戰(zhàn)術(shù)武器用紅外探測(cè)器免維護(hù)高可靠性研究

張玉　白建清

摘 要 許多情況下，全壽命周期維護(hù)問(wèn)題是戰(zhàn)術(shù)武器裝備非常關(guān)心的任務(wù)指標(biāo)，由于紅外探測(cè)器的真空和制冷器需要經(jīng)常維修的時(shí)候，維護(hù)成本和壽命成了突出矛盾，研究機(jī)載武器系統(tǒng)、彈載武器系統(tǒng)應(yīng)用的高可靠性紅外探測(cè)器，會(huì)突破戰(zhàn)術(shù)武器全壽命周期免維護(hù)應(yīng)用方面的技術(shù)瓶頸。研究?jī)?nèi)容涉及應(yīng)用環(huán)境條件、維修性、壽命、成本優(yōu)化的量化指標(biāo)分析。研究成果提高了探測(cè)器對(duì)于惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，減少了產(chǎn)品的復(fù)雜多樣性，更新了技術(shù)水平。本文敘述了集成杜瓦制冷器探測(cè)器組件（IDDCA）的可靠性，介紹免維護(hù)高可靠性探測(cè)器生產(chǎn)過(guò)程及其改進(jìn)思路。

關(guān)鍵詞 紅外探測(cè)器；可靠性；全壽命免維護(hù)

中圖分類號(hào)：TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）08-0064-03

1 概述

近年來(lái)，隨著新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展，軍事攻防對(duì)抗形式日趨復(fù)雜，在空間攻防、防空反導(dǎo)、預(yù)警探測(cè)、對(duì)海打擊、艦空反導(dǎo)、對(duì)地攻擊、光電對(duì)抗等各類精確制導(dǎo)武器裝備中，對(duì)紅外成像系統(tǒng)的需求更為迫切。星載、彈載、機(jī)載、車載等武器系統(tǒng)，需要裝備大量紅外成像系統(tǒng)。紅外探測(cè)器作為紅外成像系統(tǒng)的核心器件和武器系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在作戰(zhàn)中發(fā)揮著重要的作用。

二代和三代國(guó)產(chǎn)紅外探測(cè)器已經(jīng)逐步趨向成熟，達(dá)到批量生產(chǎn)的水平，質(zhì)量水平也在不斷提高。研究滿足用戶全壽命周期需求的可靠性水平紅外探測(cè)器，是紅外探測(cè)器工程化重要的方向，可靠性增長(zhǎng)研究打開(kāi)了一個(gè)新的應(yīng)用研究領(lǐng)域，也是紅外探測(cè)器研制與武器系統(tǒng)應(yīng)用緊密結(jié)合的交叉學(xué)科。一方面，武器總體領(lǐng)域需要對(duì)紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)牽引；另一方面，紅外探測(cè)器制造領(lǐng)域需要研究各種武器系統(tǒng)不同應(yīng)用環(huán)境帶來(lái)的系列工程化技術(shù)問(wèn)題，是用研結(jié)合的共同發(fā)展。

研究思路包含：可靠性限制因素分析、確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、探測(cè)器環(huán)境適應(yīng)性增長(zhǎng)驗(yàn)證，以期滿足各種不斷變化要求。并在生產(chǎn)中使得產(chǎn)品可以加速驗(yàn)證，不斷完善提高，來(lái)保證使用維護(hù)的高可靠性水平，滿足多種免維護(hù)使用要求。

2 可靠性限制因素分析

2.1 IDDCA可靠性模型

IDDCA可靠性限制的五個(gè)因素：制冷器、杜瓦、引線連接、FPA、互聯(lián)。這五個(gè)因素可靠性串聯(lián)模式如圖1，即任何一個(gè)失效就會(huì)使探測(cè)器組件IDDCA失效。

圖1 IDDCA simplified reliability bloc diagram

IDDCA的可靠性是每一個(gè)框圖內(nèi)即時(shí)可靠性的乘積。所以有下列公式：

Riddca=Rcooler* Rvacuum*Rconns*RIRFPA*Reles （1）

2.2 可靠性加速因素

紅外探測(cè)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、機(jī)載系統(tǒng)、地面移動(dòng)系統(tǒng)等，所有應(yīng)用要求都是探測(cè)器可靠性的保障條件。為了滿足這些惡劣的環(huán)境條件使用要求，需要優(yōu)化探測(cè)器的設(shè)計(jì)，以滿足惡劣環(huán)境、高熱條件下探測(cè)器性能保持不變，保證可靠性達(dá)到較高水平。

