基于熱電致冷器的溫控電路及采用其的量子級聯(lián)激光器的制造方法
【專利摘要】一種基于熱電致冷器的溫控電路，包括：溫度采集模塊，用于檢測待檢測區(qū)的溫度并輸出溫度信號；控制器，用于根據(jù)所述溫度采集模塊輸入的溫度信號，對所述熱電致冷器進(jìn)行控制；以及熱電致冷器，用于制冷。以及一種采用其的量子級聯(lián)激光器。本發(fā)明溫控電路的溫度控制精度小于等于0.1℃，配合小型風(fēng)冷裝置，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)水冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)量子級聯(lián)激光器在室溫工作狀態(tài)下穩(wěn)定的溫度控制，大大減少冷卻系統(tǒng)體積，同時無機(jī)械振動，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定工作；此外，該溫控電路體積小，安裝方便，使用壽命長，操作簡單，無噪聲，特別適合于便攜式激光器系統(tǒng)的溫度控制。
【專利說明】
基于熱電致冷器的溫控電路及采用其的量子級聯(lián)激光器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件及電子電路領(lǐng)域，更具體地涉及一種量子級聯(lián)激光器 (QCL)的溫度控制電路，尤其是一種基于熱電致冷器(TEC)的溫控電路及采用其的量子級聯(lián) 激光器。
【背景技術(shù)】
[0002] 量子級聯(lián)激光器在氣體檢測、毒品與爆炸物檢測、大氣污染監(jiān)測、紅外對抗以及太 赫茲成像等方面有著廣泛的應(yīng)用。由于量子級聯(lián)激光器不同于一般的半導(dǎo)體激光器，其驅(qū) 動電壓更高(一般IOV以上），閾值電流更大(幾百毫安至1安以上），另外由于其轉(zhuǎn)換效率低 (10%左右），所以發(fā)熱量大，而且對溫度控制的穩(wěn)定性要求較高。通常量子級聯(lián)激光器采用 水冷系統(tǒng)，但由于其體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且伴隨機(jī)械振動和噪聲，難以實(shí)現(xiàn)量子級聯(lián)激 光器的便攜式應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明旨在實(shí)現(xiàn)一種便攜式的基于TEC的溫控電路及采用其的量子級 聯(lián)激光器。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種基于熱電致冷器 的溫控電路，包括：
[0005] 溫度采集模塊，用于檢測待檢測區(qū)域的溫度并輸出溫度信號；
[0006] 控制器，用于根據(jù)所述溫度采集模塊輸入的溫度信號，對所述熱電致冷器進(jìn)行控 制；以及
[0007] 熱電致冷器，用于制冷。
[0008] 作為優(yōu)選，所述溫度采集模塊包括:一熱敏電阻，一端接地，另一端連接一第一電 阻，所述熱敏電阻與第一濾波電容和第二濾波電容同時并聯(lián);所述第一電阻的另一端連接 電源電壓;所述熱敏電阻上的電壓為所述溫度采集模塊的輸出溫度信號。
[0009] 作為優(yōu)選，所述控制器通過PID算法來對所述熱電致冷器進(jìn)行控制。
[0010] 作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提供了一種采用如上所述基于熱電致冷器的 溫控電路的量子級聯(lián)激光器。
[0011] 基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的溫控電路及采用其的量子級聯(lián)激光器具有如下 有益效果:該溫控電路采用5V電源供電，可以實(shí)現(xiàn)量子級聯(lián)級聯(lián)激光器在室溫工作時準(zhǔn)確 而穩(wěn)定的溫度控制，在15_30°C范圍內(nèi)溫度誤差小于等于0. TC;本發(fā)明配合小型風(fēng)冷裝置， 可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)水冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)量子級聯(lián)激光器在室溫工作狀態(tài)下穩(wěn)定的溫度控制，大大減 少冷卻系統(tǒng)體積，同時無機(jī)械振動，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定工作，且制造成本低;本發(fā)明溫控電路 體積小，安裝方便，使用壽命長，操作簡單，無噪聲，特別適合于便攜式激光器系統(tǒng)的溫度控 制。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的模塊接線圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明的TEC電流驅(qū)動電路的接線圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明的溫度采集電路的接線圖；
[0015]圖4為本發(fā)明的控溫電路的方框結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0017] 本發(fā)明公開了一種基于熱電致冷器(TEC)的溫控電路，包括：
[0018]溫度采集模塊，用于檢測待檢測區(qū)域的溫度并輸出溫度信號；
[0019] 控制器，用于根據(jù)溫度采集模塊輸入的溫度信號，對熱電致冷器進(jìn)行控制；以及
[0020] 熱電致冷器，用于制冷。
