УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1996 года по МПК H01L31/24 

Изобретение относится к ИК-технике, предназначено для охлаждения и стыковки фоточувствительных элементов с оптическими, механическими и электрическими системами аппаратуры и может быть использовано в криогенной технике.

Известен детектор инфракрасного излучения, содержащий фоточувствительный элемент, металлическую монтажную подложку с электромонтажными изолированными друг от друга клеммами, монтажную плату, устройство теплоотвода, которые собраны и скреплены друг с другом внутри вакуумированного теплоизолированного сосуда [1]
Недостатки известного детектора ИК-излучения следующие: большие энергозатраты на охлаждение фоточувствительных элементов из-за отсутствия средства обеспечения требуемого разрежения газовой среды в процессе длительной эксплуатации (до 12 лет) и недостаточной тепловой развязки в опоре между фоточувствительными элементами и корпусом, невысокая точность расположения фоточувствительных элементов из-за температурных деформаций охлаждаемой опоры, совмещенной с теплообменником, и ввиду отсутствия устройства для юстировки относительного положения оптических окон, фоточувствительных элементов и корпуса, большая высота из-за расположения оси теплообменника перпендикулярно плоскости размещения фоточувствительных элементов, низкая стойкость к механическим воздействиям из-за консольного крепления опоры фоточувствительных элементов, низкая технологичность электромонтажа (проволоками) и обеспечения плоскостности расположения на большой площади (примерно 200 см²) фоточувствительных элементов при их большом количестве (несколько тысяч).

Известен также охлаждаемый прибор для детектирования излучения, содержащий цилиндрический корпус и крышку, в разъеме которых герметично установлена печатная плата с проводниковыми полосками, концентрическими прерывистыми прорезями и ИК-детектором, который размещен напротив оптического окна в крышке, прикреплен в центральной части через промежуточную пластинку к торцу полого пальца, внутри которого циркулирует криогенная жидкость и который, соединяясь в основании с концентрично охватывающим корпусом, образует с ним замкнутую оболочку прибора [2]
Однако и в этом приборе велики энергозатраты на охлаждение фоточувствительных элементов из-за отсутствия устройства, обеспечивающего требуемое разрежение газовой среды в процессе длительной эксплуатации (до 12 лет) и перепады температур между фоточувствительными элементами из-за большой разницы в теплопритоке и теплоотводе для периферийных и центральных фоточувствительных элементов; невысокая точность расположения фоточувствительных элементов из-за температурных деформаций охлаждаемой опоры, совмещенной с пальцем теплообменника, и ввиду отсутствия средств для юстировки относительного положения окон, фоточувствительных элементов и корпуса, большая высота из-за расположения оси теплообменника перпендикулярно плоскости размещения фоточувствительных элементов, низкая технологичность обеспечения плоскостности расположения на большой площади фоточувствительных элементов при их большом количестве.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому является устройство для охлаждения фоточувствительных элементов, содержащее вакуумированную камеру, с оптическими окнами, внутри которой держатель фоточувствительных элементов, содержащий опорную плиту, прикрепленную к корпусу камеры через цилиндрический или призматический блок, изготовленный из материала с малой теплопроводностью, термически соединен с помощью гибких лент с поверхностью холодильника, герметично состыкованного с корпусом камеры через гибкое кольцевое уплотнение, препятствующее передаче вибраций [3]
Недостатки этого известного устройства следующие:
большая высота устройства из-за невозможности сократить высоту цилиндрического (призматического) блока ввиду необходимости снижения теплопритока по нему от корпуса камеры к фоточувствительным элементам;
довольно большие энергозатраты на охлаждение фоточувствительных элементов и большие перепады температур между ними из-за удаленности от них мест теплового контакта гибких лент (теплопроводов), что вызывает необходимость существенного переохлаждения холодильника по сравнению с требуемой температурой фоточувствительных элементов; кроме того и в этом известном устройстве отсутствуют средства обеспечения требуемого разрежения газовой среды в процессе длительной эксплуатации, что ведет со временем к увеличению давления газов и уровня теплопритока к фоточувствительным элементам от корпуса по газу;
недостаточная стойкость к механическим воздействиям и недостаточная точность расположения фоточувствительных элементов из-за температурных и инерционных деформаций опорного цилиндрического (призматического) блока, высоту которого невозможно существенно сократить ввиду необходимости снижения теплопритока по нему к фоточувствительным элементам; отсутствуют средства для юстировки относительного положения оптических окон, корпуса и фоточувствительных элементов;
низкая технологичность электромонтажа и обеспечения плоскости расположения на большой площади фоточувствительных элементов при их большом количестве.

Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов, снижение энергозатрат на охлаждение и перепадов температур между фоточувствительных элементами, повышение технологичности, точности расположения оптических элементов и стойкости к механико-климатическим воздействиям.

Технический результат достигается тем, что между основаниями фоточувствительных гибридных линеек, выполненными в виде параллелепипедов с каналами для размещения электропроводов и пазами для размещения гибких теплопроводов и закрепленными на базовой плите с образованием -образных контуров плоскостного контакта, расположен колодец теплопровода системы охлаждения, имеющий плоские наружные грани, к которым прижаты через прокладки из мягкого металла гибкие теплопроводы, фланец, соединенный с корпусом фотоприемника через герметичный сильфон из чередующихся торцевых шайб и тонкостенных коаксиальных труб с экранно-вакуумной теплоизоляцией между ними, и цилиндрические шейки, которые скобами присоединены с возможностью перемещения вокруг и вдоль оси колодца к базовой плите, теплоизолирующая опора которой выполнена в виде диска, сопряженного с корпусом при помощи прижимных и отталкивающих винтов, и последовательно соединенных замкнутых рамок, вставленных друг в друга с зазорами, заполненными экранно-вакуумной теплоизоляцией; при этом оптические окна фотоприемника размещены в пазах детали, выполненной в виде цельного тонкостенного диска с утолщениями вокруг пазов и по наружному контуру, уплотненному через прокладку с корпусом, и сопряженной с жестким фланцем по пояску наружного контура и через прижимные и отталкивающие винты, размещенные на утолщениях вокруг пазов с окнами; кроме того на основании каждой гибридной линейки, обрамляя участок с фоточувствительными модулями, размещены рамкообразная гибкая плата и рамка со сквозными резьбовыми отверстиями, параллельными плоскости фоточувствительных элементов и с электроизолированными от рамки контактными иглами, к которым присоединены навесные радиоэлектрокомпоненты и токоведущие дорожки гибкой рамкообразной платы, соединенные в свою очередь с токоведущими дорожками гибких плат модулей и перемычек, лежащих на рамкобразной плате; кроме того к фланцу фотоприемника герметично присоединены параллельно магниторазрядные насосы и ручной вакуумный клапан, последовательно которому через гибкий трубопровод присоединены автоматический и ручной вакуумные клапаны, соединенные между собой параллельно.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство в аксонометрии, с разрезами; на фиг. 2 то же, поперечный разрез; на фиг. 3 разрез основания гибридной линейки вблизи плоскости контакта с базовой плитой; на фиг. 4 - поперечный разрез гибридной линейки.

Фотоприемник содержит корпус 1 (фиг.1), тонкостенный диск 2 с окнам 3, фланец 4, колодец 5 теплопровода системы охлаждения и сильфон 6, образующие замкнутую герметичную оболочку, внутри вакуумированной полости которой размещены гибридные линейки 7, включающие оптические диафрагмы 8 и фильтры 9, модули 10 с фоточувствительными элементами, гибкие электромонтажные платы 11, 12, 13, гибкие теплопроводы 14 и основания 15 гибридных линеек 7, собранные на базовой плите 16, соединенной с корпусом 1 с помощью прижимных 17 отталкивающих 18 винтов через теплоизолирующую опору, состоящую из последовательно соединенных диска 19, замкнутых рамок 20, 21, 22, вставленных друг в друга с зазорами, заполненными экранно-вакуумной теплоизоляцией 23, 24, 25.

Тонкостенный диск 2 имеет утолщения 26 вокруг пазов 27, в которые герметично вставлены окна 3 и утолщение 28 по наружному контуру, уплотняемому с корпусом 1 через прокладку 29 с помощью жесткого фланца 30, сопрягаемого с утолщениями 26 диска 2 через прижимные 31 и отталкивающие 32 винты.

Основания 15 гибридных линеек 7 выполнены из материала, близкого по КТР к материалу фоточувствительных элементов, в виде параллелепипедов с каналами 33 для размещения электропроводов 34, пазами 35 для размещения гибких теплопроводов 14, закреплены на базовой плите 16 с образованием -образных контуров плоскостного контакта.

Колодец 5 теплопровода системы охлаждения, расположенный между основаниями 15 гибридных линеек, имеет плоские грани 36, к которым через прокладки из мягкого металла (например, индия) прижаты концы гибких теплопроводов 14 гибридных линеек, фланец 37, соединенный с герметичным сильфоном 6 и цилиндрические шейки 38, которые скобами 39 присоединены с возможностью перемещения вокруг и вдоль оси колодца 5 к базовой плите 16.