環(huán)境適應(yīng)性要求條件越來(lái)越多樣化、明晰化。因此，紅外探測(cè)器優(yōu)化設(shè)計(jì)必須滿足極端條件使用要求，才能在結(jié)構(gòu)、熱條件等方面不影響紅外探測(cè)器的性能發(fā)揮。為了論述嚴(yán)酷條件下探測(cè)器性能和適應(yīng)性，必須了解其中包含哪些影響因素。

2.3 可靠性增長(zhǎng)的研究思想

軍用武器系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)紅外探測(cè)器存在多種環(huán)境要求，如振動(dòng)、沖擊、溫度、制冷循環(huán)次數(shù)、焦平面溫度、戰(zhàn)場(chǎng)供電、運(yùn)載平臺(tái)等，這些因素組成了應(yīng)用需求的制約曲線，一般為正態(tài)分布曲線，如圖2中左側(cè)線所示。紅外探測(cè)器技術(shù)制造中同樣存在多種制約因素，如FPA材料，杜瓦強(qiáng)度、杜瓦的耐受性、制冷機(jī)強(qiáng)度、制冷機(jī)的耐受性、焦平面組件制造因素、讀出電路適應(yīng)性、引線及接口適應(yīng)性等，這些因素組成了制造技術(shù)瓶頸曲線，一般也為正態(tài)分布曲線，如圖2中右側(cè)線所示。兩條曲線相交的部分就是失效區(qū)域，意味著紅外探測(cè)器制造無(wú)法滿足軍事裝備應(yīng)用需求。比如：環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等。

解決矛盾的基本思路就是避免武器需求分布和探測(cè)器制造瓶頸分布曲線重合。

圖2 紅外探測(cè)器制造與需求的矛盾分布圖

方法1：探測(cè)器制造瓶頸分布曲線整體右移

如圖3所示，全面提升紅外探測(cè)器制造的技術(shù)水平，比如更換新的生產(chǎn)線。此種方法需要投入很大的人力、物力和較長(zhǎng)的時(shí)間周期，造成生產(chǎn)資源浪費(fèi)。

圖3 全面提升制造水平滿足應(yīng)用需求

方法2：減少探測(cè)器制造技術(shù)瓶頸分布所占比例

如圖4所示，減少探測(cè)器制造環(huán)節(jié)的限制因素，需要對(duì)所有限制因素進(jìn)行數(shù)據(jù)分析評(píng)估，按照各個(gè)限制因素的攻關(guān)周期制定計(jì)劃，具體流程如下。

1）對(duì)紅外探測(cè)器進(jìn)行摸底驗(yàn)證，獲得各部件的實(shí)際工程化參數(shù)。

2）按已暴露的各個(gè)技術(shù)問(wèn)題的難易程度安排攻關(guān)計(jì)劃，并進(jìn)行攻關(guān)。

3）進(jìn)行有效性驗(yàn)證，并固化攻關(guān)成果。

以此達(dá)到較短時(shí)間內(nèi)全面提升紅外探測(cè)器工程化應(yīng)用水平、制造平臺(tái)技術(shù)水平的目的。

圖4 減少制造瓶頸因素滿足應(yīng)用需求

方法3：同時(shí)減少武器系統(tǒng)應(yīng)用需求分布和探測(cè)器制造技術(shù)瓶頸分布

如圖5所示，權(quán)衡產(chǎn)品的適應(yīng)性和環(huán)境要求之間合理性。在減少探測(cè)器制造瓶頸的同時(shí)，研究放寬武器需求的余量（即減小需求限制），擴(kuò)大產(chǎn)品適應(yīng)性。

圖5 武器需求分布曲線和探測(cè)器制造瓶頸曲線同時(shí)收窄

3 可靠性增長(zhǎng)研究

在批生產(chǎn)階段，不斷改進(jìn)探測(cè)器FPA以及杜瓦等可靠性增長(zhǎng)是工程化研究的主要方向。主要任務(wù)就是高加速測(cè)試壽命試驗(yàn)和存儲(chǔ)試驗(yàn)，保證探測(cè)器的工作過(guò)程不會(huì)影響到可靠性。

所有產(chǎn)品的可靠性都維持在他們必須達(dá)到的水平，而且要不斷攻關(guān)改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得可靠性水平有計(jì)劃的遞增。用這種方法，每一個(gè)失效都要被考慮進(jìn)去，包括新型失效和可靠性測(cè)試的早期失效。endprint

3.1 FPA的可靠性

FPA的老化按照下面三個(gè)老化模式進(jìn)行：

1）存儲(chǔ)：FPA在非工作狀態(tài)下存放在室外環(huán)境中。

2）開(kāi)關(guān)機(jī)沖擊：FPA被致冷到低溫工作條件，然后再加熱恢復(fù)到室溫環(huán)境，循環(huán)往復(fù)。

3）長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工作：制冷到低溫工作狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行。

