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CN101057114A - 光电子装置的瞬时热电冷却 - Google Patents

光电子装置的瞬时热电冷却 Download PDF

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CN101057114A
CN101057114A CNA2005800357747A CN200580035774A CN101057114A CN 101057114 A CN101057114 A CN 101057114A CN A2005800357747 A CNA2005800357747 A CN A2005800357747A CN 200580035774 A CN200580035774 A CN 200580035774A CN 101057114 A CN101057114 A CN 101057114A
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CN
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thermoelectric cooler
optoelectronic device
phase change
change material
optoelectronic
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CNA2005800357747A
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乌坦·戈沙尔
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Original Assignee
Nanocoolers Inc
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Abstract

一种热电冷却器可与光电子装置的操作大体上同步地瞬时操作，以在需要时和需要之处提供极高密度和强度的局部冷却。本文描述和说明的发明技术可允许产生剧烈的高度局部化但瞬时的热通量的一类发射装置配置和/或用途具有高光通量和/或较长的寿命。举例来说，某些发光二极管(LED)应用(例如，用于闪光照明的LED)、某些固态激光器配置和其它类似配置及用途可能得益于所开发的技术。另外，本文描述和说明的所述发明技术可用于传感器配置中以提供较大的装置敏感度。举例来说，在光敏装置应用(例如，CCD/CMOS成像器)中，所述发明技术可用于提供较大的光子敏感度和较低的暗电流。

Description

光电子装置的瞬时热电冷却
技术领域
本发明涉及光电子装置的瞬时冷却，且明确地说涉及与光电子装置的操作同步而瞬时使用热电冷却。
背景技术
包含消费者电子元件的现代数字装置越来越多地使用光电子装置。数码相机(以及包含相机功能件的电话)是较好的实例。电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列用于图像捕捉。在一些装置中，可使用闪光灯，其自身可使用发光二极管(LED)或其它技术。
CCD阵列的个别元件将来自传入光的能量转换为电子。传入光的强度越高(或元件曝光的时间越长)，元件积聚的自由电子就越多。当然，与大多数传感器一样，CCD(和CMOS装置)易受噪音影响，因为材料和装置结构展现出基线电平的电子“作用”(或电流)。在传感器中，此电流通常称为暗电流(名称中“暗”表示电流是在没有曝光的情况下形成的)。暗电流随着温度而增加。
敏感性通常受背景噪音限制。一般来说，对于给定等级的敏感性，较小的元件必须容忍较高的噪音。因此，随着支持的像素密度越来越高(通常伴随着传感器元件越来越小)，敏感性和噪音问题可能变得愈加重要。因此，需要用于冷却光电子传感器阵列的有效技术。
除了光敏装置外，一些光电发射装置展现出温度敏感性。举例来说，白色闪光LED的光通量和寿命可能受工作温度影响。大多数冷却闪光LED和CCD的途径限于被动式热散布封装。不幸的是，利用已知被动式方法难以增加白色LED和CCD的性能。需要替代技术。
发明内容
已发现一种热电冷却器可与光电子装置的操作大体上同步而瞬时操作，以在需要时和需要之处提供极高密度和强度的局部冷却。本文描述和说明的发明技术可允许产生剧烈的高度局部化但瞬时的热通量的一类发射装置配置和/或用途的高光通量和/或较长的寿命。举例来说，某些发光二极管(LED)应用(例如，用于闪光照明的LED)、某些固态激光器配置和其它类似配置及用途可能得益于所开发的技术。另外，本文描述和说明的所述发明技术可用于传感器配置中以提供较大的装置敏感度。举例来说，在光敏装置应用(例如，CCD/CMOS成像器)中，所述发明技术可用于提供较大的光子敏感度和较低的暗电流。
在一些配置中，将热电冷却器与相变材料结合使用。举例来说，热电冷却器可至少部分界定从光电子装置到相变材料主体的热传递路径。在此类配置中，相变材料可有效地箝位热电冷却器在其瞬时操作期间的热侧温度，借此降低其被递送的冷侧温度。相变材料主体经尺寸设计以将在热电冷却器上传递的热量的至少大部分吸收到其相转变中。在一些利用过程中，热传递导致光电子装置冷却到周围温度以下。在一些利用过程中，光电子装置放出的大量热通量被吸收到相转变中。或者(或另外)，相变材料主体可至少部分界定从光电子装置到热电冷却器的热传递路径。在一些此类配置中，相变材料可用于吸收放出的热通量。在一些此类配置中，相变材料可能由于热电冷却器的瞬时操作而预冷却(且通常预转变)。参照以下描述内容和所附权利要求书将了解这些和其它实施例。
附图说明
