半导体制冷片性能检测系统的研究

发布时间：2020-07-14 01:44

【摘要】：随着半导体制冷片在温度控制领域得到越来越广泛的应用,国内市场中使用半导体制冷片生产的中低端制冷器也已初具规模。国内的半导体制冷片生产厂家在性能检测仪器上需要花费大量的金钱进口国外的仪器,自主研发的检测仪器又大多存在缺陷,缺乏合适的制冷片性能测试仪器给这些生产厂家的产品质量检测带来了极大的困扰。针对这种情况,本文目标研究一套能对半导体制冷片性能参数进行全面检测,精度满足国内工业生产要求,价格适中、操作方便、性能可靠的半导体制冷片性能检测系统。本文从半导体制冷片的制冷原理出发,设计了不同性能参数的测量方法,提高了测量精度,改进了器件电阻_0R和优值系数Z的测量方法:测器件电阻_0R时,采用小电流交流驱动的方法,消除塞贝克效应对测量结果的影响;测优值系数Z时,采用了根据制冷片工作状态下冷热端热力学平衡公式推导得到的快速测量法,提高了测量速度。在系统的搭建上,本文以STM32为系统控制器,设计了系统各功能电路,关键电路有:程控恒流源、信号采集放大电路、温度测量电路、H桥逆变电路等。本文为测量系统设计了GA优化的LADRC温度控制装置,可以在参数测量时,精确控制待测制冷片的温度,进一步提高测量系统的精度。本文对检测系统进行了性能测试,实验结果表明,测量系统在精度、稳定性和重复性上的表现良好。本测量设备造价远远低于传统的测量仪器,设备体积更小,操作更加快捷方便,虽然在测试准确度上与国外进口的先进仪器相比仍有不足,但能够基本满足工业生产检测需求,能够全面的测量半导体制冷片的各个性能参数,帮助厂家完成质量评估,具有广泛的应用前景。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273;TB657
【图文】：

外形图,外形,半导体制冷技术

a) TEC 外观图 b) TEC 内部结构图图 1.1 TEC 外形与结构半导体制冷片通常由 2 种不同的半导体材料（N 型半导体和 P 型半导体）的组成。半导体晶粒组成的热电偶的上下面覆盖陶瓷片或其他导热的绝缘材料在热力学上并联，在电力上串联排列，接上直流电后，在 N 型半导体材料和半导体材料的接点处会发生珀耳贴效应，上下两面陶瓷片一片降温，一片发]。半导体制冷技术与其他制冷方案相比有许多优势[2,6]，如：1. 机械结构简单，不存在可活动部件；2. 适用于空间受限，对可靠性要求高的场合；3. 绿色环保，不使用制冷剂；4. 工作方式灵活；随着半导体制冷技术的不断发展，TEC 凭借传统温度控制方法所不具备的优势，在各个领域得到了广泛的应用，例如：在汽车工业中的空调系统，民活中的便携式冰箱，生物医学[7]中的胰岛素针保存盒，航空航天军事中导航

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的耦合热忽略不计[14]。综上所述，最终可以将公式（1-24）和公式（1-25）化为0 20 012Q IT K T RI(1-26)' 1 20 012Q IT K T RI(1-27)可见在热端散热良好的状态下，半导体制冷片的制冷效果由本身器件电阻R 、料的赛贝克系数和热导K 以及工作电流I 决定。.4 半导体制冷片性能检测技术的研究背景与目的意义国外对热电材料的研究时间较长，研究成果也更为丰富[15]。1987 年，优值数 Z 的精度更是被苏联科学家卢克穆斯基精确到小于 9%[16]。目前国外比较可的半导体材料测试仪有电导率-赛贝克系数扫描探针显微镜和 SBA-458 同步赛克-电导率测试系统，如图 1.4 所示。

关系图,驱动电流,上下表面,关系图

Rt /s1tSV图 2.4 半导体制冷片tU与时间关系曲线如图 2.4 所示，我们认为通电瞬间 TEC 两端还未建立温差，此时两端电t 为电阻电压RV 。此后随着温差变大，电压不断上升，在1t 时刻温差稳定持在maxU ，与原来相比，上升的电压值为赛贝克电压，记为SV 。在时刻断流源供电，因为赛贝克电压无法突变此时测量 TEC 两端电压可以得到。上述Z 值测量方案需要满足1 0T T 1℃，即 T 足够小的前提。1T 和0T 的大驱动电流I 的大小有关，在一定范围内， T 随着电流增大而增大。在驱动很小的情况下，和足够接近，使得0 1 。本文对 12705 和 12706 型 TEC 制冷片进行电流-温度测试，得到这两种型号 TEC 制冷片在环境温度℃情况下，冷热端温差关于驱动电流的关系图。

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