平板式溫差發電器的製作方法

2023-12-01 23:02:11

專利名稱：平板式溫差發電器的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及熱電裝置，更特別是一種具有平板構造的溫差發電器。
背景技術：
溫差發電器是自主供應能源，其在塞貝克效應的作用下，將熱能轉換成電能，所述塞貝克效應是通過導體中的電荷載體擴散，將溫差轉換成電力的現象。根據塞貝克效應，可利用由多對異質材料構成的熱電偶來產生電能。這種異質材料可以包括在該對異質材料一端聯結的N型和P型熱電單體。其中，術語N型和P型是指材料內部電荷載體的正極和負極類型。可以通過熱電偶兩端之間的溫度梯度產生電流。溫度梯度可以人為製造，也可以自然產生，如被人體不斷排出的廢熱。在溫差發電器的一種應用中，一塊暴露在環境溫度下的空氣中的手錶，在手錶的一側，空氣起到了散熱器的作用。手錶的另一側暴露於佩戴者的皮膚的較高溫度下，該佩戴者的皮膚成為熱源。在該手錶的厚度範圍存在的溫度梯度可以被利用，由此溫差發電器作為獨立裝置可以產生足以供手錶運轉的電源。手錶是眾多僅需少量電能的微電子裝置的其中一種，因此適宜於用溫差發電器供電。通常，當存在廢熱源時，在熱源和散熱器之間僅存在較小的溫差。由於溫差較小， 必須將相對數量較多的熱電偶串聯來產生足量的熱電電壓，以便為任何數量的不同裝置供電，例如，但並不局限於微傳感器網絡中的傳感器系統或各種裝置。然而，隨著近年來電子電路技術領域的發展，已經降低了將大量熱電偶整合到溫差發電器中的需求。特別是，近年來在如電壓互感器，倍壓器和電荷泵的倍壓組件技術方面的進步提供一種方法，能夠有效地將溫差發電器的小電壓(如10毫伏至幾百毫伏之間的電壓)轉化為驅動通常由電池供電的電子設備所需的足夠高的電壓(如1-4伏之間的電壓)。由於溫差發電器所產生的電壓與電性串聯的熱電偶數量成正比，所以放大相對低的電壓的能力提供一種減少溫差發電器中熱電偶的數量的方法。而熱電偶數量一旦減少， 則可以減小溫差發電器的總尺寸。此外，熱電偶的數量減少和溫差發電器的物理尺寸減小， 導致降低溫差發電器的總成本。另外，由於熱電偶的電壓與作用於熱電偶的溫度梯度成正比，因此使用先進的電子元件來放大電壓，提供了一種利用較小溫度梯度的方法。利用較小的溫度梯度來產生足夠高的電壓，這種能力使得可以將溫差發電器運用於日益增多的不同應用之中。溫差發電器及其它熱電結構可以按照許多不同的排列方式進行配置。例如，熱流傳感器作為熱電結構的一種，可以應用於一種平板式配置中。在一個平板式配置中，多個熱電單體形成在基板上；其中，電流沿平行於基板表面的方向縱向流經熱電單體。在熱流傳感器中，理想的是將熱電單體組成相對較薄的薄膜，以最小化熱電單體的熱容(即熱質量)， 這會增加熱流傳感器的反應時間。此外，熱流傳感器優選具有最小熱阻，以最小化對熱流的影響，並最小化傳感器上的溫降。與此相反，溫差發電器優選具有高熱阻，以增加溫差發電器上的溫降。在一個平板式配置的溫差發電器中，熱電單體的厚度優選較大，以最小化電阻，從而得到相對較高的功率輸出。不過，在基板材料上形成相對厚的熱電單體和其它膜的一個缺點在於，會在基板上形成熱電單體和其他膜的工藝期間產生內部應力。與基板材料相對而言，熱電材料的熱膨脹係數不同會導致內部應力的產生。儘管在室溫條件下，半導體單體的熱膨脹係數可能基板相匹配，當溫度升高到300攝氏度時，膜的熱膨脹係數可能與基板不匹配。例如，在
室溫條件下，如Kapton 的聚醯亞胺基板的熱膨脹係數為20X KT6IT1,這與Bi2Te3型半
導體材料(如熱膨脹係數α為20. IXKT6ITi的Bia5Sbh5Te3半導體材料)的熱膨脹係數屬於同一數量級。而在室溫條件下金屬膜的熱膨脹係數與聚醯亞胺基板的熱膨脹係數也是相當的。例如，鋁(Al)的熱膨脹係數α為23. I X KT6IT1,鎳(Ni)的熱膨脹係數α為 12. 8X KT6IT1,金(Au)的熱膨脹係數α為14. 3X KT6IT1,而銀(Ag)的熱膨脹係數α為
19.7 X KT6K'不過，在溫度升高的情況下，聚醯亞胺基板(如Kapton )的熱膨脹係數會顯
著增大。例如，當溫度在100攝氏度至200攝氏度之間時，聚醯亞胺的熱膨脹係數α為 31 X IO6K'而當溫度在200到300攝氏度之間時，聚醯亞胺的熱膨脹係數α為48 X KT6K' 可見，在聚醯亞胺基板上形成和處理薄膜時，溫度升高會導致材料之間的線性膨脹係數不匹配。就此而言，在溫度較高的情況下沉積Bi2Te3型半導體之後，冷卻被加熱的基板可導致薄膜的內部應力增強。同樣，在退火過程中對聚醯亞胺基板上的薄膜結構加熱，也可導致薄膜的內部應力增強，這導致在薄膜中出現缺陷和/或損害。在現有技術中，具有幾種具有平板式配置的熱電結構。例如，Peabody的美國專利 No. 6，278，051公開了一種具有多個連接體或熱電單體的熱流傳感器。這些單體通過成形於單體端部頂部的金屬連接體電性串連。單體和金屬連接體的組合沉積在金屬基板上。在這方面，Peabody的裝置揭示了一種平板式布置，其中熱量沿著與基板平行的方向流經單體。 不過，不能理解為Peabody揭示了一種布置，其中單體配置成最小化在單體中形成由於製造過程可產生的內部應力。此外，Peabody的熱傳感器揭示了單體是由如白銅的金屬材料構成，並且基板具有高導熱性(即，陽極氧化鋁)。此外，Peabody揭示了熱流傳感器中的熱間隙由聚合絕緣材料填充，這樣傳感器可以有效地嵌入聚合物固體。此外,Peabody的熱流傳感器的熱阻相對較低，大約為I. 2cm2K/ff,因為熱流的路徑主要是金屬材質。與此相比，本發明中所述的溫差發電器的熱阻大約為19cm2K/W。最後，與熱電裝置中期望的較高靈敏度 (約2000mV/(ff/cm2))相比，Peabody傳感器的靈敏度相對較低(例如，約80mV/(ff/cm2))。Korn等人的美國專利No. 4，029, 521公開了一種具有在基板上沉積的且串聯布置的多個熱電偶接頭的熱電堆。Korn揭示了在基板上成排的多個厚度大約為一微米的薄塗層，其由異種材料形成，以構成多個冷/熱熱電偶接頭。Korn表明，熱電偶被用於檢測和測量如在紅外線區域內的電磁輻射。此外，Korn還公開了一種設置在冷接頭附近的散熱器，其通過通道或其它隔熱手段與熱接頭隔離。Korn僅揭示了位於裝置底部的一種散熱器(即， 熱耦合板)，因為該裝置的頂部用於接受熱輻射。但是，Korn揭示了每一排中的單體通常都與該排平行布置，這樣不能理解為Korn可以適應構成Korn裝置的材料在熱膨脹係數方面的差異。
Kolomoets等人的美國專利No. 4, 049, 469揭示了一種平板式熱電偶,其在基板兩面都形成有半導體材料膜。基板頂部和底部的半導體材料通過基板中形成的孔電連接。半導體材料通過導熱材料構成的長片與一側的冷板相接觸。同樣地，半導體材料通過導熱材料構成的長片與另一側的熱板相接觸。熱量沿著與基板平行的方向流經半導體材料。導熱材料構成的長片彼此間隔配置，以形成間隙。所述長片之間的間隙由氣體填充。所述長片具有高導熱、高導電性，並可由銀，銅或鋁製成。但是，Kolomoets沒有表明，將基板上的半導體材料布置成通過適應構成Kolomoets裝置的半導體材料和基板在熱膨脹係數方面的差異來最小化內部應力。Guilmain等人的美國專利No. 6，204, 502揭示了一種平板式熱傳感器,該傳感器
具有由如Κ ρ οη.β:.的柔性材料製成的基板。該基板包括一系列熱電偶元件，形成由銅/康
