一种半导体制冷器件的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种半导体制冷器件，包括半导体制冷片，所述半导体制冷片由上基板和下基板，以及位于上基板和下基板之间的多组P-N结半导体组成，所述上基板与下基板的空隙处填充有具有隔热绝缘作用的气凝胶层。与现有半导体制冷器件相比，本实用新型采用新型二氧化硅气凝胶材料，具有质量轻、不额外占用体积、抗过载能力强、稳定性高的优点；其单位功耗下的制冷效率提高10%以上，特别适用于在功率较低，而制冷要求较苛刻下的制冷设备；只增加一道灌装工序，原有生产工艺可保持不变，无需重新设计生产装备，改进成本低。1~1
【专利说明】一种半导体制冷器件
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种制冷器件，尤其涉及一种半导体制冷器件。
【背景技术】
[0002]半导体制冷是电流换能型制冷方式，又称热电制冷，既能制冷，又能加热，通过对输入电流的控制，可实现对温度的高精度控制，制冷过程不需要任何制冷剂，没有旋转部件，无噪音，无振动，广泛应用于武器装备、医疗实验仪器、专用测试仪器以及日常生活方面。
[0003]半导体制冷实现的关键是半导体制冷片。半导体制冷片是利用特种半导体材料构成P-N结，形成热电偶对，在通直流电时产生帕尔贴效应，实现热量转移，一端吸热，另一端放热。
[0004]在额定功率下，要提高半导体制冷片的制冷效率，主要有两个方面措施:一是选择优值系数高且耐高温的半导体材料；二是提高制冷片的散热及隔热措施。目前广泛实用的半导体制冷材料是以碲化铋为机体的三元固溶体合金。
[0005]单独一对单元热电偶产生的热量转移很少，仅有0.117W-0.7W，实际使用中常把各对单元串联起来，形成一组热电偶(一级电堆)，两侧用陶瓷片夹持，制成一定尺寸的半导体制冷片。中国专利CN202734342U名称为“半导体制冷器”即为此种结构。由于这种半导体制冷片的厚度很薄，在外界散热不充分的情况下，制冷片工作时热端产生的热量很容易通过制冷片本身回流至冷端，降低了制冷片的制冷效率。
[0006]国内文献主要集中在如何提高制冷片冷热两端的散热能力上。中国专利CN202792679U名称为半导体制冷装置，采用在制冷片两侧加装金属导热块并用绝缘螺丝固定的方式提高了单个制冷片的效率，但这同时也大大增加了制冷片组件的体积和重量，适合于对体积重量要求不敏感的产品。
[0007]中国专利CN103682074A名称为“高导热性金属电路半导体制冷片及其加工方法”即通过采用类钻碳镀膜的金属基板，代替传统的陶瓷基板，从而提高制冷片两端散热效率，该方式也一定程度上增加了制冷片的质量，同时生产工艺复杂,成本较高。
实用新型内容
[0008]本实用新型的目的就在于克服现有半导体制冷片空气隔热保温性能的不足，提供一种几乎不改变原有制冷片质量及体积，同时又能有效提高单位功耗下制冷效率的半导体制冷器件。
[0009]为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:一种半导体制冷器件，包括半导体制冷片，所述半导体制冷片由上基板和下基板，以及位于上基板和下基板之间的多组P-N结半导体组成，所述上基板与下基板的空隙处填充有具有隔热绝缘作用的气凝胶层；
[0010]作为优选，所述气凝胶层为添加玻璃纤维增强后的二氧化硅气凝胶；
[0011]作为优选，所述P-N结半导体为碲化铋P-N结半导体。
[0012]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:
[0013](I)本实用新型采用新型二氧化硅气凝胶材料，具有质量轻、不额外占用体积、抗过载能力强、稳定性高的优点。
[0014](2)本实用新型相比未填充该材料的半导体制冷片，其单位功耗下的制冷效率提高10%以上，特别适用于在功率较低，而制冷要求较苛刻下的制冷设备。
[0015](3)本实用新型基于工业级半导体制冷片，只增加一道灌装工序，原有生产工艺可保持不变，无需重新设计生产装备，改进成本低。
