一种在线检测红外焦平面探测器杜瓦瓶寿命的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种在线检测红外焦平面探测器杜瓦瓶寿命的装置及方法，尤其是针对封装制冷型红外焦平面探测器杜瓦瓶在线实时抽气过程中的高真空绝热功能有效性的检测装置及方法，属于红外与真空技术领域。
背景技术
杜瓦瓶是能有效减少辐射、对流和传导传热的具有真空夹层结构的真空绝热容器。杜瓦瓶的结构形式与所封装的红外探测器芯片、配接的制冷方式、系统整机接口等紧密相关，是制冷型红外焦平面探测器不可缺少的重要组成部分，为探测器芯片提供制冷工作环境和光机电接口。解真空杜瓦瓶是真空可修复的杜瓦瓶，其真空寿命为有修理的使用寿命。而非解真空的杜瓦瓶则是真空不可修复的杜瓦瓶，为保证其真空长寿命，对产生真空(获得真空)有苛刻要求，比如零部件组装制造的真空完善性和真空卫生，以及抽气过程除气处理等。非解真空杜瓦瓶的真空寿命为无修理的有用寿命。
非解真空杜瓦瓶用于封装制冷型红外焦平面探测器，为焦平面阵列提供支撑、连接和真空绝热工况，是光机电接口的重要载体，制冷型红外焦平面探测器是由窗口、连接器、内管、外管、制冷机接口等组成的高真空绝热容器，如图1所示。红外焦平面探测器杜瓦瓶制冷机组件在工作或非工作过程中气体源逐渐释放气体，非解真空杜瓦瓶的真空度会随时间缓慢降低，导致高真空绝热效率慢慢变差退化，产生降温时间超过规定时间的故障。
封装制冷型红外焦平面探测器的杜瓦瓶真空度和真空保持(真空寿命)要求最高，实现长寿命(十年、十五年、二十年)需要设计与制造共同努力。常见的不锈钢保温杯是在高温四五百摄氏度下真空封接制造的非解真空金属杜瓦瓶，玻璃热水瓶是在高温二三百摄氏度下真空封接制造的非解真空玻璃杜瓦瓶，可见高温烘烤抽气工艺有利于获得长寿命。然而，制冷型红外焦平面探测器则不能经受超过80℃烘烤温度的抽气工艺。它的真空寿命由真空获得工艺质量特性决定，用终止真空抽气永久性的冷压封接时刻到真空失效经历的时间度量。杜瓦瓶真空度长时间维持在设计允许最低真空度的耐久性能力，一直是用户和制造商关心的急需解决的计量测试和质量与可靠性瓶颈问题。杜瓦瓶腔体必须具有优良的真空完善性和气密性，运用恰当地抽气工艺、正确使用吸气剂，才能有效的保证非解真空杜瓦瓶满足用户定制十年至二十年或更长时间真空有用寿命(免维护寿命)的要求。
目前，为检测生产所得制冷型红外焦平面探测器组件的真空度，通常采用图2的现有技术装置进行检测，该装置包括真空室、与真空室相连的若干工位接口、以及与真空室通过CF真空法兰4相连的第一BA热阴极规管2。待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1通过排气管6与工位接口相连，即可对数个待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1进行检测。
图3是上述现有技术装置的原理真空系统图，是由测量真空的第一BA热阴极规管2检测到真空度pb，但不能客观准确地反映工件②中各待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的真空度p，二者相差2～3个数量级。现有非解真空杜瓦瓶真空获得工艺过程中，并没有有效地监测仪表实时在线检测生产过程中影响真空寿命的气体源释放气体量，无法可靠地确认抽气多长时间瞬态气体源负载符合真空长寿命要求，也不知道杜瓦瓶腔体里的气体压力是否符合高真空绝热要求，仅凭经验盲目制定真空获得工艺。封离真空杜瓦瓶是通过检测反映高真空绝热能力的热负载大小判断真空度好坏，依据非解真空杜瓦瓶真空失效机理，运用加速寿命试验方法，收集获取得截尾失效数据和寿命分布信息，进行统计分析评定寿命，确认杜瓦瓶真空获得工艺符合用户定制真空有用寿命的要求。
可见，目前运用图3技术原理产生真空的真空获得设备①，不能检测出工件②中待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的真空获得关键工艺参数真空度、气体源出气速率和真空有用寿命。它的工艺过程是经历长时间抽气，由经验确定冷压封接时刻，盲目认为符合用户要求指标，即封接形成非解真空杜瓦瓶。然后，再运用可靠性工程技术开展加速寿命试验，由统计分析得到真空有用寿命。