所属领域的技术人员通过参看附图可更好地理解本发明，且明了其许多目的、特征和优点。
图1A描绘包含光敏装置和光电发射装置的说明性配置，所述两个装置中的任一者或两者可使用根据本发明某些实施例的相变材料主体。
图1B和1C描绘可与使用根据本发明实施例的相变材料的某些装置配置结合使用的个别同步配置。特定来说，图1B和1C描绘个别同步配置，其中一个或一个以上同步电路任选地使光敏装置和光电发射装置的读出或激发与个别热电冷却器的操作协调。
图2描绘说明性光电发射装置配置，其中根据本发明某些实施例采用相变材料主体来箝位热电物的热侧温度。
图3描绘例如图2说明的说明性光电发射装置配置中的相关电流和温度曲线，其中根据本发明某些实施例采用相变材料主体来箝位热电物的热侧温度。
图4描绘说明性光敏装置配置，其中根据本发明某些实施例采用相变材料主体来箝位热电物的热侧温度。
图5描绘说明性光电发射装置配置，其中根据本发明某些实施例采用相变材料主体来吸收光电发射装置在其瞬时操作期间放出的热量，且其中采用热电物来使相变材料主体冷却。
图6描绘例如图5说明的说明性光电发射装置配置中的相关电流和温度曲线，其中根据本发明某些实施例采用相变材料主体来吸收光电发射装置在其瞬时操作期间放出的热量。
图7描绘例如图5说明的说明性光电发射装置配置中的相关电流和温度曲线，其中根据本发明某些实施例采用相变材料主体来吸收光电发射装置在其瞬时操作期间放出的热量。
图8描绘说明性光电发射装置配置，其中根据本发明某些实施例采用相变材料主体来吸收光电发射装置在其瞬时操作期间放出的热量，且借此适度控制光电发射装置的温度。
图9描绘用于采用热电冷却器和相变材料主体的光电发射装置的说明性冷却配置。
图10描绘用于采用热电冷却器和相变材料主体的光电发射装置的说明性冷却配置。
图11A-11E展示在构造的各个阶段中含有相变材料主体的模块的实施例。
不同的图式中使用相同的参考符号指示类似或相同的项目。
具体实施方式
本文描述和说明的发明技术可允许闪光LED的较高光通量和较长的寿命以及CCD/CMOS成像器的较高光子敏感度和较低的暗电流(但不限于此)。因此，我们在并入有类似技术的例如数码相机和移动电话的消费型电子设备的典型配置、光电子装置、材料和热通量情境下描述发明概念的各方面。然而，如本文更完整地描述，本发明不限于这些使用。
特定来说，随后的描述内容强调本发明的使用，其中发光二极管(例如，白色LED)或其它光电发射装置在闪光操作模式(例如，闪光照明)中使用以支持数字成像。在这些使用中，可产生极高的瞬时热通量。尤其对于白色LED，亮度的质量(包含强度，且在某些情况下包含光谱特性)可能受LED的工作温度的影响。此外，这些LED的可用工作寿命可受高温操作的不利影响。另外，在例如数码相机、电话等较小形状因数电子设备的典型使用中，例如CCD或CMOS成像器、RF电子设备等其它光电子装置的热敏感度可能受有关此种LED的操作的热问题的不利影响。
例如CCD或CMOS成像器的某些光敏装置的敏感度(且因此，性能)通常受热背景噪声的限制。大体来说，对于给定的敏感度水平，较小或较快响应元件必须承受较高的噪声水平。因此，随着支持的像素密度越来越高(传感器元件常常越来越小)，敏感度和噪声问题变得越来越重要。因此期望用于冷却光电子传感器阵列的有效技术。由于许多CCD或CMOS成像器(例如，用于图像捕捉的那些CCD或CMOS成像器)间歇地而不是连续地操作，因此可如本文所述有利地采用瞬时施加的冷却能力。
出于这些和其它原因，为克服瞬时热负荷而对白色LED闪光照明器的冷却(或其适度控制)和/或对CCD或CMOS成像器的瞬时冷却充当针对某些发明概念和设计的有用描述性内容。然而，基于描述内容，所属领域的一般技术人员将了解所描述技术的其它使用。因此，在不限制本文描述和主张的发明概念的范围的情况下，我们现在描述某些示范性实施例。
一般技术
在根据本发明的某些(虽然不是全部)实施例中，我们采用两种基本技术。第一，我们使用热电冷却器的瞬时冷却性质来获得较大的冷却能力和温差。举例来说，在某些实施例中，用于照明器或成像器的热电冷却器以与闪光照明或图像捕捉大体上同步的方式操作。典型热电冷却器提供的珀尔帖(Peltier)冷却几乎是瞬间的，但焦耳热的放出及其随后向热电元件的冷端的回流相对缓慢。因此，瞬时传递的冷却能力可比稳态性能原本建议的冷却能力高得多。
热电装置和材料在此项技术中是众所周知的，且所属领域的技术人员将了解其各种各样的配置、系统和使用。大体来说，使用包含由于适当材料、材料界面或量子结构上的电流或电动势(通常为电压)而发生温差的那些使用。通常，这些使用基于珀尔帖效应而起作用。珀尔帖效应在相异的传导性(或半传导性)材料之间的界面处出现。然而，更一般来说，可类似地采用其它效应或作用，包含材料中、材料界面处或由于量子标度限制而产生的相关的或类似的效应(例如，汤姆逊(Thomson)、量子隧穿和热离子效应)。
因此，出于本描述内容的目的，术语“热电冷却器”的意义在该术语的最广意义(用电流或电动势换取热电模块、耦合件、元件、装置、材料等上的温差)中，且因此包含采用珀尔帖效应的那些热电冷却器配置以及基于汤姆逊、量子隧穿、热离子或其它类似效应或效应组合而进行操作的那些热电冷却器配置。也就是说，为了描述清楚起见，我们着重于珀尔帖型热电冷却器；然而，基于此描述内容，所属领域的一般技术人员将了解所描述的发明概念对采用其它热电型效应的装置和配置的应用。
第二，我们采用相变材料。相变材料可定位在热电模块、耦合件、元件、装置、材料等的热端或冷却端(或热端与冷却端两者)。当定位在热端时，由于热电物上传递的热量被吸收到相变材料中的至少一些相变材料从其第一状态到第二状态的转变中，相变材料有效地箝位热电物的热侧温度。因为热电物在其冷却侧与热侧之间几乎瞬间形成温差，所以如果与工作温度和期望的热通量相关地适当选择特定的相变材料及其量，那么实际上所有的温度改变都将表现为冷侧冷却。通常，热电物与光电发射或光敏装置的操作大体上同步地瞬时操作，以在需要时和需要之处提供极高密度的局部冷却。
