本發(fā)明涉及一種適于低溫環(huán)境的單元型雙波段紅外探測組件，主要用作信號鏈前端的光電轉(zhuǎn)換傳感器，尤其適用于低溫環(huán)境下、寬波段的、紅外光譜的分析和應用領域中。所述的低溫環(huán)境是指溫度低于80K，優(yōu)選60K～80K；所述的寬波段，范圍為2.5μm～13.3μm的紅外光波波長。

背景技術：

紅外探測器在紅外光譜分析領域中得到越來越廣泛的應用，它是獲取紅外入射光信息的源頭所在，將輸入光轉(zhuǎn)換為電信號進行后續(xù)處理，進而獲得信號幅度、相位、光譜等表征光譜的有效信息。目前，隨著光譜探測技術的發(fā)展，對探測器低噪聲特性、寬光譜覆蓋范圍的要求也越來越高，現(xiàn)有的探測器技術很難滿足當前的需求。

現(xiàn)有的探測器大都以單元或陣列的形式進行封裝，其光譜覆蓋范圍取決于探測器像元自身的光譜響應范圍，同一類型探測器的光譜響應范圍受像元材料影響而非常有限，不能實現(xiàn)寬波段范圍的覆蓋；另一方面，傳統(tǒng)探測器受前置放大電路與杜瓦或探測器靠外部電纜分離連接的影響，容易引入較多電路噪聲，從而使探測分辨力有所降低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種適于低溫環(huán)境的單元型雙波段紅外探測組件。

本發(fā)明的技術解決方案為：

一種適于低溫環(huán)境的單元型雙波段紅外探測組件，包括杜瓦殼體、窗片、U型支架、分色片、第一波段單元型探測器、第二波段單元型探測器、第一波段前置放大電路模塊、第二波段前置放大電路模塊、測溫二極管和陶瓷基板；

杜瓦殼體的后端面開有與制冷機相耦合的冷腔，杜瓦殼體的前端面焊接窗片；在杜瓦殼體的內(nèi)部且位于冷腔的端頭處有陶瓷基板，制冷機的冷指插入冷腔后對陶瓷基板進行制冷；U型支架粘接固定連接在陶瓷基板的上面中心位置；

U型支架的形狀為一方形平臺的兩個對邊豎直向上各伸出一個支撐板，其中的一個支撐板上有成90°的三角形卡槽用于固定分色片，三角形卡槽上分色片的粘接面與方形平臺成45°夾角，另外一個支撐板上不帶卡槽；測溫二極管粘接在另外一個支撐板的背面，用于第一波段單元型探測器和第二波段單元型探測器的溫度監(jiān)測；第一波段單元型探測器粘接于U型支架的不帶卡槽的支撐板內(nèi)側(cè)，第二波段單元型探測器置于U型支架的方形平臺上面；

第一波段前置放大電路模塊和第二波段前置放大電路模塊分別位于U型支架的兩側(cè)并粘接于陶瓷基板上。

入射光中的紅外光信號透過窗片后透射于分色片上，分色片將紅外光信號分為兩個波段的光，即第一波段的光和第二波段的光，分別入射到第一波段單元型探測器和第二波段單元型探測器上；第一波段單元型探測器接收第一波段的光后將第一波段的光光電轉(zhuǎn)換為電流信號，然后輸出給第一波段前置放大電路模塊，第二波段單元型探測器接收第二波段的光后將第二波段的光光電轉(zhuǎn)換為電流信號，然后輸出給第二波段前置放大電路模塊；第一波段前置放大電路模塊把接收到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并進行濾波放大后輸出第一波段電壓信號，第二波段前置放大電路模塊把接收到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并進行濾波放大后輸出波段電壓信號。

陶瓷基板上對應第一波段前置放大電路模塊和第二波段前置放大電路模塊的底部焊盤位置加工有金屬化區(qū)域；通過銦球把第一波段前置放大電路模塊和第二波段前置放大電路模塊底部的各個焊盤壓焊在陶瓷基板的相應金屬化區(qū)域處；再通過金屬絲引線連接陶瓷基板的金屬化區(qū)域和杜瓦殼體的陶瓷引線環(huán)，把第一波段前置放大電路模塊和第二波段前置放大電路模塊的信號以及測溫二極管的信號引出杜瓦殼體。