失效基本上全部覆蓋第一模式時(shí)候探測(cè)器退化、第二模式時(shí)候的探測(cè)器退化和沖擊破碎、第三模式時(shí)候的熱載荷退化。在實(shí)際使用中基本上是三種老化模式混合作用的。比如夜視相機(jī)FPA老化模式最明顯的特點(diǎn)是頻繁的開(kāi)關(guān)機(jī)循環(huán)切換。另一例子，如導(dǎo)引頭中使用的FPA，最顯著的特點(diǎn)就是快速制冷、制冷時(shí)間短。

3.2 真空的可靠性

真空可靠性主要工作是杜瓦減少溢出率和泄露率。目前已經(jīng)優(yōu)化杜瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了各種惡劣的環(huán)境使用，大大也減小杜瓦表面積的尺寸，而且，還優(yōu)化表面處理工藝，減少了溢出率。

新一代微型化杜瓦真空技術(shù)特點(diǎn)歸納如下。

1）體積減?。憾磐咭€環(huán)候補(bǔ)的體積可以大大縮小，更有利于真空以及電路板的安裝。

2）表面溢出率減?。杭訌?qiáng)材料的前期處理，特別是長(zhǎng)時(shí)間高溫烘烤。

3）潛在泄露面積減小：焊縫的質(zhì)量是杜瓦工藝中最主要的因素。

4）陶瓷引線環(huán)或者接插件密封：減小體積，泄露風(fēng)險(xiǎn)最

小化。

圖6給出了法國(guó)較新的產(chǎn)品高溫存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果。11個(gè)樣品探測(cè)器在80?C存儲(chǔ)405天沒(méi)有失效情況出現(xiàn)。測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有任何維護(hù)。

圖6 Reliability test results in storage at 80℃

一般認(rèn)為溫度和溢出率的關(guān)系為：溫度每增加10℃，氣體逸出率就會(huì)增加2倍，可以換算為80℃ 405天溢出量相當(dāng)于40℃環(huán)境下18年溢出量。（405×24=6480天即：17.75年）也就是40℃條件下18年后，沒(méi)有任何維護(hù)的真空可靠性仍然為100%。圖7所示。另外一方面，溢出率也不僅僅是真空失效的唯一因素。探測(cè)器和周圍環(huán)境泄露也應(yīng)當(dāng)被考慮進(jìn)去。圖8給出了真空壽命對(duì)于泄露率的依賴情況。

在制造杜瓦過(guò)程中每一只都要經(jīng)過(guò)泄露測(cè)試。作為可靠性接收準(zhǔn)則的判據(jù)是泄露率不大于10-11mbar.l/sec，當(dāng)然，也不僅限于泄露這一個(gè)絕對(duì)數(shù)據(jù)。熱環(huán)境對(duì)于加速泄露是有明顯誘導(dǎo)作用的，經(jīng)過(guò)80℃、405天的測(cè)試，這期間要求探測(cè)器沒(méi)有泄露出現(xiàn)。

所有的技術(shù)改進(jìn)措施應(yīng)當(dāng)固化在目前探測(cè)器杜瓦的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，這樣可以保證探測(cè)器的高可靠性，免維護(hù)工作期已經(jīng)達(dá)到20年。這項(xiàng)工作正在國(guó)產(chǎn)探測(cè)器設(shè)計(jì)中進(jìn)行推光應(yīng)用。

圖7 Vacuum life cycle demonstrated with 405 days at 80℃

圖8 Vacuum life cycle limited by leakage with air

3.3 制冷器的可靠性

制冷器分為J-T制冷器和斯特林制冷機(jī)兩類。J-T制冷器的可靠性主要來(lái)自于應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題，一方面是氣體污染所致；另一方面是用戶使用前、后忽視了氣路的清潔所致，在節(jié)流孔附近形成污染所致。斯特林制冷機(jī)主要有體積較小的旋轉(zhuǎn)集成式和體積較大的線性分置式兩類，旋轉(zhuǎn)式制冷機(jī)可靠性指標(biāo)MTTF已經(jīng)達(dá)到6000-10000hrs，線性制冷機(jī)在嚴(yán)酷條件下工作時(shí)間也達(dá)到30000小時(shí)以上。

Sofradir的制冷器依賴著分承包商，如Thailes和RICOR兩家。共同研發(fā)新型制冷器以滿足各種需求，隨著技術(shù)工藝的成熟制冷器的可靠性水平已經(jīng)很高了。

