一种基于铁电薄膜正负弹热效应的固体制冷器的制作方法

本发明涉及电子元器件制冷领域，特别涉及一种基于铁电薄膜正负弹热效应的固体制冷器。

背景技术：

目前，传统的气体压缩制冷技术效率低，而且使用氟利昂作为致冷剂对臭氧层产生破坏，随着精密电子元器件不断向高集成化、小型化和高频化方向发展，对电子芯片的散热要求越来越高。由于固体制冷器件能方便地集成到电子器件系统中，同时工作温度区间大，制冷效果好等优点，该技术成为电子芯片和电子器件最有效的制冷方式。

铁电材料具有弹热效应，即在绝热条件下，对铁电材料施加应力可以改变其极化强度，从而引起其温度变化。研究发现，铁电材料具有巨弹热效应，引起的温度变化与弹热效应引起的温度变化相当。因此利用铁电材料的弹热效应研制的固体制冷器其制冷系数远远高于半导体制冷器的制冷系数。另一方面，铁电材料可方便地集成到电子元器件中，在芯片制冷以及传感器等器件的温度调节方面具有重要的应用前景。

传统的铁电固体制冷器，一般是先制备初始状态为高熵状态的铁电薄膜，如极化无序状态的铁电薄膜，然后在绝热条件下对薄膜施加一外加应力场，此时由于应力作用，铁电薄膜极化状态改变，由无序状态变为有序状态，导致铁电薄膜熵减小，温度升高。此时撤去绝热条件，铁电薄膜由于热传递向外界散热；当铁电薄膜与散热层5达到热平衡，热传递停止，然后绝热条件下对铁电薄膜撤去应力场，由于没有了应力的作用，铁电薄膜极化状态由有序回到无序状态，导致铁电薄膜熵增大，温度降低。此时撤去绝热条件，铁电薄膜由于热传递向吸热层4吸热，使被制冷物质温度降低。以上两个过程是交替进行的，要实现制冷系统的连续运作，使铁电薄膜不断从被制冷物质吸热和对外界散热，就必须满足铁电薄膜分别与散热层5和吸热层4交替接触。这就要求制冷系统部分部件“或是铁电薄膜，或是与散热层5或吸热层4接触的极端”运动，大大降低了制冷系统的可靠性。

本发明所述的固体制冷器，是先制备初始极化状态为多畴结构的铁电薄膜，对铁电薄膜施加拉应力，铁电薄膜出现负弹热效应，温度降低，由于热传递作用，铁电薄膜从吸热层4吸热；对铁电薄膜施加压应力，铁电薄膜出现正弹热效应，温度升高，由于热传递作用，铁电薄膜向散热层5一端散热。交替改变应力场，就可以实现对制冷端的冷却和向散热层5的散热，而不需要相关部件的运动，这大大提高了固体制冷器的稳定性和可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，为此本发明提供了一种具有工作温度低，温度调节效果好，无运动部件、工作温度范围广、适用范围广、制冷效率高，稳定性和可靠性高的基于铁电薄膜正负弹热效应的固体制冷器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明包括铁电薄膜1、外加应力装置2、导热基底3、吸热层4、散热层5，所述的铁电薄膜1与导热基底3的一面相连，导热基底3另一面设置散热层5，外加应力装置2与铁电薄膜1相连，所述外加应力装置2上设置有双闸开关，双闸开关控制外加应力装置2向铁电薄膜1施加拉应力或压应力，所述铁电薄膜1具有多畴结构，铁电薄膜1与导热基底3相对的另一面与吸热层4相连。

所述铁电薄膜1采用钛酸铅、钛酸钡、钛酸铋、铌酸锂中的任意一种制作，是更适合的畴结构铁电材料。

所述铁电薄膜1的厚度为0.05-100μm。

所述铁电薄膜1采用激光分子束外延法或脉冲激光沉积法生长在导热基底3上，也可通过其他物理、化学方法制备。

所述导热基底3采用氧化铝或石英制成，具有良好的热传递性能。

所述的多畴结构为90°畴结构或180°畴结构，可实现比较明显弹热效应。

所述外加应力的大小为-2-2gpa。

所述的铁电薄膜1与外加应力装置2直接连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所述的固体制冷器，是先制备初始极化状态为多畴结构的铁电薄膜，对铁电薄膜施加拉应力，铁电薄膜出现负弹热效应，温度降低，由于热传递作用，铁电薄膜从吸热层4吸热；对铁电薄膜施加压应力，铁电薄膜出现正弹热效应，温度升高，由于热传递作用，铁电薄膜向散热层5一端散热。交替改变应力场，就可以实现冷却和散热层5散热，而不需要相关部件的运动，这大大提高了固体制冷器的稳定性和可靠性，还可以通过可控的应力转换来根据实际需要灵活的调整铁电薄膜的状态，使得适用范围更广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明实施例1得到的180°畴结构pbtio3铁电薄膜在2gpa下的温度分布图。