当定位在冷却端(即，热学上定位于光电发射装置与热电物之间时)，相变材料可有效吸收光电发射装置产生或放出的较大瞬时热通量，借此避免装置中原本可能在所产生或放出的热通量充满离开光电发射装置的常规热传递路径时发生的较大局部化温度偏差。热电物接着充当离开相变材料的热传递路径的一部分，最终使其中曾吸收较大瞬时热通量的相变发生颠倒。由于相变表现的较大热容量，因此热电物不需要与光电发射装置的操作同时操作(瞬时模式)。而是，热电物可(例如)以低功率电平连续或半连续操作。或者，热电物可在不需要精确对应于光电发射装置的操作的时间间歇地操作。以此方式，对于包含热电物和光电发射装置两者的系统来说，可减小峰值功率要求。
大体来说，当被冷却装置(例如，单独或与相变材料的附带主体组合的光电子装置)的排热热阻(Rth)小于冷却器的热力学效率(ε)与光电子装置的工作温度(Ts)的乘积除以光电子装置的总功率消耗(Q)时，可有利地采用热电冷却器。在连续操作的热电冷却器的情况下，此关系可表达为：
Rth＜εTs/Q    (1)
举例来说，如果对于ZT＝1、Ts＝330K(57℃)，且Q＝1W的热电装置，ε＝0.1，那么Rth＜33K/W时，由热电物的连续操作递送的热电冷却将是有利的。
大体来说，视采用的相变材料和周围条件而定，将相变材料放置在热电物的冷却端(与其热连通)的实施例可操作以将相变材料恢复到与周围条件兼容的相位，或者可操作以将相变材料预转变到适当的相态。举例来说，在某些实施例中，热电物可操作以使液相相变材料返回(光电发射后)到周围稳定的固态。此外，在某些实施例中，热电物可操作以预固化(在光电发射之前)周围稳定的液相相变材料。简单来说，事后冷却和预先冷却实现方法都是可能的。
当然，在某些使用中，在需要时，相变材料的热去耦量可定位于热电物的两端。类似地，在某些配置中可省略热电物，所述配置中可在光电发射装置的下一操作之前使用足以使相变颠倒的其它主动或被动机构来有效地耗散由光电发射装置产生或放出以及由相变材料吸收的较大瞬时热通量。
尽管特定相变材料和特定相转变可视使用的不同而不同，但镍腔中限制的低熔点焊料或镓中展现的固-液相转变通常适合于本文描述的光电子装置冷却实施方案中的许多实施方案。在某些实施例中，相变材料可包含介电热界面材料。更一般来说，只要材料的转变温度、转变的潜热和热导率适合于所涉及的热通量且合适的材料限制兼容性技术可用，就可使用其它材料的吸热相转变(无论是固-液、液-气、固-气还是固-固)。
示范性实施例
图1A描绘包含两个光电子装置(光敏装置和光电发射装置)的说明性配置，所述两个光电子装置中的任一者或两者可使用根据本发明某些实施例的相变材料(PCM)主体。如箭头指示，光子通过光敏装置封装12中的屏幕8而冲击在传感器装置16上。传感器装置16热耦合到热电冷却器40的冷端。热电冷却器40的热端可耦合到散热装置(未图示)或安装在光敏装置10的底面18上，如实例中所示。电导线14在传感器装置16与底面18之间提供电流路径。光敏装置封装12接着安装在印刷布线板30上。尽管描绘成与底面18接触，但电导线14可直接线接合、倒装接合或表面安装到印刷布线板30。
光电发射装置20可安装在单独板上或安装在同一印刷布线板30上，如图1A所示。如从光电发射装置20发散的箭头方向指示，光子由LED 26发射穿过透明盒22。电导线24在LED 26与同步电路之间提供电流路径。尽管描绘成与中间平面接触，但电导线24可直接线接合、倒装接合或表面安装到印刷布线板30。LED 26的底座28热耦合到第二热电冷却器42的冷端。第二热电冷却器42的热端热耦合到相变材料50，在此实例中是通过热耦合到限制相变材料50的囊封物52而进行的。或者，可通过形成一区域来限制相变材料50，在所述区域中，当相变材料50处于液态时其表面张力抑制其流动。
图1B和1C描绘可与使用根据本发明实施例的相变材料的某些装置配置结合使用的个别同步配置。特定来说，图1B和1C描绘个别同步配置，其中一个或一个以上同步电路可选地使光敏装置和光电发射装置的读出或激发与个别热电冷却器的操作协调。如图1B所示，光敏装置10(例如，CCD或CMOS阵列)和第一热电冷却器40由第一同步电路32驱动，而光电发射装置20和第二热电冷却器42由单独的同步电路34驱动。或者，如图1C所示，光敏装置10和第一热电冷却器40可与光电发射装置20和第二热电冷却器42由相同同步电路36驱动。如下文将参看图3更详细论述，同步电路32、34和36可大体上同时或以其它相位关系驱动其个别装置。
大体来说，可采用多种多样的同步电路或机构中的任一者。这些同步电路或机构的合适实现方案通常是视应用而定的，且可能构成设计选择问题。当然，这些同步电路或机构的合适实现方案从复杂到平常而变化。举例来说，根据本发明的许多数字成像使用可视机会而使用复杂的可编程时序控制设备，所述设备可能已经可用于支持快门控制、成像器行程、自动聚焦处理、闪光同步等的明显更加苛刻的时序要求。或者，在某些实现方案中，可提供合适的同步仅作为热电电流的电流供应导线或路径与目标装置(例如，LED)激发的串联或并联耦合的副产物。基于本文的描述内容和可用于给定使用的设计替代方案，所属领域的一般技术人员将了解合适的同步电路或机构。