Герметичный сильфон 6 состоит из чередующихся торцевых шайб 40, 41, тонкостенных коаксиальных труб 42, 43, 44 с экранно-вакуумными теплоизоляторами 45, 46 между ними и колодцем 5. Экранно-вакуумные теплоизоляторы 47, 48, 49 размещены между оболочкой фотоприемника и гибридными линейками с их опорами.

На основании 15 каждой гибридной линейки 7, обрамляя участок с фоточувствительными модулями 10, размещены рамкообразная гибкая плата 11, рамка 50 со сквозными резьбовыми отверстиями 51 параллельными плоскости фоточувствительных элементов, и с электроизолированными от рамки 50 контактными иглами 52, к которым присоединены навесные радиоэлектрокомпоненты 53, токоведущие дорожки рамкообразной платы 11, соединенные в свою очередь с токоведущими дорожками гибких плат 12 модулей 10 и гибких перемычек 13, и электропровода 34, противоположные концы которых выведены на электрогерморазъемы 54, закрепленные в корпусе 1.

К фланцу 4 герметично присоединены параллельно магниторазрядные насосы 55 и ручной вакуумный клапан 56, последовательно которому через гибкий трубопровод 57 присоединены автоматический вакуумный клапан 58, ручной вакуумный клапан 59, соединенные между собой параллельно.

Фотоприемник работает следующим образом.

Предварительно с помощью пружинных 17 и отталкивающих винтов 18 за счет степеней свободы шеек 38 колодца 5 в скобах 39 и невысокой жесткости к изгибу сильфона 6 выставляют с необходимой точностью заданное положение гибридных линеек 7 собранных на плите 16, относительно базовых поверхностей корпуса 1, с помощью прижимных 31 и отталкивающих 32 винтов, контактирующих с утолщением 26 тонкостенного диска 2 и фланцем 30, не нарушая герметичности уплотнения прокладки 29, прижимаемой к корпусу утолщением 28, окна 3 выставляют с заданной точностью параллельно плоскости фоточувствительных элементов модулей 10.

В предварительно вакуумированной полости фотоприемника, соединенной при открытом ручном клапане 56 с полостью трубопровода 57, создают необходимое давление остаточных газов: если давление окружающей газовой среды близко к атмосферному, то создание требуемого давления газов внутри фотоприемника осуществляют с помощью магниторазрядных насосов 55 путем подачи на их электроды напряжения от блоков питания; при давлении окружающей среды, соответствующему требуемому для внутренней полости фотоприемника, автоматически открывается клапан 58, сообщая полости фотоприемника и трубопровода 57 с окружающей газовой средой.

Снижение давления остаточных газов внутри фотоприемника до определенного уровня в совокупности с экранно-вакуумными теплоизоляторами 23, 24, 25, 45, 46, 47, 48, 49 ведет к снижению теплопритоков от оболочки фотоприемника с повышенной температурой к охлаждаемым деталям фотоприемника за счет увеличения теплового сопротивления между корпусом 1, диском 2, окнами 3, фланцем 4, диском 19, торцевыми шайбами 40, 41 и коаксиальными трубами 42, 43, 44 сильфона 6 с одной стороны и охлаждаемыми гибридными линейками 7, плитой 16, скобами 39, колодцем 5 с фланцем 37 и шейками 38, рамками 20, 21, 22 с другой стороны.

Включают систему охлаждения, к которой по ее теплопроводу, вставленному в колодец 5, через гибкие теплопроводы 14, прижатые к граням 36 колодца 5, отводится теплота от оснований 15 гибридных линеек 7, что обеспечивает охлаждение диафрагм 8, фильтров 9 и фоточувствительных элементов модулей 10 до необходимой рабочей температуры.

При охлаждении колодец 5 сокращается, перемещая вдоль своей оси шейки 38 относительно скоб 39, но не вызывая заметных перемещений плиты 16 и гибридных линеек 7 относительно корпуса 1 ввиду невысокой жесткости гибких теплопроводов 14, связывающих грани 36 колодца 5 с основаниями 15 гибридных линеек 7. От блока управления через электрогерморазъемы 54, электропровода 34, контактные иглы 52, соответствующие токоведущие дорожки гибких плат 11, 12, 13 к фоточувствительным модулям 10 подают электрическое питание и управляющие сигналы. Закрепленный в аппаратуре за корпус 1 фотоприемник перемещает по заданной траектории.