窗片的正反面鍍有增透膜，使2.4μm～13.3μm譜段透過率都不小于85％，且為抑制低頻雜光，使0.7μm～2.1μm譜段透過都不大于5％。

所述的分色片為正八邊形平面鏡，鏡面所在平面與入射光軸方向成45°夾角，分色片的正反面都鍍有分色膜，其對于2.4μm～5.5μm波長的光線反射率都不小于90％，對于5.5μm～13.3μm的光線透過率都不小于85％。

第一波段單元型探測器置于入射光光軸垂直方向，其為單元型InSb短中波紅外探測器；第二波段單元型探測器置于入射光光軸方向，其為單元型MCT長波紅外探測器。

第一波段前置放大電路模塊為利用多芯片組件技術將前置放大電路封裝的單個芯片模塊，該模塊為長方體陶瓷封裝結(jié)構；第一波段前置放大電路模塊的上表面設計有兩個焊盤，用于焊接第一波段單元型探測器的引線，第一波段前置放大電路模塊的底部有多個焊盤，用于與陶瓷基板的金屬化區(qū)域焊接；第二波段前置放大電路模塊為利用多芯片組件技術將前置放大電路封裝的單個芯片模塊，該模塊為長方體陶瓷封裝結(jié)構；第二波段前置放大電路模塊的上表面設計有兩個焊盤，用于焊接第二波段單元型探測器的引線，第二波段前置放大電路模塊的底部有多個焊盤，用于與陶瓷基板的金屬化區(qū)域焊接。

測溫二極管使用低溫膠粘接在另外一個支撐板的背面。

所述的第一波段單元型探測器的等效電路包括電流源Ip、探測器等效內(nèi)阻Rd和探測器與傳輸線的寄生電容Cd；電流源Ip的正極與內(nèi)阻Rd的一端、寄生電容Cd的一端連接，電流源Ip的負極、內(nèi)阻Rd的另一端、寄生電容Cd的另一端均接地。

所述的第一波段前置放大電路模塊的噪聲模型包括電流噪聲密度電流源Ind、電壓噪聲密度電壓源Vnd和運算放大器A，電壓源Vnd的一端與運算放大器A的負向輸入端相連，電壓源Vnd的另一端與電流源Ind的正極、反饋電阻R_F的一端、反饋電容C_F的一端相連；反饋電阻R_F的另一端、反饋電容C_F的另一端與運算放大器A的輸出端相連；電流源Ind的負極接地；運算放大器A的正向輸入端接地。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明利用杜瓦殼體將U型支架、分色片和兩種類型的單元型探測器組合封裝在一起，有效地解決了單種類型的探測器杜瓦封裝難以實現(xiàn)的寬波段覆蓋問題；

(2)將前置放大電路以芯片模塊的形式集成在組件中，使組件可直接輸出電壓信號。杜瓦殼體對電路形成外屏蔽層，前置放大電路模塊的信號地與冷屏之間導通，形成內(nèi)屏蔽層，兩個屏蔽層組成雙層屏蔽結(jié)構，有效地避免了以往前置放大電路和杜瓦或探測器靠電纜分離連接帶來的易受干擾問題；另一方面，前置放大電路模塊可被制冷至低溫，進一步抑制了系統(tǒng)噪聲，提高了信號探測分辨力；

(3)本發(fā)明的探測組件內(nèi)部主要零部件不超過二十個，結(jié)構較為簡單，集成化程度較高。組件結(jié)構給探測器和電路模塊提供穩(wěn)定、可靠的工作環(huán)境，能夠結(jié)合制冷機實現(xiàn)低溫環(huán)境下工作，在各種地域、氣候、空間環(huán)境下都能充分發(fā)揮光電探測功能。同時，大大縮小了原有的杜瓦和前置放大電路分離探測系統(tǒng)的整機尺寸和重量；

