半导体制冷的原理(精)

低温制冷装置

常用的低温制冷装置有贮液式制冷器、G－M循环制冷器、斯特林循环制冷器、VM制冷器等多种。

①贮液式制冷器:将贮存低温液体的容器绝热,使需要冷却的电子元件、器件与这种液体直接或间接地接触。电子元件、器件引入的热量(或本身原有的热量)为液体蒸发所吸收，电子元件、器件即被冷却。这种制冷器可分为整体容器式和液体传输式两类。在整体容器式制冷器中，电子元件、器件直接装在低温液体的贮存容器内。液体传输式制冷系统包括低温液体存放容器、液体传输管路、冷头和必要的控制系统，靠重力或气体压力传输液体（图2）。这种制冷器使用时间不长就需要添加低温液体，应用受到限制。

②G-M循环制冷机:由压缩机和膨胀机及其附属装置组成（图3）。压缩机压缩来自膨胀机的低压气体，提供一定压力的纯净工作物质氦气。膨胀机使高压气体在其内部膨胀而致冷。

③斯特林循环制冷机：斯特林循环由二个等容、二个等温组成的闭式循环。它有单级、双级二种。它是冷却电子器件的微型制冷机之一。它效率高、体积小、重量轻、操作简单、使用低温温区和冷量范围大。

④VM制冷机：完全或主要靠热能进行工作，可直接由热量产生冷量。凡能使热腔保持足够高的温度和提供足够热的能源都可利用，如电能、化学燃烧能、放射性同位素（如钚 238）、太阳能等。这种制冷机是回热式制冷机的变种,又叫热泵制冷机（图4）。有时，只使用很少的电能用于克服活塞与汽缸之间的摩擦力。它振动小、不易损坏、寿命长、重量轻和体积小，适于野外和航空使用，

尤其适于在航天技术中应用。

⑤热电制冷器：又称半导体制冷器。它利用半导体的帕耳帖效应，即两种不同金属或半导体组成闭合回路时，通以直流电，引起材料两接点一个变冷一个变热的现象，组成多级的半导体PN结热电制冷器，通常用于红外和低温电子技术（图5）。它具有体积小、重量轻等优点。但制冷温度不能达到很低的程度。

⑥辐射制冷器：主要是利用一部分宇宙空间的高真空（10-18帕）和星际的有效低温太空接受 3～4K的低温源,辐射制冷器(图6)是一种不需要任何热源和

机械制冷功的被动式制冷器，其优点是不需要传动部件和冷却剂，且重量轻、工作寿命长。这类制冷器已用于气象卫星冷却电子元件、器件。

⑦节流制冷器：利用等焓膨胀的节流效应制冷。它是降温的常用方法，即高压气体通过一个小孔降压而变冷，这个过程在节流阀中完成。这种制冷器有单级和双级二种。气体经不同节流后达到不同的制冷温度。例如，用液氮预冷、氖节流的双组制冷机可达到30K,可与锗掺汞元件配合，用于红外探测器中。节流制冷器是现代最成熟的制冷装置之一，其优点是结构和工艺简单、易于制造、重量轻、体积小、无运动部件、噪声小和使用方便等，缺点是效率较低、工作压力高，对气体纯度要求高,一般杂质不超过0.01％（节流孔视冷量而定,其大小一般为几微米至十几微米，易发生冻结阻塞）。

⑧低温温度计：半导体锗温度计在低温下电阻随温度的降低而迅速增加，因而灵敏度较高、重复性好和使用方便。它已成为低温超导领域的重要测量元件，可用于低温设备、空间装置、超导装置和卫星通信地球站等设备上的低温温度测量，可以配用指示记录和数字仪表进行显示。此外,砷化镓二极管广泛用于1～400K的温度测量。掺锌和掺锰的砷化镓电阻温度计测温的相对灵敏度比砷化镓二级管温度计大约高10倍到 100倍。低温温度计还有铂电阻温度计、碳电阻温度计、铑铁电阻温度计，以及其他低温热电偶和低温传感器等。

⑨低温泵：利用温度极低的表面，使被抽气体冷凝而获得超高洁净真空的真空泵。低温泵有贮槽式低温泵、蒸发式低温泵和制冷机低温泵等,抽速均在1～104/米3秒之间。低温泵能大大提高真空度(低于10-11帕)。上百万升／秒的高抽速的超高真空或极高真空设备也已经研制成功。

