一种制冷型红外机芯的制作方法

本实用新型属于制冷型红外成像技术，具体涉及一种制冷型红外机芯。

背景技术：

红外机芯正朝着小型化、全天候、远距离、高清晰、高性能、低功耗等方向发展.现有制冷型红外机芯一般采用一级TEC热电制冷器，但制冷效果较差，无法满足既定要求，或是采用杜瓦瓶结构达到制冷效果，然而这种结构体积较大，质量较重，不便于携带运输。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术所存在的制冷效果差、机芯体积较大、质量较重的不足之处，而提供了一种制冷型红外机芯。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术解决方案是：

一种制冷型红外机芯，其特殊之处在于，包括机芯壳体以及位于机芯壳体内部的制冷型红外探测器、探测器电路板、第一导热板、二级TEC热电制冷器、第二导热板、TEC驱动电路板、探测器驱动电路板、图像处理电路板和接口转换电路板；所述制冷型红外探测器固定在探测器电路板上，其包括红外窗口、红外焦平面、温度传感器和一级TEC热电制冷器；所述第一导热板的一侧与制冷型红外探测器的外壳底部相连，另一侧与二级TEC热电制冷器的冷端相连；所述二级TEC热电制冷器的热端与第二导热板的一侧相连；所述第二导热板与所述机芯壳体相连；所述TEC驱动电路板、探测器驱动电路板、图像处理电路板和接口转换电路板自上而下依次安装在第二导热板下方的腔体内；所述温度传感器输出的温度信号、一级TEC热电制冷器及二级TEC热电制冷器均与TEC驱动电路板电连接。

进一步地，所述图像处理电路板上方设置有导热组件，所述导热组件为固定在机芯壳体上的横板。

进一步地，为了增大散热面积，有利于机芯壳体内电子元器件的散热，所述机芯壳体的侧面采用散热片结构。

进一步地，为了防止二级TEC热电制冷器热端的温度通过辐射方式影响红外焦平面，所述第二导热板和制冷型红外探测器的外壳之间填充有隔热材料。

进一步地，所述第二导热板与机芯壳体为一体设置。

进一步地，采用螺栓从机芯壳体底部依次穿过接口转换电路板、图像处理电路板、探测器驱动电路板和TEC驱动电路板，并将所述螺栓固定在所述第二导热板上，为了防止各电路板的热量扩散，所述螺栓上加装有隔热套。

进一步地，所述制冷型红外探测器焊接在探测器电路板上，所述探测器电路板的底端固定在第一导热板上，所述第一导热板通过卡槽与二级TEC热电制冷器的冷端相连。

进一步地，所述第一导热板和第二导热板均选用热阻低于2.5K/W的导热铜块。

进一步地，所述第一导热板的尺寸为33mm×43mm，所述第二导热板的尺寸为65mm×65mm。

同时，本实用新型还公开了上述制冷型红外机芯的制作方法，包括以下步骤：

步骤1)将机芯壳体的侧面制作成散热片结构，机芯壳体内部设计有第二导热板和横板，有利于散热，从而保证机芯在要求温度条件下可靠的工作；

步骤2)将制冷型红外探测器置于机芯壳体内的上端，并焊接在探测器电路板上；

步骤3)将制冷型红外探测器的底部固定在第一导热板一侧的中心，将第一导热板的另一侧与二级TEC热电制冷器的冷端相连；将二级TEC热电制冷器的热端与和机芯壳体一体设置的第二导热板相连；并在第二导热板与制冷型红外探测器之间填充隔热材料，即，第二导热板上方的空间内均填充隔热材料；

步骤3)采用螺栓将TEC驱动电路板、探测器驱动电路板、图像处理电路板和接口转换电路板自上而下依次间隔安装在第二导热板的下方，并使横板位于探测器驱动电路板和图像处理电路板之间，即横板恰好位于图像处理电路板的上方，将图像处理电路板产生的热量传递给机芯壳体；

