隨著高性能制冷 CCD 成像系統(tǒng)已經(jīng)成為航天成像式探測的一個重要發(fā)展方向，熱電制冷作 為一種有效的電子設備冷卻方法廣泛用于重要部件的主動熱控。為了實現(xiàn)熱電制冷器工作電流的合 理選擇，在分析熱電制冷機理的基礎上，首先介紹了熱電模塊的 3 種工作模式(制冷、加熱和熱電發(fā) 電)，同時研究了熱電偶內(nèi)溫度分布的一般形式，最后，在第一類邊界條件下，針對工作電流對熱電制 冷器性能的影響進行了詳細分析，并指出了在制冷模式下工作電流的選擇范圍，發(fā)現(xiàn)過小或過大的電 流都將降低制冷器的制冷效果，為今后熱電制冷器工作電流的選擇提供了參考依據(jù)。
一、什么是制冷 CCD
所謂制冷CCD，就是利用一定的制冷技術對CCD芯片進行制冷，讓它在較低的溫度下進行工作，從而有效的降低暗電流噪聲。 由于技術上的原因，目前市面上銷售的制冷CCD，絕大部分是進口的制冷CCD,國產(chǎn)廠商中，能夠生產(chǎn)制冷CCD的并不多。
二、 工作原理
用導體連接兩塊不同的金屬,接通直流電,則一個接點處溫度降低，另一個接點處溫度升高。若將電源反接，則接點處的溫度相反變化。這一現(xiàn)象稱為珀耳帖效應，又稱熱-電效應。純金屬的熱-電效應很小，若用一個N型半導體和一個P型半導體代替金屬，效應就大得多。接通電源后，上接點附近產(chǎn)生電子-空穴對,內(nèi)能減小,溫度降低,向外界吸熱,稱為冷端。另一端因電子-空穴對復合，內(nèi)能增加，溫度升高，并向環(huán)境放熱，稱為熱端。一對半導體熱電元件所產(chǎn)生的溫差和冷量都很小，實用的半導體制冷器是由很多對熱電元件經(jīng)并聯(lián)、串聯(lián)組合而成，也稱熱電堆。單級熱電堆可得到大約60℃的溫差，即冷端溫度可達-10～-20℃。增加熱電堆級數(shù)即可使兩端的溫差加大。
在目前的熱電致冷器件中最常用到的半導體熱電材料是碲化鉍。碲化鉍的最大熱電優(yōu)值系數(shù)所出現(xiàn)的溫度在室溫，適合于大多數(shù)熱電制冷的應用條件。工業(yè)上已經(jīng)可以通過摻雜得到p型和n型碲化鉍料錠。熱電材料的制備方法通常是區(qū)域熔化法或者粉末壓制成型法。
電致冷器結構示意圖
從上面的半導體結構示意圖中可以知道，電偶臂材料分別采用了p型和n型碲化鉍。這種布局方式下，電流在p型和n型電偶臂里上下流動的過程中，熱流方向能始終保持不變，在n型材料中，熱流方向與電流方向相反;在P型材料中，熱流方向與電流方向相同。一個p型和一個n型電偶臂組成一對溫差電偶對，大多數(shù)熱電致冷器是由相同數(shù)量的n型和p型電偶臂所組成的。上圖的模型是由兩對p型和n型電偶臂構成的兩對溫差電偶對，通過合理的串聯(lián)結構，可以組合成不同對數(shù)的半導體致冷器。
三、安裝方法
致冷器的安裝方法一般有三種：焊接、粘合、螺栓壓縮固定。在生產(chǎn)上具體用那一種方法安裝，要根據(jù)產(chǎn)品的要求來定，總的來說對于這三種的安裝時，首先都要用無水酒精棉，將制冷器件的兩端面擦洗干凈，儲冷板和散熱板的安裝表面應加工，表面平面度不大于0.03mm，并清洗干凈，以下就是三種安裝的操作過程。
1、焊接
焊接的安裝方法要求制冷器件外表面必須是金屬化，儲冷板和散熱板也必須能夠上焊料(如：銅材的儲冷板或散熱板)安裝時先將儲冷板、散熱板、制冷器進行加溫(溫度和焊料的熔點差不多)，在各安裝表面都熔上約70℃～110℃之間的低溫焊料0.1mm。然后將制冷器件的熱面和散熱板的安裝面，制冷器件的冷面和儲冷板的安裝面平行接觸并且旋轉擠壓，確保工作面的接觸良好后冷卻，該安裝方法較復雜，不易維修，一般應用在較特殊的場合。
2、粘合
粘合的安裝方法是用一種具有導熱性能較好的粘合劑，均勻的涂在制冷器件、儲冷板、散熱板的安裝面上。粘合劑的厚度在0.03mm，將制冷器的冷熱面和儲冷板、散熱板的安裝面平行的擠壓，并且輕輕的來回旋轉確保各接觸面的良好接觸，通風放置24小時自然固化。該安裝方法一般應用在想永久的把制冷器固定在散熱板或儲冷板的地方。
