摘要：低温应用的大功率器件需要设计高冷却效率的液冷室结构。采用计算流体动力学(CFD)方法模拟了以液氮-氮气两相流为制冷剂的空腔结构、微通道结构和扰流柱结构的流动与传热过程。结果表明,相比于空腔结构和微槽道结构,扰流柱结构具有较好的换热能力。圆形扰流柱易发展45°方向支流,而方形扰流柱结构有利于垂直方向流速均匀化。相较于平行排布,扰流柱交错排列时圆形和方形扰流柱结构中流速分布更为均匀。对比对流换热系数发现,交错排布优于平行排布,方形扰流柱优于圆形扰流柱。换热效果最好的结构为交错排布的2 mm方形扰流柱,对流换热系数为4223 W/(m^(2)·K),较空腔结构提高125.83%。采用上述结构进行测试验证,在107.6 W加热功率工况下冷头测温点温度与相同功率下仿真结果有较好的对应性。

摘要：针对拼接型短/中波的超长线列焦平面探测器与直线脉管集成耦合的要求,分析了超长线列焦平面杜瓦封装的难点。通过对超长冷平台的温度均匀性、超长冷平台支撑结构、大体积组件杜瓦低热负载、超长线列杜瓦真空寿命等封装技术进行研究,提出了多点"S"型冷链结合导热层的三维热输出方法,设计了"桥式"两基板的超长冷平台支撑结构,解决了超长冷平台高温度均匀性、集成探测器后低应力及焦深控制、超长线列探测器杜瓦组件的环境适应性、低热负载和长真空寿命等关键技术,成功研制超长线列双波段焦平面探测器制冷组件,并通过一系列空间环境适应性试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足工程化应用的要求。

摘要：为满足拼接式超大面阵型红外探测器的空间应用需求,超大规模冷平台组件需要在低温下工作,冷平台支撑结构需要较高的刚度以满足组件的抗振动性能,又需要较高的结构热阻以降低其传导漏热。提出了对称式八杆结构作为冷平台支撑,该支撑结构采用新型的高强度、低热导率的氧化锆陶瓷材料。基于有限元软件分析了支撑结构的高度、安装倾斜角度、宽厚比和材料对于组件的模态基频、支撑结构热阻以及组件在30 g静力学载荷下的最大应力的影响,通过对比选取了其中一组参数设计了实际的测试组件,支撑的结构热阻达到了220 K/W,对组件进行了5~2 000 Hz的正弦扫频试验、总均方根为9 g RMS的XYZ三个方向的随机振动等力学环境试验,最终组件通过了空间环境适应性试验验证,组件的基频达到了560 Hz,并且测试结果与仿真结果趋势符合较好。结果表明:对称式八杆氧化锆支撑结构解决了超大面阵型红外探测器冷平台组件既需要高力学性能又需要低漏热的难题,满足工程化应用需求。

摘要：针对单光子探测盖革雪崩焦平面读出电路应用,基于全局共享延迟锁相环和2维H型时钟树网络,该文设计一款低抖动多相位时钟电路。延迟锁相环采用8相位压控延迟链、双边沿触发型鉴相器和启动-复位模块,引入差分电荷泵结构,减小充放电流失配,降低时钟抖动。采用H时钟树结构,减小大规模电路芯片传输路径不对称引起的相位差异,确保多路分相时钟等延迟到达像素单元。采用0.18 mm CMOS工艺流片,测试结果表明,延迟锁相环锁定频率范围150~400 MHz。锁定范围内,相位噪声低于–127 dBc/Hz@1 MHz,时钟RMS抖动低于2.5 ps,静态相位误差低于65 ps。

摘要：目前红外探测器采用传统读出方法很难通过一次积分实现其本身的动态范围。为实现红外探测器的大动态范围不换档读出,引入脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)结构,同时为保证弱信号时的注入效率,结合CTIA输入级,对红外探测器不换档大动态范围读出方法进行研究。提出一种CTIA输入级脉冲频率调制(PFM)读出方法,在系统级层面搭建实验系统并结合短波红外InGaAs单元探测器进行数字量化实验。详细分析了强信号时由系统结构延迟时间引起的转换线性度问题,并建立非理想条件下的数字量化转换模型。实验结果显示,提出的CTIA输入级PFM红外探测器读出方法动态范围达到97 dB,为红外探测器不换档大动态范围读出提供了一种可行方案,并为数字化读出电路设计奠定理论基础。

