火星礦物光譜分析儀（MMS）是我國開展首次火星探測任務配置的科學載荷之一，安裝于火星探測環繞器內，在運動中對火星表面目標進行光譜遙感探測。512×320元短波紅外焦平面制冷組件是火星礦物光譜分析儀的重要件，用于高光譜成像。儀器突破了紅外背景抑制、高效分光組件、器上組合定標等關鍵技術，集輕小型、低功耗、高性能于一身，以期實現探的更“精”、測的更“準”的科學探測目標。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所和中國科學院大學組成的科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“天問一號礦物光譜儀短波紅外焦平面制冷組件”為主題的文章。該文章第一作者為曾智江副研究員，主要從事紅外探測器封裝與集成技術的研究工作；通訊作者為李雪研究員，主要從事航天遙感用紅外光電探測器的基礎研究和組件技術的研究工作。

本文分析了火星礦物光譜儀512×320元紅外探測器制冷組件特點，重點闡述了紅外焦平面探測器、集成式杜瓦組件、制冷機等研制和技術難點。紅外組件成功應用在“天問一號”火星探測器上，為我國下一步深空探測的紅外組件發展提供了一定的參考。

短波紅外焦平面制冷組件總體技術

由于火星探測任務的載荷數量多，將火星探測器運至地球逃逸軌道需要大推力火箭，因而火星礦物光譜儀有效載荷需要盡量的輕巧、集成化程度高，故火星礦物光譜儀的紅外探測器制冷組件需要設計成小尺寸、輕質、小功耗(Low SWaP)的集成組件。火星礦物光譜儀的短波紅外（SWIR）集成式探測器杜瓦制冷機組件（IDDCA）總體技術要求如表1所示。

表1 火星礦物光譜儀集成式探測器杜瓦制冷機組件總體技術

集成式探測器杜瓦制冷機組件特點

短波紅外探測器設計

火星礦物光譜分析儀用512×320元短波紅外焦平面探測器技術方案為：紅外焦平面芯片由碲鎘汞外延材料通過n-on-p平面結工藝制備；采用CTIA輸入級讀出電路；以銦柱直接倒焊互連方式構成512×320元紅外焦平面器件。采用開窗模式對512×320元紅外焦平面器件的探測信號進行積分、存儲、轉換和輸出，電路工作模式采用幀積分工作方式。表2為火星礦物光譜儀系統光學主要參數。

表2 火星礦物光譜儀系統光學主要參數

根據光學系統要求，可以得出杜瓦內探測器的輸入光子能量。依此短波紅外焦平面總體設計，如波長為3.4 μm時，其總噪聲與1.595 μm波段相同，其量子效率QE取0.3（該波段下量子效率指標要求不小于30%），根據入射光子數則可推算信噪比。火星光譜儀512×320元短波紅外探測器的研制結果如表3所示，組件信噪比與設計指標相吻合。

表3 火星光譜儀短波紅外探測器技術參數

圖1為火星光譜儀512×320元短波紅外探測器實物照片。

圖1 火星光譜儀512×320元短波紅外探測器

集成式紅外組件杜瓦

火星礦物光譜儀的集成式杜瓦是紅外探測器工作的必要保護屏障和光電性能傳輸的有效裝置，為其提供真空、低溫環境，同時實現探測器與整機光學系統的后光路耦合匹配。在杜瓦冷平臺上安裝焦平面探測器、濾光片支撐、濾光片、冷光闌等。杜瓦冷平臺的力學支撐采用高強度單點冷指結構，同時采用抗徑向沖擊的斜支撐結構設計，具體如圖2所示。火星礦物光譜儀紅外杜瓦組件的設計特點體現三個方面：1）輕量化抗沖擊集成式封裝結構設計；2）組件內分光設計；3）異形冷平臺設計。

圖2 512×320短波紅外探測器杜瓦組件結構設計圖

為了確保火星礦物探測的特定要求，即需滿足14 grms（20~2000 Hz）量級隨機振動、1400 g量級機械沖擊的結構設計。對冷平臺減重、冷屏輕量化設計，提高抗沖擊能力，有效降低冷指負載，以提高組件環境力學后的可靠裕度。杜瓦內冷指頂部的零部件及其質量如表4所示。

表4 杜瓦內冷指頂部的零部件及其質量

冷平臺未進行拓撲優化前，其質量為10.74 g，優化后為6.92 g；冷屏采用電鑄工藝成型，其厚度為0.1 mm，質量比機加工冷屏（約2.57 g）減輕一半。

為了確保杜瓦內冷屏進行有效分光，且減小分光時濾光片支架的遮擋，確保集成化和微型化封裝要求，采用單片三波段的集成化分波段鍍膜的全新設計。具體設計要求如圖3所示（尺寸單位：mm），濾光片鍍膜區域A、B、C波段具體的通光范圍見表1。

