大面陣紅外探測器冷平臺仿真設計與試驗

黃 燕，陸永達，張 鎧，朱魁章

（中國電子科技集團公司第十六研究所 低溫技術安徽省重點實驗室，合肥 230088）

0 引言

高分辨率紅外成像系統在機載光電雷達、紅外搜索與跟蹤、全天候偵察監控等領域的需求越來越迫切。HgCdTe紅外焦平面探測器仍然在紅外探測領域占據主導地位，并向大面陣化、雙色甚至多色化、高工作溫度、低功耗和低成本方向發展[1]。拼接技術的出現使得HgCdTe紅外焦平面探測器在大面陣化方面取得了長足的進步[2]。英國SELEX公司[3]通過拼接技術形成了16M規格的超級陣列，大幅拓展了探測器的探測范圍和精度。為了滿足用戶對采用拼接技術制備低溫HgCdTe紅外焦平面探測器的需求，中電16所在原有分置式制冷機的基礎上研制了一款大冷量、長壽命的低溫制冷機。由于制冷機的冷頭較小，無法直接支撐和冷卻拼接后的探測器，必須通過大尺寸集成冷板設計和斯特林制冷機與長線列紅外探測器耦合集成等[4-5]，才能實現低溫HgCdTe紅外焦平面探測器的應用[6]。本文采用設計仿真與試驗驗證相結合的方式，模擬及測試冷板結構及熱力學性能，期望有效地解決大尺寸HgCdTe紅外焦平面探測器的支撐問題[7]。

1 大尺寸冷平臺設計

大面陣紅外冷平臺由冷板、輔助支撐柱、柔性冷鏈等組成，尺寸為136 mm×70 mm，紅外探測器及其附件的總質量為700 g，模擬冷板的質量應不小于700 g。根據紅外探測器的工作要求：模擬冷板須提供制冷量≥4.5 W@80 K（環境溫度296 K±5 K），冷板溫度均勻性要求≤1 K，冷板熱應力變形要求≤1 mm，冷平臺必須滿足力學環境試驗要求。為此設計須考慮的重點問題有多點冷卻間接耦合技術、柔性冷鏈設計、冷板溫度均勻性設計及熱應力設計等。

1.1 集成冷板結構設計

在進行冷板與制冷機冷指耦合結構設計時，發現僅僅依靠薄壁筒狀結構的冷指直接連接無法滿足探測器組件耐受振動、沖擊等力學環境試驗的要求。因此，必須對冷板進行輔助支撐設計。輔助支撐采用金屬和夾布膠木棒的兩段式支撐結構，金屬部分與冷板通過螺紋連接并固定，可以保證支撐與冷板的垂直度；金屬支撐部分與膠木棒支撐部分用高強度螺紋連接，保證連接強度；膠木棒底端與膨脹機法蘭通過金屬壓塊壓緊，再配合以螺紋連接將膠木棒緊固在膨脹機法蘭上。由于膠木棒的強度較金屬棒低，因此選用的直徑較大以滿足強度要求。采用兩段式的冷板輔助支撐結構，既可以滿足強度要求，又可以利用膠木棒較低的熱導率特性降低冷板向膨脹機法蘭的導熱量，減小探測器冷平臺熱損失。同時，為了降低漏熱，將金屬支撐部分表面鍍金，降低表面的熱輻射率，減少輻射漏熱量，提高膨脹機冷量的利用率。設計的冷板與輔助支撐如圖1所示。

圖1 冷板與輔助支撐結構示意圖Fig 1 Schematic diagram of cold plate and auxiliary support structure

1.2 多點冷卻耦合結構設計

為了降低制冷機振動對紅外探測器的影響，冷平臺與制冷機冷頭之間采用間接耦合技術，通過導熱性能很好的柔性冷鏈連接制冷機冷頭和冷板，將制冷機冷頭產生的冷量傳遞到冷板上，冷板材料選用與芯片熱耦合匹配的鉬銅合金材料。為提高冷板的溫度均勻性采用多點冷卻技術，冷鏈設計為左、中、右三部分的分體式結構，兩端分別通過壓板壓在冷頭和冷板上，用螺釘固定壓板，形成對冷板的多點冷卻效應。協同設計冷板冷卻點位置與冷板的溫度均勻性，將柔性冷鏈冷端各部分重疊并壓緊固定在冷頭上，以增強傳熱邊界條件的一致性[3]。通過增加冷鏈與冷板之間的導熱面積，優化各部分冷鏈的截面積，強化冷鏈與冷板的接觸狀態，減小冷板各部分間的傳熱熱阻，提高冷板的溫度均勻性。多點冷卻熱耦合結構如圖2所示。

