一种测量红外焦平面模块低温形变的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及红外探测器检测技术，具体是指利用特制的杜瓦窗口以激光干涉法测量红外焦平面模块在低温下热失配形变，它适用于红外焦平面器件在封装过程中的表面形貌的检测。
【背景技术】
[0002]制冷型红外探测器组件一般工作在低温状态下，其工作温度常常在100K甚至更低，由于红外探测器组件是由各种不同的材料构成，这些材料的热膨胀系数各不相同，组件在室温与工作温度之间变化时必然会产生热应力，热应力是目前影响红外探测器可靠性的主要问题之一，它能导致红外探测器的多种模式的失效，比如分层、光电性能退化、功能材料裂片等等。
[0003]因此降低功能模块的热应力是红外探测器组件封装设计的一个重要目标。在组件设计完成进入试生产阶段后，需要对热应力进行测试表征，一般通过样品的表面形变来描述碲镉汞材料所承受的热应力。
[0004]台阶仪是测量样品表面形变的常用设备，它利用探针在样品表面划过，以此获得样品表面的轮廓，对于低温下的形变测量，其测试过程一般是把样品固定在一个热容很大的热沉上，然后一起浸入液氮降温，在热沉完全冷透后置于台阶仪上测量样品表面的低温下的表面形变。但是这种方法的温度控制不够理想，且测试过程中样品表面有结霜，这些都对测试结果有较大的影响，因此需要新的测量低温形貌的方法。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种测量红外焦平面模块低温形变的装置及方法，解决了传统测试方法的测试所处的温度不稳定及表面结霜等带来的测量偏差。
[0006]本发明所采用的技术方案是:不同于传统方法以台阶仪测量扫描直接暴露于大气中的样品表面，本发明以激光干涉法获取样品表面形变信息，而测量所需的低温环境由真空杜瓦提供。典型的测试杜瓦结构如图1所示，样品粘贴于冷头上，冷头和样品均处于真空中，液氮存储于液氮腔体中，直接对冷头进行制冷。真空主要起到绝热及隔离水汽的作用，制作良好的杜瓦真空度很高，其对环境的漏热很小，也不会有水汽冷凝在样品表面。窗口材料对可见光透明，一般采用宝石材料。样品粘贴于杜瓦冷头上后，安装好窗口帽，然后抽真空，待杜瓦真空度优于IXlO-3Pa以后，在液氮腔体内注入液氮制冷降温，同时监测冷头温度，待样品降温至液氮温度以后便可以进行低温形貌的测量。
[0007]一束单色平行光依次透过标准镜、杜瓦窗口后入射到样品表面(见图1)，设光线a在样品表面反射后透出窗口再次入射到标准镜，形成光线a’，光线a’在此处与平行光束中的光束b在标准镜的表面处的反射光b’相遇，形成相干光而产生干涉条纹，不同的条纹代表平行光在遇到待测样品表面反射后光程差的不同，在样品的表面形变与光程差、干涉条纹之间形成一一映射关系，通过对干涉条纹的分析可以得到样品的表面形变，由此测量出焦平面的低温表面形变。
[0008]本方法的测量误差主要来自于杜瓦窗口厚度不均匀及窗口材料折射率的不均匀所带来的光程差的变化，因此控制测试杜瓦窗口材料的折射率的均匀性及窗口上下表面的平行度是减小测试误差的关键，一般采用宝石材料并控制其上下表面的平行度为0.5um以内。
[0009]本发明一种测量红外焦平面模块低温形变的装置包括测试杜瓦和激光干涉仪，待测样品粘贴于测试杜瓦的冷头上，所述的测试杜瓦的窗口的材料应对可见光透明，窗口两个面的平行度优于0.5um，激光干涉仪透过杜瓦窗口非接触地获取测样样品表面形变信息。
[0010]红外焦平面模块低温形变测量方法步骤如下:
