隨著高性能制冷 CCD 成像系統(tǒng)已經(jīng)成為航天成像式探測的一個重要發(fā)展方向，熱電制冷作 為一種有效的電子設(shè)備冷卻方法廣泛用于重要部件的主動熱控。為了實現(xiàn)熱電制冷器工作電流的合 理選擇，在分析熱電制冷機理的基礎(chǔ)上，首先介紹了熱電模塊的 3 種工作模式(制冷、加熱和熱電發(fā) 電)，同時研究了熱電偶內(nèi)溫度分布的一般形式，最后，在第一類邊界條件下，針對工作電流對熱電制 冷器性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，并指出了在制冷模式下工作電流的選擇范圍，發(fā)現(xiàn)過小或過大的電 流都將降低制冷器的制冷效果，為今后熱電制冷器工作電流的選擇提供了參考依據(jù)。
一、什么是制冷 CCD
所謂制冷CCD，就是利用一定的制冷技術(shù)對CCD芯片進(jìn)行制冷，讓它在較低的溫度下進(jìn)行工作，從而有效的降低暗電流噪聲。 由于技術(shù)上的原因，目前市面上銷售的制冷CCD，絕大部分是進(jìn)口的制冷CCD,國產(chǎn)廠商中，能夠生產(chǎn)制冷CCD的并不多。
二、 工作原理
用導(dǎo)體連接兩塊不同的金屬,接通直流電,則一個接點處溫度降低，另一個接點處溫度升高。若將電源反接，則接點處的溫度相反變化。這一現(xiàn)象稱為珀耳帖效應(yīng)，又稱熱-電效應(yīng)。純金屬的熱-電效應(yīng)很小，若用一個N型半導(dǎo)體和一個P型半導(dǎo)體代替金屬，效應(yīng)就大得多。接通電源后，上接點附近產(chǎn)生電子-空穴對,內(nèi)能減小,溫度降低,向外界吸熱,稱為冷端。另一端因電子-空穴對復(fù)合，內(nèi)能增加，溫度升高，并向環(huán)境放熱，稱為熱端。一對半導(dǎo)體熱電元件所產(chǎn)生的溫差和冷量都很小，實用的半導(dǎo)體制冷器是由很多對熱電元件經(jīng)并聯(lián)、串聯(lián)組合而成，也稱熱電堆。單級熱電堆可得到大約60℃的溫差，即冷端溫度可達(dá)-10～-20℃。增加熱電堆級數(shù)即可使兩端的溫差加大。
在目前的熱電致冷器件中最常用到的半導(dǎo)體熱電材料是碲化鉍。碲化鉍的最大熱電優(yōu)值系數(shù)所出現(xiàn)的溫度在室溫，適合于大多數(shù)熱電制冷的應(yīng)用條件。工業(yè)上已經(jīng)可以通過摻雜得到p型和n型碲化鉍料錠。熱電材料的制備方法通常是區(qū)域熔化法或者粉末壓制成型法。
電致冷器結(jié)構(gòu)示意圖
從上面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖中可以知道，電偶臂材料分別采用了p型和n型碲化鉍。這種布局方式下，電流在p型和n型電偶臂里上下流動的過程中，熱流方向能始終保持不變，在n型材料中，熱流方向與電流方向相反;在P型材料中，熱流方向與電流方向相同。一個p型和一個n型電偶臂組成一對溫差電偶對，大多數(shù)熱電致冷器是由相同數(shù)量的n型和p型電偶臂所組成的。上圖的模型是由兩對p型和n型電偶臂構(gòu)成的兩對溫差電偶對，通過合理的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以組合成不同對數(shù)的半導(dǎo)體致冷器。
三、安裝方法
致冷器的安裝方法一般有三種：焊接、粘合、螺栓壓縮固定。在生產(chǎn)上具體用那一種方法安裝，要根據(jù)產(chǎn)品的要求來定，總的來說對于這三種的安裝時，首先都要用無水酒精棉，將制冷器件的兩端面擦洗干凈，儲冷板和散熱板的安裝表面應(yīng)加工，表面平面度不大于0.03mm，并清洗干凈，以下就是三種安裝的操作過程。
1、焊接
焊接的安裝方法要求制冷器件外表面必須是金屬化，儲冷板和散熱板也必須能夠上焊料(如：銅材的儲冷板或散熱板)安裝時先將儲冷板、散熱板、制冷器進(jìn)行加溫(溫度和焊料的熔點差不多)，在各安裝表面都熔上約70℃～110℃之間的低溫焊料0.1mm。然后將制冷器件的熱面和散熱板的安裝面，制冷器件的冷面和儲冷板的安裝面平行接觸并且旋轉(zhuǎn)擠壓，確保工作面的接觸良好后冷卻，該安裝方法較復(fù)雜，不易維修，一般應(yīng)用在較特殊的場合。
2、粘合
粘合的安裝方法是用一種具有導(dǎo)熱性能較好的粘合劑，均勻的涂在制冷器件、儲冷板、散熱板的安裝面上。粘合劑的厚度在0.03mm，將制冷器的冷熱面和儲冷板、散熱板的安裝面平行的擠壓，并且輕輕的來回旋轉(zhuǎn)確保各接觸面的良好接觸，通風(fēng)放置24小時自然固化。該安裝方法一般應(yīng)用在想永久的把制冷器固定在散熱板或儲冷板的地方。
