半导体制冷片原理

成果简介 半导体制冷片是利用特殊半导体材料构成的PN结产生Peltier效应制成，具有无噪声、体积小、结构简单、加热制冷切换方便、冷热转换具有可逆性等优点。化工安全组对基于半导体制冷片温控系统的影响因素进行了全面、系统分析和实验研究，设计完成了大功率、高可靠性的半导体制冷片驱动电路，并积累了半导体制冷片加热制冷切换双向温控算法的丰富经验，形成了半导体制冷片整套的研究方法和应用手段。目前，半导体制冷片的高精度温度控制系统已应用在产品中。系统组成http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/07/201607121459_600117_3112929_3.jpg图1 基于半导体制冷片的温度控制单元结构http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/07/201607121500_600118_3112929_3.png图2 高精度温度控制系统硬件组成技术指标（1）温度范围：0~120℃；（2）控温精度：±0.05℃；（3）半导体制冷片驱动电路能够最大支持20V 15A输出。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/07/201607121500_600119_3112929_3.jpg图3 0℃和120℃温度控制曲线图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/07/201607121500_600120_3112929_3.jpg图4 37.8℃温度控制过程曲线图 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/07/201607121500_600121_3112929_3.jpg图5 37.8℃稳态控制精度曲线图技术特点（1）高精度温度采集电路：创新性采用比率法和激励换向技术，系统温度分辨力达到0.001℃，检测精度达到±0.01℃。（2）大功率高可靠性的半导体制冷驱动：采用H桥电路形式实现半导体制冷片加热制冷方式的切换，解决了该类驱动电路无死区防护、功率小等问题；设计引入滤波和保护电路，大大增强了半导体制冷片的寿命及驱动电路的可靠性。（3）双向多模式温控：温控策略充分考虑半导体制冷片加热制冷输出功率差异、功率随温度变化以及系统加热制冷方式切换的随机性等因素，综合采用了单点与扫描结合、高低温分段处理、随环境温度变化动态调节等多重温控调节方式。获得研发资助情况浙江省公益项目前期应用示范情况已用于微量蒸气压测定仪产品中的温度控制，温度范围为0~120℃，控温精度为±0.05℃，驱动电路输出12V/10A。相关产品已通过批量试产，温控系统运行稳定可靠，可复制性强，实现成本低，适合于批量生产。转化应用前景半导体制冷片因加热制冷切换方便、结构简单、系统噪音小、控温精确度高以及成本低等优点，有望在科学仪器温度控制、温度发生和电气设备散热等领域获得广泛应用。特别是随着仪器仪表尤其是生命科学仪器、化学分析仪器等逐渐向高精度、小型化方向快速发展，高精度的小型温度控制系统需求越来越旺盛，因此半导体制冷片具有良好的应用前景。合作方式（1）技术转让；（2）委托开发；（3）双方联合开发。应用领域分析仪器、医疗仪器、生命科学测试仪器、家用电器等领域中高精度的恒温、匀速升降温等多模式的温度控制，以及电气装置散热等。联系人：杨遂军；联系电话：0571-86872415、0571-87676266；Email:yangsuijun1@sina.com；工贸所网址：http://itmt.cjlu.edu.cn；工贸所微信公众号：中国计量大学工贸所。中国计量大学工业与商贸计量技术研究所简介 中国计量大学是以“计量、测试、标准”为特色的院校，主要培养测试技术、仪器开发方向的专属人才。 中国计量大学工业与商贸计量技术研究所是学校为进一步推动高水平研究团队的建设而在2014年设立的两个学科特区之一，主要针对工业生产与贸易往来中关乎国计民生的计量测试问题，以新方法、技术、设备及评价为研究对象，主要研究方向为化工产品及工艺安全测试技术与仪器、零部件无损检测技术与设备、光栅信号处理与齿轮精密测量，涉及的单元技术有高精度温度检测技术、快速热电传感技术、高稳态温度场发生技术、低热惰性高压容器制备工艺、激光和电磁加热、非稳态传热反演、基于幅值分割原理的光栅信号数字细分、光栅信号短周期误差补偿、机器视觉高精度尺寸测量。研究所同时是化工产品安全测试技术及仪器浙江省工程实验室，先后承担国家重大科学仪器设备开发专项、国家公益性行业科研专项、国家自然基金、973等国家级项目，科研经费超千万。现有专职科研人员9人、工程技术人员2人、在读研究生30余人、行政与科研管理人员3人。 “应用驱动、产研融合”是研究所的标签，以应用驱动为前提，通过方法技术化、技术产品化、产品市场化，将科研成果落脚于实际应用，为经济与社会发展提供推动力，同时为研究所提供持续发展所需资金、影响力、信息等各类资源的支撑，目前研究所已拥有2家产业化公司。 更多研究所介绍请登录研究所网站itmt.cjlu.edu.cn或微信公众号。

基于半导体制冷片的高精度温度控制系统成果简介半导体制冷片是利用特殊半导体材料构成的PN结产生Peltier效应制成，具有无噪声、体积小、结构简单、加热制冷切换方便、冷热转换具有可逆性等优点。化工安全组对基于半导体制冷片温控系统的影响因素进行了全面、系统分析和实验研究，设计完成了大功率、高可靠性的半导体制冷片驱动电路，并积累了半导体制冷片加热制冷切换双向温控算法的丰富经验，形成了半导体制冷片整套的研究方法和应用手段。目前，半导体制冷片的高精度温度控制系统已应用在产品中。系统组成http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302242_595303_3112929_3.png图1 基于半导体制冷片的温度控制单元结构http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302242_595304_3112929_3.jpg图2 高精度温度控制系统硬件组成技术指标（1）温度范围：0~120℃；（2）控温精度：±0.05℃；（3）半导体制冷片驱动电路能够最大支持20V 15A输出。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302243_595305_3112929_3.jpg 图3 0℃和120℃温度控制曲线图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302243_595306_3112929_3.jpg 图4 37.8℃温度控制过程曲线图 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302243_595307_3112929_3.jpg 图5 37.8℃稳态控制精度曲线图技术特点（1）高精度温度采集电路：创新性采用比率法和激励换向技术，系统温度分辨力达到0.001℃，检测精度达到±0.01℃。（2）大功率高可靠性的半导体制冷驱动：采用H桥电路形式实现半导体制冷片加热制冷方式的切换，解决了该类驱动电路无死区防护、功率小等问题；设计引入滤波和保护电路，大大增强了半导体制冷片的寿命及驱动电路的可靠性。（3）双向多模式温控：温控策略充分考虑半导体制冷片加热制冷输出功率差异、功率随温度变化以及系统加热制冷方式切换的随机性等因素，综合采用了单点与扫描结合、高低温分段处理、随环境温度变化动态调节等多重温控调节方式。获得研发资助情况浙江省公益项目前期应用示范情况已用于微量蒸气压测定仪产品中的温度控制，温度范围为0~120℃，控温精度为±0.05℃，驱动电路输出12V/10A。相关产品已通过批量试产，温控系统运行稳定可靠，可复制性强，实现成本低，适合于批量生产。转化应用前景半导体制冷片因加热制冷切换方便、结构简单、系统噪音小、控温精确度高以及成本低等优点，有望在科学仪器温度控制、温度发生和电气设备散热等领域获得广泛应用。特别是随着仪器仪表尤其是生命科学仪器、化学分析仪器等逐渐向高精度、小型化方向快速发展，高精度的小型温度控制系统需求越来越旺盛，因此半导体制冷片具有良好的应用前景。合作方式（1）技术转让；（2）委托开发；（3）双方联合开发。应用领域分析仪器、医疗仪器、生命科学测试仪器、家用电器等领域中高精度的恒温、匀速升降温等多模式的温度控制，以及电气装置散热等。联系人：杨遂军；联系电话：0571- 86872415、0571-87676266；Email: yangsuijun1@sina.com。微信公众号：中国计量大学工贸所工贸所网站：itmt.cjlu.edu.cn中国计量大学工业与商贸计量技术研究所中国计量大学是以“计量、测试、标准”为特色的院校，主要培养测试技术、仪器开发方向的专属人才。中国计量大学工业与商贸计量技术研究所是学校为进一步推动高水平研究团队的建设而在2014年设立的两个学科特区之一，主要针对工业生产与贸易往来中关乎国计民生的计量测试问题，以新方法、技术、设备及评价为研究对象，主要研究方向为化工产品及工艺安全测试技术与仪器、零部件无损检测技术与设备、光栅信号处理与齿轮精密测量，涉及的单元技术有高精度温度检测技术、快速热电传感技术、高稳态温度场发生技术、低热惰性高压容器制备工艺、激光和电磁加热、非稳态传热反演、基于幅值分割原理的光栅信号数字细分、光栅信号短周期误差补偿、机器视觉高精度尺寸测量。研究所同时是化工产品安全测试技术及仪器浙江省工程实验室，先后承担国家重大科学仪器设备开发专项、国家公益性行业科研专项、国家自然基金、973等国家级项目，科研经费超千万。现有专职科研人员9人、工程技术人员2人、在读研究生30余人、行政与科研管理人员3人。“应用驱动、产研融合”是研究所的标签，以应用驱动为前提，通过方法技术化、技术产品化、产品市场化，将科研成果落脚于实际应用，为经济与社会发展提供推动力，同时为研究所提供持续发展所需资金、影响力、信息等各类资源的支撑，目前研究所已拥有2家产业化公司。

