提升运载工具半导体芯片性能的方法及其应用

技术领域

本发明具体涉及一种提升运载工具半导体芯片性能的方法及其应用，例如在拓展智能驾驶和车联网场景中的应用。

背景技术

自动驾驶是未来运载工具，特别是未来汽车中，降低人工因素造成的伤亡事故的主流发展方向，其硬件保障是基于高端半导体芯片的各种传感技术，包括各类车前端二维和三维成像、长距离雷达和车周边短距离雷达等。目前商用成像技术主要采用可见光相机和近红外相机，后者在夜晚通过车灯进行拍摄，可以对50米内周围环境成像，视角在28-36度，如果采用3D成像(结构光或time of light)，成像距离缩短到10-20米，但可以分辨物体的三维形貌；短距离雷达采用超声波雷达或者24GHz射频雷达，后者可以在较宽视野里探测到60米内物体；长距离雷达包括77GHz射频雷达和激光雷达，前者可以探测到200米内的目标，射频雷达优点是不受环境光线和恶劣气候干扰，缺点是探测灵敏度取决于探测物体的反射率，譬如对金属物体很敏感而对木质物体几乎不敏感，空间角分辨率不高，一般在0.1-1度，这意味着无法区分30米以外行人和周围建筑物，100米以外相邻道上的两辆车。激光雷达可以精准探测物体的距离和速度，采用flash可以探测75米内物体，而采用scanning探测距离可达200米，但价格昂贵，激光雷达一般采用1050nm以下红外光，出于人眼安全，其激光输出功率有限制，如果采用1400nm以上激光，对人眼更安全，但成本提高，激光雷达与射频雷达一样存在空间分辨率问题并对黑色物体不敏感，低成本激光雷达分辨角度为2度，高端激光雷达可达到0.2-0.4度，更糟糕的是在雨天和雾天几乎无法探测。一般来说雷达技术适用于测距和物体的速度，但无法识别物体形状和环境状况，包括交通信号、路标指示牌、其它车辆灯光以及环境光线，尽管能识别百米远的物体，但空间分辨率较差；成像技术可以弥补雷达技术的缺陷，但探测距离短，后续图像数据处理量大，在夜间和恶劣天气环境几乎无法工作。目前商用汽车采用成像/射频雷达/激光雷达复合技术，每辆车装有多个各类传感器以获取最佳效果，即使如此，在大雨大雾天还是无法清晰判断周围路况，对百米外物体分辨率还是不够高，考虑到夜间无灯光下高速公路120公里/小时和大雾天50公里/小时行驶速度，对应的刹车距离分别为80-100米和15-20米，迫切需要提高现有车载传感器性能。

从半导体芯片技术性能来讲，提高百米距离空间分辨率，可以采取更高的频率(100-300GHz)或者继续降低现有射频雷达的噪声来提高信噪比，同样解决夜间行驶和恶劣天气行驶可以采用中红外焦平面阵列(FPA)探测器成像，中红外3-5微米(中波红外)和8-14微米(长波红外)是大气中的两个窗口，此波段的光在大气中传播时强度衰减极低，最灵敏的制冷型红外光电探测器可以探测百公里以外的目标，此类探测器探测物体表面的黑体辐射，与被测物体温度密切相关，对于-40℃到60℃的物体，其最强黑体辐射信号对应的波长分别为12.4微米和8.7微米，落在大气窗口内。另外制冷型红外探测器帧频在百赫兹以上，即便在夜晚高速公路上行驶都能获得清晰成像。然而这些高端半导体芯片要么价格昂贵要么无法在室温下工作。

一般来说，半导体芯片的性能会随着环境温度的降低而大幅提升。但目前对半导体芯片进行制冷的技术如风冷、液冷等或多或少存在一些缺陷，例如极限制冷温度及制冷效率等通常不理想，制冷温度波动频繁和/或波动幅度大，需要结构复杂、造价高昂的制冷设备或特殊的散热封装等，导致成本、能耗等都显著增加，这对于车辆等运载工具来说尤其不利，因此亟待改进。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种提升运载工具半导体芯片性能的方法及其应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明的一个方面提供的一种提升运载工具半导体芯片性能的方法包括：至少采用低温液体对运载工具内的半导体芯片进行制冷；所述低温液体包括液化气体，所述半导体芯片的工作温度等于或高于所述液化气体的液化温度。