斯坦丁材料交替製成連續的軌道或排，從而構成多個熱電偶接頭。不過，Guilmain的每個熱電偶元件都是與該排平行排列的。就這點而言，不能理解為Guilmain提供的布置可以適應構成Guilmain裝置的銅/康斯坦丁及基板在熱膨脹係數方面的差異。Brouwer等人的美國專利No. 3，293，082揭示了一種平板式熱傳感器,該傳感器由一系列異種材料的長片交替組成，以構成基板上的多個熱電偶。揭示的該基板由電絕緣材料製成。特定的一些接頭暴露於裝置頂部的輻射。在裝置的底部，一些接頭與底部的熱耦合板熱接觸，該熱耦合板由高熱容量的金屬體製成，如銅，鋁或銀。但是，因為所述異種材料交替構成的一系列長片在基板上彼此平行配置，所以也不能理解為Bixnwer提供了一種手段來適應構成Bixnwer傳感器的長片和基板在熱膨脹係數方面的差異。Nurnus等人的美國專利公開No. 20040075167的權利要求I中，揭示了一種平板式配置的熱電元件，其包括於基板上形成的至少一對半導體元件，或者於基板上形成的與金屬膜搭配組合的半導體元件。Nurnus還揭示了在基板上沉積的厚度為10納米到10微米的擴散阻擋層，由鎳，鉻，鋁或其它材料製成。Nurnus還揭示了用於使該對半導體元件互連的金屬觸點，可由金，鉍，鎳，銀或鉍/錫/鉛/鎘的共晶體製成。但是，不能理解為Nurnus揭示了該對半導體元件或與金屬膜搭配組合的半導體元件的排列方式適應與基板相關的熱膨脹係數差異。由此可見，在本領域需要一種溫差發電器及其製造方法，以最小化在基板上沉積的熱電單體中形成的內部應力。在這方面，在本領域需要一種用於製造溫差發電器的系統和方法，以最小化在製造過程中熱電膜的缺陷和/或損害。此外，在本領域需要一種用於製造溫差發電器的系統和方法，使得易於對熱電單體的幾何圖案進行多樣化選擇，從而匹配由溫差發電器供電的應用中的電阻和熱阻。就此而言，在本領域需要一種用於製造溫差發電器的系統和方法，其提供一種手段，調整單體長度和/或單體厚度適應給定應用的熱流和溫度梯度。最後，本領域需要一種具有上述特性的溫差發電器，此種發電器結構簡單，便於低成本的批量生產。

發明內容
上述有關溫差發電器的需求在本文揭示的實施例中被具體解決和緩解，其中，提供了一種具有平板式配置的溫差發電器。該溫差發電器包含多個熱電單體，成排地排列於基板上，但並不與排軸平行，使得熱電單體在基板上形成曲折圖案。這些熱電單體和基板包含箔組件，夾在一對導熱性熱耦合板之間(即，頂板與底板之間)。箔基板相對較薄，從而最小化熱電單體中的內部應力，因為在內部應力增大時，薄箔基板會隨之發生彎折；而相對較硬的矽晶圓則缺少必要的撓性，在熱電單體產生內部應力時，不能隨之彎折或適應。有利地，熱電單體的曲折圖案還可以提供一種手段，用於最小化在基板上形成的如金屬橋和熱電單體的薄膜的內部應力。在製造過程中，相對於薄膜的熱膨脹係數，基板的熱膨脹係數差異也可導致這種內部應力的增長。就此而言，熱電單體的曲折圖案為單體在沿基板的較短距離範圍內的橫向定位上提供了大量的變化。大量的定位變化提高了構成溫差發電器的熱電偶的熱電單體的機械穩定性。此外，熱電單體的曲折圖案也提供了一種手段，用於最小化熱電單體的長度，由此進一步增加了熱電偶的機械穩定性和可靠性。在一實施例中，溫差發電器包含一對頂板和底板，兩者中間插入了箔組件。箔組件的基板可包含導熱率相對較低的電絕緣材料。熱電單體可由熱電材料製成，如半導體材料和/或金屬材料。所述熱電單體可由異種材料交替組成的一系列單體組成並排列於基板上。例如，熱電單體以N型和P型單體分別交替的圖案排列在基板上，而N型和P型單體分別由N型和P型半導體材料製成。或者，熱電單體由金屬單體和由一種類型的半導體材料 (例如，N型或P型)形成的半導體單體交替的圖案排列在基板上。所述熱電單體可布置在一排或幾排中；也可形成於基板的頂面或底面或雙面。每一個熱電單體都界定一個單體軸，該單體軸最好不與排軸平行。該溫差發電器還可包括至少一對導熱長片，其可以設置在基板的相對兩側。所述導熱長片可與熱電單體的相對端在排向對準，以使熱電單體的一端與頂板熱接觸，而熱電單體的另一端則與底板熱接觸。此外，所述導熱長片界定了熱電單體與頂板和底板之間的熱間隙。熱間隙界定了相比由導熱長片提供的低熱阻的較高熱阻區域。熱間隙可由下列氣體填充，包括但不限於空氣，氫氣，氪，氙或其它低導熱率的適當流體或固體。熱間隙使熱量能夠縱向流經熱電單體。在這種平板式溫差發電器的結構中，熱量縱向流經熱電單體，以便產生在熱電單體上的電勢。產生的電流沿著與基板平面平行以及與每一熱電單體的單體軸平行的方向流經單體。有利地，箔組件相對簡單的構造以及將箔組件互連到頂部和底部熱耦合板的方式有利於低成本地大批量生產這種溫差發電器。上述特徵，功能和優點在本發明的一些實施例中已經分別得以實現，或者在另一些實施例中也可以進行結合。參照下列描述和附圖，可以了解更多細節。


參照附圖，本發明的上述及其它特徵將更加明顯，其中相同的數字始終指示相同的部件，其中圖I為具有平板式配置的溫差發電器的透視圖；圖2為溫差發電器的一實施例的分解立體圖，該溫差發電器包含箔組件，夾於頂板和底板之間，其中該箔組件通過導熱長片與頂板和底板熱連接；圖3為沿圖I的線3-3的溫差發電器的截面圖，顯示箔組件包含有沉積在基板上的熱電單體，其中頂板與底板之間的溫度梯度使熱量縱向流經熱電單體；圖4為沿圖3的線4-4的溫差發電器的俯視圖，顯示了由異種材料交替構成的一系列熱電單體在基板上成排設置；並且進一步示出了導熱長片與熱電單體的相對端對準，使得熱量縱向流經熱電單體；圖5為溫差發電器另一實施例的截面圖，其與圖3的溫差發電器的截面圖相似；其中熱電單體形成於基板的頂部和底部表面；圖6A-6F為製造溫差發電器的實施例的方法的原理俯視圖，該溫差發電器配有多個由N型和P型單體交替形成的熱電單體，並通過金屬橋互連；圖7A-7F為製造溫差發電器的另一實施例的方法的一系列原理俯視圖，其中熱電單體包含與N型或P型熱電單體交替構成的金屬單體；圖7G為沿圖7F的線7G-7G的溫差發電器的截面圖，示出了形成在基板上的金屬單體和與所述金屬單體的單體端部重疊並與其電連接的半導體單體的單體端部，並進一步示出了夾於金屬單體與半導體單體之間的電絕緣層；圖8A-8F為溫差發電器的另一實施例的一系列俯視圖，其中熱電單體由金屬和半導體單體交替組成，類似於圖6A-6F中所示，並且其中半導體單體與排軸呈垂直關係；圖9為製造溫差發電器的方法的一實施例的流程圖；圖10為製造溫差發電器的方法的另一實施例的流程圖；以及圖11-16為溫差發電器在頂板與底板之間在不同溫差情況下的性能特徵的圖表。
具體實施例方式現在參照各附圖，其中這些附圖僅用於示出本發明的優選和各種實施例，並不用於對其進行限制，圖I所示為溫差發電器10的一實施例的透視圖，其具有平板式配置，其中溫差發電器10的熱電單體26的縱向軸與基板20的表面平行，在基板20的表面上形成有熱電單體26。如圖2所示以及下文提供的詳細描述可知，熱電單體26由多種材料交替組成，並排列在一排或多排60中。熱電單體26與每排的軸線呈不平行(例如，垂直)關係。有利地，熱電單體26在基板20上構成一種曲折圖案，這降低了構成熱電單體26的薄膜結構的內部應力。這種內部應力可由在製造過程中溫度上升時基板20相對於熱電單體26的不同線性熱膨脹係數引起。有利地，圖2所示的熱電單體26的曲折圖案最小化這種內部應力的增大，藉助於熱電單體26相對較短的長度以及通過不斷改變曲折圖案的熱電單體26的橫向定位，可以吸收這種內部應力。這種曲折圖案最終可以提高箔組件18的機械穩定性和可靠性。就此而言，溫差發電器10的排列方式保證了一定的靈活性，便於在不平坦的或者彎曲的表面安裝溫差發電器10。本發明揭示的溫差發電器10的實施例相關的另一優勢是，能夠根據溫差發電器 10的特定應用來定製構成溫差發電器10的部件的幾何尺寸。例如，熱電單體26的長度I、 寬度w和厚度&可以進行配置，以提供相對較高的熱阻，從而增加溫差發電器10上(即 頂板12與底板14之間)的溫降。本實施例提供了平板式溫差發電器10，其中，熱電單體26具有相對較大的厚度， 以便減小電阻，因此增加功率輸出。因為溫差發電器10產生的電壓與作用在一系列熱電偶 48上的溫度梯度成正比，所述熱電偶48由相鄰的成對熱電單體26組成，所以，增加溫差發電器10上的溫降可以為溫差發電器10提供更多不同種類的應用。
進一步參照圖2，箔組件18包含基板20，基板上表面22上形成有一系列熱電單體
