红外焦平面探测器制冷机研制和技术难点

火星矿物光谱分析仪（MMS）是我国开展首次火星探测任务配置的科学载荷之一，安装于火星探测环绕器内，在运动中对火星表面目标进行光谱遥感探测。512×320元短波红外焦平面制冷组件是火星矿物光谱分析仪的重要件，用于高光谱成像。仪器突破了红外背景抑制、高效分光组件、器上组合定标等关键技术，集轻小型、低功耗、高性能于一身，以期实现探的更“精”、测的更“准”的科学探测目标。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所和中国科学院大学组成的科研团队在《红外与激光工程》期刊上发表了以“天问一号矿物光谱仪短波红外焦平面制冷组件”为主题的文章。该文章第一作者为曾智江副研究员，主要从事红外探测器封装与集成技术的研究工作；通讯作者为李雪研究员，主要从事航天遥感用红外光电探测器的基础研究和组件技术的研究工作。

本文分析了火星矿物光谱仪512×320元红外探测器制冷组件特点，重点阐述了红外焦平面探测器、集成式杜瓦组件、制冷机等研制和技术难点。红外组件成功应用在“天问一号”火星探测器上，为我国下一步深空探测的红外组件发展提供了一定的参考。

短波红外焦平面制冷组件总体技术

由于火星探测任务的载荷数量多，将火星探测器运至地球逃逸轨道需要大推力火箭，因而火星矿物光谱仪有效载荷需要尽量的轻巧、集成化程度高，故火星矿物光谱仪的红外探测器制冷组件需要设计成小尺寸、轻质、小功耗(Low SWaP)的集成组件。火星矿物光谱仪的短波红外（SWIR）集成式探测器杜瓦制冷机组件（IDDCA）总体技术要求如表1所示。

表1 火星矿物光谱仪集成式探测器杜瓦制冷机组件总体技术

集成式探测器杜瓦制冷机组件特点

短波红外探测器设计

火星矿物光谱分析仪用512×320元短波红外焦平面探测器技术方案为：红外焦平面芯片由碲镉汞外延材料通过n-on-p平面结工艺制备；采用CTIA输入级读出电路；以铟柱直接倒焊互连方式构成512×320元红外焦平面器件。采用开窗模式对512×320元红外焦平面器件的探测信号进行积分、存储、转换和输出，电路工作模式采用帧积分工作方式。表2为火星矿物光谱仪系统光学主要参数。

表2 火星矿物光谱仪系统光学主要参数

根据光学系统要求，可以得出杜瓦内探测器的输入光子能量。依此短波红外焦平面总体设计，如波长为3.4 μm时，其总噪声与1.595 μm波段相同，其量子效率QE取0.3（该波段下量子效率指标要求不小于30%），根据入射光子数则可推算信噪比。火星光谱仪512×320元短波红外探测器的研制结果如表3所示，组件信噪比与设计指标相吻合。

表3 火星光谱仪短波红外探测器技术参数

图1为火星光谱仪512×320元短波红外探测器实物照片。

图1 火星光谱仪512×320元短波红外探测器

集成式红外组件杜瓦

火星矿物光谱仪的集成式杜瓦是红外探测器工作的必要保护屏障和光电性能传输的有效装置，为其提供真空、低温环境，同时实现探测器与整机光学系统的后光路耦合匹配。在杜瓦冷平台上安装焦平面探测器、滤光片支撑、滤光片、冷光阑等。杜瓦冷平台的力学支撑采用高强度单点冷指结构，同时采用抗径向冲击的斜支撑结构设计，具体如图2所示。火星矿物光谱仪红外杜瓦组件的设计特点体现三个方面：1）轻量化抗冲击集成式封装结构设计；2）组件内分光设计；3）异形冷平台设计。

图2 512×320短波红外探测器杜瓦组件结构设计图

为了确保火星矿物探测的特定要求，即需满足14 grms（20~2000 Hz）量级随机振动、1400 g量级机械冲击的结构设计。对冷平台减重、冷屏轻量化设计，提高抗冲击能力，有效降低冷指负载，以提高组件环境力学后的可靠裕度。杜瓦内冷指顶部的零部件及其质量如表4所示。

表4 杜瓦内冷指顶部的零部件及其质量

冷平台未进行拓扑优化前，其质量为10.74 g，优化后为6.92 g；冷屏采用电铸工艺成型，其厚度为0.1 mm，质量比机加工冷屏（约2.57 g）减轻一半。

为了确保杜瓦内冷屏进行有效分光，且减小分光时滤光片支架的遮挡，确保集成化和微型化封装要求，采用单片三波段的集成化分波段镀膜的全新设计。具体设计要求如图3所示（尺寸单位：mm），滤光片镀膜区域A、B、C波段具体的通光范围见表1。

