延伸波長InGaAs探測器封裝用二級(jí)熱電制冷器性能研究

王 鎮(zhèn),莫德鋒,徐紅艷,李 雪,楊力怡,趙 彤

(1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200083；2.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200083；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

近紅外InGaAs探測器基于Ⅲ-Ⅴ族InP/InGaAs材料體系以及成熟的化合物半導(dǎo)體材料與工藝技術(shù),具有高靈敏度、高探測率、高均勻性、高信噪比、低功耗、低暗電流等技術(shù)特點(diǎn),在航天遙感,空間天文、微光夜視、軍事偵察等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-3]。延伸波長InGaAs探測器響應(yīng)波長可拓展到2.5 μm,需要制冷器提供冷量來降低暗電流,保證正常的工作狀態(tài)。熱電制冷器具有無運(yùn)動(dòng)部件、無污染、操作簡單、控溫精度高、體積小、可靠性高等特點(diǎn),被廣泛用于電子、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域[4-5]。基于航天應(yīng)用的熱電制冷器性能已開展了不少研究,莫德鋒等人[6-7]開展了輸入功率、散熱條件和熱負(fù)載對(duì)四級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差的影響研究以及不同氣體封裝條件下多級(jí)熱電制冷器性能的研究。江世臣等人[8]開展了某星載CCD器件所用熱電制冷器的性能研究,獲得了安裝方式、輸入功耗、負(fù)載功率與冷熱端溫差的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及大氣和真空環(huán)境對(duì)制冷器的性能影響。具體應(yīng)用時(shí),InGaAs探測器封裝用的熱電制冷器通過輻射制冷進(jìn)行冷卻和散熱,熱端溫度不穩(wěn)定,熱電制冷器往往處于273 K以下溫度工作,而關(guān)于熱電制冷器處于低溫下工作時(shí)的性能研究的報(bào)道較少,因此,需要開展低溫下熱電制冷器性能的研究。本文研究了基于真空封裝技術(shù)無熱負(fù)載條件下二級(jí)熱電制冷器的性能,研究了不同輸入電流(功率)時(shí)二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差與熱負(fù)載的關(guān)系。測量了低溫工況下二級(jí)熱電制冷器性能以及二級(jí)熱電制冷器處于不工作狀態(tài)時(shí)的表觀熱導(dǎo)率。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

實(shí)驗(yàn)所選二級(jí)熱電制冷器的型號(hào)為II-VI Marlow公司的NL2070,尺寸為40 mm×40 mm×8 mm。實(shí)驗(yàn)裝置為實(shí)驗(yàn)室自建的測試系統(tǒng),主要由真空腔體、熱沉、真空泵、數(shù)字萬用表、直流電源、熱電制冷器、加熱電阻、鉑電阻溫度計(jì)組成,如圖1所示。熱電制冷器通過導(dǎo)熱硅脂粘貼固定于熱沉上,并通過熱沉進(jìn)行散熱。三個(gè)鉑電阻溫度計(jì)通過導(dǎo)熱膠分別粘貼于熱電制冷器上端(冷端)、熱電制冷器下端(熱端)、熱沉上,用于測量三者的溫度。加熱電阻通過導(dǎo)熱膠粘貼于熱電制冷器的冷端,用于模擬InGaAs探測器工作時(shí)產(chǎn)生的熱負(fù)荷。鉑電阻溫度計(jì)通過導(dǎo)線與數(shù)字萬用表連接,加熱電阻和熱電制冷器分別通過導(dǎo)線與直流電源相連,通過調(diào)節(jié)電源的輸出電壓與電流控制加熱電阻的發(fā)熱量和熱電制冷器的制冷量。真空腔通過真空泵實(shí)現(xiàn)并保持真空環(huán)境,實(shí)驗(yàn)時(shí),真空腔環(huán)境壓力小于1×10-3Pa。當(dāng)所需熱沉溫度高于273 K時(shí),采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)充當(dāng)熱沉；當(dāng)所需熱沉溫度低于273 K時(shí),采用大功率脈管制冷機(jī)充當(dāng)熱沉并提供低溫環(huán)境。

