星載多型號光電探測器熱真空環境試驗研究

陳 志，汪杰君，胡亞東，張愛文，厲卓然，崔珊珊，金 潔，洪 津

星載多型號光電探測器熱真空環境試驗研究

陳 志1,2，汪杰君3，胡亞東2，張愛文2，厲卓然2，崔珊珊2，金 潔2，洪 津2

（1. 桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2. 中國科學院安徽光學精密機械研究所，安徽 合肥 230031；3. 桂林電子科技大學北海校區海洋工程學院，廣西 北海 536000）

為將低等級探測器應用于宇航等高可靠性應用環境，對探測器進行可靠性環境試驗考核至關重要。本文提出了一種探測器的熱真空實驗方法，對多種型號星載探測器進行熱真空環境考核試驗，通過對比熱真空環境試驗前后探測器的相對光譜響應率、暗電流、制冷器驅動電流、探測器制冷特性等參數的變化，分析各型號探測器熱真空環境的適應性，從而在早期暴露可能存在質量及其他缺陷的產品，篩選出性能最優產品用于宇航產品。試驗結果表明，參試的探測器在熱真空環境試驗考核和篩選之后的各項性能指標滿足設計要求，具有很好的可靠性，可以滿足航天載荷應用需求。

航天載荷；探測器；可靠性；熱真空試驗；篩選

0 引言

探測器關鍵性能參數主要包括暗電流、相對光譜響應度、制冷特性等[1]，暗電流作為探測器的重要性能指標，是探測系統性能的最重要影響因素，具有較強的溫度敏感性，溫度波動將直接影響系統暗電流變化從而影響短波紅外偏振測量儀器測量精度[2-3]。此外，探測器的響應度和制冷特性等，也是探測系統性能的重要影響因素。

為了滿足不同型號低等級探測器在高精度高可靠性領域的應用需求，文獻[4-5]提出一種方法將溫變速率這一應力作為主要研究對象，對多種型號同批次星載紅外探測器進行加速壽命試驗，并對試驗前后探測器相對光譜響應率和制冷器驅動電流進行分析。文獻[6]提出對星載紅外探測器組件進行溫度循環試驗、力學試驗以及高溫老煉試驗等環境試驗考核，通過對比環境試驗前后紅外探測器組件相對光譜響應率變化，分析紅外探測器組件的環境適應性。文獻[7]提出了一種有利于空間外差光譜儀探測器的篩選方法，利用設計的探測器篩選裝置進行了探測器篩選實驗，對實驗數據進行處理和分析，從備選探測器中選取了最優性能的探測器。文獻[8]介紹了CCD的篩選流程，第一步是從各CCD裸片的信噪比、相對光譜響應、暗電流等角度進行篩選，將不滿足指標的CCD剔除。

本文設計并提出了一種探測器的熱真空實驗方法，在文獻[6]的基礎上對多種型號的星載探測器組件進行進一步的環境考核試驗，并對環境試驗前后探測器的相對光譜響應率、暗電流、制冷器驅動電流、探測器制冷特性等性能進行測試。通過對比熱真空環境試驗前后探測器各性能的變化，分析各型號探測器熱真空環境的適應性，從中優選出具有高可靠性高穩定性的探測器進行高精度大氣偏振探測應用。

1 光電探測器失效模式分析

實踐證明大多數設備的故障率是時間的函數，典型故障曲線稱之為浴盆曲線（Bathtub curve），如圖1所示。浴盆曲線具有明顯的階段性，失效率隨使用時間變化分為3個階段：早期失效期（Ⅰ）、偶然失效期（Ⅱ）和耗損失效期（Ⅲ）[6,9]。

圖1 浴盆曲線

在I以前是早期失效階段，主要由制造、裝配、質量控制與檢驗不嚴引起的，中間為平坦的隨機失效階段，Ⅱ以后為老化階段，起始與末尾期失效率很高，這說明在起始期要嚴格篩選[9]。

2 熱真空試驗

本文所述的多型號星載探測器主要包括5只硅探測器S13735、9只紅外探測器（5只InGaAs G12180探測器以及4只InGaAs G12183探測器），其中硅探測器典型響應波長分別為490nm、550nm、670nm、870nm、910nm，InGaAs G12180紅外探測器的典型響應波長為1380nm和1610nm，G12183型紅外探測器的典型響應波長為2250nm。這些型號的探測器在出廠前已由廠家對其進行了一些可靠性試驗，本文的主要目的是對這些型號的探測器進行進一步的熱真空環境適應性分析從而實現二次篩選，確保探測器在實際使用時能夠安全可靠地工作。

參考探測器使用說明并結合探測器實際運行環境條件，設置了探測器熱真空環境試驗條件，在保證環境試驗條件對探測器的篩選力度的同時防止環境試驗應力過大對探測器產生過試驗而損傷器件。