图3 滤光片分区设计要求

由于光谱仪探测目标信号较弱，需要较长的积分时间获取目标信息。火星矿物光谱仪的红外探测器积分时间典型值为40 ms，如果在圆形平面冷平台上直接胶结红外探测器，则容易在40 ms长积分时间时产生圆形状噪声斑，实际热噪声分布如图4所示。

图4 集成式探测器杜瓦制冷机组件在40 ms积分时间下噪声分布图

考虑到天问一号卫星环绕器和着陆器在火星轨道分离，探测器组件需要承受1400 g的冲击，因而探测器耦合支撑的冷平台需进行轻量化和集成化设计。图5为探测器安装的冷平台结构设计图，中心区域采用应力隔离设计，有效消除制冷机周期性运动对探测器产生的热噪声。测量不同型号集成式制冷机形成热噪声斑直径，其大小约为冷指直径的0.83倍左右，且降低制冷机充气压力，噪声强度减弱，热噪声形成应该与冷平台受到的气缸内气体膨胀周期性压力相关。

图5 噪声隔离冷平台结构示意图

图6为探测器粘接在新型冷平台上的噪声情况。冷平台通过钎焊与冷指密封连接，确保力学强度和可靠性。

图6 噪声隔离设计结构的40 ms积分时间的探测器噪声分布图

集成制冷组件

集成组件的制冷机采用整体式斯特林制冷机结构布局，旋转电机同时驱动一个压缩机和一个膨胀机，控制电路采用独立厚膜电路，电机、膨胀机、压缩机之间成正交位分布。制冷工质穿过压缩机与膨胀机之间的联通管道，在压缩机和膨胀机工作空间中交替压缩膨胀实现制冷。制冷工质选用高纯氦气。该制冷机主要由制冷机本体、电机、厚膜控制电路组成。制冷机根据航天应用要求进行优化设计，同时采用了特制的厚膜电路进行制冷控制。制冷组件结构如图7所示。

图7 火星矿物光谱仪集成式探测器杜瓦制冷机组件结构示意图

为适用空间应用的抗辐照需求，对制冷机控制电路进行特殊设计，电路采用多层厚膜工艺，金属全密双列直插封装方式，组装密度高、体积小、可靠性高。最终研制的厚膜电路的尺寸（不含法兰）为48 mm×45 mm×7 mm，质量为56 g。

红外制冷组件产品及性能指标

通过上述各关键组部件的研制，成功获得了性能良好红外焦平面制冷组件，其主要性能参数见表5。

表5 短波集成式探测器杜瓦制冷机组件技术指标

按照火星探测任务的环境试验要求，红外焦平面探测器制冷组件完成了高低温存储、高低温循环及热真空等热学试验，完成了鉴定级正弦振动、随机振动、机械冲击及加速度等环境力学试验，试验结果表明探测器性能工作正常，杜瓦制冷组件性能正常。图8为红外制冷组件实物照片。

从表5可以看出，制冷机在常温常压下开机，到达90 K设定温度的制冷时间为12 min，同时还对比了不同充气压力的制冷时间，从图9所示的降温曲线中可以看出，充气压力为42 bar、32 bar、25 bar、20 bar时，从制冷启动到开始稳定控温时间分别为12 min、15 min、18.5 min、24 min。

图9 集成式探测器杜瓦制冷机组件不同充气压力下降温时间曲线

图10为火星矿物光谱仪用红外探测器制冷杜瓦组件的光谱测试曲线和在光谱仪内红外成像照片。图像中提取天空、建筑物表面、植被的光谱曲线，其中，1.0~2.0 μm光谱分辨率10.30 nm，2.0~3.4 μm光谱分辨率12.90 nm。

结论

集成式红外探测器制冷组件的结构紧凑、体积小、质量轻、功耗小，在深空探测、星际探测的航天应用中具有较大优势，其航天用组件工程研制应用具有重要意义。着重分析了高灵敏度、高信噪比的面阵探测器，长积分时间下抗噪声干扰的杜瓦结构，集成化长寿命整体式微型制冷等关键技术的设计与实现，并完成了一系列力学、热学的环境适应性验证。随着“天问一号”顺利发射升空并到达火星轨道，该研究为后续深空红外光谱探测的组件研制提供了一定的参考。

这项研究获得国家自然科学基金项目（11427901）的资助和支持。

编辑：黄飞