一般来说，适当目标装置(例如，LED)、相关驱动器电路、封装配置等的选择是设计选择的问题，且经受许多视应用而定的限制和/或优值，所述限制和/或优值很大程度上与本文描述的热电物和/或相变材料设计因数无关。然而，基于本文的描述内容，所属领域的一般技术人员将了解其自身的配置、部件或组合件或者现在或将来市售的那些配置、部件或组合件的合适选择和/或调适，以使用本发明的技术。在此方面，可从各种商业来源(包含Lumileds Lighting，U.S.LLC和Cree，Inc.)购得的LED适用于许多使用。一般来说，提供或允许到达热电物和/或相变材料的低热阻抗路径的装置和/或配置是合乎需要的。未封装的LED装置或晶片配置可提供热设计的灵活性，但潜在的代价是通过使用合适的封装组件可避免的额外的封装和测试步骤。驱动器电路的选择可视选择的特定装置而变化。
当然，商业需要(且因此，合适的装置选择)是视应用而定的，且可视特定商业使用而变化。因此，所属领域的技术人员通常将向制造商或供应商咨询规范或建议。在此方面，在本申请案的申请日期，Lumileds Lighting，U.S.LLC(在其网站上，www.lumileds.com)为其产品提供数据表、参考设计信息和应用摘要(包含驱动器集成电路建议)，且Cree，Inc.(在其网站上， www.cree.com)为其产品提供规范和应用注解(包含小片附着建议)。
图2描绘说明性光电发射装置配置，其中根据本发明某些实施例采用相变材料主体来箝位热电物的热侧温度。光子由LED 26发射穿过透明盒22。透明盒22充当用于LED26的透镜，从而提供针对发射的光的聚焦功能。尽管描绘成传统透镜，但其也可为菲涅耳(Fresnel)透镜(尤其当需要平坦的低型面透镜时)。LED 26的底座28热耦合到热电冷却器42的冷端。热电冷却器42的热端热耦合到限制相变材料50的囊封物52。电导线24在LED 26与同步电路之间提供电流路径。尽管描绘成与中间平面接触，但电导线24可直接线接合、倒装接合或表面安装到印刷布线板30。当LED 26发光时，两种机构在LED 26附近产生热量。第一，流过LED 26的电流通过焦耳加热而对装置进行加热。第二，一些光子由透明盒22反射，从而在类似于温室效应的过程中将其能量作为热量返回到LED 26。如果未经检查，那么光电发射装置20的操作放出的此热量可能使装置的未来性能降级。在此配置中，热电冷却器42界定离开光电发射装置20的热传递路径的一部分。在光电发射装置20的瞬时操作期间放出的大量热量流过热电冷却器42并进入相变材料50中，在相变材料50中所述热量被吸收。现在参看图3描述冷却系统响应此瞬时热负荷的操作。
图3描绘例如图2所说明的说明性光电发射装置配置中的相关电流和温度曲线，在所述配置中根据本发明一些实施例使用相变材料主体来筘位热电装置的热侧温度。图3的上部曲线图展示通过图2的光电发射装置20和热电冷却器42的电流的时间变化，而下部曲线图展示系统中关联的温度变化。将电流脉冲60发送到热电冷却器42以在其热端与冷端之间形成温差。参看下部曲线图，实线展示热电冷却器42的冷端的温度66从热端的温度68分叉。当热端的温度达到相变材料50的相转变温度(T相变)时，相变材料50开始经历从第一相位到第二相位的相转变。在此相转变期间，相变材料50吸收的任何热量(例如，通过热耦合到热电冷却器42的热端而传递到相变材料50的热量，或由光电发射装置20的操作放出的热量)仅起到改变材料的相位的作用。可能直到所有材料均已完成转变时相变材料50的温度才升高到其相转变温度以上。如曲线图中看到，这有效地将热电冷却器42的热端的温度箝位在T相变。然而，电流在热电冷却器42中继续流动，从而在装置的热端与冷端之间产生较大温差，直到达到热电冷却器42的最大温差ΔTMAX为止。在热端的温度箝位在T相变的情况下，冷端的温度减小为TMIN，在周围温度以下。
参看图3的上部曲线图，在热电冷却器42的冷端温度达到TMIN的近似同时将第二电流脉冲62发送到LED 26以激励发光(下部曲线图中箭头64)。如上所述，从LED 26发光会放出热量，所述热量传递到热电冷却器42，其冷端热耦合到LED 26。这开始升高冷端的温度。当到达热电冷却器42的第一电流脉冲60停止时，随着冷端温度随热量从热端朝向冷端流动而升高，热电冷却器42的热端与冷端之间的温差降低，所述热端仍热耦合到处于T相变的相变材料50。下部曲线图展示，随着系统平衡，热电冷却器42的热端与冷端之间的温差回到零，在此实例中，此时两端均达到T相变。此时，没有更多热量可用于相变材料50以继续其相转变，因此相转变停止。相变材料50和热电冷却器42两者相对于其周围环境均处于高温，因此热量继续从两者传递出来。这使相转变颠倒。颠倒的相转变放出热量，所述热量朝向系统的较低温部分传递出去，从而将相变材料50的温度(以及因而热电冷却器42的温度)箝位在T相变直到颠倒的相转变完成为止，从而使相变材料50返回其原始相位。颠倒的相转变完成之后，相变材料50的温度(以及因而热电冷却器42的温度)可下降到T相变以下，且系统继续冷却到其平衡温度。接着可视需要重复所述过程。
图4描绘说明性光敏装置配置，其中根据本发明一些实施例使用相变材料主体来筘位热电装置的热侧温度。光子通过光敏装置封装12中的屏幕8而冲击在传感器装置16上。电导线14在传感器装置16与封装12之间提供电流路径。尽管描绘为接触底面18，但电导线14可直接线接合、倒装接合或表面安装到印刷布线板30。传感器装置16热耦合到热电冷却器40的冷端。热电冷却器40的热端热耦合到限制相变材料70的囊封物72。在此配置中，热量至少部分地沿着由热电冷却器40界定的路径而从光电子装置流出。热量从光电子装置流经热电冷却器40到达相变材料70，在相变材料70处所述热量中的大量热量被吸收。相变材料70将热电冷却器40的热端温度筘位在相变材料70的相转变温度，如上文参看图3所描述。因此，操作期间热电冷却器40上形成的温差的大部分将表现为热电冷却器40的冷端温度的减小，所述冷端热耦合到传感器装置16。
