[发明专利]一种半导体制冷器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体制冷器件，尤其涉及一种半导体制冷器件及其制造方法。

背景技术

半导体制冷是电流换能型制冷方式，又称热电制冷，既能制冷，又能加热，通过对输入电流的控制，可实现对温度的高精度控制，制冷过程不需要任何制冷剂，没有旋转部件，无噪音，无振动，广泛应用于武器装备、医疗实验仪器、专用测试仪器以及日常生活方面。

半导体制冷实现的关键是半导体制冷片。半导体制冷片是利用特种半导体材料构成P-N结，形成热电偶对，在通直流电时产生帕尔贴效应，实现热量转移，一端吸热，另一端放热。

在额定功率下，要提高半导体制冷片的制冷效率，主要有两个方面措施：一是选择优值系数高且耐高温的半导体材料；二是提高制冷片的散热及隔热措施。目前广泛实用的半导体制冷材料是以碲化铋为机体的三元固溶体合金。

单独一对单元热电偶产生的热量转移很少，仅有0.117W-0.7W，实际使用中常把各对单元串联起来，形成一组热电偶(一级电堆)，两侧用陶瓷片夹持，制成一定尺寸的半导体制冷片。中国专利CN202734342U名称为“半导体制冷器”即为此种结构。由于这种半导体制冷片的厚度很薄，在外界散热不充分的情况下，制冷片工作时热端产生的热量很容易通过制冷片本身回流至冷端，降低了制冷片的制冷效率。

国内文献主要集中在如何提高制冷片冷热两端的散热能力上。中国专利CN202792679U名称为半导体制冷装置，采用在制冷片两侧加装金属导热块并用绝缘螺丝固定的方式提高了单个制冷片的效率，但这同时也大大增加了制冷片组件的体积和重量，适合于对体积重量要求不敏感的产品。

中国专利CN103682074A名称为“高导热性金属电路半导体制冷片及其加工方法”即通过采用类钻碳镀膜的金属基板，代替传统的陶瓷基板，从而提高制冷片两端散热效率，该方式也一定程度上增加了制冷片的质量，同时生产工艺复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有半导体制冷片空气隔热保温性能的不足，提供一种几乎不改变原有制冷片质量及体积，同时又能有效提高单位功耗下制冷效率的半导体制冷器件及制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种半导体制冷器件，包括半导体制冷片，所述半导体制冷片由上基板和下基板，以及位于上基板和下基板之间的多组P-N结半导体组成，所述上基板与下基板的空隙处填充有具有隔热绝缘作用的气凝胶层；

作为优选，所述气凝胶层为添加玻璃纤维增强后的二氧化硅气凝胶；

作为优选，所述P-N结半导体为碲化铋P-N结半导体。

一种半导体制冷器件制造方法，方法步骤如下，

a.选材，选用工业级半导体制冷片包括上基板、下基板、碲化铋P-N结半导体，以及玻璃纤维增强的二氧化硅气凝胶；

b.将制冷器内部抽真空，采用玻璃纤维增强后的二氧化硅气凝胶进行灌装，让气凝胶材料填充满制冷器内部；

c.待凝胶后，将制冷器进行气凝胶的疏水化处理；

d.再进行溶剂置换；

e.最后放入超临界干燥设备中进行干燥处理；

f.制冷器干燥后取出，对其进行封边处理；

g.进行检验。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明采用新型二氧化硅气凝胶材料，具有质量轻、不额外占用体积、抗过载能力强、稳定性高的优点。

(2)本发明相比未填充该材料的半导体制冷片，其单位功耗下的制冷效率提高10％以上，特别适用于在功率较低，而制冷要求较苛刻下的制冷设备。

(3)本发明基于工业级半导体制冷片，只增加一道灌装工序，原有生产工艺可保持不变，无需重新设计生产装备，改进成本低。

(4)本发明应用于半导体制冷装备，在环境温度25℃和总功耗小于80W时，单片半导体制冷片冷热端实际温差可以提高8.5℃，对5L容积内的有效载荷其制冷温度可控至-20℃(冷端温度-25℃)，并保持长时间连续工作。

附图说明

图1为本发明结构主视图的剖视图；

图2为本发明结构俯视图的剖视图；

图3本发明制冷片隔热处理工艺流程图。

图中：1、P-N结半导体；2、气凝胶层；3、上基板；4、下基板。

具体实施方式

实施例：下面将对本发明作进一步说明，