一种全静态固体制冷器及其制备方法

本发明涉及固体制冷技术领域，尤其涉及一种全静态固体制冷器及其制备方法。

背景技术：

随着微电子技术的发展，电子器件集成度越来越大，电子芯片呈小型化，高集成度的发展趋势。高集成度使芯片的功耗越来越大，电子芯片在工作过程会产生大量的热量，热量的聚集会引起芯片的热失效。目前在电子器件的所有失效现象中，有55％是热失效引起的。因此，电子芯片的制冷技术是实现其稳定工作的保障，也将对芯片以及电子设备的微型化也将起到关键作用。

近年来，国内电子行业也越来越重视电子产品的热可靠性设计，尤其是航空、航天等行业，对电子元器件的热设计提出了制冷效率更高、制冷温度范围更宽、制冷器的体积更小等要求。传统的散热技术正在加速接近它们的极限。单独的空气冷却散热器在许多散热情形应用中仍然存在，但仅限于热流密度较小的情况，当设备的热流密度较高时，其性能就完全不能满足散热需求。由于微型化和小型化的电子器件难以直接使用传统机械压缩式设备来制冷。和绝热去磁制冷相比，利用电介质材料电卡效应的电卡制冷和半导体帕尔贴效应的热电制冷的电制冷，在技术上容易实现，且易于实现小型化，顺应微电子器件的发展。

现阶段电卡制冷是利用铁电材料在绝热条件下，通过外电场改变铁电材料的极化而引起温度变化来实现制冷。然而，电介质材料的电卡效应存在温度依耐性，即，电卡效应的温度依耐性导致器件的工作温区窄，另一方面现阶段电卡制冷器基于电介质材料的正电卡效应，采用往复式准静态结构来实现制冷，即使用马达使电介质材料交替与冷端和热端接触来输运热量。往复式准静态单电卡制冷器存在的难以小型化、有机械扰动、噪声大和可靠性低等不足，导致其难以用于电子器件等微型器件的制冷。

因此，现有技术还有待于进一步的提升。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种全静态固体制冷器及其制备方法，以解决目前基于单电卡效应的电卡制冷器存在机械扰动，以及热电制冷存在制冷效率低的不足。

第一方面，本发明实施例提供一种全静态固体制冷器，其中，包括：

第一电卡制冷器，叠设在所述第一电卡制冷器表面的热电制冷器以及叠设在所述热电制冷器表面的第二电卡制冷器；

所述第一电卡制冷器与所述第二电卡制冷器结构相同；

所述第一电卡制冷器包括：基板以及沉积在所述基板表面的具有正电卡效应和负电卡效应的电介质材料层。

可选地，所述的全静态固体制冷器，其中，所述第一电卡制冷器具体包括：导热绝缘基板，沉积在所述导热绝缘基板表面的第一电极、第二电极，沉积在所述第一电极表面的负电卡层，沉积在所述第二电极表面的正电卡层以及沉积在所述负电卡层和所述正电卡层表面的第三电极。

可选地，所述的全静态固体制冷器，其中，所述电介质材料层的材质选自钛酸钡、钛酸铅、掺杂钛酸铅、掺杂钛酸钡、氧化铪、聚偏氟乙烯、铌酸铋中的一种。

可选地，所述的全静态固体制冷器，其中，所述掺杂钛酸铅、掺杂钛酸钡中的掺杂元素选自锰、锶、锆、镧、镝中的一种。

可选地，所述的全静态固体制冷器，其中，所述电介质材料层的厚度为0.05μm-1nm。

可选地，所述的全静态固体制冷器，其中，所述热电制冷器包括：陶瓷基板以及沉积在所述陶瓷基板表面的p型半导体材料层和n型半导体材料层，所述p型半导体材料层与所述n型半导体材料层相互独立。

可选地，所述的全静态固体制冷器，其中，所述p型半导体层和所述n型半导体层的材质选自碲化铋或铋化镁。

可选地，所述的全静态固体制冷器，其中，所述p型半导体层或所述n型半导体层的厚度为0.05-500μm。

第二方面，本发明实施例提供一种全静态固体制冷器的制备方法，其中，包括：

提供第一基板；

在所述第一基板表面沉积第一电极、第二电极，所述第一电极与所述第二电极相互独立；

在所述第一电极表面沉积负电卡层，在所述第二电极表面沉积正电卡层；

在所述正电卡层和负电卡层的表面沉积第三电极，得到电卡制冷器；

提供第二基板；

在所述第二基板表面沉积第四电极、第五电极，所述第四电极与所述第五电极相互独立；

在所述第四电极表面沉积n型半导体材料层，在所述第五电极表面沉积p型半导体材料层；

在所述n型半导体材料层和p型半导体材料层表面沉积第六电极，得到热电制冷器；

所述电卡制冷器包括第一电卡制冷器及第二电卡制冷器，将第二电卡制冷器、热电制冷器及第一电卡制冷器依次叠放，得到所述全静态固体制冷器。

可选地，所述的全静态固体制冷器的制备方法，其中，所述第二基板的材质为氧化铝陶瓷或云母片。

有益效果：本发明实施例提供一种全静态固体制冷器，所述全静态固体制冷器，具有工作温度低，温度调节效果好，使用寿命较长，无运动部件、工作温度范围广、制冷效率高，稳定性和可靠性高的特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种全静态固体制冷器中电卡制冷器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种全静态固体制冷器中热电制冷器结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种全静态固体制冷器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的全静态固体制冷器的热量输运示意图。

