薄膜式熱電轉換組件、裝置及其堆疊組件的製作方法

2023-05-25 22:24:46 1

專利名稱：薄膜式熱電轉換組件、裝置及其堆疊組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜式熱電轉換組件及其堆疊組件，且特別是關於一 種在應用後可具有高熱電轉換效能的薄膜式熱電轉換組件及其堆疊組件。
背景技術：
熱電轉換組件(Thermoelectric module/device)是一種具有熱與電兩 種能量互相轉換特性的組件，由於其熱電轉換特性，因此具有致冷/加熱 以及發電兩種應用領域。若對熱電轉換組件通入直流電，可使組件兩端分 別產成吸熱與放熱現象，因此可應用在需致冷或加熱的技術領域；若使熱 電轉換組件兩端分別處於不同溫度，則可令熱電轉換組件輸出直流電，因 此可應用在發電技術領域。
請參照圖1，其繪示一種傳統熱電轉換組件應用裝置的側視圖。傳統 的熱電轉換裝置一般由塊狀的P型熱電材料101與N型熱電材料102、導 電金屬層111a/lllb、焊料及電絕緣的上下基板121a/121b所構成。其中 熱電材料101、 102的特性主要決定了熱電轉換組件的性能。如圖1所示， P型熱電材料101與N型熱電材料102通常為直立式，利用導電金屬層 111a/lllb將P型、N型熱電材料以串聯方式連接，而電絕緣的上下基板
9121a/121b其材料例如是陶瓷基板。以熱電致冷應用為例，輸入的直流電 在P型、N型熱電材料101/102內的流動方向(上下流動)與轉換組件熱傳 送方向(上下傳送)平行，熱電致冷組件在上下方產生溫差與吸放熱。若以 溫差發電為例，熱電轉換組件溫差與熱流方向，同樣與熱電材料內產生的 電流方向平行。然而，此種傳統結構的熱電轉換組件，受限於塊狀熱電材 料熱電優值(Figure of merit, ZT)特性瓶頸，其效率並不高，通常熱電 致冷最大致冷力(cooling capacity)大約只有3 5W/cm2，而熱電組件發 電效率在冷熱端20(TC溫度差異下約為2 3%。欲提高熱電轉換組件效能， 將高ZT值熱電材料使用於熱電變換組件中是最直接而有效的方法。
雖然過去20 30年間已有許多研究致力於提升熱電材料的性質以及 熱電轉換組件的效能，但成效並不明顯，主要原因是熱電材料的ZT值難 以突破大約等於1的瓶頸，限制了熱電轉換組件性能。公元1993年時美 國麻省理工學院教授Hicks與Dresselhaus等人提出將熱電材料尺度減少 至納米尺度時，熱電優值ZT可能大幅提升。接著於公元2001年，美國RTI 研究所Venkatasubmmanian等人發現P型Bi2Te3/Sb2Te3超晶格薄膜ZT 值在室溫附近可達到2. 4左右，突破了 ZT 1的瓶頸。公元2004年美國 Hi-Z公司研究P型B4C/B9C與N型Si/SiGe量子層(quantum well)薄膜， 並實驗量測估算ZT值可能大於3。因此根據前述研究結果顯示，薄膜型熱 電材料具有高ZT值的優勢(從根本上提升熱電轉換組件的效率)，可望突 破傳統塊狀材料特性瓶頸。另外，薄膜型熱電材料耗用材料少，易製作微 小型熱電轉換組件，無論是在微電子組件冷卻(microcooling)或高效率熱 電發電機(Thermoelectric generator)領域，其應用潛力將愈來愈高。然而，如此具有潛力的薄膜型熱電材料，直接應用在在傳統構型的組
件時，卻難以有高性能的表現。請參照圖2，其繪示一種傳統具有薄膜型 熱電轉換組件的裝置的側視圖。如圖2所示，在厚度相對較厚的上下基板 221a/221b之間(材料)，設置有P型熱電材料薄膜201和N型熱電材料薄 膜202，且熱電材料薄膜201/202和上下基板221a/221b之間亦具有金屬 柱231和導電金屬層211a/211b。而熱電材料薄膜201/202是通過焊料層 241與上基板221a黏合，金屬柱231則通過焊料層242與下基板221b黏合。
