1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
电阻阵列的封装需求向着集成度高、大功率、深低温方向发展。为了满足130 K以下低温工作、稳态功率100 W以上的深低温应用需求，提出了一种利用液氮进行制冷的集成封装结构，并利用有限元仿真和实测验证相结合的方法验证了装置的制冷能力。结果表明，热沉钼与陶瓷电极板的厚度均为2 mm的情况下，加热功率在0.1~192.76 W区间内，有限元仿真得到的温度与实测温度最大误差小于7.67%，引起误差的主要原因是封装结构件的体热阻及界面热阻随温度发生变化而仿真时采用恒定热阻。结构能够在加热功率小于211.90 W的工况下正常工作。在设计的100 W稳定加热工况下，芯片衬底温度不高于101.9 K，热应力为5.66 MPa，满足设计要求。
有限元仿真 电阻阵列 封装结构 温度分布 finite element simulation resistor array package structure temperature distribution 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210721
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
低温应用的大功率器件需要设计高冷却效率的液冷室结构。采用计算流体动力学（CFD）方法模拟了以液氮-氮气两相流为制冷剂的空腔结构、微通道结构和扰流柱结构的流动与传热过程。结果表明，相比于空腔结构和微槽道结构，扰流柱结构具有较好的换热能力。圆形扰流柱易发展45°方向支流，而方形扰流柱结构有利于垂直方向流速均匀化。相较于平行排布，扰流柱交错排列时圆形和方形扰流柱结构中流速分布更为均匀。对比对流换热系数发现，交错排布优于平行排布，方形扰流柱优于圆形扰流柱。换热效果最好的结构为交错排布的2 mm方形扰流柱，对流换热系数为4223 W/(m2·K)，较空腔结构提高125.83%。采用上述结构进行测试验证，在107.6 W加热功率工况下冷头测温点温度与相同功率下仿真结果有较好的对应性。
大功率器件 扰流柱 两相流 对流换热系数 high-power devices pin-fin two-phase flow convective heat transfer coefficient 红外与激光工程
2022, 51(10): 20220085
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
为了实现大视场、高空间分辨率、高光谱分辨率的指标要求, 通常采用多模块拼接的技术方案, 实现超长线列的组件。通过两个热电致冷器的拼接实现120 mm长度的大冷面, 通过多个模块拼接实现4 000元长线列InGaAs短波红外探测器组件的封装。同时针对超长线列温度均匀性实现、拼接焦平面的共面性、拼接的工程可靠性开展研究, 通过热电致冷器的拼接、热分析、冷板材料的选择、零件公差控制及微调节等技术手段, 在工程上实现了超大冷面的温度均匀性控制在±0.4 ℃以内; 焦平面的共面性控制在±0.020 mm以内。封装的超长线列InGaAs短波红外组件通过了冲击和随机振动实验, 实验前后焦平面的共面性无明显变化, 实现了清晰的地面成像。
超长线列 InGaAs探测器组件 热电致冷器 拼接 共面 Long Linear InGaAs detector assembly thermoelectric cooling mechanical assembly coplanar 红外与激光工程
2019, 48(11): 1104005
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
第二代地球静止轨道(GEO)气象卫星用于定量化气象预报, 中国已经成功研制出该卫星。卫星上扫描辐射计的探测波段从第一代风云二号的四个增加到现在的十四个, 十四个波段中有八个是红外波段, 覆盖了短波到甚长波的红外波段。这八个红外波段由三个组件来实现, 分别是短波双波段组件(MS-IR), 水汽双波段组件(WV-IR)和长波四波段组件(LW-IR)。 MS-IR组件内包含两个8×1 光伏型的MCT探测器芯片, 及相对应的两个用于光电输出的电压信号转换和放大的CMOS低温放大器。 WV-IR包含两个4×1 MCT探测器芯片。 LW-IR包含两个4×1和一个4×2 MCT探测器芯片。这些组件具有较高的电学和光学特性, 如MS-IR 的D*可达1×1012 cmHz1/2 W-1。 WV-IR的 D*优于8×1010 cm·Hz1/2 W-1。这八个波段的响应谱均实现了定量化控制, 即响应谱控制在给定的内部和外部限制边内。对组件进行了狭缝扫描测试, 结果表明组件内部没有明显的光学串扰。没两个波段间的配准精度优于0.01 mm。文中描述了这些组件的结构以及达到的性能, 如电性能, 芯片配准, 光学串扰和光谱响应。
GEO气象卫星 红外探测器封装 狭缝扫描 光谱定量化 杂散光 串音 GEO meteorological satellite infrared detector assembly slit scanning spectral quantification stray light cross talk 红外与激光工程
2018, 47(4): 0404007
1 中国科学院 上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院 上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
