一、微型热电制冷器基本介绍
TEC制冷片是利用帕尔帖效应来实现加热或制冷的效果，通常由N型半导体、P型半导体以及金属板、陶瓷基板、连接线路等组成。在外加直流电的作用下，可以控制半导体材料中载流子的移动并转移热量，从一端吸热制冷，另一端散热，实现电流控制温差的作用。
随着微型光电子技术的发展，迫切需要小型、静态、固定安装和长寿命的制冷装置，微型热电制冷器（Micro-TEC）具有制冷功率密度大、体积小、运行功耗低、稳定等特点，适合用于解决微型电子器件的冷却和温控问题，是近年来热电制冷领域的研究热点。
半导体激光器散热用Micro-TEC，图片来源：TTS
二、Micro TEC在紧凑光电系统中的温控
目前光电行业正在面临热危机，元件尺寸不断缩小，封装尺寸已小于10nm，热密度仍持续攀升至2-10W·cm⁻²。激光光源通常需要±0.02°C的温度稳定性，以保证与密集波分复用（DWDM）栅格保持对准。同时，光电探测器必须在低于环境温度的条件下工作，以抑制暗电流并保持激光雷达、光谱学和弱光成像所需的信噪比。
传统的被动式散热器件无法产生低于环境温度的温度，其冷却方法已经达到极限，同时，热管所需要的最小长度和紧凑型组件不兼容，此时使用液冷冷却将给小型化封装带来更复杂的挑战。现有的散热技术都无法实现现代光学元件所需要的高精度温度控制，仅0.1°C的热不稳定就可能导致激光波长偏移10-30皮米，探测器响应灵敏度下降几个百分点。因此，Micro-TEC面对微型化、高热负荷具有天然的优势，给予其更多的应用机会。
三、微型封装器件的运行机理
光电元件的半导体结、驱动电路以及相邻放大器在运行的过程中会产生大量的热量，热源共同作用的过程中会在小于10mm² 的芯片区域内产生0.2-2W的热负载，形成显著的温度梯度热通量，影响器件的性能。
对于光电探测器来说，温度会影响其基本噪声基底，InGaAs 和雪崩光电二极管的暗电流会随着温度每升高 8-10°C而翻倍，近似呈指数关系。这种升高的暗电流会直接降低信噪比，从而降低激光雷达系统的最大探测距离，或导致成像应用中需要更长的积分时间。如果热控制不当，高温下暗电流和放大器噪声的增加会叠加，使系统动态范围降低 10-20 dB。
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在激光光源中，温度不稳定性会导致波长漂移，使器件超出设定的容差范围。对于分布式反馈 (DFB) 激光器，其调谐系数通常在0.08 至0.12 nm/°C 之间，即使 0.1°C 的热不稳定性也可能导致50 GHz 密集波分复用 (DWDM) 系统中信道间隔的10% 或更多，这种漂移会因光信噪比降低而增加链路损耗，并产生与相邻信道的串扰。它们直接影响系统级指标，包括误码率、光信噪比、检测范围和长期可靠性。
四、Micro TEC的应用场景
（1）光电探测器：暗电流和响应度管理
光谱学、机器视觉和光纤监测系统广泛使用InGaAs的短波红外（SWIR）探测器，其传感器的暗电流和响应度具有明显的温度依赖性。由于高度限制（通常小于2mm）和散热路径有限，TO-8封装或芯片封装等紧凑型封装使得热控制极具挑战性。
在短波红外探测器场景中，其探测器和读出电路产生 0.3-0.8 W 的功率，工作环境温度范围为 0-50°C，目标设定温度范围为 -10 至 +10°C，稳定性要求为±0.02°C，目前的被动冷却或传导冷却无法维持稳定响应和低噪声所需的温度精度。
微型热电冷却器Micro-TEC通过在探测器组件下方安装3.6 × 4.7 × 1.6 毫米体积的器件，可以与合适的控制电子器件配合使用，实现高达82°C的温差，同时保持 ±0.01°C 的稳定性。这种级别的热控制显著降低了暗电流变化，提高了基线稳定性，并允许更长的积分时间，与被动工作模式相比，信噪比最多可提高 10 倍。