图5描绘说明性光电发射装置配置，其中根据本发明一些实施例使用相变材料主体来吸收由光电发射装置在其瞬时操作期间放出的热量，且其中使用热电物来冷却相变材料主体。LED 26发出光子穿过透明盒22。LED 26的底座28热耦合到限制相变材料50的囊封物52，所述囊封物52进而热耦合到热电冷却器42的冷端。热电冷却器42的热端可耦合到热耗散装置(未图示)，或可将热量直接传递到其周围环境。电导线24在LED26与同步电路之间提供电流路径。尽管描绘为接触中间平面，但电导线24可直接线接合、倒装接合或表面安装到印刷布线板30。当LED 26发光时，如上文参看图2所解释在LED 26附近产生热量。在此配置中，热电冷却器42界定离开相变材料50的热传递路径的一部分。光电发射装置20的瞬时操作期间放出的大量热量流经相变材料50，在相变材料50中所述热量被吸收。当去除瞬时热负荷时，热量从相变材料50流到热电冷却器42中。现参看图6描述冷却系统响应此瞬时热负荷的操作。
图6描绘例如图5所说明的说明性光电发射装置配置中的相关电流和温度曲线，在所述配置中根据本发明的一些实施例使用相变材料主体来吸收由光电发射装置在其瞬时操作期间放出的热量。图6的上部曲线图展示通过图5的光电发射装置20和热电冷却器42的电流的时间变化，而下部曲线图展示系统中相关联的温度变化。将电流脉冲62发送到LED 26以激励发光(下部曲线图中箭头64)。LED 26的操作期间放出的热量促使相变材料50的温度升高。如上文参看图3所述，当相变材料50的温度达到其相转变温度(T相变)时，相变材料50开始经历从第一相位到第二相位的相转变。与LED 26闪光几乎同时，将第二电流脉冲60发送到热电冷却器42以在其热端与冷端之间形成温差。参看下部曲线图，实线展示热电冷却器42的冷端的温度66从热端的温度68分叉。热电冷却器42的热耦合到相变材料50的末端(在此情况下为冷端)的温度被箝位在T相变直到相转变完成为止，因此操作期间热电冷却器42上形成的大部分温差将表现为热电冷却器42的热端温度的增加。电流在热电冷却器42中继续流动，从而吸收冷端处的热量并从相变材料50吸收热量。吸热相转变停止，且当热电冷却器42的操作将热量传递离开相变材料50时，相转变颠倒，从而放出热量，所述热量通过热电冷却器42的冷端被传递到热电冷却器42。颠倒相转变完成之后，相变材料50的温度(以及因而热电冷却器42的冷端的温度)可下降到T相变以下。在热电冷却器42的冷端温度不再被箝位且电流流经热电冷却器42的情况下，热电冷却器42的热端与冷端之间形成完全温差，且冷端的温度下降到周围温度以下。当到达热电冷却器42的电流脉冲60停止时，随着热端冷却且冷端温度升高到周围温度，热电冷却器42的热端与冷端之间的温差下降。在系统已返回平衡之后，可重复所述过程。
图7描绘例如图5所说明的另一说明性光电发射装置配置中的相关电流和温度曲线，在所述配置中根据本发明的一些实施例使用相变材料主体来吸收由光电发射装置在其瞬时操作期间放出的热量。图7的上部曲线图展示通过图5的光电发射装置20和热电冷却器42的电流的时间变化，而下部曲线图展示系统中相关联的温度变化。在此配置中，周围温度通常在相变材料50的相转变温度(T相变)以上，因此当接收到闪光请求时，将电流脉冲60发送到热电冷却器42以在其热端与冷端之间形成温差，从而预期光电发射装置(图5中的20)的操作而使相变材料50预冷却。参看下部曲线图，实线展示热电冷却器42的冷端的温度66从热端的温度68分叉。热电冷却器42的热耦合到相变材料50的末端(在此情况下为冷端)的温度被箝位在T相变直到相转变完成为止。电流在热电冷却器42中继续流动，从而吸收冷端处的热量并从相变材料50吸收热量。当热电冷却器42的冷端达到期望温度时，到达热电冷却器42的电流停止，且热电冷却器42的热端温度开始下降，直到其达到系统的周围温度为止。近似于同时，将电流脉冲62发送到LED26以激励发光(下部曲线图中箭头64)。LED 26的操作期间放出的热量由相变材料50吸收，从而促使其温度升高，首先升高到其相转变温度，且接着在其吸热相转变完成之后，升高到系统的周围温度。热电冷却器42的冷端温度追踪相变材料50的温度，从而最终回到系统周围温度。当接收到下一闪光请求时，可重复所述顺序。
图8描绘说明性光电发射装置配置，其中根据本发明一些实施例使用相变材料主体来吸收由光电发射装置在其瞬时操作期间放出的热量，且借此适度控制光电发射装置的温度。激光二极管86发出光子穿过透明盒82。电导线84在激光二极管86与同步电路之间提供电流路径。尽管描绘为接触中间平面，但电导线84可直接线接合、倒装接合或表面安装到印刷布线板30。激光二极管86的底座88(例如)通过热耦合到限制相变材料90的囊封物92而热接近于相变材料90。当激光二极管86发光时，如上文参看图2和5所解释在激光二极管86附近产生热量。激光二极管86的操作期间放出的热量促使相变材料90的温度升高。如上文参看图3和6所述，当相变材料90的温度达到其相转变温度(T相变)时，相变材料90开始经历从第一相位到第二相位的相转变。激光二极管86的温度被箝位在T相变，直到相转变完成为止。只要激光二极管86停止发光，就不再放出热量，且相转变减缓并停止。相变材料90和热耦合到相变材料90的激光二极管86的温度相对于周围环境为高的，因此热量从相变材料90传递出来，直到颠倒的相转变开始为止。热量继续从相变材料90传递出来，直到颠倒的相转变完成为止，且相变材料90的温度以及热耦合到相变材料90的激光二极管86的温度返回其平衡值或周围温度。
图9和10描绘热电冷却器、相变材料和光电发射装置的说明性配置。图9中，通过在衬底102中蚀刻凹口，用相变材料104填充凹口(通常在真空下进行以避免内含物)，并通过沉积金属层106来囊封相变材料，来形成相变材料(PCM)模块100。其它适宜的囊封剂包含聚四氟乙烯(PTFE，由DuPont，Wilmington，DE作为Teflon销售)和有关的聚合物，聚对二甲苯，或聚对二甲苯与气凝胶的分层结构。“聚对二甲苯”是基于对亚二甲苯及其取代衍生物的一系列聚合物的通用术语。聚对二甲苯N(或聚(对亚二甲苯))比聚对二甲苯C(或聚(一氯对亚二甲苯))以及聚对二甲苯D(或聚(二氯对亚二甲苯))具有相对更高的熔点。聚对二甲苯F(也称为聚对二甲苯AF-4)是聚(四氟对亚二甲苯)，且比聚对二甲苯N具有更低的介电常数和更高的热稳定性。一般来说，这些囊封剂可用于例如图10所说明的配置中，以提供能够容忍囊封的相变材料的膨胀(和收缩)的热隔离和囊封。
