一种测试半导体制冷器的瞬态方法
半导体制冷片的研究
半导体制冷片的研究摘要：半导体制冷片也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。
当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,可以实现制冷的目的。
它是一种产生负热阻的制冷技术,其特点是无运动部件,可靠性也比较高，目前已经被广泛应用。
通过瞬态电流刺激-Seebeck电压测试法，了解其影响的因素，通过各文献资料知道了其优缺点关键词：半导体材料负热阻制冷技术Abstract: the semiconductor refrigeration piece is also called the thermoelectric refrigeration piece, a heat pump, it has the advantages of no sliding parts, used in some space limit, high reliability, no refrigerant pollution situation. Is the use of a semiconductor material Peltier effect. When the direct current through two different semiconductor materials series galvanic galvanic, in two ends respectively to absorb heat and release heat, can achieve the purpose of refrigeration. It is a kind of negative resistance of the refrigeration technology, which is characterized by having no moving parts, high reliability. The semiconductor refrigeration ways to solve the problem of heat dissipation of LED lighting system, has very high practical value.Key words: pump, semiconductor materials, negative resistance, refrigeration technology正文：1 引言：半导体致冷器是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才出现，然而其理论基础Peltiereffect可追溯到19世纪。
基于单片机的半导体制冷智能控制
图2：温度控制系统稳定性曲线 （请在此处插入温度控制系统稳定性曲线图） 从图2可以看出，系统在达到目标温度后，保持稳定状态，未见明显波动。 这表明基于半导体制冷技术的温度控制系统具有良好的稳定性。
通过实验验证，我们可以得出以下结论： 1、基于半导体制冷技术的温度控制系统具有快速响应和高精度控制优点。
一、半导体制冷技术概述
半导体制冷技术是一种利用半导体材料的热电效应实现制冷的技术。其基本 原理是，通过直流电在半导体材料中产生的珀尔帖效应，实现吸热和放热过程， 从而达到制冷效果。相较于传统制冷技术，半导体制冷技术具有体积小、效率高、 无噪声等优点，因此被广泛应用于微型制冷领域。
二、单片机在半导体制冷智能控 制中的应用
4、监控实验过程：在实验过程中，通过数据采集卡实时监测温度变化情况， 观察系统响应速度和稳定性。
五、实验结果与分析
实验结束后，收集实验数据并绘制曲线图，对实验结果进行分析。以下是实 验结果的相关图表：
图1：温度控制系统响应曲线 （请在此处插入温度控制系统响应曲线图） 从图1可以看出，系统在初始温度为25℃时，启动后在5分钟内迅速达到目标 温度-10℃，表明系统具有快速响应特性。
2、通过反馈控制和优化控制策略，可以实现系统的稳定运行和精确的温度 控制。
3、本研究为科学研究和工业生产中的温度控制提供了新的解决方案，具有 实际应用价值。
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2、程序设计
基于单片机的半导体制冷智能控制系统的程序设计主要包括温度检测、故障 诊断、报警输出、节能优化等模块。程序设计中要充分考虑系统的稳定性、可靠 性和节能性。同时，程序设计应采用模块化思想，便于日后维护和升级。
