专利名称：室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置的制作方法
技术领域：
室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置技术领域[0001]本实用新型涉及一种仪器仪表半导体制冷装置，尤其是指红外气体分析仪中室 温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置。
背景技术：
[0002]锑化铟红外传感器属于固态的量子型红外探测器，由于它灵敏度高、反应速度 快，被广泛使用于红外气体分析仪中，又由于它的响应波长范围，其特别适用于分析CO 和CO2的双组分红外气体分析仪中。但是，锑化铟红外传感器的最大缺点是探测率随环 境温度升高而迅速下降，实测结果表明，温度每升高rc，探测率下降约3-4%，导致红 外气体分析器的灵敏度降低，为此，需要把锑化铟红外传感器置于恒定的低温环境中。[0003]目前，有低温半导体红外传感器产品，这种产品中有一个内置的半导体制冷器 (把半导体红外传感器芯片和半导体制冷器集成在一起)，这种产品制冷功率很小，效率 很高，体积小，但是，这种产品价格极其昂贵。也有的低温锑化铟红外传感器产品是把 锑化铟红外传感器集成到一个特殊设计的液氮冷却装置中，显然不能用于红外气体分析 仪。在行业中，不带制冷器的锑化铟红外传感器产品称为室温锑化铟红外传感器。为了 解决室温锑化铟红外传感器受环境温度影响的问题，研究一种适用于分析仪器用的小功 率的、小型或微型化的、控制精度高的制冷器是业内当务之急。[0004]半导体制冷片(也称为热电制冷片，简称TEC)是能达到上述要求的制冷器件。 其结构是在两片导热但电绝缘的陶瓷片中间，有许多N型和P型的半导体颗粒(称为 热电堆)排列成点阵，半导体颗粒之间通过导电条串联连结成为完整电路。通以直流电 流后，由于帕尔帖效应，一面制冷，另一面发热。半导体制冷片是一种固体件，没有旋 转和滑动部件、无污染、可连续工作、无震动、无噪音、无磨损、寿命长，安装容易， 运行可靠、体积小、重量轻，维护方便。控制输入电流可以调节冷量，实现高精度的低 温控制。半导体制冷片在军事、医疗、计算机CPU用的散热器、实验用微型冷藏箱、空 调、冰箱、饮水机等已经得到广泛应用。[0005]但是，半导体制冷技术用于室温锑化铟红外传感器制冷需要解决以下几个难占.^ \\\ ·[0006]1.锑化铟红外传感器是一个圆柱形结构，半导体制冷片不能直接贴在上面，因 此需要设计一个特殊的形状的导冷块。[0007]2.导冷块前端必须有留一个窗口，给锑化铟红外传感器的镜头露出接受红外 光，必须设法防止冷量从这个窗口散失。[0008]3.在锑化铟红外传感器的窗口处，由于温度比环境温度低许多，容易结雾和结 水，阻止红外光通过，使它无法正常工作。[0009]4.在锑化铟红外传感器的引出脚处，也容易结雾和结水，造成信号短路。[0010]5.温度控制精度比其他应用高得多，要求达到0.1°C以上。[0011]6.整体必须小型化或微型化，以适合于分析仪器应用。4实用新型内容[0012]本实用新型的目的是为了克服现有室温锑化铟红外传感器的探测率随环境温度 升高而迅速下降，从而影响仪器仪表灵敏度和产生基线漂移的问题，提供一种在光路上 防结露、传感器引脚防漏电、不随环境温度变化的适于红外气体分析仪室温锑化铟红外 传感器使用的小型半导体制冷装置。