星載多型號光電探測器熱真空環(huán)境試驗(yàn)研究

陳 志，汪杰君，胡亞東，張愛文，厲卓然，崔珊珊，金 潔，洪 津

星載多型號光電探測器熱真空環(huán)境試驗(yàn)研究

陳 志1,2，汪杰君3，胡亞東2，張愛文2，厲卓然2，崔珊珊2，金 潔2，洪 津2

（1. 桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031；3. 桂林電子科技大學(xué)北海校區(qū)海洋工程學(xué)院，廣西 北海 536000）

為將低等級探測器應(yīng)用于宇航等高可靠性應(yīng)用環(huán)境，對探測器進(jìn)行可靠性環(huán)境試驗(yàn)考核至關(guān)重要。本文提出了一種探測器的熱真空實(shí)驗(yàn)方法，對多種型號星載探測器進(jìn)行熱真空環(huán)境考核試驗(yàn)，通過對比熱真空環(huán)境試驗(yàn)前后探測器的相對光譜響應(yīng)率、暗電流、制冷器驅(qū)動電流、探測器制冷特性等參數(shù)的變化，分析各型號探測器熱真空環(huán)境的適應(yīng)性，從而在早期暴露可能存在質(zhì)量及其他缺陷的產(chǎn)品，篩選出性能最優(yōu)產(chǎn)品用于宇航產(chǎn)品。試驗(yàn)結(jié)果表明，參試的探測器在熱真空環(huán)境試驗(yàn)考核和篩選之后的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，具有很好的可靠性，可以滿足航天載荷應(yīng)用需求。

航天載荷；探測器；可靠性；熱真空試驗(yàn)；篩選

0 引言

探測器關(guān)鍵性能參數(shù)主要包括暗電流、相對光譜響應(yīng)度、制冷特性等[1]，暗電流作為探測器的重要性能指標(biāo)，是探測系統(tǒng)性能的最重要影響因素，具有較強(qiáng)的溫度敏感性，溫度波動將直接影響系統(tǒng)暗電流變化從而影響短波紅外偏振測量儀器測量精度[2-3]。此外，探測器的響應(yīng)度和制冷特性等，也是探測系統(tǒng)性能的重要影響因素。

為了滿足不同型號低等級探測器在高精度高可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用需求，文獻(xiàn)[4-5]提出一種方法將溫變速率這一應(yīng)力作為主要研究對象，對多種型號同批次星載紅外探測器進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，并對試驗(yàn)前后探測器相對光譜響應(yīng)率和制冷器驅(qū)動電流進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[6]提出對星載紅外探測器組件進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)以及高溫老煉試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)考核，通過對比環(huán)境試驗(yàn)前后紅外探測器組件相對光譜響應(yīng)率變化，分析紅外探測器組件的環(huán)境適應(yīng)性。文獻(xiàn)[7]提出了一種有利于空間外差光譜儀探測器的篩選方法，利用設(shè)計(jì)的探測器篩選裝置進(jìn)行了探測器篩選實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從備選探測器中選取了最優(yōu)性能的探測器。文獻(xiàn)[8]介紹了CCD的篩選流程，第一步是從各CCD裸片的信噪比、相對光譜響應(yīng)、暗電流等角度進(jìn)行篩選，將不滿足指標(biāo)的CCD剔除。

本文設(shè)計(jì)并提出了一種探測器的熱真空實(shí)驗(yàn)方法，在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上對多種型號的星載探測器組件進(jìn)行進(jìn)一步的環(huán)境考核試驗(yàn)，并對環(huán)境試驗(yàn)前后探測器的相對光譜響應(yīng)率、暗電流、制冷器驅(qū)動電流、探測器制冷特性等性能進(jìn)行測試。通過對比熱真空環(huán)境試驗(yàn)前后探測器各性能的變化，分析各型號探測器熱真空環(huán)境的適應(yīng)性，從中優(yōu)選出具有高可靠性高穩(wěn)定性的探測器進(jìn)行高精度大氣偏振探測應(yīng)用。

1 光電探測器失效模式分析

實(shí)踐證明大多數(shù)設(shè)備的故障率是時間的函數(shù)，典型故障曲線稱之為浴盆曲線（Bathtub curve），如圖1所示。浴盆曲線具有明顯的階段性，失效率隨使用時間變化分為3個階段：早期失效期（Ⅰ）、偶然失效期（Ⅱ）和耗損失效期（Ⅲ）[6,9]。