然而，验证非解真空杜瓦瓶真空有用寿命的试验昂贵费时。有效加速寿命试验，一般需要样本(待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1)30～60个，要求失效数至少5个。试验时间的长短取决于试验中允许出现多少个故障，最小试验时间是要求的可靠性水平、施加的应力和试验加速的函数，往往需要几个月或十几个月。其次，无法知晓杜瓦瓶腔体里的真空度，只能通过天平或流量计检测单位时间液氮蒸发量，利用相变在相同温度和压力下两相间的比焓差计算热负载，间接推断杜瓦瓶的高真空绝热能力。如此反复多次，才能确认依靠经验盲目制定的真空获得工艺，是符合用户寿命要求的有效的真空获得工艺。无论是寿命或真空度都是终止抽气、封离真空后才进行的质量参数测试，因此，有必要研发一种在抽气生产过程中就能实现在线实时检测瞬态真空度和寿命的装置和方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种在线检测红外焦平面探测器杜瓦瓶寿命的装置及方法，通过在获得真空生产线上对工件进行实时在线检测关键工艺参数真空度、气体源出气速率，运用稀薄气体物理和真空技术原理，建立真空有用寿命与关键工艺参数的数学模型，在产品制造工艺过程中监视真空获得工艺质量满足用户长寿命要求。解决长期困扰用户和制造商难以明确预计真空有用寿命的瓶颈问题，达到提高产品质量与可靠性的目的。
本发明通过下列技术方案实现：一种在线检测红外焦平面探测器杜瓦瓶寿命的装置，包括真空室以及与真空室相连的若干工位接口，还包括通过测量排气管6’与一个工位接口相连的测量组件1’；所述测量组件1’的另一端设有第二BA热阴极规管2’，第二BA热阴极规管2’依次与真空计11、计算机13相连。
所述工位接口为若干个，分别通过排气管6与数个待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1相连。待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1是正处于获得真空生产线上正待抽气生产的制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件。
所述待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1包括窗口、连接器、内管、外管和制冷机接口3。
所述测量组件1’包括窗口、连接器、内管和外管，并通过内管固定件5支撑内管，第二BA热阴极规管2’与测量组件外壳通过激光焊接。测量组件1’与待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的结构组成不变，仅仅拆除制冷机接口3。
所述排气管6和测量排气管6’分别通过接口法兰15与工位接口相连。
所述工位接口上均设有截止阀16。
所述第二BA热阴极规管2’通过信号传输电缆10与真空计11相连。
所述真空计11通过RS232传输电缆12与计算机13相连。
所述真空室还通过CF真空法兰4与第一BA热阴极规管2相连。该第一BA热阴极规管2可与第二BA热阴极规管2’同时启用，共同发挥分段检测的作用。
本发明能在生产线上实时检测抽气过程中封装制冷型红外焦平面探测器的杜瓦瓶腔体里的瞬态真空度、气体源出气速率和非解真空杜瓦瓶寿命，图5是本发明原理真空系统图，测量真空的组合体③的测量值p'稍大于工件②中待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的实际值p。总体技术方案是最大限度保持组合体③的测量组件1’与工件②的待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的结构组成不变，仅仅拆除组件制冷机接口3，改造并保留内管和全部装载物，包括焦平面阵列、读出集成电路、键合引线、冷屏等。其次，最小限度引入第二BA热阴极规管2’腔体容积和表面气体产生的测量误差。组合体③必须保证与待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1具有最大限度的相似性，它的腔体容积、表面积和结构形状特征相似且可比拟。