图3为本发明实施例2得到的180°畴结构pbtio3铁电薄膜在-2gpa下的温度分布图。

图4为本发明实施例3得到的180°畴结构pbtio3铁电薄膜在不同应力下的绝热温度改变曲线。

图中：1-铁电薄膜，2-外加应力装置，3-导热基底，4-吸热层，5-散热层。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1，本发明包括铁电薄膜1、外加应力装置2、导热基底3、吸热层4、散热层5，所述的铁电薄膜1与导热基底3的一面相连，导热基底3另一面设置散热层5，外加应力装置2与铁电薄膜1相连，所述外加应力装置2上设置有双闸开关，双闸开关控制外加应力装置2向铁电薄膜1施加拉应力或压应力，所述铁电薄膜1具有多畴结构，铁电薄膜1与导热基底3相对的另一面与吸热层4相连；采用激光分子束外延技术在氧化铝基底上制备钛酸铅铁电薄膜，所制备的铁电薄膜具有180°畴结构，其中钛酸铅铁电薄膜的厚度为0.05μm。然后将铁电薄膜和应力装置连接，如图1所示。通过对钛酸铅铁电薄膜上施加拉应力驱动制冷器工作，施加的应力大小为2gpa，依靠铁电薄膜的电畴在拉应力下产生的负弹热效应实现制冷。得到180°畴结构pbtio3铁电薄膜温度分布图如图2所示。180°畴壁附近发生负弹热效应时，其温度变化δt为10-12k。参阅图1-4。

实施例2，本发明包括铁电薄膜1、外加应力装置2、导热基底3、吸热层4、散热层5，所述的铁电薄膜1与导热基底3的一面相连，导热基底3另一面设置散热层5，外加应力装置2与铁电薄膜1相连，所述外加应力装置2上设置有双闸开关，双闸开关控制外加应力装置2向铁电薄膜1施加拉应力或压应力，所述铁电薄膜1具有多畴结构，铁电薄膜1与导热基底3相对的另一面与吸热层4相连；采用脉冲激光沉淀法在石英基底上制备钛酸铅铁电薄膜，所制备的铁电薄膜具有180°畴结构，其中钛酸铅铁电薄膜的厚度为0.05μm。然后将铁电薄膜和应力装置连接，如图1所示。通过对钛酸铅铁电薄膜上施加压应力驱动制冷器工作，施加的应力大小为-2gpa，依靠铁电薄膜的电畴在压应力下产生的正弹热效应实现制冷。得到180°畴结构pbtio3铁电薄膜温度分布图如图3所示。180°畴壁附近发生正弹热效应时，其温度变化δt为4-4.5k。参阅图1-4，其余同实施例1。

实施例3，本发明包括铁电薄膜1、外加应力装置2、导热基底3、吸热层4、散热层5，所述的铁电薄膜1与导热基底3的一面相连，导热基底3另一面设置散热层5，外加应力装置2与铁电薄膜1相连，所述外加应力装置2上设置有双闸开关，双闸开关控制外加应力装置2向铁电薄膜1施加拉应力或压应力，所述铁电薄膜1具有多畴结构，铁电薄膜1与导热基底3相对的另一面与吸热层4相连；采用原子层沉积法在氧化铝基底上制备钛酸铅铁电薄膜，所制备的铁电薄膜具有180°畴结构，其中钛酸铅铁电薄膜的厚度为0.05μm。然后将铁电薄膜和应力装置连接，如图1所示。通过对钛酸铅铁电薄膜上施加不同的应力驱动制冷器工作，施加的应力范围为-2gpa-2gpa，依靠铁电薄膜的电畴在不同应力下产生的正弹热效应或负弹热效应实现制冷。得到180°畴结构pbtio3铁电薄膜绝热温度改变曲线如图4所示。在施加应力范围为-2gpa-2gpa时，180°畴结构pbtio3铁电薄膜绝热温度变化δt约为13k。参阅图1-4，其余同上述实施例。

实施例4，所制备的铁电薄膜为钛酸钡，其余同实施案例1，铁电薄膜工作时的温度变化分布如图2所示。参阅图1-4，其余同上述实施例。

实施例5，所制备的铁电薄膜为钛酸铋，其余同实施案例2，铁电薄膜工作时的温度变化分布如图3所示。参阅图1-4，其余同上述实施例。

实施例6，所制备的铁电薄膜为铌酸锂，其余同实施案例3，铁电薄膜工作时铁电薄膜绝热温度改变曲线如图4所示。参阅图1-4，其余同上述实施例。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。