CN112556235B - 一种多回路微型半导体制冷芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种多回路微型半导体制冷芯片，包括底面基板、若干工作基板和与工作基板数量相对应的热电电路，所述热电电路设置在工作基板与底面基板之间，各个热电电路独立设置，各个工作基板互不接触。本发明的优点是：采用同一底面基板，使得制冷芯片外形尺寸精度更易控制，适用于对外形尺寸要求严苛的领域，设有独立的工作基板和热电电路，能够对不同的发热点进行准确的制冷。
Description
技术领域
本发明涉及热电模块领域，尤其涉及一种多回路微型半导体制冷芯片。
背景技术
半导体制冷也称热电制冷，是从上世纪50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科。半导体制冷制热技术发展至今已将近100年，因其优点众多，结构简单，无噪音、无磨损、无污染、可靠性高，制冷速度快，使得这项技术在国内外得到大力推广。
目前国内外的制冷制热芯片，都是设计为单一回路的，也就是利用半导体构成的P-N对，形成热电偶对，产生帕尔贴效应，再串联起来形成P-N对热电堆，通上电源之后，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，从而达到冷却或者控制目标物体温度的目的。但是面对半导体自身固有的制冷效率低下和控温越来越严苛的要求，传统制造工艺上均匀排布的PN对方案已较难满足，尤其是对空间尺寸和功耗要求更为严苛的通信领域，当热源集中于局部时，热量从芯片传递到吸热面的热阻较大，而在设计工作中往往基于热量负载均匀分布的理想假设，这种情况对于半导体制冷芯片来说，会存在制冷制热效率不高的情况，甚至达不到控温性能设计目标值。现在的解决方案大多都采用非均匀排布PN对，但仍然为单一回路，实现不了性能最优化，或者采用多块半导体制冷芯片控制，但代价是外形尺寸精度降低和封装工艺难度和复杂度增加，均没有从根本上解决这种矛盾。
发明内容
本发明主要解决了现有制冷芯片在热源集中时制冷效率低的问题，提供了一种设有多个热电电路，对不同的负载部分采用不同的热电电路，使得各个区域的负载均能达到最优化制冷性能的多回路微型半导体制冷芯片。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是, 一种多回路微型半导体制冷芯片，包括底面基板、若干工作基板和与工作基板数量相对应的热电电路，所述热电电路设置在工作基板与底面基板之间，各个热电电路独立设置，各个工作基板互不接触。
采用同一底面基板，使得制冷芯片外形尺寸精度更易控制，适用于对外形尺寸要求严苛的领域，设有独立的工作基板和热电电路，能够对不同的发热点进行准确的制冷。
作为上述方案的一种优选方案，所述热电电路为用于在工作基板制冷的制冷热电电路和用于在工作基板制热的制热热电电路中的一种或多种。制冷热电电路用于吸收发热点热量，实现制冷的目的，制热热电电路能够满足不同的温控需求，同时为吸收底面基板热量，提高制冷热电电路的制冷效率。
作为上述方案的一种优选方案，不同热电电路中的PN对分布密度不同。使得不同的热电电路具有不同的制冷或制热效率，便于对不同的部分进行准确的温控。
作为上述方案的一种优选方案，同一热电电路中的PN对非均匀分布。
作为上述方案的一种优选方案，两个相邻的制冷热电电路或制热热电电路中，热电电路中的PN对分布密度随着与另一热电电路的距离增大而增大。降低两个相同类型的热电电路之间的相互影响，使得相关相同类型的热电电路均具有较高的工作效率。
作为上述方案的一种优选方案，所述两个相邻的制冷热电电路和制热热电电路中，热电电路中的PN对分布密度随着与另一热电电路的距离增大而减小。使得制冷热电电路在底面基板发出的热量能够更好的被制热热电电路吸收，使得两个热地电路相互辅助，提高工作效率。
作为上述方案的一种优选方案，所述热电电路的接线端设置在底面基板上，接线端通过导体与PN对相连，在相邻的制冷热电电路中，高PN对密度的制冷热电电路的导体经过低PN对密度的制冷热电电路，在导体经过低PN对密度的制冷热电电路的部分中串联有热敏电阻。热敏电阻的拐点温度为低PN对密度的制冷热电电路的低效率工况时发热面的温度，因两个相邻制冷热电电路的工作效率不同，在长时间运行后，高PN对密度的制冷热电电路放出的热量多，热量会传递至低PN对密度的制冷热电电路，抑制低PN对密度的制冷热电电路的工作效率，通过设置热敏电阻，在低PN对密度的制冷热电电路对应的底面基板温度过高时，降低高PN对密度的制冷热电电路的导体的电阻，降低工作电流，保证低PN对密度的制冷热电电路的正常运行。
本发明的优点是：采用同一底面基板，使得制冷芯片外形尺寸精度更易控制，适用于对外形尺寸要求严苛的领域，设有独立的工作基板和热电电路，能够对不同的发热点进行准确的制冷。
附图说明
图1为实施例中多回路微型半导体制冷芯片的一种爆炸结构示意图。