参看图9，接着将PCM模块100接合到热电冷却器(TEC)组合件120的背侧132，从而经由通过热绝缘层130的导热插塞128而与TEC 122的热侧126形成热接触。将光电发射装置20安装在导热垫124上，所述导热垫124热耦合到TEC 122(此处展示为侧部热电冷却器)的冷端。
图10展示PCM模块与热电冷却器的冷端形成热接触的配置。通过在衬底102中蚀刻凹口，用相变材料104填充凹口，并通过沉积热绝缘材料(例如，PTFE、聚对二甲苯，或聚对二甲苯与气凝胶的分层结构)层208来囊封相变材料，来形成PCM模块200。金属接合层206沉积在热绝缘物顶部上。金属层232沉积在第二衬底234的背侧，第二衬底234的前侧经由通过热绝缘层130的导热插塞128而与TEC 122的热侧126形成热接触。TEC的冷端通过接合操作或在TEC组合件220的初始制作期间与冷垫124形成热接触，且冷垫124接合到PCM模块200。TEC组合件220和PCM模块200两者接着安装在平台240上以实现稳定性。接着可将光电发射装置20安装在导热垫124上。
图11A-11E中展示形成PCM模块的另一方法。将穿孔箔310放置在底座箔320顶部并进行接合，从而形成井315。将相变材料330添加到井315。可能有利的是，在真空下填充井以避免引入空气。在井315已被填充之后，其被顶部箔340覆盖。三个箔层310、320和340接合在一起，从而将相变材料330密封在PCM模块300内。
热电物概述
虽然本发明实施例不限于任何特定热电模块或装置配置，但将在高级薄膜热电物的情境下理解某些说明性配置。因此，仅出于额外描述的目的，且不限制在本文中陈述热电物、热电元件、热电装置、热电结构、热电偶、热电模块或类似物的任何权利要求项的范围内的广范围的热电配置，申请人在此将发明人为Ghoshal、Ngai、Samavedam、Ye和Miner且2005年5月6日申请的题为“THERMOELECTRIC DEVICE STRUCTURE ANDAPPARATUS INCORPORATING SAME”的共同拥有第11/124,365号美国专利申请案的揭示内容以引用的方式并入本文中。
相变材料概述
虽然实质上所有材料均随着温度而经历相变，但所谓的“相变材料”或PCM具有在对给定应用有用的范围内的转变温度。举例来说，用于户外服装中以有助于为穿用者维持舒适的温度的在28℃与37℃之间熔化的聚合物和蜡可用于某些利用过程中。纯元素(如镓)和化合物(如水)展现出分明的相转变，例如在精确温度下熔化。然而，合金和溶液通常在某温度范围内完成液态与固态之间的相转变。以重量计含有95％镓和5％铟的合金在加热到15.7℃(其固相线温度)以上时开始熔化。随着合金进一步被加热，液相和固相共存，且其组份不断变化，但总体组份保持恒定。当将合金加热到25℃时，所有固相材料已熔化，且液体合金具有均一组份。共晶组份是固相线温度与液相线温度相同的合金组份，因此其表现如同纯元素一样且具有分明的熔点。
PCM的相关设计特性包含转变温度范围、可使PCM得以使用的温度范围、转变的潜热、热导率和热容量，热容量是可在给定温度范围内储存在材料中的能量的量度，且其与材料的密度相关。一般来说，基于本文的描述内容，所属领域的一般技术人员将能够为给定应用选择适当的PCM。PCM可从许多来源购得。PCM的主要种类包含蜡、聚合物、水合盐和液体金属合金。表1说明PCM的若干实例，其包含来自每一主要种类的实例。
蜡主要用于较低温度应用。已开发蜡组份以获得几乎连续的转变温度分布。其通常具有低密度且因此具有低热容量，但其轻重量对于一些应用可能是有用的。蜡的热导率也较低。聚合物通常展现出较差的热导率和较低的潜热，但其相对易于形成且与许多容封材料(containment material)兼容。对于较高温度应用，水合盐比蜡更合适，但其也具有较低的热导率。这些无机盐相对较便宜且通常用于(例如)急救冷包裹和热包裹中。
金属和合金可在约-39℃(水银的熔点)到大大超过200℃范围内的温度下使用。镓刚好在30℃以下熔化，这是许多电子装置的适当工作温度。金属PCM通常具有较高的热导率和较大的熔解潜热。一般来说，它们比其它种类的PCM密实许多倍，从而实现较高的热储存容量。原本可用作PCM的一些合金含有不利于环境的元素，例如镉和铅。然而，这些合金且甚至元素汞可适于一些应用。一般来说，例如表1说明的那些合金的镓铟合金提供熔点、高热导率和较大的熔解潜热的有吸引力的组合。
  组份   转变温度   密度   种类
  (以质量％计)   液相线(℃)   固相线(℃)   (g/cm3)
  Hg100   -38.8   5.43   金属元素
  Ga/In/Sn70/20/10   -7   金属合金
  石蜡5   7   0.86   蜡
  ClimSel C 7   7   1.42   水合盐
  Ga/In/Sn/Zn61/25/13/1   7.6   6.5   6.5   金属合金
  Ga/In/Sn62.5/21.5/16   10.7*   10.7*   6.5   金属合金(共晶)
  Ga/In75.5/24.5   15.7*   15.7*   6.35   金属合金(共晶)
  ClimSel C 24   24   1.48   水合盐
  石蜡26   25   0.88   蜡
