Фотоприемное устройство

Полезная модель относится к фотоприемным устройствам (ФПУ), работающим в инфракрасной области спектра, и может быть использовано при создании оптико-электронных систем формирования изображений.
Известны ФПУ с матричными фотоприемниками (МФП), в частности, на основе структуры с квантовыми ямами (СКЯ), в которых МФП располагается в вакуумном корпусе-криостате (ВКК) в охлаждаемой зоне на диэлектрической плате с токоведущими дорожками. Соединение между токоведущими дорожками и керамическим контактным цоколем, встроенным в ВКК, осуществляется с помощью проволочных выводов из материала с низкой теплопроводностью, но достаточной для обеспечения нормальной работы МФП электрической проводимостью. Материалом, обладающим одним из лучших сочетаний высокой электропроводности и низкой теплопроводности (около 60 Вт/мК), является сплав иридия и платины, обычно используемый для изготовления проволочных выводов в ВКК. Недостатком использования платино-иридиевой проволоки в ВКК является ее относительно высокая цена, низкая надежность и сложность монтажа к контактным площадкам на диэлектрической плате и керамическом цоколе.
В качестве охладителя в указанных ФПУ обычно используется микрокриогенная система (МКС) на основе цикла Стерлинга, чаще всего роторного типа, например, К508 или К548 производства компании Ricor (Израиль), а также аналогичные МКС производства других компаний.
В зарубежной литературе существует устоявшееся представление о недостатках интегральных МКС Стирлинга с приводом вращения. Это:
- намного более широкий спектр создаваемых вибраций из-за наличия шарикоподшипников и перекладки поршней при работе кривошипно-шатунного механизма;
- частоты создаваемых вибраций меняются во времени, т.к. регулирование температуры криостатирования осуществляется за счет изменения частоты вращения двигателя в широком диапазоне;
- намного меньшая надежность из-за большого числа пар трения в МКС.
Последняя характеристика особенно критична для ФПУ, в котором МФП изготовлен на основе СКЯ, поскольку в этом случае в охлаждаемой зоне должна обеспечиваться температура криостатирования около 65К, что предполагает работу МКС с большей нагрузкой, чем при 80К в случае МФП на основе HgCdTe.
Известны наиболее близкие по технической сущности к заявляемому ФПУ, имеющие в основном те же конструктивные особенности, что и описанные выше [М. Runtz, F. Perrier et al "QWIP infrared detector production line results" - Proc. of SPIE, v. 8353, 835339, (2012)].
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности ФПУ. Заявленный технический результат достигается тем, что фотоприемное устройство, содержащее гибридную фоточувствительную схему (ГФС) на основе структур с квантовыми ямами, размещенную в вакуумном криостатируемом корпусе, интегрированном с микрокриогенной системой, характеризуется тем, что электрическая связь между токоведущими дорожками на посадочном месте ГФС и контактами на керамическом цоколе ВКК осуществляется с помощью никелевых выводов, а микрокриогенная система имеет конструкцию компрессора с линейный приводом.
В предлагаемом техническом решении указанные выше недостатки устраняются следующим образом.
Вместо выводов из платино-иридиевого сплава используют никелевую проволоку. Известно, что никель также обладает относительно невысоким коэффициентом теплопроводности (по некоторым данным он может быть не более 70 Вт/м К), а проволока из никеля может использоваться для разварки электронных компонентов с помощью, например, установки с расщепленным электродом. При этом отожженная никелевая проволока оказывается весьма пластичной, что повышает надежность сварного соединения. Наш опыт использования никелевой проволоки для электрических соединений в корпусе-криостате дал положительный результат: соединения стали значительно более надежными (количество обрывов после термоциклирования резко сократилось), при этом возрастания уровня теплопритоков не было обнаружено.
Для повышения надежности ФПУ используется МКС с компрессором с линейным приводом. Преимущество линейного привода заключается в том, что по сравнению с приводом вращения, где имеется большое число высоконагруженных пар трения, в компрессоре с линейным приводом содержится минимальное число пар трения и подвижных частей, исключен промежуточный механизм преобразования вращательного движения в поступательное. Линейный двигатель легко вписывается в конструкцию машин, технологичен в изготовлении. Оценки, сделанные в ООО «НТК «Криогенная техника», показывают, что МКС с линейным приводом могут обеспечить ресурс до 10000 часов.
На фиг. 1 представлен габаритный чертеж опытного образца ФПУ, содержащего ВКК 1 с размещенным в нем ГФС 2 на основе СКЯ, и МКС 3 с линейным приводом. Электрическая связь между токоведущими дорожками на посадочном месте ГФС и контактами на керамическом цоколе ВКК осуществляется с помощью никелевых выводов 4.
Испытания ФПУ данной конструкции подтвердили ее надежность (наработка составила свыше 3000 часов) и возможность обеспечивать достижение фотоэлектрических характеристик, задаваемых техническими требованиями к приборам такого класса. В конструкции ВКК с номинальными теплопритоками на посадочном месте около 0,35 Вт обеспечивался режим криостатирования ГФС при температуре 65 К при потребляемой мощности в стационарном режиме не более 15 Вт. Время выхода на указанную температуру составляло не более 6 минут.