图森的半导体制冷CCD又添新成员， TCC-3.3ICE-N是一款能拍摄330万像素的半导体制冷CCD相机，有了它，你可以轻松的拍摄各种荧光、微弱发光照片。一如图森的其它科学级数字相机，TCC-3.3ICE-N给人的第一感觉是专业、美观、时尚，代表了图森产品由内到外精益求精的一贯品质。TCC-3.3ICE-N采用Peltier半导体制冷，将CCD芯片的工作温度控制在零下30摄氏度，从而获得高品质的信噪比。 1/1.8英寸的CCD芯片满足科研级用户对图像色彩还原最苛刻的出版级要求， USB2.0保证了在2048X1536像素分辨率下5帧每秒的高速传输。忘了那些昂贵的进口冷CCD数字相机吧！ [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/11/200811281805_120892_1604632_3.jpg[/img]

基于半导体制冷片的高精度温度控制系统成果简介半导体制冷片是利用特殊半导体材料构成的PN结产生Peltier效应制成，具有无噪声、体积小、结构简单、加热制冷切换方便、冷热转换具有可逆性等优点。化工安全组对基于半导体制冷片温控系统的影响因素进行了全面、系统分析和实验研究，设计完成了大功率、高可靠性的半导体制冷片驱动电路，并积累了半导体制冷片加热制冷切换双向温控算法的丰富经验，形成了半导体制冷片整套的研究方法和应用手段。目前，半导体制冷片的高精度温度控制系统已应用在产品中。系统组成http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302259_595308_3112929_3.png 图1 基于半导体制冷片的温度控制单元结构http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302259_595309_3112929_3.jpg图2 高精度温度控制系统硬件组成技术指标（1）温度范围：0~120℃；（2）控温精度：±0.05℃；（3）半导体制冷片驱动电路能够最大支持20V 15A输出。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302314_595310_3112929_3.jpg 图3 0℃和120℃温度控制曲线图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302314_595311_3112929_3.jpg 图4 37.8℃温度控制过程曲线图 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/05/201605302315_595312_3112929_3.jpg 图5 37.8℃稳态控制精度曲线图技术特点（1）高精度温度采集电路：创新性采用比率法和激励换向技术，系统温度分辨力达到0.001℃，检测精度达到±0.01℃。（2）大功率高可靠性的半导体制冷驱动：采用H桥电路形式实现半导体制冷片加热制冷方式的切换，解决了该类驱动电路无死区防护、功率小等问题；设计引入滤波和保护电路，大大增强了半导体制冷片的寿命及驱动电路的可靠性。（3）双向多模式温控：温控策略充分考虑半导体制冷片加热制冷输出功率差异、功率随温度变化以及系统加热制冷方式切换的随机性等因素，综合采用了单点与扫描结合、高低温分段处理、随环境温度变化动态调节等多重温控调节方式。获得研发资助情况浙江省公益项目前期应用示范情况已用于微量蒸气压测定仪产品中的温度控制，温度范围为0~120℃，控温精度为±0.05℃，驱动电路输出12V/10A。相关产品已通过批量试产，温控系统运行稳定可靠，可复制性强，实现成本低，适合于批量生产。转化应用前景半导体制冷片因加热制冷切换方便、结构简单、系统噪音小、控温精确度高以及成本低等优点，有望在科学仪器温度控制、温度发生和电气设备散热等领域获得广泛应用。特别是随着仪器仪表尤其是生命科学仪器、化学分析仪器等逐渐向高精度、小型化方向快速发展，高精度的小型温度控制系统需求越来越旺盛，因此半导体制冷片具有良好的应用前景。合作方式（1）技术转让；（2）委托开发；（3）双方联合开发。应用领域分析仪器、医疗仪器、生命科学测试仪器、家用电器等领域中高精度的恒温、匀速升降温等多模式的温度控制，以及电气装置散热等。联系人：杨遂军；联系电话：0571- 86872415、0571-87676266；Email: yangsuijun1@sina.com。微信公众号：中国计量大学工贸所工贸所网站：itmt.cjlu.edu.cn中国计量大学工业与商贸计量技术研究所中国计量大学是以“计量、测试、标准”为特色的院校，主要培养测试技术、仪器开发方向的专属人才。中国计量大学工业与商贸计量技术研究所是学校为进一步推动高水平研究团队的建设而在2014年设立的两个学科特区之一，主要针对工业生产与贸易往来中关乎国计民生的计量测试问题，以新方法、技术、设备及评价为研究对象，主要研究方向为化工产品及工艺安全测试技术与仪器、零部件无损检测技术与设备、光栅信号处理与齿轮精密测量，涉及的单元技术有高精度温度检测技术、快速热电传感技术、高稳态温度场发生技术、低热惰性高压容器制备工艺、激光和电磁加热、非稳态传热反演、基于幅值分割原理的光栅信号数字细分、光栅信号短周期误差补偿、机器视觉高精度尺寸测量。研究所同时是化工产品安全测试技术及仪器浙江省工程实验室，先后承担国家重大科学仪器设备开发专项、国家公益性行业科研专项、国家自然基金、973等国家级项目，科研经费超千万。现有专职科研人员9人、工程技术人员2人、在读研究生30余人、行政与科研管理人员3人。“应用驱动、产研融合”是研究所的标签，以应用驱动为前提，通过方法技术化、技术产品化、产品市场化，将科研成果落脚于实际应用，为经济与社会发展提供推动力，同时为研究所提供持续发展所需资金、影响力、信息等各类资源的支撑，目前研究所已拥有2家产业化公司。

半导体致冷--珀尔帖效应(全解析)整理：nemoium1. 珀尔帖效应 图(1)是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后，A点的热量被移到B点，导致A点温度降低，B点温度升高，这就是著名的Peltier effect.http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105061047_292770_1786353_3.gif图1 对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。 1837年，俄国物理学家愣次（Lenz，1804～1865）发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比，比例系数称为“帕尔帖系数”。　　Q=л·I=a·Tc·I，其中л=a·Tc　　式中：Q——放热或吸热功率　　π——比例系数，称为珀尔帖系数　　I——工作电流　　a——温差电动势率　　Tc——冷接点温度2.半导体致冷器件结构和原理 致冷器的名称相当多，如 Peltier cooler、thermoelectric、thermoelectric cooler (简称 T.E 或 T.E.C)、thermoelectric module，另外又称为热帮浦 (heat pump)。 致冷器是由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其它金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，外观如下图2和3所示，看起来像三明治。 一个实际的TEC器件如图2http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105061052_292775_1786353_3.gif图2其内部结构如下图3http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105061047_292769_1786353_3.gif图3内部实物图如下：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105070924_292991_1786353_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105070924_292992_1786353_3.jpg 其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极(-)出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。冷热端分别由两片陶瓷片所构成，冷端要接热源。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105061047_292771_1786353_3.gif 图4http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105061056_292776_1786353_3.jpg图5http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105070925_292994_1786353_3.gif 图6一个演示flash，点击start开始。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/201105061134225660_01_0_3.swf3.应用http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105061057_292778_1786353_3.jpg、图7http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105070926_292996_1786353_3.jpg4. 应用TEC器件温度控制一个温度控制原理图如图8：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105061047_292768_1786353_3.gif图8TEC的功能实现取决于供电电流的方向，通过改变电流方向实现制热或者制冷。TEC的控制也比较简单，已经有专门的驱动IC，比如MAX1968原理图如下：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/05/201105061103_292779_1786353_3.gif 图9半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：1、 不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。2、 半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。3、 半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。4、 半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。5、 半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。6、 半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。7、 半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