3、硬件选择与调试
在硬件选择方面，应选用性能稳定、可靠性高的元器件。对于半导体制冷器， 应选择合适的型号和规格，以满足实际需求。在硬件调试过程中，应进行逐个元 器件的调试，确保每个部件都能正常工作。同时，要对整个系统进行联调，确保 各部分协调一致，实现稳定的制冷效果。
半导体制冷器TEC的驱动与控制 (一)
半导体制冷器TEC的驱动与控制 (一)半导体制冷器TEC（Thermo-Electric Cooler）是一种利用Peltier效应产生制冷的器件，其主要应用于微电子、激光器、传感器等领域的温度控制。
TEC驱动与控制一直是半导体电子学领域的研究热点之一。
一、TEC驱动方式TEC的驱动方式分为两种：恒定电流驱动和恒定电压驱动。
其中，恒定电流驱动是指在TEC两端加上一个恒定电流，使其产生的热量与冷量相等，达到匀速制冷的效果；恒定电压驱动则是在TEC两端加上一个恒定电压，使其产生的冷量和热量成一定比例，达到不同的温度控制效果。
二、TEC控制方法TEC的控制方法主要分为三类：PID控制、H∞控制和模型预测控制。
其中，PID控制是目前最常用的一种控制方法，其基本原理是通过比较目标温度值与实际温度值之间的偏差，计算出一个控制量，再通过PID 算法进行控制，使温度达到稳定状态。
三、TEC控制参数TEC控制参数包括：电流、电压、温度、功率和效率。
其中，电流和电压的控制可以实现恒定电流和恒定电压的控制方式；温度的控制需要采集温度传感器数据并进行反馈控制；功率和效率则需要根据TEC的工作状态和应用环境来进行动态调整。
四、TEC驱动与控制电路TEC驱动与控制电路主要包括三个部分：TEC驱动模块、温度采集模块以及控制模块。
其中，TEC驱动模块主要实现对TEC的驱动，而温度采集模块则用来采集温度传感器的数据，控制模块则实现了对TEC的PID 控制功能。
五、TEC控制软件TEC控制软件可以实现对TEC的控制参数设置、PID参数调整、温度采集和数据分析等一系列功能。
此外，软件还可以根据用户的需求，实现定时控制、手动控制和自动控制等功能，为用户操作提供更加便利的选择。
总之，TEC驱动与控制是半导体电子学领域的研究热点，通过对TEC控制参数的实时调整，可以使TEC达到最佳的制冷效果，为半导体行业和生产领域提供更好的温度控制解决方案。
半导体制冷器原理及性能研究
半导体制冷器原理及应用研究摘要随着科学技术的发展，人们对于制冷的要求也随之提高。
常常需要在狭小的空间内实现低温的环境以满足特殊的应用要求。
基于帕尔贴效应的半导体制冷技术在军事、民用等领域有着广泛的应用。
本文介绍了半导体制冷器的基本工作原理、优点、缺点和随后对半导体的相关公式进行了推导。
最后根据半导体的研究现状，提出了半导体制冷器的主要性能参数，为今后的半导体制冷技术研究提供借鉴。
1.引言目前，能源消耗问题是国际学术研究的热点，而中国作为能源消耗大国，因此研究如何降低能源消耗，实现可持续发展具有非常重大的现实意义。
半导体制冷器作为一种新型的制冷技术，具好广阔的应用前景。
半导体制冷器具有体积小、功耗低、无污染、降温快等诸多优点，符合环境保护以及低功耗的要求，在许多行业得到了广泛的应用。
虽然半导体制冷器的制冷量不大，但是降温速度非常快，非常适用于对制冷器的尺寸有严格要求的场所。
目前国际上半导体制冷技术的研究发展很快，我国从上个世纪60年代开始对半导体技术进行研究，经过几十年的研究，我国在半导体制冷技术取得了一定的进展，特别是在半导体制冷材料方面，目前中国的半导体制冷器产量在世界上排名第一，部分半导体制冷器产品远销国外。
2.半导体制冷器的工作原理2.1半导体制冷的物理基础半导体制冷又称为热电制冷（Thermoelectric cooler）或温差电制冷。
当直流电流通过具有热电转换特性的导体组成的回路时具有制冷功能，这就是所谓的热电致冷，由于半导体材料具有非常好的热电能量转换持性，因此，热电制冷又称为半导体制冷。
半导体制冷是基于帕尔贴效应、塞贝克效应、焦尔效应、汤姆逊效应和傅里叶效应五种效应建立起来的新型制冷技术。
（1）帕尔贴效应当电流通过由不同材料导体组成的回路时，在导体的连接处，会发生吸热和放热现象。
这时吸收和放出的热量就是帕尔贴热。
回路的一端为吸热，而另一端为放热。
（2）塞贝克效应将两种不同的材料和温度的导体相连接并组成回路时，这个回路之中就会产生电流，这就叫做塞贝克效应，这与帕尔贴效应是相逆的。
什么是半导体瞬态热测试技术？
什么是半导体瞬态热测试技术？应用半导体的IV曲线去测量半导体结温，是一项芯片结温测量技术，从半导体物理学的角度，我们知道在PN结上施加恒流源后，结电压随着温度的变化大约是 -1 mV/°C ～ -2 mV/°C。