[0013]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的[0014]一种室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，包括[0015]红外光聚光吸收室组件，包括以下部件吸收室本体；在吸收室本体的前端胶 合一个凸透镜；在吸收室本体内黏合有一个聚光杯；在吸收室本体的后端置有锑化铟 红外传感器，吸收室本体内从凸透镜到锑化铟红外传感器之间形成的空腔内充有高纯氮 气；锑化铟红外传感器的两个引脚与引线连接，在该连接处套有防漏电的塑料套筒，所 述塑料套筒、引脚、引线一起固定在锑化铟红外传感器的底座上；[0016]导冷块，长方体状，由金属材料制成，其纵向的中间置有一个圆柱形内腔，所 述聚光吸收室组件的前端用螺丝固定连接于导冷块的圆柱形内腔中，形成一个主体组 件，导冷块上分别设有连接接地线的接地线孔及内装钼电阻温度计的钼电阻孔；[0017]半导体制冷片组，由4个半导体制冷片组成，4个半导体制冷片的冷面用固化导 热脂分别贴于所述导冷块的4个纵向外壁；[0018]散热片组，由4个散热片组成，4个散热片用导热脂分别对应贴在所述4个半导 体制冷片的发热面上，并用数个螺丝将4个散热片相互抽紧连接，在其中的一个散热片 的通风槽中安装一个N沟道场效应半导体大功率管；[0019]支架，是由横架和竖架组成的“L”型支架，竖架的前端固定连接所述主体组 件，竖架的后端连接风扇和控制电路板，横架上设有两个安装槽；[0020]所述控制电路板，分别与外接直流电源以及与所述冷却风扇、半导体制冷片 组，N沟道场效应半导体大功率管、钼电阻温度计连接。[0021]所述聚光杯是椎形壁，用铝合金制成，内壁抛光至0.025的镜面级别。[0022]所述塑料套筒内置有自凝固环氧树脂。[0023]所述吸收室本体由黑色塑料制成。[0024]所述聚光吸收室组件与导冷块的连接处垫有第一绝热片。[0025]所述主体组件与支架的竖架前端连接处垫有第二绝热片。[0026]所述锑化铟红外传感器的表面涂有导热脂。[0027]所述钼电阻温度计的外表面涂有导热脂。[0028]所述控制电路板与外接直流电源以及与所述冷却风扇、半导体制冷片组，N沟 道场效应半导体大功率管、钼电阻温度计连接结构为[0029]控制电路板的电源输入正端和电源输入负端分别连接到外接直流电源的正负 端；[0030]控制电路板包括测温电桥、差分放大器、PI调节器、精密虚地发生器和三端稳 压器，其中[0031]所述三端稳压器的电压输入正端连接到控制电路板的电源输入正端，电压输入公共端连接到控制电路板的电源输入负端，稳压输出端连接到控制电路板的第1输出 端；控制电路板的第2输出端连接到控制电路板的电源输入负端，所述第1输出端与第2 输出端与所述冷却风扇连接；三端稳压器的稳压输出端同时连接到精密虚地发生器的输 入端、测温电桥、差分放大器和PI调节器的正电源端，精密虚地发生器的公共端连接到 控制电路板的电源输入负端，其输出端则连接到测温电桥、差分放大器和PI调节器的信 号地端；控制电路板的电源输入负端还连接到差分放大器和PI调节器的负电源端；[0032]所述测温电桥有4个臂，第1电阻与电位器为第1臂，第2、第3电阻分别为第 2、第3臂，第4个臂为连接到控制电路板的第1输入端、第2输入端，第1输入端、第 2输入端连接所述钼电阻温度计；测温电桥的第4臂与第1臂连接点为第1引出点，其连 接到差分放大器的正输入端，第2臂与第3臂连接点为第2引出点，其连接到差分放大器 的负输入端；差分放大器的输出端连接到PI调节器的输入端，PI调节器的输出端连接到 控制电路板的第3输出端；[0033]所述4个半导体制冷片正负串联后，正端连接到控制电路板的电源输入正端， 负端则与N沟道场效应半导体大功率管的漏极相连，N沟道场效应半导体大功率管的源 极与控制电路板的电源输入负端连接，控制电路板的第3输出端与N沟道场效应半导体大 功率管的栅极连接。[0034]所述外接直流电源为18V。[0035]本实用新型的有益效果[0036]本实用新型可以使锑化铟红外传感器制冷到室温以下35°C的温度，控制精度可 达o.rc，在光路上有防结雾结构，传感器引脚有防漏电结构，使锑化铟红外传感器的灵 敏度有很大提高，并不随环境温度变化，改善了红外气体分析仪的性能。本实用新型还 具有外形小巧、工作可靠、安装方便、单电源供电等特点。该制冷装置也可用于其它需 要工作在室温以下一定稳定值的传感器中。[0037]为进一步说明本实用新型的上述目的、特征和效果，以下将结合附图对本实用 新型进行详细说明。