[align=center][font=宋体]色谱仪器温度电子器件[/font][font='Times New Roman'] [font=Times New Roman]—— [/font][/font][font=宋体]半导体制冷器[/font][/align][align=center][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]概述[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]半导体制冷器基于特殊半导体材料的热电效应（帕尔贴效应）原理实现制冷功能，体积和重量较小、工作噪声低、无有害物质排放、制冷效果不受空间方向与重力影响、可以方便的控制切换制冷[/font][font=Times New Roman]/[/font][font=宋体]加热状态，但制冷效率较低，功耗较大、一般用于空间较小或制冷量需求较低的场合，例如电子设备中某些部件的冷却或者便携式冰箱。[/font][/font][align=center][font=宋体]简介[/font][/align][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]某些部件（如进样口或柱温箱）、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]外围设备中的某些部件（例如二次热解析的冷阱）、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱仪[/color][/url]的柱温箱、自动进样器样品架或者检测器在某些特殊分析条件中的工作温度要求低于室温，在此情况下分析仪器系统需要装备制冷功能部件，常用的有液氮制冷、液态二氧化碳制冷或者半导体制冷器。[/font][font=宋体][font=宋体]将两种不同材料的导体组成一个闭合环路时，只要两个结合点[/font][font=Times New Roman]T[/font][font=宋体]和[/font][font=Times New Roman]T[/font][/font][sub][font=宋体][font=Times New Roman]0[/font][/font][/sub][font=宋体][font=宋体]的温度不同，在该回路中就会产生电动势，此种现象称为塞贝克效应（[/font][font=Times New Roman]Seebeck effect[/font][font=宋体]，属于热电效应），回路产生的相应电动势称为热电势。塞贝克效应是可逆的，在两种不同材料导体构成的回路中提供直流电源，则在导体的两个结合点[/font][font=Times New Roman]T[/font][font=宋体]和[/font][font=Times New Roman]T[/font][/font][sub][font=宋体][font=Times New Roman]0[/font][/font][/sub][font=宋体]将[/font][font=宋体][font=宋体]会产生温差，此种效应称为帕尔贴效应（[/font][font=Times New Roman]Peltier effect[/font][font=宋体]），导体[/font][font=Times New Roman]A[/font][font=宋体]、[/font][font=Times New Roman]B[/font][font=宋体]组成的回路称为帕尔贴元件，其结构如图[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][align=center][img=,343,119]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211300837240921_8798_1604036_3.jpg!w690x239.jpg[/img][font=宋体] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]帕尔贴元件的结构[/font][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体]由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。这一效应是可逆的，如果电流方向反过来，吸热便转变成放热[/font][/font][font=宋体]。帕尔贴元件吸收或者释放的热量与电流成正比。[/font][font=宋体]帕尔贴元件[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]吸收或释放的热量[/font][/font][font=宋体]与通过帕尔贴元件的电流[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]满足[/font][/font][font=宋体]以下公式[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]：[/font][/font][align=center][font='Times New Roman']Q = ( π[/font][sub][font='Times New Roman'] [/font][/sub][sub][font=宋体][font=Times New Roman]A[/font][/font][/sub][font='Times New Roman'] [font=Times New Roman]? π[/font][/font][sub][font='Times New Roman'] [/font][/sub][sub][font=宋体][font=Times New Roman]B[/font][/font][/sub][font='Times New Roman'] ) I[/font][/align][font=宋体][font=宋体]式中[/font] [font=Times New Roman]Q - [/font][font=宋体]热量[/font][/font][font='Times New Roman']?[/font][font='Times New Roman']?[/font][font='Times New Roman']π[/font][sub][font='Times New Roman'] [/font][/sub][sub][font=宋体][font=Times New Roman]A [/font][/font][/sub][font=宋体][font=Times New Roman]- [/font][font=宋体]导体[/font][font=Times New Roman]A[/font][font=宋体]的帕尔贴系数[/font][/font][font='Times New Roman']π[/font][sub][font='Times New Roman'] [/font][/sub][sub][font=宋体][font=Times New Roman]B[/font][/font][/sub][font=宋体] [font=Times New Roman]- [/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]导体[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]B[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]的帕尔贴系数[/font][/font][font=宋体][font=宋体]金属材料由帕尔贴效应产生的温度变化较弱，一般使用特殊半导体材料制作帕尔贴元件，称为半导体制冷器，其外观如图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]所示。半导体制冷器与其他常见制冷方式相比，具有如下特点：[/font][/font][font=宋体]1、 [/font][font=宋体]无需使用制冷剂，可以连续工作、无污染、体积和重量小。[/font][font=宋体][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]、 工作时无机械振动，运行噪音低，使用寿命长，容易安装。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]、 半导体制冷器本身具有制冷和加热功能，可以用单一部件实现较宽范围温度控制。例如某些小体积的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱仪[/color][/url]柱温箱的温度控制器，使用帕尔贴元件即可实现室温附近范围的温度控制。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]4[/font][font=宋体]、半导体制冷器控制方式较为简单，可以通过调整其工作电流的大小和方向实现温度控制。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]4[/font][font=宋体]、半导体制冷器惯性较小，制冷制热速度较快。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]5[/font][font=宋体]、半导体制冷器制冷效率相对较低，功耗较大。[/font][/font][font=宋体] [/font][align=center][img=,248,131]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211300837338967_3140_1604036_3.jpg!w444x235.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]2 [/font][font=宋体]半导体制冷器外观[/font][/font][/align][font=宋体] [/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]小结[/font][/align][font=宋体]半导体制冷器的基本原理和使用注意事项。[/font]