圖2 冷平臺多點冷卻熱耦合結構示意圖Fig.2 The schematic diagram ofmulti-pointcooling thermal coupling structure of cooled platform

將柔性冷鏈設計成多層柔軟薄紫銅片并聯結構，將冷鏈在特定位置壓制折彎，以減小冷鏈變形后產生的應力，降低冷鏈在安裝過程中因變形對冷板和冷頭的拉伸或者擠壓作用，避免冷指受力變形[8-9]。

柔性冷鏈設計主要根據冷平臺正常工作溫度80 K所需制冷量的要求[10-11]，并考慮冷平臺輻射漏熱、輔助支撐傳導漏熱、引線漏熱等損失，其總傳熱量可由式（1）計算得到：

式中：Q0為冷鏈傳遞的冷量，W；Qg為冷板要求制冷量，4.5 W；Qr為冷平臺的輻射漏熱，0.4 W；Qc1為輔助支撐的傳導漏熱，1 W；Qc2為引線的傳導漏熱，0.6 W。

計算得到冷鏈傳遞的冷量為Q0=6.5 W（296 K）?？紤]到冷頭與冷平臺之間的傳熱溫差，選用能提供制冷量為6.5 W@77 K（296 K）的斯特林制冷機冷頭。

由于采用多點冷卻，為了保證柔性冷鏈傳熱的均勻性，柔性冷鏈的三部分結構須采用不同截面積及長度參數，在冷鏈寬度一定的條件下還須計算不同柔性冷鏈的厚度。得到的結果為，柔性冷鏈采用柔性紫銅帶制作，左右兩根冷鏈結構對稱，長度均為50 mm，中間冷鏈長度為30 mm，冷鏈寬度均為42 mm，冷鏈的單層紫銅片厚度為0.1 mm。假設每部分冷鏈所需的銅片層數為n，則：

式中：Q為每條冷鏈傳遞的冷量，W；L為冷鏈的長度，mm；λ為紫銅的熱導率，400 W/m·K；a為冷鏈寬度，mm；δ為冷鏈單層材料厚度，mm；ΔT為冷鏈兩端溫差。

通過計算，得到左、右兩根冷鏈為10層，中間為6層，如圖3所示。

圖3 柔性冷鏈結構示意圖Fig.3 Flexible cold chain structure diagram

2 仿真分析和試驗

大尺寸冷平臺設計技術中主要考慮輔助支撐和冷板在各種力學環境下的強度適應性以及輔助支撐的導熱問題。由于輔助支撐采用的是鈦合金及膠木棒的串聯結構，為了簡化仿真流程，降低仿真難度，將輔助支撐合并成一個整體，但是輔助支撐材料仍然分段設定并與實際保持一致。

（1）輔助支撐熱學仿真

熱學仿真主要是對輔助支撐的漏熱量進行仿真計算。在仿真中，設置輔助支撐上、下端的溫度或者溫差后求解，可得到輔助支撐的熱流量。仿真結果如圖4所示。可以看出，輔助支撐結構能滿足支撐強度要求，其漏熱量也比較小，單根輔助支撐冷損不大于0.25 W，4根支撐柱總漏熱量不大于1 W。

圖4 輔助支撐結構熱仿真結果Fig.4 Thermal simulation resultof auxiliary supportstructure

（2）冷板的熱應力仿真

冷板熱學仿真的目的是評價溫度變化時由熱應力引起的冷板變形量是否滿足大面陣紅外探測器芯片的要求。芯片在低溫條件下工作，可能會因為溫度變化產生的熱應力引起形變使其與冷板之間的黏接失效而脫落，或被拉裂而損壞。影響最大的是冷板與芯片面垂直方向，冷板在該方向的變形將會嚴重影響芯片與冷板的貼合度，因此，仿真分析主要集中于低溫下冷板沿法線方向的變形。冷板的熱應力變形主要取決于鉬銅材料在不同溫度下產生的應力和材料的抗彎剛度，輸入冷板工作溫度條件和材料的抗彎剛度可獲得冷板的法向變形量，如圖5所示。仿真結果表明冷平臺的法向變形小于1 mm，滿足芯片使用的環境要求。