При попадании через оптические окна 3, диафрагмы 8 и фильтры 9 оптических сигналов на отдельные фоточувствительные элементы с известными координатами относительно корпуса 1 в фоточувствительных структурах модулей 10 вырабатываются адекватные оптическому воздействию сигналы, которые через соответствующие токоведущие дорожки гибких плат 12, 13, 11, контактные иглы 52, электропровода 34 и электрогерморазъемы 54 передаются в блоки управления и обработки электрических сигналов, что обеспечивает необходимую информацию для определения координат источников оптических воздействий.

Использование изобретения, например, применительно к фотоприемнику с количеством фоточувствительных элементов >6•10³ площадью их размещения ≈ 200 см², температур охлаждения элементов 160±10 К и температурой корпуса ≅313 К позволяет получить новый технический эффект:
снизить габариты фотоприемника, энергозатраты на охлаждении (вплоть до использования пассивной системы охлаждения), и перепады температур между фоточувствительными элементами (до 1 К) за счет уменьшения теплопритоков от оболочки к охлаждаемым элементам фотоприемника (до 4 Вт против ≈ 20 Вт у отечественных аналогов по назначению) и сопротивления теплоотводу от гибридных линеек к системе охлаждения, что достигается, во-первых, сокращением площади и объема, охватывающих охлаждаемые детали, путем размещения колодца 5 теплопровода между гибридными линейками 7, а также конфигурацией и взаимным расположением и соединением в гибридных линейках модулей 10, гибких плат 11, 12, 13, рамок 50 и контактных игл 52;
во-вторых, увеличением теплового сопротивления экранно-вакуумной теплоизоляции 23, 24, 25, 45-49 определяемого низким давлением остаточных газов внутри фотоприемника при различных условиях его эксплуатации, обеспечиваемым магниторазрядными насосами 55 и окружающей средой, сообщаемой с полостью фотоприемника через гибкий трубопровод 57, ручной 59 и автоматический 58 клапаны;
в-третьих, большим тепловым сопротивлением опорных конструкций, выполненных в виде последовательных соединенных замкнутых рамок 20, 21, 22, вставленных друг в друга с зазорами, заполненными экранно-вакуумными теплоизоляторами 23, 24, 25 и сильфона 6 из чередующихся торцевых шайб 40, 41 и тонкостенных коаксиальных труб 42, 43, 44;
в-четвертых, малым эквивалентным тепловым сопротивлением гибких теплопроводов 14 и их тепловых контактов с основаниями гибридных линеек 15, определяемым близостью расположения гибридных линеек 7 и колодца 5 теплопровода, большим суммарным сечением гибких теплопроводов 14, размещенных в пазах 35 оснований 15 гибридных линеек и большой площадью контакта гибких теплопроводов 14 с гибридными линейками 7 и плоскими гранями 36 колодца 5 теплопровода;
повысить точность расположения оптических элементов, технологичность ее достижения и стойкость к механико-климатическим воздействиям, во-первых, за счет предусмотренной в конструкции совместной обработки опорных для модулей 10 плоскостей оснований 15, собранных на базовой плите 16 с образованием -образных контуров плоского контакта, что при условии изготовления перечисленных деталей из материалов с близкими КТР создает жесткий разборный узел с возможностью отвода от оснований 15 электропроводов 34 через каналы 33 и теплопроводов 14 через пазы 35, обеспечивая при неизбежных температурных деформациях и механических воздействиях плоскостность расположения всех фоточувствительных элементов с отклонением не более 20 мкм;
во-вторых, за счет предусмотренной в конструкции юстировки положения модулей 10 на основаниях 15 с помощью технологических винтов, временно вворачиваемых при сборке в резьбовые отверстия 51 рамки 50 до упора в модули 10, что позволяет обеспечить заданное относительное положение модулей в плоскости, параллельной фоточувствительной поверхности, с погрешностью, не превышающей 10 мкм, с отклонениями не более 20 мкм;
в-третьих, при помощи прижимных 17 и отталкивающих 18 винтов за счет степеней свободы сильфона 6 и цилиндрических шеек 38 колодца 5 относительно скоб 39, что позволяет обеспечить параллельность плоскости фоточувствительных элементов и базовой поверхности корпуса с отклонением не более 50 мкм, при этом усилия вдоль оси колодца 5, вызванные его температурными деформациями и деформациями сильфона 6 из чередующихся торцевых шайб 40, 41 и коаксиальных труб 42, 43, 44, вызванные перепадом давления снаружи и внутри фотоприемника, без заметных деформаций воспринимаются опорой из вставленных друг в друга рамок 20, 21, 22 благодаря их жесткости и проскальзыванию цилиндрических шеек 38 колодца 5 в скобах 39;
в-четвертых, при помощи прижимных 31 и отталкивающих 32 винтов, размещенных на утолщениях 26 тонкостенного диска 2 вокруг оптических окон 3 и взаимодействующих с жестким фланцем 30, что позволяет не нарушая герметичности оболочки, за счет деформаций тонкостенного диска 2 выставить и надежно закрепить оптические окна 3 параллельно диафрагмам 8 гибридных линеек с отклонением не более 3'.