圖3 濾光片分區設計要求

由于光譜儀探測目標信號較弱，需要較長的積分時間獲取目標信息。火星礦物光譜儀的紅外探測器積分時間典型值為40 ms，如果在圓形平面冷平臺上直接膠結紅外探測器，則容易在40 ms長積分時間時產生圓形狀噪聲斑，實際熱噪聲分布如圖4所示。

圖4 集成式探測器杜瓦制冷機組件在40 ms積分時間下噪聲分布圖

考慮到天問一號衛星環繞器和著陸器在火星軌道分離，探測器組件需要承受1400 g的沖擊，因而探測器耦合支撐的冷平臺需進行輕量化和集成化設計。圖5為探測器安裝的冷平臺結構設計圖，中心區域采用應力隔離設計，有效消除制冷機周期性運動對探測器產生的熱噪聲。測量不同型號集成式制冷機形成熱噪聲斑直徑，其大小約為冷指直徑的0.83倍左右，且降低制冷機充氣壓力，噪聲強度減弱，熱噪聲形成應該與冷平臺受到的氣缸內氣體膨脹周期性壓力相關。

圖5 噪聲隔離冷平臺結構示意圖

圖6為探測器粘接在新型冷平臺上的噪聲情況。冷平臺通過釬焊與冷指密封連接，確保力學強度和可靠性。

圖6 噪聲隔離設計結構的40 ms積分時間的探測器噪聲分布圖

集成制冷組件

集成組件的制冷機采用整體式斯特林制冷機結構布局，旋轉電機同時驅動一個壓縮機和一個膨脹機，控制電路采用獨立厚膜電路，電機、膨脹機、壓縮機之間成正交位分布。制冷工質穿過壓縮機與膨脹機之間的聯通管道，在壓縮機和膨脹機工作空間中交替壓縮膨脹實現制冷。制冷工質選用高純氦氣。該制冷機主要由制冷機本體、電機、厚膜控制電路組成。制冷機根據航天應用要求進行優化設計，同時采用了特制的厚膜電路進行制冷控制。制冷組件結構如圖7所示。

圖7 火星礦物光譜儀集成式探測器杜瓦制冷機組件結構示意圖

為適用空間應用的抗輻照需求，對制冷機控制電路進行特殊設計，電路采用多層厚膜工藝，金屬全密雙列直插封裝方式，組裝密度高、體積小、可靠性高。最終研制的厚膜電路的尺寸（不含法蘭）為48 mm×45 mm×7 mm，質量為56 g。

紅外制冷組件產品及性能指標

通過上述各關鍵組部件的研制，成功獲得了性能良好紅外焦平面制冷組件，其主要性能參數見表5。

表5 短波集成式探測器杜瓦制冷機組件技術指標

按照火星探測任務的環境試驗要求，紅外焦平面探測器制冷組件完成了高低溫存儲、高低溫循環及熱真空等熱學試驗，完成了鑒定級正弦振動、隨機振動、機械沖擊及加速度等環境力學試驗，試驗結果表明探測器性能工作正常，杜瓦制冷組件性能正常。圖8為紅外制冷組件實物照片。

從表5可以看出，制冷機在常溫常壓下開機，到達90 K設定溫度的制冷時間為12 min，同時還對比了不同充氣壓力的制冷時間，從圖9所示的降溫曲線中可以看出，充氣壓力為42 bar、32 bar、25 bar、20 bar時，從制冷啟動到開始穩定控溫時間分別為12 min、15 min、18.5 min、24 min。

圖9 集成式探測器杜瓦制冷機組件不同充氣壓力下降溫時間曲線

圖10為火星礦物光譜儀用紅外探測器制冷杜瓦組件的光譜測試曲線和在光譜儀內紅外成像照片。圖像中提取天空、建筑物表面、植被的光譜曲線，其中，1.0~2.0 μm光譜分辨率10.30 nm，2.0~3.4 μm光譜分辨率12.90 nm。

結論

集成式紅外探測器制冷組件的結構緊湊、體積小、質量輕、功耗小，在深空探測、星際探測的航天應用中具有較大優勢，其航天用組件工程研制應用具有重要意義。著重分析了高靈敏度、高信噪比的面陣探測器，長積分時間下抗噪聲干擾的杜瓦結構，集成化長壽命整體式微型制冷等關鍵技術的設計與實現，并完成了一系列力學、熱學的環境適應性驗證。隨著“天問一號”順利發射升空并到達火星軌道，該研究為后續深空紅外光譜探測的組件研制提供了一定的參考。

這項研究獲得國家自然科學基金項目（11427901）的資助和支持。

編輯：黃飛

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