一种用于冷却井下工具的半导体器件的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于冷却井下工具的半导体器件的装置及方法，所述用于冷却井下工具的半导体器件的装置包括半导体器件、主动冷却层和散热器，所述半导体器件设置于主动冷却层上端面，主动冷却层的下端面与散热器接触，所述主动冷却层为薄膜热电冷却层；使用时，将井下工具的半导体器件输送到井下位置；使用薄膜热电冷却层从井下工具的半导体器件吸收热量；使用连接到薄膜热电冷却层的散热器从薄膜热电冷却层泵送热量。本发明专利技术包括使井下工具及测井设备周期性的工作，使得冷却系统以最小的成本维持井下工具及测井设备的正常工作。

【技术实现步骤摘要】
一种用于冷却井下工具的半导体器件的装置及方法
本专利技术涉及井下工具领域，特别是一种用于冷却井下工具的半导体器件的装置及方法。
技术介绍
石油和天然气井的钻探深度达成百上千米。测井和钻井设备通常包含各种传感器，仪器仪表和控制装置，以便执行任何可能的井下作业。这些井下作业可以包括进行测井，流体分析以及设备监控。由于振动、刺激性化学物质以及温度，井下环境对在井下深处维持井下工具的运行构成很大的挑战。其中温度给井下工具的应用带来了极大的考验，井下温度可能达到392°F(200℃)或更高，使得难以在井下环境中运行敏感的电子元件。井下载体上的空间通常限制为直径几厘米到几十厘米。冷却系统通常要消耗很大功率并占据工具载体上的宝贵空间，且在系统中增加额外的故障点。制造井下工具最具挑战性的方面之一是高温对基于半导体的电子设备的性能产生的不利影响。一些需要冷却的半导体电子器件包括且不限于中央处理单元(CPUs)、运算放大器、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、现场专业可编程门阵列FPGA等。光电二极管，电荷耦合器件(CCD)和其他光探测器，金属氧化物半导体(MOS)，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和离子敏感场效应晶体管(IsFET)化学传感器等传感器仅是井下使用的半导体传感器的一些示例，其可能受到高温的不利影响。电磁发射器，有时称为光源，包括激光二极管，发光二极管(LED)，超发光LED等，也可能在高温下失去性能特性。高温会导致漂移，非线性的响应，响应减少，甚至在高温下这些装置完全失效。通常，设备会在恢复到室温时恢复其原始性能，但有时它们会因暴露在如此高的温度下而受到永久性损坏。因此，就需要对半导体电子器件进行冷却。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有技术问题中存在的不足，提供一种用于冷却井下工具的半导体器件的装置及方法。为达到上述目的，本专利技术是按照以下技术方案实施的：一种用于冷却井下工具的半导体器件的装置，所述用于冷却井下工具的半导体器件的装置包括半导体器件、主动冷却层和散热器，所述半导体器件设置于主动冷却层上端面，主动冷却层的下端面与散热器接触，所述主动冷却层为薄膜热电冷却层。优选地，所述散热器的上表面的面积大于薄膜热电冷却层下表面的面积。优选地，所述薄膜热电冷却层包括多个交替的5nm厚的热电材料层的超晶格结构，交替的5nm厚的热电材料层为铋电池和碲化锑。优选地，所述散热器由高导热材料制成。优选地，所述高导热材料为金刚石或氮化铝。进一步，所述用于冷却井下工具的半导体器件的装置还包括与散热器连接进行热交换的散热设备。优选地，所述散热设备为氧化铝、氮化铝或其组合制成的电绝缘散热器。优选地，所述散热设备为铜、铝、硅或其组合制成的导电散热器。优选地，所述散热设备为与散热器接触的充满液体的热管。另外，本专利技术还提供一种冷却井下工具的半导体器件的方法，使用上述用于冷却井下工具的半导体器件的装置，具体步骤如下：Step1、将井下工具的半导体器件输送到井下位置；Step2、使用薄膜热电冷却层从井下工具的半导体器件吸收热量；Step3、使用连接到薄膜热电冷却层的散热器从薄膜热电冷却层泵送热量。本专利技术的原理为：通过薄膜热电冷却层吸收半导体器件产生热量，薄膜热电冷却层吸收热量后传递到散热器已将热量散发，从而达到冷却半导体器件的目的。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术的体积小、重量轻，方便安装在钻井工具上。使用薄膜热电冷却的尺寸小，可以制成体积不到1cm3的制冷器；重量轻，微型制冷器能够做到只有几十克甚至数克；无机械传动部分，工作中无噪音，无液态、气态工作介质，因而不污染环境；制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，能够正常地工作。2、本专利技术的冷却速度快，使用寿命长，且易于控制。通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率。