本发明的另一个方面提供了一种液态制冷装置，其应用于运载工具内，并且包括：

低温液体存储单元，用于提供低温液体，所述低温液体包括液化气体；

以及，分布式真空管道单元，与所述低温液体存储单元连接，用于按照所述运载工具的工作需求，向所述运载工具内的半导体芯片输送所述低温液体进行制冷，所述半导体芯片的工作温度等于或高于所述液化气体的液化温度。

本发明的又一个方面提供的一种提升运载工具半导体芯片性能的方法具体包括：

在运载工具内设置所述的液态制冷装置；

按照所述运载工具的工作需求，以低温液体存储单元通过分布式真空管道单元向所述半导体芯片提供低温液体进行制冷。

本发明的再一个方面提供了一种优化和/或拓展智能驾驶系统性能的方法，所述智能驾驶系统应用于运载工具，并且包括一个或多个半导体芯片；所述的方法包括：

采用所述提升运载工具半导体芯片性能的方法提升所述半导体芯片的性能；

或者，在所述运载工具内设置所述的液态制冷装置。

相较于现有技术，本发明技术方案的优点至少在于：通过采用液氮等低温液体对运载工具内的半导体芯片进行制冷，不仅可以达到更低的制冷温度，更高的制冷效率，并可使半导体芯片工作温度更为恒定，还无须采用成本高、结构复杂、体积大、重量大、能耗高的制冷和恒温装置，亦无需特殊的散热封装，而且使用的液氮作等制冷液体成本极低，环保可持续，能大幅提升运载工具中半导体芯片的性能和寿命，有效拓展智能驾驶和车联网应用场景，在安全驾驶、辅助驾驶、车联网和智能化等方面为未来汽车等运载工具提供更多全新的采用半导体高速微电子和光电子芯片的技术路线和解决方案，使得一些采用室温半导体芯片无法实现的传感器功能成为可能，具有重要的经济和社会价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中一种液态制冷装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例中一种制冷单元的结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术的前述不足，本发明提出了一种解决方案，其主要是通过在包括未来汽车在内的运载工具中引入液态制冷系统，并利用所述液态制冷系统提供的低温对运载工具内的半导体高速微电子芯片、光电子芯片等进行制冷，从而至少可以达成如下技术效果：大幅提升自动驾驶和辅助驾驶中基于半导体芯片的多种传感器的性能；使之前无法实现的功能变为可能，如制冷型中红外FPA探测器，从而提升自动驾驶的性能和拓展其应用场景，例如辅助驾驶应用、车联网(V2X)以及车内显示和娱乐系统应用等；降低半导体芯片的制造及应用成本，例如可以免去散热或恒温装置等。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一些实施例提供了一种提升运载工具半导体芯片性能的方法，其包括：至少采用低温液体对运载工具内的半导体芯片进行制冷。其中，所述低温液体包括液化气体，所述半导体芯片的工作温度等于或高于所述液化气体的液化温度。

示例性的，所述低温液体优选采用液氮，但不限于此。例如在一些情况下，所述低温液体还可以是液态二氧化氮或者液态惰性气体等。

在一个实施例中，所述半导体芯片包括微电子半导体芯片或光电子半导体芯片等，且不限于此。

示例性的，所述微电子半导体芯片包括但不限于高速射频器件等。

示例性的，所述光电子半导体芯片包括但不限于LED或其阵列、边发射半导体激光器或其阵列、面发射半导体激光器(VCSEL)或其阵列、单元光电探测器(如APD)，或者焦平面阵列光电探测器，等等。

进一步的，所述光电子半导体芯片的发射或探测波长可涵盖紫外、可见光、近红外、中红外、远红外或太赫兹等。

在一个实施例中，所述运载工具包括半导体器件、组件、模块或系统等，所述半导体器件、组件、模块或系统包括分立设置或集成设置的半导体芯片。

在本发明中，所述器件、组件、模块、系统的释义是本领域技术人员熟知的，此处不再予以详细解释。

示例性的，所述半导体器件包括传感器等，例如可用于实现自动驾驶、辅助驾驶功能的各种传感器。

示例性的，所述器件、组件、模块、系统可以包括红外成像、激光雷达、射频避撞雷达、红外夜视设备、通信系统(如蓝牙、WiFi、卫星通信系统等)、影音摄录和/或播放系统、信息显示与存储系统等，且不限于此。