2.1 試驗條件

探測器的熱真空試驗主要是模擬真實在軌運行環境的溫度、真空環境、極端高低溫以及主要溫度工作點等環境條件進行循環試驗，考核其工作的穩定性和可靠性。設計熱真空實驗條件如表1所示。

基于圖像處理技術CTOD試驗裝置的研制………………………………………………………王炳英，侯振波，徐圣朋（3.19）

表1 熱真空試驗條件

探測器熱真空高低溫分別為＋55℃正偏差4℃和－20℃負偏差4℃，性能測試溫度點在－7℃和－17℃進行，該溫度點各進行1h測試，具體的探測器熱真空循環試驗狀態如圖2所示。試驗溫度通過真空罐制冷、加熱系統實現。

圖2 探測器熱真空試驗狀態

2.2 試驗步驟

1）將測試專用設備和探測器組件按要求放置在真空罐冷板上，連接好地檢、溫度檢測系統電纜，并檢查連接狀態進行系統狀態確認；

2）放入防污染鏡片后關閉罐門進行探測器試驗前性能測試。按照真空罐流程開始抽真空，待真空度優于1.3×10－3Pa后，進行工況設置；

3）設置真空罐為高溫工況，待探測器監測點溫度滿足＋55℃溫度點要求時，進入熱真空循環流程高溫保持階段；

4）待高溫保持結束后調整真空罐狀態，使探測器熱沉溫度為－7℃，待探測器監測點溫度滿足允許的誤差要求時，開啟探測器制冷器和校正儀數據采集功能進行－7℃性能保持測試階段；

5）－7℃性能結束后調整真空罐狀態，使探測熱沉溫度為－17℃，待監測點溫度滿足允許誤差要求時，進行－17℃性能保持測試階段；

6）－17℃性能結束后，設置真空罐為低溫工況，待探測器監測點溫度滿足－20℃溫度點要求時，進入熱真空循環流程低溫保持階段。

按照以上流程完成10次近一周的循環實驗，其真空內產品狀態如圖3所示。

圖3 真空罐內探測器組件狀態圖

2.3 探測器試驗前后各性能參數測試方法

利用計算機、光功率計、數字源表等配套采集設備采集被測探測器組件相關數據。測試過程中用制冷器驅動紅外探測器組件內置TEC（Thermo Electric Cooler）進行制冷至設定溫度進行制冷驅動電流的測試。紅外探測器制冷特性的溫度數據獲取則是通過數據采集器實時采集。規定波長照明下，光電二極管探測器相對光譜響應率計算公式見式(1)：

式中：I(l, i)為探測器在波長l照明下輸出電流值；Idark(i)為探測器暗場輸出電流值；F(l,j)為監視探頭在波長λ照明下輸出功率值；Fdark(j)為監視探頭暗場輸出電流值；m，n為采樣點個數。

試驗前后各型號探測器相對光譜響應率變化率計算公式見式(2)：

式中：(2)為試驗后探測器的相對光譜響應率；(1)為試驗前探測器的相對光譜響應率。

3 試驗結果分析

利用上述探測器環境試驗裝置和測試方法，對硅探測器S13735、紅外InGaAs探測G12180和G12183的3種型號的探測器進行熱真空環境試驗考核。

根據星載探測器環境試驗要求，試驗前后探測器的相對光譜響應率變化范圍為±10%以內即滿足使用要求，S13735和G12180探測器的暗電流不超過100pA即認為探測器性能滿足需要，對于G12183探測器的試驗后暗電流變化率不超過試驗前5倍即認為探測器性能滿足需要。紅外G12180、G12183兩種型號探測器試驗前后的制冷驅動電流的變化率要求在±10%以內，溫控精度均滿足±0.2℃的要求則探測器制冷和溫控特性滿足要求。

3.1 探測器試驗前后相對光譜響應率變化

由于探測器在實際環境工作時不需要加偏壓，所以在測量時給探測器加0mV偏壓，同時加38mV偏壓的目的是為了將背景輻射降到1%以下，減小溫度對探測器測量的影響。通過公式(1)計算得到S13735、G12180和G121833種探測器的試驗前后的光譜響應率的相對變化率如圖5、圖6所示。圖中A和B分別表示每只探測器的A像元和B像元。

圖5 S13735試驗前后光譜響應率相對變化率

根據星載探測器環境試驗要求，從圖5、圖6可以看出，各型號探測器試驗前后的相對光譜響應率的變化率都在±3%以內，為了得到性能更優的探測器組件，根據使用數量要求，依照優中選優的標準可以篩選出變化率更低的探測器，從而應用到高精度偏振和光譜測量中。

