CN211348520U - 一种tec制冷性能的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种TEC制冷性能的测量装置，通过该测量装置，能够精确的对待测TEC的热端温度、冷端温度、工作电流、工作电压和制冷功率这些制冷性能数据进行测量，进而能够准确的进行光电探测器等器件的TEC制冷系统的设计。

Description

一种TEC制冷性能的测量装置

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，更为具体地说，涉及一种TEC制冷性能的测量装置。

背景技术

一直以来，半导体制冷器(Thermal Electrical Cooler，TEC)广泛应用于高精度光电探测仪器设备领域，对提高仪器设备性能以及拓展仪器设备使用环境有着显著的推动作用。尤其对于某些需要制冷至-100℃的场合，TEC制冷性能的精确测量能够决定TEC制冷方案的可行性，进而避免了采用不恰当的制冷方案、器件以及散热方案所导致的成本和资源的浪费。然而，现有的 TEC制造商的数据手册仅能提供两种热端温度下的制冷性能数据，并且在实际使用中与数据手册还存在一定的偏差。因此，精确测量TEC的制冷性能，对于研制具备优良制冷性能且成本低廉的高精度光电探测器显得尤为重要。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种TEC制冷性能的测量装置，能够有效的解决现有存在的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：

本实用新型还提供了一种TEC制冷性能的测量装置，包括：由散热板与盖体组成的密封腔；及在所述密封腔中包括：

位于所述散热板上的温控TEC；

位于所述温控TEC背离所述散热板一侧的第一均温板，其中，所述温控 TEC的冷端与所述第一均温板接触，且所述温控TEC的热端与所述散热板接触，所述第一均温板上设置有第一温度传感器；

位于所述第一均温板背离所述散热板一侧的待测TEC；

位于所述待测TEC背离所述散热板一侧的第二均温板，其中，所述待测 TEC的热端与所述第一均温板接触，且所述待测TEC的冷端与所述第二均温板接触，所述第二均温板上设置有第二温度传感器；

以及，位于所述第二均温板背离所述散热板一侧的发热体；

及，所述测量装置还包括：与所述温控TEC、第一温度传感器、待测TEC、第二温度传感器和发热体均电连接的数据采集及驱动器件。

可选的，所述测量装置还包括：

通过所述盖体与所述密封腔连通的真空泵系统，其中，所述真空泵系统用于为所述密封腔提供预设气压。

可选的，所述测量装置还包括：

紧压器件，所述紧压器件用于在所述第二均温板背离散热板一侧施加预设压力。

可选的，所述测量装置还包括：

与所述数据采集及驱动器件电连接、且设置于所述温控TEC与所述散热板接触面处的第三温度传感器。

可选的，所述散热板包括：

板体；

以及，设置于所述板体内的水冷管道。

可选的，所述板体位于所述密封腔外部分还包括有保温层。

可选的，所述密封腔的内壁、所述第一均温板的表面及所述第二均温板的表面均为抛光面。

相较于现有技术，本实用新型提供的技术方案至少具有以下优点：

本实用新型提供了一种TEC制冷性能的测量装置，通过该测量装置，能够精确的对待测TEC的热端温度、冷端温度、工作电流、工作电压和制冷功率这些制冷性能数据进行测量，进而能够准确的进行光电探测器等器件的 TEC制冷系统的设计。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种TEC制冷性能的测量方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种TEC制冷性能的测量装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种TEC制冷性能的测量装置的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的又一种TEC制冷性能的测量装置的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的又一种TEC制冷性能的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

正如背景技术所述，随着生命科学、空间科学与天文学等重大关键学科在弱光检测方面的发展，对高精度光电探测仪器设备的研制需求日益增加。其中，提高光电探测性能的主要途径之一是对探测器进行制冷，TEC因其无振动、体积小、易控制、成本低、长寿命等特点而被广泛使用。但是，TEC 的制冷量随着制冷温度降低而快速下降，并且，现有的TEC生产商仅仅提供了很少的制冷性能数据，且与实际性能存在一定的偏差。这使得高精度光电探测仪器设备中TEC制冷系统的设计与最终性能产生较大的偏差，并由此增加了相应的研制成本。

