CN103197710A - 雪崩光电二极管的低温温度控制装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雪崩光电二极管的低温温度控制装置，固定座上设有用于放置热敏电阻的安放孔、用于安装半导体制冷芯片的安放曲面和用于固定安装雪崩光电二极管的螺纹孔；安放曲面上设有导热硅胶片；热敏电阻为PT100热敏电阻，半导体制冷芯片为5级制冷半导体制冷芯片；固定座的底面和半导体制冷芯片的顶面之间通过ST0903环氧导热粘接胶密封连接；半导体制冷芯片的底面通过ST0903环氧导热粘接胶密封连接在散热铜片的上表面；风扇通过相适配的螺栓和螺帽安装在散热铜片的下表面。本发明还提供了一种雪崩光电二极管的低温温度控制装置的制作方法本发明制作简单、成本低、工作效率高、制冷速度快，而且运行稳定性好、使用寿命长。

Description

雪崩光电二极管的低温温度控制装置及其制作方法

技术领域

    本发明涉及一种用于单光子探测、量子密钥分配终端的二极管的低温温度控制装置及其制作方法，尤其涉及一种雪崩光电二极管的低温温度控制装置及其制作方法。

背景技术

随着量子通信技术和单光子探测技术的发展，对系统的低温温度控制要求越来越高，利用雪崩光电二极管（以下简称APD）特有的“雪崩效应”可以将微弱的信号进行雪崩放大，从而可以使系统很好的接收、采集。雪崩光电二极管以下简称APD。

APD发生自持雪崩增益时需要在APD两端加上偏置电压，称为“雪崩电压”。雪崩电压与APD的工作温度有关，当温度降低时，电压随之降低。因为温度降低会使晶格散射作用减弱，增加了载流子的平均自由程，载流子在较低的场强下就可以获得足够的能量来碰撞出电子－空穴对，因而降低了雪崩电压。所以温度控制对APD能够实现“雪崩效应”尤为重要。APD的工作温度一般在-50℃左右，温度控制部分为APD 提供必需的低温环境，一般使用半导体热电冷却器件将其冷却至该温度，并利用温控器件将该温度稳定在± 0.1℃范围内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主动式低温防水散热装置，本主动式低温防水散热装置结构简单、成本低、使用方便，防水效果以及隔空气效果很好，便于实际应用。本发明还提供了一种主动式低温防水散热装置的制作方法，本动式低温防水散热装置的制作方法操作简单，所制作的动式低温防水散热装置结构简单、成本低、使用方便，防水效果以及隔空气效果很好，便于实际应用。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种雪崩光电二极管的低温温度控制装置，包括固定座、半导体制冷芯片和散热铜片、风扇和用于检测雪崩光电二极管的温度的热敏电阻；其特征在于：所述固定座上设有用于放置热敏电阻的安放孔、用于安装半导体制冷芯片的安放曲面和用于固定安装雪崩光电二极管的螺纹孔；所述安放曲面上设有导热硅胶片；所述热敏电阻为PT100热敏电阻，所述半导体制冷芯片为5级制冷半导体制冷芯片；所述固定座的底面和半导体制冷芯片的顶面之间通过ST0903环氧导热粘接胶密封连接；所述半导体制冷芯片的底面通过ST0903环氧导热粘接胶密封连接在散热铜片的上表面；所述ST0903环氧导热粘接胶由ST0903A胶和ST0903B胶按照体积比2:1的比例均匀混合配制而成；所述风扇通过相适配的螺栓和螺帽安装在散热铜片的下表面。

为实现上述技术目的，本发明还提供了一种雪崩光电二极管的低温温度控制装置的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：将固定座的表面打磨光滑；

步骤2：将ST0903A胶和ST0903B胶按照体积比2:1的比例均匀混合，配制成ST0903环氧导热粘接胶；

步骤3：在25℃的温度下，将步骤2配制好的ST0903环氧导热粘接胶均匀涂抹在热敏电阻外表面，然后将热敏电阻放在固定座的安放孔里面；所述热敏电阻用于检测雪崩光电二极管的温度；所述热敏电阻为PT100热敏电阻； 