[align=center][size=18px][color=#990000]TEC温控器：半导体制冷片新型超高精度温度程序PID控制器[/color][/size][/align][align=center][color=#666666]TEC Thermostat: A New Type of Ultra-high Precision Temperature Program PID Controller for Semiconductor Refrigerator[/color][/align][color=#990000]摘要：针对目前国内外市场上TEC温控器控温精度差、无法进行程序控温、电流换向模块体积大以及造价高的现状，本文介绍了低成本的超高精度PID控制器。24位模数采集保证了数据采集的超高精度，正反双向控制功能及其小体积大功率电流换向模块可用于半导体制冷、液体加热制冷循环器和真空压力的正反向控制，程序控制功能可实现按照设定曲线进行准确控制，可进行PID参数自整定并可存储多组PID参数。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000]一、TEC温控器国内外现状[/color][/size]半导体致冷片（Thermo Electric Cooler）是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的一种片状器件，可通过改变电流方向来实现加热和制冷，在室温附近的温度范围内可作为冷源和热源使用，是目前温度控制精度最高的一种温控器件。在采用半导体制冷片进行控温时，需配合温度传感器、控制器和驱动电源一起使用，它们的选择决定了控温效果和成本。温度传感器可根据精度要求选择热电偶和热电阻传感器，控制器也是如此，但在高精度控制和电源换向模块方面，国内外TEC温控器普遍存在以下问题：（1）目前市场上二千元人民币以下的国内外温控器，普遍特征是数据采集精度不高，大多是12位模数转换，无法充分发挥TEC的加热制冷优势，无法满足高精度温度控制要求。（2）绝大多数低价的TEC温控器基本都没有程序控制功能，只能用于定点控制，无法进行程序升温。（3）极个别厂家具有高精度24位采集精度的TEC温控器，但没有相应的配套软件，用户只能手动面板操作，复杂操作要求的计算机通讯需要用户自己编程，使用门槛较高，而且价格普遍很高。（4）目前国内外在TEC控温上的另一个严重问题是电源驱动模块。在具有加热制冷功能的高档温控器中，TEC控温是配套使用了4个固态继电器进行电流换向，如果再考虑用于固态继电器的散热组件，这使得仅一个电流换向模块往往就会占用较大体积，且同时增加成本。[size=18px][color=#990000]二、国产24位高精度可编程TEC温控器[/color][/size]为充分发挥TEC制冷片的强大功能，并解决上述TEC温控器中存在的问题，控制器的数据采集至少需要16位以上的模数转换器，而且具有编程功能。目前我们已经开发出VPC-2021系列24位高精度可编程通用性PID控制器，如图1所示。此系列PID控制器功能十分强大，配套小体积大功率的电流换向器，可以完全可以满足TEC制冷片的各种应用场合，且性价比非常高。[align=center][color=#990000][img=TEC温控器,650,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112232210356263_6759_3384_3.png!w650x338.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 国产VPC-2021系列可编程PID温度控制器[/color][/align]VPC-2021系列控制器主要性能指标如下：（1）精度：24位A/D，16位D/A。（2）多通道：独立1通道或2通道。可实现双传感器同时测量及控制。（3）多种输出参数：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可实现不同参量的同时测试、显示和控制。（4）多功能：正向、反向、正反双向控制、加热/制冷控制。（5）PID程序控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。可存储20组分组PID，支持20条程序曲线（每条50段）。（6）通讯：两线制RS485，标准MODBUSRTU 通讯协议。（7）软件：通过软件计算机可实现对控制器的操作和数据采集存储。可选各种功率大小的集成式电流换向模块，只需一个模块就可以完成控制电流的自动换向，减小体积和降低成本。[align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#000099][size=14px]摘要：针对目前TEC半导体制冷器温控装置对高精度、模块化、可编程和远程控制等方面的技术需求，本文提出了一种高性价比的解决方案。解决方案的具体内容是采用模块式结构，以24位AD和16位DA超高精度PID控制器作为基础单元，采用分立模块式电源驱动器。此解决方案可根据不同应用场景选择不同功率的电源驱动器，配合带有通讯功能的PID控制器可实现灵活的组合和应用，并配合随机软件可以方便快捷的进行可编程温度控制。[/size][size=18px][b]一、问题的提出[/b][/size][/color][size=14px] TEC半导体致冷器（Thermo Electric Cooler）是一种利用半导体材料的珀尔帖效应制成的可在-60~100℃范围实现制冷和加热功能的器件。在TEC的具体控温应用中，目前普遍采用了两种形式的温度控制装置：[/size][size=14px] （1）采用专用TEC控制芯片加外围电路的定点温控模块或温控器。这种TEC温控器的功能非常有限，无论在控制精度和加热制冷功率都比较低，而且无法满足可编程的程序自动控制，很多不具备PID参数自整定功能，但优势是价格低廉。[/size][size=14px] （2）采用具有正反作用（加热和制冷）功能的通用型PID控制器，结合电源驱动器，构成的TEC温度控制仪器。尽管这些价格昂贵的TEC控制仪器具有可编程和PID参数自整定的强大功能，但这些通用型PID控制器的AD和DA位数普遍偏低，大多为12和14位，极少有16位和24位，而且基本没有配套的计算机控制软件，很多程序控制还需要软件编写才能实施。[/size][size=14px] 目前TEC温控系统的应用十分广泛，所以对TEC温控系统普遍有以下几方面的要求：[/size][size=14px] （1）具有较高的控制精度，AD位数最好是24位，DA位数为16位，并采用双精度浮点运算和最小输出百分比可以达到0.01%。[/size][size=14px] （2）可编程程序控制功能，除了任意设定点温度控制之外，还需具备可按照设定折线和冷热周期变化进行控制的功能。[/size][size=14px] （3）模块式结构，即PID控制器与电源驱动器是分立结构。这样即可用超高精度PID控制器作为基本配置，根据不同的制冷/加热对象选配不同功率的电源驱动器，由此使得TEC温控系统的搭建更合理、便捷和高性价比。[/size][size=14px] （4）具有功能强大的随机软件，通过随机软件在计算机上实现温度变化程序设定，并对温度变化过程进行采集、显示、记录和存储。[/size][size=14px] （5）具有与上位机通讯功能，通讯采用标准协议，上位机可与之通讯并对TEC温控仪进行访问和远程控制。[/size][size=14px] 针对上述对TEC温控装置的技术要求，本文提出了一种高性价比的解决方案。解决方案的具体内容是采用模块式结构，以24位AD和16位DA超高精度PID控制器作为基础单元，采用分立模块式电源驱动器。此解决方案可根据不同应用场景选择不同功率的电源驱动器，配合PID控制器可实现灵活的组合和应用，并配合随机软件可以方便快捷的进行可编程温度控制。[/size][b][size=18px][color=#000099]二、解决方案[/color][/size][/b][size=14px] 解决方案的技术路线是采用模块式结构，即将PID控制器与电源驱动器拆分为独立结构，以超高精度PID控制器作为基础单元，电源驱动器可根据实际应用场景的功率要求进行选择。解决方案的结构如图1所示。[/size][align=center][size=14px][color=#000099][b][img=分立式TEC半导体制冷器多功能控制装置解决方案结构示意图,600,442]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211231152472194_9272_3221506_3.jpg!w690x509.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#000099][b]图1 分立式TEC半导体制冷器多功能控制装置解决方案结构示意图[/b][/color][/align][size=14px] 如图1所示，解决方案描述了一个典型TEC制冷器温度控制系统的整体结构。整体结构有三部分组成，分别是PID控制器、电源驱动器和TEC模组。此整体结构结合温度传感器和外置直流电源组成闭环控制回路，可实现TEC模组温度快速和高精度的程序控制。