專利名稱：一種半導體致冷紅外探測器組件的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學元件，半導體致冷器及紅外探測器設計與制造技術，是一種由流線聚光器、半導體致冷器和紅外敏感芯片組合構成的新型低溫紅外探測器組件。
提高紅外探測器探測靈敏度和延長工作波段的一個重要途徑是降低探測器件的工作溫度。降低其工作溫度有多種方法，半導體致冷是其中的一種，它利用帕爾帖效應，使N型和P型兩種半導體材料在結點處降溫，把紅外探測器置于冷結上，就可以降低它的工作溫度。與其他致冷方法相比，由于不需要致冷劑，沒有運動部件，無振動，無噪音，無污染，加之體積小，重量輕，壽命長，降溫快，因而得到了較多的應用。附圖1為現(xiàn)有技術的半導體致冷紅外探測器的結構示意圖，請參閱圖1，圖中NP結為致冷元件，可以有若干級，圖中畫出的是一級。電流由一對電源引線柱進入致冷元件，使冷端瓷片冷卻，紅外敏感芯片置于瓷片上，敏感芯片產(chǎn)生的光電信號由一對引線柱引出，窗口在紅外敏感芯片的前面，器件抽真空或充氮氣后，在密封口處用膠封或玻璃封焊。
上述半導體致冷紅外探測器在實際使用中，必須加配光學元件用以擴大探測器的受光面積或者受光范圍，這不僅需要專門的光學設計技術，而且要解決光學安裝對準等問題，給使用者帶來許多不便。此外，該結構所采用的密封技術，一旦密封失效，器件就要整體報廢而不能繼續(xù)使用。
本實用新型的目的在于提供一種由具有接近理論聚光能力極限的高性能聚光元件、半導體致冷器和紅外敏感芯片組成一體的半導體致冷紅外探測器組件。
本實用新型通過如下技術方案達到采用平凸透鏡和流線聚光器與紅外敏感芯片同軸組合，其中流線聚光器小口端與紅外敏感芯片表面的間隙小于0.2mm，紅外敏感芯片位于半導體致冷器的頂部，在組件管殼上設置有可反復使用的帶錐體氣門芯的密封抽真空排氣頭。具體是采用微型半導體致冷器降低紅外敏感芯片的溫度，熱端可以自然冷卻，也可以風冷或通水冷卻；用平凸透鏡代替現(xiàn)有結構的透射窗口；在探測器與透鏡之間加裝根據(jù)非成像光學技術設計的流線聚光器，該聚光器具有接近理論極限的聚光能力；調節(jié)聚光器底部的墊片厚度，保證聚光器小口距紅外敏感芯片的距離符合設計的小間隙指標；控制機械加工和安裝誤差保證光學部件的對中精度；采用膠封技術進行整體封裝，使用真空排氣頭真空和最后封口。
與現(xiàn)有技術相比，本實用新型有如下有益效果1.由于組件內已加配高性能的流線聚光器，使用者不必再配其他光學元件而可直接使用本組件，為用戶提供了很大方便。
2.流線聚光器按照非成像光學技術精心設計，其等效F數(shù)為0.55，效率達0.95，具有非常高的聚光效果，與理論級限F數(shù)0.5接近，而一般光學透鏡的有效F數(shù)均大于1。
3.組件上設計有抽真空排氣頭，當組件內真空度降低時，可以打開氣門芯抽氣，使組件能繼續(xù)正常使用。
4.根據(jù)不同使用要求用戶可以選擇自然冷卻，水冷或者風冷進行散熱。
5.直接作為激光通訊、測距、制導和光譜儀器的接收器件或其他光電探測儀器的接收器件。由于這種組件具有較低有工作溫度，并配有高性能的光學元件，與一般的紅外探測器相比，探測靈敏度有很大提高。該組件如采用長波大面積HgCdTe紅外敏感芯片組合，可以用于10.6微米的紅外激光探測，故本實用新型有廣闊的應用領域。
本實用新型
如下圖1為現(xiàn)有技術的半導體致冷紅外探測器結構示意圖。
圖2為本實用新型帶流線聚光器的半導體致冷紅外探測器組件的結構示意圖。
圖3為本實用新型中流線聚光器的剖示圖。
