CN209747557U - 半导体器件和调温设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有较高的调节温度效率的半导体器件和调温设备。该半导体器件包括包括依次设置的第一导热绝缘层、第一导电导热层、半导体层、第二导电导热层、多孔散热层、第二导热绝缘层，所述半导体层包括P‑N半导体单元。在半导体层两侧相对设置的第一导热绝缘层、第一导电导热层和第二导电导热层、第二导热绝缘层可以使热量更迅速高效地传导。半导体层制冷侧开启制冷后，待制冷调温处的热量迅速由第一导热绝缘层和第一导电导热层转移到半导体层，实现更加高效地吸热。而半导体产热侧开启后，热量通过半导体层转移到第二导电导热层，并通过第二导热绝缘层和多孔散热层进行有效散热，以此实现更迅捷地对待制冷调温处进行温度的调节。

Description

半导体器件和调温设备

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体器件和调温设备。

背景技术

在环境温度较高时，人体容易中暑，耐温性较差的一些食品也容易因此发生变质等情况，所以通常需要采取一定的措施来辅助降温或维持一个较适宜的温度环境。实际生活中最常见的是采用冰袋或其它低温物品靠近待降温处进行热交换。但是，传统的冰袋、冰块冷敷的降温方式效率低下、使用不便，而现有的局部医疗冷却器，如冷却袋，大多使用冷却剂或冷却液等介质，携带不便，对环境有污染。

所以，越来越多的设备或装置逐渐采用半导体制冷技术。半导体制冷又称为热电制冷或温差电制冷。其制冷原理在于，利用半导体材料的帕尔贴效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，从而实现制冷的目的。但现有的半导体制冷器件大多结构简单，效率不高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的一个技术问题在于如何提供一种具有较高的调节温度效率的半导体器件和调温设备。

根据本实用新型的第一个方面，本实用新型提供了一种半导体器件，根据本实用新型的实施例，该半导体器件包括依次设置的第一导热绝缘层、第一导电导热层、半导体层、第二导电导热层、多孔散热层、第二导热绝缘层，所述半导体层包括P-N半导体单元。

其中，第一导热绝缘层和第二导热绝缘层是指该层的主要材料具有较好的导热性能同时绝缘，具体可以是硅胶层、云母层或陶瓷材料层中的任一种，而陶瓷材料层具体又可以是氮化铝陶瓷层、氮化铍陶瓷层、氧化铝陶瓷层、氮化硅陶瓷层、氮化硼陶瓷层、氧化镁陶瓷层。第一导电导热层和第二导电导热层具体是指该层的主要材料同时具有较好的导电性能和导热性能。多孔散热层具体是指该层材料为多孔材料，具体可以是多孔吸水材料，通过吸水提高散热性能。半导体层中的P-N半导体单元是指在第一导电导热层和第二导电导热层的电极之间的P型半导体和N型半导体，P型半导体和N型半导体分别连接在一电极的两端组成P-N半导体单元。P型半导体可以是Si₃N₄或SiC或Bi₂Te₃及其掺杂物、复合物、固溶体合金等半导体材料。N型半导体具体使用N型Bi₂Te₃及其掺杂物、复合物、固溶体合金作为半导体制冷制热的发生材料。在使用该半导体器件时，优选的是将第一绝缘导热层靠近待制冷调温处。

根据本实用新型的实施例，该半导体器件至少具有以下有益效果：

在半导体层两侧相对设置的第一导热绝缘层、第一导电导热层和第二导电导热层、第二导热绝缘层的叠层设置可以使热量更迅速更高效地传导。半导体层制冷侧开启制冷后，待制冷调温处的热量迅速由第一导热绝缘层和第一导电导热层转移到半导体层，实现更加高效地吸热。而半导体产热侧开启后，热量通过半导体层转移到第二导电导热层，并通过第二导热绝缘层和多孔散热层进行有效散热，以此实现更迅捷地对待制冷调温处进行温度的调节。