[0038]图1为本实用新型的半导体制冷装置结构示意图；[0039]图2为图1中的导冷块、制冷片组、散热片组安装结构示意图；[0040]图3为本实用新型的半导体制冷装置电气连接示意图；[0041]图4为图1、3中的控制电路板电路结构示意图。
具体实施方式
[0042]下面结合实施例的附图对本实用新型的具体实施方式
进行详细说明。[0043]参见图1-图2，如图所示，本实用新型的室温锑化铟红外传感器的半导体制冷 装置结构如下[0044]红外光聚光吸收室组件1，包括以下部件吸收室本体11 ；在吸收室本体11的 前端胶合一个由氟化钙材料制成的凸透镜13 ；在吸收室本体11内置有一个椎形壁的聚光 杯12，用铝合金制成，内壁抛光至0.025的镜面级别，与聚光吸收室本体黏合在一起；在吸收室本体11的后端置有锑化铟红外传感器14，凸透镜13与锑化铟红外传感器14的 距离设计为最佳聚光距离，吸收室本体11内从凸透镜13到锑化铟红外传感器14之间形 成一个空腔；锑化铟红外传感器14的两个引脚与引线(是塑料包皮的高温导线)连接， 在该连接处套有防漏电的塑料套筒15、16，塑料套筒15、16内灌有自凝固环氧树脂，塑 料套筒15、16，引脚，引线一起固定在锑化铟红外传感器14的底座上，从而防止了锑化 铟红外传感器两个引脚处可能产生的漏电。上述吸收室本体11由塑料制成(由于其是光 学部件，塑料颜色选黑色为宜)，以尽量减少锑化铟红外传感器到外部的冷量传导，聚光 杯12与锑化铟红外传感器14的外壁之间有一间隙，以减少冷量传导。在吸收室本体11 的外壁钻有一个充氮孔17，穿过聚光杯12，并连通到吸收室本体11内的空腔，通过充氮 孔17给上述空腔充高纯氮气，然后密封，这样，红外光聚光吸收室组件1内实现了防结 露的光路，一方面因为氟化钙凸透镜13离开锑化铟红外传感器14的镜头较长距离，中间 没有热传导，使氟化钙凸透镜13的镜面接近环境温度，不会结雾。另一方面，由于吸收 室本体的空腔内充的是干燥的氮气，在锑化铟红外传感器14的镜头上也不会产生结雾现 象。[0045]导冷块3，采用长方体，尺寸为24mmX^mmX24mm，用导热性能优良的金属 材料如紫铜、铝合金等材料制成，导冷块3纵向的中间置有一个圆柱形内腔，所述聚光 吸收室组件1从其前端用螺丝1101-1104固定连接于导冷块3的圆柱形内腔中，连接处垫 有第一绝热片41，形成一个主体组件，采用塑料螺丝是为了尽量减少冷量的散失。所述 锑化铟红外传感器14置于该圆柱形内腔内，在锑化铟红外传感器14表面涂有一层薄的导 热脂，圆柱形的锑化铟红外传感器14安装于长方体的导冷块3后处于4个平面能贴半导 体制冷片的导冷块3内。导冷块上设有接地线孔303，接地线301用金属螺丝固定在接地 线孔303内，实现对锑化铟红外传感器14的屏蔽。在导冷块3上还设有钼电阻孔302。[0046]半导体制冷片组2，其由4个半导体制冷片21、22、23、M组成，4个半导体制 冷片21、22、23、M的冷面用固化导热脂薄层分别对应贴于导冷块3的4个纵向外壁。 半导体制冷片的型号为TEC1-07104T125 (其最大工作电压为8.5V，最大工作电流为4A， 最大制冷量为21.1W)，4片制冷片串联使用，总的最大制冷量可达84.4W，最大工作电 压为34V，而在本实用新型中，只需总的最大制冷量的1/4左右。采用4片半导体制冷 片的目的是让制冷片工作在比较低的工作电压下，使它在制冷系数最大(或制冷系数接 近最大)运行方式工作，降低输入功率和减少发热。[0047]散热片组5，其由4个散热片51、52、53、M组成，4个散热片51、52、53、54 用导热脂分别贴在4个半导体制冷片21、22、23、M的发热面上，并用数个铜螺丝(本 实施例采用8个铜螺丝55-6 将4个散热片相互抽紧连接，从而保证散热片与致冷片的 发热面密切接触。