تطوير وتطبيق وحدة التبريد الكهروحرارية، وحدة TEC، مبرد بيلتييه في مجال الإلكترونيات الضوئية

تطوير وتطبيق وحدة التبريد الكهروحرارية، وحدة TEC، مبرد بيلتييه في مجال الإلكترونيات الضوئية

يلعب المبرد الحراري الكهربائي (TEC)، أو الوحدة الحرارية الكهربائية، أو وحدة بلتييه (TEC)، دورًا أساسيًا في مجال المنتجات الكهروضوئية بفضل مزاياه الفريدة. فيما يلي تحليل لتطبيقاته الواسعة في المنتجات الكهروضوئية:

أولا: مجالات التطبيق الأساسية وآلية العمل

1. التحكم الدقيق في درجة حرارة الليزر

المتطلبات الأساسية: جميع ليزرات أشباه الموصلات (LDS)، ومصادر مضخات ليزر الألياف، وبلورات ليزر الحالة الصلبة حساسة للغاية لدرجة الحرارة. قد تؤدي تغيرات درجة الحرارة إلى:

• انجراف الطول الموجي: يؤثر على دقة الطول الموجي للاتصالات (كما هو الحال في أنظمة DWDM) أو استقرار معالجة المواد.

• تقلب طاقة الإخراج: يقلل من اتساق خرج النظام.

• تغير التيار العتبي: يقلل الكفاءة ويزيد من استهلاك الطاقة.

• عمر افتراضي أقصر: تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تسريع شيخوخة الأجهزة.

وحدة TEC، وظيفة الوحدة الحرارية الكهربائية: من خلال نظام تحكم في درجة الحرارة بحلقة مغلقة (مستشعر درجة الحرارة + وحدة التحكم + وحدة TEC، مبرد TE)، يتم تثبيت درجة حرارة تشغيل رقاقة الليزر أو وحدته عند النقطة المثلى (عادةً 25 درجة مئوية ± 0.1 درجة مئوية أو دقة أعلى)، مما يضمن استقرار الطول الموجي، وثبات خرج الطاقة، وأقصى كفاءة، وعمرًا افتراضيًا أطول. هذا هو الضمان الأساسي لمجالات مثل الاتصالات البصرية، ومعالجة الليزر، والليزر الطبي.

2. تبريد أجهزة الكشف الضوئية/أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء

• المتطلبات الرئيسية:

• تقليل التيار المظلم: تحتوي مصفوفات المستوى البؤري للأشعة تحت الحمراء (IRFPA) مثل الثنائيات الضوئية (وخاصة كاشفات InGaAs المستخدمة في الاتصالات القريبة من الأشعة تحت الحمراء)، والثنائيات الضوئية الانهيارية (APD)، وتيلوريد الكادميوم الزئبقي (HgCdTe) على تيارات مظلمة كبيرة نسبيًا في درجة حرارة الغرفة، مما يقلل بشكل كبير من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) وحساسية الكشف.

• قمع الضوضاء الحرارية: الضوضاء الحرارية للكاشف نفسه هي العامل الرئيسي الذي يحد من حد الكشف (مثل إشارات الضوء الضعيفة والتصوير لمسافات طويلة).

وحدة التبريد الكهروحرارية، وظيفة وحدة بلتييه (عنصر بلتييه): تبريد رقاقة الكاشف أو كامل العبوة إلى درجات حرارة أقل من درجة حرارة المحيط (مثل -40 درجة مئوية أو أقل). يقلل بشكل كبير من التيار المظلم والضوضاء الحرارية، ويحسن حساسية الجهاز ومعدل الكشف وجودة التصوير بشكل ملحوظ. يُعد هذا ضروريًا بشكل خاص لأجهزة التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء عالية الأداء، وأجهزة الرؤية الليلية، وأجهزة قياس الطيف، وكاشفات الفوتون الأحادي للاتصالات الكمومية.

3. التحكم في درجة حرارة الأنظمة والمكونات البصرية الدقيقة

المتطلبات الأساسية: المكونات الرئيسية للمنصة البصرية (مثل شبكات براغ الليفية، والمرشحات، ومقاييس التداخل، ومجموعات العدسات، ومستشعرات CCD/CMOS) حساسة للتمدد الحراري ومعاملات درجة حرارة الانكسار. قد تؤدي تغيرات درجة الحرارة إلى تغيرات في طول المسار البصري، وانحراف البعد البؤري، وانزياح الطول الموجي في مركز المرشح، مما يؤدي إلى تدهور أداء النظام (مثل تشويش الصورة، وعدم دقة المسار البصري، وأخطاء القياس).