下面配合附圖對本實用新型的最佳實例作深入和具體說明本實施例按如前所述的技術方案實施，請參見附圖，本組件的底座12上安放微型四級半導體致冷器8，在致冷器的第四級頂部置放用寶石片6作襯底的紅外敏感芯片5，為減少外界的熱輻射影響，防止冷量散失，在紅外敏感芯片周側加有一個正方形的紫銅輻射屏蔽冷屏7，底座12的下部根據(jù)使用要求用聯(lián)接螺釘9加上風冷或者水冷散熱裝置11，在底座四周有六根用絕緣材料玻璃14固封的引線柱10，其中二根與直流電源相連，是供電引線，另二根是紅外探測器的信號輸出線。在組件內部的其余二根引線的端面處放置吸氣劑13通過這二根引線加熱，使吸氣劑蒸散，吸收組件內腔的殘余氣體，保持和提高真空度。在組件管殼16上廟置有可反復使用的帶錐體氣門芯的抽真空排氣頭17，其錐體氣門芯17-2下部呈倒錐形，中部嵌有二道密封橡膠環(huán)，上部頂端留有聯(lián)接螺孔，氣門芯17-2裝在氣門套17-1中，氣門套下部設計成錐形斜口與管殼16緊配合并輔以膠封固定，氣門帽17-3套在氣門套17-1上起保護作用。當組件經(jīng)長期使用密封失效時，卸下氣門帽，接上專用抽氣閥門撥出氣門芯抽真空，當達到要求真空度后，轉動閥門將氣門芯推入，即可恢復組件的正常真空密封狀態(tài)。
管殼16由超硬鋁LY12制作，在其中心正上方的突起部分安放平凸透鏡1和流線聚光器3，平凸透鏡1用鍺材料做成，用膠封環(huán)2膠封固定，機械設計保證平凸透鏡1與聚光器及紅外敏感芯片5精確同軸和定位。
底座12上設有一環(huán)形的裝配槽，槽寬1mm，深1.5mm，管殼16下端伸入槽中，用環(huán)氧膠15灌封固定。為了保證聚光器的小口中心與紅外敏感芯片的中心完全一致，以及聚光器小口端面與紅外敏感芯片表面距離最小，管殼與底座的裝配在顯微鏡和對中儀的監(jiān)視下進行。聚光器小口端面與紅外敏感芯片間小的間隙是保證聚光效果的重要因素，它由調節(jié)墊片4控制，這一間隙不大于0.2mm。
流線聚光器是本實用新型的關健技術之一，見附圖3，它是按照非成像光學技術設計的一種特殊光學元件，與傳統(tǒng)光學元件有很大的不同，該聚光器是一銅制錐體，其內表面是一由精密數(shù)控機床加工形成的曲面，再經(jīng)光學復制形成鍍鋁光學鏡面，其表面截線方程為y2－0.12396x2＋2.1652x－9.6567＝0，其有效入射孔徑為6mm，出口直徑為1mm，它與前面的平凸透鏡配合，凡在±8.63°視場角內的輻射光線，都可以經(jīng)鏡面反射后從聚光器的小口射出，與其他各種非成像反射聚光器相比，克服了部分入射的空間光線(與主光軸不共面的光線)不能從小口射出而被返回大口缺點，因而光學效率更高，可達95％以上，它抑制雜散光的能力更強，具有接近理論極限的聚光能力，其等效F數(shù)為0.55，理論極限為0.5，光學透鏡一般大于1。
種用本實用新型試制的帶流線聚光器的碲鎘汞紅外探測器組件，紅外敏感芯片靈敏面積為1毫米×1毫米至2毫米×2毫米，在10.6微米波長處組件的探測D*優(yōu)于1×109厘米·赫茲1/2·瓦-1，達到了國際先進水平。在室溫條件下，工作溫差可達75K°，熱負載大于20毫瓦，使用壽命在一年以上。
權利要求1.一種半導體致冷紅外探測器組件，包括底座(12)，管殼(16)和引線柱(10)，在管殼(16)內的紅外敏感芯片(5)固定在半導體致冷器(8)的頂部，緊接半導體致冷器底座(12)下部配有風冷或水冷散熱裝置(11)，其特征在于a.采用平凸透鏡(1)和流線聚光器(3)與紅外敏感芯片(5)同軸組合，流線聚光器小口端與紅外敏感芯片表面的間隙小于0.2毫米；b.在組件管殼(16)上設置有供反復使用的帶錐體氣門芯(17-2)密封的抽真空排氣頭(17)。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體致冷紅外探測器組件，其特征在于所說的流線聚光器(3)內表面是一旋轉對稱曲面，其截線方程為y2－0.12396x2＋2.1652x－9.6567＝0，內表面經(jīng)光學復制形成鍍鋁光學鏡面。
專利摘要本實用新型采用流線聚光器、紅外敏感芯片、微型半導體致冷器和可反復使用的抽真空排氣頭構成一種半導體致冷紅外探測器組件。由于流線聚光器具有接近理論極限的聚光能力和器件在較低溫度下工作，使組件具有很高的探測靈敏度且穩(wěn)定可靠，使用方便，可以不再加配光學元件而直接使用，例如在激光測距、通訊、制導和某些光電儀器上使用。
文檔編號G02B27/00GK2257931SQ9524651
公開日1997年7月16日 申請日期1995年11月24日 優(yōu)先權日1995年11月24日
發(fā)明者王培綱, 王子孟, 王維揚 申請人:中國科學院上海技術物理研究所