低温抽气在镀膜设备中获得广泛应用，它在大规模集成、超大规模集成与超导集成工艺中尤其重要，因为高质量的真空镀膜常常要求在没有杂质和原子污染的条件下进行，特别是生产磁膜、超导膜和其他特殊电子元件、器件时需要消除

氧和碳氢化合物之类的污染。另外，材料在真空中释放出大量的氢，也需要对氢有很高的抽速。

为使热成像系统正常工作，将其探测器元件冷却至低温或深低温的技术，又称低温恒温器技术。该技术的主要任务有二点：一是通过制冷形成一个合适的低温恒温环境，以保证需要在低温下工作的电子器件或系统功能正常，或提高器件的灵敏度；二是屏蔽或减小来自热成像系统的滤光片、挡板及光学系统本身等带来的热噪声。

制冷器的工作原理包括物理和化学两种方法。根据使用场合和所需要制冷温度不同，可利用不同原理制成适当的制冷器。热成像系统使用的多为物理方法。主要有：

1、利用相变制冷

即利用制冷工作物质相变吸热效应，如使用灌注式杜瓦瓶的液氮、液氢等的制冷；

2、利用焦耳-汤姆逊效应制冷

即当高压气体的温度低于本身的转换温度并通过一个很小的节流孔时，气体的膨胀会使温度下降。如焦-汤制冷器，特点是结构简单、可*性高、质量轻、体积小、无振动、无运动部件、噪声小、成本低、致冷速度快，致冷时间通常只需15～60s（秒）。

3、利用气体的等熵膨胀制冷

即气体在等熵膨胀时，借膨胀机的活塞向外输出机械功，膨胀后气体的内位能要增加，从而要消耗气体本身的内功能来补偿，致使膨胀后温度显著降低。如斯特林闭循环制冷器，其特点是功耗低、尺寸小、质量轻。

4、利用帕尔帖效应制冷

即用N型半导体和P型半导体作用偶对，当有直流电通过时电偶对一端发热，另一端变冷，如热电制冷器，又称为半导体或温差电制冷器。热电探测器的主要优点是：全固态化器件、结构紧凑、寿命长；无运动部件，不产生噪音；不受环境影响；可*性高。缺点是制冷器的性能系数（COP）较低，致冷量小，效率低；

5、利用物体之间的热辐射交换制冷

如在外层空间利用外层宇宙的高真空，深低温来制冷。它的显著特点是无运

动部件、长寿命、功耗小、无振动干扰。缺点是对轨道和卫星的构形有要求，对环境要求严格，入轨后需经过一段时间的加热放气后才能工作。

[相关技术]焦平面技术；热力学技术；机械加工技术

[技术难点]

不同制冷器技术的关键技术各不相同。斯特林制冷器的技术发展重点在于增加致冷量、加大压缩机和冷指之间分置距离、寻找更灵活的气体通道、减轻压缩机重量、减小体积等。对于高频小型脉冲管制冷器技术，主要考察方向是回热器设计和性能；减少复式入口脉冲管中直流电流的影响；降低脉冲管中的流动性。对于热电致冷技术，关键技术在于提高热电材料的品质因素Z和减小冷端热负载。对于闭环节流制冷器，通常高压压缩机是可*性的薄弱环节，需要加以克服。

[国外概况]

1、斯特林致冷技术

斯特林致冷技术已经有50年发展历史，在军事上应用最广泛。首先出现的是整体式结构，即压缩活塞和膨胀活塞用一连杆以机械方式连为一体。整体式结构容易产生热和振动影响制冷部分。针对系统存在的不足，国外也作了些改进。首先，自1972年以来，有了显著发展，由美国休斯飞机公司研制出分置式斯特林制冷器，将压缩机和膨胀器分开安置，中间用一根软管相连。这种结构不仅克服了早期整体式制冷器的缺点，还保持了原有系统结构紧凑、效率高、启动快等优点，因此颇受国外用户重视，发展较快。其次，为了克服原有电机/曲轴这种动态结构产生的磨损而影响寿命，荷兰飞利浦研究所于1968年开始研制用线性电机驱动线性谐振压缩机的斯特林机。迄今为止，线性谐振斯特林机的发展已经经历了三代：1975年由荷兰飞利浦公司的科学和工业分部研制的MC-80型微型制冷器称为第一代，属非军用型，致冷温度为80开氏度时，输出功率为1W（瓦）；1976年，荷兰和美国同时设计出第二代。荷兰飞利浦公司在MC-80的基础上使