摘要：为提高动态范围,提出一种针对InGaAs焦平面电容负反馈放大型输入级的残差时间计数型两步式脉冲频率调制数字读出电路。建立了电容负反馈放大型输入级的脉冲频率调制数字化理论转换模型,分析了积分电容残余电荷和复位遗失电荷引起的转换误差和线性度问题。基于0.18μm CMOS工艺设计了线列光谱组件用双积分电容残差时间计数型两步式脉冲频率调制数字化结构,改善了转换误差和线性度,实现了16位粗略转换与最大16位精细转换的融合,为短波红外光谱组件的野外复杂场景应用提供了一种大动态范围的数字读出方案。

摘要：单光子探测在量子信息、生物医学、激光雷达成像等领域具有重要应用前景,InGaAs盖革雪崩焦平面具有单光子探测灵敏度,通过计量光子飞行时间实现距离探测,时间数字转换精度决定整个探测系统的测距精度,是近年来单光子探测领域的研究热点。设计了一款64×64面阵型像素级高分辨低误码时间数字转换阵列电路(Time to Digital Converter,TDC),采用局部共享型高中低三段式异步周期TDC结构。低段位TDC全阵列共享,基于压控延迟链(Voltage Control Delay Line,VCDL)分相时钟实现亚纳秒计时;中高段位每个像素独享,中段位采用分频计数器降低时钟频率,降低阵列整体功耗,高段位采用线性反馈移位寄存器实扩展计时量程并实现计时、数据存储、输出一体化。采用延迟采样方案显著降低了因段间计数时钟不匹配导致的数据锁存误码问题。采用0.18μm CMOS工艺流片,实测250 MHz参考时钟频率下分辨率0.5 ns,积分非线性-0.4~0.6 LSB,微分非线性-0.4~0.4 LSB,TDC转换单调,有效量程位数13位,20 kHz帧频功耗380.5 mW。

摘要：提出了一种适用于短波红外铟镓砷线性焦平面的数字化输出研究.针对实验室自主研制出的短波红外256×1铟镓砷焦平面,结合SAR ADC的基本原理,以高分辨率、低功耗、小面积为设计原则,设计一款逐次逼近(SAR)模数转换器.ADC采用0.18μm CMOS工艺流片,采用3.3 V电压供电,采样率235 KS/s,功耗460μW,信噪比66.6 dB.将ADC芯片与256×1铟镓砷焦平面在变积分时间条件下进行耦合测试.结果表明ADC芯片可以满足短波红外线列256×1铟镓砷焦平面的应用需求.

摘要：红外焦平面探测器正朝着更大规模、高帧频、高集成度的方向发展。在高速目标跟踪探测、感兴趣区域成像等应用场景,需要解决高速读出时面临的功耗较高的难点。文中提出了一种数字IC的可编程开窗IP核设计,并通过采用列级分时选通技术,实现对640×512读出电路列模块的超低功耗优化。像素单元电路包含CTIA输入级、双采样保持结构和跟随输出,折衷优化了面积、噪声和增益等因素。相较于传统用门级电路定制设计实现的开窗方式,可编程开窗数字IP核对于不同面阵规格具有良好的可扩展性,并且可以借助后端软件综合优化版图布局,从而缩短设计周期。实际研制中采用0.18μm标准CMOS工艺完成了中心距15μm的640×512读出电路设计及流片验证,并与640×512元短波红外InGaAs探测器芯片进行了耦合测试,结果表明分时选通技术有效降低了列级电路功耗,电路读出总功耗小于80 mW,列级功耗仅为15 mW,读出速率达到15 MHz,可编程开窗IP核功能正常,可以实现指定区域的开窗功能。

摘要：对采用金属有机化学气相沉积方法生长的p-Al0.43Ga0.57N/i-Al0.43Ga0.57N/n-Al0.7Ga0.3N异质结构上制备的背照射日盲型AlGaN紫外光电探测器进行了光电性能和电容特性的研究。室温下探测器零偏压时的电流密度为0.44 nA/cm2,278 nm的峰值响应率为0.042 A/W。电容频率特性表明:器件电容随着频率的增大先迅速后缓慢地降低,但在频率高于100 kHz后又加速下降。通过器件低频下的电容计算可得,其耗尽层宽度为160 nm,低于设计的本征层厚度,说明器件的本征层没有完全耗尽。因此,未耗尽本征层的高电阻是引起100 kHz附近电容又快速下降的重要原因,由不同频率下1/C2-V曲线的变化关系及其斜率计算的杂质浓度等结果进一步证实了这一结论。