  Ga/In95/5   25   15.7   6.15   金属合金
  乙烯/醋酸乙烯酯60/40   27   47   共聚物
  Ga 100   29.8   5.9   金属元素
  ClimSel C 32  32   1.45   水合盐
  乙烯/醋酸乙烯酯68/32  41  63   共聚物
  Bi/Pb/In/Sn/Cd/Hg42.91/21.7/18.3/7.97/5/4  43  38   9.28   金属合金
  Bi/Pb/In/Sn/Cd44.7/22.6/19.1/8.3/5  47*  47*   9.16   金属合金(共晶)
  ClimSel C 48  48   1.36   水合盐
*共晶组份展现出相等的液相线温度和固相线温度。
转变温度是元素的熔点。
表1
通常，多种相变材料中的任一者可结合本文描述的结构和配置使用。然而，对于本文说明的配置中的至少一些来说，金属和金属合金提供特性和与材料、温度和/或可用于形成、封装和/或组合所说明的配置的处理技术的兼容性的具有吸引力的组合。一般来说，相转变点在预期周围温度或预期周围温度以上的相变材料将适于热适度控制(thermalmoderation)且适于在热电物的热端或冷却端使用材料主体的热电配置。转变点在预期周围温度或预期周围温度以下的相变材料通常将适于在热电物的冷却端预冷却材料主体的热电配置。
在一些实现形式中，相变材料主体可包含经引入以在相转变期间提供成核点的额外材料。在一些实现形式中，相变材料主体可为可压缩材料或结构(例如，小聚苯乙烯球或类似物)以减轻与相转变期间相变材料的膨胀和收缩关联的应力。
其它实施例
虽然参照各种实施方案和利用过程描述了本发明，但将了解，这些实施例是说明性的，且本发明的范围不限于这些实施例。可能进行许多变化、修改、添加和改进。举例来说，虽然已说明多种封装配置，但本发明的利用无需对应于发射、传感器或热电装置的所说明的任何特定封装。一般来说，物理配置的封装和其它方面是设计选择的问题，且可适当地遵从应用、市售装置和/或市场限制。
可针对本文描述的作为单一例子的组件、操作或结构提供多个例子。最后，各种组件和特定操作之间的边界是在特定说明性配置的情境下说明的。预期存在其它功能分配形式，且所述其它功能分配形式可在本发明的范围内。一般来说，在示范性配置中作为单独组件提供的结构和功能可实施为组合结构或组件。类似地，作为单一组件提供的结构和功能可实施为单独组件。这些和其它变化、修改、添加和改进可在本发明的范围内。

Claims (51)

1.一种设备，其包括：
光电子装置；和
热电冷却器，其热耦合到所述光电子装置并操作地耦合以使所述热电冷却器的瞬时冷却操作与所述光电子装置的操作大体上同步。
2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：
同步电路，其经耦合以提供所述大体上同步。
3.根据权利要求1所述的设备，
其中所述光电子装置和所述热电冷却器串联电耦合，使得经过其中的电流供应电力，并使所述热电冷却器的所述瞬时冷却操作与所述光电子装置操作大体上同步。
4.根据权利要求1所述的设备，
其中所述光电子装置和所述热电冷却器并联电耦合，使得施加到所述光电子装置和所述热电冷却器的相关电压供应电力，并使所述热电冷却器的所述瞬时冷却操作与所述光电子装置操作大体上同步。
5.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：
光电子装置阵列，其包含所述光电子装置，所述热电冷却器热耦合到所述阵列。
6.根据权利要求1所述的设备，
其中所述热电冷却器可瞬时操作以使所述光电子装置冷却到周围温度以下。
7.根据权利要求1所述的设备，
其中所述热电冷却器可瞬时操作以预期所述同步操作而使所述光电子装置预冷却并使耦合到所述光电子装置的相变材料主体预转变。
8.根据权利要求1所述的设备，
其中所述热电冷却器可瞬时操作以在其上传递由所述光电子装置的同步操作放出的热量。
9.根据权利要求1所述的设备，
其中所述大体上同步的瞬时冷却操作至少在所述光电子装置的操作期间将冷却能力递送到所述光电子装置。
10.根据权利要求1所述的设备，
其中所述大体上同步的瞬时冷却操作在所述光电子装置的操作之前将冷却能力递送到所述光电子装置。
11.根据权利要求1所述的设备，
其中所述光电子装置包含传感器装置，且其中所述同步操作包含对所述传感器装置对于光子通量的响应进行取样。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述传感器装置包含以下各项中的一者或一者以上：
电荷耦合装置(CCD)；和
互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。
13.根据权利要求1所述的设备，
其中所述光电子装置包含发射装置。
14.根据权利要求13所述的设备，
其中所述同步操作包含发射。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述同步操作包含以下各项中的一者或两者：
通过所述发射装置的电流的耗散；和
所述发射装置的激发。
16.根据权利要求13所述的设备，其中所述发射装置包含以下各项中的一者或一者以上：
发光二极管(LED)；和
半导体激光器。
17.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：
相变材料主体，其至少部分地界定从所述光电子装置到所述热电冷却器的热传递路径。
18.根据权利要求17所述的设备，
其中，由于所述热电冷却器的瞬时冷却操作的缘故，所述相变材料的至少一部分经历从其第一相位到其第二相位的转变。
19.根据权利要求18所述的设备，