在一个实施例中，所述的方法还包括：在以所述低温液体对半导体芯片进行制冷后，至少将由所述低温液体汽化形成的低温气体应用于所述运载工具的热管理和/或安全管理，或者将所述低温气体液化形成低温液体后再次用于对半导体芯片进行制冷。如此可以进一步提高低温液体的利用效率，降低成本。

示例性的，若所述低温液体为液氮，则相应的低温气体可以是液氮因吸热而气化形成的低温氮气。

在本发明中，所述热管理可以包括对运载工具内除半导体芯片之外的其它设备进行制冷或对运载工具内部的气温进行调节，例如将所述低温气体用于汽车电池、马达、刹车的风冷、散热和车内空调制冷等，且不限于此。所述安全管理可以包括在运载工具因电路短路、碰撞或其它事故而起火时，利用所述低温气体灭火等。

在本发明中，能利用所述低温气体进行热管理、安全管理的原因在于：以所述低温液体为液氮为例，其在对半导体芯片进行制冷并转变为氮气后，通常还具有较低的温度，一般远低于运载工具内的气温，而且氮气对于明火或暗火点还有很好的阻氧作用，能阻止其继续燃烧及蔓延。

在本发明中，所述运载工具可以包括机动车辆、水面或水下船舶、飞行器等，且不限于此。

当然，在一些情况下，也可以将所述低温气体直接排放到外界环境中。对于液氮来说，其形成的低温氮气直接排放到大气中是安全环保的，不会带来环境污染。

本发明的一些实施例提供的一种应用于运载工具内的液态制冷装置包括：

低温液体存储单元，用于提供低温液体，所述低温液体包括液化气体；

以及，分布式真空管道单元，与所述低温液体存储单元连接，用于按照所述运载工具的工作需求，向所述运载工具内的半导体芯片输送所述低温液体进行制冷，所述半导体芯片的工作温度等于或高于所述液化气体的液化温度。

在一个实施例中，所述低温液体存储单元包括液氮储罐等低温液体存储罐以及与所述低温液体存储罐连接的第二上液面传感器、第二下液面传感器和安全监控装置，所述低温液体存储罐具有低温液体加注口和低温液体输出口，所述低温液体输出口与分布式真空管道单元连接。通过所述低温液体加注口，可以向低温液体存储罐内加注低温液体实现低温液体存储。示例性的，所述低温液体加注口、低温液体输出口可分别设置于低温液体存储罐上部、下部。所述低温液体存储罐内腔的容积可以依据实际需要而定，例如数升、数十升或者更多。

所述第二上液面传感器、第二下液面传感器分别用于监测所述低温液体存储罐内低温液体的最高液位、最低液位，以使工作人员可以及时了解低温液体存储罐内的低温液体存量，及时补充低温液体，保证芯片正常工作，避免发生事故。

所述安全监控装置包括但不限于温度传感器、气压监测装置、安全阀中的一者或多者。所述气压监测装置包括气压表、气压传感器等，用于监测低温液体存储罐内部或与之连接的高压气体管道内的气压，并在气压超过安全临界值时，通过安全阀泄压，避免安全事故。所述温度传感器可用于测量与该低温液体存储罐连接的低温液体汽化回路的温度。

进一步的，所述低温液体存储单元还可以包括控制系统、报警设备等，通过将控制系统与前述液面传感器、安全监控装置、报警设备等连接，可以实现对这些设备的自动化控制。该控制系统可以采用本领域习用的低温液体存储系统的控制系统等，并可选用PLC、MCU或计算机等。

在本发明中，所述分布式真空管道单元可以包括若干相互连通或彼此独立的低温液体传输管路，这些管路的管壁材料是隔热的，或者在这些管路的外壁上包裹隔热材料。示例性的，所述分布式真空管道单元包括低温液体传输管道和设置在低温液体传输管道上的低温液体阀门，所述低温液体传输管道采用同轴双管道，所述同轴双管道的内管供低温液体流通，内管与外管之间保持真空，该真空状态可以是静态真空或者附带真空泵的动态真空。进一步的，该分布式真空管道单元也可以包括控制系统，并利用控制系统对低温液体阀门、真空设备等的工作状态进行自动控制，其也可选用PLC、MCU或计算机等。