MCT探測(cè)器現(xiàn)在可以工作在較高的溫度下，這樣，可以改善制冷器的熱負(fù)載以及運(yùn)轉(zhuǎn)速度。高溫環(huán)境下，制冷器的可靠性直接關(guān)聯(lián)著壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，考慮到新一代杜瓦已經(jīng)減小了熱負(fù)載的情況下，制冷器的約束條件也改善了很多。冷指厚度的減薄可以減少損失25%左右，旋轉(zhuǎn)表面處理的改進(jìn)可以減少損失25%。杜瓦熱負(fù)載的減小，MCT技術(shù)進(jìn)步使得FPA工作溫度增加，使得制冷的壓力大大減小，因此，制冷器的可靠性和使用壽命提高有很大的幫助。這就意味著在多數(shù)使用環(huán)境中，制冷器的使用可也達(dá)到10年以上。

相對(duì)于低溫工作的探測(cè)器，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，大功率的制冷器還是必要的。這意味著需要大功率和較大的體積尺寸，明顯地成本也會(huì)增加。

對(duì)于探測(cè)器來(lái)說(shuō)環(huán)境溫度并不是限制因素。這歸功于優(yōu)化設(shè)計(jì)，探測(cè)器的可靠性環(huán)境溫度可以達(dá)到95℃。試驗(yàn)證明探測(cè)器能耐受這樣的環(huán)境溫度的沖擊。

3.4 可靠性增長(zhǎng)與全壽命成本研究

法國(guó)Sofradir2006年實(shí)施了可靠性增加計(jì)劃，并沒(méi)有增加制造成本，反而可靠性增加直接降低了使用和維護(hù)成本，進(jìn)而降低了使用周期的成本。圖9給出了LCC（壽命成本）和MTBF（平均維護(hù)時(shí)間）關(guān)聯(lián)關(guān)系的解釋。

1區(qū)：多次系統(tǒng)級(jí)維護(hù)。

2區(qū)：維護(hù)增加了系統(tǒng)使用壽命，但大大增加了維護(hù)工作本身的成本。

3區(qū)：用戶遇到失效并且不斷維修好，對(duì)于LCC維護(hù)沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，這大大限制了系統(tǒng)的使用壽命。

圖9 Relationship between Life Cycle Cost（LCC） and MTBM

經(jīng)過(guò)頻繁的維護(hù)和免維護(hù)這兩種情況的分析，顯然免維護(hù)優(yōu)化了壽命周期的使用成本。兩條曲線表明了國(guó)外已經(jīng)解決了已經(jīng)解決了壽命成本的技術(shù)瓶頸，探測(cè)器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期跟蹤使用后，都是免維護(hù)的?，F(xiàn)在Sofradir探測(cè)器僅僅在使用很多年之后才需要維護(hù)，這對(duì)國(guó)產(chǎn)探測(cè)器的發(fā)展很有借鑒意義。

4 結(jié)論

本文的紅外探測(cè)器可靠性研究結(jié)果歸納如下。

1）FPA的可靠性有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。老化和存儲(chǔ)表明FPA性能能保證30℃超過(guò)18年。

2）探測(cè)器工作在110K，以擴(kuò)展更多的制冷器使用，也可以延長(zhǎng)制冷器的使用壽命。

3）杜瓦真空測(cè)試結(jié)果表明溢出率和泄露率測(cè)試，保證探測(cè)器30℃ 18年免維護(hù)使用。

4）所有的用于杜瓦和FPA的技術(shù)對(duì)于探測(cè)器的工作使用環(huán)境（比如：振動(dòng)、沖擊、高溫、熱沖擊等）。確保制造過(guò)程中變化不超出可靠性范圍，按照上述計(jì)劃執(zhí)行可滿足各種應(yīng)用要求。

探測(cè)器芯片技術(shù)可靠性增長(zhǎng)計(jì)劃是個(gè)持續(xù)的細(xì)致過(guò)程，同時(shí)可以發(fā)展新一代低溫制冷器和杜瓦。持需關(guān)注可靠性限制因素的改進(jìn)，增加適應(yīng)性、耐久性設(shè)計(jì)，以適應(yīng)和滿足不斷擴(kuò)展的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]陳伯良，孫維國(guó)，梁平治，等.InSb凝視紅外焦平面組件研制和應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2002（05）.

