【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及紅外探測器制冷，尤其涉及一種紅外探測器快速啟動集成制冷機組件。
技術介紹
1、制冷紅外探測器可廣泛應用于航空航天、導彈制導、預警搜索等諸多方面。在有些應用場景中，需要紅外探測系統快速響應，甚至需要在數十秒內制冷紅外探測器達到穩定工作狀態。在某些應用領域中，既對紅外探測系統啟動時間有苛刻的要求，又對制冷紅外探測器組件的光電性能、體積和質量都有嚴格的限制，所以，擬實現上述應用需求必須對制冷紅外探測器組件進行所有相關影響因素的綜合考量。
2、首先，紅外探測器芯片的工作溫度對于快速啟動非常重要。器件芯片穩定工作所需的溫度越低，同等制冷能力的制冷器達到所需的溫度時間就越長。以往高性能的制冷型紅外探測器主要包括碲鎘汞(mct)、銻化銦（insb）探測器，采用這兩種制冷型探測器大部分工作在液氮溫度附近（77k）。提高紅外探測器工作溫度的關鍵在于降低器件的暗電流、提高器件的量子效率，在保證紅外探測器光電性能滿足要求的前提下提高探測器的工作溫度，如采用分子束外延技術制備的iii-v?族材料形成的nbn結構的探測器在中波波段就可以實現高于150k工作溫度的條件。一些工作在常溫附近的紅外探測器雖然啟動很快，但其探測器的探測率等光電性能參數不能滿足某些特殊系統的要求。總之，就是在滿足光電性能的前提下，盡可能的提高探測器的工作溫度。
3、其次，是制冷器方式或類型的選擇。斯特林制冷機體積小，可時間長工作，但該類制冷機啟動時間較長。啟動時間就是從制冷機開啟到探測器可以穩定工作的時間。節流制冷方式相對斯特林制冷機制冷啟動快
4、第三，芯片組件、冷屏及冷盤基座的熱傳導和熱容量對快速啟動也很重要。
技術實現思路
1、為此，本專利技術所要解決的技術問題在于克服制冷紅外探測器組件的啟動時間長，體積和重量大及制冷效率低等問題，提供一種紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，采用斯特林制冷機與有限體積和重量的混合氣體節流制冷器，以及穩定工作溫度不低于150k的中波（3-5微米波段）紅外焦平面芯片巧妙集成，很好地解決了制冷紅外探測器組件快速啟動難題，能夠實現超快速啟動。
2、本專利技術提供了一種紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，包括斯特林制冷機，所述斯特林制冷機包括冷指氣缸和斯特林制冷主機，所述冷指氣缸通過軟管與所述斯特林制冷主機相連；節流制冷器，所述節流制冷器包括熱交換器，其中，高壓混合氣體接入所述熱交換器，所述高壓混合氣體為35mpa~45mpa壓力的ar/c2h6/c3h8混合氣體；所述熱交換器圍繞所述冷指氣缸纏繞形成兩種制冷方式集成耦合的快速制冷器冷指；杜瓦瓶，所述杜瓦瓶內設置有冷盤，所述冷盤設置為可伐（kovar）合金冷盤，可伐是一種fe-ni-co三元合金；所述冷盤的一個端面設有微孔蓄冷墊，所述快速制冷器冷指通過所述微孔蓄冷墊與所述冷盤貼合，所述微孔蓄冷墊設置為紫銅微孔蓄冷墊；所述冷盤的另一個相對端面上設置有中波紅外焦平面芯片和經過黑化處理的超薄冷屏，其中，所述中波紅外焦平面芯片的穩定工作溫度不低于150k，所述中波紅外焦平面芯片是在inas（砷化銦）襯底上生長的iii-v?族材料，分別生長的重摻雜下電極接觸層、吸收層、勢壘層和重摻雜上電極接觸層的nbn?探測器芯片結構。中波紅外焦平面芯片的制備工藝為本專業常用的方法，即采用光刻、腐蝕、表面鈍化、電極制備、銦柱生長、芯片切割及與讀出電路倒焊等常用步驟。器件面陣規模256×320元，芯片光敏元中心距為15μm。
3、在本專利技術的一個實施例中，所述斯特林制冷機設置為分置式斯特林制冷機，所述斯特林制冷機設置為分置式斯特林制冷機，所述斯特林制冷機的制冷工質為純度大于99.995%的高純氦氣，所述高純氦氣的露點溫度低于-70℃，所述斯特林制冷機的制冷溫區覆蓋60k~180k的范圍。