(4)本發(fā)明可根據(jù)不同的光譜探測范圍選擇不同的探測器裸片，并相應調(diào)整窗片和分色片鍍膜的光譜透射和反射范圍，來滿足不同的應用和需求，具有很好的通用性和實用性；

(5)一種適于低溫環(huán)境的單元型雙波段紅外探測組件，其以杜瓦作為封裝形式，主要由窗片、U型支架、分色片、單元型探測器和前置放大電路模塊組成。紅外入射光經(jīng)過窗片到達分色片后以波段不同分為兩束光，分別傳給第一波段探測器和第二波段探測器。探測器輸出的光電流信號分別經(jīng)第一波段前置放大電路模塊和第二波段前置放大電路模塊，輸出第一波段電壓信號和第二波段電壓信號。本發(fā)明主要用作信號鏈前端的光電轉(zhuǎn)換傳感器，尤其適用于低溫環(huán)境、寬波段的、紅外光譜的分析和應用領域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的剖面結(jié)構示意圖；

圖2為本發(fā)明的局部俯視結(jié)構示意圖(沒有顯示杜瓦外殼和冷屏)；

圖3為本發(fā)明的工作過程示意圖；

圖4為探測器以及前置放大電路的組成示意圖。

具體實施方式

一種適于低溫環(huán)境的單元型雙波段紅外探測組件，主要包括杜瓦殼體1、窗片2、U型支架3、分色片4、第一波段單元型探測器5、第二波段單元型探測器6、第一波段前置放大電路模塊7、第二波段前置放大電路模塊8、測溫二極管和陶瓷基板10；

杜瓦殼體1為金屬材質(zhì)的瓶狀真空密閉結(jié)構，杜瓦殼體1的后端面開有與制冷機相耦合的冷腔9，杜瓦殼體1的前端面焊接窗片2，窗片2用于入射紅外光信號；在杜瓦殼體1的內(nèi)側(cè)且位于冷腔9的端頭處有陶瓷基板10，制冷機的冷指插入冷腔9后對陶瓷基板10進行制冷；U型支架3粘接固定連接在陶瓷基板10的上面中心位置；

U型支架3為金屬材質(zhì)，其形狀為一方形平臺的兩個對邊豎直向上各伸出一個支撐板，其中的一個支撐板上有成90°的三角形卡槽用于固定分色片4，三角形卡槽上分色片4的粘接面與方形平臺成45°夾角，另外一個支撐板上不帶卡槽；第一波段單元型探測器5粘接于U型支架3的不帶卡槽的支撐板內(nèi)側(cè)，第二波段單元型探測器6置于U型支架3的方形平臺上面；測溫二極管使用低溫膠粘接在不帶卡槽的支撐板的背面，用于第一波段單元型探測器5和第二波段單元型探測器6的溫度監(jiān)測；

第一波段前置放大電路模塊7和第二波段前置放大電路模塊8分別位于U型支架3的兩側(cè)(即方形平臺的沒有支撐板的兩側(cè))并粘接于陶瓷基板10上；第一波段前置放大電路模塊7的上表面設計有兩個焊盤，用于接入第一波段單元型探測器5的引線，第二波段前置放大電路模塊8的上表面設計有兩個焊盤，用于接入第二波段單元型探測器的引線；陶瓷基板10上加工有對應第一波段前置放大電路模塊7和第二波段前置放大電路模塊8的焊盤位置的金屬化區(qū)域12，通過銦球把第一波段前置放大電路模塊7和第二波段前置放大電路模塊8底部的各個焊盤壓焊在陶瓷基板10的相應金屬化區(qū)域12處，再通過金屬絲引線13連接陶瓷基板10的金屬化區(qū)域12和杜瓦殼體1的陶瓷引線環(huán)14，把第一波段前置放大電路模塊7和第二波段前置放大電路模塊8的信號以及測溫二極管的信號引出杜瓦殼體1；