描绘二极管电压随着温度的变化特征可以使用户测量二极管电压，并很容易地确定芯片温度。
通过测量电压的去测量结温的方法也叫ETM（Electrical Test Method），在测量温度之前，首先要对表征该半导体电压和温度的关系线的斜率——即的ETM的K系数做准确标定，其标定的方法请参考前面的文章（ETM法测结温）。
大电流的K系数标定算法，目前还是一个业内难题（由于大电流自带一部功率，会影响最终的温度），小电流的K系数，由于小电流功率较小（几百分之一，可以作为测量误差），因而被广泛使用。
为了测试结果的可比性，1995年，JEDEC 出具了JESD 51-1半导体热测试标准，规定了功率，测试条件，测量设备的精度要求等测试要素，同时也提供了两种测试方法（动态法和静态法），并指出这两种测试方法的主要适用对象及工况。
后续车规级可靠性测试标准AQG324，也是主要参考了JESD 51-1的标准。
基于JESD 51-1的标准，对结温的测量，其误差是比较大的，主要有几个因素：1、对于半导体电压的测量，有一定的测量底噪，既是电压的测量精度。
半导体导通压降一般是V级别，目前最高等级的电压表是0.1级（51-1的标准要求是0.5级），也就是千分之一的误差，换算成电压就是mV级别，而绝大部分简易的电压测量装置，底噪普遍在3-5mV，换算成温度误差大概是2-3度；2、半导体工作时，引起半导体结温上升的是工作电流（大电流），这时如果需要测量结温，需要把半导体的大电流切断，换成已知K系数的小电流去测量压降，而这种切换过程中，大电流不能瞬间关断，小电流测量出的电压值，在切换完成的瞬间（51-1标准提到的切换时间是几十us，实际上各种设备开关速度大概是从几百us到ms不等），基本上也是噪声，无法表征实际的温度信息。
半导体制冷实验报告
半导体制冷实验报告半导体制冷实验报告引言：半导体制冷技术是一种基于半导体材料的热电效应的制冷技术，其应用领域涵盖了电子设备散热、生物医学、航空航天等多个领域。
本实验旨在探究半导体制冷技术的原理和性能，并通过实验验证其制冷效果。
实验一：半导体材料的热电效应首先，我们准备了一块P型半导体材料和一块N型半导体材料，并将它们通过金属片连接成一个热电偶。
然后，我们将热电偶的一端加热，另一端冷却，并通过测量两端的温差和电压来研究热电效应。
实验结果显示，当我们加热P型半导体材料时，电压会产生一个正值；而当我们加热N型半导体材料时，电压则会产生一个负值。
这说明了P型半导体和N 型半导体在温度变化下具有不同的电压变化特性。
这种特性正是半导体制冷技术的基础。
实验二：半导体制冷器的制冷效果在这个实验中，我们使用了一台半导体制冷器，该制冷器由多个半导体材料组成，并通过电流驱动。
我们将制冷器放置在一个密封的实验箱中，并通过测量实验箱内的温度变化来研究半导体制冷器的制冷效果。
实验结果显示，当我们通电后，实验箱内的温度开始下降，并在一段时间后稳定在一个较低的温度。
这表明半导体制冷器通过电流驱动产生了制冷效果，将热能从实验箱中转移到外界环境中。
实验三：半导体制冷技术的应用在这个实验中，我们将半导体制冷技术应用于电子设备散热领域。
我们选择了一台高性能电脑，并在其散热器上安装了半导体制冷器。
然后，我们通过测量电脑的温度变化来研究半导体制冷技术对电子设备散热的效果。
实验结果显示，在使用半导体制冷器后，电脑的温度明显降低，并且在高负荷运行时能够保持较低的温度。
这表明半导体制冷技术可以有效地改善电子设备的散热性能，提高其工作效率和寿命。
结论：通过以上实验，我们验证了半导体制冷技术的原理和性能。
半导体材料的热电效应使得半导体制冷器能够通过电流驱动产生制冷效果，将热能从被制冷物体转移到外界环境中。
同时，半导体制冷技术在电子设备散热领域具有广泛的应用前景，能够有效地提高设备的工作效率和寿命。
高精度温度控制的半导体制冷系统实验研究
高精度温度控制的半导体制冷系统实验研究一、引言近年来，高精度温度控制的需求不断增加。
在许多领域，如材料科学、生物医学、电子工程等，需要对物体的温度进行精确控制和调节。
在这样的情况下，传统的制冷系统往往无法满足需求，因为它们的温度控制精度有限。
相比之下，半导体制冷系统通过利用半导体材料的特性，能够实现更高的温度控制精度。
因此，对高精度温度控制的半导体制冷系统进行实验研究具有重要意义。
二、半导体制冷原理半导体制冷是通过半导体材料的特性来实现温度控制的一种方式。
当电流通过半导体材料时，会产生热量。
利用半导体材料的PN结构，可以实现电流的传导和散热。
在制冷系统中，半导体材料的PN结构被放置在实验物体附近，利用电流通过半导体材料时产生的热量，实现对实验物体的制冷。