三部分具体描述如下：[/size][size=14px] （1）超高精度PID控制器：此PID控制器是一台具有分程控制功能的超高精度过程调节器，分程功能可实现不能区间的控制，自然可以实现TEC模组制冷/加热的分程控制。此控制器采用了24位AD和16位DA，是目前国际上精度最篙的工业用PID控制器，特别是采用了双精度浮点运算，使得最小输出百分比可以达到0.01%，这非常适用于超高精度的控制。另外此控制器具有无超调PID控制和PID参数自整定功能，并具有标准的MODBUS通讯协议。控制器自带控制软件，计算机可通过软件进行各种参数和控制程序设置，可显示和存储整个控制过程的设定、测量和输出三个参数的变化曲线。[/size][size=14px] （2）电源驱动器：电源驱动器作为TEC模组的驱动装置，可根据PID控制信号自动进行制冷和加热功能切换，具有一系列不同的功率可供选择，基本可满足任何TEC模组功率的需要。[/size][size=14px] （3）TEC模组：TEC模组是具体的制冷加热执行机构，可根据实际对象进行TEC片的串联或并联组合。TEC模组还包括风冷或水冷套件以及温度传感器，温度传感器可根据实际控制精度和响应速度要求选择热电偶、铂电阻或热敏电阻。[/size][size=14px] 总之，本文所述的解决方案极大便利了各种TEC半导体致冷器自动温度控制应用，既能保证温度控制的高精度，又能提供使用的灵活性和便捷性，关键是此解决方案具有很高的性价比。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=14px][/size]

http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/11/201011081606_258146_2142897_3.jpg用先进可靠的半导体热电技术(TEC)和液体循环冷却技术，Solid State Cooling System的制冷器具有外形小巧、性能可靠、温控精确、制冷效率高等优点，广泛应用于激光、半导体、军事和医疗等需要精确控制温度的产品和行业。相比于传统的压缩机冷却技术半导体冷却技术具有如下优势：1）可靠的无氟热电制冷技术；2）中等热载荷条件下的最优选择；3）精确温度控制，响应速度极快；4）能量利用效率高；5）无机械振动。

[size=16px][color=#339999]摘要：为解决石英晶体微量天平这类压电传感器频率温度特性全自动测量中存在的温度控制精度差和测试效率低的问题，本文在TEC半导体制冷技术基础上，提出了小尺寸、高精度和全自动程序温控的解决方案，给出了温控装置的详细结构和实现高精度温度程序控制的具体手段。解决方案在为压电传感器频率温度特性测量提供精密温控能力的同时，关键是可快速进行全过程的自动温度程序运行，由此既保证精度又提高效率。[/color][/size][size=16px][color=#339999][/color][/size][align=center][size=16px][img=TEC半导体制冷加热式微型高精度温度环境试验箱在压电传感器频率温度特性测试中的应用,550,309]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302141513442750_3958_3221506_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/size][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）作为一种超高灵敏的质量检测装置，其测量精度可达纳克级，并广泛应用于化学、物理、生物、医学和表面科学等领域中，用以进行气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度及粘弹性结构检测等。石英晶体微天平实际上是一种压电传感器，它利用了石英晶体的压电效应，将石英晶体电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的测量结果。石英晶体微天平除了具有高灵敏度高和高精度之外，最大特点是结构简单和成本低，它由一薄的石英片组成，两侧金属化，提供电接触。QCM的工作原理类似于用于时间和频率控制的晶体振荡器，但QCM表面常暴露在周围环境中，且对环境温度变化非常敏感，QCM的一个重要技术指标就是频率温度特性。在QCM的具体应用中，温度变化会严重影响QCM测量结果，因此准确测量频率温度特性是表征评价QCM的一项重要内容。但在目前的各种频率温度特性测试装置中，特别是高精度温度控制装置，还存在以下问题：[/size][size=16px] （1）在常用的-10~+70℃的温度范围内需要对QCM进行多个设定点的高精度温度控制和频率测量，而目前常用温控技术往往控制精度偏低，若提高控制精度又带来测试时间过长的问题。[/size][size=16px] （2）专门用于压电晶体频率温度特性测试的恒温装置往往体积普遍偏大，内部温度均匀性较差，同样会带来温控精度差的问题，仅能用于批量压电晶体较低精度的频率温度特性测试。[/size][size=16px] （3）尽管采用了TEC半导体制冷技术可实现QCM的高精度温度控制，实现了小型化和快速温控和频率测量，但存在的问题是多个温度点的自动化程序控制能力差，无法实现全温度区间内多个温度点的自动控制和频率测量。[/size][size=16px] 为了解决QCM这类压电传感器频率温度特性全自动测量中存在的上述问题，本文在TEC半导体制冷技术基础上，提出了高精度和全自动程序温控的解决方案，给出了温控装置的详细结构和实现高精度温度程序控制的具体手段。解决方案在为压电传感器频率温度特性测量提供精密温控能力的同时，关键是可快速进行全过程的自动温度程序运行，由此既保证精度又提高效率。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 为了进行石英精度微天平（QCM）的频率温度特性测量，需要将QCM放置在一个受控的热环境中。为了提高热环境的温度控制精度，热环境的尺寸空间较小，并采用TEC模组进行加热和制冷，整个热控装置的结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=压电传感器频率温度测量温控系统示意图,690,209]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302141516237559_7391_3221506_3.jpg!w690x209.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 石英精度微天平频率温度特性温控装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，TEC被放置在铝制均热套和散热器之间，铝制均热套作为热稳定工作的密闭腔体，为整个腔体提供均匀的温度环境。散热器直接浸泡在水浴中使得TEC的工作表面达到较低的负温度，散热器也可以直接采用水冷板，水冷板内通循环冷却水。[/size][size=16px] 另外，在频率温度特性测试过程中，TEC要提供高低温范围内温度控制，那么在高低温运行时，TEC工作表面和散热器之间存在较大差异，因此，在TEC周围布置隔热材料以减少其两侧之间的热流，从而增加TEC工作面的温度均匀性。[/size][size=16px] 铝制均热套放置在TEC工作表面的顶部，在均热套与TEC之间采用银胶以减小均热套与TEC工作表面之间的接触热阻，铝制均热套被隔热材料包裹以减少与环境的热交换。[/size][size=16px] 在铝制均热套内布置了两只电阻型温度传感器，其中一只安装在铝制均热套的侧壁上作为控温传感器，此温度信号提供给超高精度的PID控制器进行温度自动控制。另一只用来测量固定在铝制支架上的QCM组件温度。[/size][size=16px] 在图1所示的温控装置中，为满足不同尺寸和结构的TEC温控装置，采用了独立的TEC换向电源以满足不同加热功率的需要。在温控器方面，则采用了超高精度的PID控制器，可直接对TEC进行加热制冷双向控制，其中AD为24位，DA为16位，最小输出百分比为0.01%，PID参数自整定，可编程程序控制，由此可实现高精度的温度控制。[/size][size=16px] 对于图1所示结构的温控装置，在全温区范围内设定点从-10变化到+70℃，步进5℃，其温度控制可实现±12mK的温度稳定性和±15mK的设定值精度。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 上述压电传感器频率温度特性测试的温控解决方案，主要具备以下几个特点：[/size][size=16px] （1）采用了TEC半导体制冷组件，可低成本的实现压电传感器频率温度特性测试过程中的精密温度控制，并使得整个频率温度特性测试装置的体积非常小巧。[/size][size=16px] （2）整个温控结构的设计简便，但可以实现0.02℃以内的控制精度和重复性，完全能满足各种压电传感器的频率温度特性测试需要。[/size][size=16px] （3）由于采用了目前最高精度的工业级可编程PID控制器，具有24位AD、16位DA和0.01%的最小输出百分比，这是实现高精度TEC温度控制的必要条件。[/size][size=16px] （4）高精度的可编程PID控制器可按照设定程序进行全测试过程的温度自动控制，设定程序可通过随机的计算机软件进行编辑和修改，控制过程参数可自动进行显示和存储。[/size][size=16px] 总之，本文为实现高精度、简便小巧和低价格的压电传感器频率温度特性测试中的温度控制提供了切实可行的解决方案，为单个或少量压电传感器稳频特性评价提供了有效的技术途径。[/size][size=16px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：针对半导体低温工艺中制冷系统在高压防护和温度控制中存在的问题，本文将提出一种更简便有效的解决方案。解决方案的核心是在晶片托盘上并联一个流量可调旁路，使制冷剂在流入晶片托盘之前进行部分短路。即通过旁路流量的变化调节流出晶片托盘的制冷剂压力，一方面保证制冷剂低压工作状态，另一方面实现晶片温度的高精度控制。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][size=18px][color=#990000]1. 