入射光中的紅外光信號透過窗片2后透射于分色片4上，分色片4將紅外光信號分為兩個波段的光，即第一波段的光和第二波段的光，分別入射到第一波段單元型探測器5和第二波段單元型探測器6上；第一波段單元型探測器5接收第一波段的光后將第一波段的光光電轉(zhuǎn)換為電流信號，然后輸出給第一波段前置放大電路模塊7；第二波段單元型探測器6接收第二波段的光后將第二波段的光光電轉(zhuǎn)換為電流信號，然后輸出給第二波段前置放大電路模塊8；第一波段前置放大電路模塊7把接收到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并進行濾波放大后輸出第一波段電壓信號，第二波段前置放大電路模塊8把接收到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并進行濾波放大后輸出第二波段電壓信號；

杜瓦殼體1內(nèi)的陶瓷基板10上還安裝有冷屏11，冷屏11為圓柱收口形狀，與陶瓷基板10組成一個小型的半封閉腔體，僅留出可供輸入光穿過的小圓孔，該半封閉腔體將U型支架3、第一波段前置放大電路模塊7和第二波段前置放大電路模塊8包裹起來；

所述的窗片2為光線入射提供窗口，窗片2的正反面鍍增透膜，使2.4μm～13.3μm譜段透過率都不小于85％，且為抑制低頻雜光，使0.7μm～2.1μm譜段透過都不大于5％；

所述的分色片4為正八邊形平面鏡，鏡面所在平面與入射光軸方向成45°夾角。分色片4的正反面都鍍分色膜，其對于2.4μm～5.5μm波長的光線反射率都不小于90％，對于5.5μm～13.3μm的光線透過率都不小于85％；

所述的第一波段單元型探測器5置于入射光光軸垂直方向，其為短中波紅外單元型探測器(InSb探測器)；第二波段單元型探測器6置于入射光光軸方向，其為長波單元型紅外探測器(MCT探測器)；

所述的第一波段前置放大電路模塊7為利用多芯片組件(Multi-Chip Model，MCM)技術將前置放大電路封裝的單個芯片模塊，該模塊為長方體陶瓷封裝結(jié)構；

所述的第二波段前置放大電路模塊8為利用多芯片組件(Multi-Chip Model，MCM)技術將前置放大電路封裝的單個芯片模塊，該模塊為長方體陶瓷封裝結(jié)構。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖1和圖2所示為本發(fā)明的一種新的適于低溫環(huán)境的單元型雙波段紅外探測組件的結(jié)構模型圖，包括杜瓦殼體1、窗片2、U型支架3、分色片4、第一波段單元型探測器5、第二波段單元型探測器6、第一波段前置放大電路模塊7、第二波段前置放大電路模塊8、測溫二極管和陶瓷基板10；

杜瓦殼體1為金屬材質(zhì)的瓶狀真空密閉結(jié)構，杜瓦殼體1的后端面開有與制冷機相耦合的冷腔9，杜瓦殼體1的前端面焊接窗片2，窗片2用于入射紅外光信號；在杜瓦殼體1的內(nèi)部且位于冷腔9的端頭處有陶瓷基板10，制冷機的冷指插入冷腔9后對陶瓷基板10進行制冷；U型支架3粘接固定連接在陶瓷基板10的上面中央位置；

U型支架3為金屬材質(zhì)，其形狀為一方形平臺的兩個對邊豎直向上各伸出一個支撐板，其中的一個支撐板上有成90°的三角形卡槽用于固定分色片4，三角形卡槽上分色片4的粘接面與方形平臺成45°夾角，另外一個支撐板上不帶卡槽；第一波段單元型探測器5粘接于U型支架3的不帶卡槽的支撐板內(nèi)側(cè)，第二波段單元型探測器6置于U型支架3的方形平臺上面；測溫二極管粘接(使用低溫膠)在不帶卡槽的支撐板的背面；

