[學位論文117]：基于熱電技術的制冷芯片設計與仿真

摘要

熱電制冷技術以其環境友好性、無噪音、無振動、結構簡單、體積小等優點,在小型電子設備和特殊應用領域中展現出廣闊的應用前景。本研究設計了垂直型和平面型熱電制冷芯片,通過多物理場仿真分析,系統探討了結構參數、電流接入方式對一級與二級熱電制冷芯片最大制冷溫差的影響,為小型電子設備制冷結構的設計和優化提供參考。主要的研究內容和結果如下:

1、建立了一級和二級芯片的理想模型。通過對熱電制冷物理過程的分析,建立了一級制冷芯片最大制冷量Qcmax、最大制冷溫差 Tmax和最大制冷效率 COPmax的表達式,確定了二級制冷結構在不同電流接入方式下的最大制冷溫差和關鍵影響參數。

2、設計了垂直型和平面型一級制冷芯片,揭示了結構參數對制冷效果的影響規律,獲得最優結構參數。其中,熱電腿的長度和橫截面積對制冷效果的影響相對較小,氮化硅層的厚度與最大制冷溫差呈反比關系;達到最大制冷溫差所需的電流與熱電腿的橫截面積成正比,與長度成反比。對比發現,平面型一級制冷芯片在整體性能上優于垂直型芯片,理想情況下可以實現62.66K的最大制冷溫差。

3、設計了垂直型和平面型二級制冷芯片,揭示了不同電流連接方式下結構參數對最大制冷溫差的影響規律。對于垂直型芯片,增加熱電偶數量可降低并聯芯片的制冷溫差,對應的電流也將減小,而串聯芯片的制冷溫差先增后減,電流卻持續降低;熱電腿長度的增加導致并聯、串聯兩種芯片的制冷性能均下降;氮化硅層厚度與制冷溫差成反比,電流穩定。平面型芯片中,熱電偶數量的增加對并聯芯片的制冷溫差有先增后減的影響,而串聯芯片的溫差穩定上升;熱電腿長度的變化對并聯和串聯芯片的制冷溫差和電流有相反的影響;熱電偶截面積的減小導致并聯和串聯芯片的制冷溫差和電流均上升;氮化硅層厚度的調整對兩種芯片的制冷溫差有顯著影響,但電流保持不變。通過不同類型芯片制冷性能的對比發現,二級平面串聯芯片的綜合性能最優,理想情況下可實現64.8K的最大制冷溫差,并且功耗僅為0.6mW。

關鍵詞制冷芯片；熱電效應；仿真分析；小型電子設備

基于熱電技術的制冷芯片設計與仿真_陳祖斌.pdf