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前段時間我們一起了解了溫差熱電器件的原理和及其應用，在1821年，德國科學家塞貝克發現了塞貝克效應。基于塞貝克效應的溫差發電器件，能夠直接將工業廢熱、地熱甚至人體溫差轉化為清潔電能。就在13年后，即1834年，另一位法國的科學家珀爾貼（Peltier）發現了又一個與之相關的實驗現象，當電流流過兩種不同金屬連接的回路時，?其中一個接頭的溫度會降低（吸熱），這種現象被稱為珀爾貼效應（熱電第二效應），這種吸熱特性是成為溫差制冷器件的理論基礎，那么溫差制冷器件的原理究竟是怎樣的？能應用到什么地方？接下來我們一一揭秘？
溫差制冷原理
由于金屬材料的塞貝克系數較低（小于10μV/K），制冷效率不佳。隨著半導體物理學的發展，人們發現半導體材料的塞貝克系數可達100μV/K以上，因此現代溫差制冷器件主要采用半導體材料。如下圖1所示。
圖1 半導體材料制備的溫差制冷器件原理圖
在半導體溫差制冷器件中，P型半導體和N型半導體成對組合。通電時，冷端因電子空穴對的產生導致內能減少并吸熱；熱端因電子空穴對的復合導致內能增加并放熱。
溫差制冷器件（TEC）的應用
因為半導體溫差制冷器件具有無噪聲、無振動、不需制冷劑、體積小、重量輕等特點。且工作可靠，可精確控溫，操作簡便，易于進行冷量調節。所以有如下各方面領域的應用。
TEC在光通訊領域主要用于溫度控制和穩定光通訊設備中的光學元件和半導體激光器，具體應用如下：
溫度控制激光器：半導體激光器在工作過程中對溫度非常敏感，溫度的變化會直接影響激光器的性能和波長穩定性。TEC 器件被廣泛應用于半導體激光器的溫度控制，如下圖2所示，通過控制 TEC 器件的電流來調節激光器的工作溫度，保持其在穩定的工作溫度范圍內，從而提高激光器的性能和穩定性。
圖2 TEC用于半導體激光器的溫控
光學元件：在光通訊系統中，一些光學元件如光柵、光纖耦合器等也需要在穩定的溫度條件下工作，以確保其性能和精度。TEC 器件可以被用于控制這些光學元件的工作溫度，提高其穩定性和精度。
除了用于光模塊溫控外，TEC在通信領域還可用于光纖放大器、基站電池柜、光通道監視器、社區公共電視天線系統、泵浦激光器、波長鎖定器、雪崩光電二極管等產品的溫控。
TEC技術可應用于多種消費電子場景，市場體量大，增長強勁。在熱電整機方面，半導體熱電技術已在相關產品中實現大規模產業化應用，例如對精準控溫、靜音性要求較高的啤酒機、恒溫床墊；對無振動、靜音性要求較高的恒溫酒柜、電子冰箱等。2019 年中國出口的半導體制冷式家用型冷藏箱金額約2.30 億美元，產品主要包括熱電整機應用中的啤酒機、恒溫酒柜、電子冰箱、凍奶機，還包括恒溫床墊、冰淇淋機等產品，如下圖3所示。
圖3 TEC用于消費電子領域
TEC在生物醫療領域，可以用于PCR 儀器、恒溫培養箱、醫用
冷藏箱、冷凍減肥儀、胰島素冷藏盒、智能退熱儀、植物培養箱等產品中。
PCR（聚合酶鏈式反應）儀器：PCR儀器需要精確的溫度控制，熱電模塊可以用于 PCR儀器中的溫度控制系統，幫助實現快速、準確的 DNA 擴增，滿足生物醫療領域對 PCR 技術的高要求，如下圖4所示。
圖4 TEC用于PCR儀器
冷凍減肥儀：一些美容醫療設備中使用的冷凍減肥儀需要對皮膚進行精確的溫度控制，熱電模塊可以用于這些設備中，幫助實現對皮膚的精確冷凍治療。
胰島素冷藏盒：糖尿病患者需要隨身攜帶胰島素，而胰島素需要在恒定的低溫環境下保存，熱電模塊可以用于胰島素冷藏盒中，提供可靠的制冷功能，確保胰島素的有效性和安全性，如下圖5所示。
圖5 TEC用于胰島素冷藏盒
智能退熱儀：在醫療領域，智能退熱儀需要對患者的體溫進行精確的控制，TEC可以用于智能退熱儀中，幫助實現對患者體溫的精確調節。
植物培養箱：在植物研究和育種領域，植物培養箱需要提供恒定的生長環境，熱電模塊可以用于植物培養箱中，提供精確的溫度控制，滿足植物生長的需要。
熱電模塊在生物醫療領域有多種應用，可以為實驗儀器、醫療設備、藥品保存等提供精確的溫度控制，滿足生物醫療領域對溫控的嚴格要求。隨著生物醫療領域的不斷發展，熱電模塊在該領域的應用前景將會更加廣闊，為生物醫療領域帶來更多的創新和便利。
在航天國防領域，TEC憑借可靠性高的特點可用于探測器和傳感器的溫度控制、激光系統冷卻、飛行服溫度調節、設備外殼冷卻等。在飛機上使用的半導體熱電器件，可以在空間和重量均受到限制的情況下實現溫度調節和發動機余熱的收集利用，并降低冷卻過程中產生的噪音，提高飛機射頻通信的性能。
紅外探測器冷卻：紅外探測器在軍事領域中扮演著關鍵角色，用于夜視、導引、目標識別等。然而，紅外探測器需要在較低的溫度下工作以提高探測靈敏度和減少熱噪聲。熱電模塊可以用于紅外探測器中的制冷系統，通過珀爾貼效應實現快速、精確的制冷，提高探測器的性能，如下圖6所示。
圖6 TEC用于紅外探測器
太空光電子芯片的冷卻：太空中的光電子設備需要在溫度條件下工作，而熱電模塊可以提供緊湊、可靠的制冷解決方案，確保光電子芯片在太空環境中的穩定運行。
TEC還可應用于汽車的恒溫設備，滿足熱舒適性需求。在智能需求、需要既加熱又制冷的汽車中，車載冰箱、調溫座椅、車載恒溫杯架等設備需要用到 TEC 技術，如下圖7所示。
圖7 TEC在汽車上的應用
自動駕駛技術持續深化發展?，推動車載激光雷達市場需求快速增長?。在此過程中，TEC可為激光雷達提供高效溫控解決方案。隨著L2/L3級輔助駕駛功能逐步實現規模化落地，乘用車輔助駕駛系統正逐漸成為主流配置?，這對車輛環境感知能力提出更高要求。這背后依賴各類傳感器硬件迭代與軟件算法的持續優化?。當前，各主機廠正加速推進激光雷達前裝量產計劃?。據中商產業研究院數據顯示，我國車載激光雷達市場規模已從2021年的4.6億元快速攀升，預計到2025年將達54.7億元，年復合增長率預計達到85.8%?。而TEC可以在激光雷達冷卻中，扮演重要角色。
溫差制冷器件（TEC）在工業、醫療、光電、汽車等眾多領域釋放出不可替代的價值。聯合光科推出了數款熱電制冷器件，歡迎大家咨詢！
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