同样的原理也适用于汽车激光雷达接收器，其中雪崩光电二极管 (APD) 和前端专用集成电路 (ASIC) 必须在环境温度从零下到炎热夏季剧烈变化的情况下，保持雪崩增益和灵敏度的稳定。传统的散热器无法在环境温度快速变化时保持探测器温度恒定，导致测距和增益漂移，从而降低系统性能并使校准变得复杂。
（2）光模块：密集信道系统中的波长稳定系统
密集波分复用发射机的每个激光器的波长都必须保持在ITU网格目标值的几吉赫兹范围内，即使是微小的温度变化也会导致显著的波长漂移。具有多个通道的紧凑型收发器需要对每个激光器芯片进行精确的、独立的温度控制，以防止通道间的热串扰。
在电力预算压力巨大的数据中心环境中，每个数据中心可能拥有数万甚至数十万个光收发器，光收发器功耗可能已占网络总功耗的30%以上。因此需要更高性能系数 (COP) 的冷却解决方案，以最大限度地减少能源浪费，同时满足严格的热稳定性要求。
微型热电冷却器能够对多波长系统中的每个光通道进行独立的温度控制，在效率最高的适中温差下工作，可将波长稳定性维持在±1 GHz以内，实现数秒内稳定启动，并消除相邻通道之间的热干扰。同时无需机械调整即可进行波长微调，从而简化了制造和现场部署。
（3）成像传感器：低光照检测
光谱学、显微镜学、机器视觉、遥感和医疗诊断等领域的成像传感器都依赖于精确的热管理，无论是将其应用于科研相机、手术器械还是检测系统，持续稳定的低于环境温度都会直接影响图像质量和校准稳定性。
传感器和配套电子设备的热负荷通常为1-2 W，环境条件在实验室或工厂环境中为 10-35°C，目标设定点为-10°C 至-30°C 以抑制暗电流，所有这些都需保持 ±0.02°C 或更高的稳定性，以保持校准精度。
TO CAN封装图像传感器和MSX系列热电制冷器，图片来自：TTS
传统的散热方式无法在不借助制冷系统的情况下达到如此低的运行温度，即使达到也无法维持长期的稳定性。将Micro-TEC应用在传感器位置上，提供固态制冷，器件尺寸可达 10x12 毫米，足以容纳传感器阵列，在1-1.5 瓦的负载下，仅需2-3 瓦的电能输入，即可将冷端温度维持在-20°C 左右。同时将暗电流降低一个数量级，延长可用曝光时间，并在长时间积分期间保持传感器响应的一致性。此外，固态设计还消除了机械冷却器带来的振动和噪声，兼顾了实验室精度和现场便携性。
五、Micro TEC整合应用的优势
Micro-TEC具有优异的热性能以及集成优势，采用高质量的陶瓷或金属化基板，具有出色的焊接性能，并可选配集成热敏电阻。同时简化了组装工艺和控制系统，缩短了集成时间并降低了制造风险。
（1）可靠、低热阻安装
整合Micro-TEC模块的设计兼容标准光电组装技术，通过采用专用焊料或导热环氧树脂进行焊接，可实现可靠、低电阻的安装，标准贴片设备可用于自动化组装。集成式热敏电阻位于冷表面，距离热源0.5-1.0mm范围内，与远程传感方法相比，可降低温度传感延迟。最重要的是，微型热电冷却器Micro-TEC能够不受外部环境条件的被动响应，直接在目标点（即器件结）设定温度，使得器件能够实现现代光电元件所需的空前温度稳定性。
（2）高效冷却和高精度稳定性
现代光电系统的性能日益受到限制，小型化需求、不断上升的热密度使得传统冷却方法无法解决热控制难题，对激光器和光电探测器性能的要求日益严苛。
微型热电冷却器尺寸小，却能提供高温差和高精度稳定性，能够将主动热控制精确地应用于元件结点上。同时能够在紧凑的TO封装内安装主动式亚环境冷却装置，在空间有限的发射器光学子组件（TOSA）内稳定DFB激光器，并在严苛的汽车环境中提供稳定的APD性能。
微型TEC通过提供紧凑、可靠的固态冷却，助力突破热障碍，充分释放下一代光电系统的潜力。随着光电子行业不断突破集成密度和性能的极限，微尺度热控制将从锦上添花的功能转变为关键技术。
资料来源：Sheetak、TTS官网
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