專利名稱：一種測(cè)量焦平面探測(cè)器低溫形變的方法及專用杜瓦的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫紅外焦平面探測(cè)器，具體是指液氮溫度(77K)下，由不同材料復(fù)合封裝構(gòu)成的紅外焦平面探測(cè)器形變的測(cè)試方法及專用低溫杜瓦。
背景技術(shù)：
紅外焦平面探測(cè)器由紅外敏感元、讀出電路、通過互聯(lián)基板倒焊組成，而焦平面探測(cè)器的封裝要涉及底座、引線過渡基板等。所以一般一個(gè)焦平面探測(cè)器的整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)要由幾種材料構(gòu)成。對(duì)于單元、多元探測(cè)器，由于規(guī)模較小，整體線度較短，問題不突出。然而對(duì)于較大規(guī)模的焦平面探測(cè)器由于線度增加，且一般都在77K的液氮溫度下工作，當(dāng)焦平面探測(cè)器冷卻到工作溫度時(shí)，由于不同材料間熱脹系數(shù)差異必然導(dǎo)致應(yīng)力、應(yīng)變的產(chǎn)生，應(yīng)力的效果導(dǎo)致宏觀彎曲形變。對(duì)于焦平面探測(cè)器來說宏觀彎曲形變將直接影響器件的冷熱循環(huán)可靠性，在較短時(shí)間內(nèi)引起探測(cè)器失效、甚至芯片出現(xiàn)裂紋。因此，在焦平面探測(cè)器封裝結(jié)構(gòu)研究工作中，解決在低溫下復(fù)合封裝結(jié)構(gòu)形變量的測(cè)試方法是提高焦平面探測(cè)器可靠性的非常重要的環(huán)節(jié)。
由于紅外焦平面探測(cè)器的低溫(77K)工作特性，所以通常的測(cè)試方法不能達(dá)到液氮溫度下的形變直接測(cè)試的目的，或者達(dá)不到要求的低溫，例如利用臺(tái)階儀直接掃描的方法，由于是接觸式的，當(dāng)把試件從浸泡的液氮中取出并進(jìn)行掃描測(cè)試時(shí)，在此過程中，試件溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速回升，而且不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此得到的測(cè)試結(jié)果重復(fù)性差，而且不能得到真正77K溫度下的測(cè)試數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提出一種真正在77K溫度下進(jìn)行的紅外焦平面探測(cè)器復(fù)合結(jié)構(gòu)形變的測(cè)試方法，及測(cè)試過程中專用的杜瓦。
本發(fā)明的技術(shù)方案是利用光學(xué)精密高度測(cè)試儀或激光高度測(cè)試儀對(duì)探測(cè)器芯片表面上各點(diǎn)位移的精密測(cè)試功能實(shí)現(xiàn)。具體方法為，選擇一參考點(diǎn)為原點(diǎn)，建立座標(biāo)系統(tǒng)，固定預(yù)定測(cè)試點(diǎn)座標(biāo)；然后，首先在室溫下對(duì)一系列固定的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，得到室溫時(shí)的數(shù)據(jù)。當(dāng)被測(cè)樣品在從室溫降到低溫以后，由于熱脹系數(shù)差異，形成雙金屬片效應(yīng)而導(dǎo)致平面形變。再次測(cè)試，方法與室溫測(cè)試相同。這樣得到室溫、低溫二組數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理，就可以得到從室溫到低溫下被測(cè)樣品彎曲程度的變化數(shù)值。其具體步驟如下被測(cè)樣品安裝將被測(cè)樣品16用導(dǎo)熱脂直接貼在杜瓦的冷平面8上，然后對(duì)杜瓦進(jìn)行真空排氣，使其真空度達(dá)到1×10-3τ以上，以達(dá)到良好的隔熱效果。
排氣完成的杜瓦用螺釘剛性固定在高度測(cè)試儀的X、Y軸精密移動(dòng)平臺(tái)17上，杜瓦軸線與移動(dòng)平臺(tái)嚴(yán)格垂直。
測(cè)試方法在完成上述步驟后，首先進(jìn)行室溫下的測(cè)試。選擇被測(cè)樣品某一參考點(diǎn)為原點(diǎn)建立座標(biāo)系統(tǒng)，高度測(cè)試儀的移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)被測(cè)樣品在X、Y平面內(nèi)移動(dòng)，移到各預(yù)定測(cè)試點(diǎn)，記錄各點(diǎn)(X，Y)座標(biāo)值，同時(shí)由高度測(cè)試儀測(cè)出各相應(yīng)點(diǎn)的高度值并一一對(duì)應(yīng)記錄。這樣，得到一組室溫下的各測(cè)試點(diǎn)的三維座標(biāo)值。然后將液氮輸入杜瓦內(nèi)，待被測(cè)樣品達(dá)到要求的溫度以后，再次測(cè)試，方法與室溫測(cè)試相同。這樣得到室溫、低溫二組數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)二組數(shù)據(jù)的相減處理，得到被測(cè)樣品從室溫到低溫下，由于熱脹系數(shù)差異導(dǎo)致的被測(cè)樣品彎曲程度的變化數(shù)值。