如图4、图5所示，组合体③的测量组件1’是由待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1改造而成，仅只拆除制冷机接口3，增加内管固定件5。拆除制冷机接口3的测量组件1’与第二BA热阴极规管2’构成组合体③，测量组件1’与第二BA热阴极规管2’通过激光焊接连接为一个整体，真空空间包括第二BA热阴极规管2’的腔体9、测量组件1’的腔体8和测量排气管6’的腔体7。组合体③通过测量排气管6’与工位接口的接口法兰15连接。第二BA热阴极规管2’的测量信号通过传输电缆10连接到真空计11，被测量真空度既能在真空计11本地显示，也能通过RS232传输电缆12连接到计算机13，计算机13读取真空计11测量得到的瞬时真空度数据分析计算处理，并输出真空度、出气速率和寿命数据，其中真空度和出气速率(气体微流量)是真空物理与技术的基本物理量。真空度是直接测量收集极接收的离子流，由规管常数转换得到气体压力的间接测量，它的量值可追溯到压力国家基准，从而使准确性和一致性得到保证。间接测量的出气速率和寿命通过直接测量的真空度由数学模型计算得到。
1个组合体③和数个待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1，通过并联与真空获得设备①的多个工位接口连接，并将组合体③安装连接在最远端工位接口上。组合体③的腔体容积和表面积都大于待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1，它的气体源负载比待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的气体源负载大；当组合体③检测到符合用户真空质量特性参数要求的真空度、出气速率和寿命时，工件②中待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的真空度、出气速率和寿命优于用户要求值。抽气过程中待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1腔体里的瞬态真空度、出气速率和寿命，是通过比对法运用组合体③的第二BA热阴极规管2’测量气体压力，由数学模型和数据处理得到组合体③的瞬态真空度、出气速率和寿命。组合体③的测量值视同为待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的测量值。
本发明的另一目的还在于提供一种在线检测红外焦平面探测器杜瓦瓶寿命的方法，该方法采用上述提供的在线检测红外焦平面探测器杜瓦瓶寿命的装置，具体如下：
1)启动真空获得设备①，接通各工位接口的截止阀16进行抽气，当组合体③腔体压力小于1×10-1Pa时，运行真空计11，接通第二BA热阴极规管2’的阴极灯丝，由计算机13显示和采集真空计11测量的组合体③腔体里的瞬态真空度p(t)；
2)运用稀薄气体物理和真空技术原理，建立真空有用寿命与关键工艺参数的数学模型为：
式中：
3)按步骤2)的数学模型计算，即得到实时的出气速率和真空有用寿命。
工作原理：由于1个组合体③和数个待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1，用相同的可拆卸接口并联与真空获得设备①的接口法兰15连接，能确保组合体③与工件②中待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的抽气通道具有相同的流导。
第二BA热阴极规管阴极发射的电子被栅极加速，电子与气相中的气体分子发生碰撞使气体分子电离，产生的正离子被负偏压的收集极接收形成离子流，离子流Ic与阴极发射的电子电流Ie和气体压力p的关系由下描述：
式中：p(t)是t时刻的瞬态真空度；Ic(t)是t时刻的离子流；t是抽气时间；S是规管的灵敏度；Ir是与压力无关的残余电流。被测量的瞬态真空度p(t)由真空计11根据上式的数学模型处理转换后，直接读取。
封离真空杜瓦瓶真空失效的气体源，主要有大气通过微小漏孔进入腔体的气体、压力差抽出零部件组装配合间隙气体、真空腔体材料体内溢出和表面脱附气体，这些气体源负载使得杜瓦瓶腔体真空度下降，导致高真空绝热功能失效，致使制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件出现制冷超时故障。因此，运用稀薄气体物理和真空技术原理，建立真空有用寿命与关键工艺参数的数学模型为式(2)。