3.2 探測器試驗前后暗電流變化

探測器作為一種典型的光電二極管，其暗電流是指在沒有輸入光信號的情況下輸出的電流信號。探測器暗電流來源復雜影響因素較多，且其測量不確定度也是影響短波紅外偏振測量儀器測量精度的最重要因素，所以對于星載探測器組件進行試驗前后暗電流變化情況分析就顯得尤為重要。圖7、圖8、圖9分別為各型號探測器試驗前后暗電流值。

由圖7、圖8可以看出：S13735和G12180探測器試驗前后暗電流都不超過50pA，小于100pA的要求，說明這幾種型號的探測器組件經過試驗考核后具有較好的穩定性和可靠性，滿足航天載荷性能需求。由圖9可以看出：對于G12183探測器的0mV偏壓和30mV偏壓也滿足試驗后暗電流變化率不超過試驗前5倍的要求，同樣滿足航天載荷性能要求。

3.3 制冷器制冷驅動電流試驗前后變化

紅外探測器制冷器制冷驅動電流在室溫22℃條件下進行測試（注：編號1～5表示5只InGaAs G12180探測器，編號6～9表示4只InGaAs G12183探測器），測試結果及變化率如圖10所示。

圖6 G12180和G12183試驗前后光譜響應率相對變化率

圖7 S13735探測器試驗前后暗電流值

圖8 G12180探測器試驗前后暗電流值

圖9 G12183探測器0mV和38mV偏壓試驗前后暗電流值

圖10 紅外探測器試驗前后制冷驅動電流值及其變化率

紅外InGaAs探測器的G12180、G12183兩種型探測器試驗前后的制冷驅動電流的變化率最大分別為－8.108%、－8.609%，也滿足實驗前初始測試值的±10%誤差變化。

3.4 探測器制冷特性測試結果

紅外InGaAs探測器制冷特性在探測器外殼溫度為－7℃～－17℃時進行探測器制冷性能測試，各個探測器溫控最大最小值測試結果如圖11所示。

試驗過程中，紅外探測器溫控精度均滿足21.36±0.2℃要求，探測器制冷特性滿足要求。

4 結論

試驗結果表明：S13735、G12180、G12183型探測器組件試驗前后的相對光譜響應率最大變化率分別為－1.3315%、2.2061%、0.8775%，滿足試驗前初始測試值的±10%誤差變化。S13735、G12180型探測器組件的試驗前后的暗電流都不超過100Pa，G12183探測器的試驗后暗電流變化率不超過試驗前5倍，皆滿足試驗誤差要求。紅外G12180和G12183型探測器的試驗前后制冷器制冷驅動電流的變化率最大分別為－8.108%、－8.609%，滿足實驗前初始測試值的±10%誤差變化，探測器的制冷性能滿足要求。

圖11 紅外探測器溫控值

紅外探測器溫控精度均滿足21.36℃±0.2℃要求。說明經過熱真空環境試驗考核后的各探測器組件具有較好的穩定性和可靠性，探測器熱真空試驗后各項性能指標正常。

結合各參數在實際工程中對探測器性能的影響的重要性設置各參數權重因子，進行定量計算后，從參試各類型探測器中選取試驗綜合性能最優的產品用于星載高精度偏振和光譜測量中。

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Thermal Vacuum Environment Tests of Multimodel Photodetectors on Satellites

CHEN Zhi1,2，WANG Jiejun3，HU Yadong2，ZHANG Aiwen2，LI Zhuoran2，CUI Shanshan2，JIN Jie2，HONG Jin2

(1.541004,;2.230031,;3.536000,)

To apply low-level detectors in high-reliability application environments, such as those in the aerospace field, it is important to test the environmental reliability of such detectors. In this paper, a thermal vacuum experiment method is proposed to test various types of space-borne detectors. By comparing the changes in the relative spectral response rate, dark current, driving current of the refrigerator, and refrigeration characteristics of each type of detector before and after the thermal vacuum environment test, their adaptabilities in the thermal vacuum environment are analyzed to enable early popularization. To avoid products with possible quality and other defects, only those products demonstrating the best performances are selected for aerospace applications. The results show that based on the performance indices of detectors that meet the design requirements after the thermal vacuum environment testing and screening, such devices have good reliability and stability, which can meet the requirements of aerospace loads.

aerospace load, detector, reliability, thermal vacuum test, screening

TP732

A

1001-8891(2020)09-0823-06

2020-07-08；

2020-08-26.

陳志（1990-），男，安徽淮南人，碩士研究生，主要研究方向為光電檢測和偏振遙感技術。E-mail: 244383402@qq.com。

胡亞東（1984-），男，安徽滁州人，副研究員，博士，主要研究方向為偏振遙感探測技術及其應用。E-mail: huyadong@aiofm.ac.cn。

王寬誠率先人才計劃“盧嘉錫國際團隊項目”（GJTD-2018-15）。