延伸波長InGaAs探測器封裝用二級熱電制冷器性能研究

2020-09-03 12:28:22莫德鋒徐紅艷楊力怡

激光與紅外 2020年8期

王鎮,莫德鋒,徐紅艷,李雪,楊力怡,趙彤

(1.中國科學院上海技術物理研究所傳感技術聯合國家重點實驗室,上海 200083；2.中國科學院上海技術物理研究所紅外成像材料與器件重點實驗室,上海 200083；3.中國科學院大學,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體材料與工藝技術,具有高靈敏度、高探測率、高均勻性、高信噪比、低功耗、低暗電流等技術特點,在航天遙感,空間天文、微光夜視、軍事偵察等領域具有廣泛應用[1-3]。延伸波長InGaAs探測器響應波長可拓展到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。熱電制冷器具有無運動部件、無污染、操作簡單、控溫精度高、體積小、可靠性高等特點,被廣泛用于電子、醫學、工業、航空航天等領域[4-5]。基于航天應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、散熱條件和熱負載對四級熱電制冷器冷、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、負載功率與冷熱端溫差的對應關系以及大氣和真空環境對制冷器的性能影響。具體應用時,InGaAs探測器封裝用的熱電制冷器通過輻射制冷進行冷卻和散熱,熱端溫度不穩定,熱電制冷器往往處于273 K以下溫度工作,而關于熱電制冷器處于低溫下工作時的性能研究的報道較少,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無熱負載條件下二級熱電制冷器的性能,研究了不同輸入電流(功率)時二級熱電制冷器冷、熱端溫差與熱負載的關系。測量了低溫工況下二級熱電制冷器性能以及二級熱電制冷器處于不工作狀態時的表觀熱導率。

2 實驗裝置與原理

實驗所選二級熱電制冷器的型號為II-VI Marlow公司的NL2070,尺寸為40 mm×40 mm×8 mm。實驗裝置為實驗室自建的測試系統,主要由真空腔體、熱沉、真空泵、數字萬用表、直流電源、熱電制冷器、加熱電阻、鉑電阻溫度計組成,如圖1所示。熱電制冷器通過導熱硅脂粘貼固定于熱沉上,并通過熱沉進行散熱。三個鉑電阻溫度計通過導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。加熱電阻通過導熱膠粘貼于熱電制冷器的冷端,用于模擬InGaAs探測器工作時產生的熱負荷。鉑電阻溫度計通過導線與數字萬用表連接,加熱電阻和熱電制冷器分別通過導線與直流電源相連,通過調節電源的輸出電壓與電流控制加熱電阻的發熱量和熱電制冷器的制冷量。真空腔通過真空泵實現并保持真空環境,實驗時,真空腔環境壓力小于1×10-3Pa。當所需熱沉溫度高于273 K時,采用循環冷卻水系統充當熱沉；當所需熱沉溫度低于273 K時,采用大功率脈管制冷機充當熱沉并提供低溫環境。

圖1 熱電制冷器性能測試實驗裝置示意圖

在二級熱電制冷器處于不工作狀態時的表觀熱導率測量實驗中,實驗裝置示意圖與圖1略有不同,主要差別在于在二級熱電制冷器與熱沉之間增加了一個四級熱電制冷器,實驗所采用的四級熱電制冷器為KRYOTHERM公司的TB-4-(127-71-31-17)-1.65四級熱電制冷機。二級熱電制冷器與四級熱電制冷器之間,四級熱電制冷器與熱沉之間均涂敷導熱硅脂,三個測溫點分別位于二級熱電制冷器的上端、下端和四級熱電制冷器的下端,如圖2所示。此外,在二級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熱電制冷器的上端面進入二級熱電制冷器。實驗時,二級熱電制冷器處于不工作狀態,熱負載為0 W,四級熱電制冷器處于工作狀態。二級熱電制冷器的表觀熱導率λapp根據一維傅里葉傳熱定律求解得出,如式(1)所示。

(1)

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

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

圖2 鉑電阻溫度計位置分布示意圖

3 實驗結果與分析

3.1 無熱負載時制冷性能研究

圖3為無熱負載時,二級熱電制冷器冷、熱端溫差與輸入電流的關系以及二級熱電制冷器冷端溫度與輸入電流的關系。實驗時,熱沉溫度控制在274 K。為了減小二級熱電制冷器輸入功率過大導致熱沉無法及時散熱而引起二級熱電制冷器制冷性能測量結果的誤差,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,當所加電流為3.7 A(功率為39.85 W)時,冷端溫度達到最小值,為221.4 K,此時,二級熱電制冷器冷、熱端溫差為77.5 K。這是因為隨著輸入電流(功率)的增大,熱電制冷器制冷量增大,冷端溫度降低,同時,熱電制冷器因為輸入功率增大所產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。這一結果與文獻[9]中的結果具有良好的一致性。

3.2 有熱負載時制冷性能研究

圖4為當輸入電流(功率)不同時,二級熱電制冷器冷、熱端溫差與熱負載的關系。實驗時,二級熱電制冷器熱端溫度保持在283 K,輸入電流為1.0～2.0 A,熱負載為0～2.0 W。從圖4中可以看出,當輸入電流一定時,隨著熱負載的增加,二級熱電制冷器冷、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,改變單位熱負載所引起二級熱電制冷器冷、熱端溫差的改變量減小,這是因為隨著輸入電流(功率)的增大,熱電制冷器的制冷量增加。當熱負載為零時,二級熱電制冷器輸入電流(功率)越大,二級熱電制冷器冷、熱端溫差越大,這一結論與3.1節得出的結論具有良好的一致性。

圖3 二級熱電制冷器制冷性能與輸入電流的關系

ΔT=a·Q+b

(2)

式中,ΔT表示二級熱電制冷器冷、熱端溫差,單位K；Q表示熱負載,單位W；a表示擬合直線的斜率,含義為變化單位熱負載所引起二級熱電制冷器冷、熱端溫差的變化量；b表示擬合直線的截距,含義為無熱負載時二級熱電制冷器冷、熱端溫差。

表1 二級熱電制冷器冷、熱端溫差與熱負載關系擬合公式參數表

3.3 低溫工況下制冷性能研究

表2為熱沉溫度、冷端溫度、熱負載一定時,二級熱電制冷器熱端溫度、輸入電壓和輸入電流測量結果。實驗時,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,熱負載控制在1.0 W。將表2中的結果與圖4中的結果相比,可以得出,當輸入電流(功率)、熱負載大致相等時,二級熱電制冷器冷、熱端溫差在較高溫度時更大,這是因為隨著溫度降低,熱電制冷器的制冷效率下降。這一結論與文獻[9]的結論具有良好的一致性。

表2 特定工況下二級熱電制冷器熱端溫度、輸入電壓和輸入電流測量結果

3.4 不工作狀態表觀熱導率研究

在研究不工作狀態二級熱電制冷器表觀熱導率時,結合實驗室設備條件,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進行實驗,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)

當輸入電流為1.7 A、3.4 A時,實驗測得二級熱電制冷器冷、熱端溫差和四級熱電制冷器冷、熱端溫差,結果如表3所示。將四級熱電制冷器冷、熱端溫差數據代入式(3)和式(4),計算得到輸入電流為1.7 A、3.4 A時的制冷量Qc分別為0.42 W和 0.57 W。將其代入式(1),可得二級熱電制冷器的表觀熱導率分別為8.29 W/(m·K),11.30 W/(m·K),其對應二級熱電制冷器溫度分別為249.8 K,233.1 K。