散热片51、52、53、M是翅片型散热片，其中散热片51被铣去一块 翅片，构成一个宽通风槽，在该宽通风槽内安装一个N沟道场效应半导体大功率管8。[0048]所述主体组件通过导冷块3的后端的4个M2.5螺孔308-311，用4个塑料螺丝 1105-1108固定连接在一个支架7的前端，连接处垫有第二绝热片42，采用塑料螺丝是为 了尽量减少冷量的散失。[0049]为了组成一个闭环温度控制系统，在导冷块3上安装了一个钼电阻温度计10， 以间接测定锑化铟红外传感器的温度。钼电阻温度计10用导热脂固定在所述导冷块3的钼电阻孔302内，该钼电阻孔302的前段直径为3.1mm的大孔，后段直径为0.5mm的 小孔，前段的大孔内安装钼电阻温度计10，后段的小孔是为了安装钼电阻温度计10时排 气。安装时，需要在钼电阻温度计10外表面涂上一层薄薄的导热脂。[0050]上述锑化铟红外传感器14、钼电阻温度计10、制冷片21、22、23、24、接地线 301等的引线从第二绝热片42穿出。[0051]所述支架7的后端依次用4个铜螺丝1109-1112、4个塑料套筒1113-1116和4 个塑料垫圈1117-1120安装冷却风扇6和控制电路板9。[0052]上述绝热片41、42由良好的绝热材料制成，其自由厚度6mm，安装后受压至厚 度 4mm。[0053]上述支架7是由横架和竖架组成的“L”型支架，竖架前端固定连接所述主体组 件，竖架后端固定连接风扇6和控制电路板9;横架上设有两个安装槽79、80，用来把本 实用新型的制冷装置固定在红外气体分析仪上。[0054]当上述半导体制冷片组2通电时，它的制冷面产生的冷量通过导冷块3传导到锑 化铟红外传感器14使其制冷，半导体制冷片组2的发热面产生的热量传递到散热片组5， 通过冷却风扇6吹风，把热量全部排出。冷却风扇6的风向为向散热片吹风的风向。同 时，N沟道场效应半导体大功率管8的功耗产生的热量也由冷却风扇6排出。[0055]本实用新型的半导体制冷装置电气连接见图3，电气元器件包括控制电路板9、 冷却风扇6、半导体制冷片组2、N沟道场效应半导体大功率管8、钼电阻温度计10。控 制电路板9的电源输入正端V+和电源输入负端V-分别连接到外接直流电源E(18V，纹 波小于5% )的正负端。钼电阻温度计10的两根引线连接到控制电路板9的信号输入端 IN901(第1输入端)、IN902(第2输入端)，控制电路板9的12V电压输出端OUT901 (第 1输出端)、OUT902(第2输出端)分别连接到冷却风扇的正负端。控制电路板9的控 制输出端OUT903(第3输出端)连接到N沟道场效应半导体大功率管8的栅极G。半导 体制冷片21、22、23、M正负串联后，正端连接到控制电路板9的电源输入正端V+，半 导体制冷片M的负端则与N沟道场效应半导体大功率管8的漏极D相连。N沟道场效 应半导体大功率管8的源极S与控制电路板9的电源输入负端V-连接。[0056]参见附图4，控制电路板9包括测温电桥901、差分放大器902、PI调节器903、 精密虚地发生器904和三端稳压器905，其中三端稳压器905的电压输入正端VIN连 接到控制电路板9电源输入正端V+，电压输入公共端VCOM连接到控制电路板9的电 源输入负端V-，稳压输出端VOUT连接到控制电路板9的OUT901端；控制电路板9的 OUT902端连接到控制电路板的电源输入负端V-，OUT901和OUT902为冷却风扇6供 电；三端稳压器905的VOUT端同时连接到精密虚地发生器904的IN端以及测温电桥 901、差分放大器902和PI调节器903的正电源端VDD。精密虚地发生器904的公共端 COM端连接到控制电路板9的电源输入负端V-，其虚地输出端VGND则连接到测温电 桥901、差分放大器902和PI调节器903的信号地端SGND ；控制电路板的电源输入负 端V-还连接到差分放大器902和PI调节器903的负电源端VSS ；测温电桥901有4个 臂，电阻Rl与电位器W为第1臂，R2、R3分别为第2、第3臂，第4个臂为连接到控 制电路板9的信号输入端IN901、IN902的钼电阻温度计10。