基于此，本申请实施例提供了一种TEC制冷性能的测量方法及测量装置，能够有效的解决现有存在的技术问题。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图5对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本申请实施例提供的一种TEC制冷性能的测量方法的流程图，其中，由发热体控制待测TEC的冷端的温度，且由温控TEC控制所述待测TEC的热端的温度，其中，所述发热体在每次工作电流发生步进或热端温度发生步进时初始发热功率为零(即发热体在每次电流发生步进、每次热端温度发生步进中任一参数发生步进时控制其发热功率为零)，所述测量方法包括：

S1、获取所述待测TEC的热端的热端温度，并判断所述热端温度是否处于预设热端温度扫描区间内，若是，则进入步骤S2；若否，则测量结束；

S2、判断所述待测TEC的工作电流是否不大于预设电流限值，若是，则进入步骤S3；若否，则通过所述温控TEC控制所述待测TEC的热端温度增加步进温度后重置工作电流，进入所述步骤S1进行下一次测量；

S3、调节所述发热体的发热功率增加一次步进功率；

S4、判断所述待测TEC的冷端的冷端温度是否不大于其热端温度，若是，则进入步骤S5；若否，则控制所述待测TEC的工作电流增加步进电流后，进入所述步骤S2重新与所述预设电流限值进行判断；

S5、判断所述待测TEC当前的冷端温度和热端温度是否稳定，若是，则记录本次测量所述待测TEC的制冷性能数据，所述制冷性能数据包括所述待测TEC的当前热端温度、当前冷端温度、当前工作电流、当前工作电压和当前制冷功率；若否，则重新进入所述步骤S4进行判断。

由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，能够自动调节待测TEC 冷端温度而稳定待测TEC热端温度，以及能够精确的对待测TEC的热端温度、冷端温度、工作电流、工作电压和制冷功率这些制冷性能数据进行测量，通过这些精确的制冷性能数据，进而能够准确的进行光电探测器等器件的TEC 制冷系统的设计。

进一步的，本申请实施例提供的所述判断所述待测TEC的冷端的冷端温度是否不大于其热端温度，包括：

判断所述待测TEC的冷端的冷端温度是否不大于其热端温度减去阈值温度，其中，所述阈值温度的范围为[0℃，1℃]。

可以理解的，在判断待测TEC的冷端温度和热端温度大小时，可以对待测TEC的冷端温度与待测TEC的热端温度减去阈值温度的差值进行判断，进而能够有效避免出现冷端温度大于热端温度的情况发生，降低对待测TEC损坏的几率。

在本申请一实施例中，本申请提供的所述判断所述待测TEC当前的冷端温度和热端温度是否稳定，包括：

判断所述待测TEC当前的冷端温度和热端温度的变化幅度是否大于预设幅度，若是，则所述待测TEC当前的冷端温度和热端温度不稳定；若否，则所述待测TEC当前的冷端温度和热端温度稳定。

需要说明的是，本申请实施例对于冷端温度和热端温度的稳定判断可以通过变化幅度进行判断，还可以采用其他类型参数进行判断，对此本申请不作具体限制。以及，本申请实施例对预设幅度的具体数值同样不做限制，对此需要根据实际应用进行具体计算选取。

下面结合附图对本申请实施例提供的具体装置结构进行详细的描述。参考图2所示，为本申请实施例提供的一种TEC制冷性能的测量装置的结构示意图，其中，测量装置包括：由散热板10与盖体20组成的密封腔；及在所述密封腔中包括：

位于所述散热板10上的温控TEC110；

位于所述温控TEC110背离所述散热板10一侧的第一均温板121，其中，所述温控TEC110的冷端与所述第一均温板121接触，且所述温控TEC110的热端与所述散热板10接触，所述第一均温板121上设置有第一温度传感器 131；