作者簡(jiǎn)介

張玉（1976-），女，漢族，山東臨朐縣人，工程師，

本科。

白建清（1964-），男，漢族，陜西禮泉縣人，本科，中國(guó)航天科工集團(tuán)公司二院二十五所研究員。endprint

3.1 FPA的可靠性

FPA的老化按照下面三個(gè)老化模式進(jìn)行：

1）存儲(chǔ)：FPA在非工作狀態(tài)下存放在室外環(huán)境中。

2）開(kāi)關(guān)機(jī)沖擊：FPA被致冷到低溫工作條件，然后再加熱恢復(fù)到室溫環(huán)境，循環(huán)往復(fù)。

3）長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工作：制冷到低溫工作狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行。

失效基本上全部覆蓋第一模式時(shí)候探測(cè)器退化、第二模式時(shí)候的探測(cè)器退化和沖擊破碎、第三模式時(shí)候的熱載荷退化。在實(shí)際使用中基本上是三種老化模式混合作用的。比如夜視相機(jī)FPA老化模式最明顯的特點(diǎn)是頻繁的開(kāi)關(guān)機(jī)循環(huán)切換。另一例子，如導(dǎo)引頭中使用的FPA，最顯著的特點(diǎn)就是快速制冷、制冷時(shí)間短。

3.2 真空的可靠性

真空可靠性主要工作是杜瓦減少溢出率和泄露率。目前已經(jīng)優(yōu)化杜瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了各種惡劣的環(huán)境使用，大大也減小杜瓦表面積的尺寸，而且，還優(yōu)化表面處理工藝，減少了溢出率。

新一代微型化杜瓦真空技術(shù)特點(diǎn)歸納如下。

1）體積減小：杜瓦引線環(huán)候補(bǔ)的體積可以大大縮小，更有利于真空以及電路板的安裝。

2）表面溢出率減小：加強(qiáng)材料的前期處理，特別是長(zhǎng)時(shí)間高溫烘烤。

3）潛在泄露面積減?。汉缚p的質(zhì)量是杜瓦工藝中最主要的因素。

4）陶瓷引線環(huán)或者接插件密封：減小體積，泄露風(fēng)險(xiǎn)最

小化。

圖6給出了法國(guó)較新的產(chǎn)品高溫存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果。11個(gè)樣品探測(cè)器在80?C存儲(chǔ)405天沒(méi)有失效情況出現(xiàn)。測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有任何維護(hù)。

圖6 Reliability test results in storage at 80℃

一般認(rèn)為溫度和溢出率的關(guān)系為：溫度每增加10℃，氣體逸出率就會(huì)增加2倍，可以換算為80℃ 405天溢出量相當(dāng)于40℃環(huán)境下18年溢出量。（405×24=6480天即：17.75年）也就是40℃條件下18年后，沒(méi)有任何維護(hù)的真空可靠性仍然為100%。圖7所示。另外一方面，溢出率也不僅僅是真空失效的唯一因素。探測(cè)器和周圍環(huán)境泄露也應(yīng)當(dāng)被考慮進(jìn)去。圖8給出了真空壽命對(duì)于泄露率的依賴情況。

在制造杜瓦過(guò)程中每一只都要經(jīng)過(guò)泄露測(cè)試。作為可靠性接收準(zhǔn)則的判據(jù)是泄露率不大于10-11mbar.l/sec，當(dāng)然，也不僅限于泄露這一個(gè)絕對(duì)數(shù)據(jù)。熱環(huán)境對(duì)于加速泄露是有明顯誘導(dǎo)作用的，經(jīng)過(guò)80℃、405天的測(cè)試，這期間要求探測(cè)器沒(méi)有泄露出現(xiàn)。

所有的技術(shù)改進(jìn)措施應(yīng)當(dāng)固化在目前探測(cè)器杜瓦的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，這樣可以保證探測(cè)器的高可靠性，免維護(hù)工作期已經(jīng)達(dá)到20年。這項(xiàng)工作正在國(guó)產(chǎn)探測(cè)器設(shè)計(jì)中進(jìn)行推光應(yīng)用。

圖7 Vacuum life cycle demonstrated with 405 days at 80℃

圖8 Vacuum life cycle limited by leakage with air

3.3 制冷器的可靠性

制冷器分為J-T制冷器和斯特林制冷機(jī)兩類。J-T制冷器的可靠性主要來(lái)自于應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題，一方面是氣體污染所致；另一方面是用戶使用前、后忽視了氣路的清潔所致，在節(jié)流孔附近形成污染所致。斯特林制冷機(jī)主要有體積較小的旋轉(zhuǎn)集成式和體積較大的線性分置式兩類，旋轉(zhuǎn)式制冷機(jī)可靠性指標(biāo)MTTF已經(jīng)達(dá)到6000-10000hrs，線性制冷機(jī)在嚴(yán)酷條件下工作時(shí)間也達(dá)到30000小時(shí)以上。

Sofradir的制冷器依賴著分承包商，如Thailes和RICOR兩家。共同研發(fā)新型制冷器以滿足各種需求，隨著技術(shù)工藝的成熟制冷器的可靠性水平已經(jīng)很高了。