• وحدة TEC، وحدة التبريد الحراري الكهربائي الوظيفة:

• التحكم النشط في درجة الحرارة: يتم تثبيت المكونات البصرية الرئيسية على ركيزة ذات موصلية حرارية عالية، ووحدة TEC (مبرد بيليتيه، جهاز بيليتيه)، والجهاز الحراري الكهربائي يتحكم بدقة في درجة الحرارة (الحفاظ على درجة حرارة ثابتة أو منحنى درجة حرارة محدد).

• توحيد درجة الحرارة: القضاء على اختلاف درجات الحرارة داخل المعدات أو بين المكونات لضمان الاستقرار الحراري للنظام.

• مواجهة التقلبات البيئية: تعويض تأثير تغيرات درجة حرارة البيئة الخارجية على المسار البصري الداخلي الدقيق. يُستخدم على نطاق واسع في أجهزة قياس الطيف عالية الدقة، والتلسكوبات الفلكية، وأجهزة الطباعة الضوئية، والمجاهر المتطورة، وأنظمة استشعار الألياف الضوئية، وغيرها.

4. تحسين الأداء وإطالة عمر مصابيح LED

المتطلبات الأساسية: تُولّد مصابيح LED عالية الطاقة (خاصةً المستخدمة في أجهزة العرض والإضاءة والمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية) حرارةً عاليةً أثناء التشغيل. وستؤدي زيادة درجة حرارة الوصلة إلى:

• انخفاض الكفاءة الضوئية: يتم تقليل كفاءة التحويل الكهروضوئي.

• تحول الطول الموجي: يؤثر على اتساق الألوان (مثل إسقاط RGB).

• انخفاض حاد في عمر الخدمة: تعتبر درجة حرارة الوصلة العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على عمر خدمة مصابيح LED (وفقًا لنموذج أرينيوس).

• وحدات TEC، مبردات حرارية كهربائية، وحدات حرارية كهربائية الوظيفة: لتطبيقات LED ذات الطاقة العالية للغاية أو متطلبات التحكم الصارمة في درجة الحرارة (مثل مصادر ضوء الإسقاط معينة ومصادر الضوء ذات الدرجة العلمية)، وحدة حرارية كهربائية، وحدة تبريد حرارية كهربائية، جهاز بيليتييه، عنصر بيليتييه يمكن أن توفر قدرات تبريد نشطة أكثر قوة ودقة من المشتتات الحرارية التقليدية، مع الحفاظ على درجة حرارة تقاطع LED ضمن نطاق آمن وفعال، والحفاظ على خرج سطوع عالي، وطيف مستقر وعمر طويل للغاية.

ثانيًا: شرح مفصل للمزايا التي لا غنى عنها لوحدات TEC الحرارية الكهربائية (وحدات التبريد الحراري الكهربائية) والأجهزة الحرارية الكهربائية (مبردات بلتييه) في تطبيقات الإلكترونيات البصرية.

1. القدرة على التحكم الدقيق في درجة الحرارة: يمكنها تحقيق التحكم المستقر في درجة الحرارة بدقة ±0.01 درجة مئوية أو حتى أعلى، وهو ما يتجاوز بكثير طرق تبديد الحرارة السلبية أو النشطة مثل تبريد الهواء وتبريد السائل، وتلبية متطلبات التحكم الصارمة في درجة الحرارة للأجهزة الإلكترونية البصرية.

2. لا أجزاء متحركة ولا مبرد: تشغيل الحالة الصلبة، لا يوجد تداخل بين الضاغط أو اهتزاز المروحة، لا يوجد خطر تسرب المبرد، موثوقية عالية للغاية، خالية من الصيانة، مناسبة للبيئات الخاصة مثل الفراغ والفضاء.

٣. استجابة سريعة وقابلية عكسية: بتغيير اتجاه التيار، يمكن تبديل وضع التبريد/التدفئة فورًا، بسرعة استجابة عالية (بالمللي ثانية). هذا مناسب بشكل خاص للتعامل مع الأحمال الحرارية العابرة أو التطبيقات التي تتطلب دورات دقيقة في درجة الحرارة (مثل اختبار الجهاز).

4. التصغير والمرونة: هيكل مضغوط (سمك مستوى المليمتر)، وكثافة طاقة عالية، ويمكن دمجه بمرونة في التعبئة والتغليف على مستوى الشريحة أو مستوى الوحدة أو مستوى النظام، والتكيف مع تصميم مختلف المنتجات البصرية الإلكترونية ذات المساحة المحدودة.