三、实验设计1.实验目标本实验旨在研究半导体制冷系统对高精度温度控制的适用性，并探究其温度控制精度和稳定性。
2.实验装置实验装置包括：半导体制冷器件、电源供应器、温度传感器、温控仪等。
3.实验步骤（1）装置搭建：将半导体制冷器件和温度传感器固定在实验物体附近，连接电源供应器和温控仪。
（2）温度控制参数设定：通过温控仪对半导体制冷系统进行温度设定，设定所需的目标温度。
（3）实验物体放置：将需要进行高精度温度控制的物体放置在半导体制冷器件附近。
（4）温度实时监测：使用温度传感器实时监测实验物体的温度，并将数据记录下来。
（5）温度控制效果分析：分析实验数据，探究半导体制冷系统的温度控制精度和稳定性。
四、实验结果与讨论实验结果表明，半导体制冷系统能够实现高精度的温度控制。
在实验过程中，通过温控仪设定不同的目标温度，半导体制冷系统能够迅速将实验物体的温度调整到设定的目标温度，并实现较高的稳定性。
此外，实验数据显示，半导体制冷系统的温度控制精度可以达到0.1摄氏度以下，满足高精度温度控制的要求。
五、结论本实验通过对高精度温度控制的半导体制冷系统的实验研究，结果表明半导体制冷系统能够实现高精度的温度控制。
半导体制冷器工作原理
半导体制冷器工作原理引言半导体制冷器是一种新型的制冷技术，它利用半导体材料的特殊性质实现制冷效果。
相比传统的压缩机制冷技术，半导体制冷器具有体积小、无噪音、无振动和高效能的特点。
本文将介绍半导体制冷器的工作原理。
一、热电效应半导体制冷器的工作原理基于热电效应，即通过电流通过半导体材料时，会产生热效应和电效应。
其中，热效应是指电流通过半导体材料时会产生热量，而电效应是指半导体材料在温度差异作用下会产生电压。
二、Peltier效应半导体制冷器利用Peltier效应来实现制冷。
Peltier效应是指当电流通过两个不同类型的半导体材料接触面时，会在接触面附近产生热量的转移。
当电流由N型半导体材料流向P型半导体材料时，接触面附近的热量会被转移到P型半导体材料一侧，从而形成冷面。
同时，N型半导体材料一侧会产生热量，形成热面。
三、制冷循环半导体制冷器通过制冷循环来实现制冷效果。
制冷循环主要包括四个过程：加热、冷却、热回收和制冷。
具体步骤如下：1. 加热：当电流通过半导体制冷器时，N型半导体材料一侧会吸收热量，形成热面。
2. 冷却：热量经过热面传递到P型半导体材料一侧，形成冷面。
3. 热回收：热量从冷面传递到热面，通过散热器散发出去。
4. 制冷：通过循环不断加热和冷却的过程，制冷器将热量从低温区域转移到高温区域，实现制冷效果。
四、热电材料的选择半导体制冷器的性能主要取决于所选用的热电材料。
常用的热电材料包括铋锑合金、铋碲合金和铋锑碲合金等。
这些材料具有高的热电效率和良好的稳定性，适用于制冷器的工作环境。
五、应用领域半导体制冷器的工作原理使其在许多领域中得到应用。
例如，它可以用于电子设备的冷却，提高设备的性能和寿命。
此外，半导体制冷器还可以用于光电子器件的制冷，提高器件的灵敏度和响应速度。
此外，半导体制冷器还可以应用于医疗领域，如低温保护和冷冻保存等。
结论半导体制冷器通过利用半导体材料的特殊性质，实现了高效能、无噪音和无振动的制冷效果。
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第27卷 第5期2006年5月半 导 体 学 报D @;W H <H[O X T W A L O F<H M ;D O W D X D Q O T <V o l .27 N o .5M a y,2006*国家重点基础研究发展规划(批准号:2006D N 300404),国家自然科学基金(批准号:50276011,50275026),江苏省自然科学基金(批准号:N K 2005063)资助项目Z 通信作者.H =a i 2:F6n :9i 349n @A 96.976.3n 2005-09-23收到,2005-11-25定稿"2006中国电子学会一种测试半导体制冷器的瞬态方法*宫昌萌1 陈 震1 吴 洲1 常国强1 钱瑞明1 陈云飞1,2,Z(1东南大学机械工程系,南京 210096)(2东南大学M H M <教育部重点实验室,南京 210096)摘要:>Q 值、最大制冷温差和响应时间是表征半导体制冷器性能的重要参数.文中介绍了一种能同时测量这三个参数的瞬态方法,并讨论了热沉对测试结果的影响.利用一个由恒流脉冲发生器和数据采集卡组成的简单测试系统测得制冷器在小电流下的电阻电压和塞贝克电压,通过这两个电压推导出>Q 值、最大制冷温差.这种瞬态方法是非接触式测量,准确度高,可用于薄膜热电器件测试;另外瞬态方法耗时短,可大大缩短半导体制冷器可靠性测试的周期.