位于所述第一均温板121背离所述散热板10一侧的待测TEC140；

位于所述待测TEC140背离所述散热板10一侧的第二均温板122，其中，所述待测TEC140的热端与所述第一均温板121接触，且所述待测TEC140的冷端与所述第二均温板122接触，所述第二均温板122上设置有第二温度传感器132；

以及，位于所述第二均温板122背离所述散热板10一侧的发热体150；

及，所述测量装置还包括：与所述温控TEC110、第一温度传感器131、待测TEC140、第二温度传感器132和发热体150均电连接的数据采集及驱动器件160。

可以理解的，本申请实施例提供的TEC制冷性能的测量装置，结合上述本申请实施例提供的测量方法可知，本申请实施例提供的温控TEC为用于稳定待测TEC的热端温度的器件，在设计的温度区间内具有非常大的制冷功率，因而也具有更大的发热功率。温控TEC安装于散热板上，其热端与散热板相接触，接触面之间可以填充微米级别厚度的导热材料层，使其产生的热量能够迅速的被散热板进行散热，进而仅在温控TEC的热端产生有限的升温。

在温控TEC的冷端的表面上安装有第一均温板，第一均温板是具有极高导热率的部件，其面积设置为不小于与之接触的任何TEC(即第一均温板与 TEC接触时，第一均温板的相应侧接触表面覆盖TEC的相应接触表面)，这使得第一均温板各个区域具有优异的温度一致性。其中，在第一均温板朝向的待测TEC的表明上安装有第一温度传感器，第一温度传感器用于监测获取待测TEC的热端的热端温度，进而将待测TEC的热端的热端温度数据传输至数据采集及驱动器件中，数据采集及驱动器件判断该待测TEC的热端温度是否处于预设热端温度扫描区间；以及，数据采集及驱动器件同时能够根据待测TEC的热端的热端温度数据，来调整输出至温控TEC的功率以稳定待测 TEC的热端的热端温度。此外，由于温控TEC为经过测量校准的器件，其具备有已知的多维数据矩阵，故而，根据该温控TEC的冷端温度和热端温度可以计算出温控TEC的制冷功率，而该制冷功率即为待测TEC的发热功率。

在待测TEC的冷端的表面安装有第二均温板，第二均温板同样具有极高的导热率，第二均温板朝向待测TEC的一侧表面安装有第二温度传感器，且第二均温板的另一表面安装有发热体。发热体用于均匀的产生可控的发热功率以控制待测TEC的冷端的温度，第二温度传感器用于监测获取待测TEC的冷端的冷端温度，而将待测TEC的冷端的冷端温度数据传输至数据采集及驱动器件；数据采集及驱动器件判断所述待测TEC的冷端的冷端温度是否不大于其热端温度。

数据采集及驱动器件用于对数据进行处理，闭环控制计算，及对温控 TEC、待测TEC、发热体的控制。其中，数据采集及驱动器件获取第一温度传感器传输的待测TEC的热端的热端温度后，判断热端温度是否处于预设热端温度扫描区间内，若否，则测量结束；若是，则判断待测TEC的工作电流是否不大于预设电流限制。而后，若数据采集及驱动器件判断待测TEC的工作电流大于预设电流限制，则控制温控TEC来控制待测TEC的热端温度增加步进温度后重置工作电流，重新获取待测TEC的热端的热端温度进行测量；若数据采集及驱动器件判断待测TEC的工作电流不大于预设电流限制，则数据采集及驱动器件调节发热体的发热功率增加一次步进功率。而后，数据采集及驱动器件判断待测TEC的冷端的冷端温度是否不大于其热端温度，若否，则数据采集及驱动器件控制待测TEC的工作电流增加步进电流后，将其重新与预设电流限制进行判断，且进入上述循环过程；若是，则数据采集及驱动器件判断待测TEC当前的冷端温度和热端温度是否稳定。最后，若数据采集及驱动器件判断待测TEC当前的冷端温度和热端温度稳定，则记录本次测量所述待测TEC的制冷性能数据，所述制冷性能数据包括所述待测TEC的当前热端温度、当前冷端温度、当前工作电流、当前工作电压和当前制冷功率；若数据采集及驱动器件判断待测TEC当前的冷端温度和热端温度不稳定，则数据采集及驱动器件重新判断所述待测TEC的冷端的冷端温度是否不大于其热端温度，并进入上述循环过程。