如圖2所示，若將薄膜型熱電材料直接應用至傳統構型的熱電轉換裝 置，雖然薄膜型熱電材料己被初步證實具有提高ZT值的效果，但通過材 料的電流與熱流仍為垂直薄膜方向，由於薄膜材料厚度僅約數十納米至數 十微米之間，意即熱電轉換組件的冷熱端僅有微米等級的間距，熱端迅速 散熱要求極為嚴苛，熱流易回傳而減少溫差與致冷效果。再者，由於薄膜 材料厚度甚薄，熱電材料與金屬層接合界面電阻與熱阻影響因素劇增，焦 耳發熱(Joule，s heating)也會減損熱電轉換組件效率。因此薄膜型熱電 材料直接導入傳統熱電轉換構型的裝置，實際上並不如預期般有高性能的 表現。

發明內容
本發明目的是提供一種薄膜式熱電轉換組件、裝置及其堆疊組件，其 結構可使電流以平行熱電薄膜材料的方向流動，而組件冷熱端的距離也可 維持足夠溫差，而使熱電薄膜材料充分發揮其高ZT值的優點，達到提高組件熱電轉換效能的目的。
根據本發明的第一方面，提出一種薄膜式熱電轉換組件，至少包括一 環狀絕緣基板和多組熱電薄膜材料。環狀絕緣基板具有一環狀內緣、 一環 狀外緣及一第一表面。多組熱電薄膜材料是形成於環狀絕緣基板的第一表 面上並電性連接，每一熱電薄膜材料組包括電性連接的一 P型熱電薄膜和
一 N型熱電薄膜，且每一熱電薄膜材料組的N型熱電薄膜是與相鄰的熱電 薄膜材料組的P型熱電薄膜電性連接。其中，當一電流以平行該些P型和 N型熱電薄膜的方向依序通過該些熱電薄膜材料組，環狀絕緣基板的環狀 內緣和環狀外緣之間是形成一溫度差。
根據本發明的第二方面，提出一種薄膜式熱電轉換裝置，至少包括
一環狀絕緣基板、多個第一熱電薄膜材料組和一第一絕緣層。環狀絕緣基 板具有一環狀內緣、 一環狀外緣、 一上表面及一下表面。多個第一熱電薄 膜材料組形成於環狀絕緣基板的上表面上並電性連接，每該第一熱電薄膜
材料組包括電性連接的一 P型熱電薄膜和一 N型熱電薄膜，且每該第一熱 電薄膜材料組的N型熱電薄膜是與相鄰的熱電薄膜材料組的P型熱電薄膜 電性連接。第一絕緣層則形成於環狀絕緣基板的上表面上並覆蓋該些第一 熱電薄膜材料組。其中，當一電流以平行該些P型和N型熱電薄膜的方向 依序通過該些第一熱電薄膜材料組，環狀絕緣基板的環狀內緣和環狀外緣 之間是形成一溫度差。
根據本發明的第三方面，是提出一種薄膜式熱電轉換堆疊組件，至少
包括 一第一絕緣層、 一第一熱電轉換組件、 一第二絕緣層、 一第二熱電
轉換組件和一第三絕緣層。其中，第一、第二熱電轉換組件的結構如上所述。而第一絕緣層是形成於第一熱電轉換組件的上方並覆蓋位於對應基板 的上表面的熱電薄膜材料組。第二絕緣層位於第一、第二熱電轉換組件之 間。第三絕緣層則位於第二熱電轉換組件的下方並覆蓋位於對應基板的下 表面的熱電薄膜材料組。其中，當一電流依序通過第一、二熱電轉換組件 的熱電薄膜材料組時(電流方向與該些熱電薄膜材料組的方向平行)，兩 環狀絕緣基板的環狀內緣和環狀外緣之間是可形成一溫度差。
為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合 所附圖式，作詳細說明如下


圖1繪示一種傳統熱電轉換組件應用裝置的側視圖2繪示一種傳統具有薄膜型熱電轉換組件的裝置的側視圖3繪示依照本發明第一實施例的薄膜式熱電轉換組件的示意圖4A為圖3的剖面示意圖，是繪示P/N型熱電薄膜材料組僅沉積於
環狀絕緣基板的一表面；
圖4B繪示依照本發明第一實施例的另一種薄膜式熱電轉換組件的剖
面示意圖，其基板的上下表面同時沉積P/N型熱電薄膜材料；
圖5A、圖5B是繪示依照本發明第二實施例的薄膜式熱電轉換裝置的
示意圖。其中，圖5B為圖5A接合完成的示意圖6A、圖6B是繪示依照圖5B的薄膜式熱電轉換裝置與一種熱傳導組
件組合的示意圖。其中，圖6B為圖6A組合完成的示意圖7A、圖7B是繪示依照圖5B的薄膜式熱電轉換裝置與另一種熱傳導組件組合的示意圖。其中，圖7B為圖7A組合完成的示意圖8A、圖8B是繪示依照本發明第三實施例的薄膜式熱電轉換堆疊組 件的示意圖。其中，圖8B為圖8A組件完成組合的示意圖。
主要組件符號說明
101: P型熱電材料
20]: P型熱電材料薄膜