采用这种方法对4==×4==×2.4==的热电制冷器进行实验,环境温度300K 时,测得>Q 值为0.39,最大温差58.5K ,响应时间20A .关键词:半导体热电制冷器;瞬态测试方法;电阻电压;塞贝克电压;P A C C :6590;0150K ;7360[中图分类号:Q N 66 文献标识码:A 文章编号:0253-4177(2006)05-0944-041 引言热电制冷器是根据帕尔贴效应,即利用直流电流引起半导体材料中的热量输运,制成的一种简单方便的新型制冷器.其结构简单、无磨损、可靠性好、寿命长、启动快、不使用氟利昂,无任何运动部件而无噪声,控制灵活,只要接通电源,即可迅速制冷,电流反向即可迅速制热.由于这些优点,热电制冷器在很多领域得到应用,如汽车冰箱、白内障冷冻摘除器、核潜艇空调、固体激光器的散热器、导弹红外探测器探头冷却器、宇航员的空调服等.热电制冷器的最大制冷温差和效率用无量纲品质指数>Q 值来衡量,>Q =X 2σA /β,其中S 为塞贝克系数,σ为电导率,β为热导率,T 为绝对温度.最大制冷温差与Z T 值的关系可表示为[1]:-A =a L %0.5>Q 2(1)Z T 值与热电制冷器效率的关系可表示为:D O ?=a L O A 1[(1&>Q )1/2)A 1/A 2](A 2)A 1)[(1&>Q )1/2&1](2)式中 C O P m a x 为制冷器可达到的最大能量转换效率;T 1为冷端温度;T 2为热端温度,Z T 值越高,热电制冷器的效率就越高,现在大量使用的体态制冷器的Z T 值不大于1.当Z T 值达到4时热电制冷器的效率与压缩机式制冷器的效率相当[2].通常半导体制冷器的性能用热电偶、热敏电阻、二极管温度传感器或晶体管温度传感器测试.但这些测试方法有如下缺点:(1)使用前必须标定,操作过程耗时长.在半导体制冷器能量冲击可靠性测试中,制冷器经历数百到上千次“通电-冷却-通电”的循环过程,每隔几十次循环,进行一次制冷器性能测试,记录Z T 值、电阻和响应时间,通常整个可靠性测试要花费3,4个月[3].(2)装置复杂,需要探测器与被测物体接触.测试微型超晶格薄膜热电制冷器时,制冷器的温度场分布会受到探测器的影响,而且其法向参数无法测量,只能用切向的参数粗略代替,所以现有方法的测试结果误差很大[4].本文提出了一种半导体制冷器测试的瞬态方法,与现有测试方法相比这种方法的优点是:操作过程耗时短,测试时间略大于制冷器的响应时间,故可大大缩短半导体制冷器可靠性测试的周期;装置简单,探测器不需要与被测物体接触,能直接测得器件法向的参数,并准确预测薄膜热电器件的性能.第5期宫昌萌等: 一种测试半导体制冷器的瞬态方法2 实验原理及计算公式推导2.1 实验原理制冷器通入电流后,冷端和热端温差-T 从零增大至稳定值-T m a x 的时间叫制冷器的响应时间.响应时间等于热扩散所耗费的时间[5].热扩散时间可用公式t =d 2/D 估算,其中d 为冷端到热端的距离,D 为热电材料的热扩散系数.对于一般半导体制冷器,d 为2m m 以上,响应时间为数十秒.热电制冷器两端电压是塞贝克电压Q S 与电阻电压Q R 之和.塞贝克电压Q S =S -A (4),其中X 称为塞贝克系数,4=0时,温差为零,2<=0;随温差增大,2<增大;当4大于等于响应时间时,温差上升到最大值-T m a x 并保持稳定,Q S 也达到并保持稳定值,即S -T m a x .电阻电压Q R =I R ,用欧姆定律来计算,I 为电流强度,M 为制冷器电阻,电阻电压在通电的瞬间达到稳定值.热电制冷器两端电压降可表示为:2(4,L )%L R &X -A (4)(3) 制冷器上的电压降随时间变化的曲线(Q P t 曲线)如图1所示.电压降在通电瞬间上升到一个拐点,然后经过一段弧线过渡到顶部水平线,电阻电压Q R 为零点到上升沿拐点的垂直距离,塞贝克电压Q S 为弧线的垂直高度,响应时间为弧线的水平长度.图1 制冷器瞬态响应曲线示意图F i g .1 S k e t c hm a p o fT Ec o o l e r t r a n s i e n t r e s po n s e 制冷器在通电时有焦耳热产生,为了避免热量积累造成制冷器的工作温度升高,热端应与热沉连接.周围空气流动也会造成制冷器的工作温度波动,所以测试时还要注意减少空气流动.矩形脉冲电流幅值I P -P 需达到100m A ,一般的信号发生器不能输出这么大的电流,所以我们搭建了测试电路,如图2所示.