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前段时间我们一起了解了温差热电器件的原理和及其应用，在1821年，德国科学家塞贝克发现了塞贝克效应。基于塞贝克效应的温差发电器件，能够直接将工业废热、地热甚至人体温差转化为清洁电能。就在13年后，即1834年，另一位法国的科学家珀尔贴（Peltier）发现了又一个与之相关的实验现象，当电流流过两种不同金属连接的回路时，其中一个接头的温度会降低（吸热），这种现象被称为珀尔贴效应（热电第二效应），这种吸热特性是成为温差制冷器件的理论基础，那么温差制冷器件的原理究竟是怎样的？能应用到什么地方？接下来我们一一揭秘？
温差制冷原理
由于金属材料的塞贝克系数较低（小于10μV/K），制冷效率不佳。随着半导体物理学的发展，人们发现半导体材料的塞贝克系数可达100μV/K以上，因此现代温差制冷器件主要采用半导体材料。如下图1所示。
图1 半导体材料制备的温差制冷器件原理图
在半导体温差制冷器件中，P型半导体和N型半导体成对组合。通电时，冷端因电子空穴对的产生导致内能减少并吸热；热端因电子空穴对的复合导致内能增加并放热。
温差制冷器件（TEC）的应用
因为半导体温差制冷器件具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点。且工作可靠，可精确控温，操作简便，易于进行冷量调节。所以有如下各方面领域的应用。
TEC在光通讯领域主要用于温度控制和稳定光通讯设备中的光学元件和半导体激光器，具体应用如下：
温度控制激光器：半导体激光器在工作过程中对温度非常敏感，温度的变化会直接影响激光器的性能和波长稳定性。TEC 器件被广泛应用于半导体激光器的温度控制，如下图2所示，通过控制 TEC 器件的电流来调节激光器的工作温度，保持其在稳定的工作温度范围内，从而提高激光器的性能和稳定性。
图2 TEC用于半导体激光器的温控
光学元件：在光通讯系统中，一些光学元件如光栅、光纤耦合器等也需要在稳定的温度条件下工作，以确保其性能和精度。TEC 器件可以被用于控制这些光学元件的工作温度，提高其稳定性和精度。
除了用于光模块温控外，TEC在通信领域还可用于光纤放大器、基站电池柜、光通道监视器、社区公共电视天线系统、泵浦激光器、波长锁定器、雪崩光电二极管等产品的温控。
TEC技术可应用于多种消费电子场景，市场体量大，增长强劲。在热电整机方面，半导体热电技术已在相关产品中实现大规模产业化应用，例如对精准控温、静音性要求较高的啤酒机、恒温床垫；对无振动、静音性要求较高的恒温酒柜、电子冰箱等。2019 年中国出口的半导体制冷式家用型冷藏箱金额约2.30 亿美元，产品主要包括热电整机应用中的啤酒机、恒温酒柜、电子冰箱、冻奶机，还包括恒温床垫、冰淇淋机等产品，如下图3所示。
图3 TEC用于消费电子领域
TEC在生物医疗领域，可以用于PCR 仪器、恒温培养箱、医用
冷藏箱、冷冻减肥仪、胰岛素冷藏盒、智能退热仪、植物培养箱等产品中。
PCR（聚合酶链式反应）仪器：PCR仪器需要精确的温度控制，热电模块可以用于 PCR仪器中的温度控制系统，帮助实现快速、准确的 DNA 扩增，满足生物医疗领域对 PCR 技术的高要求，如下图4所示。
图4 TEC用于PCR仪器
冷冻减肥仪：一些美容医疗设备中使用的冷冻减肥仪需要对皮肤进行精确的温度控制，热电模块可以用于这些设备中，帮助实现对皮肤的精确冷冻治疗。
胰岛素冷藏盒：糖尿病患者需要随身携带胰岛素，而胰岛素需要在恒定的低温环境下保存，热电模块可以用于胰岛素冷藏盒中，提供可靠的制冷功能，确保胰岛素的有效性和安全性，如下图5所示。
图5 TEC用于胰岛素冷藏盒
智能退热仪：在医疗领域，智能退热仪需要对患者的体温进行精确的控制，TEC可以用于智能退热仪中，帮助实现对患者体温的精确调节。
植物培养箱：在植物研究和育种领域，植物培养箱需要提供恒定的生长环境，热电模块可以用于植物培养箱中，提供精确的温度控制，满足植物生长的需要。
热电模块在生物医疗领域有多种应用，可以为实验仪器、医疗设备、药品保存等提供精确的温度控制，满足生物医疗领域对温控的严格要求。随着生物医疗领域的不断发展，热电模块在该领域的应用前景将会更加广阔，为生物医疗领域带来更多的创新和便利。
在航天国防领域，TEC凭借可靠性高的特点可用于探测器和传感器的温度控制、激光系统冷却、飞行服温度调节、设备外壳冷却等。在飞机上使用的半导体热电器件，可以在空间和重量均受到限制的情况下实现温度调节和发动机余热的收集利用，并降低冷却过程中产生的噪音，提高飞机射频通信的性能。
红外探测器冷却：红外探测器在军事领域中扮演着关键角色，用于夜视、导引、目标识别等。然而，红外探测器需要在较低的温度下工作以提高探测灵敏度和减少热噪声。热电模块可以用于红外探测器中的制冷系统，通过珀尔贴效应实现快速、精确的制冷，提高探测器的性能，如下图6所示。
图6 TEC用于红外探测器
太空光电子芯片的冷却：太空中的光电子设备需要在温度条件下工作，而热电模块可以提供紧凑、可靠的制冷解决方案，确保光电子芯片在太空环境中的稳定运行。
TEC还可应用于汽车的恒温设备，满足热舒适性需求。在智能需求、需要既加热又制冷的汽车中，车载冰箱、调温座椅、车载恒温杯架等设备需要用到 TEC 技术，如下图7所示。
图7 TEC在汽车上的应用
自动驾驶技术持续深化发展，推动车载激光雷达市场需求快速增长。在此过程中，TEC可为激光雷达提供高效温控解决方案。随着L2/L3级辅助驾驶功能逐步实现规模化落地，乘用车辅助驾驶系统正逐渐成为主流配置，这对车辆环境感知能力提出更高要求。这背后依赖各类传感器硬件迭代与软件算法的持续优化。当前，各主机厂正加速推进激光雷达前装量产计划。据中商产业研究院数据显示，我国车载激光雷达市场规模已从2021年的4.6亿元快速攀升，预计到2025年将达54.7亿元，年复合增长率预计达到85.8%。而TEC可以在激光雷达冷却中，扮演重要角色。
温差制冷器件（TEC）在工业、医疗、光电、汽车等众多领域释放出不可替代的价值。联合光科推出了数款热电制冷器件，欢迎大家咨询！
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