102: N型熱電材料
202: N型熱電材料薄膜
111a/lllb、 211a/211b:導電金屬層
121a/121b、 221a/221b:上下基板
231:金屬柱
241、 242:焊料層
3、 4:薄膜式熱電轉換組件
31:環狀絕緣基板 312:第一表面 313:第二表面 316:環狀內緣 317:環狀外緣
32、 42: P型熱電薄膜
33、 43: N型熱電薄膜
35:第一導電體
1436:第二導電體 37:第一導線 38:第二導線 45:第三導電體 46:第四導電體
4a:第一熱電轉換組件
4b:第二熱電轉換組件 5:熱電轉換裝置 51、 81:第一絕緣層
53、 83:第二絕緣層
85:第三絕緣層
55、 87:通孔
61:第一熱傳組件
62、 63:第二熱傳組件 632:散熱鰭片
65:熱源
具體實施例方式
本發明是提出一種薄膜式熱電轉換組件及其堆疊組件，其特殊的結
構，可使熱電薄膜材料充分發揮其高ZT值的優點，不論是在致冷/加熱或
發電的應用領域，均可達到提高組件熱電轉換效能的目的。
本發明是提出第一、第二和第三實施例，是分別繪示依照本發明的一種薄膜式熱電轉換組件、 一種薄膜式熱電轉換裝置和一種薄膜式熱電轉換 堆疊組件。然而，實施例所提出的細部結構和製程步驟僅為舉例說明之用， 並非對本發明欲保護的範圍做限縮。再者，實施例中的圖示亦省略不必要 的組件，以利清楚顯示本發明的技術特點。
第一實施例
請參照圖3，其繪示依照本發明第一實施例的薄膜式熱電轉換組件的
示意圖。薄膜式熱電轉換組件3包括一環狀絕緣基板31和多組熱電薄膜 材料(sets of thermoelectric thin film material pair, TEP)。其中， 環狀絕緣基板31具有一第一表面312、一環狀內緣316及一環狀外緣317。 多組熱電薄膜材料例如是以沉積方式形成於環狀絕緣基板31的第一表面 312上，且該些熱電薄膜材料組之間並電性連接。每一熱電薄膜材料組包 括電性連接的一 P型熱電薄膜(斜線區塊)32和一 N型熱電薄膜33 (N-type thermoelectric thin film elements, TEE)，且每一^!;電薄月莫材料組的N 型熱電薄膜33是與相鄰的熱電薄膜材料組的P型熱電薄膜32電性連接。 其中，P型熱電薄膜32和N型熱電薄膜33的厚度約為10nm至200um之 間。另外，熱電薄膜材料組之間是以導電體電性連接。
如圖3所示，環狀絕緣基板31的第一表面312上更包括多個鄰近於 環狀內緣316的第一導電體35和多個鄰近於環狀外緣317的第二導電體 36。第一導電體35是電性連接每一熱電薄膜材料組中的P型熱電薄膜32 和N型熱電薄膜33;而第二導電體36則用以電性連接相鄰的兩熱電薄膜 材料組，例如連接每一熱電薄膜材料組的N型熱電薄膜33和相鄰熱電薄膜材料組的P型熱電薄膜32。第一導電體35和第二導電體36例如是以沉 積方式形成於環狀絕緣基板31的第一表面312上。
再者，熱電轉換組件更包括導線以連接至該些導電體，包括一第一導 線37和一第二導線38，如圖2所示，第一導線37是透過導電體與排列於 首位的熱電薄膜材料組的P型熱電薄膜32電性連接；第二導線38是透過 導電體與排列於最末位的熱電薄膜材料組的N型熱電薄膜33電性連接。
根據圖3所示的薄膜式熱電轉換組件的結構，通過該些熱電薄膜材料 組的電流為平行P型熱電薄膜32和N型熱電薄膜33的方向。當通入一電 流，電流於圖3結構的第1組熱電薄膜材料組進入，自該第n組熱電薄膜 材料組(n為^2的正整數)流出。可在環狀絕緣基板31的環狀內緣316和 環狀外緣317之間形成一溫度差(例如環狀內緣316冷，而環狀外緣317 熱)，而可避免傳統構件中冷熱端距離過近(即熱電薄膜上下表面可造成的 溫差距離太短)而造成熱回流的問題。
