專(zhuān)利名稱(chēng)：高效電子制冷芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高效電子制冷芯片，特別是涉及一種應(yīng)用熱電制冷原理所構(gòu)成的高效電子制冷芯片。
現(xiàn)有的半導(dǎo)體制冷芯片原理來(lái)源熱電制冷原理，熱電制冷又稱(chēng)溫差電制冷。具有熱電能量轉(zhuǎn)換特性的材料，在通過(guò)直流電時(shí)有制冷功能，故稱(chēng)熱電制冷。由于以Bi、Te等為代表的半導(dǎo)體材料有較強(qiáng)的熱電能量轉(zhuǎn)換特性，它的應(yīng)用才真正使熱電制冷實(shí)用化，為此又稱(chēng)半導(dǎo)體制冷。溫差電制冷名稱(chēng)的由來(lái)，是由于人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)了材料的溫差電動(dòng)勢(shì)之后再發(fā)現(xiàn)其反效應(yīng)，即具有制冷功能的珀?duì)栙N效應(yīng)，與溫差發(fā)電比對(duì)應(yīng)，把后者稱(chēng)為溫差電制冷。
珀?duì)栙N效應(yīng)當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí)，結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象，這是法國(guó)人珀?duì)柼钤绨l(fā)現(xiàn)的，1834年首次發(fā)表于法國(guó)《物理和化學(xué)年鑒》上，因此這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為珀?duì)柼?yīng)。
本世紀(jì)50～60年代以后，半導(dǎo)體材料在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，熱電效應(yīng)的效率得到了提高，從而使熱電制冷、制熱逐步進(jìn)入工程領(lǐng)域。但是，由于耗電量高、制冷量小和效率仍低的因素影響，半導(dǎo)體制冷僅用于宇宙航行器、核潛艇等特殊行業(yè)。因此，制冷專(zhuān)家們普遍認(rèn)為，半導(dǎo)體材料特性上不突破，效率不提高，則無(wú)法推廣應(yīng)用于商業(yè)、民用及日常生活。我國(guó)的半導(dǎo)體制冷技術(shù)水平已達(dá)到世界先進(jìn)水平。
半導(dǎo)體制冷芯片具有四大優(yōu)點(diǎn)一是無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，制冷迅速；二是體積小，制冷量可從幾毫瓦級(jí)到幾千瓦級(jí)變化，安裝、使用方便；三是制冷制熱方向、制冷制熱量、溫度等控制方便；四是是無(wú)任何環(huán)境污染的純綠色產(chǎn)品。但是，它還存在著致命的缺點(diǎn)，一是制冷效率低，二是生產(chǎn)成本較高。
本發(fā)明的目的旨在提供一種技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有半導(dǎo)體制冷芯片具有的一切優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服半導(dǎo)體制冷芯片具有的制冷效率低、生產(chǎn)成本較高的缺點(diǎn)的高效電子制冷芯片，以實(shí)現(xiàn)全面推廣應(yīng)用于商業(yè)、民用及日常生活。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這種高效電子制冷芯片由P型半導(dǎo)體元件，N型半導(dǎo)體元件，上、下傳熱導(dǎo)電銅塊，上、下絕電導(dǎo)熱板和充填滿(mǎn)于上、下絕電導(dǎo)熱板之間除銅塊和P、N半導(dǎo)體元件所占空間之外的所有剩余空間當(dāng)中的有滿(mǎn)彈性的絕熱絕電材料等組成。P、N半導(dǎo)體元件與上、下傳熱導(dǎo)電銅塊相互連接并固定在上、下絕電導(dǎo)熱板上。這樣由數(shù)對(duì)P、N半導(dǎo)體熱電偶在傳熱方面并聯(lián)，而在導(dǎo)電方面串聯(lián)就構(gòu)成了高效制冷芯片。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明其工作原理