圖1 浴盆曲線

在I以前是早期失效階段，主要由制造、裝配、質(zhì)量控制與檢驗(yàn)不嚴(yán)引起的，中間為平坦的隨機(jī)失效階段，Ⅱ以后為老化階段，起始與末尾期失效率很高，這說明在起始期要嚴(yán)格篩選[9]。

2 熱真空試驗(yàn)

本文所述的多型號星載探測器主要包括5只硅探測器S13735、9只紅外探測器（5只InGaAs G12180探測器以及4只InGaAs G12183探測器），其中硅探測器典型響應(yīng)波長分別為490nm、550nm、670nm、870nm、910nm，InGaAs G12180紅外探測器的典型響應(yīng)波長為1380nm和1610nm，G12183型紅外探測器的典型響應(yīng)波長為2250nm。這些型號的探測器在出廠前已由廠家對其進(jìn)行了一些可靠性試驗(yàn)，本文的主要目的是對這些型號的探測器進(jìn)行進(jìn)一步的熱真空環(huán)境適應(yīng)性分析從而實(shí)現(xiàn)二次篩選，確保探測器在實(shí)際使用時能夠安全可靠地工作。

參考探測器使用說明并結(jié)合探測器實(shí)際運(yùn)行環(huán)境條件，設(shè)置了探測器熱真空環(huán)境試驗(yàn)條件，在保證環(huán)境試驗(yàn)條件對探測器的篩選力度的同時防止環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)力過大對探測器產(chǎn)生過試驗(yàn)而損傷器件。

2.1 試驗(yàn)條件

探測器的熱真空試驗(yàn)主要是模擬真實(shí)在軌運(yùn)行環(huán)境的溫度、真空環(huán)境、極端高低溫以及主要溫度工作點(diǎn)等環(huán)境條件進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)，考核其工作的穩(wěn)定性和可靠性。設(shè)計(jì)熱真空實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

基于圖像處理技術(shù)CTOD試驗(yàn)裝置的研制………………………………………………………王炳英，侯振波，徐圣朋（3.19）

表1 熱真空試驗(yàn)條件

探測器熱真空高低溫分別為＋55℃正偏差4℃和－20℃負(fù)偏差4℃，性能測試溫度點(diǎn)在－7℃和－17℃進(jìn)行，該溫度點(diǎn)各進(jìn)行1h測試，具體的探測器熱真空循環(huán)試驗(yàn)狀態(tài)如圖2所示。試驗(yàn)溫度通過真空罐制冷、加熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

圖2 探測器熱真空試驗(yàn)狀態(tài)

2.2 試驗(yàn)步驟

1）將測試專用設(shè)備和探測器組件按要求放置在真空罐冷板上，連接好地檢、溫度檢測系統(tǒng)電纜，并檢查連接狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)確認(rèn)；

2）放入防污染鏡片后關(guān)閉罐門進(jìn)行探測器試驗(yàn)前性能測試。按照真空罐流程開始抽真空，待真空度優(yōu)于1.3×10－3Pa后，進(jìn)行工況設(shè)置；

3）設(shè)置真空罐為高溫工況，待探測器監(jiān)測點(diǎn)溫度滿足＋55℃溫度點(diǎn)要求時，進(jìn)入熱真空循環(huán)流程高溫保持階段；

4）待高溫保持結(jié)束后調(diào)整真空罐狀態(tài)，使探測器熱沉溫度為－7℃，待探測器監(jiān)測點(diǎn)溫度滿足允許的誤差要求時，開啟探測器制冷器和校正儀數(shù)據(jù)采集功能進(jìn)行－7℃性能保持測試階段；

5）－7℃性能結(jié)束后調(diào)整真空罐狀態(tài)，使探測熱沉溫度為－17℃，待監(jiān)測點(diǎn)溫度滿足允許誤差要求時，進(jìn)行－17℃性能保持測試階段；

6）－17℃性能結(jié)束后，設(shè)置真空罐為低溫工況，待探測器監(jiān)測點(diǎn)溫度滿足－20℃溫度點(diǎn)要求時，進(jìn)入熱真空循環(huán)流程低溫保持階段。

按照以上流程完成10次近一周的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其真空內(nèi)產(chǎn)品狀態(tài)如圖3所示。