26。熱電單體26最好由異種材料交替製成，如異種半導體材料(即N型單體42, P型單體 44)。或者，組成熱電單體26的交替異種材料也可由半導體材料38與金屬材料34形成的熱電單體26的交替製成。如圖2所示，箔組件18定位於頂板12和底板14之間。頂板12和底板14通過一個或多個導熱長片66與熱電單體26熱連接，導熱長片66可與每排中的熱電單體26的相對端對準。熱電單體26可以通過電絕緣層70與頂板12電絕緣，如圖2所示。基板20最好由電絕緣材料製成，從而使熱電單體26與底板電絕緣。如圖所示，底板14與基板20的底部表面通過一個或多個導熱長片66熱接觸。例如，圖2所示的溫差發電器10包含3個導熱長片66分別與四排60熱電單體26的單體端28對準。由圖4可以清楚地知道，與底板14接觸的中間導熱長片66成為熱電單體26中間兩排60的熱通道。而外部的兩個導熱長片66分別成為熱電單體26的最外兩排60的熱通道。如圖3所示，導熱長片66的位置基本上與相鄰一對的排60中熱電單體26的相對端對準。導熱長片66以特定的方式排列，以便熱量從一個熱耦合板流經箔組件18，進入相對的頂板12和底板14。靠近頂板12的導熱長片66與相鄰一對排60的熱電單體26的端部對準，而靠近底板14的導熱長片66與相鄰一對排60的熱電單體26的相對單體端28對準。尤其，導熱長片66彼此間隔排列，以形成熱間隙68作為高熱阻區，促使大部分熱量流經熱電單體26。通過這種方式，導熱長片66與每個熱電單體26的相對單體端28形成熱接觸，從而使熱量沿圖3箭頭所示的熱流方向16流動。這樣，熱量從每個熱電單體26縱向流過，以產生通過熱電單體26的電勢。需要注意的是，儘管圖3所示的頂板12為熱源52，底板14為散熱器54，其中熱量從頂部流向底部，但是，溫差發電器10可以任何熱流方向運行。例如，熱量可從底板14流向頂板12，即與圖3箭頭所示的方向相反。在此方面，由於對稱的配置，溫差發電器10發電不受熱流方向的限制。圖4是溫差發電器10的俯視圖，顯示了熱量從導熱長片66流經熱電單體26的方向。從圖中可以看出，熱電單體26由一系列交替排列的異種材料構成的熱電單體26組成。 例如，熱電單體26可以是交替排列的不同類型的半導體材料，如N型和P型單體42，44，。 基板20優選由電絕緣材料製成，其優選導熱率相對較低。例如，在一優選實施例中，基板20 可由聚醯亞胺材料，如從E. I. duPont de Nemours & Co. , Inc.商業可得的Kapton 製成。
不過，基板20也可由任何一種導熱率相對較低、而且最好電絕緣的適當材料製成。基板20的厚度ts可以是任何適當的數值，包括但不限於5-100微米之間的基板厚度ts。優選地，諸如聚亞醯胺膜製成的基板20，其基板厚度ts最好為7. 5微米，12. 5微米也可以為適當的基板厚度ts。製成基板20的材料最好在半導體膜沉積時的溫度升高以及退火處理過程中的溫度升高保持機械穩定性。此外，基板20的材料最好相對較薄、有尺寸穩定性且耐化學腐蝕性，如在基板20上面沉積熱電單體26之後，對於在構造熱電單體 26過程中通常使用的酸具有耐腐蝕性。如圖3所示，熱電單體26的厚度最好與基板20材料以及溫差發電器10的應用相匹配。例如，熱電單體26可由半導體材料38製成，其單體厚度ts範圍為15微米至100微米左右或以上，優選為大約25微米的厚度ts。
如上所述，溫差發電器與熱傳感器之間的結構區別在於，溫差發電器優選配置為具有高熱阻，以使溫差發電器上的溫差最大化。另外，平板式溫差發電器的熱電單體優選具有與基板厚度ts相比更大的單體厚度h，以最小化電阻，從而增加功率輸出。就這一點而言，用於發電的溫差發電器的配置一般與熱流傳感器的配置相反。例如，熱流傳感器通常包括具有相對較小厚度的熱電單體，以通過最小化熱電單體的熱容量(即熱質量)來增加熱流傳感器的響應時間。如圖3和圖4所示，熱電單體26的幾何尺寸，如單體長度I，可按規定大小制定，以使功率輸出達到最大值。就這一點而言，雖然單體長度I可以提供任何範圍的尺寸，但熱電單體26的單體長度I範圍一般為50微米至500微米。如前所述，熱電單體26優選提供相對較短的長度，以增加功率輸出。不過，鑑於其他電阻與熱電單體26串聯和/或並聯導致熱電單體26的溫度下降，可以基於單體長度相對較短的熱阻來選擇單體長度。作為一種優勢，本發明中公開的溫差發電器10的平板式配置促進了相對較廣範圍的單體長度的實現，相比之下，在立式配置的溫差發電器的中，單體長度的可調節性受限於沿基板20的法線方向形成厚度(即單體長度)的能力。改變單體長度的能力有助於調整溫差發電器10的性能符合給定的熱環境。例如，對於具有較低熱流量及減小的溫度梯度的應用，如體熱應用，可提供相對較長的熱電單體26，以實現較高的熱阻。此外，熱電單體 26可提供任何合適的寬度W，其範圍在10微米左右至500微米左右。如前所述，可以通過頻繁改變熱電單體26的橫向定位及通過最小化單體長度來實現熱電單體26的內部應力最小化。就這一點而言，熱電單體26的厚度大小可以根據單體長度制定。鑑於熱電單體26的內部應力，單體長度可根據基板厚度ts制定，以增加箔組件18的柔性或彎曲性。更強的柔性可以改善溫差發電器10與熱源52或散熱器54的彎曲表面的熱接觸。就這一點而言，可提供熱電單體26的單體厚度h與基板厚度ts的具體比率。例如，單體厚度^可以是基板厚度ts的I倍至10倍左右，且更適合的是，熱電單體26 可以提供約為基板20厚度的約2倍至4倍的單體厚度h。不過，熱電單體26可根據基板厚度ts提供任何單體厚度h。對於溫差發電器10的配置，其中熱電單體26由金屬材料34製成，該金屬單體36 可提供相對於半導體材料38製成的熱電單體26更小的厚度。例如，金屬單體36可具有從
O.5微米左右至5微米左右的單體厚度，儘管金屬單體36可提供任何厚度。採用金屬單體36的溫差發電器10的配置描述於圖7A-7G和圖8A-8F中，具體詳情如下。再如圖3和圖4所示，導熱長片66安裝在基板20的兩相反側上，用於將頂板12 與底板14熱連接至熱電單體26。儘管顯示拉長的長片沿著溫差發電器的實際寬度延伸，仍考慮將導熱長片66配置成多個段，相互之間按一定的間距分布，並將熱電單體26的端部熱連接至頂板12與底板14，如圖3和圖5所示。此外，還可以考慮導熱長片66由導熱材料的離散或局部沉積物來構成，以將熱電單體26的端部熱連接至頂板12和底板14。就這一點而言，導熱長片66、各片段或沉積物可以使用各種各樣的配置方法及廣泛的材料。例如，導熱長片66可配置由導熱膠粘劑構成的長片，或者與組成導熱頂板12與底板14的材料相類似的材料構成的長片。就這一點而言，頂板12與底板14可由任何合適的材料製成，包括但不限於金屬材料或陶瓷材料，如氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹及其他擁有高導熱性的適當材料。導熱長片66可整合到頂板12和/或底板14中。例如，陶瓷熱耦合板(即頂板12或底板14)可在板的一側與導熱長片66整合在一起。導熱長片66可通過適當製作頂板12與底板14而製成， 並可包括在燒結陶瓷材料前進行的切割、雷射燒蝕和微衝壓(即壓制)操作。在另一實施例中，頂板12與底板14的其中一個或兩者可由陶瓷製成，在一側上通過物理氣相沉積工藝 (即濺射、蒸發、電子束沉積)或電沉積以及隨後的光刻成形工藝形成金屬圖案。頂板12與底板14可選擇性地形成金屬箔堆，並可內部集成導熱長片66。就這一點而言，可以通過按壓、摺疊、起皺、衝壓、雷射燒蝕或者用部分覆蓋光刻掩模來焊接頂板12 與底板14表面以形成用於導熱長片66的溝槽狀凹處的方法將金屬箔成形於頂板12與底板14之中。頂板12與底板14可由矽晶圓製成的矽板製成，其中導熱長片66可由在頂板 12與底板14 一側上微加工(即蝕刻)導熱長片66來製成。頂板12與底板14還可由金屬箔製成，其中由導熱膠粘劑構成的圖案可以通過絲網印刷或針式轉印技術在金屬箔上製成。或者，如果箔組件18的金屬觸點76電連接至電絕緣頂板12和底板14 一側或兩側的導電層，則導電頂板12和底板14或該導電層可被用作溫差發電器10的金屬觸點。如圖3和圖4所示，進一步考慮將頂板12與底板14整合到熱交換器或熱導管或其他特定框架中，以提高熱交換或通過熱源52加熱，或通過散熱器54散熱。