在一个实施例中，所述的液态制冷装置还包括：

制冷单元，包括气液分离器、真空杜瓦及冷指，所述气液分离器具有中空内腔以及与所述中空内腔连通的低温液体进口和低温气体出口，所述低温液体进口通过所述分布式真空管道单元与所述低温液体存储单元连通，所述冷指一端用于与容纳于所述气液分离器内腔中的低温液体接触，另一端用于与所述半导体芯片导热连接，所述气液分离器及所述半导体芯片均设置于所述真空杜瓦内。

在一些情况下，所述制冷单元也可包括与半导体芯片导热连接的热沉等金属、陶瓷材质的导热机构或者设置在半导体芯片内的冷却介质通道等。但优选采用前述具有气液分离器等组件的制冷单元，以更好的实现低温液体和低温气体的充分利用。

进一步，所述制冷单元还包括第一上液面传感器和第一下液面传感器，所述第一上液面传感器、第一下液面传感器与所述气液分离器连接，并分别用于监测所述气液分离器内低温液体的最高液位、最低液位。在工作时，当气液分离器内低温液体的液面低于第一下液面传感器时，可使前述低温液体阀门自动打开并开始充液，直到液面高于第一上液面传感器时停止。

在一个实施例中，所述的液态制冷装置还包括：

低温气体回收单元，与所述分布式真空管道单元连接，用于收集由所述低温液体对半导体芯片进行制冷后形成的低温气体，并至少能够将所述低温气体应用于所述运载工具的热管理和/或安全管理、将所述低温气体液化形成低温液体后循环利用或者将所述低温气体排放到外界环境中。

在一个实施例中，所述低温气体回收单元包括低温气体回收管道，所述低温气体回收管道的气体入口与所述气液分离器的低温气体出口连通，所述低温气体回收管道的气体出口与所述运载工具的安全管理系统和/或热管理系统连通或者直接与外界环境连通。示例性的，所述热管理系统可以包括汽车电池、马达、刹车的风冷、散热和车内空调制冷设备等，且不限于此。

其中，所述低温气体回收管道的管壁材料是隔热的，或者在这些管道的外壁上包裹隔热材料。示例性的，所述低温气体回收管道可以优选采用同轴双管道，其内管通低温气体，内外管之间保持真空，可以是静态真空或者附带真空泵的动态真空。

在一些情况下，所述低温气体回收单元也可以包括气体液化设备等，例如可以包括冷凝器及压缩机等，以将氮气等低温气体再次转化为液氮等低温液体。

在一个实施例中，所述的液态制冷装置还包括：

高压气体安全控制单元，至少与所述液态制冷装置内的高压气体管道连接，用于将所述液态制冷装置内的气压控制在安全临界值以下。

在一个实施例中，所述高压气体安全控制单元包括连接于所述高压气体管道上的气压表、压力传感器等气压监测装置及安全阀。优选的，当所有高压气体管道内的气压高于安全临界值时，安全阀自动打开减压，以将所述液态制冷装置内的气压控制在安全临界值以下，防止安全事故。

其中，所述低温液体、半导体芯片、运载工具的定义同上文所述，此处不再予以解释。

示例性的，请参阅图1所示，在本发明的一个实施案例中，一种应用于新能源汽车中的液态制冷装置包括低温液体存储罐、分布式真空管道单元、制冷单元、低温气体回收单元和高压气体安全控制单元等。

该低温液体存储罐可以用于存储和供应液氮等低温液体，并可具有低温液体加注口、低温液体输出口(图中未示出)等，低温液体加注口、低温液体输出口可以分别设于低温液体存储罐上部、下部，并与低温液体存储罐内腔连通。同时该低温液体存储罐上可连接有压力表(如气压表)、安全阀、温度传感器、第二上液面传感器、第二下液面传感器等，此外还可以连接有控制和报警系统等。该低温液体存储罐可以根据需要可以存储数升、数十升或数百升的低温液体。该低温液体输出口与分布式真空管道单元连接。其中压力表、安全阀、温度传感器、第二上液面传感器、第二下液面传感器的功能如上文所述。

