温度控制系统和光学控制台技术领域
本发明涉及半导体控温领域，特别涉及一种温度控制系统和包含其的光学控制
台。
背景技术
在科研院所和高校的实验测试阶段，经常需要控制半导体器件（如激光器和太阳
能电池）的温度，以便测试其在恒温或变温条件下的光电特性，进而有针对性地研发改进。
由于研发改进阶段，为了获得较佳地器件性能，通常需要细致地变换组合材料的
组分、温度、湿度以及压力参数。变换组合各参数的结果是种类繁多的待测样品，况且现有
的温度控制系统变温缓慢（测试周期较长），最终导致测试工作极其繁重。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的温度控制系统变温速度缓慢的
缺陷，提供一种温度控制系统和包含其的光学控制台，该温度控制系统不仅变温迅速，而且
具有控温稳定性较高的优点。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种温度控制系统，其特点在于，该温度控制系统包括有一个制冷单元、一个温度控制
器和一个开关电源，该温度控制器能够控制该开关电源驱动该制冷单元制冷或制热，
该制冷单元包括有一个铜散热支撑板、第一制冷片、第一隔热垫、环形隔热片、一个控
温铜块、第二制冷片、第二隔热垫、散热块，
该第一制冷片的制热面和制冷面依次分别与该铜散热支撑板和该控温铜块导热接触，
该第一制冷片设置于该第一隔热垫的通槽内，该第一隔热垫嵌置于该铜散热支撑板和该控
温铜块之间，该环形隔热片覆盖于该控温铜块的侧表面，
该第二制冷片的制冷面和制热面依次分别与该铜散热支撑板和该散热块导热接触，该
第二制冷片设置于该第二隔热垫的通槽内，该第二隔热垫嵌置于该铜散热支撑板和该散热
块之间。
较佳地，该制冷单元还包括一个用于为该散热块降温的散热风扇，该散热风扇的
下表面与该散热块固定连接，该散热风扇的上表面具有一个可拆卸的网状隔离罩，该散热
风扇能够通过该散热块的翅片间隙吸入冷空气并通过该网状隔离罩排出热空气。在超净间
实验室内，能经测试显示，不仅可以在3min（分钟）内将25℃的水变成﹣2.5℃的冰，还可以在
2.5min（分钟）内将水从25℃升温至70℃。
较佳地，该温度控制系统包括有一个用于为该控温铜块制冷的水泵，该控温铜块
具有一个进水口和一个出水口，该进水口和该出水口均可拆卸地连接有具有环形密封圈的
管接头，该水泵通过硅胶管与该些管接头相互连通。
较佳地，该控温铜块的体内阵列有多个相互连通的横向流道和纵向流道，该些横
向流道的端口和该些纵向流道的端口均通过螺栓密封，该些管接头为与该些螺栓的螺纹规
格参数相同的外螺纹管接头。横向流道和纵向流道可以使用机床钻孔工艺加工，也可以使
用铸造工艺整体制作。螺纹规格参数相同是指牙型、螺距和导程相同，以便于该些管接头和
该些螺栓进行位置交换或取代替换。
较佳地，该温度控制系统还包括有一个位移调节台，该铜散热支撑板通过螺栓固
定于该位移调节台。
较佳地，该温度控制系统还包括有一个具有六脚三档功能的船型开关，该温度控
制器具有制热输入端、制热输出端、制冷输入端和制冷输出端，该船型开关的O档正极和负
极分别与该开关电源的正极和负极电连接，该制热输入端与该船型开关的一档正极电连
接，该制冷输出端和第一制冷片的正极均与该船型开关的一档负极电连接，该制冷输入端、
第二制冷片的正极、该散热风扇的正极、该水泵的正极均与该船型开关的二档正极电连接，
该制热输出端、第一制冷片的负极、第二制冷片的负极、该散热风扇的负极、该水泵的负极
均与该船型开关的二档负极电连接。
较佳地，该开关电源的电路元件和该温度控制器的电路元件集成于同一PCB板，该
开关电源包括依次电连接的一个变压单元、一个整流单元、一个滤波单元和一个稳压单元；
该温度控制器包括一个无线收发单元、一个温度采集单元、一个信号处理单元和一个具有
使能控制和方向逻辑的H桥电路，该H桥电路具有一个使能端、一个左通控制端和一个右通
