1.1简述温差电技术的历史及现状


热电制冷器的物理理论可以追溯到19世纪早期。1821年由德国科学家托马斯·塞贝克发现在一个由两种不同金属导体构成的闭合回路中，当两个接头的温度不同时，回路中会有持续的电流流动。1834年，一个法国制表师兼物理学家简·珀尔帖在研究塞贝克效应的过程中发现，这一现象具有一个相反的现象，也就是当闭合回路中有电流流动的时候，两个接头之一会吸热，而另一个会放热。20年后，威廉姆·汤姆逊（即开尔文勋爵）为塞贝克效应和珀尔帖效应提出了一个系统的解释，并建立了两者的关系。在很长时间里，温差电领域中只有用热电偶测量温度得到了广泛应用。直到1960年前后前苏联科学家完善了以Bi2Te3为代表的化合物半导体材料的制备技术，才使得商业化的热电制冷器才有所发展。半导体致冷器，是基于帕尔贴效应开发的固态加热、制冷器件。目前应用于关键电子部件、光学系统、医疗仪器及其他装置中的精密温度控制。


1.2半导体致冷器结构及工作原理简介


在目前的热电制冷器件中最常用到的半导体热电材料是碲化铋。碲化铋的最大热电优值系数所出现的温度在室温，适合于大多数热电制冷的应用条件。工业上已经可以通过掺杂得到p型和n型碲化铋料锭。热电材料的制备方法通常是区域熔化法或者粉末压制成型法。


由帕尔贴效应可知，通过在半导体致冷器的两端加载一个适当的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端。此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。值得注意的是，只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。因此，热电制冷器还可以用于精确的温度控制。另外，热电制冷器还具有发电的功能。在这个模式下，只要在制冷器上加载一个温差后，回路中便会产生电流。


半导体致冷器的结构示意图


从上面的半导体结果示意图中可以知道，电偶臂材料分别采用了p型和n型碲化铋。这种布局方式下，电流在p型和n型电偶臂里上下流动的过程中，热流方向能始终保持不变，在n型材料中，热流方向与电流方向相反；在P型材料中，热流方向与电流方向相同。一个p型和一个n型电偶臂组成一对温差电偶对，大多数热电制冷器是由相同数量的n型和p型电偶臂所组成的。上图的模型是由两对p型和n型电偶臂构成的两对温差电偶对，通过合理的串联结构，可以组合成不同对数的半导体致冷器。


1.3半导体致冷器的应用情况介绍及发展前景


1.3.1应用情况概述


目前，半导体致冷器广泛应用于电子、激光、通讯、测量、分析等科技领域，在民用领域也有相当的应用。下面列举一些实际应用的实例：


● 参比冰点

● 参量放大器

● 除湿器

● 低噪音放大器

● 电泳电池制冷器

● 电子封装制冷


● 发电机(小型)

● 光导摄像管制冷器

● 光电倍增管防护罩

● 黑匣子制冷


● 恒温槽

● 恒温浴

● 红外探测器

● 环境分析


● 酒柜

● 激光二极管制冷器

● 集成电路制冷

● 晶圆热特性分析


● 精密设备制冷(激光和微处理器)

● 冷柜

● 露点湿度计

● 切片机制冷


● 热密度测量

● 热循环系统（DNA和血液分析仪）

● 生物学组织制备和储存

● 湿化学过程温度控制


● 饮用水和饮料冷却

● 冰箱和便携冰箱系统（飞机、汽车、轮船、宾馆、野餐、制药、胰岛素、手机等）


1.3.2半导体致冷器的主要特点


在一些中小功率热量传输，但是需要复杂控温的热控过程中，半导体致冷器可以提供很大的帮助，而且，在一些特定的情况下它是唯一的选择。尽管没有哪种制冷方式是万能的，半导体致冷器也并不能应用在所有的领域，但是与其他制冷设备相比，热电制冷器具有很多优势。其中包括：


● 可以降温到环境温度以下：传统的散热器需要将温度升高到环境温度以上才可以使用，与其不同的是热电制冷器具有将物体温度降低到环境温度以下的能力。

● 同一器件可以满足升温和降温的要求：热电制冷器可以通过调整加载的直流电流的方向，调整制冷或者加热模式。应用这一特点就不必在给定体系内加入另外独立的加热或者制冷功能元件。

● 精确的温度控制：由于热电制冷器具有一个闭路温度控制循环，它可以在0.1 ℃范围内精确地控制温度。

● 高可靠性：由于全部为固态基构造，热电制冷器具有很高的可靠性。尽管某种程度上与应用条件有关，但是典型热电制冷器的寿命一般可以达到200,000小时以上。


● 电子静音：与传统的机械式制冷器件不同，热电制冷器在工作过程中基本上不会产生任何电子干扰信号，它可以与敏感的电子感应器相连接，并不会干扰其工作。另外，它在运行过程中也不会产生任何噪音。

● 可以在任意角度下工作：热电制冷器可以在任意角度和零重力状态下工作。

● 简单方便的能源供给：热电制冷器能够直接使用直流电源，并且加载电源的电压和电流能够在很大范围内变化。在许多条件下，还可以使用脉冲宽度调制。