圖1為高效電子制冷芯片結(jié)構(gòu)2為熱電制冷原理3為傳統(tǒng)溫關(guān)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量裝置4為半導(dǎo)體制冷芯片結(jié)構(gòu)5為數(shù)控供電中1-下端絕電導(dǎo)熱板2-P型半導(dǎo)體元件3-N型半導(dǎo)體元件 4-上槽鋼型銅塊5-下槽鋼型銅塊 6-上端絕電導(dǎo)熱板7-彈性絕熱絕電材料 8-上電級(jí)9-電熱絲10-銅康銅熱電偶11-被測(cè)元件 12-下電偶13-下端絕電導(dǎo)熱板 14-P型半導(dǎo)體元件15-N型半導(dǎo)體元件16-上平板型銅塊17-下平板型銅塊 18-上端絕電導(dǎo)熱板19-參數(shù)設(shè)置器 20-冷端溫度傳感器21-熱端溫度傳感器 22-比較計(jì)算器23-儲(chǔ)存器 24-數(shù)模轉(zhuǎn)換器25-調(diào)壓電源參見(jiàn)圖1、圖2，高效電子制冷芯片由P型半導(dǎo)體元件2，N型半導(dǎo)體元件3，上、下傳熱導(dǎo)電槽鋼型銅塊4、5，上、下絕電導(dǎo)熱板1、6和充填滿(mǎn)于上、下絕電導(dǎo)熱板之間除銅塊和P、N半導(dǎo)體元件所占空間之外的所有剩余空間當(dāng)中的有滿(mǎn)彈性的絕熱絕電材料7(圖2中畫(huà)出)等組成。P、N半導(dǎo)體元件2、3與上、下傳熱導(dǎo)電銅塊4、5相互連接并固定在上、下絕電導(dǎo)熱板6、1上。由圖1可見(jiàn)，由數(shù)對(duì)P、N半導(dǎo)體熱電偶在傳熱方面并聯(lián)，而在導(dǎo)電方面串聯(lián)就構(gòu)成了高效電子制冷芯片。
圖2為圖1中的一對(duì)熱電偶的剖面圖，以下以此圖分析制冷原理及工況。
根據(jù)珀?duì)栙N效應(yīng)、塞貝克效應(yīng)、焦?fàn)栃?yīng)、富里葉效應(yīng)和湯姆遜(開(kāi)耳芬爵士)的溫差電路熱力學(xué)分析，在不考慮P、N半導(dǎo)體元件與周?chē)h(huán)境進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的前提下(因P、N元件周?chē)薪^熱材料，可不考慮P、N半導(dǎo)體元件與周?chē)h(huán)境進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換)，得圖2中制冷量、消耗功率及制冷系數(shù)分別為 N=2ργI2+αI*ΔT----------------(2)]]>ϵ1=QN--------------------(3)]]>式中Q-制冷量(mw)Tc-冷端溫度(K)Th-熱端溫度(K)a-P、N半導(dǎo)體材料的溫差電動(dòng)勢(shì)(mv／K)I-流過(guò)P、N半導(dǎo)體元件的電流(A)R-P、N半導(dǎo)體元件之平均電阻值(mΩ)K-P、N半導(dǎo)體元件之平均總導(dǎo)熱(mw／K)△T=Th-Tc-熱冷端溫差(K)ρ-為P、N半導(dǎo)體材料的平均電阻率(mΩ．mm)γ-面積高度比(mm)，γ=Sh]]>S-為P、N半導(dǎo)體元件的截面積(mm2)h-為P、N半導(dǎo)體元件的高度(mm)λ-為P、N半導(dǎo)體材料平均導(dǎo)熱系數(shù)(mw／mm．K)N-消耗功率(mw)ε1-制冷系數(shù)
α、ρ、λ三個(gè)系數(shù)均與環(huán)境溫度、材料性能有關(guān)，在常溫下，常用的P、N半導(dǎo)體材料按傳統(tǒng)測(cè)試方法測(cè)得α=0．38～0．45(mv／K)，ρ=9～12(mΩ，mm)，λ=1．5～1．7(mw／mm．K)。
多年來(lái)實(shí)驗(yàn)得出，P、N半導(dǎo)體材料在常溫下按傳統(tǒng)的測(cè)量方法測(cè)量出的λ參數(shù)值較為精確，而α、ρ值是不精確的。經(jīng)分析得出其原因是傳統(tǒng)的測(cè)量方法存在著問(wèn)題。