控制端；该无线收发单元、该温度采集单元、该使能端、该左通控制端和该右通控制端均与
该信号处理单元电连接，该稳压单元用于为该H桥电路供电。
一种光学控制台，其特点在于，该光学控制台包含有如上所述的温度控制系统，该
光学控制台还包括一与该控温铜块导热连接的温控转角器件，该温控转角器件包括相互导
热接触的一个导热块和一个外延片，该外延片包括依次相互连接的一衬底层、一牺牲层、一
应力双层和一成形层，该应力双层包括一第一晶格层和一第二晶格层，该第一晶格层、该第
二晶格层和该牺牲层依次相互连接，
该外延片刻蚀形成相互连接的一个导光部和一个铰链部，该铰链部由该应力双层刻蚀
而成，该导光部在该铰链部的应力形变作用下与该外延片的表面形成一夹角，该温度控制
系统能够改变第一晶格层和第二晶格层的晶格失配度。除了采用上述半导体结构的温控转
角器件，还可以采用热膨胀系数不同的两种金属片相互面接触制作铰链部，进而形成简单
易用的金属温控转角器件。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实
例。
本发明的积极进步效果在于：通过使用两片制冷片和铜散热支撑板协同缓冲控
温，克服了常规高蓄热，难制冷的技术难题，可以大幅提高变温速率，进而节约测试时间，不
仅使用方便，而且低温制冷效果较佳。
附图说明
图1为本发明实施例1的温度控制系统的制冷单元的结构示意图；
图2为图1的制冷单元的爆炸图；
图3为本发明实施例1的温度控制系统的电路连接示意图；
图4为本发明实施例1的光学控制台的结构示意图；
图5为图4的光学控制台的温控转角器件的结构示意图；
图6为本发明实施例2的温度控制系统的开关电源和温度控制器的电路示意图。
附图标记说明：
实施例1的温度控制系统和光学控制台：
制冷单元：10 铜散热支撑板：11
第一制冷片：12 第一隔热垫：13
环形隔热片：14 控温铜块：15
第二制冷片：16 第二隔热垫：17
散热块：18 散热风扇：19
温度控制器：20 制热输入端：21
制热输出端：22 制冷输入端：23
制冷输出端：24 开关电源：30
船型开关：40 一档：41
二档：42 导热块：50
外延片：60 导光部：61
铰链部：62 水泵：100
螺栓：101 进水口：110
出水口：111 环形密封圈：113
管接头：114 螺栓：115
网状隔离罩：190 丝杆：191
热电偶：210 O档：400
实施例2的温度控制系统：
第一与门：A1 第二与门：A2
第三与门：A3 第四与门：A4
滤波单元：C1 第二滤波单元：C2
整流单元：D1~D4 第一接线端子：E1
第二接线端子：E2 第三接线端子：E3
第四接线端子：E4 保险丝：F1
第一非门：O1 第二非门：O2
插头：P1 按键开关：S1
第一三极管：Q1 第二三极管：Q2
第三三极管：Q3 第四三极管：Q4
第一电阻：R1 变压单元：T1
温度采集单元：U1 无线收发单元：W1
稳压单元：IC1 信号处理单元：IC2
第一发光二极管：LED1 左通控制端：DIR-L
右通控制端：DIR-R 使能端：ENABLE
具体实施方式
下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
实施例1
本实施例的温度控制系统的结构如下：
请结合图1-3予以理解，本实施例的温度控制系统包括有一个制冷单元10、一个温度控
制器20和一个开关电源30，该温度控制器20能够控制该开关电源30驱动该制冷单元10制冷
或制热，
该制冷单元10包括有一个铜散热支撑板11、第一制冷片12、第一隔热垫13、环形隔热片
14、一个控温铜块15、第二制冷片16、第二隔热垫17、散热块18，
该第一制冷片12的制热面和制冷面依次分别与该铜散热支撑板11和该控温铜块15导
