การพัฒนาและการประยุกต์ใช้โมดูลทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก (TEC module) และตัวทำความเย็นเพลเทียร์ (Peltier cooler) ในสาขาอิเล็กโทรออปติกส์

การพัฒนาและการประยุกต์ใช้โมดูลทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก (TEC module) และตัวทำความเย็นเพลเทียร์ (Peltier cooler) ในสาขาอิเล็กโทรออปติกส์

ตัวระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก และโมดูลเพลเทียร์ (TEC) มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในด้านผลิตภัณฑ์อิเล็กโทรออปติก ด้วยข้อดีที่เป็นเอกลักษณ์ ต่อไปนี้เป็นการวิเคราะห์การประยุกต์ใช้งานอย่างกว้างขวางในผลิตภัณฑ์อิเล็กโทรออปติก:

1. ขอบเขตการใช้งานหลักและกลไกการออกฤทธิ์

1. การควบคุมอุณหภูมิของเลเซอร์อย่างแม่นยำ

• ข้อกำหนดสำคัญ: เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ (LDS) แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ไฟเบอร์ และผลึกเลเซอร์โซลิดสเตททั้งหมดมีความไวต่ออุณหภูมิอย่างมาก การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอาจนำไปสู่:

• การเบี่ยงเบนของความยาวคลื่น: ส่งผลต่อความแม่นยำของความยาวคลื่นในการสื่อสาร (เช่น ในระบบ DWDM) หรือความเสถียรของการประมวลผลวัสดุ

• ความผันผวนของกำลังไฟฟ้าขาออก: ลดความสม่ำเสมอของกำลังไฟฟ้าขาออกของระบบ

• การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าขั้นต่ำ: ลดประสิทธิภาพและเพิ่มการใช้พลังงาน

• อายุการใช้งานสั้นลง: อุณหภูมิสูงเร่งการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์

• โมดูล TEC (โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก): ด้วยระบบควบคุมอุณหภูมิแบบวงปิด (เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ + ตัวควบคุม + โมดูล TEC, ตัวระบายความร้อน TE) อุณหภูมิในการทำงานของชิปหรือโมดูลเลเซอร์จะคงที่ที่จุดที่เหมาะสมที่สุด (โดยทั่วไป 25°C ± 0.1°C หรือความแม่นยำสูงกว่านั้น) ทำให้มั่นใจได้ถึงความเสถียรของความยาวคลื่น กำลังไฟฟ้าขาออกคงที่ ประสิทธิภาพสูงสุด และอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น นี่คือการรับประกันที่สำคัญสำหรับสาขาต่างๆ เช่น การสื่อสารด้วยแสง การประมวลผลด้วยเลเซอร์ และเลเซอร์ทางการแพทย์

2. การระบายความร้อนให้กับโฟโตดีเทคเตอร์/ตัวตรวจจับอินฟราเรด

• คุณสมบัติที่สำคัญ:

• ลดกระแสไฟฟ้ามืด: อาร์เรย์ระนาบโฟกัสอินฟราเรด (IRFPA) เช่น โฟโตไดโอด (โดยเฉพาะตัวตรวจจับ InGaAs ที่ใช้ในการสื่อสารในย่านอินฟราเรดใกล้) โฟโตไดโอดแบบอะวาแลนซ์ (APD) และปรอทแคดเมียมเทลลูไรด์ (HgCdTe) มีกระแสไฟฟ้ามืดค่อนข้างสูงที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งลดอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) และความไวในการตรวจจับลงอย่างมาก

• การลดสัญญาณรบกวนจากความร้อน: สัญญาณรบกวนจากความร้อนของตัวตรวจจับเองเป็นปัจจัยหลักที่จำกัดขีดจำกัดการตรวจจับ (เช่น สัญญาณแสงอ่อนและการถ่ายภาพระยะไกล)

• โมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก โมดูลเพลเทียร์ (องค์ประกอบเพลเทียร์) มีหน้าที่ระบายความร้อนให้กับชิปตรวจจับหรือตัวอุปกรณ์ทั้งหมดให้ต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อม (เช่น -40°C หรือต่ำกว่านั้น) ช่วยลดกระแสไฟฟ้ามืดและสัญญาณรบกวนจากความร้อนได้อย่างมาก และช่วยเพิ่มความไว อัตราการตรวจจับ และคุณภาพของภาพของอุปกรณ์ได้อย่างมีนัยสำคัญ มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับกล้องถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรดประสิทธิภาพสูง อุปกรณ์มองเห็นในเวลากลางคืน สเปกโทรเมตร และเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวสำหรับการสื่อสารควอนตัม

3. การควบคุมอุณหภูมิของระบบและส่วนประกอบทางแสงที่มีความแม่นยำสูง

• ข้อกำหนดสำคัญ: ส่วนประกอบหลักบนแพลตฟอร์มทางแสง (เช่น ไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้ง ฟิลเตอร์ อินเตอร์เฟอโรเมตร กลุ่มเลนส์ เซ็นเซอร์ CCD/CMOS) มีความไวต่อการขยายตัวทางความร้อนและสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของดัชนีหักเห การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอาจทำให้ความยาวเส้นทางแสง การเลื่อนของระยะโฟกัส และการเลื่อนของความยาวคลื่นที่กึ่งกลางของฟิลเตอร์เปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้ประสิทธิภาพของระบบลดลง (เช่น ภาพเบลอ เส้นทางแสงไม่แม่นยำ และข้อผิดพลาดในการวัด)

• โมดูล TEC (โมดูลทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก) หน้าที่:

• การควบคุมอุณหภูมิแบบแอctive: ส่วนประกอบทางแสงที่สำคัญจะถูกติดตั้งบนพื้นผิวที่มีค่าการนำความร้อนสูง และโมดูล TEC (ตัวระบายความร้อนแบบ Peltier, อุปกรณ์ Peltier) หรืออุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกจะควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำ (รักษาอุณหภูมิให้คงที่หรือตามเส้นโค้งอุณหภูมิที่กำหนด)

• การกระจายอุณหภูมิให้สม่ำเสมอ: ขจัดความแตกต่างของอุณหภูมิภายในอุปกรณ์หรือระหว่างชิ้นส่วนต่างๆ เพื่อให้มั่นใจถึงเสถียรภาพทางความร้อนของระบบ

• รับมือกับการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อม: ชดเชยผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายนอกที่มีต่อเส้นทางแสงที่มีความแม่นยำสูงภายใน มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในเครื่องสเปกโทรเมตรความแม่นยำสูง กล้องโทรทัศน์ดาราศาสตร์ เครื่องพิมพ์ภาพด้วยแสง กล้องจุลทรรศน์ระดับสูง ระบบตรวจจับใยแก้วนำแสง เป็นต้น

4. การเพิ่มประสิทธิภาพและการยืดอายุการใช้งานของ LED

• ข้อกำหนดสำคัญ: LED กำลังสูง (โดยเฉพาะสำหรับงานฉายภาพ งานให้แสงสว่าง และงานอบแห้งด้วยรังสียูวี) จะสร้างความร้อนสูงในระหว่างการทำงาน การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อจะนำไปสู่:

• ประสิทธิภาพการส่องสว่างลดลง: ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงลดลง

• การเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่น: ส่งผลต่อความสม่ำเสมอของสี (เช่น การฉายภาพ RGB)

• อายุการใช้งานลดลงอย่างมาก: อุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อเป็นปัจจัยสำคัญที่สุดที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของ LED (ตามแบบจำลองของ Arrhenius)