圖5 冷平臺的熱應力仿真圖Fig.5 Thermalstress simulation of cold platform

（3）力學仿真

為了滿足力學及可靠性要求，對冷平臺和制冷機冷頭耦合結構進行了正弦振動和隨機振動的力學仿真分析，試驗條件分別如表1和表2所列。在正弦振動仿真分析中，給定的邊界條件為固定面和固定面上設置的正弦隨機振動，仿真分析結果如圖6所示。由仿真結果可知，制冷機冷頭部分在15～100 Hz的范圍內沒有出現諧振，與冷平臺表面平行的兩個方向振動變形相對較大，70 Hz時X向（冷平臺寬度方向）最大變形量為0.047 mm，遠小于材料的性能極限。可認為在這個頻率范圍內集成冷平臺結構穩定可靠，輔助支撐和冷板設計滿足要求。

表1 正弦振動試驗條件Tab.1 The condition of sinusoidalvibration

表2 隨機振動試驗條件Tab.2 The condition of random vibration

圖6 正弦振動仿真設計結果Fig.6 Simulation resultdiagram of sinusoidalvibration

隨機振動的仿真分析如圖7所示。選取X、Y、Z三個方向上變形最大的一個方向Y，最大應力約419 MPa，最大應力點位于氣缸上，該值約為鈦合金屈服強度（大于930 MPa）的50%?？烧J為隨機振動過程中集成冷平臺結構穩定可靠，輔助支撐和冷板設計滿足要求。

圖7 隨機振動仿真設計結果Fig.7 Simulation resultof random vibration

（4）力學環境試驗

為了驗證冷平臺和制冷機冷頭耦合結構能否滿足力學環境要求，對制冷機進行了正弦振動和隨機振動力學試驗，試驗條件如表1、表2所列。振動試驗后輔助支撐和冷板無明顯變形，結構穩定；振動前后冷頭提供的制冷量無明顯變化，試驗結果與力學仿真設計結果吻合。

3 冷平臺溫度均勻性分析

（1）冷平臺溫度均勻性設計和仿真

冷平臺溫度均勻性通過冷板材料、結構形狀和冷鏈連接位置的協同來保證。冷板材料應兼顧溫度均勻性和熱應力要求，采用鉬銅作為冷板材料，其導熱率與強度均能滿足器件耦合變形的要求。冷平臺溫度均勻性的仿真采用有限元仿真中的熱學分析，所涉及的材料導熱系數為：鉬銅180 W/（m·K）、紫銅407 W/（m·K）、鈦合金11 W/（m·K），輔助支撐夾布膠布0.42 W/（m·K）。溫度均勻性仿真計算的邊界條件為：（1）冷指冷端加載恒定溫度77.000 K；（2）冷指熱端加載恒定溫度313.150 K；（3）冷板表面均勻加載5 W熱流，模擬探測器熱負載。分別如圖8中的A、B、C所示區域。

圖8 仿真分析邊界條件Fig.8 Simulation analysisof boundary condition

經過分析計算，冷板表面溫度分布云圖如圖9所示?？梢钥闯?，最高溫度80.192 K，最低溫度為79.453 K，最大溫差為0.749 K。

圖9 冷板溫度分布云圖Fig.9 Temperature distribution of cooling plate

（2）溫度均勻性試驗結果與分析[12]

在編號為01#和02#的制冷機冷平臺上進行溫度均勻性測試試驗。冷平臺上安裝5支測溫二極管，測溫二極管經過室溫和液氮溫度的比對標定，在液氮溫度范圍內的誤差均小于0.2 mV，可以保證冷平臺溫度測量的準確性。測試時將制冷機及冷平臺置于溫箱內，設定環境溫度為296.000 K，制冷機通電，待冷平臺溫度低于80.000 K后，加載適當的模擬熱負載，使制冷機冷平臺溫度穩定在80.000 K左右，測量平臺冷板上設置的5個點的溫度值，分別對01#和02#冷平臺試驗三次，獲得六組共30個溫度值，每次試驗的最大溫度與最小溫度之差為冷平臺溫度均勻性值，試驗結果如表3所列。

從表3試驗數據可以看出，01#制冷機冷平臺的溫度均勻性約為0.839 K，02#制冷機冷平臺的溫度均勻性約為0.919 K。試驗結果與仿真計算的誤差很小，滿足大面陣紅外探測器對冷平臺溫度均勻性的要求。

表3 制冷機冷平臺溫度均勻性試驗結果Tab.3 Tem perature uniform ity test resultsof cryocooler cold p latform

4 結論

設計的多點冷卻柔性冷鏈結構，在高效導熱的同時能夠隔離振動；在正弦和隨機振動條件下的熱力學仿真和試驗測試證明，冷平臺變形很小，不大于1 mm，溫度均勻性不大于0.919 K，滿足大面陣紅外探測器冷板變形≤1 mm、溫度均勻性≤1 K的工作要求。