热接触，该第一制冷片12设置于该第一隔热垫13的通槽内，该第一隔热垫13嵌置于该铜散
热支撑板11和该控温铜块15之间，该环形隔热片14覆盖于该控温铜块15的侧表面，
该第二制冷片16的制冷面和制热面依次分别与该铜散热支撑板11和该散热块18导热
接触，该第二制冷片16设置于该第二隔热垫17的通槽内，该第二隔热垫17嵌置于该铜散热
支撑板11和该散热块18之间。
为了进一步提升散热效果，该制冷单元10还可以包括一个用于为该散热块18降温
的散热风扇19，该散热风扇19的下表面与该散热块18固定连接，具体连接时，可以使用丝杆
191加以固定，该散热风扇19的上表面具有一个可拆卸的网状隔离罩190，以便防止高速旋
转的叶片划伤手指或皮肤，该散热风扇19能够通过该散热块18的翅片间隙吸入冷空气并通
过该网状隔离罩190排出热空气。采用这种气体流向，在制冷模式，不仅能够较快地将该铜
散热支撑板11表面的余热带走，而且不会产生热气流对控温铜块15表面的样品的热扰动。
为了实现低于﹣20℃的冷凝效果，该温度控制系统可以设计成还包括有一个用于
为该控温铜块15制冷的水泵100，请结合图1-2予以理解，该控温铜块15具有一个进水口110
和一个出水口111，该进水口110和该出水口111均可拆卸地连接有具有环形密封圈113的管
接头114，该水泵100通过硅胶管与该些管接头114相互连通。该些管接头114的与硅胶管相
连的一端设计成十字半槽状，既便于用十字螺丝刀装卸，又能够降低管接头114的耗材和重
量。
为了提升制冷均匀性和控温精度，该控温铜块15的体内阵列有多个相互连通的横
向流道和纵向流道，该些横向流道的端口和该些纵向流道的端口均通过螺栓115密封，该些
管接头114为与该些螺栓115的螺纹规格参数相同的外螺纹管接头。
为了能够精确耦合光线，该温度控制系统还包括有一个位移调节台，该位移调节
台可以为三维光学调节架或五维光学调节架，该铜散热支撑板11通过螺栓101固定于该位
移调节台。五维光学调节架可以调节设置于控温铜块15上的样品的高度和倾角，更便于光
线耦合入光栅光谱仪。
请结合图3予以理解，该温度控制系统还包括有一个具有六脚三档功能的船型开
关40，该温度控制器20具有制热输入端21、制热输出端22、制冷输入端23和制冷输出端24，
该船型开关40的O档400正极和负极分别与该开关电源30的正极和负极电连接，该制热输入
端21与该船型开关40的一档41正极电连接，该制冷输出端24和第一制冷片12的正极均与该
船型开关40的一档41负极电连接，该制冷输入端23、第二制冷片16的正极、该散热风扇19的
正极、该水泵100的正极均与该船型开关40的二档42正极电连接，该制热输出端22、第一制
冷片12的负极、第二制冷片16的负极、该散热风扇19的负极、该水泵100的负极均与该船型
开关40的二档42负极电连接。
本实施例的温度控制系统的工作原理和技术效果如下：
第一、提高了变温速率并且节约了测试时间，通过使用两片制冷片和铜散热支撑板协
同缓冲控温，克服了常规高蓄热，难制冷的技术难题。
第二、安全易用，在保证通风散热性能的条件下，网状隔离罩190可以防止高速旋
转的叶片划伤手指或皮肤，故而安全；使用螺栓101可以方便的将铜散热支撑板11固定于位
移调节台，使用具有六脚三档功能的船型开关40，可以设计单模双控电路，方便了单冷模式
和单热模式之间的切换。
第三、不仅制冷均匀而且控温精确，阵列有多个相互连通的横向流道和纵向流道
可以提高制冷的均匀性；管接头114与螺栓115设计成统一的螺纹规格，不仅可以相互更换
用于提高控温精度，更可以选择性地冲刷任意流道以便清除颗粒物，防止流道阻塞。
请结合图4-5予以理解，本实施例的光学控制台包含有如上所述的温度控制系统，
还包括一与该控温铜块15导热连接的温控转角器件，该温控转角器件包括相互导热接触的