值得注意的是，雖然在圖3中是以P/N型熱電薄膜材料同時沉積在環 狀絕緣基板31的第一表面312為例作說明，但本發明並不以此為限，也 可在基板31的另一表面同時沉積相同的熱電薄膜材料組，以增加P/N型 熱電薄膜材料對數，提高熱電轉換組件致冷力或發電量。請參照圖4A和 圖4B。圖4A為圖3的剖面示意圖，是繪示P/N型熱電薄膜材料組僅沉積 於環狀絕緣基板的一表面。圖4B則繪示依照本發明第一實施例的另一種 薄膜式熱電轉換組件的剖面示意圖；其中，基板的上下表面同時沉積有P/N 型熱電薄膜材料。
如圖4B所示，環狀絕緣基板31的第二表面313 (和第一表面312分別為基板31的下/上表面)，是沉積的多個第二熱電薄膜材料組，每一第二 熱電薄膜材料組亦包括電性連接的一 P型熱電薄膜42和一 N型熱電薄膜 43，且每第二熱電薄膜材料組的N型熱電薄膜43是與相鄰熱電薄膜材料 組的P型熱電薄膜42電性連接。而每第二熱電薄膜材料組的P型熱電薄 膜42和N型熱電薄膜43是以第三導電體45電性連接，且第三導電體45 的位置是鄰近於環狀內緣316。而第四導電體46則用以電性連接兩相鄰的 第二熱電薄膜材料組，例如連接每第二熱電薄膜材料組的N型熱電薄膜43 和相鄰第二熱電薄膜材料組的P型熱電薄膜42，且第四導電體46的位置 是鄰近於環狀外緣317。圖4B的熱電薄膜排列方式和導電體之間的連接關 系亦可參照圖3。
當然，具有通常知識者當知，實際應用時，可依條件所需彈性地選擇 在基板的一面、或是兩面上形成熱電薄膜材料組(其單面結構如圖3所示)， 本發明對此並不多作限制。
另外，環狀絕緣基板31是具有絕熱和絕電的特性，其材料例如是低 熱傳導的陶瓷材料，如氧化鋯系列、硒化鎢系列等，或是耐熱高分子材料， 如聚醯亞胺系列等。然本發明並不對實際應用材料多作限制。
P型熱電薄膜32和N型熱電薄膜33的材料，為具有高熱電優值的半 導體或半金屬元素或化合物，例如是摻入銻及硒的碲化鉍 ((BiSb)2(TeSe)3)系列、碲化鉛(PbTe)及鉛錫碲(PbSnTe)系列、矽(Si)及 矽鍺(SiGe)系列、半-豪斯勒(Half-Heusler)介金屬合金系列(一種強磁性 非鐵合金)、金屬矽化物(Silicide)的化合物系列、或二硒化鎢(WSe2)系 列等。再者，熱電薄膜的沉積方式可為濺鍍、熱蒸鍍、電弧離子鍍膜、化學氣相蒸鍍、電鍍及化學鍍等。然實際應用時，需依應用條件作材料與沉 積方式的適當選擇，因此本發明並不對此多作限制。
至於第一導電體35和第二導電體36的材料例如是導電金屬，其可為 低電阻的金屬或合金，例如銅(Cu)、鐵(Fe)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、 錫(Sn)、銀(Ag)、金(Au)等。然實際應用時，亦可應用狀況作適當選擇， 本發明並不對此多作限制。
第二實施例
在第二實施例中，提出一熱電轉換裝置。將第一實施例所揭露的熱電 轉換組件的上下方分別設置絕緣層，組合後的裝置可與絕電的熱傳組件結 合，而作致冷或發電的應用。另外，在第二實施例中是以基板上下表面均 有熱電薄膜材料為例作說明。
請參照圖5A、圖5B，是繪示依照本發明第二實施例的薄膜式熱電轉 換裝置的示意圖。其中圖5B為圖5A接合完成的示意圖。圖5A、圖5B中 與圖犯相同的組件是沿用同樣標號。
如圖5A所示，先提供一熱電轉換組件4，包括一環狀絕緣基板31和 多個第一、第二熱電薄膜材料組。其中該些第一熱電薄膜材料組和第二熱 電薄膜材料組分別形成於環狀絕緣基板31的第一表面312和第二表面 313(即基板的上/下表面)。
每一第一熱電薄膜材料組包括電性連接的一 P型熱電薄膜32和一 N 型熱電薄膜33，且每第一熱電薄膜材料組的N型熱電薄膜33是與相鄰熱 電薄膜材料組的P型熱電薄膜32電性連接。而每第一熱電薄膜材料組的P型熱電薄膜32和N型熱電薄膜33是以第一導電體35電性連接，且第一 導電體35的位置是鄰近於環狀內緣316。而第二導電體36則用以電性連 接兩相鄰的第一熱電薄膜材料組，例如連接每第一熱電薄膜材料組的N型 熱電薄膜33和相鄰第一熱電薄膜材料組的P型熱電薄膜32，且第二導電 體36的位置是鄰近於環狀外緣317。