步骤4：将半导体制冷芯片的顶面打磨光滑，然后在25℃的温度下，在固定座的底面和半导体制冷芯片的顶面均匀涂抹上步骤2配置好的ST0903环氧导热粘接胶，再将固定座的底面压紧在TEC顶面，使固定座和半导体制冷芯片的顶层密封连接；所述半导体制冷芯片为5级制冷半导体制冷芯片；

步骤5： 将半导体制冷芯片的底面和散热铜片的上表面打磨光滑，然后在25℃的温度下将ST0903环氧导热粘接胶均匀涂抹在半导体制冷芯片的底面和散热铜片的上表面，再将半导体制冷芯片放在在散热铜片上并且来回均匀滑动半导体制冷芯片，同时向散热铜片的方向按压半导体制冷芯片，以使位于半导体制冷芯片和散热铜片之间的ST0903环氧导热粘接胶贴合效果更好，然后在40℃环境下静置24小时，使半导体制冷芯片和散热铜片牢固粘接在一起，同时使半导体制冷芯片和散热铜片密封连接； 

步骤6：通过相适配的螺栓和螺帽将风扇紧密安装在散热铜片的下表面。

本发明的原理是利用帕尔贴效应，即两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，通过向装置内吸收热量以及向外界散发热量从而达到APD的工作温度，实现“雪崩效应”。本发明基于APD的“雪崩效应”和半导体制冷技术，利用TEC的制冷效果使得环境温度达到APD的工作温度，实现“雪崩效应”，并且通过高灵敏度的PT100热敏电阻实时监控APD的工作温度，通过控制芯片，达到对温度的闭环控制。本发明在工艺上经过不断试验，通过ST0903环氧导热粘接胶，解决了固定座与TEC的定面之间的密封盒固定、热敏电阻和固定座之间的密封盒固定以及TEC的底面和散热铜片得上表面之间的密封和固定问题，这样不仅提高了本发明的工作效率、制冷速度，而且大大提高了本发明的稳定性，延长了APD和TEC的工作寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2是本发明固定座的俯视结构示意图

图3是本发明TEC的侧视结构示意图

图4是本发明风扇的结构示意图

图5是本发明散热铜片的结构示意图

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

具体实施方式

实施例1

参见图1、图2、图3、图4和图5，本雪崩光电二极管的低温温度控制装置，包括固定座1、半导体制冷芯片2和散热铜片3、风扇4和用于检测雪崩光电二极管的温度的热敏电阻5；其特征在于：所述固定座1上设有用于放置热敏电阻5的安放孔6、用于安装半导体制冷芯片2的安放曲面7和用于固定安装雪崩光电二极管的螺纹孔8；所述安放曲面7上设有导热硅胶片；所述热敏电阻5为PT100热敏电阻，所述半导体制冷芯片2为5级制冷半导体制冷芯片；所述固定座1的底面和半导体制冷芯片2的顶面之间通过ST0903环氧导热粘接胶密封连接；所述半导体制冷芯片2的底面通过ST0903环氧导热粘接胶密封连接在散热铜片3的上表面；所述ST0903环氧导热粘接胶由ST0903A胶和ST0903B胶按照体积比2:1的比例均匀混合配制而成；所述风扇4通过相适配的螺栓和螺帽安装在散热铜片3的下表面。

本主动式低温防水散热装置所要解决的技术问题是，给APD提供-50℃左右的工作温度，让APD在短时间内实现“雪崩效应”，实时监控APD的工作温度，以及保证半导体制冷芯片和散热器之间，固定座和TEC之间具有良好的物理接触，并且解决TEC和散热器之间、TEC和固定座之间的散热问题，防止因为TEC散热不畅导致芯片的损坏和固定座的散热迟缓导致系统启动时间变长。

