改进的低功率热电发生器的制作方法

专利名称：改进的低功率热电发生器的制作方法
技术领域：
本发明通常关于热电设备，尤其关于自给自足的、低功率的热电发生器，
f口相对高的电压输
出
背景技术：
热电设备越来越多地趋向于小型化使得微型化电源的发展成为必要。电 池和太阳能电池是这种微电子设备的传统电源。但是，电池提供的功率随着 时间消散，需要周期性地更换电池。太阳能电池虽然具有有效地无限的有用 寿命，但是只可以提供短暂的能量来源，因为太阳或者其它光源可能不总是可利用的。而且，为了保持能量转化的效率，太阳能电池需要周期性地清洁 其表面。
热电发生器是在确立的物理学原理下将热能转化为电能的自给自足的能 源。赛贝克效应是一种主要由于导体内的载劣扩散，热差可以被转化为电的 现象的。通过利用热电偶在赛贝克效应下可以产生电功率，其中热电偶均包
括连接在一端的一对异金属(n型和p型)。n型和p型分别指的是材料里的 电荷载流子的负类型和正类型。 ■^fj" ^ji" "^j" 1丙曰""^c^ i日j曰"<
然产生的"余热"，比如不断被人体排斥的热。在手表中， 一边暴露于处在环 境温度的空气，而对边暴露于佩戴者皮肤的较高温度。这样，穿过手表的厚 度典型地存在小的温度梯度。热电发生器可以作为一个自持单元被结合到手 表中以利用余热并产生足够运转手表的能量的供给。有利地是，很多在体积 上与一个典型的手表类似的微电子设备只需要少量能量，因此也兼容通过热 电发生器供以动力。
热电发生器的工作参数可以通过几种途径用数学方法描述其特性。例如， 穿过热电偶的未连接端测量的电压直接与穿过这两端的温度梯度成比例。当
组成热电偶的n型热电臂和p型热电臂串联电气连接但以贯穿其而保持的温 差T,和T2并联热连接，在赛贝克效应下的开路电压V可以通过下列公式被 数学表示
V:S(T广T2)
其中S为以微伏每度(pV/K)表示的赛贝克系数。
热电发生器的效率可以通过热电优值(Z)描述其特征，传统上通过下 列公式定义其中cy和K分别为导电性和导热性。优值(Z),倒数表示为K，代表可以应 用在热电发生器中的热电材料的热性和电性。提高热电发生器的效率的关键 之一在于具有低电阻、高赛贝克系数和低导热性的高效的热电薄膜的发展。
提高热电发生器的另一个关键在于增加热电偶的集成密度。关于余热来 源，总是只有小的温差存在于热源和冷源之间。因为这个小的温差，大量热 电偶必须串联连接以产生足够的热电压。结果，热电偶必须具有极端的长比 宽的纵横比的横截面。
现有技术包括大量的努力改进热电发生器的效率和工作特性的设备。一 种现有技术设备包括与 一低温区相对的 一 高温区热连接设置的热传导基片。 热从高温区流到该热传导基片和大量交替的从晶体材料切割的n型和p型热 电臂。该n型和p型热电臂串联电气连接和并联热连接。该n型和p型热电 臂以二维棋盘型图案排列在基片上。因为总电压是穿过每个n型和p型对的 各个电压的和，以及由于n型和p型热电臂的每个热电偶对于一个特定的温 差只能产生几毫伏，为了包围交替的n型和p型热电臂的棋盘形图案需要^艮 大的区域。这样的大区域需求阻碍了热电发生器的微型化。
另 一个现有技术设备为了为许多的n型和p型热电臂提供绝缘空间而提 供了具有无缝绝缘格片的热电模块。缝隙的不存在消除了两个热电臂之间内 壁电短路的可能性。该热电臂在该模块的冷面和热面之间为串联电气连接和 并联热连接。电气连接包括在钼层之上的铝层。表面纟皮磨过以暴露除热电臂 被互相连接的区域之外的格片壁。虽然参考文献的模块克服了相邻的热电臂 之间的电短路，但是参考文献的设备需要许多的制造步骤并因此昂贵。
