超薄热电模块建立热电应用新的性能范例

固态冷却和发电早已成为复杂的热量管理和能量问题的解决方案。为了解决这些热能问题，热电模块已经使用几十年了。热电模块的核心部件是热电偶，一个热电偶包括用一块金属板连接起来的两个不同半导体(是指用P型和N型来描述两种材料中不同的导电机制)。端点的电气连接形成一个完整的导电回路，当有电流流过时，就会产生热电制冷(TEC)现象，在这种情况下，热电偶一端变冷另一端变热，这就是所谓的“帕尔帖(Peltier)”效应。当该热电偶放入一个有温度梯度(即顶部比底部热)的环境中时就会产生热电发电(TEG)现象，在这种情况下，该装置产生电流，将热能转换为电能，这就是所谓的塞贝克效应，如图1所示。

实际应用中，从热电材料梨晶(boule)上切割下来的大量P型、N型颗粒和热电偶组合在一起(电气上串联，热学上并联)形成一个TEC或TEG。根据其尺寸和制作方法，传统模块被称为“散装”模块。这种装置很早并一直用于航空航天领域中的发电，以及仪表、通讯和其他大量专业应用中的冷却和温度控制。

薄膜热电技术

虽然热电模块具有固态的优点，但是也有诸多缺点，比如普遍效率低、易损坏且体积大。传统热电模块的大尺寸和离散特性严重制约了它们的实现。最近业界有大量开发工作集中在薄膜热电器件上。薄膜热电材料可用传统的半导体沉积方法生长，并且可以使用传统半导体微加工技术来加工。最终的器件比传统模块小得多，并有希望直接集成到现代的制造方法中。图2给出了薄膜TEC和传统散装TEC的比较。薄膜TEC的长和宽比传统TEC小6倍，高度小18倍。因此，薄膜TEC的体积比传统TEC约小110倍。

虽然比较薄膜和散装热电模块的大小比较有意思，但是比较其性能显得更为有用。描述一个热电模块性能最常用的方法就是它的负载线。在固定运行电流和特定参考温度下，将模块顶部、底部之间能达到的温度差ΔT，标绘为能量Q的函数，这样就产生了负载线，能量Q是热电模块能从温度梯度获得的能量。图3显示了Nextreme和散装装置的负载线，都是在参考温度为25℃时测量的。在本例中，模块的特征负载线显示的是在其最大运行电流(Imax)时的情况。在Imax条件下，Q为零时的ΔT被称为ΔTmax，ΔT为零时汲取的能量被称为Qmax。虽然ΔTmax和Qmax都不是设备实际的运行条件，但是它们确定了设备的性能范围(performance envelope)数据，并且经常被用来作为比较的依据。

图1：基于帕尔帖效应用作TEC(左)和基于赛贝克效应用作TEG(右)的PN结原理图。

图2：散装TEC与Nextreme TEC的形状和大小比较。

图3：散装TEC和薄膜TEC各自的负载线。

薄膜材料：热电性能的新典范

乍一看，图3所示的性能比较本身就很有意思—薄膜TEC汲取的能量是散装器件的4倍，尽管它最高只有60%的温差。然而，如果我们将尺寸差异考虑进去，薄膜TEC的内在性能着实令人惊讶。薄膜TEC在一张纸的厚度上能有最大40℃的温差(ΔTmax)！在一块纸屑的面积上它能最大汲取约16瓦(Qmax)的能量。这里没有显示散装和薄膜器件各自的响应时间。然而，散装器件的热响应时间以秒计，而薄膜TEC的响应时间由于其尺寸小而以毫秒来计。

图4显示了实测的散装和薄膜TEC的负载线，这里再次计算以说明其尺寸性能差异。在这种情况下，ΔT除以获得该温差的厚度，Q除以获得该热量的面积。换句话说，纵轴代表了该装置在其厚度上能够控制的温度梯度，横轴表示该装置在该区域上产生的功率密度。表1总结了散装和薄膜TEC的完整对比。

表1：传统TEC和薄膜TEC的室温性能比较。

图4中的对比描述了由薄膜TEC提供的一种新的运行机制。在冷却模式下，薄膜热电装置提供了空前的能量密度汲取能力(Q/面积)和非凡的温度梯度(ΔT/H)。同样，在发电模式下这些装置也达到了无以伦比的性能特征。

图4：散装TEC和Nextreme薄膜TEC的无量纲负载线。

对应用开发的启示

为了利用图4所显示的特性，薄膜装置需要投入到合适的热量和外形尺寸环境中去。由于其尺寸非常小，该装置可以直接集成到半导体或光电子封装中以实现局部冷却，这些行业的产品工程师以前从来没有合适的温度控制方法。同时，该装置体积小并且能汲取足够的能量来实现发电、医疗器械和仪器等新应用。最后，集成化、局部冷却以及发电现在已经使得温度控制或能量传递成为电路的一项补充功能。

作者：

Seri Lee博士

首席技术官

Nextreme Thermal Solutions公司