同樣的，每一第二熱電薄膜材料組亦包括電性連接的一 P型熱電薄膜 42和一 N型熱電薄膜43，且每第二熱電薄膜材料組的N型熱電薄膜43是 與相鄰熱電薄膜材料組的P型熱電薄膜42電性連接。而每第二熱電薄膜 材料組的P型熱電薄膜42和N型熱電薄膜43是以第三導電體45電性連 接，且第三導電體45的位置是鄰近於環狀內緣316。而第四導電體46則 用以電性連接兩相鄰的第二熱電薄膜材料組，例如連接每第二熱電薄膜材 料組的N型熱電薄膜43和相鄰第二熱電薄膜材料組的P型熱電薄膜42， 且第四導電體46的位置是鄰近於環狀外緣317。當一電流以平行該些P 型和N型熱電薄膜的方向依序通過該些第一、第二熱電薄膜材料組，環狀 絕緣基板31的環狀內緣316和環狀外緣317之間可形成一溫度差。
形成熱電轉換組件4後，在其上下側分別與一第一絕緣層51和一第 二絕緣層53接合，接合後的熱電轉換裝置是如圖5B所示。第一絕緣層51 是形成於環狀絕緣基板31的第一表面312處並覆蓋該些第一熱電薄膜材 料組；第二絕緣層53是形成於環狀絕緣基板31的第二表面313處並覆蓋 該些第二熱電薄膜材料組。其中，第二絕緣層53和環狀絕緣基板31的環 狀內緣316是形成一通孔55。
另外，第一絕緣層51和第二絕緣層53較佳地為絕電絕熱的材料，例如是低熱傳導的陶瓷材料，如氧化鋯系列、硒化鎢系列等，或是耐熱高分 子材料，如聚醯亞胺系列等。然本發明並不對實際應用材料多作限制。
在應用如圖5B所示的熱電轉換裝置5時，其上下(冷熱端)可分別與 絕電的熱傳導組件相接合。圖6A、圖6B是繪示依照圖5B的薄膜式熱電轉 換裝置與一種熱傳導組件組合的示意圖。其中，圖6B為圖6A組合完成的 示意圖。
如圖6A、圖6B所示，第一熱傳組件61是通過熱電轉換裝置5的通孔 55而與環狀絕緣基板31的環狀內緣316(例如是冷端)接觸； 一第二熱傳 組件62則與環狀絕緣基板31的環狀外緣317(例如是熱端)接觸。
圖7A、圖7B是繪示依照圖5B的薄膜式熱電轉換裝置與另一種熱傳導 組件組合的示意圖。其中，圖7B為圖7A組合完成的示意圖。如圖7A、圖 7B所示的第二熱傳組件63(與熱端接觸)的外表面上可具有多個散熱鰭片 632，以增加散熱效率。
不論是圖6A、圖6B或圖7A、圖7B所示的熱傳組件，和熱電轉換裝 置5(圖5B)組合後，當電流以平行P型和N型熱電薄膜的方向依序通過環 狀絕緣基板31上的該些第一、第二熱電薄膜材料組，第一熱傳組件61和 第二熱傳組件62/63所形成的一熱流方向(裝置5的上下方向)是與電流的 流動方向垂直。
另外，本發明可應用在致冷/加熱和發電等領域，十分多樣化。以致 冷應用來說，如圖6B和圖7B所示的結構，可將第一熱傳組件61貼在一 熱源(例如CPU)65上，通電後由於第一熱傳組件61與基板31的環狀內緣 316(冷端)接觸，可用以冷卻熱源65的溫度。在發電應用來說，若將一熱源(例如一排氣管)放入裝置5的通孔55而造成基板31的環狀內緣316和 環狀外緣317的溫差，即可透過熱電薄膜材料作熱電轉換而輸出直流電。
第三實施例
除了如第一、二實施例中所述的使用單層環狀絕緣基板作為薄膜式熱 電轉換組件外，在實際應用時也可使用多層基板形成熱電轉換堆疊組件， 以增加熱電轉換的效果。當然，每一層基板可以是單一表面、或上下表面 都具有如圖3所示的多個熱電薄膜材料組。本發明對此並不多作限制。
請參照圖8A、圖8B，是繪示依照本發明第三實施例的薄膜式熱電轉 換堆疊組件的示意圖。其中圖8B為圖8A組件完成組合的示意圖。在第三 實施例中，是以兩層環狀絕緣基板為例作說明。
在第三實施例中，薄膜式熱電轉換堆疊組件8包括一第一絕緣層81、 一第一熱電轉換組件4a、 一第二絕緣層83、 一第二熱電轉換組件4b和一 第三絕緣層85。組合後，第二絕緣層83、第三絕緣層85和兩環狀絕緣基 板的環狀內緣亦形成一通孔87。另外，第一、二熱電轉換組件4a/4b的結 構是與圖4B所示的熱電轉換組件4結構相同，其基板的上下表面皆具有 熱電薄膜材料組，在此不再多作贅述。