具体实施方式

本发明提供一种全静态固体制冷器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明实施例提供一种全静态固体制冷器，其中，包括：具有正电卡效应和负电卡效应的电介质材料和导热绝缘基板组成的电卡制冷器；由p型和n型半导体材料和陶瓷基板组成的热电制冷器；所述热电制冷器与所述电卡制冷器通过导热绝缘基板连接在一起组成全静态固体制冷器。

在本实施例中，所提供的全静态固体制冷器具有工作温度低，温度调节效果好，使用寿命较长，无运动部件、工作温度范围广、制冷效率高的特点。

示例性地，如图1至图3所示，所述全静态固体制冷器包括：第一电卡制冷器10，热电制冷器20及第二电卡制冷器30，其中，所述第一电卡制冷器与所述第二电卡制冷器30的结构相同。所述第一电卡制冷器包括：基板，所述基板为导热绝缘基板11，分别涂覆在所述导热绝缘基板11上表面的第一电极12、第二电极13，容易理解的是，所述第一电极12与所述第二电极13是独立分开设置的；沉积在所述第一电极12上表面的负电卡层14，沉积在所述第二电极13上表面的正电卡层15，涂覆在所述负电卡层14及正电卡层15的上表面的第三电极16。所述热电制冷器包括：陶瓷基板21，涂覆在所述陶瓷基板21上表面的第四电极22，第五电极23，所述第四电极22与所述第五电极23为分开独立设置；在所述第四电极22的上表面沉积n型半导体材料层24，在所述第五电极的上表面沉积p型半导体材料层25，沉积在所述n型半导体材料层24和所述p型半导体材料层25上表面的第六电极26。

需要说明的是，由于所述第一电卡制冷器10与所述第二电卡制冷器30的结构相同，在此不再对所述第二电卡制冷器30做详细叙述。将热电制冷器20的陶瓷基板的下表面与所述第一电卡制冷器10中的第三电极的上表面进行接触，即热电制冷器20叠设在所述第一电卡制冷器10的上方，将所述第二电卡制冷器30叠设在所述热电制冷器中的第六电极的上表面，组成全静态固体制冷器。

结合图4，在本实施例中，所述全固态制冷器的工作原理如下：

将全静态固体制冷器的第一电卡制冷器与被制冷端接触，首先，与被制冷端相连接的冷端电卡制冷器工作，利用负电卡效应从冷端吸收热量，此时热电制冷器不工作；然后，冷端电卡制冷器停止工作，热电制冷器工作，利用热电效应将热量输运到散热端相连接的热端电卡制冷器；最后，热电制冷器停止工作，热端电卡制冷器工作，利用正电卡效应将热量从热电制冷器输运到外部，重复上述过程，最终实现制冷。

在本实施例的一种实现方式中，所述电卡制冷器中的电介质材料包括但不限于钛酸钡、钛酸铅、掺杂钛酸铅、掺杂钛酸钡、氧化铪、聚偏氟乙烯、铌酸铋等。

进一步地，所述掺杂钛酸铅、掺杂钛酸钡中所掺杂的元素可以为锰、锶、锆、镧、镝，通过在钛酸铅和钛酸钡中掺杂锰、锶、锆、镧、镝，可以使其具有负电卡效应。即通过掺杂扩大了负电卡材料的种类，方便了对负电卡材料的选取。

在本发明的一种实现方式中，电卡制冷器中的电介质材料可以为单层或多层，即负电卡层可以是单层也可以是多层，所述正电卡层可以是单层也可以是多层，作为举例，所述负电卡层为1层至10层，10层至20层，20层至30层，30层至40层，40层至50层，50层至60层，60层至70层，70层至80层，80层至90层，90层至100层；所述正电卡层为1层至10层，10层至20层，20层至30层，30层至40层，40层至50层，50层至60层，60层至70层，70层至80层，80层至90层，90层至100层。

需要说明的是，负电卡层的层数与所述正电卡层的层数可以相同，也可以不相同。比如说，负电卡层为50层，正电卡层的层数可以是50层，当然也可以是60层，正电卡层的层数与负电卡层的层数可以根据实际的使用进行选择设置。同时，随着正电卡层或负电卡层的层数的增加，即厚度越大，操作的时候需要的电压也就越高，但是相应的吸收的热量也就越大。

在本实施例的一种实现方式中，所述电卡制冷器中的电介质材料单层的厚度为0.05μm至1.0μm，1.0μm至1.5μm，1.5μm至2.0μm，2.0μm至3.0μm，3.0μm至4.0μm，4.0μm至5.0μm，5.0μm至6.0μm，6.0μm至7.0μm，7.0μm至8.0μm，8.0μm至9.0μm，9.0μm至10μm。