首先討論α值，根據(jù)α的定義，即為塞貝克電動(dòng)勢(shì)，也稱(chēng)溫差電動(dòng)勢(shì)，它由體積電動(dòng)勢(shì)和接觸電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。體積電動(dòng)勢(shì)也稱(chēng)湯姆遜電動(dòng)勢(shì)，即當(dāng)導(dǎo)體兩端形成溫差時(shí)，導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)價(jià)電子從高溫端向低溫端遷移而形成靜電場(chǎng)，即形成體積電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)又稱(chēng)珀?duì)柼妱?dòng)勢(shì)，它由接觸面兩邊的導(dǎo)體價(jià)電子密度不同和電子逸出電位不同而引起的，因此，電子從一種導(dǎo)體向另一種導(dǎo)體遷移，在接觸面形成正負(fù)電荷的積累并建立起靜電場(chǎng)，從而形成一定電位差，接觸電動(dòng)勢(shì)與此電位差數(shù)值相同，方向相反，其大小與接觸材料、溫度有關(guān)，接觸電動(dòng)勢(shì)在沒(méi)電流流過(guò)時(shí)是無(wú)法測(cè)量的。事實(shí)上，許多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明接觸電動(dòng)勢(shì)還與通過(guò)接觸處的電流大小、電流密度有關(guān)，與接觸面的面積、周長(zhǎng)等有關(guān)?？蓚鹘y(tǒng)的測(cè)量方法是無(wú)法測(cè)量出此變化值的，故所測(cè)的溫差電動(dòng)勢(shì)值是不真實(shí)的。傳統(tǒng)的測(cè)量方法如圖3所示。
參見(jiàn)圖3，該測(cè)量裝置由電熱絲9、上電極8、被測(cè)元件11、下電極12、銅-康銅熱電偶10等組成。測(cè)量方法當(dāng)上電極加熱后，用毫伏表測(cè)量出元件上、下端之電位差V，再用熱電元件測(cè)量出元件上、下端溫差△T，即可得出值α，α=V／T。很顯然，因元件中無(wú)電流通過(guò)只能測(cè)到體積電動(dòng)勢(shì)，沒(méi)測(cè)出接觸電動(dòng)勢(shì)，故測(cè)出的數(shù)值不是真正的α值。
為測(cè)量出準(zhǔn)確的α值，我們利用高效電子制冷芯片的裝置進(jìn)行量。先測(cè)量出制冷芯片的總電阻R，爾后給制冷芯片加電制冷，形成一定溫差，待穩(wěn)定后同時(shí)測(cè)出電流I，電壓V，冷、熱兩端溫度Tc、Th，再用下式計(jì)算出α值 式中n-P、N半導(dǎo)體元件對(duì)數(shù)在常溫下，經(jīng)多次用此測(cè)量方法對(duì)比測(cè)量得出，當(dāng)P、N半導(dǎo)體元件斷面為正方形，電流密度合適時(shí)，α值最大，一般在600～700uv／K，高出傳統(tǒng)方法測(cè)量的60％以上。
然后討論ρ值，傳統(tǒng)ρ值的測(cè)量方法是給半導(dǎo)體元件送電流(一般為400mA左右)，再由產(chǎn)生的壓降值通過(guò)歐姆定律算出電阻值，最后計(jì)算出電阻率ρ值。顯然，這用于測(cè)一般材料電阻率的方法來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體熱電偶材料的電阻率是不科學(xué)的。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，即使沒(méi)有溫差，但半導(dǎo)體熱電偶中的接觸電動(dòng)勢(shì)將產(chǎn)生效應(yīng)，阻止電流流動(dòng)，使測(cè)量數(shù)值大于實(shí)際值，影響測(cè)量精度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，用制冷片工作，測(cè)量出不同溫差和電流、電壓值，通過(guò)(3)式解方程式得出P、N半導(dǎo)體材料的電阻率比傳統(tǒng)測(cè)量方法所測(cè)結(jié)果低10～15％。
綜合以上分析得出，P、N半導(dǎo)體熱電材料的實(shí)際溫差電動(dòng)勢(shì)大于傳統(tǒng)測(cè)量方法所測(cè)的數(shù)值，當(dāng)根據(jù)半導(dǎo)體熱電元件不同的型狀、斷面、環(huán)境溫度給定合理的電流密度，可得到很高的溫差電動(dòng)勢(shì)值；P、N半導(dǎo)體熱電材料的實(shí)際電阻率低于傳統(tǒng)測(cè)量方法所測(cè)的數(shù)值。這些可很大程度地提高制冷能力和制冷效率。
為何原來(lái)的半導(dǎo)體制冷芯片存在制冷效率低，生產(chǎn)成本較高這些致命的缺點(diǎn)呢 以下結(jié)合圖4分析其原因。
參見(jiàn)圖4，半導(dǎo)體制冷芯片由型P半導(dǎo)體元件14，N型半導(dǎo)體元件15，上、下傳熱導(dǎo)電平板鋼型銅塊16、17，和上、下絕電導(dǎo)熱板18、13等組成。P、N半導(dǎo)體元件14、15與上、下傳熱導(dǎo)電銅塊16、17相互連接并固定在上、下絕電導(dǎo)熱板18、13上。同樣是由數(shù)對(duì)P、N半導(dǎo)體熱電偶在傳熱方面并聯(lián)，而在導(dǎo)電方面串聯(lián)就構(gòu)成了半導(dǎo)體制冷芯片。