其中，由于所述光电子装置的发射操作的缘故，所述相变材料的至少一部分经历从其所述第二相位到其所述第一相位的转变。
20.根据权利要求19所述的设备，
其中所述相变材料经历所述第二到第一相位转变吸收由所述光电子装置的所述发射操作放出的热量的大部分。
21.根据权利要求19所述的设备，
其中所述瞬时冷却操作至少部分地在所述发射操作之前。
22.根据权利要求19所述的设备，
其中所述瞬时冷却操作至少部分地在所述发射操作之后。
23.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：
相变材料主体，其中所述热电冷却器至少部分地界定从所述光电子装置到所述相变材料的热传递路径。
24.根据权利要求23所述的设备，
其中，在所述热电冷却器的瞬时操作期间，基于所述相变材料的转化潜热而大体上箝位面对所述热电冷却器侧部的相变材料的温度。
25.根据权利要求23所述的设备，
其中，在所述热电冷却器的瞬时操作期间，所述相变材料的至少一部分经历从其第一相位到其第二相位的转变。
26.根据权利要求25所述的设备，
其中所述相变材料经历所述转变吸收在所述热电冷却器的所述瞬时操作期间所述热电冷却器上传递的热量的大部分。
27.根据权利要求25所述的设备，
其中所述相变材料经历所述转变吸收由所述光电子装置的同步操作放出的热量的大部分。
28.一种方法，其包括：
使用热耦合到光电子装置的热电冷却器使所述光电子装置瞬时冷却；和
使所述瞬时冷却与所述光电子装置的操作大体上同步。
29.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括：
至少在所述光电子装置的同步操作期间执行所述瞬时冷却。
30.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括：
至少部分地在所述光电子装置的发射或取样操作之前执行所述瞬时冷却。
31.根据权利要求28所述的方法，
其中所述光电子装置包含传感器装置；且
其中所述大体上同步操作包含对所述传感器装置对于光子通量的响应进行取样。
32.根据权利要求28所述的方法，
其中所述瞬时冷却使所述光电子装置的温度减小到周围温度以下。
33.根据权利要求28所述的方法，
其中所述光电子装置包含发射装置；且
其中所述发射装置的大体上同步操作放出热量。
34.根据权利要求33所述的方法，其进一步包括：
在所述瞬时冷却期间在所述热电冷却器上传递所述放出的热量的大部分。
35.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括：
基于热耦合到所述热电冷却器的相变材料的转化潜热而大体上箝位所述热电冷却器的一侧的温度。
36.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括：
将在所述热电冷却器的所述瞬时操作期间所述热电冷却器上传递的热量的大部分吸收到相变材料的转化中。
37.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括：
将由所述光电子装置的大体上同步操作放出的热量的大部分吸收到相变材料的转化中。
38.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括：
在所述同步操作之前预转化相变材料主体。
39.一种设备，其包括：
光电子装置；
热电冷却器，其热耦合到所述光电子装置；和
同步电路，其经耦合以使所述热电冷却器的瞬时冷却操作与所述设备的操作大体上同步。
40.根据权利要求39所述的设备，
其中所述同步操作包含所述光电子装置的发射操作。
41.根据权利要求39所述的设备，
其中所述同步操作包含所述光电子装置的取样操作。
42.根据权利要求39所述的设备，
其中所述瞬时冷却操作至少部分地在所述光电子装置的发射或取样操作之前；且
其中所述同步操作触发所述光电子装置的准备取样或发射状态。
43.一种方法，其包括：
使用热电冷却器使光电子装置瞬时冷却；且
其中至少部分地在所述光电子装置的操作之前且预期所述光电子装置的操作而执行所述瞬时冷却。
44.根据权利要求43所述的方法，其进一步包括：
结合所述瞬时冷却，使热耦合到所述光电子装置的相变材料从其第一相位预转变为其第二相位。
45.根据权利要求43所述的方法，其进一步包括：
使所述瞬时冷却与触发所述光电子装置的准备取样或发射状态的操作大体上同步。
46.一种制造成像产品的方法，所述方法包括：
将热电冷却器热耦合到光电子装置；和
将同步电路耦合到所述光电子装置和所述热电冷却器中的至少一者，以使所述热电冷却器的瞬时冷却操作与所述光电子装置的操作大体上同步。
47.根据权利要求46所述的方法，其进一步包括：
将所述同步电路耦合到所述光电子装置和所述热电冷却器中的另一者。
48.根据权利要求46所述的方法，其中所述光电子装置包含以下各项中的一者：
电荷耦合装置(CCD)；
互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列；
发光二极管；和
半导体激光器。
49.根据权利要求46所述的方法，
其中将相变材料主体热耦合到所述热电冷却器，使得在所述热电冷却器热耦合到所述光电子装置之后，所述热电冷却器在其操作期间至少部分地界定从所述光电子装置到所述相变材料的热传递路径。
50.根据权利要求46所述的方法，其进一步包括：
将相变材料主体热耦合到所述热电冷却器，使得在所述热电冷却器的操作期间，将其热侧的温度大体上箝位在所述相变材料的相变温度。
51.根据权利要求46所述的方法，其进一步包括：
将所述成像产品封装为数码相机。
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