步骤4)将温度传感器输出的温度信号、一级TEC热电制冷器和二级TEC热电制冷器共同接入TEC驱动电路板上，实现两级TEC控制策略，提高制冷型红外机芯温度的稳定性和工作可靠性。

本实用新型的优点是：

1、本实用新型采用二级TEC热电制冷方法，极大地增强了制冷型红外机芯的制冷效果，提高了检测灵敏度和使用寿命，扩大了使用范围，丰富了使用场合，同时为机芯内部的红外探测器提供了有效的散热路径，降低了制冷型红外探测器对环境温度的要求；且本实用新型的制冷型红外机芯在体积和质量上变化不大，便于携带运输。

2、本实用新型可在各温度范围内对一级TEC热电制冷器、二级TEC热电制冷器采用不同的TEC控制策略，进行优化控制，实现在宽温差范围内低功耗、稳定工作，这种制冷型红外机芯结构提高了机芯温度的稳定性和可靠性，极大地提高了制冷型红外机芯的成像质量。

3、本实用新型采用散热片结构的机芯壳体，充分加大了散热面积，更加有利于电子元器件的散热。

4.本实用新型的第二导热板与机芯壳体为一体设置，通过螺栓将各个电路板固定在第二导热板的下方，同时将探测器电路板压紧在第一导热板上，使整个红外机芯结构稳固，运行不受外力影响，相对稳定。

附图说明

图1为本实用新型制冷型红外机芯的结构示意图；

图2为本实用新型制冷型红外机芯机芯壳体的结构示意图；

图3为本实用新型制冷型红外机芯单温度点TEC功耗曲线(T＝20℃)；

附图标记如下：

1-制冷型红外探测器；101-红外焦平面；102-一级TEC热电制冷器；103-外壳；2-第一导热板；3-二级TEC热电制冷器；4-探测器驱动电路板；5-图像处理电路板；6-机芯壳体；7-接口转换电路板；8-TEC驱动电路板；9-第二导热板；10-隔热材料；11-探测器电路板；12-横板；13-螺栓。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步的详细描述：

仅仅出于方便的原因，在以下的说明中，使用了特定的方向术语，是以对应的附图为参照的，并不能认为是对本实用新型的限制，当图面的定义方向发生改变时，这些词语表示的方向应当解释为相应的不同方向。

如图1至图2所示，一种制冷型红外机芯，包括机芯壳体6以及位于机芯壳体6内部的制冷型红外探测器1、探测器电路版11、第一导热板2、二级TEC热电制冷器3、第二导热板9、TEC驱动电路板8、探测器驱动电路板4、图像处理电路板5和接口转换电路板7。

其中，制冷型红外探测器1位于机芯壳体6的，焊接在探测器电路版11上，其包括红外窗口、红外焦平面101、温度传感器和一级TEC热电制冷器；制冷型红外探测器1内部的红外温控芯片和红外电源芯片分别焊接在探测器电路版11的顶层和底层，探测器电路版11用于采集温度。

第一导热板2的一侧与制冷型红外探测器1的外壳103底部相连，探测器电路版11的底端压紧在第一导热板2上，第一导热板2的另一侧通过卡槽与二级TEC热电制冷器3的冷端相连；二级TEC热电制冷器3的热端与第二导热板9的上表面相连；第二导热板9的周向与机芯壳体6一体设置(即第二导热板9构成了机芯壳体6的一部分，可将热量直接传递给机芯壳体6)；TEC驱动电路板8、探测器驱动电路板4、图像处理电路板5和接口转换电路板7自上而下间隔设置(有利于气体流动)，并通过螺栓13(该螺栓经过隔热处理，其上加装有隔热套)固定在第二导热板9和机芯壳体6底部之间，是整个机芯结构稳定。温度传感器输出的温度信号、一级TEC热电制冷器102及二级TEC热电制冷器3与TEC驱动电路板8均与TEC驱动电路板8相连。