该分布式真空管道单元主要由低温液体传输管道组成，其可以包括一总管和若干并列设置的支管，该总管与低温液体存储罐的低温液体出口连通，该总管上还设有低温液体阀门，各支管的低温液体入口分别与总管连通，同时各支管的低温液体出口分别与制冷单元连接。其中总管和支管均可以采用前述的同轴双管道。

该制冷单元主要由气液分离器、真空杜瓦、冷指、第一上液面传感器和第一下液面传感器等组成。该气液分离器具有中空内腔以及与之连通的低温液体进口和低温气体出口，该低温液体进口与分布式真空管道单元中的相应支管连通，该低温气体出口与低温气体回收单元连接。在工作时，该冷指一端与存储在气液分离器内腔中的低温液体接触，另一端与半导体芯片导热连接。该气液分离器及该半导体芯片均设置于真空杜瓦内。该冷指、第一上液面传感器和第一下液面传感器的功能如上文所述。在该图1中，可以依据半导体芯片1(简称芯片1)、半导体芯片2(简称芯片2)的类型和实际工作性能的要求，可以通过调节相应气液分离器和控温器，使芯片1的温度T1低于芯片2的温度T2。

示例性的，请参阅图2，若所述半导体芯片为半导体光电子芯片(图中简称芯片)，可以将真空杜瓦内腔分隔为两个部分，其中一部分围绕气液分离器，另一部分围绕芯片，该芯片通过引线环实现与外界的电连接，该芯片前方可以设置有光学窗口，以实现与外界电磁波信号的发射和吸收。该冷指一端浸没在气液分离器内的低温液体中，另一端直接与芯片直接接触进行制冷，实现恒定低温。在一些情况下，若芯片的工作温度高于低温液体的气化温度，还可以在芯片上设置恒定功率的热负载来实现。

该低温气体回收单元可以由若干低温气体回收管道组成，各低温气体回收管道的气体入口分别与各气液分离器的低温气体出口连通，其中至少部分低温气体回收管道的气体出口与运载工具的热管理系统连通，以及，还可以有部分低温气体回收管道的气体出口直接与外界环境连通。进一步的，在与所述热管理系统连接的低温气体回收管道上还可设置低温气体阀门等。

该高压气体安全控制单元包括若干安全阀，这些安全阀可以设置在低温液体存储罐上、部分支管的气体出口处等，以释放该液态制冷装置中压力超过安全临界值的高压气体。此外，该高压气体安全控制单元还可以包括压力表(气压表)、压力传感器和相应控制系统等。

在该实施案例中，该液态制冷装置也可以包括一个控制单元，用于与该液态制冷装置中其余功能单元中的各类传感器、阀门等连接，并相应对这些阀门等的工作状态进行调控。该控制单元可以采用PLC、MCU、计算机等。该控制单元还可以由各功能单元所包含的控制系统组成。

本发明的一些实施例提供的一种提升运载工具半导体芯片性能的方法具体包括：

在运载工具内设置所述的液态制冷装置；

按照所述运载工具的工作需求，以低温液体存储单元通过分布式真空管道单元向所述半导体芯片提供低温液体进行制冷。

在一个实施例中，所述的方法具体包括：利用所述液化气体对所述半导体芯片进行制冷，以使所述半导体芯片在恒定温度下工作。

本发明的一些实施例还提供了一种优化和/或拓展智能驾驶系统性能的方法，所述智能驾驶系统应用于运载工具，并且包括一个以上半导体芯片；所述的方法包括：

采用本发明所述的方法提升所述半导体芯片的性能；

或者，在所述运载工具内设置所述的液态制冷装置。

在一个实施例中，所述智能驾驶系统至少具有下列的一种或多种功能：自动驾驶功能(Autonomous Driving，AD)、辅助驾驶功能(Advanced Driver-Assistance System，ADAS，如红外夜视等)、运载工具内部通信功能和/或运载工具与外界通信功能(如车联网)、运载工具内娱乐功能、信息显示与存储功能，且不限于此。所述智能驾驶系统的功能可以利用红外成像、激光雷达、射频避撞雷达、红外夜视仪、影音摄录及播放设备、无线通信设备、存储设备、显示屏等实现，这些设备包括用于执行相应功能的半导体芯片或由半导体芯片控制的功能元件，这是本领域熟知的，此处不再详细说明。