圖3 真空罐內(nèi)探測器組件狀態(tài)圖

2.3 探測器試驗(yàn)前后各性能參數(shù)測試方法

利用計(jì)算機(jī)、光功率計(jì)、數(shù)字源表等配套采集設(shè)備采集被測探測器組件相關(guān)數(shù)據(jù)。測試過程中用制冷器驅(qū)動紅外探測器組件內(nèi)置TEC（Thermo Electric Cooler）進(jìn)行制冷至設(shè)定溫度進(jìn)行制冷驅(qū)動電流的測試。紅外探測器制冷特性的溫度數(shù)據(jù)獲取則是通過數(shù)據(jù)采集器實(shí)時采集。規(guī)定波長照明下，光電二極管探測器相對光譜響應(yīng)率計(jì)算公式見式(1)：

式中：I(l, i)為探測器在波長l照明下輸出電流值；Idark(i)為探測器暗場輸出電流值；F(l,j)為監(jiān)視探頭在波長λ照明下輸出功率值；Fdark(j)為監(jiān)視探頭暗場輸出電流值；m，n為采樣點(diǎn)個數(shù)。

試驗(yàn)前后各型號探測器相對光譜響應(yīng)率變化率計(jì)算公式見式(2)：

式中：(2)為試驗(yàn)后探測器的相對光譜響應(yīng)率；(1)為試驗(yàn)前探測器的相對光譜響應(yīng)率。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用上述探測器環(huán)境試驗(yàn)裝置和測試方法，對硅探測器S13735、紅外InGaAs探測G12180和G12183的3種型號的探測器進(jìn)行熱真空環(huán)境試驗(yàn)考核。

根據(jù)星載探測器環(huán)境試驗(yàn)要求，試驗(yàn)前后探測器的相對光譜響應(yīng)率變化范圍為±10%以內(nèi)即滿足使用要求，S13735和G12180探測器的暗電流不超過100pA即認(rèn)為探測器性能滿足需要，對于G12183探測器的試驗(yàn)后暗電流變化率不超過試驗(yàn)前5倍即認(rèn)為探測器性能滿足需要。紅外G12180、G12183兩種型號探測器試驗(yàn)前后的制冷驅(qū)動電流的變化率要求在±10%以內(nèi)，溫控精度均滿足±0.2℃的要求則探測器制冷和溫控特性滿足要求。

3.1 探測器試驗(yàn)前后相對光譜響應(yīng)率變化

由于探測器在實(shí)際環(huán)境工作時不需要加偏壓，所以在測量時給探測器加0mV偏壓，同時加38mV偏壓的目的是為了將背景輻射降到1%以下，減小溫度對探測器測量的影響。通過公式(1)計(jì)算得到S13735、G12180和G121833種探測器的試驗(yàn)前后的光譜響應(yīng)率的相對變化率如圖5、圖6所示。圖中A和B分別表示每只探測器的A像元和B像元。

圖5 S13735試驗(yàn)前后光譜響應(yīng)率相對變化率

根據(jù)星載探測器環(huán)境試驗(yàn)要求，從圖5、圖6可以看出，各型號探測器試驗(yàn)前后的相對光譜響應(yīng)率的變化率都在±3%以內(nèi)，為了得到性能更優(yōu)的探測器組件，根據(jù)使用數(shù)量要求，依照優(yōu)中選優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)可以篩選出變化率更低的探測器，從而應(yīng)用到高精度偏振和光譜測量中。

3.2 探測器試驗(yàn)前后暗電流變化

探測器作為一種典型的光電二極管，其暗電流是指在沒有輸入光信號的情況下輸出的電流信號。探測器暗電流來源復(fù)雜影響因素較多，且其測量不確定度也是影響短波紅外偏振測量儀器測量精度的最重要因素，所以對于星載探測器組件進(jìn)行試驗(yàn)前后暗電流變化情況分析就顯得尤為重要。圖7、圖8、圖9分別為各型號探測器試驗(yàn)前后暗電流值。

由圖7、圖8可以看出：S13735和G12180探測器試驗(yàn)前后暗電流都不超過50pA，小于100pA的要求，說明這幾種型號的探測器組件經(jīng)過試驗(yàn)考核后具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，滿足航天載荷性能需求。由圖9可以看出：對于G12183探測器的0mV偏壓和30mV偏壓也滿足試驗(yàn)后暗電流變化率不超過試驗(yàn)前5倍的要求，同樣滿足航天載荷性能要求。

