延伸波长InGaAs探测器封装用二级热电制冷器性能研究

王 镇,莫德锋,徐红艳,李 雪,杨力怡,赵 彤

(1.中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室,上海 200083；2.中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室,上海 200083；3.中国科学院大学,北京 100049)

1 引 言

近红外InGaAs探测器基于Ⅲ-Ⅴ族InP/InGaAs材料体系以及成熟的化合物半导体材料与工艺技术,具有高灵敏度、高探测率、高均匀性、高信噪比、低功耗、低暗电流等技术特点,在航天遥感,空间天文、微光夜视、军事侦察等领域具有广泛应用[1-3]。延伸波长InGaAs探测器响应波长可拓展到2.5 μm,需要制冷器提供冷量来降低暗电流,保证正常的工作状态。热电制冷器具有无运动部件、无污染、操作简单、控温精度高、体积小、可靠性高等特点,被广泛用于电子、医学、工业、航空航天等领域[4-5]。基于航天应用的热电制冷器性能已开展了不少研究,莫德锋等人[6-7]开展了输入功率、散热条件和热负载对四级热电制冷器冷、热端温差的影响研究以及不同气体封装条件下多级热电制冷器性能的研究。江世臣等人[8]开展了某星载CCD器件所用热电制冷器的性能研究,获得了安装方式、输入功耗、负载功率与冷热端温差的对应关系以及大气和真空环境对制冷器的性能影响。具体应用时,InGaAs探测器封装用的热电制冷器通过辐射制冷进行冷却和散热,热端温度不稳定,热电制冷器往往处于273 K以下温度工作,而关于热电制冷器处于低温下工作时的性能研究的报道较少,因此,需要开展低温下热电制冷器性能的研究。本文研究了基于真空封装技术无热负载条件下二级热电制冷器的性能,研究了不同输入电流(功率)时二级热电制冷器冷、热端温差与热负载的关系。测量了低温工况下二级热电制冷器性能以及二级热电制冷器处于不工作状态时的表观热导率。

2 实验装置与原理

实验所选二级热电制冷器的型号为II-VI Marlow公司的NL2070,尺寸为40 mm×40 mm×8 mm。实验装置为实验室自建的测试系统,主要由真空腔体、热沉、真空泵、数字万用表、直流电源、热电制冷器、加热电阻、铂电阻温度计组成,如图1所示。热电制冷器通过导热硅脂粘贴固定于热沉上,并通过热沉进行散热。三个铂电阻温度计通过导热胶分别粘贴于热电制冷器上端(冷端)、热电制冷器下端(热端)、热沉上,用于测量三者的温度。加热电阻通过导热胶粘贴于热电制冷器的冷端,用于模拟InGaAs探测器工作时产生的热负荷。铂电阻温度计通过导线与数字万用表连接,加热电阻和热电制冷器分别通过导线与直流电源相连,通过调节电源的输出电压与电流控制加热电阻的发热量和热电制冷器的制冷量。真空腔通过真空泵实现并保持真空环境,实验时,真空腔环境压力小于1×10-3Pa。当所需热沉温度高于273 K时,采用循环冷却水系统充当热沉；当所需热沉温度低于273 K时,采用大功率脉管制冷机充当热沉并提供低温环境。

图1 热电制冷器性能测试实验装置示意图

在二级热电制冷器处于不工作状态时的表观热导率测量实验中,实验装置示意图与图1略有不同,主要差别在于在二级热电制冷器与热沉之间增加了一个四级热电制冷器,实验所采用的四级热电制冷器为KRYOTHERM公司的TB-4-(127-71-31-17)-1.65四级热电制冷机。二级热电制冷器与四级热电制冷器之间,四级热电制冷器与热沉之间均涂敷导热硅脂,三个测温点分别位于二级热电制冷器的上端、下端和四级热电制冷器的下端,如图2所示。此外,在二级热电制冷器四周包覆一层防辐射片,确保来自真空腔壁面的辐射热量尽可能仅从二级热电制冷器的上端面进入二级热电制冷器。实验时,二级热电制冷器处于不工作状态,热负载为0 W,四级热电制冷器处于工作状态。二级热电制冷器的表观热导率λapp根据一维傅里叶传热定律求解得出,如式(1)所示。

(1)

式中,q为流过二级热电制冷器横截面的热流量,单位W；A为水平方向二级热电制冷器的横截面积,单位m2；ΔZ为二级热电制冷器的高,单位m；ΔT为二级热电制冷器冷、热端的温度差,单位K。

四级热电制冷器产品手册中的性能曲线给出了不同输入电流时制冷量Qc与冷、热端温差dT的关系。通过给定输入电流,测得四级热电制冷器冷、热端温差dT,即可获得四级热电制冷器的制冷量Qc。实验过程中,假设:(1)流过二级热电制冷器横截面的热流是一维的,并全部由四级热电制冷器吸收,即认为热流量q等于制冷量Qc；(2)忽略二级热电制冷器下端(热端)与四级热电制冷器上端(冷端)的温差,即认为二级热电制冷器热端与四级热电制冷器热端之间的温差等于四级热电制冷器冷、热端温差。从而可以根据式(1)求出二级热电制冷器的表观热导率λapp。