就這一點而言， 頂板12與底板14的其中一個或兩者可整合到熱交換器中成為一體化結構，其中熱交換器直接連接至頂板12與底板14，或者與頂板12與底板14集成。此類配置可導致熱交換器和頂板12與底板14之間熱連接上的熱阻降低。另外，此類配置可增加溫差發電器10上的溫度梯度，並可降低生產成本。導熱性的頂板12與底板14還可以通過導熱長片66使用適當的導熱膠粘劑連接到或粘結到箔組件18。此類導熱膠粘劑可進行室溫固化或通過暴露在熱和/或紫外線輻射中進行固化。亦可採用焊接將頂板和/或底板連接至導熱長片66和/或箔組件18上。例如，頂板12和/或底板14可包括如長條形的金屬長片以便將頂板12和/或底板14焊接到基板 20和/或電絕緣層70(如光阻層)。另外，焊料本身可用作導熱長片66，用於將頂板和/或底板連接至箔組件18。就這一點而言，優選由鎳組成的薄金屬長片沉積在與導熱長片66相對的基板下表面和/或電絕緣層70的上表面。該金屬長片可通過任何適當的方式處理，包括但不限於濺射和光刻成型技術(如剝離技術或正抗蝕劑之後蝕刻)，以獲得可焊性表面並便於通過焊接來裝配頂板12與底板14以及導熱長片66。如圖3和圖4所示，各排60中的熱電單體26優選與相鄰排60的熱電單體26進行電性串接。如圖3所示，溫差發電器10可包括至少一個電絕緣層70，如一條、一段或一片電絕緣材料，並夾在導熱長片66和相鄰的熱電單體26之間。對於圖5中描述的配置，溫差發電器10可包括一對電絕緣層，並且每個絕緣層可夾在導熱長片66和熱電單體26之間。如圖3至圖5所示，各排60中的熱電單體26的單體端部28與相鄰排60的熱電單體26的單體端部28之間相間隔以形成排間隙62。如圖3和圖5所示，導熱長片66優選與排60間隙對準，以便單個導熱長片66促使熱量流入或流出在排間隙62各側的熱電單體
26。圖5簡略揭示了與圖3類似的溫差發電器10的實施例，而且還進一步包括在基板下表面24上形成的、與基板上表面22上的熱電單體26對準的熱電單體26。由此可見，溫差發電器10包括安裝在基板20兩相反面上且與各排60中熱電單體26的相對端對準的導熱長片66。由於熱電單體26形成於基板20的兩個表面,通過圖5中基板20的寄生熱流量相對於通過熱電單體26的熱流量可以減少，與圖3中溫差發電器10的排列相比，這可以增加圖 5中溫差發電器10的能量轉換效率。溫差發電器10還可具有堆疊布置(未顯示)，包含相互上下堆疊的多個箔組件。 每一個箔組件18包含至少一個基板20及一排或多排60熱電單體26。多箔堆疊的箔組件 18可相互進行熱並聯，這可以提高溫差發電器10的功率輸出。熱電偶48(即多對熱電單體26)可進行電性串聯，以增加輸出電壓。作為一種選擇，熱電偶48可進行電性並聯，以增加電流。例如，溫差發電器10可包括兩個箔組件，其中各箔組件18包括至少一個基板20， 在其上表面22和下表面24的至少其中一面上形成有熱電單體26。箔組件可在該對頂板 12與底板14之間進行背對背、面對背或面對面堆疊。圖6A至6F顯示了一系列的俯視圖，描述了溫差發電器10實施例的製作流程。在圖6A至6F中，溫差發電器10包括多個金屬橋74，用於將半導體材料38製成的熱電單體 26的交替排列互連。如圖6A所示，金屬橋74通常相互對準，平行排列在基板上表面22和下表面24的至少其中一面上。金屬橋74可通過諸如光刻(如剝離技術)和濺射的任何適當方法或任何其它適當的方法形成於基板20上面。有利地，與熱電偶48的半導體單體40 相互直接重疊的結構相比，金屬橋74提供了一種可最小化熱電偶48中電阻並改善熱接觸的方法。就這一點而言，金屬觸點可以改善從導熱長片66到熱電單體26進行熱傳遞的均勻性。另外，一層薄金屬材料(即金屬橋和金屬觸點)在幾倍厚的P型和N型半導體單體上沉積可導致熱電堆總電阻的增加，而在溫差發電器的實施例中，若干層薄金屬材料(如金屬橋和金屬觸點)在半導體材料因為一些原因沉積之前便已沉積在基板上。另外，當若干層薄金屬材料在半導體材料上沉積時，此半導體材料可能具有不乾淨的表面，其中所述表面可被在蝕刻過程中的反應產物汙染。例如，如果P型半導體單體首先在基板上沉積，然後沉積N型單體並對其進行構圖，則N型蝕刻溶液將接觸P型單體，除非謹慎地選擇僅對N 型單體進行蝕刻。N型蝕刻溶液與P型單體的任何接觸可能要求對P型單體進行返工。相反，如果在P型單體沉積前金屬材料首先沉積在基板上，則由於金屬材料更能抵制N型或P 型蝕刻溶液的侵蝕而可以消除對返工的需求。在形成金屬橋和金屬觸點之前，在基板上形成半導體單體的又一個相關缺點為， 當若干層相對較薄的金屬材料(如金屬橋和金屬觸點)在半導體單體上沉積時，金屬材料的厚度可由於厚半導體單體邊側相對陡峭的斜坡而變薄。就這一點而言，比起半導體單體頂部或基板頂部的金屬材料的平整區域，半導體單體各邊上的金屬材料厚度可能更小。半導體單體各邊上的薄金屬材料可導致熱電堆總電阻的增加。在形成金屬橋和金屬觸點之前，在基板上成形半導體單體的其他相關缺點為，半導體單體的蝕刻降低了半導體單體和金屬橋之間界面的平滑度，進一步增加了熱電堆的電阻。此外，沿半導體單體上緣的一層薄金屬材料的厚度進一步減小，且無其他技術可以防止此類情況的發生。因為從熱電單體向基板過渡的金屬塗敷厚度減小，熱電堆的總電阻亦可進一步增加。由於剝離掩模位於基板和熱電單體上，導致厚度減小，其中該掩模包括界定金屬橋的形狀和大小的開孔。由於剝離掩模的開孔的橫向尺寸與熱電單體的較大厚度相比縱橫比較小，更具體而言，位於熱電單體之間的間隙上方的開孔區域，導致產生陰影效應，從而減小了金屬塗敷的厚度。此外，連接兩個相鄰半導體單體的金屬橋的電路徑由於半導體單體的厚度而變得更長。熱電堆的電阻亦可由於蝕刻後半導體表面的相對粗糙且未限定的結構而增加，尤其是在半導體單體的各側上。就這一點而言，在形成半導體單體前在基板上成形若干層薄金屬材料(即金屬橋和金屬觸點)可在溫差發電器的製造和性能方面提供優勢。須注意的是，正如本發明的描述，形成熱電單體的過程包含使熱電材料(如半導體材料)的一層均勻薄膜首先沉積在基板上，之後對熱電材料進行構圖，其中一部分均勻的薄膜可在溼蝕刻工藝進行前通過光刻工藝清除。如此便可以形成單體的圖案。如圖6A至6F所示，在溫差發電器的實施例中，金屬觸點76可以形成在基板20上， 如形成在基板20的各個角或在任何其他適當的位置上。金屬觸點76可提供一種將一系列熱電單體26電性連接至負載，如由溫差發電器10供電的設備，的方法。就這一點而言， 溫差發電器10可包括一對導線78，其可通過頂板12和/或底板14進行物理支撐，如可採用導電和/或導熱膠粘劑或焊劑。採用導電膠粘劑、焊劑或任何合適的粘結技術可促進金屬觸點76至導線78的電性連接。導線78對可以電性連接至各金屬觸點76。應當進一步考慮將頂板12與底板14 用作電觸點，溫差發電器10可通過電觸點與設備連接。例如，一系列熱電單體26的一端可以電性連接至頂板12，而另一端則可連接至底板14。雖然可使用粘結、焊接或任何其他合適的導電方式，但仍可通過使用電膠粘劑促進電連接。在另一實施例中，頂板和/或底板可以配置成金屬化陶瓷板，以用作熱導體以及溫差發電器10的電觸點。圖6B描述了溫差發電器10製造工藝的第二步驟，其中由半導體材料38交替製成的一系列熱電單體26可以沉積在基板20上，以便熱電單體26的相對兩端與金屬橋74 至少部分重疊。通過這種方式,金屬橋74與相鄰對熱電單體26進行電性互聯。例如，圖6B 描述了在基板20上形成的至少一個N型和P型單體42，44採用的原材料成分，例如碲化鉍型(即Bi2Te3型)半導體材料38。由此可見，熱電單體26可與排軸62基本上形成非平行關係。如圖6B所示，每一個P型熱電單體26的單體軸30可與排軸62基本上形成垂直關係。另外，各排60內的熱電單體26可以相互之間基本上形成平行關係，儘管一個或多個熱電單體26可以與排軸62形成單體錯角α關係，這與其餘的熱電單體26的方位不同。熱電單體26可由任何適當的半導體化合物，如上述Bi2Te3型半導體化合物製成。 