单片机A T 89C 2051产生一个周期为80s 的脉冲信号,用数模转换器A D 7524对脉冲的幅值Q P -P 调理,以控制输出电流的大小,运放、三极管和电阻M 构成一个恒流源,输出电流幅值I P -P =Q P -P /M .电阻M 使用一组并联电阻,以增加载流能力.这个电路最大可以提供幅值为1A 的恒流脉冲.图2 测试电路框图F i g .2 S c h e m a t i c o f t e s t i n g ci r c u i t 为减小方波的波形失真,电路板设计要注意尽量减小大电流回路的分布电感、电容,如增加大电流线路布线宽度,采用贴片封装电阻.2.2 Z T 值计算公式的推导有热沉稳定制冷器工作温度时,电流从冷端“抽”到热端的热流可表示为[6]:Q %XA L )12L 2R )β="-A(4)上式由三项组成,第一项表示帕尔帖效应形成的热流,S 为S e e b e c k 系数,T 为绝对温度,I 为电流;第二项表示电流流过电阻为M 的制冷器时产生的焦耳热;第三项表示从热端到冷端的热传递,β为热导率,N 为制冷器横截面积,d 为热端到冷端的距离.因为热电材料的电阻较小,而且焦耳热与电流平方成正比,所以当工作电流较小时,我们假设第二项表示的焦耳热可以忽略,这样热流公式简化成Q %XA L )β="-A (5)当温差-T 稳定时,Q =0[7],所以:X A L %β="-T(6)整理后得到:-A %X A L "βN (7)塞贝克电压2<%X -A %X 2A L "βN (8)将Z T=S 2σA /β代入(8)式,2<%X 2A L "β=%X 2σA β×L "=σ=ZT ×Q R (9)得到Z T 值的计算公式:549半导体学报第27卷>Q O 2<2T(10)对阵列式制冷器,2<%2<WI;2T%2T WI式中QS N ,QR N分别为阵列式制冷器两端的总电阻电压和塞贝克电压.阵列式制冷器的Z T值用下式计算:>Q O 2<W2T W(11)测试时热端应与热沉连接,以减小温度波动.测试电流幅值应设定为最大温差对应的电流的1/50,以保证焦耳热为零的假设条件成立.用瞬态响应方法测试电阻电压QR 和塞贝克电压QS的数值,代入(10)或(11)式即可求算Z T值,再将Z T值代入(1)式就得到制冷器能达到的最大制冷温差.3结果及讨论我们使用瞬态方法对天津精易工贸有限公司的T E S1-0801型阵列式热电制冷器进行了测试,该制冷器由四组p-n热电对串联而成,尺寸为4m m×4m m×2.4m m,最佳工作电流为1.2A.环境温度为300K,热端加热沉时,制冷器的瞬态响应曲线如图3所示.由于数据采集卡的零点漂移,我们得到的响应曲线向上浮动了一个零点漂移电压,但因为瞬态方法测量的是电压的相对值,所以零点漂移不影响结果的正确性.图3制冷器T E S1-0801的瞬态响应曲线F i g.3T r a n s i e n t r e s p o n s e c u r v e o fT E S1-0801图中弧线水平长度是20,最低点到拐点的高度是0.1485V,拐点到电压稳定点的高度是0.0586.所以制冷器的响应时间为20s,总的电阻电压和塞贝克电压分别为0.1485和0.0586V,代入(11)式求得Z T值为0.39,最大制冷温差为58.5K.为了验证这种瞬态方法的精度,我们比较了由热电偶和瞬态方法测出的最大制冷温差,两种方法的测试结果分别为57和58.5K,二者相差仅2.5%,说明这种方法可以准确测试热电制冷器性能.另外,也说明在推导Z T值计算公式时,“工作电流较小的情况下焦耳热可以忽略”的假设是成立的.实验中发现去掉热端的热沉会引起Z T值增大,响应时间变长.在环境温度仍为300K,但没有热沉散热的情况下,测得热电臂的Z T值为0.45,响应时间为52s.对这个现象的解释是:无热沉的情况下,焦耳热积累造成制冷器的工作温度升高,塞贝克系数S增大,电导率σ和热导率β下降,使Z T值增大[8];冷端和热端之间的温差是通过空气对流和热电臂的热传导抵消的,加热沉后,热端的一部分热量经过热传导流入热沉,由于热传导的速度明显比热对流快[9],所以与有热沉的情况相比,无热沉时制冷器响应时间会增加.4总结本文介绍了一种可同时测量半导体热电制冷器Z T值、最大制冷温差和响应时间的瞬态方法,这种方法具有装置简单、准确度高的特点,可用于薄膜热电器件测试,另外瞬态方法耗时短,可大大缩短半导体制冷器可靠性测试的周期.在推导Z T值计算公式时,“工作电流较小的情况下焦耳热可以忽略”的假设不影响测试结果的准确性.这种方法不仅可以用于单级制冷器测试,也可用于多级阵列式制冷器测试.