图2 铂电阻温度计位置分布示意图

3 实验结果与分析

3.1 无热负载时制冷性能研究

图3为无热负载时,二级热电制冷器冷、热端温差与输入电流的关系以及二级热电制冷器冷端温度与输入电流的关系。实验时,热沉温度控制在274 K。为了减小二级热电制冷器输入功率过大导致热沉无法及时散热而引起二级热电制冷器制冷性能测量结果的误差,输入电流从2 A开始,每次测量增加0.1 A。从图3中可以看出,一方面,随着输入电流的增大,二级热电制冷器冷、热端温差不断增加,从输入电流为2 A起,冷、热端温差随着输入电流的增大而以线性趋势增加；另一方面,随着输入电流的增大,冷端温度不断下降,并且下降趋势不断减小,当所加电流为3.7 A(功率为39.85 W)时,冷端温度达到最小值,为221.4 K,此时,二级热电制冷器冷、热端温差为77.5 K。这是因为随着输入电流(功率)的增大,热电制冷器制冷量增大,冷端温度降低,同时,热电制冷器因为输入功率增大所产生的的焦耳热也增大,并且焦耳热增大的速率要快于制冷量增大的速率。这一结果与文献[9]中的结果具有良好的一致性。

3.2 有热负载时制冷性能研究

图4为当输入电流(功率)不同时,二级热电制冷器冷、热端温差与热负载的关系。实验时,二级热电制冷器热端温度保持在283 K,输入电流为1.0～2.0 A,热负载为0～2.0 W。从图4中可以看出,当输入电流一定时,随着热负载的增加,二级热电制冷器冷、热端温差呈线性趋势减小,拟合公式如式(2)所示,拟和参数值如表1所示,从表1中可以看出,随着输入电流增大,改变单位热负载所引起二级热电制冷器冷、热端温差的改变量减小,这是因为随着输入电流(功率)的增大,热电制冷器的制冷量增加。当热负载为零时,二级热电制冷器输入电流(功率)越大,二级热电制冷器冷、热端温差越大,这一结论与3.1节得出的结论具有良好的一致性。

图3 二级热电制冷器制冷性能与输入电流的关系

ΔT=a·Q+b

(2)

式中,ΔT表示二级热电制冷器冷、热端温差,单位K；Q表示热负载,单位W；a表示拟合直线的斜率,含义为变化单位热负载所引起二级热电制冷器冷、热端温差的变化量；b表示拟合直线的截距,含义为无热负载时二级热电制冷器冷、热端温差。

表1 二级热电制冷器冷、热端温差与热负载关系拟合公式参数表

3.3 低温工况下制冷性能研究

表2为热沉温度、冷端温度、热负载一定时,二级热电制冷器热端温度、输入电压和输入电流测量结果。实验时,测试工况为热沉温度分别控制在233 K和238 K,冷端温度控制在220 K,热负载控制在1.0 W。将表2中的结果与图4中的结果相比,可以得出,当输入电流(功率)、热负载大致相等时,二级热电制冷器冷、热端温差在较高温度时更大,这是因为随着温度降低,热电制冷器的制冷效率下降。这一结论与文献[9]的结论具有良好的一致性。

表2 特定工况下二级热电制冷器热端温度、输入电压和输入电流测量结果

3.4 不工作状态表观热导率研究

在研究不工作状态二级热电制冷器表观热导率时,结合实验室设备条件,选取了工作电流为1.7 A、3.4 A的性能曲线作为参考依据进行实验,曲线拟合方程为

Qc=-0.09·dT+5.12 (I=1.7 A)

(3)

Qc=-0.10·dT+8.88 (I=3.4 A)

(4)

当输入电流为1.7 A、3.4 A时,实验测得二级热电制冷器冷、热端温差和四级热电制冷器冷、热端温差,结果如表3所示。将四级热电制冷器冷、热端温差数据代入式(3)和式(4),计算得到输入电流为1.7 A、3.4 A时的制冷量Qc分别为0.42 W和 0.57 W。将其代入式(1),可得二级热电制冷器的表观热导率分别为8.29 W/(m·K),11.30 W/(m·K),其对应二级热电制冷器温度分别为249.8 K,233.1 K。

表3 二、四级热电制冷器冷、热端温差实验数据

4 结 论

基于真空封装技术,二级热电制冷器可有效地给延伸波长InGaAs探测器提供冷量并实现精确控温,保证InGaAs探测器的正常工作以及良好的性能。

(1)基于真空封装技术,当热沉温度为274 K,热负载功率为0时,二级热电制冷器冷端可以达到221.5 K,冷、热端温差为77.5 K。

(2)输入电流一定时,随着热负载的增加,二级热电制冷器冷、热端温差呈线性趋势减小,且斜率随着输入电流增大而增大。

(3)当输入电流(功率)、负载大致相等时,二级热电制冷器冷、热端温差在较高温度时更大,即制冷性能更好,而在低温下,二级热电制冷器制冷效率降低。

(4)测得了二级热电制冷器不工作状态时的表观热导率,当温度为233.1 K 时,二级热电制冷器表观热导率为11.30 W/(m·K)；当温度为249.8 K 时,二级热电制冷器表观热导率为8.29 W/(m·K)。