电压放大器基于热电热开关的电卡制冷器件研究中的应用

实验名称：电卡制冷器件极化测试

研究方向：近年来，温室效应所造成的全球变暖极端气候正逐步威胁着地球生态和人类生活，也迫使传统制冷行业开始探索新的制冷技术。基于电卡效应的固态制冷技术作为一种清洁、高效、驱动方式简单的新型制冷技术，有望替代传统蒸气压缩式制冷，并应用于电子元件散热领域。与此同时，在微电子领域，随着科技水平的不断进步，用户对电子设备的微型化、复杂化和轻量化要求逐渐提高，使得芯片上电子元件的尺寸越来越小而集成度越来越高。。磁热制冷、电卡制冷、弹热制冷、压热制冷技术均可被归纳为基于固态热效应(caloriceffect)的制冷技术，即通过外部场强（磁场、电场、应力场）的变化驱动固态热材料(caloricmaterial)产生吸热和放热的效果，在四种固态热效应制冷技术中，电卡制冷技术的核心在于电卡效应(ElectrocaloricEffect,ECE)，即在施加或撤去电场时,极化材料中偶极子的方向在有序与无序之间变换,引起材料的熵变化,由于施加或撤去电场的时间极短,材料存在可逆绝热温变值ΔTad或等温熵变值ΔSiso。电卡制冷一般将绝缘性良好的铁电材料作为介质，与内电极交替堆叠，形成多层电容型电卡元件。其中，铁电材料的能量可逆性高、驱动电卡元件的电能也可得到高效回收和重复利用，且目前开发出的电卡制冷材料大多都具有较为成熟的批量生产工艺。因此，凭借清洁、高效、无污染、易小型化、可集成度高、驱动方式简单、不涉及二次能量转化等特点，电卡制冷被认为是一种最有潜力替代蒸气压缩式制冷的新型固态制冷技术。电卡制冷技术的工作原理与磁热制冷技术相似，共包含两个绝热过程和两个恒定电场传热过程，电卡制冷循环第一步绝热极化，对电卡材料施加电场E，材料中的电偶极子重新排列，由无序态变为有序态，材料熵减小，温度升高；第二步，对外散热，保持电场恒定不变，将电卡材料产生的热量传递至散热器，进而向外界散热，温度逐渐降低；第三步，绝热去极化，撤去电场E时，其电偶极子由有序态回归到混乱无序态，材料熵增大，温度进一步降低；第四步，从热源吸热，保持无电场的状态，电卡材料从热源吸热，温度逐步回升至初始状态。通过交替施加和撤去外部电场，循环诱导电卡材料发生极化过程和去极化过程，再结合电卡材料与热源和热汇之间的交替传热过程，就构成了一个完整的电卡制冷循环。

实验目的：驱动电卡材料研究电卡材料在不同极化电压作用下元件表面产生的最大电卡效应温升值为后续实验做铺垫

测试设备：信号发生器、ATA-2041高压放大器、电卡材料等。

实验过程：ATA-2041高压放大器最大可将信号发生器产生的低压信号放大60倍，最大输出电压为±200V，信号发生器经BNC线输入高压放大器进行放大，放大后的高压直流输出信号正极与电磁继电器开关引脚9连接，负极与电卡模块的一根导电铜丝连接，电卡模块的另一根导电铜丝与电磁即电器开关引脚5连接。信号发生器CH2通道产生高电平为6V、低电平为0V的方波信号，经由导线一端与引脚13连接，另一端与引脚14连接。由此，通过继电器开关的控制，电卡模块上将被施加与继电器开关同频率的高压方波信号。其实验流程框图如图1-1。

图1-1实验流程框图

实验结果：在室温条件下，受200V极化电压和20s周期高压方波信号作用的电卡元件表面温度情况如图1-2所示。在0-20s阶段，无任何电压信号作用于电卡元件，元件表面温度保持在20℃左右波动；在20s时，高压方波信号启动，200V极化电压开始施加于电卡元件阵列；在20-21.6s阶段，电卡元件表面温度在1.6s内迅速由19.99℃升高至20.52℃，产生0.53℃的电卡效应温升；在21.6-30s阶段，极化电压依旧施加于电卡元件阵列，但电卡元件开始与环境散热，温度下降至20.27℃；在30s时，200V极化电压从电卡元件阵列上撤去；在30-31.8s阶段，电卡元件表面温度在1.8s内由20.27℃迅速降低至19.82℃，产生了0.45℃的电卡效应温降；之后，在31.8-40s阶段，电卡元件开始从环境中吸收热量，表面温度回升至20.05℃。

图1-2在200V极化电压和20s周期条件下电卡元件表面温度随时间的变化

电压放大器推荐：ATA-2041

图：ATA-2041高压放大器指标参数

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