电位器W用来改变温度设 定值；测温电桥901的输出信号从A点(第4臂与第1臂连接点)、B点(第2臂与第3臂连接点)引出，A点连接到差分放大器902的正输入端IN+，B点连接到差分放大器 902的负输入端IN-；差分放大器902的输出端OUT连接到PI调节器903的输入端IN， PI调节器903的输出端OUT连接到控制电路板9的输出端OUT903。[0057]控制电路板9是这样工作的。来自电源输入正负端的电压经过三端稳压器905 输出12V的电压，一方面给冷却风扇6供电，同时经精密虚地发生器904产生相对于虚地 点VGND为正负6V的电压，给差分放大器902、PI调节器903和测温电桥901供电，测 温电桥901的不平衡电压信号经差分放大器902放大，由PI调节器903经过模拟比例积 分运算，输出控制信号，驱动N沟道场效应半导体大功率管8，改变半导体制冷片2的电 流，使锑化铟红外传感器14稳定在设定值。[0058]另外，锑化铟红外传感器14的引出线连接到红外气体分析仪的信号放大器输入 端，导冷块3的接地线301与红外气体分析器的系统地连接。[0059]本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用 新型的目的，而并非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质范围内，对以 上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求的范围内。
权利要求1.一种室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，其特征在于包括红外光聚光吸收室组件，包括以下部件吸收室本体；在吸收室本体的前端胶合一 个凸透镜；在吸收室本体内黏合有一个聚光杯；在吸收室本体的后端置有锑化铟红外传 感器，吸收室本体内从凸透镜到锑化铟红外传感器之间形成的空腔内充有高纯氮气；锑 化铟红外传感器的两个引脚与引线连接，在该连接处套有防漏电的塑料套筒，所述塑料 套筒、引脚、引线一起固定在锑化铟红外传感器的底座上；导冷块，长方体状，由金属材料制成，其纵向中间置有一个圆柱形内腔，所述聚光 吸收室组件的前端用螺丝固定连接于导冷块的圆柱形内腔中，形成一个主体组件，导冷 块上分别设有连接接地线的接地线孔及内装钼电阻温度计的钼电阻孔；半导体制冷片组，由4个半导体制冷片组成，4个半导体制冷片的冷面用固化导热脂 分别贴于所述导冷块的4个纵向外壁；散热片组，由4个散热片组成，4个散热片用导热脂分别对应贴在所述4个半导体制 冷片的发热面上，并用数个螺丝将4个散热片相互抽紧连接，在其中的一个散热片的通 风槽中安装一个N沟道场效应半导体大功率管；支架，是由横架和竖架组成的“L”型支架，竖架的前端固定连接所述主体组件，竖 架的后端连接风扇和控制电路板，横架上设有两个安装槽；所述控制电路板，分别与外接直流电源以及与所述冷却风扇、半导体制冷片组，N 沟道场效应半导体大功率管、钼电阻温度计连接。
2.如权利要求1所述的室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，其特征在于 所述聚光杯是椎形壁，用铝合金制成，内壁抛光至0.025的镜面级别。
3.如权利要求1所述的室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，其特征在于 所述塑料套筒内置有自凝固环氧树脂。
4.如权利要求1所述的室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，其特征在于 所述吸收室本体由黑色塑料制成。