3.3 制冷器制冷驅(qū)動電流試驗(yàn)前后變化

紅外探測器制冷器制冷驅(qū)動電流在室溫22℃條件下進(jìn)行測試（注：編號1～5表示5只InGaAs G12180探測器，編號6～9表示4只InGaAs G12183探測器），測試結(jié)果及變化率如圖10所示。

圖6 G12180和G12183試驗(yàn)前后光譜響應(yīng)率相對變化率

圖7 S13735探測器試驗(yàn)前后暗電流值

圖8 G12180探測器試驗(yàn)前后暗電流值

圖9 G12183探測器0mV和38mV偏壓試驗(yàn)前后暗電流值

圖10 紅外探測器試驗(yàn)前后制冷驅(qū)動電流值及其變化率

紅外InGaAs探測器的G12180、G12183兩種型探測器試驗(yàn)前后的制冷驅(qū)動電流的變化率最大分別為－8.108%、－8.609%，也滿足實(shí)驗(yàn)前初始測試值的±10%誤差變化。

3.4 探測器制冷特性測試結(jié)果

紅外InGaAs探測器制冷特性在探測器外殼溫度為－7℃～－17℃時進(jìn)行探測器制冷性能測試，各個探測器溫控最大最小值測試結(jié)果如圖11所示。

試驗(yàn)過程中，紅外探測器溫控精度均滿足21.36±0.2℃要求，探測器制冷特性滿足要求。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明：S13735、G12180、G12183型探測器組件試驗(yàn)前后的相對光譜響應(yīng)率最大變化率分別為－1.3315%、2.2061%、0.8775%，滿足試驗(yàn)前初始測試值的±10%誤差變化。S13735、G12180型探測器組件的試驗(yàn)前后的暗電流都不超過100Pa，G12183探測器的試驗(yàn)后暗電流變化率不超過試驗(yàn)前5倍，皆滿足試驗(yàn)誤差要求。紅外G12180和G12183型探測器的試驗(yàn)前后制冷器制冷驅(qū)動電流的變化率最大分別為－8.108%、－8.609%，滿足實(shí)驗(yàn)前初始測試值的±10%誤差變化，探測器的制冷性能滿足要求。

圖11 紅外探測器溫控值

紅外探測器溫控精度均滿足21.36℃±0.2℃要求。說明經(jīng)過熱真空環(huán)境試驗(yàn)考核后的各探測器組件具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，探測器熱真空試驗(yàn)后各項(xiàng)性能指標(biāo)正常。

結(jié)合各參數(shù)在實(shí)際工程中對探測器性能的影響的重要性設(shè)置各參數(shù)權(quán)重因子，進(jìn)行定量計(jì)算后，從參試各類型探測器中選取試驗(yàn)綜合性能最優(yōu)的產(chǎn)品用于星載高精度偏振和光譜測量中。

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Thermal Vacuum Environment Tests of Multimodel Photodetectors on Satellites

CHEN Zhi1,2，WANG Jiejun3，HU Yadong2，ZHANG Aiwen2，LI Zhuoran2，CUI Shanshan2，JIN Jie2，HONG Jin2

(1.541004,;2.230031,;3.536000,)

To apply low-level detectors in high-reliability application environments, such as those in the aerospace field, it is important to test the environmental reliability of such detectors. In this paper, a thermal vacuum experiment method is proposed to test various types of space-borne detectors. By comparing the changes in the relative spectral response rate, dark current, driving current of the refrigerator, and refrigeration characteristics of each type of detector before and after the thermal vacuum environment test, their adaptabilities in the thermal vacuum environment are analyzed to enable early popularization. To avoid products with possible quality and other defects, only those products demonstrating the best performances are selected for aerospace applications. The results show that based on the performance indices of detectors that meet the design requirements after the thermal vacuum environment testing and screening, such devices have good reliability and stability, which can meet the requirements of aerospace loads.

aerospace load, detector, reliability, thermal vacuum test, screening

TP732

A

1001-8891(2020)09-0823-06

2020-07-08；

2020-08-26.

陳志（1990-），男，安徽淮南人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆姍z測和偏振遙感技術(shù)。E-mail: 244383402@qq.com。

胡亞東（1984-），男，安徽滁州人，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)槠襁b感探測技術(shù)及其應(yīng)用。E-mail: huyadong@aiofm.ac.cn。

王寬誠率先人才計(jì)劃“盧嘉錫國際團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目”（GJTD-2018-15）。