Использование: относится к ИК-технике, предназначено для охлаждения и стыковки фоточувствительных элементов с оптическими, механическими и электрическими системами аппаратуры и может быть использовано в криогенной технике. Сущность изобретения: устройство выполнено в корпусе с оптическими окнами, содержит оптоэлектронные элементы, теплоизолирующие от корпуса опоры гибридных линеек, гибкие теплоприводы и теплоизоляторы. Основания гибридных линеек оптоэлектронных элементов выполнены в виде параллелепипедов, имеющих каналы для размещения электроприводов и пазы для размещения гибких теплопроводов, закреплены на базовой плите с образованием -образных контуров плоскостного контакта и расположены по обе стороны колодца теплопровода системы охлаждения. Теплоотвод имеет фланец, соединенный с корпусом через герметичный сильфон из чередующихся торцевых шайб и тонкостенных коаксиально расположенных труб с экранно-вакуумной теплоизоляцией между ними, плоские наружные грани, к которым через прокладки из мягкого металла прижаты участки гибких теплопроводов и наружные цилиндрические шейки, которые скобами присоединены с возможностью перемещения вокруг и вдоль оси колодца к базовой плите. Теплоизолирующая опора плиты выполнена в виде диска, сопряженного с корпусом при помощи прижимных и отталкивающих винтов, и последовательно соединенных замкнутых рамок, вставленных друг в друга, с зазорами, заполненными экранно-вакуумной теплоизоляцией. 3 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Устройство для охлаждения оптоэлектронных элементов, содержащее средства для поддержания вакуума, оптические окна, фланцы и корпус, ограничивающие вакуумированную плотность, в которой размещены оптоэлектронные элементы, теплоизолирующие от корпуса опоры гибридных линеек, гибкие теплопроводы, экранно-вакуумные теплоизоляторы, электромонтажные платы, отличающееся тем, что основания гибридных линеек оптоэлектронных элементов имеют каналы для размещения электропроводов и пазы для размещения гибких теплопроводов, закреплены на базовой плите с образованием С-образных контуров плоскостного контакта и расположены по обе стороны колодца стыковки с системой охлаждения, имеющего фланец, соединенный с корпусом через герметичный сильфон из чередующихся торцевых шайб и тонкостенных коаксиально расположенных труб с экранно-вакуумными теплоизоляторами между ними, плоские наружные грани, к которым через прокладки из мягкого металла прижаты участки гибких теплопроводов, и наружные цилиндрические шейки, которые скобами присоединены с возможностью перемещения вокруг и вдоль оси колодца к базовой плите, теплоизолирующая опора которой выполнена в виде диска, сопряженного с корпусом при помощи прижимных и отталкивающих винтов, и последовательно соединенных замкнутых рамок, вставленных друг в друга с зазорами, выполненными экранно-вакуумными теплоизоляторами. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптические окна размещены в пазах цельного тонкостенного диска с утолщениями вокруг пазов и по наружному контуру, уплотняемую через прокладку с корпусом, сопряженного с жестким фланцем по пояску наружного контура и через прижимные и отталкивающие винты, размещенные на утолщениях вокруг пазов. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на основании каждой гибридной линейки размещена рамкообразная гибкая плата и рамка со сквозными резьбовыми отверстиями, параллельными плоскости оптоэлектронных элементов, и с электроизолированными от рамки контактными иглами, к которым присоединены навесные радиокомпоненты и токоведущие дорожки гибкой рамкообразной платы, соединенные, в свою очередь, с токоведущими дорожками гибких плат модулей и перемычек, лежащих на рамкообразной плате. 4. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что к фланцу корпуса герметично присоединены параллельно магниторазрядные насосы и ручной вакуумный клапан, последовательно которому через гибкий трубопровод присоединены автоматический и ручной вакуумные клапаны, соединенные между собой параллельно.