其军用化，最初命名为MMC-80，后来正式命名为UA-7011型；1982年，在UA-7011的基础上，由飞利浦公司研制了一系列线性谐振制冷器，称为第三代。它们由标准化压缩机和两个冷指（膨胀器部分）组成，专用于美国60元和120元/180元探测器/杜瓦瓶装置。致冷功率分别能达到1/4W和1W，平均无故障时间为2500h(小时)。该公司目前正继续研制更新产品。

2、脉管致冷技术

1963年由美国低温专家发明，直到1984年前苏联米库林教授对基本型脉管做了重大改进后，使其向实用迈进关键性一步。脉管实际上是斯特林的变体，膨胀机内无需运动部件，结构更简单可*，且易于装配和控制振动。目前其机理仍在探索中，未来将成为斯特林机强有力的竞争对手，特别是在长寿命机型中更是如此。

3、热电致冷技术

又称温差电致冷器或半导体制冷器。1950年代末期，随着半导体材料技术的大力发展，解决了早期系统致冷效率低的的问题。特别是美、英、日苏等国在这一领域做了大量研究，1960年代用热电致冷即已达到实用阶段。热电质量因素Z是用以评价热电材料的因素之一，1980年代末，美国和欧洲一些国家热电材料的Z值能达到3.5×10-3/°K（10的负三次方/开氏度），前苏联能达到

4.7×10-3/°K。目前热电制冷器主要用于手持式热像仪，如美国马格纳沃克斯公司的AN/PAS-7型和HPHTV型、英国莱赛盖奇公司的LT1065型。此外还可用于其它一些观瞄系统，如美国德克萨斯仪器公司的AN/TAS-5“龙”式反坦克导弹热成像瞄准具、美国马格纳沃克斯公司的TWS型热成像瞄准具等。

4、焦-汤致冷技术

又称节流式致冷技术，是1950年代发明的，绝大多数情况下使用开环式致冷器，但仍有采用高压压缩机的闭式节流制冷器。早期系统由逆流式热交换机、节流孔和装有高压气体的贮气瓶组成。为了控制气体消耗量，国外对节流制冷器作了些改进，设计了自调式制冷器。现在国外生产的焦-汤系统几乎都配备了这种自调机构。国外多将该技术用于红外制导、手持式热像仪、车载热像仪、反坦克导弹热瞄具等。如美国德克萨斯仪器公司的AN/TAS-4陶式反坦克导弹夜瞄具、科尔斯曼公司的热成像远距离夜间观察仪、英国马可尼公司的HHT-8和MSDS

型手持热像仪、索恩·伊美公司的多用途热像仪和法国的TRT公司的MIRA型红外热像瞄准具等。

5、利用相变致冷

有液态致冷和固态致冷两种。液态循环致冷目前广泛用于试验室测量和民用红外系统。固态致冷系统主要用于航天工业，储存的固态冷却剂根据质量和体积，使用时间可为1至3年或更长。

[影响]

光电器件的冷却离不开低温技术，尤其是红外技术在武器装备中特殊的地位使其迅速发展。

1、红外预警和监视

海湾战争以后，各国反导技术得到发展，均致力于研制弹道导弹的防御系统。红外探测技术在导弹发射预警中起到关键性作用。它包括星载红外预警探测系统、机载和舰载反导红外探测预警系统，它们都需要高可*性的斯特林制冷器或其它类型的制冷器作为红外探测器的冷源。

2、精确光电制导

战术导弹、巡航导弹和反导拦截器几乎都使用红外引导头、红外寻的制导技术由点源发展为成像制导，已广泛应用于精确制导武器系统。它实现制导智能化，具有高灵敏度、高分辨率、作用距离大和对目标有自动识别和跟踪决策能力。

3、夜间及红外热成像系统

夜视和红外热成像是当今现代化战争最常用而不可缺少的军事手段。红外夜视在80年代已经发展到第二代，如4N扫描型和焦平面凝视型。由于探测元数目提高了一个数量级、灵敏度大幅度提高，热成像探测距离也相应提高。这些军事系统都使用制冷器将这些红外探测器冷却到80K左右的低温环境，目前在红外系统中低温制冷器的可*性仍是薄弱环节，只有重点发展低温制冷器、减少体积和重量、提高可*性，才能促使红外探测技术在武器装备中更广泛应用。

4、红外遥感技术

空间遥感技术常采用红外波段，可用来对战场态势、环境、气象进行监视。空间制冷器通常要求高可*性、长寿命和低能耗的辐射制冷器和机械制冷器。