4、在本專利技術的一個實施例中，所述熱交換器包括毛細管和尼龍繩，所述毛細管上設置有散熱片，所述毛細管纏繞設置在所述冷指氣缸上，所述尼龍繩纏繞設置在所述毛細管上，調節所述尼龍繩與所述杜瓦瓶內壁之間的間隙能夠形成氣阻，通過調節所述氣阻以調節所述熱交換器的熱交換效率。
5、在本專利技術的一個實施例中，所述毛細管上設有節流孔和出氣孔，所述尼龍繩的纏繞密度能夠調節，且調節所述尼龍繩的纏繞密度能夠調節所述節流孔處和所述出氣孔外側之間的壓差，其中，調節該壓差在0.1個大氣壓~0.3個大氣壓之間，所述節流孔的直徑為0.3mm~1mm。
6、在本專利技術的一個實施例中，所述節流制冷器還包括高壓容器，所述高壓容器與所述熱交換器相連，所述高壓容器的容積為500ml~1000ml，所述高壓容器內充填所述高壓混合氣體，所述高壓混合氣體按摩爾質量百分比分別設置為ar：30%~50%、c2h6：25%~35%、c3h8：25%~35%。
7、在本專利技術的一個實施例中，所述微孔蓄冷墊的厚度為2mm~5mm，所述微孔蓄冷墊的微孔直徑為100um~1000um。
8、在本專利技術的一個實施例中，所述中波紅外焦平面芯片為分子束外延技術生長的材料制備。
9、在本專利技術的一個實施例中，所述重摻雜上電極接觸層、所述重摻雜下電極接觸層為inas/inassb?超晶格、摻雜濃度為（3~10）×1017/cm3、厚度為200nm~450nm；所述吸收層設置為inas/inaszsb1-z超晶格、z=0.65~0.85、摻雜濃度為n型（0.7~1）×1016/cm3、厚度為2?um~4?um；所述勢壘層為alassb、非主動摻雜，厚度為150nm~250nm。
10、在本專利技術的一個實施例中，所述超薄冷屏的壁厚為0.1mm~0.15mm，其經過黑化處理后的中波紅外反射率不大于3%。
11、在本專利技術的一個實施例中，在混合前，所述高壓混合氣體中每種氣體的氣體純度均優于99.995%，且其露點溫度均低于-70℃。
12、紅外探測器快速啟動集成制冷機組件工作的流程如下：組件開始工作時，同時開啟斯特林制冷主機的電源開關和節流制冷器的閥門。斯特林制冷機在通電后逐漸產生制冷效果。斯特林制冷機單獨制冷從開啟至達到設置的溫度（如150k）大約在30-60秒左右；而當節流制冷器氣體閥門開啟后可以迅速達到設置的溫度（150k），大約需要十幾秒，這時紅外探測器即可開始正常工作，達到探測器規定的性能指標。節流制冷器的總工作時間取決于混合氣體容器的大小和壓力，當節流制冷器工作時制冷芯片組件消耗部分混合冷液，多余部分就吸附貯存在蓄冷墊之中，當混合氣體耗盡后，仍有吸附在蓄冷墊冷液繼續維持所需的冷量，這時斯特林制冷機已達到了所設置的額定功率和溫度，斯特林制冷機將一直工作下去直至系統需要關閉為止。而兩個制冷方式同時工作比各自分別工作制冷效果更好，時間更短。實本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：所述斯特林制冷機設置為分置式斯特林制冷機，所述斯特林制冷機的制冷工質為純度大于99.995%的高純氦氣，所述高純氦氣的露點溫度低于-70℃，所述斯特林制冷機的制冷溫區覆蓋60K~180K的范圍。
3.根據權利要求1所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：所述熱交換器包括毛細管和尼龍繩，所述毛細管上設置有散熱片，所述毛細管纏繞設置在所述冷指氣缸上，所述尼龍繩纏繞設置在所述毛細管上，調節所述尼龍繩與所述杜瓦瓶內壁之間的間隙能夠形成氣阻，通過調節所述氣阻以調節所述熱交換器的熱交換效率。
