【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及红外探测器制冷，尤其涉及一种红外探测器快速启动集成制冷机组件。
技术介绍
1、制冷红外探测器可广泛应用于航空航天、导弹制导、预警搜索等诸多方面。在有些应用场景中，需要红外探测系统快速响应，甚至需要在数十秒内制冷红外探测器达到稳定工作状态。在某些应用领域中，既对红外探测系统启动时间有苛刻的要求，又对制冷红外探测器组件的光电性能、体积和质量都有严格的限制，所以，拟实现上述应用需求必须对制冷红外探测器组件进行所有相关影响因素的综合考量。
2、首先，红外探测器芯片的工作温度对于快速启动非常重要。器件芯片稳定工作所需的温度越低，同等制冷能力的制冷器达到所需的温度时间就越长。以往高性能的制冷型红外探测器主要包括碲镉汞(mct)、锑化铟（insb）探测器，采用这两种制冷型探测器大部分工作在液氮温度附近（77k）。提高红外探测器工作温度的关键在于降低器件的暗电流、提高器件的量子效率，在保证红外探测器光电性能满足要求的前提下提高探测器的工作温度，如采用分子束外延技术制备的iii-v 族材料形成的nbn结构的探测器在中波波段就可以实现高于150k工作温度的条件。一些工作在常温附近的红外探测器虽然启动很快，但其探测器的探测率等光电性能参数不能满足某些特殊系统的要求。总之，就是在满足光电性能的前提下，尽可能的提高探测器的工作温度。
3、其次，是制冷器方式或类型的选择。斯特林制冷机体积小，可时间长工作，但该类制冷机启动时间较长。启动时间就是从制冷机开启到探测器可以稳定工作的时间。节流制冷方式相对斯特林制冷机制冷启动快
4、第三，芯片组件、冷屏及冷盘基座的热传导和热容量对快速启动也很重要。
技术实现思路
1、为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服制冷红外探测器组件的启动时间长，体积和重量大及制冷效率低等问题，提供一种红外探测器快速启动集成制冷机组件，采用斯特林制冷机与有限体积和重量的混合气体节流制冷器，以及稳定工作温度不低于150k的中波（3-5微米波段）红外焦平面芯片巧妙集成，很好地解决了制冷红外探测器组件快速启动难题，能够实现超快速启动。
2、本专利技术提供了一种红外探测器快速启动集成制冷机组件，包括斯特林制冷机，所述斯特林制冷机包括冷指气缸和斯特林制冷主机，所述冷指气缸通过软管与所述斯特林制冷主机相连；节流制冷器，所述节流制冷器包括热交换器，其中，高压混合气体接入所述热交换器，所述高压混合气体为35mpa~45mpa压力的ar/c2h6/c3h8混合气体；所述热交换器围绕所述冷指气缸缠绕形成两种制冷方式集成耦合的快速制冷器冷指；杜瓦瓶，所述杜瓦瓶内设置有冷盘，所述冷盘设置为可伐（kovar）合金冷盘，可伐是一种fe-ni-co三元合金；所述冷盘的一个端面设有微孔蓄冷垫，所述快速制冷器冷指通过所述微孔蓄冷垫与所述冷盘贴合，所述微孔蓄冷垫设置为紫铜微孔蓄冷垫；所述冷盘的另一个相对端面上设置有中波红外焦平面芯片和经过黑化处理的超薄冷屏，其中，所述中波红外焦平面芯片的稳定工作温度不低于150k，所述中波红外焦平面芯片是在inas（砷化铟）衬底上生长的iii-v 族材料，分别生长的重掺杂下电极接触层、吸收层、势垒层和重掺杂上电极接触层的nbn 探测器芯片结构。中波红外焦平面芯片的制备工艺为本专业常用的方法，即采用光刻、腐蚀、表面钝化、电极制备、铟柱生长、芯片切割及与读出电路倒焊等常用步骤。器件面阵规模256×320元，芯片光敏元中心距为15µm。
3、在本专利技术的一个实施例中，所述斯特林制冷机设置为分置式斯特林制冷机，所述斯特林制冷机设置为分置式斯特林制冷机，所述斯特林制冷机的制冷工质为纯度大于99.995%的高纯氦气，所述高纯氦气的露点温度低于-70℃，所述斯特林制冷机的制冷温区覆盖60k~180k的范围。
4、在本专利技术的一个实施例中，所述热交换器包括毛细管和尼龙绳，所述毛细管上设置有散热片，所述毛细管缠绕设置在所述冷指气缸上，所述尼龙绳缠绕设置在所述毛细管上，调节所述尼龙绳与所述杜瓦瓶内壁之间的间隙能够形成气阻，通过调节所述气阻以调节所述热交换器的热交换效率。
5、在本专利技术的一个实施例中，所述毛细管上设有节流孔和出气孔，所述尼龙绳的缠绕密度能够调节，且调节所述尼龙绳的缠绕密度能够调节所述节流孔处和所述出气孔外侧之间的压差，其中，调节该压差在0.1个大气压~0.3个大气压之间，所述节流孔的直径为0.3mm~1mm。
6、在本专利技术的一个实施例中，所述节流制冷器还包括高压容器，所述高压容器与所述热交换器相连，所述高压容器的容积为500ml~1000ml，所述高压容器内充填所述高压混合气体，所述高压混合气体按摩尔质量百分比分别设置为ar：30%~50%、c2h6：25%~35%、c3h8：25%~35%。
7、在本专利技术的一个实施例中，所述微孔蓄冷垫的厚度为2mm~5mm，所述微孔蓄冷垫的微孔直径为100um~1000um。
8、在本专利技术的一个实施例中，所述中波红外焦平面芯片为分子束外延技术生长的材料制备。
9、在本专利技术的一个实施例中，所述重掺杂上电极接触层、所述重掺杂下电极接触层为inas/inassb 超晶格、掺杂浓度为（3~10）×1017/cm3、厚度为200nm~450nm；所述吸收层设置为inas/inaszsb1-z超晶格、z=0.65~0.85、掺杂浓度为n型（0.7~1）×1016/cm3、厚度为2 um~4 um；所述势垒层为alassb、非主动掺杂，厚度为150nm~250nm。
10、在本专利技术的一个实施例中，所述超薄冷屏的壁厚为0.1mm~0.15mm，其经过黑化处理后的中波红外反射率不大于3%。