问题的提出[/color][/size][/b] 随着新一代半导体工艺技术的发展，如低温刻蚀和沉积，需要晶片达到更低的温度。更低温度的实现目前可选的技术途径一般是采用循环流体介质直接作用在晶片卡盘，而介质可以是单一制冷剂（如液氮）和混合制冷剂。目前，更具有应用前景的是使用混合制冷剂的自复叠混合工质低温制冷技术，但在半导体低温工艺的具体应用中，需要处理好以下两方面的问题： （1）当制冷系统连接到晶片托盘后，混合工质就在一个容积固定管路内循环运行。在压缩机启动初期，整个系统基本处于较高温度，系统内大部分工质为[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]，随着制冷温度的降低，除压缩机和冷凝器外的其他部件内的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]工质含量逐渐增加，当制冷温度达到最低时，系统内的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]工质含量达到最高。由于气液两相工质的比容相差较大，不同相态的工质通过节流单元的能力不同，工质间的沸点也不同，所以在制冷系统启动初期，通过节流单元的几乎全部为气态工质，压缩机的排气压力也将会很高。而在半导体工艺设备中，半导体晶片托盘及其回路部件的最大工作压力通常在1~1.4MPa范围内，那么在低温制冷过程中，冷却剂压力可能会超过晶片托盘冷却回路的最大操作压力而造成系统损坏。因此，要在晶片制冷系统中增加低温压力控制装置，避免出现高压问题，保证制冷系统在整个运行过程中制冷剂压力符合要求。 （2）晶片冷却温度是半导体低温工艺的一项重要技术参数，晶片冷却过程中的低温温度要求按照设定值进行准确控制。尽管大多数低温制冷系统都具有温度控制功能，可通过外部温度传感器、调节回路和控制器组成的闭环回路实现低温温度控制，调节回路基本都是通过调节制冷剂流量和膨胀方式，有些则通过辅助加热方式进行温度控制，但这些温控方式普遍结构复杂且控温精度不高，特别是在多个晶片同时冷却的半导体设备中这些问题更是突出。 针对上述半导体低温工艺中制冷系统在压力和温度控制中存在的问题，本文将提出一种更简便有效的解决方案。解决方案的核心是在晶片托盘上并联一个流量可调旁路，使制冷剂在流入晶片托盘之前进行部分短路。即通过旁路流量的变化调节流出晶片托盘的制冷剂压力，一方面保证制冷剂低压工作状态，另一方面实现晶片温度的高精度控制。[b][size=18px][color=#990000]2. 解决方案[/color][/size][/b] 对于半导体低温工艺中的晶片托盘进行冷却，一般所采用的技术方案是直接将自复叠混合工质制冷机与晶片托盘连接，其结构如图1所示。这种方案在温度控制时是在晶片托盘上安装温度传感器，并与控制器连接进行温度控制，但这种方案存在压力过高和温度控制不准确的问题。[align=center][color=#33ccff][size=14px][b][img=半导体晶片低温冷却实施方案示意图,400,235]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212270900279759_748_3221506_3.jpg!w690x406.jpg[/img][/b][/size][/color][/align][align=center][b][color=#990000]图1 半导体晶片低温冷却常规方案[/color][/b][/align][align=center][size=14px][b][img=半导体晶片低温冷却改进后方案,400,240]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212270900037860_9891_3221506_3.jpg!w690x414.jpg[/img][/b][/size][/align][b][/b][align=center][b][color=#990000]图2 半导体晶片低温冷却改进后方案[/color][/b][/align] 本文提出的改进方案如图2所示，为了使冷却过程中的混合工质压力始终处于安全工作范围，在图1所示的冷却管路上增加了一个短接旁路，通过一个调节阀控制此旁路中的工质流量可以降低晶片卡盘及其管路的内部压力达到安全范围。同时，此旁路调节阀具有高精度动态精密调节能力，可使晶片卡盘内部的制冷剂压力波动非常小而实现更准确的温度控制，由此可在制冷机现有温度控制能力的基础上，降低压力波动和提高温度稳定性。具体实施方案如图3所示。[align=center][size=14px][b][color=#33ccff][img=半导体晶片低温冷却实施方案示意图,690,266]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212270900506941_8802_3221506_3.jpg!w690x266.jpg[/img][/color][/b][/size][/align][align=center][b][color=#990000]图3 半导体晶片低温冷却系统压力和温度精密控制方案示意图[/color][/b][/align] 在图3所示的解决方案中，采用了以下几个控制部件： （1）气动调节阀：此气动调节阀也称之为背压阀，即通过较小的气体压力来驱动较大压力下流体介质中阀门的开度变化。通过此低温调节阀开度变化来改变旁路流量进而实现压力调节。 （2）先导阀：先导阀是一个低压气体压力调节阀，可对表压（如0.6MPa）的进气压力进行高精度减压调节，调节控制信号为模拟量（如4~20mA或0-10V），由此来驱动气动调节阀。 （3）传感器：晶片低温冷却系统包含了压力和温度传感器，以分别检测晶片冷却剂回路中的压力和晶片温度，并将检测信号传输给双通道PID控制器。压力传感器可根据实际需要布置在制冷剂管路中的不同位置，以提供合理和准确的压力监测。 （4）双通道控制器：此双通道控制器是具有两路独立控制通道且具有很高精度的PID控制器，一路通道与压力传感器和先导阀构成压力控制回路，另一通道与温度传感器和制冷机构成温度控制回路。 总之，通过这种增加旁路并进行压力精密调节的解决方案，即可满足降低制冷剂压力提供安全防护功能，又可以提高晶片温度控制精度，是一种可用于晶片低温工艺的更优化方案。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~[/align]

公司中心实验室人员到外地分公司取样，途中采用车载半导体冷热箱保藏样品。该冷热箱是前几年买的，没有数字温控功能，在最热的夏季和最冷的冬季，使用效果不满意。采购一只小型数字温控器，简单改一下冷热箱的电路接线，实现了数显温控，效果不错。下面是加装过程。[b]一、车载半导体冷热箱情况[/b]内部容积11升，可用单手拎着走。[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513142174_4788_1807987_3.jpg[/img]打开前门，内部有三格，看见后壁上有两组螺丝，用于固定两组半导体制冷片，俗称“双核”，比常见的“单核”冷热箱冷却效果要好很多，可以比环境温度低20℃左右。[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513145211_845_1807987_3.jpg[/img]冷热箱后背，有两个风扇孔，这是安装有“双核”（制冷片）的识别标志（注意有个别的厂家双散热孔是假象，实际只是“单核”，要结合安装制冷片的个数察看及向商家询问清楚）：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513145070_4225_1807987_3.jpg[/img]冷热箱的功率约75W，可以交直流供电，制冷制热手动切换：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513149015_3904_1807987_3.jpg[/img][b]二、车载半导体冷热箱拆解及电路图[/b]用改刀卸下背盖四周的六颗固定螺丝：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513152682_8708_1807987_3.jpg[/img]打开后背，内部的元件及功能见下图标示：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513152384_1881_1807987_3.jpg[/img]绘出该冷热箱电路图如下：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513156041_6974_1807987_3.jpg[/img][b]三、加装数字温控器方案[/b]1、元件采用小型12V直流数显温控器，型号XH-W3002，[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513155333_8203_1807987_3.jpg[/img]这款温控器，温控范围-50～110℃，最大电流10A，可以带动120W负荷，满足该冷热箱额定功率75W的要求：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513156632_4508_1807987_3.jpg[/img]2、加装温控器后的电路图（机器处于制冷状态）将机器内部的12V直流电源输出端（CN3）直接接到温控器电源输入端，再将温控器输出端接到控制板CN1处（注意黄线是+极），温度传感器探头置于前门箱内。[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513160035_111_1807987_3.png[/img]3、改接线路在后背上打2个温控器安装固定孔、2个输入输出电线孔：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513161227_7420_1807987_3.jpg[/img]将温控器装上：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513160665_1390_1807987_3.jpg[/img]内部电路板改接线路步骤：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513162091_1175_1807987_3.jpg[/img]考虑到不损伤内部结构和便于维修，温度传感器接线从外部走线：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513163692_5204_1807987_3.jpg[/img]温度传感器探头从前门小缺口处引入内部：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513166862_6086_1807987_3.jpg[/img]投入使用，效果良好：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513166446_2797_1807987_3.jpg[/img][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513169547_3206_1807987_3.jpg[/img][b]结束语：[/b]车载半导体冷暖箱用于外出取样工作比较实用。要注意的是，单片半导体制冷片的功率很低，当气候最热或最冷时，其恒温效果差强人意。新选购时，应购买“双核”乃至“三核”有数显温控的产品。对于单核产品，就没有必要购买及加装数显温控器了。