示例性的，在本发明的一个典型实施例中，所述低温液体采用液氮，相比于室温，采用液氮(液化温度为77K)对汽车等运载工具中的半导体芯片进行制冷具有以下优势：

1、使载流子迁移率指数级增加，譬如77K时硅(Si)、锗(Ge)的电子迁移率比室温增加至少10倍，当前汽车避撞雷达采用77GHz的SiGe HEMT技术，采用45nm制程，如果在77K工作，则可采用更低的制程而降低成本，或者可以维持现有制程而实现更高频率(＞100GHz)的射频雷达，从而可以探测更远更小的目标，提高空间分辨率。

2、使发光量子效率大幅提升，LED亮度增大，特别是红外波段发光器件，多种红外LED和激光器在低温下的器件性能变得十分优异，这将为夜间主动成像和中红外激光雷达提供可行性。

3、使器件噪声大幅降低，半导体红外光电探测器暗电流指数级下降，探测灵敏度提高，同样射频器件噪声降低，信噪比提高，分辨率得到改善。

4、使半导体芯片功耗更小、寿命大幅增加。

5、便于芯片热管理并可以省去某些半导体芯片应用必须的恒温装置，许多半导体芯片工作时产生大量热量而需要在封装时做散热处理，液态制冷可以自动带走芯片产生的废热，无需额外散热装置。另外，半导体光电芯片材料的能带对环境温度敏感，LED或激光波长会随温度漂移，需要恒温装置保证芯片稳定性，而液态制冷可以保持恒温，免去了现有半导体光电芯片中的恒温装置。

同时，液氮比重为808克/升，气化潜热5.56kJ/mol，相当于每升液氮可以吸热160kJ，对于大多数半导体芯片，功率一般不超过1瓦，这意味着理论上每升液氮可以维持器件工作44小时以上。再以制冷型焦平面红外探测器为例，杜瓦热耗在0.2瓦以下，工作时间理论上超过百小时，而目前市场上液氮的售价约为6元/升，如果大规模使用成本更低。而且，氮气是大气的主要成分，取之不尽，没有环境污染，液氮除了高压需要注意安全以外，在室外操作不存在窒息风险，正确操作也没有冻伤皮肤的风险，使用安全性很高，加灌液氮时间与加油时间相仿，未来液氮站可以和汽车充电站合一。目前商用液氮杜瓦3-10升静态液氮保存期长达21-36天，动态固然增加液氮消耗量，但仍有较长保存期。因此，在未来新能源汽车中使用液氮，不仅提高汽车电子芯片性能、降低成本、提高芯片寿命，而且使得一些室温无法实现的半导体芯片成为可能，从而拓展新的应用场景。同时液氮气化还可以用于电池冷却、车内空调恒温以及扑灭因碰撞引起的起火等。

对于未来汽车来说，结合本发明的液氮制冷芯片技术，将成为安全智能驾驶的优秀组合。示例性的，对于智能驾驶汽车来说，可以采用本发明的技术方案实现夜视成像。红外探测器是自动驾驶夜视领域不可或缺的技术，其主要优势如下：第一，夜间识物。红外利用生命体热辐射成像，弥补“雷达+摄像头”依赖形状识别能力不足，即便在夜间无光源，完全黑暗的情况下也能清晰辨别行人，动物及车辆；第二，穿透雾霭。红外波长长于可见光，大气穿透能力更强，成像不受雾霾、沙尘等恶劣天气影响，因此在粉尘严重的矿区及常有大雾的港口，红外传感器可不受影响正常识物；第三，无惧眩光。红外只接收中长波信息，不接收可见光波段信息，在防眩光方面红外传感器具有天然优势。