例如，P型單體44可由原料化合物製成，公式如下(Biai5Sba85)2Te3+額外約10%Te至額外約30%Tet)P型半導體化合物在溫度大約為20攝氏度時可具有達45 μ W/(K2*cm)的功率因數 (Pp)。N型單體42可由原料化合物製成，公式如下Bi2 (Tea9Seai)3+額外大約KFo(Tea9Seai) 至額外大約30%(Tea9Seai)15 N型半導體化合物在溫度大約為20攝氏度時具有達45 μ W/ (K2*cm)左右的功率因數(Pn)。如上所述，由半導體化合物製成的熱電單體26包含半導體單體40，其首選厚度相對金屬橋74的厚度更大。例如，半導體單體40的單體厚度tl範圍為15微米左右至100 微米左右或以上。相比，金屬橋74的厚度範圍為O. 5微米左右至5微米左右，儘管金屬橋 74可以提供任何厚度。同樣地，金屬觸點76可以提供任何適當的厚度。在如圖6B所示形成P型單體44(如沉積均勻層、施加光阻膠掩模，之後進行溼蝕刻工藝)之後，可以在N型單體42沉積之前，在P型單體44上施塗一層光阻膠作為保護層。通過在P型單體44上施塗一層光阻膠，HNO3基(即硝酸基)蝕刻溶液可用於對N型單體42進行構圖，而不會損壞在具有氧化鋁表面的基板20上形成的鎢鋁膜(如金屬單體36 和金屬觸點76)。通過濺射一層鎢到基板上，然後濺射和/或蒸發一層鋁到鎢層上，可以在基板上形成金屬橋。對於半導體單體形成之前在基板上形成若干層薄金屬材料(即金屬橋和金屬觸點)，首先可將薄鋁層沉積在基板上，並作為一個緩衝層用於吸收相對於基板的聚醯亞胺材料而言鎢具有的不同熱膨脹係數導致的內部應力。例如，鎢的熱膨脹係數α為
4.5 X KT6IT1,而基板聚醯亞胺，如Kapton ,的熱膨脹係數則α為鋁的熱膨
脹係數α為23. I X KT6IT1,以便鎢成形之前在聚醯亞胺基板上形成鋁使其能夠起到鎢和聚醯亞胺基板之間的緩衝層。為了提高鋁到基板的粘附性，可在鋁層沉積於基板上之前，沉積超薄層的鎢、鉻、鈦或與聚醯亞胺之間具有良好粘結性的任何其它適當材料。還須注意，鎢是可用於形成金屬橋的許多不同的材料之一。材料的選擇要考慮最小化熱電單體和金屬橋之間的觸點電阻，以及考慮針對蝕刻溶液的耐蝕性和擴散阻擋層。在將蝕刻溶液用於對碲化合物半導體材料進行構圖示例中，如用於對N型單體進行構圖，蝕刻溶液可包含一種或多種硝酸、氮化鐵和潤溼劑作為活性成分。如上所述，蝕刻溶液適合於對如這些半導體材料薄膜的碲化合物半導體膜進行構圖。該碲化合物可包含鉍和/或銻。蝕刻溶液可以使用光阻膠掩模的最小蝕刻來促進一致的蝕刻工藝。例如，蝕刻溶液可包含10%至40% (體積)的65%硝酸(即HNO3)。此外，蝕刻溶液可包含5%至30% (質量)的檸檬酸和檸檬酸鹽。可添加O. 5%至2.0%(質量)的抗至少2價的金屬鹽。例如，可使用如Fe3(NO3)3等氧化鐵鹽(如鐵(III)鹽)。如圖6C所示，箔組件18的形成過程可包括由半導體化合物構成的多個N型單體 42與多個現有P型單體44交替形成。每個N型單體42和P型單體44擁有相對單體兩端 28，且形成在基板20上，以便單體兩端28在連接點50與金屬橋74重疊。就這一點而言， 金屬橋74將P型單體44與相鄰的N型單體42在P型單體44的相對兩端電性互連。圖6C 揭示了箔組件18的排列示意圖,其中各排60的N型單體42和P型單體44電性串聯。互連半導體單體40的金屬橋74可由任何適當的材料或材料組合製成，包括但不限於鎢、鉻、 金、鎳、鋁、銀、銅、鈦、鑰、鉭或摻雜碳化矽。此外，金屬橋74可包含幾個薄層。例如，可以在聚醯亞胺基板20上沉積一層銅，然後再沉積一層相對較薄的鎳，以用作銅和金屬橋上沉積的半導體單體40之間的擴散阻擋層。擴散阻擋層可包含各種不同材料中的任意一種，以防止重疊的不同材料之間發生不期望的反應。中間鎳層可用於提高銅與基板的粘結效果。在另一個示例中，金屬橋74可由一層相對較薄的(如幾納米厚的超薄)鎢製成，由於鎢與聚醯亞胺膜之間良好的粘附性，鎢可以首先沉積在聚醯亞胺基板20 上。薄鋁層(如2.5微米)隨後可以沉積在鎢層上，作為金屬橋的導電體和導熱體。鎢層 (如150納米)可以沉積在鋁層上，作為電性連接至金屬橋的半導體單體40的擴散阻擋層。 此外，鎢層提供了一個惰性表面，在形成半導體單體40的溼蝕刻期間在該表面上可以對半導體單體40進行構圖。沒有被鎢覆蓋的鋁層的暴露面也可以由於暴露在高溫環境(如暴露在250° C的溫度下I小時)下而被氧化，以避免鋁遭受溼蝕刻工藝中使用的硝酸基蝕刻溶液的侵蝕。由於鋁的熱膨脹係數與熱電單體26的半導體材料38相配，並且具有相對較高的導電性和導熱率，鋁可以成為製造金屬單體36的最佳材料之一。為了在沉積前調節表面，可以在金屬化(如金屬單體和金屬橋的金屬塗敷)和/或熱電單體沉積之前，對例如基板的表面進行用作逆濺射操作的幹蝕刻工藝。圖6D顯示了箔組件18的俯視圖，其中電絕緣層70沉積在熱電單體26和金屬橋 74上，用作熱電單體26電性絕緣的保護阻擋層。凹口 84可以包含在保護層中，以便為金屬觸點76提供開孔72，便於電性連接至導線78。金屬觸點76可由任何適當的材料，如上述形成金屬橋的材料製成。金屬觸點76可選擇性地包括薄的鎳層，其可以通過包括蒸發、濺射和/或電沉積等任何適當的方式進行沉積。鎳層可以提高粘附性，並作為可在金屬觸點的鎳層上形成的金層的擴散阻擋層。金屬觸點76可選擇性地由金製成，而無鎳層。圖6E顯示了箔組件18的俯視圖，其中底板14通過導熱長片66連接至下基板表面24,如圖3中最佳所不。如前所述，導熱長片66可與底板14 一體形成,或者導熱長片66 可作為單獨的組件提供。如圖6F所示，通過導熱長片66可將頂板12安裝到箔組件18上。 導熱長片66的定位方式與圖3所示的定位方式相似。如圖I所示，圖6A至6F所示的溫差發電器10可包括塗敷於外圍邊緣的密封劑 80，以保護溫差發電器10的內部免受環境影響，並提供一個阻止水分、汙垢、化學物質及其他汙染物的屏障。另外，通過填補頂板12與底板14之間的外圍邊緣，密封劑80可提高溫差發電器10的機械穩定性。密封劑80最好具有相對較低的導熱率。在另一實施例中，密封劑80可塗敷在熱間隙68中，以提高溫差發電器10的機械穩定性。不過，熱間隙68可以填充低導熱率的任何材料，包括但不限於氣態物質，如空氣、氮氣、気氣、氪氣、氣氣或任何其他適當的氣體、液態物質或固態物質或它們的組合材質。現在參照圖7A至7F，其顯示了溫差發電器10的另一實施例，其包含交替的金屬單體36和半導體單體40。由此可見，熱電單體26的單體端部28在其連接點50相互重疊，以便熱電單體26構成一個「之」字圖案。就這一點而言，「之」字圖案增加了基板20上熱電單體26的密度。熱電單體26包含半導體單體40(即N型或P型單體44)，其與金屬單體36 交替排列，導致相對於交替排列的N型和P型單體44的功率輸出更低的功率輸出。雖然圖 7A至7F中所示配置的功率輸出較低，但單體增加的密度部分補償了相對較低的功率輸出。 另外，由於僅需要一種類型的半導體材料38(如N型或P型)，因此，可以減少金屬單體36 和半導體單體40交替配置的生產成本。此外，圖7A至7F中顯示的之字圖案體現了曲折圖案的一種變化，因此提供了有關減少熱電單體26中內部應力的優勢。在圖7A至7F所示的溫差發電器10的實施例中，與金屬單體36相鄰的半導體單體40的厚度相比，金屬單體36的厚度相對較小。如圖7A所示，金屬單體36可沉積在基板20上，沉積角度如圖7A所示呈單體錯角 α。金屬單體36可以通過任何適當的方式，包括但不限於，光刻(如剝離技術)和濺射形成在基板20上。由此可見，金屬單體36可與排軸62形成非平行關係，且一般可形成相互平行關係，儘管某些金屬單體36可呈現不同的單體錯角α，以促進相鄰各排60的互連。如圖7Β所示，電絕緣層70可塗敷到金屬單體36上，以實現金屬單體36與一系列半導體單體40(即N型單體42或P型單體44)的電絕緣。如圖7C所示，通過在金屬單體 36上形成電絕緣層70，可實現半導體單體40沿其基本上的長度方向與金屬單體36的電絕緣。不過，金屬單體36可通過如圖7Β中所示的電絕緣層70中的開孔72與半導體單體40 互連。