[size=16px][color=#ff0000]摘要：针对动态法热释电系数测试中的交变温度控制，特别是针对帕尔贴半导体制冷片正弦波温度控制中存在的稳定性差问题，本文提出了改进的解决方案。解决方案的核心是采用外部设定点技术的双向PID控制器以及外置信号发生器，此方案可很好的实现帕尔贴制冷片正弦波温度的精确控制，保证了热释电系数测量的准确性。依此方案所构成的闭环控制回路可形成独立的温控装置，也可配套集成到上位机控制的中央控制系统。[/color][/size][align=center][size=16px][img=帕尔帖半导体制冷片正弦波温度发生器,550,353]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303311156549281_3555_3221506_3.jpg!w690x444.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#ff0000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 热释电系数是表征热释电材料性能的重要参数，代表了热释电材料极化随温度的变化率。按照被测样品的加热方式，热释电系数测试主要分为动态法和静态法两种。[/size][size=16px] （1）动态法是采用调制方法使被测样品的温度发生变化，温度变化形式是正弦波。动态法所加载的变温范围较小，反应的是某一基准温度下的热释电系数。[/size][size=16px] （2）静态法是用连续加热方式使被测样品升温，通过测量热释电电荷与温度关系来求得热释电系数。静态法测量的热释电系数反映的是一个温度范围内的平均响应。[/size][size=16px] 由于动态法是在某一较窄的温度范围内测量热释电系数，所以热释电系数测试常用动态法。[/size][size=16px] 在动态法测量中，样品温度的正弦波调制一般会采用帕尔贴半导体制冷片、黑体辐射和激光等方式，但能产生正弦温度波的最佳调制方式是帕尔贴制冷片，且有温度波生成装置简单和可对较大样品进行温度调制的突出特点。[/size][size=16px] 采用帕尔贴半导体制冷片进行热释电系数测量的典型装置如图1所示[1]。[/size][align=center][size=16px][color=#ff0000][img=01.热释电系数典型测量装置结构示意图,550,306]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303311200462046_6083_3221506_3.jpg!w690x384.jpg[/img][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000][b]图1 热释电系数典型测量装置结构示意图[1][/b][/color][/size][/align][size=16px] 与黑体和激光形式的温度调试方法相比，帕尔贴制冷片的温度调制相对比较准确，理论上采用帕尔贴制冷片可以将温度准确控制在某一设定点处上下波动生产正弦温度波，但目前采用帕尔贴半导体制冷片还无法进行完美的控制来产生准确和标准的正弦温度波。[/size][size=16px] 如文献[1]中所报道的热释电系数测量装置，尽管采用了正弦波信号发生器，但信号发生器只能控制帕尔贴制冷片的驱动电流按照正弦波变化，并未真正按照正弦波控制温度变化，如图2所示，因此使得所形成的正弦温度波形很难达到稳定，这主要是装置散热所造成的影响。[/size][align=center][size=16px][img=02.帕尔贴制冷片温度调制测试波形,500,397]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303311201113772_3144_3221506_3.jpg!w604x480.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000][b]图2 帕尔贴制冷片温度调制测试波形[1][/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#ff0000][b]2. 问题分析[/b][/color][/size][size=16px] 对于帕尔贴半导体制冷片的温度控制，若要实现准确、稳定、可任意设定和调节的正弦波温度输出，需要解决以下两方面的问题：[/size][size=16px] （1）直接对温度进行控制，能按照所设定幅度和频率变化直接输出正弦形式的温度波，即控制器设定值是一个幅度随时间变化的正弦波。[/size][size=16px] （2）需要解决反馈控制问题，即能根据正弦温度波设定曲线以及反馈的温度信号自动调节加热和制冷电流，使输出的温度变化与设定曲线始终一致，由此主动消除系统中的散热以及环境温度变化带来的影响，最终使得所输出的正弦温度波始终长时间保持稳定。[/size][size=18px][color=#ff0000][b]3. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 针对上述热释电系数测试中存在的正弦波温度控制问题，特别是为了解决帕尔贴半导体制冷片输出准确和稳定的正弦温度波难题，本文提出了如图3所示的解决方案。[/size][align=center][size=16px][color=#ff0000][b][img=03.帕尔帖正弦波温度发生器结构示意图,690,248]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303311201347099_4235_3221506_3.jpg!w690x248.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000][b]图3 帕尔帖正弦波温度发生器结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 图3所示的解决方案包括以下几项技术内容：[/size][size=16px] （1）采用具有PID自动调节功能的闭环控制技术和相关仪器，能根据设定波形和测量得到的温度传感器信号进行反馈控制，同时具有PID参数自整定能力。[/size][size=16px] （2）PID自动调节技术和相关仪器采用了双通道调节和自动切换技术，以能对加热和制冷进行自动控制，实现对TEC半导体制冷器进行正反向控制。[/size][size=16px] （3）关键技术是PID调节器具备外部设定点功能，即PID调节器能接收外部任意波形信号作为设定值，使得PID调节器能始终按照随时间快速变化的设定值（如正弦波）进行控制而形成准确和稳定的正弦温度波。[/size][size=16px] （4）为配合具有外部设定点功能的PID控制器，配套了一个函数信号发生器，以外置形式为PID控制器提供和传输所需的正弦波信号。[/size][size=16px] （5）对于PID控制器和外置函数信号发生器，配套有相应的计算机软件，可通过上位机以通讯方式操作软件进行各种参数设置和运行操作。[/size][size=16px] （6）对于TEC半导体制冷片，配备的双向电源驱动器。驱动器可有不同的功率配置以满足不同加热制冷能力的TEC制冷片要求。双向电源驱动器直接与PID控制器的加热和制冷通道连接。[/size][size=18px][color=#ff0000][b]4. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本文提出的解决方案，可以彻底解决帕尔贴半导体制冷片正弦波温度输出中存在的问题，而且使用简便和门槛较低。通过外置正弦波信号发生器，无需再进行复杂的设定值程序编写，即可实现正弦温度波的准确和稳定输出。[/size][size=16px] 本解决方案中的高精度PID控制器配备了相应的计算机软件，采用了具有标准MO D B U S协议的RS485通讯，与计算机一起可以组成独立的测控系统，通过计算机运行软件可非常方便的远程运行PID控制器以及进行控制器的各种参数设置，同时还可以采集、存储和曲线形式显示PID控制器的过程参数。[/size][size=16px] 此解决方案的另外一个特点是具有很强的灵活性和拓展性，可通过外置不同传感器和信号发生器实现各种温度和压力波形的准确控制，可连接上位机直接与中央控制器进行集成。[/size][size=18px][color=#ff0000][b]5. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px][1] Fedorov K, Ivashchuk O, Karataev P, et al. Application of Thermoelectric Oscillations in a Lithium Niobate Single Crystal for Particle Generation[C]//8th International Beam Instrumentation Conference （IBIC'19）, Malm?, Sweden, 08-12 September 2019. JACOW Publishing, Geneva, Switzerland, 2019: 620-623.[/size][align=center][color=#ff0000]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align]