参考文献[1]N o l a sG S,S h a r p J,G o l d s m i d H J.T h e r m o e l e c t r i c s:b a s i cp r i n c i p l e sa n dn e w m a t e r i a l sd e v e l o p m e n t s.S p r i n g e rP r e s s,2001[2]M a h a nGD,W o o d sL M.M u l t i l a y e r t h e r m i o n i c r e f r i g e r a t i o n.P h y sR e vL e t t,1998,80:4016[3]Y e r s h o v aL B,G r o m o vG G,D r a b k i nIA.C o m p l e xe x p r e s sT E Ct e s t i n g.P r o co fX X I II n tC o n fo n T h e r m o e l e c t r i c s,L aG r a n d eM o t t e,F r a n c e,2003:504[4]C h r i s L.H e t e r o s t r u c t u r ei n t e g r a t e dt h e r m i o n i cc o o l i n g o fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s.P h D D i s s e r t a t i o n,U n i v e r s i t y o fC a l i-f o r n i aS a n t aB a r b a r a,2001[5]F a nX i a o f e n g.S i l i c o nm i c r o c o o l e r s.P h DD i s s e r t a t i o n,U n i v e r-s i t y o fC a l i f o r n i aS a n t aB a r b a r a,2002[6]W a n g H o n g j i e,C h e nJ i n c a n.O p t i m a la n a l y s i so f p e r f o r m-a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fc o mb i n e ds e m ic o nd u c t o rref r ig e r a t i o ns y s t e m.C h i n e s e J o u r n a l o fS e m i c o n d u c t o r s,2001,22(7):938(i nC h i n e s e)[王宏杰,陈金灿.耦合半导体制冷系统性能特性的优化分析.半导体学报,2001,22(7):938][7]R o w eD M.C R C h a n d b o o ko f t h e r m o e l e c t r i c s.C R C P r e s s,1995[8]X u D e s h e n g.S e m i c o n d u c t o rc o o l i n g a n d a p p l y i n g t e c h n i q u e s.S h a n g h a i:P r e s so fS h a n g a h i J i a o T o n g U n i v e r s i t y,1992(i n6 49第5期宫昌萌等: 一种测试半导体制冷器的瞬态方法C h i n e s e)[徐得胜.半导体制冷与应用技术.上海:上海交通大学出版社,1992][9] D a i G u o s h e n g .H e a tc o n d u c t i o n .B e i j i n g :H i gh E d u c a t i o n P r e s s ,1999(i nC h i n e s e)[戴锅生.传热学.