MCT探測(cè)器現(xiàn)在可以工作在較高的溫度下，這樣，可以改善制冷器的熱負(fù)載以及運(yùn)轉(zhuǎn)速度。高溫環(huán)境下，制冷器的可靠性直接關(guān)聯(lián)著壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，考慮到新一代杜瓦已經(jīng)減小了熱負(fù)載的情況下，制冷器的約束條件也改善了很多。冷指厚度的減薄可以減少損失25%左右，旋轉(zhuǎn)表面處理的改進(jìn)可以減少損失25%。杜瓦熱負(fù)載的減小，MCT技術(shù)進(jìn)步使得FPA工作溫度增加，使得制冷的壓力大大減小，因此，制冷器的可靠性和使用壽命提高有很大的幫助。這就意味著在多數(shù)使用環(huán)境中，制冷器的使用可也達(dá)到10年以上。

相對(duì)于低溫工作的探測(cè)器，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，大功率的制冷器還是必要的。這意味著需要大功率和較大的體積尺寸，明顯地成本也會(huì)增加。

對(duì)于探測(cè)器來(lái)說(shuō)環(huán)境溫度并不是限制因素。這歸功于優(yōu)化設(shè)計(jì)，探測(cè)器的可靠性環(huán)境溫度可以達(dá)到95℃。試驗(yàn)證明探測(cè)器能耐受這樣的環(huán)境溫度的沖擊。

3.4 可靠性增長(zhǎng)與全壽命成本研究

法國(guó)Sofradir2006年實(shí)施了可靠性增加計(jì)劃，并沒(méi)有增加制造成本，反而可靠性增加直接降低了使用和維護(hù)成本，進(jìn)而降低了使用周期的成本。圖9給出了LCC（壽命成本）和MTBF（平均維護(hù)時(shí)間）關(guān)聯(lián)關(guān)系的解釋。

1區(qū)：多次系統(tǒng)級(jí)維護(hù)。

2區(qū)：維護(hù)增加了系統(tǒng)使用壽命，但大大增加了維護(hù)工作本身的成本。

3區(qū)：用戶遇到失效并且不斷維修好，對(duì)于LCC維護(hù)沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，這大大限制了系統(tǒng)的使用壽命。

圖9 Relationship between Life Cycle Cost（LCC） and MTBM

經(jīng)過(guò)頻繁的維護(hù)和免維護(hù)這兩種情況的分析，顯然免維護(hù)優(yōu)化了壽命周期的使用成本。兩條曲線表明了國(guó)外已經(jīng)解決了已經(jīng)解決了壽命成本的技術(shù)瓶頸，探測(cè)器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期跟蹤使用后，都是免維護(hù)的?，F(xiàn)在Sofradir探測(cè)器僅僅在使用很多年之后才需要維護(hù)，這對(duì)國(guó)產(chǎn)探測(cè)器的發(fā)展很有借鑒意義。

4 結(jié)論

本文的紅外探測(cè)器可靠性研究結(jié)果歸納如下。

1）FPA的可靠性有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。老化和存儲(chǔ)表明FPA性能能保證30℃超過(guò)18年。

2）探測(cè)器工作在110K，以擴(kuò)展更多的制冷器使用，也可以延長(zhǎng)制冷器的使用壽命。

3）杜瓦真空測(cè)試結(jié)果表明溢出率和泄露率測(cè)試，保證探測(cè)器30℃ 18年免維護(hù)使用。

4）所有的用于杜瓦和FPA的技術(shù)對(duì)于探測(cè)器的工作使用環(huán)境（比如：振動(dòng)、沖擊、高溫、熱沖擊等）。確保制造過(guò)程中變化不超出可靠性范圍，按照上述計(jì)劃執(zhí)行可滿足各種應(yīng)用要求。

探測(cè)器芯片技術(shù)可靠性增長(zhǎng)計(jì)劃是個(gè)持續(xù)的細(xì)致過(guò)程，同時(shí)可以發(fā)展新一代低溫制冷器和杜瓦。持需關(guān)注可靠性限制因素的改進(jìn)，增加適應(yīng)性、耐久性設(shè)計(jì)，以適應(yīng)和滿足不斷擴(kuò)展的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]陳伯良，孫維國(guó)，梁平治，等.InSb凝視紅外焦平面組件研制和應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2002（05）.

