超薄熱電模組設立熱電應用全新性能標竿

固態冷卻和發電已成為複雜熱量管理和能量問題的解決方案。為解決熱能問題，熱電模組已經使用幾十年了。熱電模組的核心元件是熱電偶，一個熱電偶包括用一塊金屬板連接起來的兩個不同半導體(即用P型和N型來描述兩種材料中不同的導電機制)。端點的電氣連接形成一個完整的導電迴路，當有電流流過時，就會產生熱電冷卻(TEC)現象，在這種情況下，熱電偶一端變冷另一端變熱，這就是所謂的‘帕爾帖(Peltier)’效應。當該熱電偶放入一個有溫度梯度(即頂部比底部熱)的環境中時，就會產生熱電發電(TEG)現象，在這種情況下，該裝置會產生電流，將熱能轉換為電能，這就是所謂的塞貝克(Seebeck)效應，如圖1所示。
在實際應用中，從熱電材料的梨晶(boule)上切割下來的大量P型、N型顆粒和熱電偶組合在一起(電氣為串聯，熱學上為並聯)，以形成一個TEC或TEG。根據其尺寸和製作方法，傳統模組被稱為‘散裝’模組。這種裝置很早就用於航太領域中的發電，以及儀表、通訊和其他大量專業應用中的冷卻和溫度控制。
薄膜熱電技術
雖然熱電模組具有固態優點，但也有諸多缺點，如普遍效率低、易損壞且體積大。傳統熱電模組的大尺寸和分離式特性嚴重限制了它們的發展。最近業界有大量開發工作集中在薄膜熱電元件上。薄膜熱電材料可用傳統的半導體沈積方法生長，並可採用傳統半導體微加工技術。最終元件比傳統模組小得多，並有希望直接整合在現代製造方法中。圖2為薄膜TEC和傳統散裝TEC的比較。
" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC6_F1.jpg">圖1：基於帕爾帖效應作為TEC(左)和基於賽貝克效應作為TEG(右)的PN結原理圖
" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC6_F2.jpg">圖2：散裝TEC與Nextreme TEC的形狀和大小比較。
薄膜TEC的長和寬比傳統TEC小6倍，高度小18倍。因此，薄膜TEC的體積比傳統TEC約小110倍。
雖然比較薄膜和散裝熱電模組的大小很有趣，但比較其性能更為有用。描述一個熱電模組性能最常用的方法就是它的負載線。在固定執行電流和特定參考溫度下，將模組頂部、底部之間能達到的溫度差ΔT，標繪為能量Q的函數，就會產生負載線，能量Q是熱電模組能從溫度梯度獲得的能量。圖3顯示了Nextreme和散裝裝置的負載線，都是在參考溫度為25℃時測量的。在本例中，模組的特徵負載線顯示其最大執行電流(Imax)時的情況。在Imax條件下，Q為零時的ΔT被稱為ΔTmax，ΔT為零時汲取的能量被稱為Qmax。雖然ΔTmax和Qmax都不是設備實際的執行條件，但它們確定了設備的性能數據，並經常用來作為比較的依據。
薄膜材料
乍看之下，圖3所示的性能中，薄膜TEC汲取的能量是散裝元件的4倍，儘管它最高只有60%的溫差。然而，若一併考量尺寸差異，薄膜TEC的內在性能著實令人驚訝。薄膜TEC在一張紙的厚度上能有最大40℃的溫差(ΔTmax)！在一塊紙屑的面積上它能最大汲取約16瓦(Qmax)的能量。此處並未顯示散裝和薄膜元件各自的響應時間。然而，散裝元件的熱響應時間以秒計，而薄膜TEC的響應時間則由於尺寸小而以毫秒計算。
" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC6_F3.jpg">圖3：散裝TEC和薄膜TEC各自的負載線。
圖4顯示了實測的散裝和薄膜TEC負載線，此處再次計算以說明其尺寸性能差異。在這種情況下，ΔT除以獲得該溫差的厚度，Q除以獲得該熱量的面積。換句話說，縱軸代表了該裝置在其厚度上能夠控制的溫度梯度，橫軸表示該裝置在該區域上產生的功率密度。表1為散裝和薄膜TEC的完整比較。
表1：傳統TEC和薄膜TEC的室溫性能比較。
圖4中的對比描述了由薄膜TEC提供的一種新執行機制。在冷卻模式下，薄膜熱電裝置提供了空前的能量密度汲取能力(Q/面積)和良好的溫度梯度(ΔT/H)。同樣，在發電模式下這些裝置也具備良好性能特徵。
圖4：散裝TEC和Nextreme薄膜TEC的無量綱負載線。
為了利用圖4所顯示的特性，薄膜裝置需要置入合適的熱量和外形尺寸中。由於其尺寸非常小，該裝置可直接整合在半導體或光電封裝中以實現局部冷卻，這些產業的產品工程師過去從未使用合適的溫度控制方法。同時，這種小型裝置能汲取足夠的能量來實現發電、醫療器械和儀器等新應用。由於具備高整合、局部冷卻以及發電等特性，目前溫度控制或能量傳遞已成為電路的附加功能之一。
作者：
Seri Lee
技術長
Nextreme Thermal Solutions