[0021] 其中，溫度采集模塊包括熱敏電阻，例如負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，阻值為10K-100K Ω 0
[0022] 作為一個優(yōu)選實(shí)施例，溫度采集模塊包括:一熱敏電阻，一端接地，另一端連接一 第一電阻，阻值例如為IOK-1OOK Ω，所述熱敏電阻與第一濾波電容和第二濾波電容同時并 聯(lián)，電容值例如分別為〇.OluF和IuF;所述第一電阻的另一端連接電源電壓;所述熱敏電阻 上的電壓為所述溫度采集模塊的輸出溫度信號。
[0023] 其中，控制器例如為計(jì)算機(jī)，或者體積更小巧的微控制器，例如為單片機(jī)、單板機(jī)， 或者可編程控制器。該控制器通過PID算法來對熱電致冷器進(jìn)行控制。
[0024] 其中，溫控電路還可以包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，用于將溫度采集模塊輸出的模擬溫 度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字溫度信號，以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，用于將控制器輸出的用于控制熱電致 冷器的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換成模擬控制信號。作為一個優(yōu)選實(shí)施例，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括一 12 位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片及一緩沖放大器，緩沖放大器含有兩個獨(dú)立的運(yùn)算放大器，數(shù)模轉(zhuǎn)換 芯片的轉(zhuǎn)換電壓輸出端與緩沖放大器的第3引腳相連，而緩沖放大器的另外兩個引腳短接， 使其成為電壓跟隨器，并從第1引腳輸出電壓。
[0025] 其中，溫控電路還可以包括一熱電致冷器的驅(qū)動電路，作為一個優(yōu)選實(shí)施例，該熱 電致冷器的驅(qū)動電路包括:一作為功率放大器的運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器的第5引腳連接輸 入電壓Vin，第6引腳連接第一電阻和第一電容的一端，第一電阻和第一電容的另一端連接 采樣電阻;運(yùn)算放大器的第7引腳經(jīng)第二電阻連接一場效應(yīng)管的柵極;熱電致冷器的正極連 接電源電壓，負(fù)極連接場效應(yīng)管的漏極;場效應(yīng)管的源極與采樣電阻與第一電阻和第一電 容相連的一端相連，采樣電阻的另一端接地;從而，流經(jīng)熱電致冷器的電流等于輸入電壓 Vin除以采樣電阻的阻值。
[0026] 本發(fā)明還公開了一種采用如上所述基于熱電致冷器的溫控電路的量子級聯(lián)激光 器(QCL)。在該激光器中，溫控電路的基本框架如圖4所示，采用5V電源供電，通過熱敏電阻 檢測TEC區(qū)域的溫度，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫度信息傳送至體積更小巧的微控制器，形成一 個溫度反饋，微控制器通過PID算法得到一個數(shù)字控制量，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬 控制量，該模擬控制量控制TEC電流驅(qū)動模塊，使TEC制冷以穩(wěn)定該量子級聯(lián)激光器的工作 溫度。
[0027]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明中所使用的微控制器例如為Atmel公司生 產(chǎn)的高性能8位單片機(jī)ATmega-128A-AU。該單片機(jī)內(nèi)部包含一個10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)， 可以將溫度傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過數(shù)字PID算法產(chǎn)生一個數(shù)字的溫度 控制量。該控制量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7621得到一個模擬的電壓信號，該電壓信號作用于電 流驅(qū)動模塊，產(chǎn)生相應(yīng)的電流來驅(qū)動TEC制冷，進(jìn)而穩(wěn)定量子級聯(lián)激光器的工作溫度。
[0028]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0029]圖1為本發(fā)明的數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)電路的模塊接線圖，本發(fā)明使用12位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換 芯片DAC7621，其電路配置如圖1所示，圖中"DB0-DB1Γ為數(shù)字量輸入端，依次連接芯片的6-17引腳；"PG0-PG2"為單片機(jī)控制端，依次連接芯片的20、19、18引腳，用于控制該芯片進(jìn)行 DA轉(zhuǎn)換；"5V"為電源輸入，連接第2引腳;芯片的第4、5引腳為接地端。芯片的第1引腳閑置， 第3引腳為轉(zhuǎn)換電壓輸出端，該端子連接至緩沖放大器LM833DR2的第3引腳（運(yùn)放1，每片 LM833DR2含兩個獨(dú)立的運(yùn)放），其第1和第2引腳短接，使其成為電壓跟隨器，并從引腳1輸出 電壓。