[0011]I)把杜瓦放在位移平台上并与激光干涉仪的激光束对准，调整杜瓦的位置、俯仰及倾斜，使之符合杜瓦窗口垂直于激光束等干涉成像要求；
[0012]2)向杜瓦液氮腔体内缓慢注入液氮进行降温，同时监测杜瓦冷头的温度，直至杜瓦冷头温度达到80K ;
[0013]3)进行激光干涉图形采样；
[0014]4)采样完成后，进行数据处理，得到样品的表面形变。
[0015]本发明的测量方法的优点是把被测样品粘贴于真空杜瓦的冷头上，以激光干涉的方式非接触的获取样品表面形变信息，测试过程快速，样品温度可控，克服了传统测试方法的样品温度不稳定及表面结霜等固有困难。
【附图说明】
[0016]图1为杜瓦及激光干涉法测量原理示意图，图中各编号的定义按编号从小到大的次序排列一次为:
[0017]I——真空；
[0018]2——液氮；
[0019]3——冷头；
[0020]4——窗口 ；
[0021]5——干涉仪的标准镜；
[0022]6--样品；
[0023]a、b——入射光线；
[0024]a’、b’ 一一反射光线；
[0025]图2为杜瓦冷头的降温曲线；
[0026]图3为样品的表面形变。
【具体实施方式】
[0027]I测试用杜瓦窗口制备:杜瓦窗口材料为宝石片，窗口厚度d = 0.3mm，窗口的两个面的平行度Adl = 0.lum，窗口直径为30mm。
[0028]2样品准备:样品以导热油脂粘贴于测试杜瓦冷头的中心位置后，安装好杜瓦窗口，然后对杜瓦抽真空，使得杜瓦真空腔体的真空优于IE—3Pa。
[0029]3把杜瓦放在六自由度位移平台上并与ZYGO激光干涉仪的激光束对准，调整杜瓦的位置使得杜瓦窗口与标准镜直接的距离符合试验设定值250mm。
[0030]4调整位移平台的俯仰及倾斜，使之符合杜瓦窗口垂直于激光束等干涉成像要求。
[0031]5向杜瓦液氮腔体内缓慢注入液氮进行降温，同时监测杜瓦冷头的温度，直至杜瓦冷头温度达到80K(见图2)。
[0032]6进行激光干涉图形采样。
[0033]7采样完成后，激光干涉仪自带的数据处理软件自动识别干涉图形并进行数据处理，最终得到样品的表面形变(见图3)。
【主权项】
1.一种测量红外焦平面模块低温形变的装置，它包括对窗口有特殊要求的测试杜瓦和激光干涉仪，其特征在于: 待测样品(6)粘贴于测试杜瓦的冷头(3)上，所述的测试杜瓦的窗口⑷的材料应对可见光透明，窗口两个面的平行度优于0.5um，激光干涉仪透过杜瓦窗口非接触地获取测样样品表面形变信息。
2.一种基于权利要求1所述的一种测量红外焦平面模块低温形变的装置的红外焦平面模块低温形变测量方法，其特征在于包括以下步骤: 1)把杜瓦放在位移平台上并与激光干涉仪的激光束对准，调整杜瓦的位置、俯仰及倾斜，使之符合杜瓦窗口垂直于激光束等干涉成像要求； 2)向杜瓦液氮腔体内缓慢注入液氮(2)进行降温，同时监测杜瓦冷头(3)的温度，直至杜瓦冷头(3)温度达到待测温度； 3)进行激光干涉图形采样； 4)采样完成后，进行数据处理，得到样品的表面形变。
【专利摘要】本发明公开了一种测量红外焦平面模块低温形变的装置及方法，该装置包括对窗口有特殊要求的测试杜瓦和激光干涉仪。该方法是把被测样品粘贴于真空杜瓦的冷头上，以激光干涉的方式非接触的获取样品表面形变信息，该发明的优点在于测试过程快速，样品温度可控，克服了传统测试方法的样品温度不稳定及表面结霜等固有困难。
【IPC分类】G01B11-16
【公开号】CN104729420
【申请号】CN201510130251
【发明人】张海燕, 管建安, 庄馥隆, 汪洋, 陈安森, 龚海梅
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月24日