在本实施例的一种实现方式中，所述电卡制冷器中的电介质材料(电卡材料)可以由等固相烧结、溅射等方法制备而成，其中，所述的等固相烧结，指得是所用的混合粉末的量是相同的，在高温下混合粉末相互扩散，使微观离散颗粒逐渐形成连续的固态结构，此过程混合粉末整体自由能降低，强度提高。所述的溅射是以一定能量的粒子(离子或中性原子、分子)轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺。通过采用等固相烧结、溅射制备电卡材料，可以获得结构致密的电卡材料。

在本实施例的一种实现方式中，所述热电制冷器中的p型和n型半导体材料，包括但不限于：碲化铋、铋化镁等。所述p型半导体材料层或n型半导体材料层的厚度可以为0.05μm至5μm，5μm至10μm，10μm至20μm，20μm至50μm，50μm至100μm，100μm至150μm，150μm至200μm，200μm至300μm，300μm至400μm，400μm至500μm。

需要说明的是，所述p型半导体层和所述p型半导体层的厚度可以相同也可以不同，作为举例，所述p型半导体层的厚度为200μm，所述n型半导体层的厚度可以是200μm，也可以是300μm，又或者是100μm等等。所述p型半导体层的厚度与所述n型半导体层的厚度可以根据实际需要进行设置。

在本实施例的一种实现方式中，所述全静态固体制冷器中的电极材料包括但不限于铜，铜镍合金，银、铂等。即，所述第一电极的材料可以是铜、第二电极的材料可以是铜，第三电极的材料可以是银，第四电极材料及第五电极材料可以是铜镍合金，第六电极材料可以是铂。

在本实施例的一种实现方式中，所述热电制冷器中的基板材料可以是氧化铝陶瓷，云母片等，具有良好的绝缘导热作用。

基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种全静态固体制冷器的制备方法，所述方法包括步骤：

提供第一基板；

在所述第一基板表面沉积第一电极、第二电极，所述第一电极与所述第二电极相互独立；

在所述第一电极表面沉积负电卡层，在所述第二电极表面沉积正电卡层；

在所述正电卡层和负电卡层的表面沉积第三电极，得到电卡制冷器；

提供第二基板；

在所述第二基板表面沉积第四电极、第五电极，所述第四电极与所述第五电极相互独立；

在所述第四电极表面沉积n型半导体材料层，在所述第五电极表面沉积p型半导体材料层；

在所述n型半导体材料层和p型半导体材料层表面沉积第六电极，得到热电制冷器；

所述电卡制冷器包括第一电卡制冷器及第二电卡制冷器，将所述热电制冷器及所述第二电卡制冷器依次叠设在所述第一电卡制冷器上，得到所述全静态固体制冷器。

具体来说，可以先制备第一电卡制冷器和第二电卡制冷器，接着制备热电制冷器，当然也可以先制备热电制冷器，接着制备第一电卡制冷器和第二电卡制冷器，即制备的先后顺序不做限定。提供用于制备第一电卡制冷器的基板，如导热绝缘基板，配制电卡材料浆料，如配制钛酸钡浆料，采用流延法制备出正电卡层，配制锰掺杂钛酸铅浆料，采用流延法制备出负电卡层。其中，电卡层的厚度可以是0.5-10微米，例如正电卡层厚度为2微米，负电卡层的厚度可以是3微米。

采用溅射方法在导热绝缘基板上制备出第二电极及第一电极，其中第二电极与正电卡层适配，第一电极与负电卡层适配。其中，第一电极、第二电极的厚度可以为200nm，再在所述正电卡层和所述负电卡层的另一表面采用银浆将铜箔与所述正电卡层和所述负电卡层相连，形成第三电极，电极制备完成后，将涂覆有电极的正电卡层、负电卡层制备在导热绝缘基板上，得到了第一电卡制冷器，采用与制备第一电卡制冷器相同的制备方法，可以得到第二电卡制冷器。

制备热电制冷器，提供氧化铝陶瓷材质的基板，以p型和n型碲化铋材料为原料制备出p型半导体层和n型半导体层，以铜为电极材料制备出电极，将p型半导体层、n型半导体层与铜电极层焊接连接在一起，再同氧化铝陶瓷材质的基板相连接，构成热电制冷器。

将热电致冷器同第一电卡制冷器相连接，将第二电卡制冷器同热电制冷器相连接，从而得到全静态固体制冷器。

综上所述，本发明提供一种全静态固体制冷器及其制备方法，所述全静态固体制冷器包括：第一电卡制冷器，叠设在所述第一电卡制冷器表面的热电制冷器以及叠设在所述热电制冷器表面的第二电卡制冷器；所述第一电卡制冷器与所述第二电卡制冷器结构相同；所述第一电卡制冷器包括：基板以及沉积在所述基板表面的具有正电卡效应和负电卡效应的电介质材料层。本发明所提供的基于电卡-热电效应的全静态固体制冷器，具有工作温度低，温度调节效果好，使用寿命较长，无运动部件、工作温度范围广、制冷效率高，稳定性和可靠性高的特点。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。