压：D C 2 4 V 重 量：4 1 0 g 维普资讯 http:/ 6 低 温技 术 C r y o g e n i c s 第 6 期 睦、蝈 佥 磊 3 结构设计 量子阱 6 4 04 8 0红外探测器用 I D C A组件 由杜瓦、斯特林制冷机和驱动控制 电源组成，组件 照片和外形尺寸如图 2所示。图 2 组 件照片与外形 尺寸 图 F i g 2 Mo d u l e p h o t o a n d i t s s i z e 组件采用杜瓦与制冷机集成设计，冷指既做 膨胀机的气缸，又做杜瓦的内胆，冷却面的材料与 器件载体相同，直接焊接在气缸的端部，消除了杜 瓦内胆的固体漏热和制冷机 与杜瓦耦合的温 差。量子阱红外器件安装在冷却面上，用低温胶粘接，安装需要在洁净工作问进行。为了减少干扰信 号，器件 外设 计一个冷 屏，冷屏 内部采用黑化 处 理，冷屏直接胶 结在冷却面上。红外窗 口采用抛 光锗片，镀增透膜以提高红外辐射的透过率，并钎 焊在金属法兰上，保证了高真空密封性能的要求。信号引线采用径向陶瓷结构，使用多层陶瓷精密 烧结工艺，解决了信号引线从真空中引出的难题，内连引线采用低导热的金属丝，用超声波点焊机 键合。杜瓦内设计 了吸气剂 和防辐射屏，吸气剂 可 以重复激活多次，防辐射屏 可以防止吸气剂激 活时对器件的影响。杜瓦的焊接采用激光焊接工 艺，采用无油低温泵机组进行排气，杜瓦真空夹层 的出气率达到要求时进行封结。斯特林制冷机采用逆斯特林热力学制冷循环 和旋转电机驱动曲柄连杆结构(见图 3)。直流供 电信号(D C 2 8 4 V)经驱动控制电源转化为三相 交流信号驱动直流无刷 电机，直流无刷 电机通过 带动曲柄连杆机构，将电机 的转矩转化为交变 的 往复运动力。随着逆斯特林热力学制冷循环次数 的不断累积，冷指部分冷腔温度将不断降低，从而 实现制冷。图 3 制冷机结构 图 Fi g 3 Cr y o e o o l e r s t r u c t u r e 4 试验结果与分析 组件的试验结果 为：杜瓦的静态热负载 的测 试和组件制冷指标试验。4 1 杜 瓦的静态热负载 杜瓦的静态热负载采用液氮蒸发潜热 的方法 测量，即通过测量杜瓦的液氮蒸发率，由平均蒸发 率计算其静态热负载。根据行业标准将液氮慢慢 地注人杜瓦内，不要使液氮溢 出，重复几次达到热 平衡后，再注人适量的液氦，监测蒸干前 1 0 03 0 毫克液氮蒸发所需的时间，重复测试 2次，计算平 均蒸发率。7 6 5 4 3 2 l 维普资讯 http:/ 第 6 期 低 温技 术 C r y o g e n i c s 7 杜瓦的静态热负载为：Q=m+r =1喜2 W,式中：液氮的平均蒸发率，m g s；W。：所测 液氮 的重量，m g；：1 0 03 0毫克液氮蒸发所需 时间，S；r：液氮的潜热，r=1 9 8 6 4 J g；Q：静态热负载，mW。静态热负载测量是在红外芯片不工作 的情况 下进行的，测 试场地 的环境温度为 2 3 ，相对湿 度为 7 2 ，测量值如表 1 所示。表 1 集成杜瓦的组合热负载测量结果 T a b 1 Da t a a b o u t t h e h e a t l o a d o f q u a n t u m we ll 6 4 0 4 8 0 液 氮 蒸 发 量 蒸 发 时 间 蒸 发 速 率 蓁 第 1次测量 9 9 mg 6 4 s 1 5 4 6 m g s 1 4 9 4 5 第 2次测量 1 0 1 m g 7 0 s 1 4 4 3 m g s m g s 组合热负载 1 9 8 6 41 4 9 4 5=2 9 6 8 7 m W 器件 不通 电时杜 瓦 的实测 静态 热负 载 为 2 9 6 8 7 mW，设计值 为 3 1 6 7 8 m w。实 际测量值 小于设计值。主要原因是在 液氮测量过程 中，蒸 发的冷氮气将气缸 口部的温度降低，使得设计 温 度值 减少，使得杜瓦的漏热减少。4 2组件制冷性能 表 2 制冷杜瓦组件性能测量 结果 T a b 2 E x p e r i me n t p a r a me t e r o f q u a n t um w e ll 64 0 4 8 0 的标 定 电 压 值 为 1 0 4 4 V，测 量 仪 表 采 用 H P 3 1 4 6 A数字万用表，组件试验时器件不通 电工作，环境温度为 2 5 ，结果如下：据试验结果，选择 S Z X 5 0 0型斯 特林 制冷机 基本上能够满足量 子阱 6 4 0 4 8 0红外探测器在 室温环境温度条件下工作。从试验结果知道，该 制冷机制冷温度要达到 6 8 K，相应 的制冷温度 电 压为 1 0 5 6 V，制冷机几乎处于满负载工作，因此，制冷机需要充分散热设计。4 3 组件的主要技术指标 制冷温度：6 8 K 降温时间：9 6 F数：2 0 像元数：6 4 0 4 8 0 像元尺寸：2 5 2 5 i x m 5 结论 试验结果表明，我们研制 的量子 阱 640 4 8 0 红外探测器用 I D C A组件能够满足大面阵红外焦 平面器件的工作要求，设计与试验结果基本吻合，选择的 S Z X 5 0 0型斯特林 制冷机能够满足量子阱 红外探测器的工作要求。I DCA N(m i n)制冷温度电压(v)电流(A)输入电压(v)参考文献 组件 的温度测量采用 二极 管温度 计，在 7 7 K 1 仰叶，等 Hg C d T e红外焦平面用锥形节流致冷杜瓦组 件 J 半导体光电，2 0 0 6，2 7(3)2 朱颖峰，等 军用工程化微型分置式焦平面杜瓦的研 制 C 第七届全 国低温与制冷工程大会议论文集，2 O0 5 3 陈国邦 新型低温技术 M 上海：上海交通大学出版 社，2 0 0 3 维普资讯 http:/