根据APD的物理特性和电效应，固定它的底座的材质必须具有良好的导热性能，而且体积和重量都必须很小，这样才可以减轻TEC的制冷负荷，让环境温度很快达到-50℃左右。本实施例1采用的固定座的俯视图如图2所示。图2中，1是PT100热敏电阻的安放孔，根据PT100热敏电阻的阻值随温度的变化可以实时监控周围环境温度情况，然后反馈给控制芯片，以设置TEC的工作状态。本实施例中还采用ST0903环氧导热粘接胶来固定热敏电阻，通过实验发现它具有良好的导热性能和极强的粘接性能。2是APD的安放曲面，表面进行了打磨处理，并且垫上导热硅胶片，这样不仅可以让APD很好和固定座接触，而且起到了很好的导热作用。3是固定APD的螺纹孔，通过拧压螺杆可以保证APD的固定具有较高的抗震性，防止因为运输等其它原因造成管子滑落、接触不牢固的问题。

TEC的工作过程是：当一块N型半导体和一块P型半导体结成电偶时，只要在这个电偶回路中接入一个直流电源，电偶上就会流过电流，发生能量转移，在一个接点上放热或吸热，在另一个接点上相反地吸热或放热。TEC的制冷功率大概在36W左右，制冷之后的平衡功率大概9W左右。本实施例采用功率为60W、恒定电压为12V的开关电源为TEC供电，所述开关电源输出电压恒定，纹波电流小，这样保证TEC的稳定工作，提高制冷速度和制冷效率。图3是TEC的侧视图，TEC的顶面安放固定座，TEC和固定座之间采用ST0903环氧导热粘接胶固定，将STO903A胶和ST0903B胶按照体积比2:1的组份配置ST0903环氧导热粘接胶然后均匀涂抹在TEC和固定座表面，在40o环境下静置24小时让它们粘接牢固。所述TEC是5级制冷TEC，具有较强的制冷能力。

本实施例的风扇如图4所示，风扇是一个将电机和扇叶集成在一起的装置，有三个引脚。1脚为风扇电源线正极；2脚为风扇转速控制线，通过热敏电阻的反馈阻值计算当前转速；3脚为风扇电源线负极。图4是散热铜片，周围的4个孔是用来固定风扇的，中间正方形区域是粘接TEC的底面，为了能够实现可靠的接触，对TEC的底面和与底面相对应的散热铜片的上表面进行打磨处理，并且依然采用ST0903环氧导热粘接胶来固定，在涂抹ST0903环氧导热粘接胶的时候，需要将TEC的底面和散热铜片的上表面之间的缝隙堵死，防止因为不完全接触和空间等杂质的进入损坏TEC。

实施例2

参见图1、图2、图3、图4和图5，本雪崩光电二极管的低温温度控制装置的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：将固定座1的表面打磨光滑；

步骤2：将ST0903A胶和ST0903B胶按照体积比2:1的比例均匀混合，配制成ST0903环氧导热粘接胶；

步骤3：在25℃的温度下，将步骤2配制好的ST0903环氧导热粘接胶均匀涂抹在热敏电阻5外表面，然后将热敏电阻5放在固定座1的安放孔6里面；所述热敏电阻5用于检测雪崩光电二极管的温度；所述热敏电阻5为PT100热敏电阻； 

步骤4：将半导体制冷芯片2的顶面打磨光滑，然后在25℃的温度下，在固定座1的底面和半导体制冷芯片2的顶面均匀涂抹上步骤2配置好的ST0903环氧导热粘接胶，再将固定座1的底面压紧在半导体制冷芯片2的顶面，使固定座1和半导体制冷芯片2的顶层密封连接；所述半导体制冷芯片2为5级制冷半导体制冷芯片；