11、在本专利技术的一个实施例中，在混合前，所述高压混合气体中每种气体的气体纯度均优于99.995%，且其露点温度均低于-70℃。
12、红外探测器快速启动集成制冷机组件工作的流程如下：组件开始工作时，同时开启斯特林制冷主机的电源开关和节流制冷器的阀门。斯特林制冷机在通电后逐渐产生制冷效果。斯特林制冷机单独制冷从开启至达到设置的温度（如150k）大约在30-60秒左右；而当节流制冷器气体阀门开启后可以迅速达到设置的温度（150k），大约需要十几秒，这时红外探测器即可开始正常工作，达到探测器规定的性能指标。节流制冷器的总工作时间取决于混合气体容器的大小和压力，当节流制冷器工作时制冷芯片组件消耗部分混合冷液，多余部分就吸附贮存在蓄冷垫之中，当混合气体耗尽后，仍有吸附在蓄冷垫冷液继续维持所需的冷量，这时斯特林制冷机已达到了所设置的额定功率和温度，斯特林制冷机将一直工作下去直至系统需要关闭为止。而两个制冷方式同时工作比各自分别工作制冷效果更好，时间更短。实本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：所述斯特林制冷机设置为分置式斯特林制冷机，所述斯特林制冷机的制冷工质为纯度大于99.995%的高纯氦气，所述高纯氦气的露点温度低于-70℃，所述斯特林制冷机的制冷温区覆盖60K~180K的范围。
3.根据权利要求1所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：所述热交换器包括毛细管和尼龙绳，所述毛细管上设置有散热片，所述毛细管缠绕设置在所述冷指气缸上，所述尼龙绳缠绕设置在所述毛细管上，调节所述尼龙绳与所述杜瓦瓶内壁之间的间隙能够形成气阻，通过调节所述气阻以调节所述热交换器的热交换效率。
4.根据权利要求3所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：所述毛细管上设有节流孔和出气孔，所述尼龙绳的缠绕密度能够调节，且调节所述尼龙绳的缠绕密度能够调节所述节流孔处和所述出气孔外侧之间的压差，其中，调节该压差在0.1个大气压~0.3个大气压之间，所述节流孔的直径为0.3mm~1mm。
5.根据权利要求
6.根据权利要求1所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：所述微孔蓄冷垫的厚度为2mm~5mm，所述微孔蓄冷垫的微孔直径为100um~1000um。
7.根据权利要求1所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：所述中波红外焦平面芯片为分子束外延技术生长的材料制备。
8.根据权利要求1或7所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：所述重掺杂上电极接触层、所述重掺杂下电极接触层为InAs/InAsSb 超晶格、掺杂浓度为（3~10）×1017/cm3、厚度为200nm~450nm；所述吸收层设置为InAs/InAszSb1-z超晶格、z=0.65~0.85、掺杂浓度为N型（0.7~1）×1016/cm3、厚度为2 um ~4 um；所述势垒层为AlAsSb、非主动掺杂，厚度为150nm~250nm。
9.根据权利要求1所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：所述超薄冷屏的壁厚为0.1mm~0.15mm，其经过黑化处理后的中波红外反射率不大于3%。
10.根据权利要求1所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：在混合前，所述高压混合气体中每种气体的气体纯度均优于99.995%，且其露点温度均低于-70℃。
...【技术特征摘要】
1.一种红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：所述斯特林制冷机设置为分置式斯特林制冷机，所述斯特林制冷机的制冷工质为纯度大于99.995%的高纯氦气，所述高纯氦气的露点温度低于-70℃，所述斯特林制冷机的制冷温区覆盖60k~180k的范围。
3.根据权利要求1所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：所述热交换器包括毛细管和尼龙绳，所述毛细管上设置有散热片，所述毛细管缠绕设置在所述冷指气缸上，所述尼龙绳缠绕设置在所述毛细管上，调节所述尼龙绳与所述杜瓦瓶内壁之间的间隙能够形成气阻，通过调节所述气阻以调节所述热交换器的热交换效率。
4.根据权利要求3所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：所述毛细管上设有节流孔和出气孔，所述尼龙绳的缠绕密度能够调节，且调节所述尼龙绳的缠绕密度能够调节所述节流孔处和所述出气孔外侧之间的压差，其中，调节该压差在0.1个大气压~0.3个大气压之间，所述节流孔的直径为0.3mm~1mm。
5.根据权利要求1所述的红外探测器快速启动集成制冷机组件，其特征在于：所述节流制冷器还包括高压容器，所述高压容器与所述热交换器相连，所述高压容器的容积为500ml~1000ml，所述高压容器内充填所述高压混合气体，所述高压混合气体按摩尔质量百分...
【专利技术属性】
技术研发人员：张传杰，孙维国，张铠，
申请(专利权)人：浙江拓感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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