北京:高等教育出版社,1999]AT r a n s i e n tM e t h o d f o rT e s t i n g Th e r m o e l e c t r i cC o o l e r s *G o n g C h a n g m e n g 1,C h e nZ h e n 1,W uZ h o u 1,C h a n g G u o q i a n g 1,Q i a nR u i m i n g 1,an dC h e nY u n f e i 1,2,=(1D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ,S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ,N a n W i n g 210096,C h i n a )(2V e y L a b o r a t o r y o f M E M So f t h eE d u c a t i o nM i n i s t r y ,S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ,N a n W i n g 210096,C h i n a )A b s t r a c t :Q 49:i g 6r 9o :=9r i 5>Q ,=a L i =6=59=89r a 56r 97i ::9r 9n 39,a n 7r 9A 8o n A 95i =9a r 9i =8o r 5a n 58a r a =959r A :o r 549r =o -92935r i 33o o 29r A .A5r a n A i 9n 5=954o 7:o r 59A 5i n g 549A 98a r a =959r A i A i n 5r o 76397,a n 75499::935o :54949a 5A i n Si Aa 2A o7i A -36A A 97.Q 49r 9A i A 5a n 39a n 7<99G 93SE o 25a g 9A 6A 975o3a 2362a 59549>Qa n 7549=a L i =6=59=89r a 56r 97i ::9r 9n 39a r 9=9a A 6r 976A i n g a 59A 5i n g A F A 59=3o =8o A 97o :aD D 862A 9g 9n 9r a 5o r a n 7aD A Q3a r 7.Q 495r a n A i 9n 5=954o 7i A A i =829a n 7a 336r a 59,a n 73a nG 96A 975o 59A 554i n :i 2=549r =o 92935r i 33o o 29r A .;na 77i 5i o n ,54i A=954o 7A 89n 7A E 9r F 2i 55295i =9.Q 46A ,i 53a nA 4o r 59n549r 92i a G i 2i 5F 59A 589r i o 7:o r 549r =o 92935r i 33o o 29r A .A 4==×4==×2.4==3o ==9r 3i a 2549r =o 92935r i 33o o 29r i A 59A 5976A i n g 54i A =954o 7.A:i g 6r 9o :=9r i 5>Qo :0.39,=a L i =6=59=89r a 56r 97i ::9r 9n 39o :58.5K ,a n 7r 9A 8o n A 95i =9o :20A i A=9a A 6r 97.K e y w o r d s :549r =o 92935r i 33o o 29r ;5r a n A i 9n 5=954o 7;r 9A i A 5a n 39E o 25a g 9;<99G 93SE o 25a g 9P A C C :6590;0150K ;7360[A r t i c l e I D :0253-4177(2006)05-0944-04*?r o V 935A 688o r 597G F 549<5a 59K 9F D 9E 92o 8=9n 5:o rN a A i 3T 9A 9a r 34o :D 4i n a (W o .2006D N 300404),549W a 5i o n a 2W a 56r a 2<3i 9n 39F o 6n 7a -5i o no :D 4i n a (W o A .50276011,50275026),a n 7549W a 56r a 2<3i 9n 39F o 6n 7a 5i o no :[i a n gA 6?r o E i n 39(W o .N K 2005063)Z D o r r 9A 8o n 7i n g a 654o r .H =a i 2:F 6n :9i 349n @A 96.976.3n T 939i E 9723<9859=G 9r 2005,r 9E i A 97=a n 6A 3r i 85r 939i E 9725W o E 9=G 9r 2005"2006D 4i n 9A 9;n A 5i 5659o :H 2935r o n i 3A 749。