[0030] 圖2為本發(fā)明的TEC電流驅(qū)動電路的接線圖。該驅(qū)動電路是基于運(yùn)算放大器 LM833DR2 (運(yùn)放2)的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。輸入電壓"Vin"取自上述DA轉(zhuǎn)換電路中的緩沖放 大器的第1引腳，該電壓連接至LM833DR2芯片的引腳5;引腳6連接電阻R23和電容C21的一 端，電阻和電容的另一端連接采樣電阻R5。運(yùn)放芯片的引腳7經(jīng)電阻R6后連接場效應(yīng)管 NDT455N的柵極以控制輸出電流。TEC的正極連接"5V"電源電壓，負(fù)極連接NDT455N的漏極， NDT455N的源極連接采樣電阻R5,電阻R5的另一端接地。根據(jù)運(yùn)算放大器"虛短路"原理，采 樣電阻的電壓等于輸入電壓"Vin"，流經(jīng)TEC的電流等于流經(jīng)電阻R5的電流，也就是說流經(jīng) TEC的電流完全被輸入電壓"Vin"和采樣電阻R5的阻值決定，即I TEC = Vin/R5,實(shí)現(xiàn)了電壓-電流轉(zhuǎn)換。
[0031] 圖3是本發(fā)明的溫度采集電路的接線圖。該溫度采集電路包括溫度傳感器模塊，其 中溫度傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻RT，其在25°C時阻值為IOkQ。熱敏電阻RT的 一段接地，另一端連接電阻R9,并與濾波電容C7和C8并聯(lián)。電阻R9的另一端連接5V電源電 壓。根據(jù)電阻分壓原理，熱敏電阻RT上的電壓與溫度相關(guān)，即Γ/二，該電壓被單片機(jī) RJ + R9 的AD轉(zhuǎn)換器采集，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)過PID算法和DA轉(zhuǎn)換后來控制流經(jīng)TEC的電流值，最終 獲得穩(wěn)定的溫度。
[0032] 以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于熱電致冷器的溫控電路，其特征在于，包括： 溫度采集模塊，用于檢測待檢測區(qū)域的溫度并輸出溫度信號； 控制器，用于根據(jù)所述溫度采集模塊輸入的溫度信號，對所述熱電致冷器進(jìn)行控制；以 及 熱電致冷器，用于制冷。2. 如權(quán)利要求1所述的基于熱電致冷器的溫控電路，其特征在于，所述溫度采集模塊包 括熱敏電阻。3. 如權(quán)利要求2所述的基于熱電致冷器的溫控電路，其特征在于，所述熱敏電阻為負(fù)溫 度系數(shù)熱敏電阻，阻值為10Κ-100ΚΩ。4. 如權(quán)利要求2所述的基于熱電致冷器的溫控電路，其特征在于，所述溫度采集模塊包 括:一熱敏電阻，一端接地，另一端連接一第一電阻，所述熱敏電阻與第一濾波電容和第二 濾波電容同時并聯(lián);所述第一電阻的二另一端連接電源電壓;所述熱敏電阻上的電壓為所 述溫度采集模塊的輸出溫度信號。5. 如權(quán)利要求1所述的基于熱電致冷器的溫控電路，其特征在于，所述控制器為計(jì)算 機(jī)、單片機(jī)、單板機(jī)或可編程控制器。6. 如權(quán)利要求1所述的基于熱電致冷器的溫控電路，其特征在于，所述控制器通過PID 算法來對所述熱電致冷器進(jìn)行控制。7. 如權(quán)利要求1所述的基于熱電致冷器的溫控電路，其特征在于，所述溫控電路還包括 模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，分別用于將所述溫度采集模塊輸出的模擬溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字 溫度信號，以及將所述控制器輸出的用于控制所述熱電致冷器的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換成模擬 控制信號。8. 如權(quán)利要求7所述的基于熱電致冷器的溫控電路，其特征在于，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括 一 12位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片及一緩沖放大器，所述緩沖放大器含有兩個獨(dú)立的運(yùn)算放大器， 所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換電壓輸出端與所述緩沖放大器的第3引腳相連，而所述緩沖放大 器的另外兩個引腳短接，使其成為電壓跟隨器，并從第1引腳輸出電壓。9. 如權(quán)利要求1所述的基于熱電致冷器的溫控電路，其特征在于，所述溫控電路還包括 一熱電致冷器的驅(qū)動電路，所述熱電致冷器的驅(qū)動電路包括:一作為功率放大器的運(yùn)算放 大器，所述運(yùn)算放大器的第5引腳連接輸入電壓Vin，第6引腳連接第一電阻和第一電容的一 端，所述第一電阻和第一電容的另一端連接采樣電阻;所述運(yùn)算放大器的第7引腳經(jīng)第二電 阻連接一場效應(yīng)管的柵極;所述熱電致冷器的正極連接電源電壓，負(fù)極連接所述場效應(yīng)管 的漏極;所述場效應(yīng)管的源極與所述采樣電阻與所述第一電阻和第一電容相連的一端相 連，所述采樣電阻的另一端接地;從而，流經(jīng)所述熱電致冷器的電流等于所述輸入電壓Vin 除以所述采樣電阻的阻值。10. -種采用如權(quán)利要求1至9任意一項(xiàng)所述的基于熱電致冷器的溫控電路的量子級聯(lián) 激光器。
【文檔編號】H01S5/02GK105843274SQ201610182808
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】劉傳威, 張錦川, 賈志偉, 周予虹, 閻方亮, 劉峰奇, 王占國
【申請人】中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所