基于热电制冷的图像传感器深度制冷技术研究

发布时间：2020-04-17 15:11

【摘要】：科研级相机在微光成像、天文观测等领域有着广泛的应用。其探测能力极限取决于总体噪声水平。深度制冷可有效抑制其热生暗电流,从而大大提高相机的信噪比。目前国外基于热电制冷的科研级相机深度制冷技术已发展成熟,而国内尚无高性能深度制冷型科研级相机产品面世,这既有相机电子学系统难度大的原因,同时也有国内长寿命真空封装及深度制冷技术不成熟的原因。在EMCCD、CCD、CMOS等图像传感器已初步实现国产化的背景下,作为科学级相机关键技术之一的深度制冷技术的自主可控已刻不容缓。首先,在所有可见光图像传感器中,以对制冷温度要求较高的EMCCD为例,通过制冷温度对其性能影响的分析,确定了需制冷到-90℃左右才能有效抑制其热生暗电流。然后对实现深度制冷的四个关键环节进行了深入研究,包括冷端高效绝热、杜瓦真空封装、热电制冷器(TEC)性能优化和热端散热,在此基础上,研制了一套基于热电制冷的制冷温度可达-90℃、理论真空寿命可达10年的深度制冷系统。冷端绝热是为了降低TEC的热负载从而获得更低的制冷温度。首先根据漏热量对制冷温度的影响,确定目标漏热量。然后对热传导、对流和辐射三种漏热途径,分别进行理论分析和数值仿真,根据漏热量中各个变量对漏热量影响的分析,进行杜瓦的绝热设计。分析表明,为有效抑制冷端漏热,杜瓦压强应0.1Pa,因此,必须对杜瓦进行真空封装。真空封装是抑制杜瓦内气体传导漏热、对流漏热的有效方法,通过对放气、泄漏、渗透的理论分析表明,总漏气量中,材料放气占比最大,泄漏和渗透占比相对较小。此外,泄漏的分析表明,要想真空保持时间达到10年,由于氩气的泄漏,杜瓦漏率也应5.9e~(-8)PaL/s,据此,选取了有效的密封措施来保障低泄漏率。最后对渗透漏气量进行了理论计算。TEC性能优化的目的是针对某一工况,设计一款性能最优的TEC。由于厂家提供的性能曲线误差大、且不提供性能计算中所必须的热电材料参数等原因,本文创新性的提出了两种提取热电材料参数的方法,并通过提取的参数计算另一款不同结构TEC性能,然后与实验进行对比,验证了所提取的参数均可有效的表征热电材料的性能。第一种基于热电效应基本公式方法提取的参数计算的制冷温度和电压的误差分别4.11%和6.80%,第二种基于数值分析方法提取的参数计算的制冷温度和电压的误差均3%。并在第二种方法提取的材料参数的基础上,利用遗传算法优化并定制了一款五级TEC。热端有效散热是保障TEC能进行深度制冷的另一个重要因素。本文针对不同的应用需求,采用风冷+水冷两种散热模式,分别计算分析了两种模式下对散热热阻的要求,并依此设计了一款风冷+水冷一体式散热器,并对该散热器两种模式下的热阻进行了理论分析。课题最后对杜瓦的真空封装性能进行了初步实验验证,包括各个密封处的漏率测试,器件的放气率测试,同时对吸气剂维持杜瓦真空可行性进行了验证。然后对制冷系统进行了最后的组装,并对其性能进行了测试,包括制冷温度和热端散热能力的测试。该系统是一套通用性制冷系统,可适用于发热量小于1W的图像传感器的深度制冷。
【图文】：

遍接近-100℃，这主要取决于噪声水平与制冷温度的关系。相对于其他类型图像传感器，EMCCD 经过倍增增益可有效抑制读出噪声，其暗电流噪声水平直接决定了EMCCD 相机的探测能力，在所有的可见光图像传感器中，，EMCCD 对制冷温度的要求最高，下面以 EMCCD 为例，通过制冷对其性能影响的分析，从而得出对制冷温度的要求。与传统 CCD 相比，EMCCD 在对信号读出之前增加了电子倍增寄存器，如图1.1 所示。它利用高时钟电压将成像区形成的电子与原子进行碰撞电离从而放大有效信号，而读出噪声却未发生变化，该倍增机制极大的提高了其灵敏度。

图 1. 2 倍增增益对成像质量的影响Figure1.2 Effect of multiplication gain on imaging quality图 1. 3 制冷温度对成像质量的影响Figure1.3 Effect of cooling temperature on imaging quality
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB657;TP212

【参考文献】

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1 Zhigang Chen;Guang Han;Lei Yang;Lina Cheng;Jin Zou;;Nanostructured thermoelectric materials:Current research and future challenge[J];Progress in Natural Science:Materials International;2012年06期

本文编号：2631008