第一波段前置放大電路模塊7和第二波段前置放大電路模塊8分別位于U型支架3的兩側(cè)(即方形平臺的沒有支撐板的兩側(cè))并粘接于陶瓷基板10上；

分色片4為正八邊形平面鏡，分色片4通過U型支架3的卡槽粘接于U型支架3，鏡面所在平面與入射光軸方向成45°夾角。分色片4的正反面都鍍分色膜，其對于[λ1,λ2]波長的光線反射率全≥90％，對于[λm,λ2]的光線透過率全≥85％。這樣，透射進探測組件的光線到達分色片4后，分光為兩個波段的光束，這兩束光的光軸相互垂直；

組件內(nèi)的探測器選用兩個單元型探測器裸片，探測器感光像元的尺寸略大于探測組件的光學像面尺寸，以容耐一定的工程誤差。其中置于入射光光軸垂直方向的第一波段探測器要求能夠響應第一波段光束，該探測器粘接于U型支架3的不帶卡槽的支撐板上；置于入射光光軸方向的探測器選用能夠響應第二波段的探測器。探測器可根據(jù)實際需要選型為PbS、PbSe、InAs、InGaAs、InSb或MCT探測器；

本發(fā)明中輸入量為光信號，可為紫外、紅外、可見光或其它波段的電磁波信號。窗片2的鍍膜透射波段、分色片4的鍍膜處理波段、兩個波段探測器的光譜響應波段和輸入光信號的波段范圍需要相互匹配；

所述的窗片2為光線入射提供窗口，入射光中的紅外光信號透過窗片2后透射于分色片4上。示例中，窗片2的正反面鍍增透膜，使2.4μm～13.3μm譜段透過率都不小于85％，且為抑制低頻雜光，使0.7μm～2.1μm譜段透過都不大于5％；

所述的分色片4示例中對于2.4μm～5.5μm波長的光線反射率都不小于90％，對于5.5μm～13.3μm的光線透過率都不小于85％。如圖3所示，紅外光信號經(jīng)過分色片4后分為兩個波段的光，即第一波段的光和第二波段的光，分別入射到第一波段單元型探測器5和第二波段單元型探測器6上；這樣，探測組件就實現(xiàn)了沒有譜段交叉的雙波段同步探測，有效完成了[λ1,λ2]寬波段的光信號采集；

所述的第一波段單元型探測器5示例中為短中波紅外單元型探測器(InSb探測器)；所述的第二波段單元型探測器6示例中為長波單元型紅外探測器(MCT探測器)；

如圖3所示，第一波段單元型探測器5接收第一波段的光后將第一波段的光光電轉(zhuǎn)換為電流信號，然后輸出給第一波段前置放大電路模塊7，第二波段單元型探測器6接收第二波段的光后將第二波段的光光電轉(zhuǎn)換為電流信號，然后輸出給第二波段前置放大電路模塊8；

所述的第一波段前置放大電路模塊7對接收到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并進行濾波放大后輸出第一波段電壓信號，電路主要由阻抗匹配的低噪聲運算放大器、反饋電阻、反饋電容及去耦電容組成；

所述的第二波段前置放大電路模塊8對接收到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并進行濾波放大后輸出第二波段電壓信號，電路主要由阻抗匹配的低噪聲運算放大器、反饋電阻、反饋電容及去耦電容組成；

所述的第一波段前置放大電路模塊7為利用多芯片組件(Multi-Chip Model，MCM)技術將前置放大電路封裝的單個芯片模塊，該模塊為長方體陶瓷封裝結(jié)構；

所述的第二波段前置放大電路模塊8為利用多芯片組件(Multi-Chip Model，MCM)技術將前置放大電路封裝的單個芯片模塊，該模塊為長方體陶瓷封裝結(jié)構；

所述的測溫二極管用于第一波段單元型探測器5和第二波段單元型探測器6的溫度探測；

探測組件內(nèi)的陶瓷基板10上安裝有冷屏11，冷屏11為圓柱收口形狀，采用薄壁厚度為0.2mm左右的柯伐材料加工而成，內(nèi)表面鍍黑鎳膜層以抑制雜散光。冷屏11與陶瓷基板10組成一個小型的半封閉腔體，僅留出可供輸入光穿過的小圓孔。該半封閉腔體將U型支架3、第一波段前置放大電路模塊7和第二波段前置放大電路模塊8包圍起來；