3、螺柱壓縮固定
螺柱壓縮固定的安裝方法是將制冷器件、儲冷板、散熱板各安裝面均勻的涂上很薄的一層導(dǎo)熱硅脂，厚度大約在0.03mm。然后將制冷器件的熱面和散熱板的安裝面、制冷器件的冷面和儲冷板的安裝面平行接觸，并且輕輕的來回旋轉(zhuǎn)制冷器，擠壓過量的導(dǎo)熱硅脂，一定要確保各工作面的接觸良好，再用螺絲將散熱板、制冷器、儲冷板三者之間緊固，緊固時用力應(yīng)均勻，切勿過量或太輕，重了易壓壞致冷器件，輕了容易造成工作面不接觸。該安裝簡單、快速，維修方便，可靠性較高，是目前產(chǎn)品應(yīng)用中最多的一種安裝方法。
以上三種安裝方法為了能夠達(dá)到最佳的制冷效果，儲冷板和散熱板之間應(yīng)用隔熱材料填充，固定螺絲應(yīng)用隔熱墊圈，為減少冷熱交替，儲冷板和散熱板的尺寸大小取決于冷卻方法及冷卻功率大小，根據(jù)應(yīng)用情況決定。
四、 制冷 CCD特點
隨著電子元器件體積的縮小以及性能和速度的 不斷提高，芯片的能耗和發(fā)熱量也越來越大。過高的溫度將使元器件承受過量的熱膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)被破壞而失效，甚至燒毀元器件;芯片功率密度的分布不均還會產(chǎn)生所謂的局部熱點。 據(jù)統(tǒng)計，超過55%的電子設(shè)備失效是由于溫度過高引起的。隨著溫度的升高，元器件的失效率呈指數(shù)增加，在不同程 度上降低了電子設(shè)備的可靠性 。 對空間望遠(yuǎn)鏡而言，降低 CCD 等電子元器件的工作溫度有利于減小暗噪聲，提高靈敏度，保證其探測能力。 因此，有必要對電子設(shè)備的耗熱元器件以及整機或系統(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)，以便對其溫度進(jìn)行控制，從而保證電子設(shè)備或系統(tǒng)正常工作。
對于電子部件，尤其是高功率密度集成電路部件的制冷， 傳統(tǒng)的散熱技術(shù)不能滿足芯片發(fā)熱量日益增長的要求，而熱電制冷則具有諸多突出的優(yōu)點， 如：結(jié)構(gòu)簡單、無活動部件、安裝方向不受重力影響、 無噪聲、 無污染、 可靠性高、 壽命長、 啟動快、 控制靈活、成本低、功耗低等 。因此，熱電制冷技術(shù)對電子元器件來說是很好的選擇。 姬鵬先、時陽等人基于工作電壓范圍的選擇對熱電制冷器的變工況特性進(jìn)行了分析 。 在深刻分析熱電制冷機理的基礎(chǔ)上，指出了熱電模塊 (TEM) 的 3 種工作模式， 并詳細(xì)分析了熱電模塊工作在制冷模式下的電流情況。
在一些中小功率熱量傳輸，但是需要復(fù)雜控溫的熱控過程中，半導(dǎo)體致冷器可以提供很大的幫助，而且，在一些特定的情況下它是唯一的選擇。盡管沒有哪種制冷方式是萬能的，半導(dǎo)體致冷器也并不能應(yīng)用在所有的領(lǐng)域，但是與其他制冷設(shè)備相比，熱電致冷器具有很多優(yōu)勢。其中包括：
可以降溫到環(huán)境溫度以下：傳統(tǒng)的散熱器需要將溫度升高到環(huán)境溫度以上才可以使用，與其不同的是熱電致冷器具有將物體溫度降低到環(huán)境溫度以下的能力。
同一器件可以滿足升溫和降溫的要求：熱電致冷器可以通過調(diào)整加載的直流電流的方向，調(diào)整制冷或者加熱模式。應(yīng)用這一特點就不必在給定體系內(nèi)加入另外獨立的加熱或者制冷功能元件。
精確的溫度控制：由于熱電致冷器具有一個閉路溫度控制循環(huán)，它可以在0.1 ℃范圍內(nèi)精確地控制溫度。
高可靠性：由于全部為固態(tài)基構(gòu)造，熱電致冷器具有很高的可靠性。盡管某種程度上與應(yīng)用條件有關(guān)，但是典型熱電致冷器的壽命一般可以達(dá)到200,000小時以上。
電子靜音：與傳統(tǒng)的機械式制冷器件不同，熱電致冷器在工作過程中基本上不會產(chǎn)生任何電子干擾信號，它可以與敏感的電子感應(yīng)器相連接，并不會干擾其工作。另外，它在運行過程中也不會產(chǎn)生任何噪音。
可以在任意角度下工作：熱電致冷器可以在任意角度和零重力狀態(tài)下工作。
簡單方便的能源供給：熱電致冷器能夠直接使用直流電源，并且加載電源的電壓和電流能夠在很大范圍內(nèi)變化。在許多條件下，還可以使用脈沖寬度調(diào)制。