就這一點而言，半導體單體40的單體端部28在連接點50與金屬單體36的單體端部重疊。此外,單體端部28可電性連接至金屬單體36的端部。半導體單體40可包含N型單體42或P型單體44。如上所述，對於金屬橋74而言，金屬單體36可由任何適當的材料製成，包括但不限於鎢、鉻、金、鈦、鉭、鑰和摻雜碳化矽，且可由較便宜的材料製成，包括但不限於鎳、鋁、銅及其組合。半導體單體40的單體端部28可以使用任何適當的導電膠粘劑或任何其他適當的方式通過電絕緣層70的開孔72粘結至金屬單體36的單體端部28。如圖7D所示，第二電絕緣層70可塗敷在金屬單體36和半導體單體40的組合體上作為保護塗層。如圖7E所示，底板14可按照與圖6F所述的類似方式，通過導熱長片66 熱連接至基板20上。如圖7F所示，頂板12可通過導熱長片66熱連接至熱電單體26。圖 7G顯示了沿圖7F的線7G-7G的部分截面圖，並顯示了導熱長片66在熱電單體26相對兩端的相對定位。如圖7G所示，在金屬單體36上塗敷電絕緣層70，金屬單體36端部上形成的開孔72用於電性耦合至半導體單體40的端部28。如圖所示，在半導體單體40上塗敷第二電絕緣層70，用以實現箔組件18與頂板的電絕緣。圖7G進一步顯示了從頂板12的熱源 52流向底板14的散熱器54的熱流方向。如圖7C所示，金屬單體36和半導體單體40形成了單體_單體錯角Θ，其優選， 但也可以選擇性地彼此形成銳角，以增加熱電偶48在基板20上的密度。儘管單體-單體錯角Θ在整個之字圖案中呈現一致，但單體-單體錯角Θ在熱電偶48之間可以變化。如圖7A至7F的排列所示，熱電單體26形成了一種之字圖案，這不需要單獨元件來連接相鄰設置的熱電單體26的端部，如圖6A至6F中所示的溫差發電器10所需的金屬橋74元件。圖8A-8F顯示了溫差發電器10的另一實施例，包括交替的半導體單體40和金屬單體36，並形成一個與圖7A-7F中所示實施例類似的之字圖案。就這一點而言，圖SC至8F 中所示的之字圖案導致熱電偶48在基板20上的密度為圖6C-6F中所示的曲折圖案的雙倍。如上述有關圖7A-7F所述，儘管該配置的功率輸出低於交替配置的N型和P型單體44 的功率輸出，但雙倍的單體密度部分補償了相對較低的功率輸出。另外，由於僅需一種類型的半導體材料38 (如N型或P型)，因此減少了生產成本。在圖8A-8F所示的實施例中，半導體單體40 —般與排軸62呈垂直關係，以便進一步增加熱電單體26在基板20上的密度。圖8A顯示了各排60中的金屬單體36在基板20 上的沉積或成形，其中金屬單體36呈單體錯角α，與排軸62形成非垂直關係。圖SB描述了塗敷電絕緣層及在單體端部28形成多個開孔72。圖SC顯示了半導體單體40的沉積， 其呈單體錯角α，半導體單體40—般與排軸62呈垂直關係。由於電絕緣層70中形成的開孔72，半導體單體40的單體端部28與金屬單體36的單體端部28重疊，並進行電性耦合。如圖7A-7F中的實施例所示，儘管單體-單體錯角Θ在整個之字圖案中呈現一致，但單體-單體錯角Θ在熱電偶48之間也可以變化。圖8D顯示塗敷第二電絕緣層70以實現箔組件18與頂板的電絕緣。與上述類似的，圖SE顯示底板14可通過導熱長片66連接至箔組件18。同樣地，圖8F顯示頂板12可通過導熱長片66連接至箔組件18。在圖6A-6F、7A_7F及8A-8F中所示的配置中，組裝的溫差發電器10可通過密封劑 80與環境隔離而加以保護，其中該密封劑可按圖I所示塗敷在溫差發電器10的外圍邊緣。 低導熱率的密封劑80還可嵌入熱間隙68中，以便保護各個元件及/或增加溫差發電器10 的機械穩定性。如上所述，熱間隙中還可以填充任何形式的適當材料，且首選為低導熱率的材料。例如，熱間隙中可以填充空氣、氮氣、氬氣、氪氣、氙氣或任何其他適當的氣體、液態物質或固態物質或它們的組合材質。
可以使用大量不同的製造技術來製造溫差發電器，包括但不限於採用晶圓技術和/或滾印(roll-to-roll)加工或兩者的組合工藝來成形加工箔組件18。例如，在圖 6A-6F所示實施例的晶圓技術中，加工流程首先包含提供基板20，其可由任何材料製成，包括但不限於如Kapton 的聚醯亞胺材料。基板可以安裝在支撐框架上以形成晶圓。一旦基板得到支撐，則可通過光刻和濺射沉積金屬橋74和金屬觸點76。就這一點而言，熱電單體26和/或金屬觸點76之間位於熱電堆相對兩端的金屬橋74可在蝕刻工序前產生，因此需要加以保護以免遭受半導體單體蝕刻中使用的諸如基於氟硼酸、高氯酸或硝酸的溶液的蝕刻溶液的侵蝕。如上所述，該金屬觸點76和金屬橋74 及其他金屬膜可包括鎢、鉻和/或金、鉬、鈦、鉭、鑰及摻雜碳化矽，並可通過濺射或熱蒸發進行塗敷。金屬觸點76和金屬橋74可使用諸如剝離光刻的光刻技術或任何其他適當的技術進行構圖。金屬觸點76和金屬橋74可以由一種或多種優選具有高導熱性和導電性的低成本金屬製成。如上所述，這些金屬包括但不限於鋁(Al)、鎳(Ni)、銀(Ag)或銅(Cu)或其任何組合。如上所述，這些金屬材料可通過濺射或熱蒸發進行塗敷，並可通過光刻技術進行構圖。如果優選的鋁、鎳、銀或銅等低成本金屬在蝕刻工藝之前沉積，則可塗敷一層薄金屬材料34如鎢、鉻、金、鈦、鑰、鉭或摻雜碳化矽作為保護層。該保護層可以通過光刻技術塗敷，使用在金屬材料34頂端塗敷的相對較大的剝離掩模，然後再通過剝離掩模進行濺射或熱蒸發來塗敷。或者，在塗敷光刻掩模後，可以在通過幹蝕刻和/或溼蝕刻工序濺射操作之後塗敷該保護層。鋁可以氧化，以提供對HNO3基蝕刻溶液的耐蝕性。作為一種選擇，金屬觸點76的成形過程可包括金、鎳或銀或這些材料組合的電沉積，以便將箔組件18電耦合至由溫差發電器供電的負載或設備。如上所述，由任何適當材料製成，優選由鎳製成的相對較薄的金屬條可以沉積在熱電單體26對面的下基板表面和/或電絕緣層70頂端。可以通過濺射和光刻構圖技術， 如剝離技術或正抗蝕劑之後蝕刻來沉積金屬材料。如前所述，該金屬材料可以提供可焊性表面位置，以便於通過焊接將頂板12與底板14裝配到箔組件18上。在基板上形成金屬材料(如金屬橋74和金屬觸點76)後，P型單體44可在基板 20形成上，以便其單體端部與金屬橋74的端部重疊。P型單體44可由半導體材料38製成，可運用濺射、光刻和溼化學蝕刻技術，採用適當的蝕刻劑，如基於氟硼酸或硝酸的蝕刻溶液，以生成熱電偶的P型單體44。可暴露於蝕刻溶液的金屬觸點和金屬單體可被光阻膠塗層保護。同樣地，N型單體42可由適當的半導體材料38，如Bi2Te3型半導體化合物製成， 可運用濺射、光刻和溼化學蝕刻技術，採用適當的選擇性蝕刻劑，如基於硝酸的蝕刻溶液或基於高氯酸的選擇性蝕刻溶液，以生成熱電偶的N型單體42。N型和P型單體44可通過一系列的冷熱交替濺射步驟沉積在基板20上。冷濺射步驟可以在10攝氏度左右-100攝氏度左右的溫度範圍內進行。熱濺射步驟可以在200攝氏度左右-350攝氏度左右的溫度範圍內進行。光阻膠保護層在N型單體42沉積前可以塗敷到P型單體44上，以便使用HNO3基蝕刻溶液對N型單體42進行構圖。硝酸基溶液以不同的速度蝕刻N型單體和P型單體。硝酸基溶液可以在能夠降低P型單體蝕刻速度的某一溫度下作用，以便減少或免除對塗敷光阻膠層的需要。此外，改變蝕刻溶液的成分或比例可以對N型材料進行選擇性蝕刻。通過將HNO3基蝕刻溶液用於N型和P型單體44的構圖，在具有氧化鋁表面的基板20上形成的鎢-鋁金屬單體36和金屬觸點76可以承受HNO3基蝕刻溶液的腐蝕。在箔組件18製造之後，電絕緣層70可以按圖6D、7D和8D所示運用光刻等任何適當的工藝塗敷到熱電單體26上。電絕緣層70可以在將箔組件18切成最終形狀和大小之前進行退火。頂板12與底板14可以安裝到箔組件18上，以便箔組件18夾在頂板12與底板14之間。如上所述，頂板12與底板14的安裝可包含各種不同的方式，其中導熱長片66 可用於將頂板12與底板14熱連接到箔組件18上。形成溫差發電器10的方法的另一實施例可包含在基板20上形成N型和P型單體 44，然後沉積金屬橋74，以便電性連接相鄰對熱電單體26的單體端部，這類似於2003年5 月19日提交的發明名稱為LOW POffERTHERMOELECTRIC GENERATOR(低功率溫差發電器)的美國專利No. 