如圖8A、圖8B所示，第一絕緣層81是形成於第一熱電轉換組件4a
的上方並覆蓋位於對應基板的上表面的熱電薄膜材料組。第二絕緣層83 位於第一熱電轉換組件4a和第二熱電轉換組件4b之間。第三絕緣層85 則位於第二熱電轉換組件4b的下方並覆蓋位於對應基板的下表面的熱電 薄膜材料組。其中，當一電流依序通過第一、二熱電轉換組件4a/4b的熱電薄膜材料組時(電流方向與該些熱電薄膜材料組的方向平行)，兩環狀 絕緣基板的環狀內緣和環狀外緣之間是可形成一溫度差。
綜合上述，依照本發明的實施例，通過熱電薄膜材料組的電流為平行
P型熱電薄膜32和N型熱電薄膜33的方向，而環狀絕緣基板31的環狀內 緣316和環狀外緣317之間所形成的溫度差，並沒有傳統構件中冷熱端距 離過近的問題。再者，熱電薄膜材料可同時沉積在基板的上表面和下表面， 增加P/N型熱電薄膜材料對數，以提高熱電轉換組件致冷力或發電量。因 此本發明的薄膜式熱電轉換組件的結構，可以充份發揮薄膜材料高ZT值 的優點，提高應用裝置的效能。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神 和範圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍當視後附 的申請專利範圍所界定者為準。
權利要求
1. 一種薄膜式熱電轉換組件，其特徵在於至少包括一環狀絕緣基板，具有一環狀內緣、一環狀外緣及一第一表面；和多組熱電薄膜材料，形成於該環狀絕緣基板的該第一表面上並電性連接，每一熱電薄膜材料組包括電性連接的一P型熱電薄膜和一N型熱電薄膜，且每一熱電薄膜材料組的該N型熱電薄膜是與相鄰的該熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜電性連接，其中，當一電流以平行該些P型和N型熱電薄膜的方向依序通過所述熱電薄膜材料組，該環狀絕緣基板的該環狀內緣和該環狀外緣之間是成一溫度差。
2. 如權利要求l所述的熱電轉換組件，其特徵在於包括 多個第一導電體，形成於該環狀絕緣基板的該第一表面，每該第一導電體是連接每一熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜和該N型熱電薄膜，且 該些第一導電體是鄰近於該環狀內緣；和多個第二導電體，形成於該環狀絕緣基板的該第一表面，每一熱電薄 膜材料組的該N型熱電薄膜是與相鄰的該熱電薄膜材料組的該P型熱電薄 膜通過該第二導電體電性連接，且所述第二導電體是鄰近於該環狀外緣。
3. 如權利要求l所述的熱電轉換組件，其特徵在於包括 一第一導線，是與排列於首位的該熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜電性連接；和一第二導線，是與排列於最末位的該熱電薄膜材料組的該N型熱電薄膜電性連接。
4. 如權利要求1所述的熱電轉換組件，其特徵在於，該環狀絕緣基 板為一陶瓷材料、 一絕熱絕電材料、或一耐熱高分子材料。
5. 如申權利要求4所述的熱電轉換組件，其特徵在於，該環狀絕緣 基板的材料包括氧化鋯、硒化鎢、或聚醯亞胺。
6. 如權利要求1所述的熱電轉換組件，其特徵在於，所述P型、N 型熱電薄膜的厚度為10nm至200um之間。
7. 如權利要求1所述的熱電轉換組件，其特徵在於，所述P型和N 型熱電薄膜包括(銻化鉍)2(硒化碲)3((BiSb)2(TeSe)3)、碲化鉛(PbTe)、 鉛錫碲(PbSnTe)、矽(Si)、矽鍺(SiGe)、半-豪斯勒介金屬合金 (Half-Heusler alloy)、金屬矽化物(Siliclde)或二硒化鎢(WSe2)。