參見(jiàn)圖1、圖4，半導(dǎo)體制冷芯片與高效電子制冷芯片在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別如下一是半導(dǎo)體制冷芯片的半導(dǎo)體元件高度較高，消耗半導(dǎo)體原材料多；而高效電子制冷芯片半導(dǎo)體元件高度較小，消耗半導(dǎo)體原材料少。二是半導(dǎo)體制冷芯片的冷熱端間距較小(一般為2mm以?xún)?nèi))，而高效電子制冷芯片冷熱端間距較大(一般為6mm以上)。三是半導(dǎo)體制冷芯片的上、下絕電導(dǎo)熱板之間除銅塊和P、N半導(dǎo)體元件所占空間之外的所有剩余空間中只有空氣，而高效電子制冷芯片的上、下絕電導(dǎo)熱板之間除銅塊和P、N半導(dǎo)體元件所占空間之外的所有剩余空間當(dāng)中充填滿(mǎn)了有滿(mǎn)彈性的絕熱絕電材料。
由于以上區(qū)別，半導(dǎo)體制冷芯片存在了存在制冷效率低，生產(chǎn)成本較高這些致命的缺點(diǎn)，理由如下1、半導(dǎo)體制冷芯片消耗半導(dǎo)體原材料多，生產(chǎn)成本高，而高效電子制冷芯片在產(chǎn)生同等制冷量的條件下，半導(dǎo)體原材料的消耗量?jī)H為半導(dǎo)體制冷芯片消耗量的四分之一以下；2、半導(dǎo)體制冷芯片的結(jié)構(gòu)所致，存在著三種不利效應(yīng)，使其制冷量及制冷效率大大降低。三種不利效應(yīng)為1)空氣分子布朗運(yùn)動(dòng)(熱運(yùn)動(dòng))的影響，因冷、熱兩端之間距一般在2mm以?xún)?nèi)，在這段短的距離中，空氣分子的熱運(yùn)動(dòng)事實(shí)上是接近在冷、熱兩端之間作振蕩運(yùn)動(dòng)，在其運(yùn)動(dòng)中將熱端熱能帶至冷端形成熱能短路嚴(yán)重。
2)一般場(chǎng)合被視為二級(jí)效應(yīng)的湯姆遜效應(yīng)，在此表現(xiàn)明顯，因冷、熱兩端間距小，溫差梯度極大，使此效應(yīng)影響加劇。
3)因溫差梯度極大，幅射能的表現(xiàn)也加劇了。
以下分析高效電子制冷芯片的工況確定。
從(1)、(2)、(3)式可得出，高效電子制冷芯片的制冷、制熱系數(shù)為 式中ε1、ε2分別為制冷、制熱系數(shù)。高效電子制冷芯片的γ是一定的，當(dāng)確定了工況時(shí)，使用參數(shù)Tc(制冷時(shí))、Th(制熱時(shí))也是一定的，現(xiàn)將式中的α、ρ、λ視為常數(shù)，則只有I各△T為變量了，即制冷、制熱系數(shù)是隨電流、溫差的變化而變化的。變量△T的變化由環(huán)境決定，不能人為控制，可變量I是可人為控制的。換言之，可通過(guò)調(diào)節(jié)電流使制冷、制熱系數(shù)處于最大值。由ε1、ε2分別對(duì)電流I求導(dǎo)并令其為O，可得最佳電流值為I(ΔT)=4ρλ+16ρ2λ2+2α2ρλ(Th+Tc)αρ(Th+Tc)γ*ΔT---(7)]]>換言之，應(yīng)根據(jù)使用情況，確定溫差、電流范圍，爾后以取得最大包含體積電動(dòng)勢(shì)、接觸電動(dòng)勢(shì)在內(nèi)的溫差電動(dòng)勢(shì)為原則確定半導(dǎo)體熱電元件斷面和γ值，最后按(7)式計(jì)算設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)電流供電，以確保最高效率工況。
以上工況參數(shù)的計(jì)算，是設(shè)定P、N半導(dǎo)體材料的α、ρ、λ三參數(shù)不變的情況下得出的，實(shí)際上α、ρ、λ均隨溫度、電流等參數(shù)變化而變化的。所以其計(jì)算只能作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中基本參數(shù)確定的參考取據(jù)，如確定γ、制冷量等。實(shí)際最高效率工況最好通過(guò)實(shí)測(cè)，測(cè)出不同溫差和環(huán)境溫度下的最佳電流電壓值，并儲(chǔ)存于儲(chǔ)存器中，再利用計(jì)算機(jī)數(shù)控電路控制對(duì)電子制冷芯片的供電，這樣方可真正確保最高效率工況。