• โมดูล TEC, ตัวระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก, โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก หน้าที่: สำหรับการใช้งาน LED ที่ต้องการกำลังไฟสูงมากหรือต้องการควบคุมอุณหภูมิอย่างเข้มงวด (เช่น แหล่งกำเนิดแสงโปรเจคเตอร์บางประเภทและแหล่งกำเนิดแสงระดับวิทยาศาสตร์) โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก, โมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก, อุปกรณ์เพลเทียร์ และองค์ประกอบเพลเทียร์ สามารถให้ความสามารถในการระบายความร้อนแบบแอคทีฟที่มีประสิทธิภาพและแม่นยำกว่าฮีทซิงค์แบบดั้งเดิม ช่วยรักษาอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อ LED ให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ รักษาความสว่างสูง สเปกตรัมที่เสถียร และอายุการใช้งานที่ยาวนานเป็นพิเศษ

ii. คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับข้อดีที่หาอะไรมาทดแทนไม่ได้ของโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก (TEC) และอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริก (ตัวทำความเย็นเพลเทียร์) ในการใช้งานด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์

1. ความสามารถในการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ: สามารถควบคุมอุณหภูมิได้อย่างเสถียรด้วยความแม่นยำ ±0.01°C หรือสูงกว่านั้น ซึ่งเหนือกว่าวิธีการระบายความร้อนแบบพาสซีฟหรือแอคทีฟ เช่น การระบายความร้อนด้วยอากาศและการระบายความร้อนด้วยของเหลว ตอบสนองความต้องการการควบคุมอุณหภูมิที่เข้มงวดของอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก

2. ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่และไม่มีสารทำความเย็น: การทำงานแบบโซลิดสเตท ไม่มีการรบกวนจากแรงสั่นสะเทือนของคอมเพรสเซอร์หรือพัดลม ไม่มีความเสี่ยงต่อการรั่วไหลของสารทำความเย็น มีความน่าเชื่อถือสูงมาก ไม่ต้องบำรุงรักษา เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมพิเศษ เช่น สุญญากาศและอวกาศ

3. การตอบสนองที่รวดเร็วและสามารถย้อนกลับได้: ด้วยการเปลี่ยนทิศทางกระแสไฟฟ้า โหมดการทำความเย็น/ความร้อนสามารถสลับได้ทันที ด้วยความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็ว (ในระดับมิลลิวินาที) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการรับมือกับภาระความร้อนชั่วคราว หรือแอปพลิเคชันที่ต้องการการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างแม่นยำ (เช่น การทดสอบอุปกรณ์)

4. การย่อส่วนและความยืดหยุ่น: โครงสร้างขนาดกะทัดรัด (ความหนาระดับมิลลิเมตร) ความหนาแน่นของพลังงานสูง และสามารถรวมเข้ากับการบรรจุภัณฑ์ระดับชิป ระดับโมดูล หรือระดับระบบได้อย่างยืดหยุ่น ปรับให้เข้ากับการออกแบบผลิตภัณฑ์อิเล็กโทรออปติกที่มีพื้นที่จำกัดต่างๆ

5. การควบคุมอุณหภูมิเฉพาะจุดอย่างแม่นยำ: สามารถทำความเย็นหรือทำความร้อนเฉพาะจุดที่มีอุณหภูมิสูงได้อย่างแม่นยำโดยไม่ต้องทำความเย็นทั้งระบบ ส่งผลให้มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงขึ้นและออกแบบระบบได้ง่ายขึ้น

iii. กรณีศึกษาการประยุกต์ใช้และแนวโน้มการพัฒนา

• โมดูลออปติคอล: โมดูล Micro TEC (โมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกขนาดเล็ก) มักใช้ในการระบายความร้อนเลเซอร์ DFB/EML ในโมดูลออปติคอลแบบเสียบได้ (SFP+, QSFP-DD, OSFP) ที่มีอัตราความเร็ว 10G/25G/100G/400G และสูงกว่า เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของรูปแบบสัญญาณและอัตราข้อผิดพลาดของบิตระหว่างการส่งสัญญาณระยะไกล