8. —種薄膜式熱電轉換裝置，其特徵在於至少包括 一環狀絕緣基板，具有一環狀內緣、 一環狀外緣、 一上表面及一下表面；多個第一熱電薄膜材料組，形成於該環狀絕緣基板的該上表面上並電 性連接，每該第一熱電薄膜材料組包括電性連接的一 P型熱電薄膜和一 N 型熱電薄膜，且每該第一熱電薄膜材料組的該N型熱電薄膜是與相鄰的該 熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜電性連接；和一第一絕緣層，形成於該環狀絕緣基板的該上表面上並覆蓋該些第一 熱電薄膜材料組，其中，當一電流以平行所述P型和N型熱電薄膜的方向依序通過所述 第一熱電薄膜材料組，該環狀絕緣基板的該環狀內緣和該環狀外緣之間形成一溫度差。
9. 如權利要求8所述的熱電轉換裝置，其特徵在於包括 多個第一導電體，形成於該環狀絕緣基板的該上表面，每該第一導電體是連接每該第一熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜和該N型熱電薄膜， 且該些第一導電體是鄰近於該環狀內緣；和多個第二導電體，形成於該環狀絕緣基板的該上表面，每該第一熱電 薄膜材料組的該N型熱電薄膜是與相鄰的該熱電薄膜材料組的該P型熱電 薄膜通過該第二導電體電性連接，且該些第二導電體是鄰近於該環狀外 緣。
10. 如權利要求9所述的熱電轉換裝置，其特徵在於包括 一第一導線，是與排列於首位的該第一熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜連接；和一第二導線，是與排列於最末位的該第一熱電薄膜材料組的該N型熱 電薄膜連接。
11. 如權利要求9所述的熱電轉換裝置，其特徵在於包括 多個第二熱電薄膜材料組，形成於該環狀絕緣基板的該下表面上並電性連接，每該第二熱電薄膜材料組亦包括電性連接的一 P型熱電薄膜和一 N型熱電薄膜，且每該第二熱電薄膜材料組的該N型熱電薄膜是與相鄰的 該熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜電性連接；和一第二絕緣層，是形成於該環狀絕緣基板的該下表面上並覆蓋該些第 二熱電薄膜材料組。
12. 如權利要求ll所述的熱電轉換裝置，其特徵在於包括多個第三導電體，形成於該環狀絕緣基板的該下表面，每該第三導電體是連接每該第二熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜和該N型熱電薄膜， 且所述第三導電體是鄰近於該環狀內緣；和多個第四導電體，形成於該環狀絕緣基板的該下表面，每該第二熱電 薄膜材料組的該N型熱電薄膜與相鄰的該熱電薄膜材料組的該P型熱電薄 膜通過該第四導電體電性連接，且所述第四導電體是鄰近於該環狀外緣。
13. 如權利要求11所述的熱電轉換裝置，其特徵在於，該第二絕緣 層和該環狀絕緣基板的該環狀內緣形成一通孔。
14. 如權利要求11所述的熱電轉換裝置，其特徵在於，所述一第一 熱傳組件通過該通孔與該環狀絕緣基板的該環狀內緣接觸，而一第二熱傳 組件是與該環狀絕緣基板的該環狀外緣接觸。
15. 如權利要求14所述的熱電轉換裝置，其特徵在於，該第二熱傳 組件的一外表面具有多個鰭片。
16. 如權利要求14所述的熱電轉換裝置，其特徵在於，當該電流以 平行所述P型和N型熱電薄膜的方向依序通過該些第一、第二熱電薄膜材 料組，該第一、第二熱傳組件形成的一熱流方向是與該電流的流動方向垂 直。
17. 如權利要求8所述的熱電轉換裝置，其特徵在於，所述P型、N 型熱電薄膜的厚度為10nm至200um之間。
18. —種薄膜式熱電轉換堆疊組件，其特徵在於至少包括 一第一熱電轉換組件，包括一第一環狀絕緣基板，具有一環狀內緣、 一環狀外緣、 一上表面及一下表面；和多個第一熱電薄膜材料組，形成於該環狀絕緣基板的該上表面上並電 性連接，每該第一熱電薄膜材料組包括電性連接的一 P型熱電薄膜和一 N 型熱電薄膜，且每該第一熱電薄膜材料組的該N型熱電薄膜是與相鄰的該 熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜電性連接；一第一絕緣層，形成於該第一環狀絕緣基板的該上表面上並覆蓋該些 第一熱電薄膜材料組；一第二熱電轉換組件，包括一第二環狀絕緣基板，具有一環狀內緣、 一環狀外緣、 一上表面及一 