步骤5： 将半导体制冷芯片2的底面和散热铜片3的上表面打磨光滑，然后在25℃的温度下将ST0903环氧导热粘接胶均匀涂抹在半导体制冷芯片2的底面和散热铜片3的上表面，再将半导体制冷芯片2放在在散热铜片3上并且来回均匀滑动半导体制冷芯片2，同时向散热铜片3的方向按压半导体制冷芯片2，以使位于半导体制冷芯片2和散热铜片3之间的ST0903环氧导热粘接胶贴合效果更好，然后在40℃环境下静置24小时，使半导体制冷芯片2和散热铜片3牢固粘接在一起，同时使半导体制冷芯片2和散热铜片3密封连接； 

步骤6：通过相适配的螺栓和螺帽将风扇4紧密安装在散热铜片3的下表面。

按照如上步骤安装好之后，参照TEC和风扇的技术手册，使用合适的开关电源通电调试。本实施例的工作原理，解决的技术问题、工作过程以及调试过程等与实施例1相同，不再详述。

Claims (2)

1.一种雪崩光电二极管的低温温度控制装置，包括固定座（1）、半导体制冷芯片（2）和散热铜片（3）、风扇（4）和用于检测雪崩光电二极管的温度的热敏电阻（5）；其特征在于：所述固定座（1）上设有用于放置热敏电阻（5）的安放孔（6）、用于安装半导体制冷芯片（2）的安放曲面（7）和用于固定安装雪崩光电二极管的螺纹孔（8）；所述安放曲面（7）上设有导热硅胶片；所述热敏电阻（5）为PT100热敏电阻，所述半导体制冷芯片（2）为5级制冷半导体制冷芯片；所述固定座（1）的底面和半导体制冷芯片（2）的顶面之间通过ST0903环氧导热粘接胶密封连接；所述半导体制冷芯片（2）的底面通过ST0903环氧导热粘接胶密封连接在散热铜片（3）的上表面；所述ST0903环氧导热粘接胶由ST0903A胶和ST0903B胶按照体积比2:1的比例均匀混合配制而成；所述风扇（4）通过相适配的螺栓和螺帽安装在散热铜片（3）的下表面。

2.一种雪崩光电二极管的低温温度控制装置的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：将固定座（1）的表面打磨光滑；

步骤2：将ST0903A胶和ST0903B胶按照体积比2:1的比例均匀混合，配制成ST0903环氧导热粘接胶；

步骤3：在25℃的温度下，将步骤2配制好的ST0903环氧导热粘接胶均匀涂抹在热敏电阻（5）外表面，然后将热敏电阻（5）放在固定座（1）的安放孔（6）里面；所述热敏电阻（5）用于检测雪崩光电二极管的温度；所述热敏电阻（5）为PT100热敏电阻； 

步骤4：将半导体制冷芯片（2）的顶面打磨光滑，然后在25℃的温度下，在固定座（1）的底面和半导体制冷芯片（2）的顶面均匀涂抹上步骤（2）配置好的ST0903环氧导热粘接胶，再将固定座（1）的底面压紧在半导体制冷芯片（2）的顶面，使固定座（1）和半导体制冷芯片（2）的顶层密封连接；所述半导体制冷芯片（2）为5级制冷半导体制冷芯片；

步骤5： 将半导体制冷芯片（2）的底面和散热铜片（3）的上表面打磨光滑，然后在25℃的温度下将ST0903环氧导热粘接胶均匀涂抹在半导体制冷芯片（2）的底面和散热铜片（3）的上表面，再将半导体制冷芯片（2）放在在散热铜片（3）上并且来回均匀滑动半导体制冷芯片（2），同时向散热铜片（3）的方向按压半导体制冷芯片（2），以使位于半导体制冷芯片（2）和散热铜片（3）之间的ST0903环氧导热粘接胶贴合效果更好，然后在40℃环境下静置24小时，使半导体制冷芯片（2）和散热铜片（3）牢固粘接在一起，同时使半导体制冷芯片（2）和散热铜片（3）密封连接； 

步骤6：通过相适配的螺栓和螺帽将风扇（4）紧密安装在散热铜片（3）的下表面。

Images