[size=16px][color=#339999]摘要：电化学热电池（electrochemical thermcells）作为用于低品质热源的热电转换技术，是目前可穿戴电子产品的研究热点之一，使用中要求具有一定的温差环境。电化学热电池相应的性能测试就对温度和温差形成提出很高要求，特别是要求温度控制仪器具有高控制精度、可编程控制、周期交变控制、通讯和随机软件功能。本文介绍了新型超高精度具有多功能的PID控制仪，并详细描述了电化学热电池特性测试中的温度控制系统结构。[/color][/size][align=center][size=16px][img=电化学热电池性能测试中的TEC半导体制冷片温度控制解决方案,600,379]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304171026207841_631_3221506_3.jpg!w690x436.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 温差发电在固体材料与半导体材料的发展上均比较成熟，而近年出现了一种新型的电化学热电池（electrochemical thermcells）拥有更高的塞贝克系数，同时成本较低、能够适应复杂热源表面，因而具有一定的应用前景，成为当前研究的热点方向之一。如图1所示，这种电化学热电池的基本原理是利用电化学体系中的赛贝克效应，将冷热电极之间的温差直接转化为电势差而产生发电效果，因此温差环境是使用和测试评价电化学电池的必要条件。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.电化学热电池原理图,450,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304171027053355_4631_3221506_3.jpg!w690x608.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 电化学热电池基本原理[/b][/color][/size][/align][size=16px] 电化学热电池中的电解质、材料和电极受温度的影响，以及整个热电池的相关性能测试评价，对测试过程中的温差形成有十分复杂的要求，具体内容如下：[/size][size=16px] （1）热电池的两个冷热端电极要处于不同温度以形成温差，两个电极温度要具有一定的变化范围以便在不同电极温度和不同温差条件下测试评价热电池的各种性能。[/size][size=16px] （2）对于冷端温度，可采用TEC半导体制冷片进行调节和控制，但热端温度普遍较高，采用制冷片无法实现高温加热，需采用电阻等加热。[/size][size=16px] （3）在热电池性能测试过程中，需要在冷热电极处实现台阶式或周期交变式可编程温度变化。这样一方面是能够测试不同电极温度和不同温差下的热电池性能，得到热电池最佳工作状态时的温度和温差条件，另一方面是测试考核热电池的疲劳衰减特性。[/size][size=16px] （4）新型的电化学热电池往往很薄，如各种可穿戴电子产品用热电池。在实际应用中，这类薄片或薄膜状热电池上形成的温差很小，这就要求热电池性能测量装置需要具备在冷热电极之间提供小温差的能力。[/size][size=16px] 根据上述要求可以看出，一旦电化学热电池形状确定，热电池性能测试装置的结构也基本确定，而测试装置中温度控制的关键是确定合理的加热方式和温控仪表。[/size][size=16px] 对于加热形式，采用电阻加热和TEC半导体制冷片两种形式，可满足绝大多数电化学热电池在任意温度和温差范围内的测试需要，对于温度不高的测试，可仅使用TEC半导体制冷片进行温度控制。电阻加热用于热电极处的高温加热，温度范围为50~150℃以上。TEC半导体制冷片加热用于冷电极处的低温加热和冷却，温度范围为-10~60℃。[/size][size=16px] 对于温控仪表，满足上述温度控制要求的控温仪表需具备以下功能：[/size][size=16px] （1）可对电阻加热和TEC半导体制冷片分别进行控制。[/size][size=16px] （2）可编程控制功能，可控制温度按照编程设定的温度折线进行变化。[/size][size=16px] （3）交变温度控制功能，可控制温度按照设定周期和幅度进行交替变化。[/size][size=16px] （4）带PID自整定功能，避免繁琐的人工调整PID参数，并可存储和调用多组PID参数。[/size][size=16px] （5）测量和控温精度高，特别是要满足薄膜热电池的温差控制，控温精度要达到0.01℃。[/size][size=16px] （6）带通讯功能可与上位机连接，由上位机进行设置、编程、控制运行、显示和存储。[/size][size=16px] （7）带计算机软件，无需编程，可通过计算机进行设置、编程、控制运行、显示和存储。[/size][size=16px] 从上述功能要求中可以看出，电化学热电池性能测试中对温度和温差形成的要求很高，特别是要求温控仪表具有高控制精度、可编程控制、周期交变控制、通讯和随机软件功能，而这些很多都是目前电化学热电池性能测试用控温仪无法具备的功能。为此，本文介绍了新型超高精度具有多功能的PID控制仪，并详细描述了电化学热电池特性测试中的温度控制系统结构。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案设计的温控系统典型结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.电化学热电池性能测试温控系统结构示意图,690,343]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304171027488618_9875_3221506_3.jpg!w690x343.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 电化学热电池性能测试温控系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 图2所示的解决方案示意图包含了电化学热电池性能测量装置和温度控制系统两部分。其中的电化学热电池测量装置示出的是对块状、板状或薄膜状热电池的测试结构，电极分别贴服在热电池的顶部和底部，顶部的阴极电极处通过TEC半导体制冷片进行低温控制形成冷电极，底部的阳极电极处通过电阻加热方式（电热膜和电热块）进行高温控制形成热电极，由此在热电池上下两端形成所需温差。需要说明的是，解决方案在冷电极处选择TEC半导体制冷片的主要目的是为了实现高精度的温度控制，这在测试评价薄膜式可穿戴用热电池中实现高精度小温差时非常重要。在热电极出选择电阻加热方式主要是为了满足更高温度的大温差测试需要。[/size][size=16px] 由于半导体制冷片和电阻加热是两种完全不同的发热制冷原理，它们的温度控制方式也完全不同，因此图2所示解决方案设计了两个独立的温控回路，两个温控回路采用的是相同的超高精度PID控制器VPC2021-1。选择使用VPC202-1这种PID控制器，是出于多功能和超高精度的考虑，此控制器可以满足前面所述的对温度控制器的所有要求。[/size][size=16px] 在TEC半导体制冷片温控回路中，使用了VPC2021双向控制功能，通过采集温度传感器信号与设定温度进行比较后，驱动双向电源对TEC制冷片进行加热或制冷控制，由此实现高精度的温度控制。[/size][size=16px] 在电阻加热温控回路中，使用了VPC2021基本的温度控制功能，通过采集温度传感器信号与设定温度进行比较后，驱动固态继电器进行加热，由此实现高精度的温度控制。这里需要注意的是，如果要在电阻加热中实现较高精度的温度控制，除了采用高精度的温度传感器（如铂电阻或热敏电阻）之外，还需要与相应的冷源配合以减小热惯性，如在电阻发热体下面配备冷却装置以便能够形成快速散热。如果是测量薄膜热电池，则无需这些考虑，只需在电阻发热体下面增加绝热层即可，因为热电池和电阻加热膜厚度很小，热惯性自然也小，冷电极的低温可以对热电极进行快速散热，有利于热电极处的温度高精度控制。[/size][size=16px] 为了实现热电池的温度交变试验，解决方案采用了VPC2021控制器的高级功能：远程设定点功能，即在辅助输入通道上接入外部信号发生器以生成各种周期性波形信号作为交变设定值，由此可控制热电极温度按照此设定波形进行周期性变化，从而形成交变温差。如图2所示，此远程设定点功能的选择可以通过一个外置开关进行选择，实现正常控温和交变控温之间的切换。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本文提出的解决方案，可以满足绝大多数电化学热电池性能测试中的温差环境控制需要，为测试评价热电池性能和优化使用条件提供了便利的试验和考核手段。[/size][size=16px] 更重要的是高精度PID控制器配备了相应的计算机软件，采用了具有标准MODBUS通讯协议的RS485接口，与计算机一起可以组成独立的测控系统，通过计算机可方便的对PID控制器进行远程操控，设置控制器的各种参数，采集、存储和曲线形式显示PID控制器的过程参数，无需再进行任何编程即可进行测试试验，非常适应于实验室研究试验。[/size][size=16px] 此解决方案的另外一个特点是具有很强的灵活性和拓展性，可通过外置不同传感器和信号发生器实现多种物理量和波形的准确控制，更可连接上位机直接与中央控制器进行集成，与整个设备形成很好的配套。[/size][align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]