6，958，443中公開的方法，該專利文件的全部內容明確納入本文作為參考。例如，該方法可包含通過對P型半導體材料38進行濺射、光刻和溼化學蝕刻在基板20上形成 P型單體44 (或N型單體42)，以生成熱電偶的P型單體44。之後可以通過對N型半導體材料38進行濺射、光刻和選擇性溼化學蝕刻，在基板20上成形加工N型單體42 (或P型單體 44)，以生成熱電偶的N型單體42。包含金屬橋74和金屬觸點76的金屬材料34可以通過光刻和濺射塗敷。上述電絕緣層70等防護罩層可以用光刻工藝施加，之後執行退火步驟。 一旦完成，箔組件18可以在安裝頂板12與底板14之前切割成所需的形狀和大小。在一個可選的實施例中,溫差發電器10的形成方法包括圖6A-6F中所述的類似工序，其中金屬橋74和/或金屬觸點76形成在基板20上，隨後形成P型和N型單體42，以便 P型和N型單體42的端部與金屬橋74的端部重疊。第二組金屬橋74和金屬觸點76可以沉積在最初沉積的金屬橋74和金屬觸點76上，且一般要與其對準，以便N型和P型單體44 的單體端部夾在金屬橋74之間。此類排列可以加固之前成形的金屬橋74和金屬觸點76。 對箔組件18的切割步驟可在安裝頂板12與底板14至箔組件18前重複進行，以獲得所需的形狀和/或大小。對於如圖7A-7F、8A_8F所示以及上文所述的具有交替的半導體材料38和金屬材料34的溫差發電器10實施例，該工序可以包括提供基板20，然後在基板上形成金屬單體 36和金屬觸點76。金屬單體36和金屬觸點76可通過上述任何適當的方式，如光刻和濺射沉積，以生成熱電偶的金屬觸點76和金屬單體36。可以通過光刻技術將電絕緣層70塗敷到基板20上，並覆蓋金屬單體36，單體端部38除外，之後便可對電絕緣層70進行退火處理。P型單體44可通過對P型半導體進行濺射、光刻和溼化學蝕刻進行沉積，以生成熱電偶的P型單體44。可通過光刻技術塗敷電絕緣層70的覆蓋層，之後便可對電絕緣層70進行退火處理。可以將箔組件18切割成所需的形狀，然後按照與上述類似的方式安裝頂板12 與底板14。雖然可以使用許多不同的製造技術在基板上形成熱電單體26和/或金屬單體36， 但在高真空沉積設備的輔助下優選使用磁控濺射或等離子濺射等濺射方法。濺射可用於使相對較厚的半導體材料38，如碲化鉍型半導體材料38沉積在相對較薄的基板上。在與上述材料系統一同使用時，本發明的溫差發電器10可獲得極高的功率輸出。該增加的功率輸出部分歸因於碲化鉍型(Bi2Te3型)材料系統的使用，其在室溫下比起其他材料系統具有相對較高的品質因數(Z)，並可在32華氏攝氏度左右至212華氏攝氏度左右的溫度範圍(即相當於O攝氏度左右至100攝氏度左右的溫度範圍)內有效作用。溫差發電器10的效率可以由熱電品質因數(Z)來表示，其公式為Z=S2o/k，其中，σ和K分別為導電率和導熱率，S為塞貝克係數，表示為毫伏/度K (μν/Κ)。Z可以改寫為F/κ，其中P為功率因數。由於本發明熱電單體26具有獨特的材料構成並結合了沉積程序，可以實現半導體材料38相對高數值的功率因數(P)。例如，通過濺射方式將Bi2Te3型半導體材料38形成在基板20上，與現有技術的配置相比，可以為P型和N型單體42帶來更佳的功率因數值。更具體而言，如果對P型單體44使用優化濺射工序，並將Bi2Te3型半導體材料38 用作原始材料，則塞貝克係數(Sp)大約為210μν/Κ，在室溫範圍內功率因數(Pp)大約為 35 μ ff/ (K2*cm)時的導電率(O p)大約為8001/( Ω*αιι)。對於將Bi2Te3型半導體材料38 用作原始材料的N型單體42，塞貝克係數(Sn)大約為-180 μ V/K，同時在室溫範圍內功率因數(Pn)大約為23μΙ/(Κ2*αιι)時的導電率(σ η)大約為7001/(Q*cm)。如上所述，箔組件也可以使用滾印處理技術製造而成，以便將一系列熱電單體26沉積到上、下基板表面22，24的至少其中一面。這種滾印處理類似於2005年08 月23日公布的Chan-Park等人的美國專利No. 6，933，098，發明名稱為「PROCESS FOR ROLL-TO-ROLL MANUFACTURE OF A DISPLAYBY SYNCHRONIZED PHOTOLITHOGRAPHIC EXPOSURE ON ASUBSTRATE WEB (在基材上同步光刻曝光的滾印製造顯示器的方法)」，其所有內容通過援引的方式納入本發明。同樣地，可以使用相似的滾印處理將金屬橋74和金屬觸點 76沉積到上、下基板表面22，24的至少其中一面。而且，本發明公開的溫差發電器10的實施例可以使用2008年09月30日提交的美國專利公開No. 20090025771，名稱為「LOW POffERTHERMOELECTRIC GENERT0R (低功率溫差發電器)」中揭示的其中一種或多種方法製造而成，其所有內容通過援引的方式納入本發明。各個實施例中公開的溫差發電器10可以提供各種性能參數，具體取決於材料系統、部件的幾何形狀以及熱電單體26、金屬橋74、基板20、導熱長片66和頂板與底板12，14 的排列配置。例如，在頂板與底板12，14之間的溫度梯度大約5K的情況下，溫差發電器10 可以提供約0. 2V-約2. OV的開路熱電電壓輸出，這可以在一系列排的熱電單體26的相對兩端測量出來，例如在圖I所示的相對導電線之間。頂板與底板12，14之間的溫度梯度定義為溫差發電器之上從頂板到底板，或者從底板到頂板的溫差。在頂板與底板12，14之間的溫度梯度大約5K的情況下，溫差發電器10在大約0. 1V-1. OV的匹配負載上可以提供熱電電壓輸出。在頂板與底板12，14之間的溫度梯度大約5K的情況下，溫差發電器10的電流可介於大約0. lmA-5. OmA的範圍之內，雖然溫差發電器10可以通過配置來提供高於或者低於0. ImA-5. OmA的電流輸出。在頂板與底板12，14之間的溫度梯度大約5K的情況下，溫差發電器10可以提供大約0. Imff-約0. 5mff的功率輸出。在頂板與底板12，14之間的溫度梯度大約5K的情況下，溫差發電器10的能量轉換效率位於大約0. 02%-約0. 20%之間。在頂板與底板12，14之間的溫度梯度大約5K的情況下，功率輸出密度，被定義為基板區域的功率輸出位於約0. lmff/cm2-約0. 5mff/cm2的範圍之內。溫差發電器10可以提供大約10K/W-約20K/W的熱阻。儘管如此，如上所示，溫差發電器10的性能參數取決於構成溫差發電器10的材料系統和部件的幾何形狀，因此可以不在上述性能範圍之內。圖11-16為溫差發電器10的功率特性和電氣參數的圖表，這些特性與參數隨頂板12和底板14之間的溫差發生變化。例如，圖11和圖14描述了在頂板12和底板14之間的各種溫差情況下溫差發電器10的電氣參數圖表。更具體而言，圖11和圖14描述了所測的電壓(伏特)與電流(毫安)的圖表。如圖11所示，溫差發電器10在溫度梯度5K時可以提供大約O. 55V的開路電壓和大約1000暈安(μ A)的短路電流輸出。圖12與圖15為匹配負載時的功率輸出圖表，其中，匹配負載是指負載電阻與溫差發電器10的電阻之比。如圖12所示，當負載電阻與溫差發電器10電阻之比為約1，頂板與底板12，14上的溫差為5Κ時，電功率輸出大約140毫瓦(μ \Υ)。圖13與圖16為溫差發電器10在匹配負載時(即負載電阻與溫差發電器電阻之比等於I)的功率輸出與頂板和底板12，14上的溫差圖表。如圖13所示，溫差發電器10在溫度梯度5Κ時提供大約O. 28V的電壓輸出，在這種匹配負載下提供大約140 μ W的功率輸出。圖11-圖16所示的此類測量在基本溫度30° C時進行。進一步地，如圖13，溫差發電器10的功率輸出與電壓輸出通常隨頂板與底板12，14的溫度梯度上升而相應增加。顯然本領域普通技術人員可對本發明進行其他修改和改進。因此，這裡所描述以及圖示的部件的特定組合僅代表本發明的某些實施例，不用於限制本發明的精神和範圍內的替代實施例或裝置。