现有技术中已在汽车上使用长波热像仪进行夜间成像试验，相比于制冷型光电探测器，热像仪温度分辨率(＜50mK)和帧频(几十帧)都不高，图像质量差，特别是在夜间高速公路上(120公里/小时)，很难获得百米以外清晰图像。通过采用本发明的液态制冷技术，可以实现制冷型红外焦平面阵列探测器，其具有更高的帧频(百帧以上)和温度分辨率(＜30mK)，极大提高了探测和识别距离。例如，利用本发明以上实施例提供的液态制冷装置及方法，可以使高灵敏度长波红外FPA探测器能在汽车上应用，并在浓雾情况下看清30米以外的目标，同时可以在前方碰撞预警(FCW)、自适应巡航控制(ACC)、变道辅助系统(LCA)、行人碰撞预警(PCW)、自动泊车(AP)，泊车辅助(PA)等诸多行泊车功能可起到辅助效果。

示例性的，在本发明的一个应用场景中，智能驾驶汽车中采用7.7-9.3微米640x512 FPA光电探测器芯片进行成像。该半导体芯片材料采用InAs/GaSb二类超晶格或碲镉汞。参阅图2，可以将该半导体芯片贴于陶瓷基板上，并将该陶瓷基板与冷指连接以实现芯片制冷，该半导体芯片防止在真空杜瓦内，并通过引线环与外部电连接，该真空杜瓦内壁可以设置功能涂层以降低红外光散射带来的噪声，设置于该半导体芯片前方的光学窗口可以采用锗玻璃，镜头可以采用F4。该气液分离器内可以装2升或更多的液氮，参阅图1，该气液分离器可以通过前述同轴双管道与液氮存储罐相连，液氮存储罐容积为20升或更多或更少。在工作时，可以先关闭低温液体阀门，对液氮存储罐充20升或更多或更少的液氮，然后关闭低温液体加注口处的阀门，打开低温液体阀门对气液分离器充液氮，当其中的液氮液面高于第一上液面传感器时自动停止，待稳定后打开光电探测器芯片电源即可实现成像。

示例性的，在本发明的另一个应用场景中，在汽车中采用100GHz以上射频雷达实现智能驾驶。同样的，可以采用与以上光电探测器芯片类似的液氮制冷技术，使100GHz以上的超高频射频避撞雷达在汽车中的应用得以实现，其相比于77GHz雷达具有更小的波长、距离检测精度高、天线更短、体积更小，更适应汽车的智能驾驶。

示例性的，对于智能驾驶汽车来说，还可以采用本发明的技术方案实现应用于车联网的大功率车载基站。车联网是借助新一代信息和通信技术，实现车内、车与车、车与路、车与人、车与服务平台的全方位网络连接，提升汽车智能化水平和自动驾驶能力，构建汽车和交通服务新业态。车用无线通信技术(Vehicle to Everything，V2X)，是指将车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术，而其中大功率车载基站就是关键核心之一。利用本发明以上实施例提供的液态制冷装置及方法，可以对汽车上安装的大功率车载基站进行制冷，同时使得利用低温工作的高性能器件作为车载基站内的功率放大器等核心器件成为可能。由此，车辆数据联网，所有关于车的运行状态信息都会传到云端。围绕这些信息数据，是海量的应用场景。例如，车没有油或者没有电了，云端会告知车主，哪里有加油站(充电桩)。车的某个零部件数据异常，云端会进行分析，然后告知可能存在的风险。不仅可以上传数据，还可以下载数据，交通导航、拥堵路况信息、车位数据、气象信息等，都可以下载到车里。同时和各种交通基础设施(例如信号灯)，全部接入网络，由强悍的云计算系统，分析整个城市的交通流量、拥堵状况，对所有道路车辆进行路径规划，辅以交通调度，就可以最大效率地提升城市的运力。同时，还会大幅降低交通事故的发生概率。

本发明通过采用液氮等低温液体对运载工具内的半导体芯片进行制冷，与目前常温下工作的半导体芯片相比，不仅可以提升半导体芯片的性能和寿命，在安全驾驶、智能驾驶和车联网硬件中引入常温下无法实现或者性能优于常温的高速射频芯片和红外光电子芯片，并可使半导体芯片工作温度更为恒定，无须采用成本高、结构复杂、能耗高的电制冷和芯片恒温装置，亦无需特殊的散热封装，使用成本极低，环保可持续。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施方式的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。

此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施方式的实施方式而已，并不用于限制本说明书实施方式。对于本领域技术人员来说，本说明书实施方式可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施方式的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施方式的权利要求范围之内。