作者簡(jiǎn)介

張玉（1976-），女，漢族，山東臨朐縣人，工程師，

本科。

白建清（1964-），男，漢族，陜西禮泉縣人，本科，中國(guó)航天科工集團(tuán)公司二院二十五所研究員。endprint

3.1 FPA的可靠性

FPA的老化按照下面三個(gè)老化模式進(jìn)行：

1）存儲(chǔ)：FPA在非工作狀態(tài)下存放在室外環(huán)境中。

2）開(kāi)關(guān)機(jī)沖擊：FPA被致冷到低溫工作條件，然后再加熱恢復(fù)到室溫環(huán)境，循環(huán)往復(fù)。

3）長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工作：制冷到低溫工作狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行。

失效基本上全部覆蓋第一模式時(shí)候探測(cè)器退化、第二模式時(shí)候的探測(cè)器退化和沖擊破碎、第三模式時(shí)候的熱載荷退化。在實(shí)際使用中基本上是三種老化模式混合作用的。比如夜視相機(jī)FPA老化模式最明顯的特點(diǎn)是頻繁的開(kāi)關(guān)機(jī)循環(huán)切換。另一例子，如導(dǎo)引頭中使用的FPA，最顯著的特點(diǎn)就是快速制冷、制冷時(shí)間短。

3.2 真空的可靠性

真空可靠性主要工作是杜瓦減少溢出率和泄露率。目前已經(jīng)優(yōu)化杜瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了各種惡劣的環(huán)境使用，大大也減小杜瓦表面積的尺寸，而且，還優(yōu)化表面處理工藝，減少了溢出率。

新一代微型化杜瓦真空技術(shù)特點(diǎn)歸納如下。

1）體積減?。憾磐咭€環(huán)候補(bǔ)的體積可以大大縮小，更有利于真空以及電路板的安裝。

2）表面溢出率減?。杭訌?qiáng)材料的前期處理，特別是長(zhǎng)時(shí)間高溫烘烤。

3）潛在泄露面積減小：焊縫的質(zhì)量是杜瓦工藝中最主要的因素。

4）陶瓷引線環(huán)或者接插件密封：減小體積，泄露風(fēng)險(xiǎn)最

小化。

圖6給出了法國(guó)較新的產(chǎn)品高溫存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果。11個(gè)樣品探測(cè)器在80?C存儲(chǔ)405天沒(méi)有失效情況出現(xiàn)。測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有任何維護(hù)。

圖6 Reliability test results in storage at 80℃

一般認(rèn)為溫度和溢出率的關(guān)系為：溫度每增加10℃，氣體逸出率就會(huì)增加2倍，可以換算為80℃ 405天溢出量相當(dāng)于40℃環(huán)境下18年溢出量。（405×24=6480天即：17.75年）也就是40℃條件下18年后，沒(méi)有任何維護(hù)的真空可靠性仍然為100%。圖7所示。另外一方面，溢出率也不僅僅是真空失效的唯一因素。探測(cè)器和周圍環(huán)境泄露也應(yīng)當(dāng)被考慮進(jìn)去。圖8給出了真空壽命對(duì)于泄露率的依賴情況。

在制造杜瓦過(guò)程中每一只都要經(jīng)過(guò)泄露測(cè)試。作為可靠性接收準(zhǔn)則的判據(jù)是泄露率不大于10-11mbar.l/sec，當(dāng)然，也不僅限于泄露這一個(gè)絕對(duì)數(shù)據(jù)。熱環(huán)境對(duì)于加速泄露是有明顯誘導(dǎo)作用的，經(jīng)過(guò)80℃、405天的測(cè)試，這期間要求探測(cè)器沒(méi)有泄露出現(xiàn)。

所有的技術(shù)改進(jìn)措施應(yīng)當(dāng)固化在目前探測(cè)器杜瓦的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，這樣可以保證探測(cè)器的高可靠性，免維護(hù)工作期已經(jīng)達(dá)到20年。這項(xiàng)工作正在國(guó)產(chǎn)探測(cè)器設(shè)計(jì)中進(jìn)行推光應(yīng)用。

圖7 Vacuum life cycle demonstrated with 405 days at 80℃

圖8 Vacuum life cycle limited by leakage with air

3.3 制冷器的可靠性

制冷器分為J-T制冷器和斯特林制冷機(jī)兩類。J-T制冷器的可靠性主要來(lái)自于應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題，一方面是氣體污染所致；另一方面是用戶使用前、后忽視了氣路的清潔所致，在節(jié)流孔附近形成污染所致。斯特林制冷機(jī)主要有體積較小的旋轉(zhuǎn)集成式和體積較大的線性分置式兩類，旋轉(zhuǎn)式制冷機(jī)可靠性指標(biāo)MTTF已經(jīng)達(dá)到6000-10000hrs，線性制冷機(jī)在嚴(yán)酷條件下工作時(shí)間也達(dá)到30000小時(shí)以上。

Sofradir的制冷器依賴著分承包商，如Thailes和RICOR兩家。共同研發(fā)新型制冷器以滿足各種需求，隨著技術(shù)工藝的成熟制冷器的可靠性水平已經(jīng)很高了。

