[发明专利]一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法

说明书

本发明公开了一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，包括以下步骤：在COMSOL软件模型向导中选择三维空间维度和热电效应物理场，进入稳态研究；建立需要求解的热电器件的几何物理模型；定义相关全局参数和赋予模型材料属性；设置模型的初始值和边界条件；划分网格并计算；改变边界电流条件通过COMSOL软件进行计算并比较，得出热电器件最佳电流下的工作状态，对得出的结果进行后处理。实现对不同结构热电器件工作时的温度场进行数值模拟，探索热电器件的温度场分布规律，缩减实验成本和时间，为热电器件的结构优化提供理论指导和技术支持。

技术领域

本发明涉及热电器件结构设计技术领域，具体涉及一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法。

背景技术

随着电子元件的高度集成化和微型化发展，电子元器件的发热现象越来越严重，而且通常集中在密闭空间中难以发散出去，严重影响着电子元器件的性能和使用寿命，迫切需要开发高效的热管理方案。基于热电材料Peltier效应的热电制冷技术，具有无噪声、无污染、制冷迅速、操作简单、可靠性强、易于实现高精度温控等优点，有望解决高热流密度电子器件的散热问题，引起了研究者们的广泛关注。

目前，商业应用比较成熟的热电制冷器件是基于块体热电材料的面外型制冷器件。由块体p型和n型热电臂构成的热电元件以电串联和热并联的形式置于两个电绝缘而热传导良好的陶瓷平板之间，热量沿垂直于陶瓷基板方向传输。但是这种结构的热电器件柔性很差，而且难以满足集成时电子器件对制冷器尺寸的要求。虽然得益于微加工技术的发展，这种面外型热电制冷器件在逐步朝着微型化方向发展，但是热电臂长度减小带来的两端温差的大幅下降和界面电阻在器件总电阻中占比的增大以及热电厚膜材料的制备与微加工仍然是其进一步产业化的瓶颈。而基于热电薄膜或厚膜的面内型制冷器件，其热流方向与基板平行，优点是热电臂长，易于建立大温差，界面电阻在器件总电阻中占比小，可采用成熟的薄膜或厚膜工艺制备。但目前有关面内型热电制冷器件的研究相对较少，如何优化面内型热电制冷器件的结构是其进一步发展的一大瓶颈。

热电器件的实际制备到性能测试往往需要较长的周期，并且耗费较多成本，若是需要对多种结构热电器件的工作状态进行探索，任务量更为繁重。因此通过软件仿真来对热电器件结构进行优化，可以模拟不同结构热电器件工作时的状态，减少工作量，为实验提供理论指导和技术支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，实现对不同结构热电器件工作时的温度场进行数值模拟，探索热电器件的温度场分布规律，缩减实验成本和时间，为热电器件的结构优化提供理论指导和技术支持。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，包括以下步骤：

步骤1)在COMSOL软件模型向导中选择三维空间维度和热电效应物理场，进入稳态研究；

步骤2)建立需要求解的热电器件的几何物理模型；

步骤3)定义相关全局参数和赋予模型材料属性；

步骤4)设置模型的初始值和边界条件；

步骤5)划分网格并计算热点器工作时的温度分布；

步骤6)改变边界电流条件通过COMSOL软件进行计算热点器工作时的温度分布并比较，得出热电器件最佳电流下的工作状态，对得出的结果进行后处理。

按照上述技术方案，在所述的步骤1)中，热电效应物理场是固体传热物理场和电流物理场双向耦合得出。

按照上述技术方案，在所述步骤2)中，热电器件为面内型热电器件，热电器件的几何物理模型包括热电臂、电极和基板，热电臂的两端分别与相邻电极连接，电极设置于基板上，多个电极之间具有不同的连接方式。