由式(2)可知，封离真空待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的真空度，一要满足高真空绝热要求，二要符合用户要求的真空有用寿命。通常将要求绝热的空间抽成10-4～10-5Pa的真空度。气体压力小于1×10-3Pa时，高真空绝热达到最大效率；气体压力大于1×10-2Pa时，高真空绝热能力变差，热负载增大真空失效。无需长时间抽气，即可满足高真空绝热效率达到最大，而要维持真空长寿命，就要长时间充分抽气，才能满足气体源出气速率的要求。当满足用户要求使用地域自然环境温度随机应力下工作或非工作过程中，不允许进行维修处理的组件真空有用寿命达到20年，则要求抽气封离前组件杜瓦瓶腔体的气体源出气速率小于5×10-16Pa·m3/s，此时组件杜瓦瓶腔体的气体压力肯定小于10-5Pa。
抽气过程中通过组合体③的第二BA热阴极规管2’测量气体压力p(t)，被测量真空度既能在真空计11本地显示，也能通过计算机13的检测控制软件读取真空计11测量得到的时间序列瞬时真空度数据，最小数据采样时间1秒。对时间序列瞬时真空度数据可视化，得到表征组合体③抽气微分方程的实测抽气曲线。按数学模型式(2)计算处理数据，并实时显示输出真空度、出气速率和真空有用寿命。
有用寿命测量链的误差传递方程为：
合成P、Q、V误差分量得真空有用寿命时间误差：
当用户要求真空有用寿命20年，真空失效的气体压力1×10-2Pa，真空封离时刻杜瓦瓶腔体的气体压力1×10-5Pa、容积3.24×10-5m3的红外焦平面探测器杜瓦组件，则要求真空封离前的气体源负载出气速率小于5×10-16Pa·m3/s。如果真空度P、气体源出气速率Q和容积V测量值存在10％的测量误差。那么20年真空有用寿命tls的测量误差为3.56year(17.8％)。
气体源出气速率误差传递方程为：
合成dt、dp、V误差分量得出气速率误差：
其中，t时刻与t-1时刻气体压力差的误差由dp＝pt-pt-1得：
合成pt、pt-1误差分量得气体压力差的误差：
这里的pt、pt-1是直接测量量，Q、dp是间接测量量；式(7)中
如果真空度测量误差10％至30％，容积测量误差10％，时间测量误差1％，出气速率的测量误差要求小于5×10-17Pa·m3/s。那么测量时间大于2h，就能满足20年真空有用寿命tls的测量误差小于3.56year(17.8％)。
本发明具备的优点及效果：
本发明提供的装置仅需使用现有待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件改造后即可得到，并能确保组合体③最大限度具有工件②中待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的气体源负载和抽气阻力；进而组合体③与待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1具有相同的气体源负载和流导，能够检测出组合体③的真空获得关键工艺参数真空度、得到抽气微分方程的实测抽气曲线，依据推导给出的寿命数学模型式(2)间接测量出气速率和真空有用寿命。
本发明建立真空有用寿命与关键工艺参数的数学模型，在产品制造工艺过程中监视真空获得工艺质量满足用户长寿命要求。具有提高待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件真空可靠性、降低生产成本的重大意义，解决长期困扰用户和制造商难以明确预计真空有用寿命的瓶颈问题和共性问题，达到提高产品质量与可靠性的目的。从无到有，提供了实时在线检测待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件真空获得关键工艺参数真空度、气体源出气速率和真空有用寿命的方法和途径。能够方便地识别符合用户定制寿命要求的最佳抽气时间，有利于优化真空获得工艺，避免过度抽气消耗时间和资源，提高生产效率和降低生产成本，也能够有效地控制真空获得工艺质量参数，提高待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件的高真空绝热能力和可靠性。不再需要进行昂贵费时的加速寿命试验，在产品组件生产线上获得真空的同时，就已经可靠地预计了产品的寿命。