為了實(shí)現(xiàn)上述的測(cè)試方法，要采用專用的杜瓦，該杜瓦由外殼1和內(nèi)膽2中間夾有真空夾層3構(gòu)成。外殼上端有一帶透光窗口4的蓋子5，與外殼真空密封連接。外殼側(cè)壁有一抽夾層空氣的抽氣口6。內(nèi)膽內(nèi)有液氮7，帶冷平面8的紫銅導(dǎo)熱棒9一端浸入液氮里，冷平面8與透光窗口4相對(duì)應(yīng)，冷平面與杜瓦軸線垂直，并與內(nèi)膽廣口密封。內(nèi)膽側(cè)壁有一穿出外殼的輸入液氮口10和氮?dú)廨敵隹?1。冷平面8上有一溫度傳感器12，傳感器通過引線13穿墻接線柱14與測(cè)溫表15連接。
本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)1.與非真空狀態(tài)下的測(cè)試方法相比，可以使被測(cè)樣品達(dá)到更低的溫度和穩(wěn)定的溫度，因此可以更精確的測(cè)量應(yīng)變數(shù)值。
2.由于被測(cè)樣品是在專用真空杜瓦內(nèi)，所以可以保證被測(cè)樣品達(dá)到在77K溫度下的應(yīng)變測(cè)試。
3.被測(cè)樣品的安裝呈自由狀態(tài)，避免外力對(duì)熱應(yīng)力引起形變的影響，從而提高測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性。
4.通過室溫、低溫測(cè)試后的數(shù)據(jù)處理，剔除被測(cè)樣品本身的不平行度對(duì)低溫形變數(shù)據(jù)的影響，更真實(shí)反映低溫形變數(shù)值。
5.測(cè)試狀態(tài)可在原位多次重復(fù)測(cè)試，所以可以測(cè)試多次循環(huán)以后的應(yīng)變狀況。
6.可以利用X、Y平臺(tái)的二維掃描獲得被測(cè)樣品低溫下表面的三維應(yīng)變貌相。
7.整個(gè)裝置可以利用常規(guī)設(shè)備完成。


圖1為本發(fā)明的測(cè)量裝置剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的沿中心軸旋轉(zhuǎn)90°的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1，2所示，將被測(cè)樣品16用導(dǎo)熱脂粘貼在杜瓦的冷平面8上，使被測(cè)樣品在X、Y方向保持自由狀態(tài)，這種粘帖方法避免了機(jī)械安裝外力對(duì)樣品低溫形變測(cè)量的影響。裝上杜瓦蓋子5，通過密封圈與杜瓦外殼真空密封。將杜瓦抽氣口6連接到排氣臺(tái)進(jìn)行真空排氣，使得真空夾層3的真空度達(dá)到1×10-3τ以上，以達(dá)到良好的隔熱效果。排氣完成的杜瓦用螺釘剛性固定在高度測(cè)試儀的X、Y精密移動(dòng)平臺(tái)17上，杜瓦軸線與移動(dòng)平臺(tái)17嚴(yán)格垂直。由于X、Y精密移動(dòng)平臺(tái)17與高度測(cè)試儀的顯微物鏡18是一體結(jié)構(gòu)，這樣可以保證被測(cè)樣品16的法線與顯微物鏡18的光軸平行。
在完成上述步驟后，打開高度測(cè)試儀的燈光，使其通過杜瓦窗口4到達(dá)被測(cè)樣品16表面并反射回高度測(cè)試儀，對(duì)被測(cè)樣品高度進(jìn)行測(cè)量。首先進(jìn)行室溫下的測(cè)試選擇被測(cè)樣品16某一參考點(diǎn)為原點(diǎn)建立座標(biāo)系統(tǒng)，移動(dòng)平臺(tái)17帶動(dòng)被測(cè)樣品16在X、Y平面內(nèi)移動(dòng)，移到各預(yù)定測(cè)試點(diǎn)，記錄各點(diǎn)(X，Y)座標(biāo)值，同時(shí)由高度測(cè)試儀測(cè)出各相應(yīng)點(diǎn)的高度值并一一對(duì)應(yīng)記錄；這樣，得到一組室溫下的各測(cè)試點(diǎn)的三維座標(biāo)值，得到室溫時(shí)被測(cè)被測(cè)樣品的平面情況。然后將液氮通過輸入液氮口10輸入杜瓦，液氮對(duì)紫銅導(dǎo)熱棒9冷卻，通過熱傳導(dǎo)對(duì)冷平面8、被測(cè)樣品16進(jìn)行冷卻。被測(cè)樣品16的溫度由鄰近的測(cè)溫傳感器12測(cè)量，溫度表顯示被測(cè)樣品16溫度值。當(dāng)被測(cè)樣品達(dá)到要求的溫度以后，再次測(cè)試各預(yù)定測(cè)試點(diǎn)的高度與相應(yīng)座標(biāo)，得到一組低溫下的各測(cè)試點(diǎn)的三維座標(biāo)值。