4.根據權利要求3所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：所述毛細管上設有節流孔和出氣孔，所述尼龍繩的纏繞密度能夠調節，且調節所述尼龍繩的纏繞密度能夠調節所述節流孔處和所述出氣孔外側之間的壓差，其中，調節該壓差在0.1個大氣壓~0.3個大氣壓之間，所述節流孔的直徑為0.3mm~1mm。
5.根據權利要求
6.根據權利要求1所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：所述微孔蓄冷墊的厚度為2mm~5mm，所述微孔蓄冷墊的微孔直徑為100um~1000um。
7.根據權利要求1所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：所述中波紅外焦平面芯片為分子束外延技術生長的材料制備。
8.根據權利要求1或7所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：所述重摻雜上電極接觸層、所述重摻雜下電極接觸層為InAs/InAsSb?超晶格、摻雜濃度為（3~10）×1017/cm3、厚度為200nm~450nm；所述吸收層設置為InAs/InAszSb1-z超晶格、z=0.65~0.85、摻雜濃度為N型（0.7~1）×1016/cm3、厚度為2?um?~4?um；所述勢壘層為AlAsSb、非主動摻雜，厚度為150nm~250nm。
9.根據權利要求1所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：所述超薄冷屏的壁厚為0.1mm~0.15mm，其經過黑化處理后的中波紅外反射率不大于3%。
10.根據權利要求1所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：在混合前，所述高壓混合氣體中每種氣體的氣體純度均優于99.995%，且其露點溫度均低于-70℃。
...【技術特征摘要】
1.一種紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：所述斯特林制冷機設置為分置式斯特林制冷機，所述斯特林制冷機的制冷工質為純度大于99.995%的高純氦氣，所述高純氦氣的露點溫度低于-70℃，所述斯特林制冷機的制冷溫區覆蓋60k~180k的范圍。
3.根據權利要求1所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：所述熱交換器包括毛細管和尼龍繩，所述毛細管上設置有散熱片，所述毛細管纏繞設置在所述冷指氣缸上，所述尼龍繩纏繞設置在所述毛細管上，調節所述尼龍繩與所述杜瓦瓶內壁之間的間隙能夠形成氣阻，通過調節所述氣阻以調節所述熱交換器的熱交換效率。
4.根據權利要求3所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：所述毛細管上設有節流孔和出氣孔，所述尼龍繩的纏繞密度能夠調節，且調節所述尼龍繩的纏繞密度能夠調節所述節流孔處和所述出氣孔外側之間的壓差，其中，調節該壓差在0.1個大氣壓~0.3個大氣壓之間，所述節流孔的直徑為0.3mm~1mm。
5.根據權利要求1所述的紅外探測器快速啟動集成制冷機組件，其特征在于：所述節流制冷器還包括高壓容器，所述高壓容器與所述熱交換器相連，所述高壓容器的容積為500ml~1000ml，所述高壓容器內充填所述高壓混合氣體，所述高壓混合氣體按摩爾質量百分...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張傳杰，孫維國，張鎧，
申請(專利權)人：浙江拓感科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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