MCT探測(cè)器現(xiàn)在可以工作在較高的溫度下，這樣，可以改善制冷器的熱負(fù)載以及運(yùn)轉(zhuǎn)速度。高溫環(huán)境下，制冷器的可靠性直接關(guān)聯(lián)著壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，考慮到新一代杜瓦已經(jīng)減小了熱負(fù)載的情況下，制冷器的約束條件也改善了很多。冷指厚度的減薄可以減少損失25%左右，旋轉(zhuǎn)表面處理的改進(jìn)可以減少損失25%。杜瓦熱負(fù)載的減小，MCT技術(shù)進(jìn)步使得FPA工作溫度增加，使得制冷的壓力大大減小，因此，制冷器的可靠性和使用壽命提高有很大的幫助。這就意味著在多數(shù)使用環(huán)境中，制冷器的使用可也達(dá)到10年以上。

相對(duì)于低溫工作的探測(cè)器，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，大功率的制冷器還是必要的。這意味著需要大功率和較大的體積尺寸，明顯地成本也會(huì)增加。

對(duì)于探測(cè)器來(lái)說(shuō)環(huán)境溫度并不是限制因素。這歸功于優(yōu)化設(shè)計(jì)，探測(cè)器的可靠性環(huán)境溫度可以達(dá)到95℃。試驗(yàn)證明探測(cè)器能耐受這樣的環(huán)境溫度的沖擊。

3.4 可靠性增長(zhǎng)與全壽命成本研究

法國(guó)Sofradir2006年實(shí)施了可靠性增加計(jì)劃，并沒(méi)有增加制造成本，反而可靠性增加直接降低了使用和維護(hù)成本，進(jìn)而降低了使用周期的成本。圖9給出了LCC（壽命成本）和MTBF（平均維護(hù)時(shí)間）關(guān)聯(lián)關(guān)系的解釋。

1區(qū)：多次系統(tǒng)級(jí)維護(hù)。

2區(qū)：維護(hù)增加了系統(tǒng)使用壽命，但大大增加了維護(hù)工作本身的成本。

3區(qū)：用戶遇到失效并且不斷維修好，對(duì)于LCC維護(hù)沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，這大大限制了系統(tǒng)的使用壽命。

圖9 Relationship between Life Cycle Cost（LCC） and MTBM

經(jīng)過(guò)頻繁的維護(hù)和免維護(hù)這兩種情況的分析，顯然免維護(hù)優(yōu)化了壽命周期的使用成本。兩條曲線表明了國(guó)外已經(jīng)解決了已經(jīng)解決了壽命成本的技術(shù)瓶頸，探測(cè)器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期跟蹤使用后，都是免維護(hù)的。現(xiàn)在Sofradir探測(cè)器僅僅在使用很多年之后才需要維護(hù)，這對(duì)國(guó)產(chǎn)探測(cè)器的發(fā)展很有借鑒意義。

4 結(jié)論

本文的紅外探測(cè)器可靠性研究結(jié)果歸納如下。

1）FPA的可靠性有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。老化和存儲(chǔ)表明FPA性能能保證30℃超過(guò)18年。

2）探測(cè)器工作在110K，以擴(kuò)展更多的制冷器使用，也可以延長(zhǎng)制冷器的使用壽命。

3）杜瓦真空測(cè)試結(jié)果表明溢出率和泄露率測(cè)試，保證探測(cè)器30℃ 18年免維護(hù)使用。

4）所有的用于杜瓦和FPA的技術(shù)對(duì)于探測(cè)器的工作使用環(huán)境（比如：振動(dòng)、沖擊、高溫、熱沖擊等）。確保制造過(guò)程中變化不超出可靠性范圍，按照上述計(jì)劃執(zhí)行可滿足各種應(yīng)用要求。

探測(cè)器芯片技術(shù)可靠性增長(zhǎng)計(jì)劃是個(gè)持續(xù)的細(xì)致過(guò)程，同時(shí)可以發(fā)展新一代低溫制冷器和杜瓦。持需關(guān)注可靠性限制因素的改進(jìn)，增加適應(yīng)性、耐久性設(shè)計(jì)，以適應(yīng)和滿足不斷擴(kuò)展的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]陳伯良，孫維國(guó)，梁平治，等.InSb凝視紅外焦平面組件研制和應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2002（05）.

作者簡(jiǎn)介

張玉（1976-），女，漢族，山東臨朐縣人，工程師，

本科。

白建清（1964-），男，漢族，陜西禮泉縣人，本科，中國(guó)航天科工集團(tuán)公司二院二十五所研究員。endprint