這樣得到室溫、低溫二組數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)二組數(shù)據(jù)的相減處理，得到被測(cè)樣品從室溫到低溫下，由于熱脹系數(shù)差異導(dǎo)致的被測(cè)樣品彎曲程度的變化數(shù)值。由于室溫到低溫測(cè)量是在同一座標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行的，數(shù)據(jù)處理上進(jìn)行了相減處理，剔除被測(cè)樣品本身的不平行度對(duì)形變數(shù)值的影響，真實(shí)測(cè)出溫度變化所引起的形變數(shù)值。若上述測(cè)試裝置再配置精密平臺(tái)自動(dòng)掃描、激光測(cè)高自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以快速獲得被測(cè)樣品的三維形象。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量焦平面探測(cè)器低溫形變的方法，其特征在于具體步驟如下A.被測(cè)樣品安裝將被測(cè)樣品(16)用導(dǎo)熱脂直接貼在杜瓦的冷平面(8)上，然后對(duì)杜瓦進(jìn)行真空排氣，使其真空度達(dá)到1×10-3τ以上，以達(dá)到良好的隔熱效果；排氣完成的杜瓦用螺釘剛性固定在高度測(cè)試儀的X、Y軸精密移動(dòng)平臺(tái)(17)上，杜瓦軸線與移動(dòng)平臺(tái)嚴(yán)格垂直；B.測(cè)試方法在完成上述步驟后，首先進(jìn)行室溫下的測(cè)試選擇被測(cè)樣品某一參考點(diǎn)為原點(diǎn)建立座標(biāo)系統(tǒng)，高度測(cè)試儀的移動(dòng)平臺(tái)(17)帶動(dòng)被測(cè)樣品在X、Y平面內(nèi)移動(dòng)，移到各預(yù)定測(cè)試點(diǎn)，記錄各點(diǎn)座標(biāo)值，同時(shí)由高度測(cè)試儀測(cè)出各相應(yīng)點(diǎn)的高度值并一一對(duì)應(yīng)記錄，得到一組室溫下的各測(cè)試點(diǎn)的三維座標(biāo)值；然后將液氮輸入杜瓦內(nèi)，待被測(cè)樣品達(dá)到要求的溫度以后，再次測(cè)試，方法與室溫測(cè)試相同，這樣得到室溫、低溫二組數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)二組數(shù)據(jù)的相減處理，得到被測(cè)樣品從室溫到低溫下，由于熱脹系數(shù)差異導(dǎo)致的被測(cè)樣品彎曲程度的變化數(shù)值。
2.為了實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量焦平面探測(cè)器低溫形變方法所要采用的專用杜瓦，該杜瓦由外殼(1)和內(nèi)膽(2)中間夾有真空夾層(3)構(gòu)成；其特征在于外殼上端有一帶透光窗口(4)的蓋子(5)，與外殼真空密封連接；外殼側(cè)壁有一抽夾層空氣的抽氣口(6)，內(nèi)膽內(nèi)輸有液氮(7)，帶冷平面(8)的紫銅導(dǎo)熱棒(9)一端浸入液氮里，冷平面(8)與透光窗口(4)相對(duì)應(yīng)，冷平面與杜瓦軸線垂直，并與內(nèi)膽廣口密封；內(nèi)膽側(cè)壁有一穿出外殼的輸入液氮口(10)和氮?dú)廨敵隹?11)，冷平面(8)上有一溫度傳感器(12)，傳感器通過引線(13)穿墻接線柱(14)與測(cè)溫表(15)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測(cè)量焦平面探測(cè)器低溫形變的方法及專用杜瓦，它是采用非接觸式高度測(cè)試原理測(cè)量的，被測(cè)樣品安裝在液氮制冷的特制杜瓦內(nèi)、被測(cè)樣品自由狀態(tài)的安裝，避免了機(jī)械安裝引入的外應(yīng)力對(duì)低溫形變的影響，使數(shù)據(jù)真實(shí)反映樣品低溫應(yīng)變數(shù)據(jù)。特制的杜瓦有溫度傳感器監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)樣品的溫度。采用的測(cè)試方法剔除了樣品本身不平行度對(duì)形變結(jié)果的影響。本項(xiàng)發(fā)明的測(cè)試裝置、測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理方法，解決了低溫形變的數(shù)值測(cè)量問題。
文檔編號(hào)G01B11/16GK1693844SQ20051002591
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者張勤耀, 廖清君, 許妙根 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所