3、本专利技术的制冷功耗小。井下工具及测井设备周期性的工作，使得冷却系统以最小的成本维持井下工具及测井设备的正常工作。4、本专利技术的装置本身产生的热量小。因为井下工具及测井设备周期性的工作，冷却系统、井下工具及测井设备功耗小，产生的热量也比较小，减轻了冷切系统的负担。附图说明图1为本专利技术的一种实施例的结构示意图。图2为本专利技术的另一种实施例的结构示意图。图3为本专利技术的第三种实施例的结构示意图。图4为包含本专利技术的用于冷却井下工具的半导体器件的装置的井下工具的井下测井实例。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定专利技术。实施例1如图1所示，本实施例的用于冷却井下工具的半导体器件的装置，其包括可用于在井下环境中操作的半导体器件102。半导体器件102可以设置在主动冷却层104上，并且主动冷却层104设置在散热器106上。当然，为了更好地将散热器106中的热量散去，散热器106可以设置在散热设备108上。本实施例中，散热设备108可以是高容量热容散热器，其热容量足以在管芯被冷却时使其温度升高最小化，从而允许管芯达到其最低可能温度使得热电冷却器的达到最大效率。对于需要冷却以改善其性能但不受钻孔温度损坏的装置，由于薄膜热电冷却器的高热泵能力，间歇但快速冷却到所需温度是可能的。如此低的工作循环可以使冷却所需的总能量减少许多倍，这对于电池供电的井下工具或任何具有有限功率的井下工具特别有用。本实施例中的半导体器件102可以包括CPU，放大器，DAC，ADC，一个或多个FPGA，诸如光电二极管的传感器，CCD阵列和其他光检测器。模具100可以包括MOS，MOSFET，IsFET和其他器件和传感器。模具100还可以包括电磁发射器，例如激光二极管，LED，超发光LED，以及其他半导体光源和电磁能发射器。本实施例中，主动冷却层104可以是为半导体器件102提供主动冷却的任何合适的层材料。在本实施例中，主动冷却层104可包括热电冷却材料。合适的热电材料可以基于非常薄的薄膜，其可以与半导体器件102基本上直接接触以进行冷却，以实现最大的热传递和最小的过量的加热或冷却。本实施例所述的薄膜热电冷却层是指使用一种或多种微机械加工和/或沉积工艺形成的有源冷却层，用于形成小型器件，例如半导体芯片。薄膜热电材料可以散出多达700瓦特/平方厘米的热量，可以具有超过1单位的性能系数(COP每瓦特所用热泵的瓦特数)，并且可以通过在井眼温度范围内增加钻孔温度来提高效率。热电材料可以包括大约一千个交替的5nm厚的热电材料层的超晶格结构，例如交替的铋电池和碲化锑。在本实施例中，主动冷却层104可具有品质因数(ZT)，其随着油田钻孔温度范围内的温度升高而适度地改善，并且可具有约1或更高的性能系数。热电的品质因数与其性能系数正相关。在一个或多个实施方案中，COP可以在约1至4的范围内。在一个或多个实施方案中，COP可以在约1至8的范围内。如图1所示，主动冷却层104可以放置成与半导体器件102直接接触。主动冷却层104进一步与散热器106直接接触。在本实施例中，散热器106可由高导热材料制成，例如具有约630W/mK的热导率的金刚石。当然，散热器106也可以由高导热材料制成，例如具有约180W/mK的热导率的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于冷却井下工具的半导体器件的装置，其特征在于：所述用于冷却井下工具的半导体器件的装置包括半导体器件、主动冷却层和散热器，所述半导体器件设置于主动冷却层上端面，主动冷却层的下端面与散热器接触，所述主动冷却层为薄膜热电冷却层。

【技术特征摘要】
1.一种用于冷却井下工具的半导体器件的装置，其特征在于：所述用于冷却井下工具的半导体器件的装置包括半导体器件、主动冷却层和散热器，所述半导体器件设置于主动冷却层上端面，主动冷却层的下端面与散热器接触，所述主动冷却层为薄膜热电冷却层。2.根据权利要求1所述的用于冷却井下工具的半导体器件的装置，其特征在于：所述散热器的上表面的面积大于薄膜热电冷却层下表面的面积。3.根据权利要求1所述的用于冷却井下工具的半导体器件的装置，其特征在于：所述薄膜热电冷却层包括多个交替的5nm厚的热电材料层的超晶格结构，交替的5nm厚的热电材料层为铋电池和碲化锑。4.根据权利要求1所述的用于冷却井下工具的半导体器件的装置，其特征在于：所述散热器由高导热材料制成。5.根据权利要求4所述的用于冷却井下工具的半导体器件的装置，其特征在于：所述高导热材料为金刚石或氮化铝。6.根据权利要求1-5任一所述的用于冷却井下工...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚海燕，宋超，周静，傅杰，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61