在本申请一实施例中，本申请提供的数据采集及驱动器件可以由主控制器、加热控制电路、温度采集电路、TEC控制电路和电源电路组成，进一步还可以包括数据交互接口，对此本申请不作具体限制。其中，加热控制电路用于监测发热体的数据，TEC控制电路用于监测待测TEC及温控TEC的数据，加热控制电路和TEC控制电路的内部可以设置为高效率功率输出电路、高精度输出电流和高精度输出电压采集电路，其中TEC控制电路内部为多通道控制电路。高效率功率输出电路受主控制器控制，输出设置的电压值或电流值，而高精度输出电流和高精度输出电压采集电路采集发热体、待测TEC 和温控TEC实际的输出电流和输出电压，且将采集的数据发送至主控制器进行数据处理和闭环控制计算。

以及，温度采集电路获取各个温度传感器的数据，并传输至主控制器进行数据处理和闭环控制计算。电源电路用于产生满足各个电路模块需求的低噪声、多规格电源。主控制器主要用于数据收集、流程控制、运行闭环控制算法，且还可以通过数据交互接口与终端(如计算机)实现通信。

在本申请一实施例中，本申请提供的密封腔内部的所有电源端、信号端均可以通过密封腔上的多芯Feedthrough实现信号的馈通，即通过多芯 Feedthrough与数据采集及驱动器件实现馈通。

参考图3所示，为本申请实施例提供的另一种TEC制冷性能的测量的结构示意图，其中，本申请实施例提供的所述测量装置还包括：

通过所述盖体20与所述密封腔连通的真空泵系统30，其中，所述真空泵系统30用于为所述密封腔提供预设气压。

可以理解的，本申请实施例通过真空泵系统为密封腔通过预设气压，使得测量装置既可以测量常压环境下的待测TEC的制冷性能，也可以测量真空条件下待测TEC的制冷性能。其中，可以在真空泵系统与密封腔的连接管道上安装阀门，通过阀门开启能够直接使得密封腔内为常压环境。

参考图4所示，为本申请实施例提供的又一种TEC制冷性能的测量的结构示意图，其中，本申请实施例提供的所述测量装置还包括：

紧压器件170，所述紧压器件170用于在所述第二均温板122背离散热板 10一侧施加预设压力。

紧压器件可以设置于密封腔内，如图4所示，本申请实施例提供的紧压器件170可以包括：固定于散热板10上的支撑架171，支撑架171与散热板 10可以通过紧固螺丝171a固定；支撑架171包括一导向槽，设置于导向槽内的L形悬臂架172，L形悬臂架172下降到预设位置后可以通过紧固螺丝171b 将其固定于支撑架171上；以及，设置于L形悬臂架172悬臂处的针状下压器173，针状下压器173与第二均温板122背离散热板10一侧表面接触，以对第二均温板122施加预设压力。

可以理解的，通过紧压器件对第二均温板背离散热板一侧施加预设压力，在通过足够的预紧力给待测TEC的同时，能够引入很小的漏热影响。

参考图5所示，为本申请实施例提供的又一种TEC制冷性能的测量的结构示意图，其中，本申请实施例提供的所述测量装置还包括：

与所述数据采集及驱动器件160电连接、且设置于所述温控TEC110与所述散热板10接触面处的第三温度传感器133，进而通过第三温度传感器133 监测温控TEC的热端温度，以确保器件的安全，同时不会减少该温控TEC的导热截面积。