圖7給出了高效電子制冷芯片數(shù)控供電的框圖。如圖7所示，數(shù)控供電電路由參數(shù)設(shè)置器19，冷、熱端溫度傳咸器20、21，比較計(jì)算器22，儲(chǔ)存器23，數(shù)模轉(zhuǎn)換器24和調(diào)壓電源25等組成。調(diào)壓電源功能是將市電AC變?yōu)樗璧闹绷麟娨韵螂娮又评湫酒╇?，其要求是轉(zhuǎn)換效率高，電壓平穩(wěn)(因電子制冷芯片的制冷系數(shù)與電流電壓關(guān)系極大)，電壓波紋系數(shù)小于1％，改變G點(diǎn)的電位可改變輸出的直流電壓。整個(gè)電路工作原理如下由冷、熱端溫度傳咸器20、21采取溫度數(shù)據(jù)與參數(shù)設(shè)置器19人為設(shè)置的數(shù)據(jù)一并送入比較計(jì)算器22，經(jīng)比較計(jì)算后所得出溫度Tc和溫差△T兩個(gè)數(shù)據(jù)再送入儲(chǔ)存器23的地址線，此時(shí)，儲(chǔ)存器將根據(jù)地址數(shù)據(jù)取出原已存好的與地址所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電壓值供給調(diào)壓電源的G點(diǎn)，使調(diào)壓電源輸出相對(duì)應(yīng)的電壓值供給電子制冷芯片使其工作于最高效率工況點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種高效電子制冷芯片，由P型半導(dǎo)體元件，N型半導(dǎo)體元件，上、下傳熱導(dǎo)電槽鋼型銅塊，上、下絕電導(dǎo)熱板和充填滿(mǎn)于上、下絕電導(dǎo)熱板之間除銅塊和P、N半導(dǎo)體元件所占空間之外的所有剩余空間當(dāng)中的有滿(mǎn)彈性的絕熱絕電材料等組成。P、N半導(dǎo)體元件與上、下傳熱導(dǎo)電銅塊相互連接并固定在上、下絕電導(dǎo)熱板。由數(shù)對(duì)P、N半導(dǎo)體熱電偶在傳熱方面并聯(lián)，而在導(dǎo)電方面串聯(lián)就構(gòu)成了高效電子制冷芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征在于高效電子制冷芯片是由數(shù)對(duì)P、N半導(dǎo)體熱電元件在傳熱方面并聯(lián)，在導(dǎo)電方面串聯(lián)，再安裝上、下兩塊導(dǎo)熱絕電板所構(gòu)成，特別需指出的是，連接P、N半導(dǎo)體元件中使用的銅塊是槽鋼型，在電子制冷芯片內(nèi)部的上、下導(dǎo)熱絕電板之間，除被槽鋼型銅塊和P、N半導(dǎo)體元件所占有空間外的全部剩余空間內(nèi)充滿(mǎn)有彈性的絕熱絕電材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2，其特征在于高效電子制冷芯片當(dāng)中的P、N半導(dǎo)體元件，其斷面和斷面高度比是隨使用情況而確定的，以取得最大溫差電動(dòng)勢(shì)和降低元件高度為原則，以便提高制冷量和節(jié)約半導(dǎo)體材料，降低生產(chǎn)成本。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征在于高效電子制冷芯片須通過(guò)實(shí)測(cè)并儲(chǔ)存在不同環(huán)境溫度和溫差下的最高制冷制熱系數(shù)時(shí)的最佳電流電壓值，并通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)給電子熱泵控制供電，使其工作于最高效率工況。
全文摘要
一種高效電子制冷芯片,參見(jiàn)附圖,由P型半導(dǎo)體元件2,N型半導(dǎo)體元件3,上、下傳熱導(dǎo)電槽鋼型銅塊4、5,上、下絕電導(dǎo)熱板1、6和充填滿(mǎn)于上、下絕電導(dǎo)熱板之間除銅塊和P、N半導(dǎo)體元件所占空間之外的所有剩余空間當(dāng)中的有滿(mǎn)彈性的絕熱絕電材料7等組成。具有;制冷迅速,體積小,安裝、使用方便;制冷制熱控制方便;制冷效率高、制冷量大;生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛用于民用的空調(diào)、冰箱、熱水器等產(chǎn)品中。
文檔編號(hào)H01L35/28GK1293458SQ9911559
公開(kāi)日2001年5月2日 申請(qǐng)日期1999年10月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月13日
發(fā)明者曹知光, 黃耀, 郭建平, 蔣平松, 蔣陽(yáng)虎 申請(qǐng)人:曹知光, 袁荊杰, 郭建平