提出了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system,MEMS）薄膜芯片的低溫紅外場(chǎng)景生成技術(shù),芯片本身是基于光加熱的被動(dòng)無源器件,因此可以將場(chǎng)景寫入系統(tǒng)放在低溫真空艙外。在低溫環(huán)境內(nèi)沒有電子器件和保溫層的輻射干擾,無源芯片本身能模擬的最低溫度可以無限接近于低溫下的環(huán)境溫度。建立了理論模型和實(shí)驗(yàn)裝置,并對(duì)薄膜芯片在低溫下的空間特性和時(shí)間特性進(jìn)行了測(cè)試。在7.5～14μm波段,當(dāng)入射到芯片處的光功率密度為0.027 5 W/mm²時(shí),環(huán)境溫度從233 K降低到173 K,可模擬溫度范圍從49.67 K增大到85.2 K。在環(huán)境溫度173 K下,寫入光功率增加到0.123 3 W/mm²時(shí),可模擬溫度范圍加大到367 K。當(dāng)環(huán)境溫度從233 K降低到173 K時(shí),芯片的上升時(shí)間從6.52 ms增加至6.73 ms,下降時(shí)間從6.75 ms減少至6.22 ms。低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:環(huán)境溫度越低,芯片可模擬溫度范圍越大,時(shí)間響應(yīng)也越快。紅外薄膜在低溫紅外場(chǎng)景生成技術(shù)中擁有廣闊的應(yīng)用前景。 

【文章來源】：空天防御. 2020,3(04)

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

MEMS薄膜芯片轉(zhuǎn)換原理

紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置是一個(gè)為MEMS轉(zhuǎn)換薄膜提供工作環(huán)境和必要結(jié)構(gòu)的腔體封裝結(jié)構(gòu),其組成如圖2所示。為了盡量減小熱交換造成的熱能損失,MEMS轉(zhuǎn)換薄膜需工作在真空條件,此時(shí)MEMS轉(zhuǎn)換薄膜與環(huán)境由于對(duì)流而引起的熱交換可以忽略。紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置與外界連接的光窗口需要同時(shí)對(duì)532 nm波段的寫入光和2～14 μm的紅外光都具有高透過性,采用氟化鋇材料制作。裝置內(nèi)部放置MEMS轉(zhuǎn)換薄膜,以及測(cè)溫Pt電阻(測(cè)溫范圍73～773 K),通過電氣接頭將信號(hào)引出,腔體內(nèi)部涂抹高吸收率(0.9～0.94)的黑漆,以減少內(nèi)部雜散光的反射。裝置背部為液氮腔體,側(cè)面為電氣接頭以及真空接頭。在低溫真空艙內(nèi)工作時(shí),將液氮和真空管路分別與低溫真空艙自身管路相連,紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置即可開始工作。在不制冷條件下,紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置也可以通過小型帶壓液氮罐和真空機(jī)組單獨(dú)工作,實(shí)現(xiàn)在常溫常壓環(huán)境下的調(diào)試。低溫紅外場(chǎng)景生成系統(tǒng)主要由場(chǎng)景寫入系統(tǒng)、寫入光窗口、艙內(nèi)反射鏡、紅外場(chǎng)景生成裝置、紅外窗口、測(cè)試設(shè)備、溫度傳感器、液氮儲(chǔ)罐等組成。場(chǎng)景寫入系統(tǒng)圖像的功能是生成帶有低溫紅外特征的寫入光波段動(dòng)態(tài)場(chǎng)景,寫入光信號(hào)經(jīng)過低溫真空艙寫入光窗口和艙內(nèi)反射鏡成像至安放在冷艙內(nèi)的紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置的MEMS薄膜芯片上,將寫入光波段的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為紅外波段場(chǎng)景,最終經(jīng)低溫真空艙紅外窗口投影至測(cè)試設(shè)備。低溫真空艙為紅外圖像轉(zhuǎn)換裝置提供低溫真空工作環(huán)境模擬低溫背景。紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的溫度傳感器通過低溫真空艙的穿艙法蘭連接至艙外控制柜,可以實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溫度。液氮管路直接與MEMS薄膜背部的液氮腔接通,為MEMS薄膜提供液氮制冷。

低溫紅外場(chǎng)景生成系統(tǒng)主要由場(chǎng)景寫入系統(tǒng)、寫入光窗口、艙內(nèi)反射鏡、紅外場(chǎng)景生成裝置、紅外窗口、測(cè)試設(shè)備、溫度傳感器、液氮儲(chǔ)罐等組成。場(chǎng)景寫入系統(tǒng)圖像的功能是生成帶有低溫紅外特征的寫入光波段動(dòng)態(tài)場(chǎng)景,寫入光信號(hào)經(jīng)過低溫真空艙寫入光窗口和艙內(nèi)反射鏡成像至安放在冷艙內(nèi)的紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置的MEMS薄膜芯片上,將寫入光波段的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為紅外波段場(chǎng)景,最終經(jīng)低溫真空艙紅外窗口投影至測(cè)試設(shè)備。低溫真空艙為紅外圖像轉(zhuǎn)換裝置提供低溫真空工作環(huán)境模擬低溫背景。紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換裝置各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的溫度傳感器通過低溫真空艙的穿艙法蘭連接至艙外控制柜,可以實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溫度。液氮管路直接與MEMS薄膜背部的液氮腔接通,為MEMS薄膜提供液氮制冷。2 低溫MEMS薄膜芯片建模

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于MEMS技術(shù)的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景模擬技術(shù)[J]. 周朗,李卓,石諾,徐暢,時(shí)慶峰,王欣.  空天防御. 2018(01)
[2]低溫紅外目標(biāo)源控溫技術(shù)[J]. 王超,胡忠輝.  紅外與激光工程. 2015(03)
[3]聚酰亞胺薄膜的熱擴(kuò)散特性研究[J]. 李卓,歐文,王欣,錢麗勛.  北京理工大學(xué)學(xué)報(bào). 2013(06)
[4]低溫真空環(huán)境的紅外背景模擬器的研制[J]. 徐冰,馬龍,李曉曼.  航天器環(huán)境工程. 2012(04)
[5]低溫背景紅外動(dòng)態(tài)圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)[J]. 康為民,張學(xué)如.  紅外與激光工程. 2008(S2)

碩士論文
[1]低溫紅外目標(biāo)模擬光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及反射鏡制冷技術(shù)研究[D]. 翟金龍.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016



本文編號(hào)：3379019