一个导热块50和一个外延片60，该外延片60包括依次相互连接的一衬底层、一牺牲层、一应
力双层和一成形层，该应力双层包括一第一晶格层和一第二晶格层，该第一晶格层、该第二
晶格层和该牺牲层依次相互连接，
请结合图5予以理解，该外延片60刻蚀形成相互连接的一个导光部61和一个铰链部62，
该铰链部62由该应力双层刻蚀而成，该导光部61在该铰链部62的应力形变作用下与该外延
片60的表面形成一夹角，在图5中，该夹角为90°。当然，通过半导体工艺可以制作不同尺寸
的铰链部，进而制作具有不同夹角中值（Ө）的温控转角器件。该温度控制系统能够通过制
冷和制热的方式改变第一晶格层和第二晶格层的晶格失配度，以便达到改变该夹角（Ө±
ɛ），进而最终转变出射光线方向之目的。
实施例2
本实施例的温度控制系统的结构如下：
本实施例的温度控制系统和实施例1的温度控制系统具有较多相似之处，这些相似之
处不再赘述，与实施例1的温度控制系统不同，请结合图6予以理解，该开关电源30的电路元
件和该温度控制器20的电路元件集成于同一PCB板，该开关电源30包括依次电连接的一个
变压单元T1、一个整流单元D1~D4、一个滤波单元C1和一个稳压单元IC1；该温度控制器20包
括一个无线收发单元W1、一个温度采集单元U1、一个信号处理单元IC2和一个具有使能控制
和方向逻辑的H桥电路，该H桥电路具有一个使能端ENABLE、一个左通控制端DIR-L和一个右
通控制端DIR-R；该无线收发单元W1、该温度采集单元U1、该使能端ENABLE、该左通控制端
DIR-L和该右通控制端DIR-R均与该信号处理单元IC2电连接，该稳压单元IC1用于为该H桥
电路供电。请结合图2予以理解，该温度采集单元U1与热电偶210电连接，用于采集热电偶
210检测的模拟电压信号并转换为数字电压信号，以便于该信号处理单元IC2处理。
此处需要说明，滤波单元C1不限于本实施例所采用的0.1μF电容和6800μF电容并
联设计，也可以为LC滤波电路，还可以为LCπ型滤波电路，更可以为RCπ型滤波电路，以此获
得更稳定的电压波形之功效。为了便于使用和提高仪器性能，请结合图6予以理解，该开关
电源30还可以包括相互串联的一个插头P1、一个保险丝F1和一个按键开关S1，以此提升电
路安全性和启停之便捷性。该稳压单元IC1的输出端还可以并联第二滤波单元C2，以及并联
包含第一电阻R1和第一发光二极管LED1的通断指示电路。该稳压单元IC1的输出端还可以
设置第一接线端子E1和第二接线端子E2，以便于为第二制冷片16、该散热风扇19和该水泵
100供电。该H桥电路包括第一与门A1、第二与门A2、第三与门A3、第四与门A4，第一非门O1、
第二非门O2、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4，上述元件连接关
系为具有使能控制和方向逻辑的H桥电路，该H桥电路的两个输出端分别设置第三接线端子
E3和第四接线端子E4，用于为第一制冷片12供电和自动切换冷热模式。
本实施例的温度控制系统的工作原理和技术效果如下：
具有无线遥控和控温精确的功能，通过配置无线收发单元W1，可以通过移动终端或电
脑开启和设置温度控制系统的参数，免去操作人员频繁往返于制冷单元10和温度控制器20
之间，而去操控温度控制器20的旋钮的周转时间，进一步地提高了测试效率；H桥电路的引
入，能够自动切换制冷模式和制热模式，以便将温差精确至±0.1℃范围内，控温精确且使
用便捷。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些
仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背
离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更
和修改均落入本发明的保护范围。