圖1 熱電制冷器性能測試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在二級(jí)熱電制冷器處于不工作狀態(tài)時(shí)的表觀熱導(dǎo)率測量實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)裝置示意圖與圖1略有不同,主要差別在于在二級(jí)熱電制冷器與熱沉之間增加了一個(gè)四級(jí)熱電制冷器,實(shí)驗(yàn)所采用的四級(jí)熱電制冷器為KRYOTHERM公司的TB-4-(127-71-31-17)-1.65四級(jí)熱電制冷機(jī)。二級(jí)熱電制冷器與四級(jí)熱電制冷器之間,四級(jí)熱電制冷器與熱沉之間均涂敷導(dǎo)熱硅脂,三個(gè)測溫點(diǎn)分別位于二級(jí)熱電制冷器的上端、下端和四級(jí)熱電制冷器的下端,如圖2所示。此外,在二級(jí)熱電制冷器四周包覆一層防輻射片,確保來自真空腔壁面的輻射熱量盡可能僅從二級(jí)熱電制冷器的上端面進(jìn)入二級(jí)熱電制冷器。實(shí)驗(yàn)時(shí),二級(jí)熱電制冷器處于不工作狀態(tài),熱負(fù)載為0 W,四級(jí)熱電制冷器處于工作狀態(tài)。二級(jí)熱電制冷器的表觀熱導(dǎo)率λapp根據(jù)一維傅里葉傳熱定律求解得出,如式(1)所示。

(1)

式中,q為流過二級(jí)熱電制冷器橫截面的熱流量,單位W；A為水平方向二級(jí)熱電制冷器的橫截面積,單位m2；ΔZ為二級(jí)熱電制冷器的高,單位m；ΔT為二級(jí)熱電制冷器冷、熱端的溫度差,單位K。

四級(jí)熱電制冷器產(chǎn)品手冊(cè)中的性能曲線給出了不同輸入電流時(shí)制冷量Qc與冷、熱端溫差dT的關(guān)系。通過給定輸入電流,測得四級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差dT,即可獲得四級(jí)熱電制冷器的制冷量Qc。實(shí)驗(yàn)過程中,假設(shè):(1)流過二級(jí)熱電制冷器橫截面的熱流是一維的,并全部由四級(jí)熱電制冷器吸收,即認(rèn)為熱流量q等于制冷量Qc；(2)忽略二級(jí)熱電制冷器下端(熱端)與四級(jí)熱電制冷器上端(冷端)的溫差,即認(rèn)為二級(jí)熱電制冷器熱端與四級(jí)熱電制冷器熱端之間的溫差等于四級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差。從而可以根據(jù)式(1)求出二級(jí)熱電制冷器的表觀熱導(dǎo)率λapp。

圖2 鉑電阻溫度計(jì)位置分布示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無熱負(fù)載時(shí)制冷性能研究

圖3為無熱負(fù)載時(shí),二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差與輸入電流的關(guān)系以及二級(jí)熱電制冷器冷端溫度與輸入電流的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)時(shí),熱沉溫度控制在274 K。為了減小二級(jí)熱電制冷器輸入功率過大導(dǎo)致熱沉無法及時(shí)散熱而引起二級(jí)熱電制冷器制冷性能測量結(jié)果的誤差,輸入電流從2 A開始,每次測量增加0.1 A。從圖3中可以看出,一方面,隨著輸入電流的增大,二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差不斷增加,從輸入電流為2 A起,冷、熱端溫差隨著輸入電流的增大而以線性趨勢增加；另一方面,隨著輸入電流的增大,冷端溫度不斷下降,并且下降趨勢不斷減小,當(dāng)所加電流為3.7 A(功率為39.85 W)時(shí),冷端溫度達(dá)到最小值,為221.4 K,此時(shí),二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差為77.5 K。這是因?yàn)殡S著輸入電流(功率)的增大,熱電制冷器制冷量增大,冷端溫度降低,同時(shí),熱電制冷器因?yàn)檩斎牍β试龃笏a(chǎn)生的的焦耳熱也增大,并且焦耳熱增大的速率要快于制冷量增大的速率。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中的結(jié)果具有良好的一致性。