[0016](4)本实用新型应用于半导体制冷装备，在环境温度25°C和总功耗小于80W时，单片半导体制冷片冷热端实际温差可以提高8.5°C，对5L容积内的有效载荷其制冷温度可控至-20°C (冷端温度-25°C )，并保持长时间连续工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型结构主视图的剖视图；
[0018]图2为本实用新型结构俯视图的剖视图。
[0019]图中:1、P-N结半导体；2、气凝胶层；3、上基板；4、下基板。
【具体实施方式】
[0020]实施例:下面将对本实用新型作进一步说明，
[0021]在实验过程中我们发现，当制冷系统稳定工作时，制冷片自身的漏冷量占到总漏冷量的30%左右。而通过检索及查阅相关资料，目前国内缺少能够有效提高半导体制冷片自身隔热性能的实例。本实用新型正是基于通过增加制冷片内部热阻进而提高单位功率下的制冷效率的有效途径。
[0022]一种半导体制冷器件，如图1、图2所示，包括半导体制冷片，所述半导体制冷片由上基板3和下基板4，以及位于上基板3和下基板4之间的多组P-N结半导体I组成，所述P-N结半导体I为碲化铋P-N结半导体，所述上基板3与下基板4的空隙处填充有具有隔热绝缘作用的气凝胶层2 ;作为优选，所述气凝胶层2为添加玻璃纤维增强后的二氧化硅气凝胶，玻璃纤维增强的二氧化硅气凝胶为本领域技术人员公知的技术，本申请不对其配比进行保护，玻璃纤维只起到增加强度的作用。
[0023]一种半导体制冷器件制造方法，将制冷器的连接线使用胶带保护后，放入配有玻璃纤维增强后的二氧化硅气凝胶的容器中，使胶液充满整个热电制冷器。待胶液凝胶后，将制冷器置于疏水化试剂中进行气凝胶的疏水化处理，后置于溶剂中进行溶剂置换，最后放入超临界干燥设备中进行干燥处理。制冷器取出后，对表观进行保护后，对使用聚酰亚胺胶带和硅橡胶对其进行封边处理。
[0024]对比测试结果
[0025]试验采用5L容积的封闭箱体，内置2L有效载荷(以水为例)。设定电压12.0V,保持不变。环境温度25°C。
[0026]工业级半导体制冷片测试结果，如表I所示；
[0027]表I
[0028]时间电压电流载荷温度冷端温度热端温度实际温差
(h)(V)(A) (0C) (°C) (°C)(0C)
012.05.22 25.9 20.8 29.99.1
112.05.15 0.1 -M 8 3246.8
212.05.09 -12.9 -19.0 32.851.8
312.05.33 -14.1 -19.2 32.852
[0029]本实用新型的测试结果，如表2所示:
[0030]表 2
[0031]
时间电压电流载荷温度冷端温度热端温度实际温差
(h) (V)(A)(°C)(0C)(0C) (°C)
012.05.2123.820.231 911.7
112,05.09-5.6-16.533.449.9
212.05.K)—16.7-2435.359.3
312.05.07-20.4-25.435, I60.5
[0032]二氧化硅气凝胶材料性能参数，如表3所示；
[0033]表3
[0034]
材料名称孔洞尺比表面积最高使密度g/cm3室温导热系数
寸(nm) (m2/g)用温度W/(m.K)
气凝胶材(广 100200^1000 800。C0.00:Γ().5 0.0I ?0.02
料____
[0035]以上对本实用新型所提供的一种半导体制冷器件进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，对本实用新型的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
【权利要求】
1.一种半导体制冷器件，包括半导体制冷片，其特征在于:所述半导体制冷片由上基板和下基板，以及位于上基板和下基板之间的多组P-N结半导体组成，所述上基板与下基板的空隙处填充有具有隔热绝缘作用的气凝胶层。
2.根据权利要求1所述的一种半导体制冷器件，其特征在于:所述气凝胶层为二氧化硅气凝胶层。
3.根据权利要求1所述的一种半导体制冷器件，其特征在于:所述P-N结半导体为碲化铋P-N结半导体。
【文档编号】H01L35/34GK204029870SQ201420306709
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】时平, 张华 , 胡彦亮, 郭峰, 陈粵海, 马良 申请人:四川航天系统工程研究所