3、螺柱壓縮固定
螺柱壓縮固定的安裝方法是將制冷器件、儲冷板、散熱板各安裝面均勻的涂上很薄的一層導熱硅脂，厚度大約在0.03mm。然后將制冷器件的熱面和散熱板的安裝面、制冷器件的冷面和儲冷板的安裝面平行接觸，并且輕輕的來回旋轉制冷器，擠壓過量的導熱硅脂，一定要確保各工作面的接觸良好，再用螺絲將散熱板、制冷器、儲冷板三者之間緊固，緊固時用力應均勻，切勿過量或太輕，重了易壓壞致冷器件，輕了容易造成工作面不接觸。該安裝簡單、快速，維修方便，可靠性較高，是目前產(chǎn)品應用中最多的一種安裝方法。
以上三種安裝方法為了能夠達到最佳的制冷效果，儲冷板和散熱板之間應用隔熱材料填充，固定螺絲應用隔熱墊圈，為減少冷熱交替，儲冷板和散熱板的尺寸大小取決于冷卻方法及冷卻功率大小，根據(jù)應用情況決定。
四、 制冷 CCD特點
隨著電子元器件體積的縮小以及性能和速度的 不斷提高，芯片的能耗和發(fā)熱量也越來越大。過高的溫度將使元器件承受過量的熱膨脹應力，導致其結構被破壞而失效，甚至燒毀元器件;芯片功率密度的分布不均還會產(chǎn)生所謂的局部熱點。 據(jù)統(tǒng)計，超過55%的電子設備失效是由于溫度過高引起的。隨著溫度的升高，元器件的失效率呈指數(shù)增加，在不同程 度上降低了電子設備的可靠性 。 對空間望遠鏡而言，降低 CCD 等電子元器件的工作溫度有利于減小暗噪聲，提高靈敏度，保證其探測能力。 因此，有必要對電子設備的耗熱元器件以及整機或系統(tǒng)采用合適的冷卻技術，以便對其溫度進行控制，從而保證電子設備或系統(tǒng)正常工作。
對于電子部件，尤其是高功率密度集成電路部件的制冷， 傳統(tǒng)的散熱技術不能滿足芯片發(fā)熱量日益增長的要求，而熱電制冷則具有諸多突出的優(yōu)點， 如：結構簡單、無活動部件、安裝方向不受重力影響、 無噪聲、 無污染、 可靠性高、 壽命長、 啟動快、 控制靈活、成本低、功耗低等 。因此，熱電制冷技術對電子元器件來說是很好的選擇。 姬鵬先、時陽等人基于工作電壓范圍的選擇對熱電制冷器的變工況特性進行了分析 。 在深刻分析熱電制冷機理的基礎上，指出了熱電模塊 (TEM) 的 3 種工作模式， 并詳細分析了熱電模塊工作在制冷模式下的電流情況。
在一些中小功率熱量傳輸，但是需要復雜控溫的熱控過程中，半導體致冷器可以提供很大的幫助，而且，在一些特定的情況下它是唯一的選擇。盡管沒有哪種制冷方式是萬能的，半導體致冷器也并不能應用在所有的領域，但是與其他制冷設備相比，熱電致冷器具有很多優(yōu)勢。其中包括：
可以降溫到環(huán)境溫度以下：傳統(tǒng)的散熱器需要將溫度升高到環(huán)境溫度以上才可以使用，與其不同的是熱電致冷器具有將物體溫度降低到環(huán)境溫度以下的能力。
同一器件可以滿足升溫和降溫的要求：熱電致冷器可以通過調(diào)整加載的直流電流的方向，調(diào)整制冷或者加熱模式。應用這一特點就不必在給定體系內(nèi)加入另外獨立的加熱或者制冷功能元件。
精確的溫度控制：由于熱電致冷器具有一個閉路溫度控制循環(huán)，它可以在0.1 ℃范圍內(nèi)精確地控制溫度。
高可靠性：由于全部為固態(tài)基構造，熱電致冷器具有很高的可靠性。盡管某種程度上與應用條件有關，但是典型熱電致冷器的壽命一般可以達到200,000小時以上。
電子靜音：與傳統(tǒng)的機械式制冷器件不同，熱電致冷器在工作過程中基本上不會產(chǎn)生任何電子干擾信號，它可以與敏感的電子感應器相連接，并不會干擾其工作。另外，它在運行過程中也不會產(chǎn)生任何噪音。
可以在任意角度下工作：熱電致冷器可以在任意角度和零重力狀態(tài)下工作。
簡單方便的能源供給：熱電致冷器能夠直接使用直流電源，并且加載電源的電壓和電流能夠在很大范圍內(nèi)變化。在許多條件下，還可以使用脈沖寬度調(diào)制。