陶瓷基板10也是熱交換的媒介，在陶瓷基板10被制冷的過程中，冷屏11、前置放大電路模塊、粘接于U型支架3的探測器與測溫二極管的溫度都將下降(一般為60K～80K)。單元型探測器被制冷至低溫，暗電流噪聲被抑制從而可以正常工作；低溫下前置放大電路的熱噪聲也遠遠小于以往工作于外界室溫時的大小；被制冷后的冷屏11對于紅外波段的雜光抑制能力也得到了增強；

此外，杜瓦殼體1對電路形成外屏蔽層；前置放大電路模塊的信號地與冷屏11之間導通，形成內(nèi)屏蔽層。兩個屏蔽層組成雙層屏蔽結(jié)構，有效地避免了以往前置放大電路和杜瓦或探測器靠電纜分離連接帶來的易受干擾問題；

前置放大電路模塊外部設計有表貼焊盤用于引入或引出電學信號。模塊頂表面的兩個焊盤用于壓焊探測器的陽極引線和陰極引線，引入探測器電流信號；測表面底部的焊盤包括：供電信號焊盤正極、供電信號焊盤負極、電源地焊盤、電壓輸出信號焊盤和信號地焊盤；

陶瓷基板10的金屬化區(qū)域12是電學信號的傳遞載體，陶瓷基板10通過厚膜法進行金屬化的區(qū)域的形成；

前置放大模塊的底部焊盤與陶瓷基板10的金屬化區(qū)域12走線是位置匹配的，前置放大模塊粘接在陶瓷基板10上后，通過銦球可把模塊底部的各個焊盤壓焊在陶瓷基板10的相應金屬化區(qū)域12處。最終通過金屬絲引線13連接陶瓷基板10的金屬化區(qū)域12和杜瓦外殼的陶瓷引線環(huán)14，從而把兩個前置放大電路模塊的信號以及測溫二極管的信號引出杜瓦。

如圖4所示，左側(cè)虛線框內(nèi)所示為探測器等效電路，右側(cè)虛線框內(nèi)為運放的噪聲模型，R_d為探測器等效電阻，由探測器決定，R_F為反饋電阻，C_F為反饋電容，R_F與C_F二者大小由應用具體決定。

所述的第二波段單元型探測器6的等效電路與第一波段單元型探測器5的等效電路一致；所述的第一波段前置放大電路模塊7的噪聲模型與所述的第二波段前置放大電路模塊8的噪聲模型一致；

所述的第一波段單元型探測器5的等效電路包括電流源Ip、探測器等效內(nèi)阻Rd和探測器與傳輸線的寄生電容Cd；電流源Ip的正極與內(nèi)阻Rd的一端、寄生電容Cd的一端連接，電流源Ip的負極、內(nèi)阻Rd的另一端、寄生電容Cd的另一端均接地；

所述的第一波段前置放大電路模塊7的噪聲模型包括電流噪聲密度電流源Ind、電壓噪聲密度電壓源Vnd和運算放大器A，電壓源Vnd的一端與運算放大器A的負向輸入端相連，電壓源Vnd的另一端與電流源Ind的正極、反饋電阻R_F的一端、反饋電容C_F的一端相連；反饋電阻R_F的另一端、反饋電容C_F的另一端與運算放大器A的輸出端相連；電流源Ind的負極接地；運算放大器A的正向輸入端接地，折合到運算放大器A負向輸入端的電流噪聲密度分別為：

I_{RTI_I}＝I_nd

選擇運算放大器A時，應使二者的方和根最小，即使下式最小

此外，還需考慮運放的增益帶寬積GBW，要大于信號最高頻率與運算放大電路增益之積，即

GBW>f_maxR_F/R_d

C_F視系統(tǒng)的帶寬而定，應滿足

Cd為探測器寄生電容，它越大，電路的噪聲增益越大，故Cd越小越好，電路中輸入端的寄生電容與Cd是并聯(lián)關系，故減小輸入端的寄生電容也至關重要，這也是將前置放大電路集成到組件里的重要原因。