一種測量紅外焦平面模塊低溫形變的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外探測器檢測技術(shù)，具體是指利用特制的杜瓦窗口以激光干涉法測量紅外焦平面模塊在低溫下熱失配形變，它適用于紅外焦平面器件在封裝過程中的表面形貌的檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]制冷型紅外探測器組件一般工作在低溫狀態(tài)下，其工作溫度常常在100K甚至更低，由于紅外探測器組件是由各種不同的材料構(gòu)成，這些材料的熱膨脹系數(shù)各不相同，組件在室溫與工作溫度之間變化時必然會產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力是目前影響紅外探測器可靠性的主要問題之一，它能導(dǎo)致紅外探測器的多種模式的失效，比如分層、光電性能退化、功能材料裂片等等。
[0003]因此降低功能模塊的熱應(yīng)力是紅外探測器組件封裝設(shè)計的一個重要目標。在組件設(shè)計完成進入試生產(chǎn)階段后，需要對熱應(yīng)力進行測試表征，一般通過樣品的表面形變來描述碲鎘汞材料所承受的熱應(yīng)力。
[0004]臺階儀是測量樣品表面形變的常用設(shè)備，它利用探針在樣品表面劃過，以此獲得樣品表面的輪廓，對于低溫下的形變測量，其測試過程一般是把樣品固定在一個熱容很大的熱沉上，然后一起浸入液氮降溫，在熱沉完全冷透后置于臺階儀上測量樣品表面的低溫下的表面形變。但是這種方法的溫度控制不夠理想，且測試過程中樣品表面有結(jié)霜，這些都對測試結(jié)果有較大的影響，因此需要新的測量低溫形貌的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種測量紅外焦平面模塊低溫形變的裝置及方法，解決了傳統(tǒng)測試方法的測試所處的溫度不穩(wěn)定及表面結(jié)霜等帶來的測量偏差。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:不同于傳統(tǒng)方法以臺階儀測量掃描直接暴露于大氣中的樣品表面，本發(fā)明以激光干涉法獲取樣品表面形變信息，而測量所需的低溫環(huán)境由真空杜瓦提供。典型的測試杜瓦結(jié)構(gòu)如圖1所示，樣品粘貼于冷頭上，冷頭和樣品均處于真空中，液氮存儲于液氮腔體中，直接對冷頭進行制冷。真空主要起到絕熱及隔離水汽的作用，制作良好的杜瓦真空度很高，其對環(huán)境的漏熱很小，也不會有水汽冷凝在樣品表面。窗口材料對可見光透明，一般采用寶石材料。樣品粘貼于杜瓦冷頭上后，安裝好窗口帽，然后抽真空，待杜瓦真空度優(yōu)于IXlO-3Pa以后，在液氮腔體內(nèi)注入液氮制冷降溫，同時監(jiān)測冷頭溫度，待樣品降溫至液氮溫度以后便可以進行低溫形貌的測量。
[0007]一束單色平行光依次透過標準鏡、杜瓦窗口后入射到樣品表面(見圖1)，設(shè)光線a在樣品表面反射后透出窗口再次入射到標準鏡，形成光線a’，光線a’在此處與平行光束中的光束b在標準鏡的表面處的反射光b’相遇，形成相干光而產(chǎn)生干涉條紋，不同的條紋代表平行光在遇到待測樣品表面反射后光程差的不同，在樣品的表面形變與光程差、干涉條紋之間形成一一映射關(guān)系，通過對干涉條紋的分析可以得到樣品的表面形變，由此測量出焦平面的低溫表面形變。
[0008]本方法的測量誤差主要來自于杜瓦窗口厚度不均勻及窗口材料折射率的不均勻所帶來的光程差的變化，因此控制測試杜瓦窗口材料的折射率的均勻性及窗口上下表面的平行度是減小測試誤差的關(guān)鍵，一般采用寶石材料并控制其上下表面的平行度為0.5um以內(nèi)。
[0009]本發(fā)明一種測量紅外焦平面模塊低溫形變的裝置包括測試杜瓦和激光干涉儀，待測樣品粘貼于測試杜瓦的冷頭上，所述的測試杜瓦的窗口的材料應(yīng)對可見光透明，窗口兩個面的平行度優(yōu)于0.5um，激光干涉儀透過杜瓦窗口非接觸地獲取測樣樣品表面形變信息。
[0010]紅外焦平面模塊低溫形變測量方法步驟如下:
[0011]I)把杜瓦放在位移平臺上并與激光干涉儀的激光束對準，調(diào)整杜瓦的位置、俯仰及傾斜，使之符合杜瓦窗口垂直于激光束等干涉成像要求；
[0012]2)向杜瓦液氮腔體內(nèi)緩慢注入液氮進行降溫，同時監(jiān)測杜瓦冷頭的溫度，直至杜瓦冷頭溫度達到80K ;
[0013]3)進行激光干涉圖形采樣；
[0014]4)采樣完成后，進行數(shù)據(jù)處理，得到樣品的表面形變。
[0015]本發(fā)明的測量方法的優(yōu)點是把被測樣品粘貼于真空杜瓦的冷頭上，以激光干涉的方式非接觸的獲取樣品表面形變信息，測試過程快速，樣品溫度可控，克服了傳統(tǒng)測試方法的樣品溫度不穩(wěn)定及表面結(jié)霜等固有困難。
【附圖說明】
[0016]圖1為杜瓦及激光干涉法測量原理示意圖，圖中各編號的定義按編號從小到大的次序排列一次為:
[0017]I——真空；
[0018]2——液氮；
[0019]3——冷頭；
[0020]4——窗口 ；
[0021]5——干涉儀的標準鏡；
[0022]6--樣品；
[0023]a、b——入射光線；
[0024]a’、b’ 一一反射光線；
[0025]圖2為杜瓦冷頭的降溫曲線；
[0026]圖3為樣品的表面形變。
【具體實施方式】
[0027]I測試用杜瓦窗口制備:杜瓦窗口材料為寶石片，窗口厚度d = 0.3mm，窗口的兩個面的平行度Adl = 0.lum，窗口直徑為30mm。
[0028]2樣品準備:樣品以導(dǎo)熱油脂粘貼于測試杜瓦冷頭的中心位置后，安裝好杜瓦窗口，然后對杜瓦抽真空，使得杜瓦真空腔體的真空優(yōu)于IE—3Pa。
[0029]3把杜瓦放在六自由度位移平臺上并與ZYGO激光干涉儀的激光束對準，調(diào)整杜瓦的位置使得杜瓦窗口與標準鏡直接的距離符合試驗設(shè)定值250mm。
[0030]4調(diào)整位移平臺的俯仰及傾斜，使之符合杜瓦窗口垂直于激光束等干涉成像要求。
[0031]5向杜瓦液氮腔體內(nèi)緩慢注入液氮進行降溫，同時監(jiān)測杜瓦冷頭的溫度，直至杜瓦冷頭溫度達到80K(見圖2)。
[0032]6進行激光干涉圖形采樣。
[0033]7采樣完成后，激光干涉儀自帶的數(shù)據(jù)處理軟件自動識別干涉圖形并進行數(shù)據(jù)處理，最終得到樣品的表面形變(見圖3)。
【主權(quán)項】
1.一種測量紅外焦平面模塊低溫形變的裝置，它包括對窗口有特殊要求的測試杜瓦和激光干涉儀，其特征在于: 待測樣品(6)粘貼于測試杜瓦的冷頭(3)上，所述的測試杜瓦的窗口⑷的材料應(yīng)對可見光透明，窗口兩個面的平行度優(yōu)于0.5um，激光干涉儀透過杜瓦窗口非接觸地獲取測樣樣品表面形變信息。
2.一種基于權(quán)利要求1所述的一種測量紅外焦平面模塊低溫形變的裝置的紅外焦平面模塊低溫形變測量方法，其特征在于包括以下步驟: 1)把杜瓦放在位移平臺上并與激光干涉儀的激光束對準，調(diào)整杜瓦的位置、俯仰及傾斜，使之符合杜瓦窗口垂直于激光束等干涉成像要求； 2)向杜瓦液氮腔體內(nèi)緩慢注入液氮(2)進行降溫，同時監(jiān)測杜瓦冷頭(3)的溫度，直至杜瓦冷頭(3)溫度達到待測溫度； 3)進行激光干涉圖形采樣； 4)采樣完成后，進行數(shù)據(jù)處理，得到樣品的表面形變。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測量紅外焦平面模塊低溫形變的裝置及方法，該裝置包括對窗口有特殊要求的測試杜瓦和激光干涉儀。該方法是把被測樣品粘貼于真空杜瓦的冷頭上，以激光干涉的方式非接觸的獲取樣品表面形變信息，該發(fā)明的優(yōu)點在于測試過程快速，樣品溫度可控，克服了傳統(tǒng)測試方法的樣品溫度不穩(wěn)定及表面結(jié)霜等固有困難。
【IPC分類】G01B11-16
【公開號】CN104729420
【申請?zhí)枴緾N201510130251
【發(fā)明人】張海燕, 管建安, 莊馥隆, 汪洋, 陳安森, 龔海梅
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月24日