及参考图5所示，本申请实施例提供的所述散热板10包括：

板体101；

以及，设置于所述板体101内的水冷管道102，其中，水冷管道102通过水冷机实现冷却水流通。

进一步的，本申请实施例提供的所述板体位于所述密封腔外部分还包括有保温层。以及，本申请实施例提供的所述密封腔的内壁、所述第一均温板的表面及所述第二均温板的表面均为抛光面。

在本申请以实施例中，本申请通过的散热板与盖体组成密封腔，进一步可以采用密封圈进行密封。盖体可以由金属材料组成，其位于密封腔处的内壁进行抛光以减少腔壁表面热辐射对待测TEC的辐射传热，进而能够提高测量精度。

及，散热板的板体可以由导热良好的金属材料制成，内部设置多条水冷管道，该金属材料具有一定的热特征参数，使得其可以衰减散热板的温度变化率。其位于密封腔处的内壁进行抛光，能够降低与温控TEC热端的接触热阻，提高换热效率。进一步，散热板外侧安装有保温层，用于减少散热板与环境的换热，提高水冷管道及水冷机的工作效率，降低能耗。本申请实施例提供的水冷机可以为变频制冷型、非变频制冷型、非制冷型等能够使冷却水进行循环散热的设备，对此本申请不作具体限制。

进一步的，本申请实施例提供的测量装置在对待测TEC制冷性能测量之前，还可以对待测TEC的冷端和热端涂覆导热硅脂，提高测量精度。

本申请实施例提供了一种TEC制冷性能的测量方法及测量装置，通过该测量方法及测量装置，能够精确的对待测TEC的热端温度、冷端温度、工作电流、工作电压和制冷功率这些制冷性能数据进行测量，进而能够准确的进行光电探测器等器件的TEC制冷系统的设计。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种TEC制冷性能的测量装置，其特征在于，包括：由散热板与盖体组成的密封腔；及在所述密封腔中包括：

位于所述散热板上的温控TEC；

位于所述温控TEC背离所述散热板一侧的第一均温板，其中，所述温控TEC的冷端与所述第一均温板接触，且所述温控TEC的热端与所述散热板接触，所述第一均温板上设置有第一温度传感器；

位于所述第一均温板背离所述散热板一侧的待测TEC；

位于所述待测TEC背离所述散热板一侧的第二均温板，其中，所述待测TEC的热端与所述第一均温板接触，且所述待测TEC的冷端与所述第二均温板接触，所述第二均温板上设置有第二温度传感器；

以及，位于所述第二均温板背离所述散热板一侧的发热体；

及，所述测量装置还包括：与所述温控TEC、第一温度传感器、待测TEC、第二温度传感器和发热体均电连接的数据采集及驱动器件。

2.根据权利要求1所述的TEC制冷性能的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：

通过所述盖体与所述密封腔连通的真空泵系统，其中，所述真空泵系统用于为所述密封腔提供预设气压。

3.根据权利要求1所述的TEC制冷性能的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：

紧压器件，所述紧压器件用于在所述第二均温板背离散热板一侧施加预设压力。

4.根据权利要求1所述的TEC制冷性能的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：

与所述数据采集及驱动器件电连接、且设置于所述温控TEC与所述散热板接触面处的第三温度传感器。

5.根据权利要求1所述的TEC制冷性能的测量装置，其特征在于，所述散热板包括：

板体；

以及，设置于所述板体内的水冷管道。

6.根据权利要求5所述的TEC制冷性能的测量装置，其特征在于，所述板体位于所述密封腔外部分还包括有保温层。

7.根据权利要求1所述的TEC制冷性能的测量装置，其特征在于，所述密封腔的内壁、所述第一均温板的表面及所述第二均温板的表面均为抛光面。

Images