1-底面基板 2-工作基板 3-接线端 4-工作基板面导体 5-底面基板面导体 6-PN对 7-导体 8-热敏电阻。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例：
本实施例一种多回路微型半导体制冷芯片，如图1所示，包括底面基板1、若干工作基板2和与工作基板数量相对应的热电电路，热电电路设置在工作基板与底面基板之间，各个热电电路独立设置，各个工作基板互不接触。热电电路包括接线端3、工作基板面导体4、底面基板面导体5和PN对6，工作基板面导体设置在工作基板上，底面基板面导体设置在底面基板上，PN对设于工作基板面导体和底面基板面导体之间，接线端设置在底面基板上，接线端通过导体7与底面基板面导体相连。
热电电路根据PN对的不同连接方式，可以分为制冷热电电路和制热热电电路，制冷热电电路在工作基板处制冷，在底面基板处放热；制热热电电路在工作基板处制热，在底面基板处吸收热量。根据不同的制冷制热需求可以选择制冷热电电路和制热热电电路中的一种或多种作为制冷芯片中的热电电路。
根据不同的制冷或制热需求，不同的热电电路中的PN对的分别密度不同，对于制冷要求高或制热要求高的区域，其对应的热电电路的PN对密度相对较大，反之，对于制冷要求低或制热要求低的区域，其对应的热电电路的PN对密度相对较低。同时也可以通过接入不同工作电流实现工作效率的控制。
在相邻的制冷热电电路中，高PN对密度的制冷热电电路的导体经过低PN对密度的制冷热电电路，在导体经过低PN对密度的制冷热电电路的部分中串联有热敏电阻8。热敏电阻可以为钛酸钡系PTC陶瓷电阻，选用的热敏电阻的拐点温度为低PN对密度的制冷热电电路的低效率工况时发热面的温度，高PN对密度的制冷热电电路放热面的极限温度高，放出的热量多，低PN对密度的制冷热电电路放热面的极限温度相对较低，放出的热量相对较少，在长时间运行后，高PN对密度的制冷热电电路放出的热量会传递至低PN对密度的制冷热电电路，会使得底面基板的温度高于低PN对密度的制冷热电电路放热面的极限温度，导致低PN对密度的制冷热电电路无法提供基本的制冷功能，此时，热敏电阻阻值因温度升高而升高，使得高PN对密度热电电路工作电流降低，进而减少高PN对密度热电电路在底面基板的放热量，在持续一端时间后，底面基板在其外设的散热器作用下温度降低，热敏电阻阻值变低，两个热电电路均能够正常运行。，
通过设置热敏电阻，在低PN对密度的制冷热电电路对应的底面基板温度过高时，降低高PN对密度的制冷热电电路的导体的电阻，降低工作电流，保证低PN对密度的制冷热电电路的正常运行。
热电电路中PN非均匀分布，两个相邻的同种类型的热电电路，即两个相邻的制冷热电电路或制热电电路，热电电路中的PN对分布密度随着与另一热电电路的距离增大而增大，以避免两个热电电路在底面基板上的放热或吸热区距离过近，导致两个热电电路均不能具备较高的工作效率。在两个相邻的不同种类型的热电电路，即两个相邻的制热热电电路和制冷热电电路，热电电路中的PN对分布密度随着与另一热电电路的距离增大而减小，能够使制冷热电电路在底面基板放出的热量能够尽可能的被制热热电电路吸收，使得两个热电电路相互辅助，均具备较高的工作效率。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种多回路微型半导体制冷芯片，其特征是：包括底面基板、若干工作基板和与工作基板数量相对应的热电电路，所述热电电路设置在工作基板与底面基板之间，各个热电电路独立设置，各个工作基板互不接触；
所述热电电路为用于在工作基板制冷的制冷热电电路和用于在工作基板制热的制热热电电路中的一种或多种；
同一热电电路中的PN对非均匀分布；
在两个相邻的不同种类型的热电电路，即两个相邻的制热热电电路和制冷热电电路中，热电电路中的PN对分布密度随着与另一热电电路的距离增大而减小；热电电路包括接线端、工作基板面导体、底面基板面导体和PN对，工作基板面导体设置在工作基板上，底面基板面导体设置在底面基板上，PN对设于工作基板面导体和底面基板面导体之间，接线端设置在底面基板上，接线端通过导体与底面基板面导体相连。
2.根据权利要求1所述的一种多回路微型半导体制冷芯片，其特征是：不同热电电路中的PN对分布密度不同。
3.根据权利要求1所述的一种多回路微型半导体制冷芯片，其特征是：两个相邻的同种类型的热电电路，即两个相邻的制冷热电电路或两个相邻的制热热电电路中，热电电路中的PN对分布密度随着与另一热电电路的距离增大而增大。
4.根据权利要求1所述的一种多回路微型半导体制冷芯片，其特征是：所述热电电路的接线端设置在底面基板上，接线端通过导体与PN对相连，在两个相邻的制冷热电电路中，高PN对密度的制冷热电电路的导体经过低PN对密度的制冷热电电路，在高PN对密度的制冷热电电路的导体经过低PN对密度的制冷热电电路的部分中串联有热敏电阻。
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