3.2 有熱負(fù)載時(shí)制冷性能研究

圖4為當(dāng)輸入電流(功率)不同時(shí),二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差與熱負(fù)載的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)時(shí),二級(jí)熱電制冷器熱端溫度保持在283 K,輸入電流為1.0～2.0 A,熱負(fù)載為0～2.0 W。從圖4中可以看出,當(dāng)輸入電流一定時(shí),隨著熱負(fù)載的增加,二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差呈線性趨勢減小,擬合公式如式(2)所示,擬和參數(shù)值如表1所示,從表1中可以看出,隨著輸入電流增大,改變單位熱負(fù)載所引起二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差的改變量減小,這是因?yàn)殡S著輸入電流(功率)的增大,熱電制冷器的制冷量增加。當(dāng)熱負(fù)載為零時(shí),二級(jí)熱電制冷器輸入電流(功率)越大,二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差越大,這一結(jié)論與3.1節(jié)得出的結(jié)論具有良好的一致性。

圖3 二級(jí)熱電制冷器制冷性能與輸入電流的關(guān)系

ΔT=a·Q+b

(2)

式中,ΔT表示二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差,單位K；Q表示熱負(fù)載,單位W；a表示擬合直線的斜率,含義為變化單位熱負(fù)載所引起二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差的變化量；b表示擬合直線的截距,含義為無熱負(fù)載時(shí)二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差。

表1 二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差與熱負(fù)載關(guān)系擬合公式參數(shù)表

3.3 低溫工況下制冷性能研究

表2為熱沉溫度、冷端溫度、熱負(fù)載一定時(shí),二級(jí)熱電制冷器熱端溫度、輸入電壓和輸入電流測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)時(shí),測試工況為熱沉溫度分別控制在233 K和238 K,冷端溫度控制在220 K,熱負(fù)載控制在1.0 W。將表2中的結(jié)果與圖4中的結(jié)果相比,可以得出,當(dāng)輸入電流(功率)、熱負(fù)載大致相等時(shí),二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差在較高溫度時(shí)更大,這是因?yàn)殡S著溫度降低,熱電制冷器的制冷效率下降。這一結(jié)論與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論具有良好的一致性。

表2 特定工況下二級(jí)熱電制冷器熱端溫度、輸入電壓和輸入電流測量結(jié)果

3.4 不工作狀態(tài)表觀熱導(dǎo)率研究

在研究不工作狀態(tài)二級(jí)熱電制冷器表觀熱導(dǎo)率時(shí),結(jié)合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件,選取了工作電流為1.7 A、3.4 A的性能曲線作為參考依據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),曲線擬合方程為

Qc=-0.09·dT+5.12 (I=1.7 A)

(3)

Qc=-0.10·dT+8.88 (I=3.4 A)

(4)

當(dāng)輸入電流為1.7 A、3.4 A時(shí),實(shí)驗(yàn)測得二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差和四級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差,結(jié)果如表3所示。將四級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差數(shù)據(jù)代入式(3)和式(4),計(jì)算得到輸入電流為1.7 A、3.4 A時(shí)的制冷量Qc分別為0.42 W和 0.57 W。將其代入式(1),可得二級(jí)熱電制冷器的表觀熱導(dǎo)率分別為8.29 W/(m·K),11.30 W/(m·K),其對(duì)應(yīng)二級(jí)熱電制冷器溫度分別為249.8 K,233.1 K。

表3 二、四級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

基于真空封裝技術(shù),二級(jí)熱電制冷器可有效地給延伸波長InGaAs探測器提供冷量并實(shí)現(xiàn)精確控溫,保證InGaAs探測器的正常工作以及良好的性能。

(1)基于真空封裝技術(shù),當(dāng)熱沉溫度為274 K,熱負(fù)載功率為0時(shí),二級(jí)熱電制冷器冷端可以達(dá)到221.5 K,冷、熱端溫差為77.5 K。

(2)輸入電流一定時(shí),隨著熱負(fù)載的增加,二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差呈線性趨勢減小,且斜率隨著輸入電流增大而增大。

(3)當(dāng)輸入電流(功率)、負(fù)載大致相等時(shí),二級(jí)熱電制冷器冷、熱端溫差在較高溫度時(shí)更大,即制冷性能更好,而在低溫下,二級(jí)熱電制冷器制冷效率降低。

(4)測得了二級(jí)熱電制冷器不工作狀態(tài)時(shí)的表觀熱導(dǎo)率,當(dāng)溫度為233.1 K 時(shí),二級(jí)熱電制冷器表觀熱導(dǎo)率為11.30 W/(m·K)；當(dāng)溫度為249.8 K 時(shí),二級(jí)熱電制冷器表觀熱導(dǎo)率為8.29 W/(m·K)。