另外，根据本实用新型的实施例，该半导体器件还可以具有如下的附加技术特征：

在本实用新型的一些实施例中，第二导电导热层设有凹槽，凹槽内设有由多孔散热材料组成的多孔散热层。

其中，多孔散热层与第二导电导热层的连接方式具体可以是固定连接，例如，可以采用胶粘剂进行粘接。在第二导电导热层内设置的多孔散热层可以通过吸附水进行蒸发散热，与第二导电导热层相互配合，有效提升器件的散热效果，防止过冷或过热的现象发生。

在本实用新型的一些实施例中，第二导热绝缘层内设有凹槽，凹槽内设有由多孔散热材料组成的多孔散热层。

在本实用新型的一些实施例中，第二导电导热层内的凹槽或第二导热绝缘层内的凹槽的深度为0.5-3mm。

在该深度内根据第二导电导热层的厚度设置多孔散热层可以使第二导电导热层与多孔散热层的散热效率最大化，促进半导体器件制冷效率的提升，有效延长产品的寿命。

在本实用新型的一些实施例中，多孔散热层为海绵散热层、凝胶散热层中的任一种。

多孔散热层具体可以是海绵层、凝胶层或者是本领域技术人员所熟知和常用的其它具有良好吸水性的多孔材料。其中，海绵散热层至少可以采用天然海绵层或合成海绵层，天然海绵层可以是由木质纤维素等材料制成的植物海绵层或者是由海绵动物制成的动物海绵，合成海绵层具体可以是聚乙烯醇海绵层、聚酯海绵层等具有较好吸水性的海绵。凝胶散热层至少可以采用具有较好吸水性的凝胶材料。

如上所述，多孔散热层具体可以是利用其材料的高吸水性进行蒸发散热。从半导体层转移来的热量在多孔散热层内含水分的蒸发作用下，可以将产生的大量热量迅速带走，实现快速降温。同时，这些多孔散热层的材料可以根据其含水率及时进行更换，保证散热效果的持续性和稳定性。

在本实用新型的一些实施例中，第一导热绝缘层和第二导热绝缘层为陶瓷导热层。

陶瓷导热(绝缘)层兼具很好的绝缘效果和非常不错的导热性能，设置在半导体器件的两侧可以十分有效地起到绝缘保护作用，第一导热绝缘层可以迅速将靠近待制冷调温处的热量传递出来方便散热，而第二导热绝缘层则可以进一步提升散热层的传热效率，提高调温效果。

在本实用新型的一些实施例中，第一导热绝缘层和第二导热绝缘层的厚度均为40-60μm。该范围的厚度可以在保证器件具有良好的绝缘和导热性能的前提下，保持轻便小巧。

在本实用新型的一些实施例中，第一导电导热层和第二导电导热层分别独立选自金属导电层、石墨导电层、石墨烯导电层中的任一种。

在本实用新型的一些实施例中，半导体材料可以是纳米化半导体或晶格化半导体。纳米化或晶格化的半导体可以有效提升半导体器件的热电性能。

在本实用新型的一些实施例中，半导体器件还设有温度传感器，温度传感器用于检测第一导热绝缘层处的温度。

具体的，第一导电导热层和第二导电导热层与驱动电路相连，驱动电路还分别与电源组件和控制模块相连接。同时，温度传感器通过无线(例如，wifi连接、蓝牙连接等方式)或有线方式连接到控制模块。通过第一导热绝缘层监测到的温度，可以实时调节半导体器件的电压，加快或减慢制冷速率，实现调节温度的作用。而当第一导热绝缘层监测到的温度过低或过高时，还可以通过控制模块实现断路停止工作。另外，该温度传感器或控制模块还可以通过无线方式与手机相连，在上述情况发生时实现自动远程报警功能。

在本实用新型的一些实施例中，半导体层内包括1-5000个P-N半导体单元。

根据本实用新型的第二个方面，本实用新型提供了一种调温设备，根据本实用新型的实施例，该设备包括上述的半导体器件。所述的调温设备，包括但不仅限于是散热或温控装置以及包含这些散热或温控装置的设备，具体可以是散热器、热敷袋、制冷设备、制冷服饰(配件)、制冷收纳设备或其它一些需要上述制冷(调温)功能的产品。