權利要求
1.一種溫差發電器,包括一對頂板和底板；夾在所述頂板與底板之間的基板，該基板具有上、下基板表面，並由導熱率相對較低的電絕緣材料形成；一系列熱電單體，由在所述上、下基板表面的至少一個表面上的至少一排中排列的異種材料交替形成，每一個熱電單體都界定一單體軸，其方向與排軸呈不平行關係；以及至少一對導熱長片，安裝在該基板的相反兩側上，與所述排中的熱電單體的相對兩端對準，以便熱電單體的一端與頂板熱接觸，熱電單體的另一端與底板熱接觸，導熱長片界定熱電單體與頂板和底板之間的熱間隙，使熱量縱向流經所述熱電單體。
2.根據權利要求I所述的溫差發電器，其中電流沿著與所述基板的表面平行和每一個熱電單體的單體軸平行的方向流經單體。
3.根據權利要求I所述的溫差發電器，其中所述上、下基板表面的每一面都包括至少一排熱電單體。
4.根據權利要求I所述的溫差發電器，進一步包括夾在所述導熱長片與熱電單體之間的至少一個電絕緣層。
5.根據權利要求I所述的溫差發電器，進一步包括形成在所述基板上的多個排；所述多排熱電單體電性串接。
6.根據權利要求I所述的溫差發電器，其中所述基板包括多個排；一排中的熱電單體的端部與相鄰一排中的熱電單體的端部分隔，以界定排間隙； 所述導熱長片與該排間隙對準。
7.根據權利要求I所述的溫差發電器，其中所述熱電單體的單體軸與所述排軸基本垂直。
8.根據權利要求I所述的溫差發電器，其中所述排中的熱電單體基本上相互平行。
9.根據權利要求I所述的溫差發電器，其中所述異種材料包含異種半導體材料，以使熱電單體包含N型和P型單體；N型和P型單體的至少一種由包含Bi2Te3型半導體材料的原始材料形成。
10.根據權利要求I所述的溫差發電器，進一步包括在所述基板上形成的多個金屬橋；所述異種材料包含異種半導體材料，以使熱電單體包含N型和P型單體；每一種N型和P型單體都有相對的兩單體端部，所述單體端部與金屬橋重疊，以使金屬橋將P型單體與在P型單體相對兩端的相鄰N型單體電性互連。
11.根據權利要求10所述的溫差發電器，其中所述金屬橋由金屬材料構成，至少包括下列其中一種金屬鎢，鉻，金，鎳，鋁，銀，銅， 鈦，鑰，鉭和摻雜碳化娃。
12.根據權利要求I所述的溫差發電器，其中所述異種材料包含金屬材料和半導體材料，以使熱電單體包含金屬單體和N型與P型單體的其中一種；所述金屬單體的金屬材料至少包括下列其中一種金屬鎢，鉻，金，鎳，鋁，銀，銅，鈦， 鑰，鉭和摻雜碳化矽。
13.根據權利要求12所述的溫差發電器，其中所述N型與P型單體的半導體材料包含Bi2Te3-型半導體材料。
14.根據權利要求12所述的溫差發電器，其中所述金屬單體形成在基板上；所述半導體單體沿半導體單體的基本長度方向與金屬單體電絕緣；所述半導體單體的單體端部與金屬單體的單體端部重疊並電耦合。
15.根據權利要求14所述的溫差發電器，進一步包括夾在金屬單體與半導體單體之間的電絕緣層，在每一單體端部都設有開孔用於電耦合所述單體端部。
16.根據權利要求12所述的溫差發電器，其中相鄰各對熱電單體的單體軸構成銳角，以使所述排中的一系列熱電單體形成之字圖案。
17.根據權利要求I所述的溫差發電器，其中所述異種材料包含至少下列其中一種金屬材料和半導體材料，以使所述熱電單體包含金屬單體和N型和P型單體的其中一種；半導體材料，以使所述熱電單體包含η-型和P型單體；N型和P型單體中的至少一種，具有大約15微米-大約100微米的單體厚度，大約10 微米-大約500微米的寬度，以及大約50微米-大約500微米的長度；所述金屬單體的厚度為大約O. 5微米-大約5微米，寬度為大約10微米-大約500微米，長度為大約50微米-大約500微米。
18.根據權利要求17所述的溫差發電器，其中每一種N型和P型單體的單體厚度為大約20-大約35微米。
19.根據權利要求17所述的溫差發電器，其中所述基板具有一基板厚度；所述N型和P型單體的單體厚度為所述基板厚度的約I-約10倍；所述基板厚度為所述金屬單體的單體厚度的約I-約50倍。
20.根據權利要求19所述的溫差發電器，其中所述N型和P型單體的單體厚度與基板厚度的厚度比為約2-約4 ;所述基板厚度與金屬單體的單體厚度的厚度比為約10-約15。
21.根據權利要求19所述的溫差發電器，其中所述基板由聚醯亞胺材料構成。
22.根據權利要求I所述的溫差發電器，在所述頂板與底板之間的溫度梯度大約為5Κ 時具有至少下列一項性能參數開路熱電電壓輸出:大約O. 2V-大約2. OV ；匹配負載時的熱電電壓輸出大約O. IV-大約I. OV ；電流大約O. ImA-大約5. OmA ；功率輸出:大約O. Imff-大約O. 5mff ；功率輸出密度大約O. lmff/cm2-大約O. 5mff/cm2 ；能量轉換效率:大約O. 02%-大約O. 2%。
23.根據權利要求I所述的溫差發電器，其熱阻為大約10K/W-大約20KW。
24.一種溫差發電器的形成方法，包括下列步驟提供一基板；在該基板上形成金屬橋；在該基板上交替形成N型和P型單體，以構成一排熱電單體，使N型和P型單體的端部與該金屬橋重疊，以串聯電互連N型和P型單體，每一個熱電單體都界定一單體軸，其方向與排軸呈不平行關係；以及用電絕緣層覆蓋所述基板、金屬橋及N型和P型單體。
25.根據權利要求24所述，還包括下列步驟使用導熱長片將頂板和底板與基板連接，所述導熱長片與熱電單體的相對兩單體端部對準，以這種方式在基板、熱電單體和頂板與底板之間形成熱間隙。
26.根據權利要求24所述的方法，其中交替的所述N型和P型單體界定一排熱電單體；每一個熱電單體界定一單體軸；熱電單體的單體軸與排軸呈基本上垂直關係。
27.根據權利要求24所述的方法，其中，在該基板上形成金屬橋的步驟包括在該基板上形成一鶴層；在該鎢層上形成一鋁層；以及在該鋁層上形成一鎢層。
28.根據權利要求24所述的方法，其中所述半導體單體由包含Bi2Te3-型半導體材料的材料形成。
29.根據權利要求24所述的方法，進一步包括下列步驟用導熱率相對較低的材料填充熱間隙。
30.一種溫差發電器的箔組件的形成方法，包含下列步驟提供一基板；在該基板上形成彼此隔開的一排金屬單體；用電絕緣層覆蓋所述金屬單體；在該電絕緣層中所述金屬單體的相對兩單體端部處形成開孔；在該基板上形成半導體單體，所述半導體單體與金屬單體呈交替排列關係，以使所述半導體單體的單體端部重疊，並與金屬單體的單體端部電耦合，以形成該排的之字圖案；以及用電絕緣層覆蓋所述基板、金屬橋和半導體單體。
31.根據權利要求30所述的方法，還包括下列步驟使用導熱長片將頂板和底板與基板連接，所述導熱長片與半導體和金屬單體的相對兩單體端部對準，以這種方式在所述基板、半導體單體和頂板與底板之間形成熱間隙，使熱量縱向流經半導體和金屬單體。
32.根據權利要求30所述的方法，其中所述半導體和金屬單體的每一個都界定一單體軸，該方法還包括下列步驟所述半導體和金屬單體的至少一個的方向形成為使相鄰對半導體和金屬單體的單體軸構成銳角。
33.根據權利要求30所述的方法，其中所述金屬單體由至少下列一種材料製成鎢，鉻，金，鎳，鋁，銀，銅，鈦，鑰，鉭和摻雜碳化矽；所述半導體單體由包含Bi2Te3-型半導體材料的材料形成。
34.根據權利要求30所述的方法，還包括下列步驟用導熱率相對較低的材料填充熱間隙。
全文摘要
一種溫差發電器，可包含一對其間配有箔組件的導熱頂板與底板。該箔組件可包括一基板，在基板上形成一系列熱電單體。所述單體可由在至少一排中排列的交替的異種材料形成。每一個單體可界定與排軸不平行的單體軸。在基板兩側的導熱長片可與這些排中的單體的相對兩端對準，以使單體的一端與頂板熱接觸，單體的另一端與底板熱接觸。導熱長片在單體和頂板與底板之間界定熱間隙，以使熱量縱向流經單體而產生電壓。
文檔編號H01L35/00GK102612762SQ201080050776
公開日2012年7月25日 申請日期2010年10月21日 優先權日2009年10月25日
發明者英戈·斯達克 申請人:數字安吉爾公司