在图像处理电路板上方设置有导热组件，该导热组件为固定在机芯壳体6上的横板12(横板12也为机芯壳体6的一部分，可将图像处理电路板5产生的热量传递给机芯壳体6，有助于散热)。为了防止二级TEC热电制冷器3热端的温度通过辐射方式影响红外焦平面101，第二导热板9和制冷型红外探测器1的外壳之间填充有隔热材料10，降低了机芯壳体6对红外探测器焦平面的温度影响。为了增大散热面积，有利于电子元器件的散热，保证机芯在要求温度条件下可靠地工作，该机芯壳体6的侧面采用散热片结构。

上述第一导热板2和第二导热板9均选用热阻低于2.5K/W的导热铜块；其中，第一导热板2的尺寸为33mm×43mm，第二导热板9的尺寸为65mm×65mm。

当制冷型红外机芯在恒定环温(比如55℃)工作时，由于探测器内以及图像处理电路板上具有高功耗电器元件存在，因此导致腔体内的热量急剧增多，腔体内的温度不断升高。集成在制冷型红外探测器1中的一级TEC热电制冷器102，将其与制冷型红外探测器1内部的红外温度传感器输出的温度信号共同接入TEC驱动电路板8回路中，实现对制冷型红外探测器1的制冷，保证制冷型红外探测器1在规定的温度下工作。同时，紧贴在探测器电路版11下的第一导热板2即第一热沉，将热量输送到二级TEC热电制冷器3，最后经第二导热板9即第二热沉，传送到制冷型红外机芯机芯壳体6上，而具有散热片结构的机芯壳体6会将热量排出到空气中，从而保证整个机芯正常的工作性能；图像处理电路板5产生的热量通过热辐射方式传到其上方的横板12，进而传导到机芯壳体6上。总体而言，制冷型红外机芯从结构设计到内腔布局，都保证其正常的工作性能。

图3为本实用新型制冷型红外机芯单温度点TEC功耗曲线(T＝20℃)，从图中可以看出，在环境温度为20℃时TEC的工作性能，不同焦平面温度对应不同探测器工作电压和电流，可以此为控制探测器提供理论依据。

上述制冷型红外机芯的制作方法，包括以下步骤：

步骤1)将机芯壳体6的侧面制作成散热片结构，机芯壳体6内部设计有第二导热板9和横板12，有利于散热，从而保证机芯在要求温度条件下可靠的工作；

步骤2)将制冷型红外探测器1置于机芯壳体6内的上端，并焊接在探测器电路板上；

步骤3)将制冷型红外探测器1的底部固定在第一导热板2一侧的中心，将第一导热板2的另一侧与二级TEC热电制冷器3的冷端相连；将二级TEC热电制冷器3的热端与和机芯壳体6一体设置的第二导热板9相连；并在第二导热板9与制冷型红外探测器1之间填充隔热材料10；

步骤4)采用螺栓13将TEC驱动电路板8、探测器驱动电路板4、图像处理电路板5和接口转换电路板7自上而下依次间隔安装在第二导热板9的下方，并使横板12位于探测器驱动电路板4和图像处理电路板5之间，即横板12恰好位于图像处理电路板5的上方，将图像处理电路板5产生的热量传递给机芯壳体6；

步骤5)将温度传感器输出的温度信号、一级TEC热电制冷器102和二级TEC热电制冷器3共同接入TEC驱动电路板8上，实现两级TEC控制策略，可选择对两级TEC采用不同的控制策略，比如，实际工况需要降低55℃，那么可选择将该需求分配给每一级TEC热电制冷器，例如控制一级TEC热电制冷器降低20℃，二级TEC热电制冷器降低35℃，以此来满足工况需要；虽然TEC自身工作也发出热量，但是在这种情况下，TEC自身带来的热量不仅较少而且还能满足降温需求；因此，对不同的降温需求可选择分配到每一级TEC热电制冷器，以此来提高制冷型红外机芯温度的稳定性和工作可靠性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。