在同一组件中多芯片多波段的应用中, 由于芯片的中心距越来越小, 导致某些相邻波段通常被集成制备到一个芯片上。为减小波段串扰, 本文针对一体化双波段芯片集成封装组件的低温光谱定量化展开研究, 通过制备一体化双波段芯片集成封装组件, 并通过波段间物理隔离、金属区物理遮盖等措施将两波段的光束隔离。测试结果表明隔离前后, 芯片间光谱串光现象有了明显改善, 波段间串扰从8%降到了4%以内, 光谱带外响应从65%降低至078%。为了避免低温工况下物理隔离条与芯片的热失配问题, 隔离条采用与芯片衬底完全一致材料。双波段芯片集成封装组件的高低温冲击试验表明, 其在有效抑制组件内串扰的同时, 也解决了组件内关键部件的热失配问题。
光谱定量化 探测器组件 低温光谱 物理隔离 光学串扰 quantificational spectrum control detector assembly low temperature spectrum physical insulator optical cross-talk
1 中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
电阻阵列探测器规模已经达到256×256,红外景象生成器要求像素规模能够进一步提高,达到512×512及以上。空间低温动态场景模拟用512×512电阻阵探测器的极端功耗高达500 W,并且其工作温度为100 K的低温。设计了低温大功率电阻阵列的封装结构,并对该结构进行了热力学仿真分析与实验验证。电阻阵列探测器封装在内部为真空的壳体内,以液氮为循环介质的大冷量换热装置,探测器安装在换热装置的冷端上。仿真分析表明通过液氮可以实现探测器低于100 K的制冷;采用试验件对制冷性能进行了验证,验证结果表明设计可行、合理。
电阻阵列 红外场景模拟 低温制冷 大功率 resistor array infrared scene simulation cryogenic cooling high-power
中国科学院上海技术物理所 传感技术国家重点实验室，红外成像材料与器件重点实验室，上海200083
红外探测器组件作为目标探测和成像系统的核心器件，其空间分辨能力直接影响着探测系统的成像质量.评估探测器组件空间分辨能力时，常使用调制传递函数(MTF)，而不同的探测器组件结构与其 MTF直接相关.介绍了一套弥散斑直径为30 μm的红外小光点测试系统，采用扫描狭缝法测试不同结构红外探测器组件的MTF.测试结果表明叠层电极结构侧面存在的光响应会导致线扩散函数(LSF)展宽和次峰等现象，从而造成探测器组件MTF下降，同时0.17 mm和0.30 mm两种芯片和滤光片间距对于探测器组件MTF的影响甚微，该结果为红外探测器组件杂光抑制设计提供了参考.
调制传递函数 光学串音 红外探测器 空间分辨率 MTF crosstalk infrared detectors spatial resolution
中国科学院上海技术物理所 传感技术国家重点实验室 红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
红外探测器组件作为目标探测和成像系统的核心器件, 其空间分辨能力直接影响着探测系统的成像质量。评估探测器组件空间分辨能力时, 常使用调制传递函数(MTF), 而探测器组件光学串音是影响探测器组件MTF的主要因素。介绍了一套弥散斑直径为30 μm的红外小光点测试系统, 并用于测试不同结构红外探测器组件的线扩散函数(LSF)来评价组件的光学串音。测试结果表明: 叠层电极结构侧面存在的光响应会导致LSF展宽和次峰等现象, 该结果为红外探测器组件光学串音设计提供了参考。
线扩散函数 光学串音 红外探测器 空间分辨率 LSF optical crosstalk infrared detectors spatial resolution 红外与激光工程
2016, 45(4): 0404001
1 中国科学院上海技术物理所传感技术国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
红外探测器组件作为目标探测和成像系统的核心器件，其空间分辨能力直接影响着探测系统的成像质量。评估探测器组件空间分辨能力时，常使用调制传递函数(MTF)，而探测器组件的光学串音是影响MTF 的主要因素。介绍了一套弥散斑直径为30 μm 的红外小光点测试系统，采用扫描狭缝法测试不同结构红外探测器组件的线扩展函数(LSF)并建立相应模型进行模拟分析。理论模拟与实验结果一致,可以很好地解释叠层电极结构侧面的光响应产生的LSF展宽、左右不对称和次峰等现象，该结果为红外探测器组件杂光抑制设计提供了参考。
探测器 光学串音 线扩展函数 空间分辨率 扫出效应
1 中国科学院上海技术物理所传感技术国家重点实验室， 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理所红外成像材料与器件重点实验室， 上海 200083
作为目标探测与成像系统的核心器件，红外探测器组件的空间分辨能力 会直接影响探测系统的成像质量。通常使用调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)对该能力进行评估。 而探测器组件的电学串音和光学串音则是影响其MTF的主要因素。利 用锁相系统测试了红外探测器组件的电学串音，同时用一套弥散斑直径为30 m的红外小光 点测试系统测试了红外探测器组件的线扩展函数(Line Spread Function, LSF)以评价其光学串音。测试结 果表明，11.5 ～ 12.5 m波段探测器的光学串音明显比8.0 ～ 9.0 m波段探测器的大。最后对测试结果进行了分 析，为红外探测器组件的光学串音设计提供了参考。
线扩展函数 串音 红外探测器 空间分辨率 LSF crosstalk infrared detector spatial resolution