• LiDAR: แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์แบบเปล่งแสงจากขอบหรือ VCSEL ใน LiDAR สำหรับยานยนต์และอุตสาหกรรม จำเป็นต้องใช้โมดูล TEC (โมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก) หรือตัวระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก รวมถึงโมดูล Peltier เพื่อให้มั่นใจถึงความเสถียรของพัลส์และความแม่นยำในการวัดระยะ โดยเฉพาะในสถานการณ์ที่ต้องการการตรวจจับระยะไกลและความละเอียดสูง

• กล้องถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรด: ชุดอาร์เรย์ระนาบโฟกัสไมโครเรดิโอมิเตอร์แบบไม่ใช้ระบบระบายความร้อนระดับสูง (UFPA) จะรักษาอุณหภูมิการทำงานให้คงที่ (โดยทั่วไปประมาณ 32°C) ผ่านโมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก TEC หนึ่งหรือหลายขั้นตอน ซึ่งช่วยลดสัญญาณรบกวนจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ส่วนเครื่องตรวจจับอินฟราเรดคลื่นกลาง/คลื่นยาวแบบใช้ระบบระบายความร้อน (MCT, InSb) ต้องใช้การระบายความร้อนอย่างลึก (-196°C สามารถทำได้โดยใช้ตู้เย็นสเตอร์ลิง แต่ในการใช้งานขนาดเล็ก สามารถใช้โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก TEC หรือโมดูลเพลเทียร์สำหรับการระบายความร้อนล่วงหน้าหรือการควบคุมอุณหภูมิรองได้)

• การตรวจจับฟลูออเรสเซนซ์ทางชีวภาพ/สเปกโทรเมตรรามาน: การระบายความร้อนให้กับกล้อง CCD/CMOS หรือหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ (PMT) ช่วยเพิ่มขีดจำกัดการตรวจจับและคุณภาพการสร้างภาพของสัญญาณฟลูออเรสเซนซ์/รามานที่อ่อนแอได้อย่างมาก

• การทดลองทางทัศนศาสตร์ควอนตัม: จัดสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำสำหรับตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยว (เช่น SNSPD นาโนไวร์ตัวนำยิ่งยวด ซึ่งต้องการอุณหภูมิต่ำมาก แต่ APD Si/InGaAs มักจะระบายความร้อนด้วยโมดูล TEC โมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก หรือ TE cooler) และแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมบางชนิด

• แนวโน้มการพัฒนา: การวิจัยและพัฒนาโมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริก และโมดูล TEC ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น (ค่า ZT เพิ่มขึ้น) ต้นทุนต่ำลง ขนาดเล็กลง และความสามารถในการระบายความร้อนที่แข็งแกร่งขึ้น; การบูรณาการอย่างใกล้ชิดกับเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง (เช่น 3D IC, Co-Packaged Optics); อัลกอริทึมควบคุมอุณหภูมิอัจฉริยะเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

โมดูลระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก, ตัวระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก, โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก, ชิ้นส่วนเพลเทียร์ และอุปกรณ์เพลเทียร์ ได้กลายเป็นส่วนประกอบหลักในการจัดการความร้อนของผลิตภัณฑ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูงในปัจจุบัน การควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ ความน่าเชื่อถือของโซลิดสเตท การตอบสนองที่รวดเร็ว ขนาดเล็ก และความยืดหยุ่น ช่วยแก้ปัญหาสำคัญๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น ความเสถียรของความยาวคลื่นเลเซอร์ การปรับปรุงความไวของตัวตรวจจับ การลดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในระบบออปติก และการรักษาประสิทธิภาพของ LED กำลังสูง ในขณะที่เทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์พัฒนาไปสู่ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ขนาดเล็กลง และการใช้งานที่กว้างขึ้น โมดูล TEC, ตัวระบายความร้อนเพลเทียร์ และโมดูลเพลเทียร์ จะยังคงมีบทบาทที่ขาดไม่ได้ และเทคโนโลยีเองก็มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