下表面；和多個第二熱電薄膜材料組，形成於該第二環狀絕緣基板的該上表面上 並電性連接，每該第二熱電薄膜材料組包括電性連接的一 P型熱電薄膜和 一 N型熱電薄膜，且每該第二熱電薄膜材料組的該N型熱電薄膜是與相鄰 的該熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜電性連接；一第二絕緣層，位於該第一熱電轉換組件和該第二熱電轉換組件之 間；禾口一第三絕緣層，位於該第二熱電轉換組件的該第二環狀絕緣基板的該 下表面處，其中，當一電流以平行該些第一、二熱電薄膜材料組的方向依序通過 時，該第一、二環狀絕緣基板的該環狀內緣和該環狀外緣之間是形成一溫 度差。
19.如權利要求18所述的熱電轉換堆疊組件，其特徵在於，該第一熱電轉換組件還包括多個第一導電體，形成於該第一環狀絕緣基板的該上表面且鄰近於該 環狀內緣，每該第一導電體是連接每該第一熱電薄膜材料組的該P型熱電 薄膜和該N型熱電薄膜；和多個第二導電體，形成於該第一環狀絕緣基板的該上表面且鄰近於該 環狀外緣，每該第一熱電薄膜材料組的該N型熱電薄膜是與相鄰的該熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜通過該第二導電體電性連接。
20. 如權利要求18所述的熱電轉換堆疊組件，其特徵在於，該第一熱電轉換組件更包括多個第三熱電薄膜材料組，形成於該第一環狀絕緣基板的該下表面上 並電性連接，每該第三熱電薄膜材料組亦包括電性連接的一 P型熱電薄膜 和一 N型熱電薄膜，且每該第三熱電薄膜材料組的該N型熱電薄膜是與相 鄰的該熱電薄膜材料組的該P型熱電薄膜電性連接，其中該第二絕緣層是 位於該第一環狀絕緣基板的該下表面處並覆蓋該些第三熱電薄膜材料組。
21. 如權利要求20所述的熱電轉換堆疊組件，其特徵在於，該第二熱電轉換組件.包括多個第四熱電薄膜材料組，形成於該第二環狀絕緣基板的該下表面上 並電性連接，每該第四熱電薄膜材料組亦包括電性連接的一 p型熱電薄膜和一N型熱電薄膜，且每該第四熱電薄膜材料組的該N型熱電薄膜是與相鄰的該熱電薄膜材料組的該p型熱電薄膜電性連接，其中該第三絕緣層是 位於該第二環狀絕緣基板的該下表面處並覆蓋該些第四熱電薄膜材料組。
22. 如權利要求18所述的熱電轉換堆疊組件，其特徵在於，該第二絕緣層、該第三絕緣層和該第一、二環狀絕緣基板的該些環狀內緣是形成一 通孔。
23. 如權利要求22所述的熱電轉換堆疊組件，其特徵在於，所述一 第一熱傳組件通過該通孔與該第一、二環狀絕緣基板的該些環狀內緣接 觸，而一第二熱傳組件是與該第-一、二環狀絕緣基板的該些環狀外緣接觸。
24. 如權利要求23所述的熱電轉換堆疊組件，其特徵在於，該第二 熱傳組件的一外表面是具有多個鰭片。
25. 如權利要求23所述的熱電轉換堆疊組件，其特徵在於，當該電 流以平行所述P型和N型熱電薄膜的方向依序通過該些第一、第二熱電薄 膜材料組，該第一、第二熱傳組件形成的一熱流方向是與該電流的流動方 向垂直。
26. 如權利要求18所述的熱電轉換堆疊組件，其特徵在於，所述P型、 N型熱電薄膜的厚度為10nm至200um之間。
全文摘要
本發明一種薄膜式熱電轉換組件，至少包括一環狀絕緣基板和多組熱電薄膜材料。環狀絕緣基板具有一環狀內緣、一環狀外緣及一第一表面。多組熱電薄膜材料是形成於環狀絕緣基板的第一表面上並電性連接，每一熱電薄膜材料組包括電性連接的一P型熱電薄膜和一N型熱電薄膜，且每一熱電薄膜材料組的N型熱電薄膜是與相鄰的熱電薄膜材料組的P型熱電薄膜電性連接。其中，當一電流以平行該些P型和N型熱電薄膜的方向依序通過該些熱電薄膜材料組，環狀絕緣基板的環狀內緣和環狀外緣之間形成一溫度差。
文檔編號H01L35/32GK101471419SQ20071030813
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月29日 優先權日2007年12月29日
發明者朱旭山 申請人:財團法人工業技術研究院