在本实用新型的一些实施例中，调温设备为智能穿戴设备。例如，可以是具有调温功能的手环、鞋帽、饰品、衣物等。

附图说明

图1为本实用新型的一个实施例的半导体器件的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本实用新型的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。

实施例1：

图1为本实用新型的一个实施例的半导体器件的结构示意图。如图1所示，该半导体器件包括依次设置的第一导热绝缘层1、第一导电导热层2、半导体层3、第二导电导热层4、多孔散热层5、第二导热绝缘层6。其中，第二导电导热层4中部设有凹槽，凹槽内设有多孔散热层5。第二导热绝缘层6在第二导电导热层4的凹槽外分布。半导体层3包括多个P-N半导体单元(电偶对)，P-N半导体单元包括N型半导体元件31和P型半导体元件32。每一个P-N半导体单元中N型半导体元件31和P型半导体元件32通过电极材料(电极材料未在图1中示出)与第一导电导热层2和第二导电导热层4相连接。

本实施例中的半导体器件的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)P型半导体采用纳米SiC作为热电材料，与胶粘剂聚偏氟乙烯PVDF混合好后备用。

(2)N型半导体采用N型Bi₂Te₃，与胶粘剂PVDF混合好后备用。

(3)将P型半导体和N型半导体分别粘接在金属电极的两端，共计制备100对P-N单元，接线以并联连接。

(4)取石墨烯片与电路中金属电极粘接相连，作为第一导电导热层。

(5)取金属铝片作为第二导电导热层，在其上刻出厚度为1mm的凹槽，在凹槽中粘接一层聚乙烯醇海绵作为多孔散热层，用于吸附水为半导体器件散热。金属铝片背面与另一极的金属电极粘接相连，形成回路。

(6)在石墨烯片和铝片外侧使用喷雾法喷涂一层50μm厚的氧化镁陶瓷涂层，形成第一导热绝缘层和第二导热绝缘层，用于对半导体器件起绝缘保护和导热的作用。

另外，还可以在石墨烯片(即第一导电导热层)上安装温度传感器、通讯和电压调节等模块，可以对电路中的电压同步调节，从而控制半导体器件的输出温度。当温度高于或低于阈值时，半导体器件会自动断路并报警。上述功能的实现至少可以参照以下中国专利文件CN103961070A、CN205028129U、CN205827163U、CN105022427A、CN109444605A来实现。

实施例2：

一种医用冷柜，包括箱体、通风装置和制冷装置，制冷装置采用由若干实施例1所述的半导体器件形成的半导体制冷器件模组。

实施例3：

一种智能手环，包括主体和腕带，主体内设有实施例1所述的半导体器件。

实施例4：

一种冷敷装置，包括敷料和固定带，敷料内设有实施例1所述的半导体器件。该冷敷装置通过固定带将敷料固定于四肢或额头，使其紧贴皮肤，进行冷敷。

实施例5：

一种半导体器件，与实施例1的区别在于，凹槽设置在第二导热陶瓷层的氧化铝陶瓷内，凹槽的厚度为2mm，多孔散热层采用水凝胶层。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种半导体器件，其特征在于，包括依次设置的第一导热绝缘层、第一导电导热层、半导体层、第二导电导热层、多孔散热层、第二导热绝缘层，所述半导体层包括P-N半导体单元。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第二导电导热层设有凹槽，所述凹槽内设有所述多孔散热层。

3.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述凹槽的深度为0.5-3mm。

4.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述多孔散热层为海绵散热层、凝胶散热层中的任一种。

5.根据权利要求1-4任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述第一导热绝缘层和所述第二导热绝缘层为陶瓷导热层。

6.根据权利要求1-4任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述第一导热绝缘层和所述第二导热绝缘层的厚度均为40-60μm。

7.根据权利要求1-4任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述第一导电导热层和所述第二导电导热层分别独立选自金属导电层、石墨导电层、石墨烯导电层中的任一种。

8.根据权利要求1-4任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件还设有温度传感器，所述温度传感器用于检测所述第一导热绝缘层处的温度。

9.一种调温设备，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的半导体器件。

10.根据权利要求9所述的调温设备，其特征在于，所述调温设备为智能穿戴设备。