本发明提供的装置及方法，其测量技术指标如下：
1)真空度测量范围6.6Pa～6.6×10-8Pa，扩展不确定度10％～30％；
2)气体源出气速率测量下限5×10-16Pa·m3/s，扩展不确定度10％；
3)真空有用寿命上限20年，扩展不确定度18％。
附图说明
图1为制冷型红外焦平面探测器的结构示意图；
图2为现有技术装置的结构示意图；
图3为现有技术装置的原理真空系统图；
图4为本发明的装置结构示意图；
图5为本发明的原理真空系统图；
图6为实施例的实测抽气曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
如图4、5所示，在线检测红外焦平面探测器杜瓦瓶寿命的装置包括真空室以及与真空室相连的若干工位接口，还包括通过测量排气管6’与一个工位接口相连的测量组件1’；所述测量组件1’的另一端设有第二BA热阴极规管2’，第二BA热阴极规管2’依次与真空计11、计算机13相连。
所述工位接口为若干个，分别通过排气管6与数个待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1相连。待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1是正处于获得真空生产线上正待抽气生产的制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件。所述待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1包括窗口、连接器、内管、外管和制冷机接口3。所述测量组件1’包括窗口、连接器、内管和外管，并通过内管固定件5支撑内管，第二BA热阴极规管2’与测量组件外壳通过激光焊接。测量组件1’与待测制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件1的结构组成不变，仅仅拆除制冷机接口3。所述排气管6和测量排气管6’分别通过接口法兰15与工位接口相连。所述工位接口上均设有截止阀16。所述第二BA热阴极规管2’通过信号传输电缆10与真空计11相连。所述真空计11通过RS232传输电缆12与计算机13相连。所述真空室还通过CF真空法兰4与第一BA热阴极规管2相连。该第一BA热阴极规管2可与第二BA热阴极规管2’同时启用，共同发挥分段检测的作用。
使用时，
1)启动真空获得设备①，接通各工位接口的截止阀16进行抽气，当组合体③腔体压力小于1×10-1Pa时，运行真空计11，接通第二BA热阴极规管2’的阴极灯丝，由计算机13显示和采集真空计11测量的组合体③腔体里的瞬态真空度p(t)；
2)运用稀薄气体物理和真空技术原理，建立真空有用寿命与关键工艺参数的数学模型为：
式中：
为了直观反映抽气过程中真空度、出气速率、真空有用寿命之间的变化规律，对时间序列瞬时真空度数据可视化，得到表征组合体③抽气微分方程的实测抽气曲线，如图6所示。
3)按步骤2)的数学模型计算，即得到实时的出气速率和真空有用寿命。
图中给出一个腔体容积2.3×10-5m3制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件的抽气实例，p(t)的采样时间1秒，p(t)-t曲线未进行数据滤波和拟合处理，就是实测值的可视化曲线。p(t)-t曲线中6个向上显著升降变化是因为在这6个时间点上进行了加热出气处理，其他较小的不显著的异常波动应该是测量仪器或真空获得设备所致。出气速率Q(t)、真空有用寿命tls(t)按式(2)数学模型和p(t)实测值数值计算而得，未经过滤波拟合处理的可视化曲线如6图所示，其中大幅度变化区间对应加热出气时间点和异常值区域。可以看出，真空抽气1.5天杜瓦腔体压力1.2×10-3Pa，出气速率3.8×10-14Pa·m3/s，预计寿命1.5year；真空抽气15天杜瓦腔体压力1.6×10-5Pa，出气速率4.1×10-16Pa·m3/s，预计寿命16.5year。