5.如权利要求1所述的室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，其特征在于 所述聚光吸收室组件与导冷块的连接处垫有第一绝热片。
6.如权利要求1所述的室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，其特征在于 所述主体组件与支架的竖架前端连接处垫有第二绝热片。
7.如权利要求1所述的室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，其特征在于 所述锑化铟红外传感器的表面涂有导热脂。
8.如权利要求1所述的室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，其特征在于 所述钼电阻温度计的外表面涂有导热脂。
9.如权利要求1所述的室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，其特征在于 所述控制电路板与外接直流电源以及与所述冷却风扇、半导体制冷片组，N沟道场效应半导体大功率管、钼电阻温度计连接结构为控制电路板的电源输入正端和电源输入负端分别连接到外接直流电源的正负端； 控制电路板包括测温电桥、差分放大器、PI调节器、精密虚地发生器和三端稳压 器，其中所述三端稳压器的电压输入正端连接到控制电路板的电源输入正端，电压输入公共端连接到控制电路板的电源输入负端，稳压输出端连接到控制电路板的第1输出端；控 制电路板的第2输出端连接到控制电路板的电源输入负端，所述第1输出端与第2输出端 与所述冷却风扇连接；三端稳压器的稳压输出端同时连接到精密虚地发生器的输入端以 及测温电桥、差分放大器和PI调节器的正电源端，精密虚地发生器的公共端连接到控制 电路板的电源输入负端，其输出端则连接到测温电桥、差分放大器和PI调节器的信号地 端；控制电路板的电源输入负端还连接到差分放大器和PI调节器的负电源端；所述测温电桥有4个臂，第1电阻与电位器为第1臂，第2、第3电阻分别为第2、 第3臂，第4个臂为连接到控制电路板的第1输入端、第2输入端，第1输入端、第2输 入端连接所述钼电阻温度计；测温电桥的第4臂与第1臂连接点为第1引出点，其连接到 差分放大器的正输入端，第2臂与第3臂连接点为第2引出点，其连接到差分放大器的负 输入端；差分放大器的输出端连接到PI调节器的输入端，PI调节器的输出端连接到控制 电路板的第3输出端；所述4个半导体制冷片正负串联后，正端连接到控制电路板的电源输入正端，负端 则与N沟道场效应半导体大功率管的漏极相连，N沟道场效应半导体大功率管的源极与 控制电路板的电源输入负端连接，控制电路板的第3输出端与N沟道场效应半导体大功率 管的栅极连接。
10.如权利要求1或9所述的室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，其特征在于所述外接直流电源为18V。
专利摘要一种室温锑化铟红外传感器的半导体制冷装置，是仪器仪表半导体制冷装置，解决现有室温锑化铟红外传感器的探测率随环境温度升高而迅速下降，影响仪器仪表灵敏度和产生基线漂移的问题，本装置包括红外光聚光吸收室组件、半导体制冷片组、导冷块、散热片组、冷却风扇、N沟道场效应半导体大功率管、控制电路板、铂电阻温度计以及安装上述部件的支架。本装置可使锑化铟红外传感器制冷到室温以下35℃的温度，控制精度可达0.1℃，在光路上有防结雾结构，传感器引脚有防漏电结构。本装置使锑化铟红外传感器的灵敏度有很大提高，并不随环境温度变化，改善了红外气体分析仪的性能。本实用新型还具有外形小巧、工作可靠、安装方便等特点。
文档编号G01N21/01GK201803945SQ20102051872
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月3日 优先权日2010年9月3日
发明者刘大平, 周仲安, 杨灿谦 申请人:上海化工研究院