5. التحكم الدقيق في درجة الحرارة المحلية: يمكنه تبريد أو تسخين نقاط ساخنة محددة بدقة دون تبريد النظام بأكمله، مما يؤدي إلى نسبة كفاءة طاقة أعلى وتصميم نظام أكثر بساطة.

ثالثًا: حالات التطبيق واتجاهات التطوير

• وحدات بصرية: وحدة Micro TEC (وحدة تبريد حرارية كهربائية دقيقة، وحدة تبريد حرارية كهربائية لتبريد ليزر DFB/EML تُستخدم عادةً في وحدات بصرية مرنة بمعدل 10G/25G/100G/400G وأعلى (SFP+، QSFP-DD، OSFP) لضمان جودة نمط العين ومعدل خطأ البت أثناء النقل لمسافات طويلة.

• LiDAR: تتطلب مصادر ضوء الليزر المنبعثة من الحواف أو VCSEL في LiDAR للسيارات والصناعات وحدات TEC ووحدات التبريد الحرارية الكهربائية ومبردات حرارية كهربائية ووحدات بيليتييه لضمان استقرار النبضة ودقة النطاق، وخاصة في السيناريوهات التي تتطلب الكشف عن بعد وعالي الدقة.

• جهاز التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء: يتم تثبيت مجموعة المستوى البؤري للميكرومتر الراديومتري غير المبرد عالي الجودة (UFPA) عند درجة حرارة التشغيل (عادةً ~32 درجة مئوية) من خلال مراحل وحدة التبريد الحراري الكهربائي لوحدة TEC واحدة أو متعددة، مما يقلل من ضوضاء الانجراف في درجة الحرارة؛ تتطلب أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة المتوسطة / الموجة الطويلة المبردة (MCT، InSb) تبريدًا عميقًا (يتم تحقيق -196 درجة مئوية بواسطة ثلاجات ستيرلنغ، ولكن في التطبيقات المصغرة، يمكن استخدام وحدة TEC الحرارية الكهربائية، وحدة بيلتييه للتبريد المسبق أو التحكم في درجة الحرارة الثانوية).

• الكشف عن الفلورسنت البيولوجي/مطياف رامان: يؤدي تبريد كاميرا CCD/CMOS أو أنبوب المضاعف الضوئي (PMT) إلى تعزيز حد الكشف وجودة التصوير لإشارات الفلورسنت/رامان الضعيفة بشكل كبير.

• التجارب البصرية الكمومية: توفير بيئة منخفضة الحرارة لكاشفات الفوتون الفردي (مثل الأسلاك النانوية الفائقة التوصيل SNSPD، والتي تتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية، ولكن Si/InGaAs APD يتم تبريدها عادةً بواسطة وحدة TEC، ووحدة التبريد الحرارية الكهربائية، والوحدة الحرارية الكهربائية، ومبرد TE) ومصادر ضوء كمية معينة.

• اتجاه التطوير: البحث والتطوير لوحدة التبريد الكهروحرارية، الجهاز الكهروحراري، وحدة TEC ذات كفاءة أعلى (زيادة قيمة ZT)، تكلفة أقل، حجم أصغر وقدرة تبريد أقوى؛ تكامل أوثق مع تقنيات التغليف المتقدمة (مثل 3D IC، Co-Packaged Optics)؛ تعمل خوارزميات التحكم في درجة الحرارة الذكية على تحسين كفاءة الطاقة.

أصبحت وحدات التبريد الكهروحرارية، والمبردات الكهروحرارية، ووحدات بلتييه، وأجهزة بلتييه، المكونات الأساسية لإدارة الحرارة في المنتجات الكهروحرارية الحديثة عالية الأداء. فدقتها في التحكم في درجة الحرارة، وموثوقيتها في الحالة الصلبة، وسرعتها في الاستجابة، وحجمها الصغير ومرونتها، تُعالج بفعالية تحديات رئيسية مثل استقرار أطوال موجات الليزر، وتحسين حساسية الكاشف، والحد من الانجراف الحراري في الأنظمة البصرية، والحفاظ على أداء مصابيح LED عالية الطاقة. ومع تطور تكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية نحو أداء أعلى، وحجم أصغر، وتطبيقات أوسع، ستواصل وحدات TEC، ومبردات بلتييه، ووحدات بلتييه، لعب دور لا غنى عنه، كما أن تقنيتها نفسها تتطور باستمرار لتلبية المتطلبات المتزايدة.