其它试图微型化热电发生器的现有技术设备通过微型化该热电偶的单个
10整体结构增加了热电偶的集成密度。虽然这样的设备在将这些疏松材料碲化 铋热电偶的横截面减小到足够小的尺寸上成功了 ，但是在处理和制作这些来 自于疏松物质的碲化铋类型的热电偶中的巨大困难转化为极高的生产成本， 其导致制成品的非常高的成本。
由于传统热电发生器的上述缺点，对于热电发生器，存在与热电设备的 需求兼容的技术需求。更具体地，存在对产生低功率的热电发生器的需要， 该热电发生器为紧凑的尺寸、特别适用于产生高输出电压并以较低成本大规 模生产。

发明内容
本发明为具有紧凑的尺寸的改进的、自给自足的、低功率的热电发生器和尤 其适用于与微电子设备兼容的热电发生器。
热电发生器利用热梯度以根据赛贝克效应产生有用的功率。在此公开的 该热电发生器包括一底板、 一顶板和一箔配件，该箔配件包括一单个伸长箔 段或一 系列使用横跨每个端到端接头的连接件被端到端连接的箔段。粘合剂 可以被用于粘结该连接件到端到端的箔段的前基片表面和基片表面的至少一 个以机械连接该箔段。更具体地，该连接件可以被粘结到至少该前基片表面 上。但是，对于更强的机械连接，连接件也可以被粘结到该后基片表面上。 具有相对高的导电性的电粘合剂可以用在该连接件的顶部边缘和底部边缘以 电气连接该箔段。但是，该连接件可以选择性地包括设置在该连接件的相邻 的顶部边缘和底部边缘的金属触点以增强箔段之间的导电性。
该金属触点用于电气连接一个箔段的末端的一个n型热电臂到相邻的一个荡段的末端的一个p型热电臂。用这种方式，每个p型热电臂被电气连4妄
到在该p型热电臂的对端的相邻n型热电臂以便该n型和p型热电臂串Jf关电 气连接且并联热连接。
箔配件和/或箔段以螺旋状缠绕排列的方式被插入该顶板和底板之间。该 箔配件^皮垂直地设置在该底板和顶板之间并且与该底4反和顶寺反热4妄触。在本 发明热电发生器的一个实施例中， 一系列交替的n型和p型热电臂^皮设置在 组成箔配件的每个箔段的基片上。在另一个实施例中，该n型和p型热电臂 被设置在单个箔段的单个伸长基片上。该热电臂一般由碲化铋型热电材料制 造。
该顶板以隔开的关系被设置在该底板上方。该底板和顶板可以具有大致
该顶板和底板可以由陶乾材料、金属材料或任何其它合适的材料或其组合物 制造。该顶板和底板用于在冷源和热源之间提供热触点以使温度梯度可以穿 过交替的n型和p型热电臂被逐渐产生。
每个箔段具有前基片表面和与前基片表面相对的后基片表面。该隔开交 替的n型和p型热电臂以彼此平行排列的方式被设置在前基片表面上。每个 n型和p型热电臂由大致具有在约IO微米(pm)到约10(Him范围内厚度的 热电材料构成，该热电材料具有被优选的大体上较厚结构，从而导致相应的 更大的横截面面积提供了穿过其的更大的电流。该前基片表面可以具有比后 基片表面更光滑的表面粗糙度以增强形成设置在前基片表面上的n型和p型 热电臂的重复性。但是，该后基片表面可以具有设置在其上并可以在设置过 程之前被适当地预处理的热电臂。
每个n型和p型热电臂对组成该热电发生器的一个热电偶。该热电臂的宽度可以在约10pm到约100pm范围内，其长度在约100pm到约500pm的 范围内。该n型和p型热电臂的优选长度约为500pm。该n型热电臂的优选 宽度约为60|mi而该p型热电臂的优选宽度约为40[im。各个n型和p型热电 臂的几何形状可以调整到某个程度，该程度取决于每个n型和p型热电臂的 导电性差异。
每个p型热电臂电通过热端金属桥和冷端金属桥连接到在该p型热电臂 的对端的相邻n型热电臂，以使电流可以穿过该热电臂从p型热电臂的底部 到p型热电臂的顶部流动，反之亦然。数个箔段可以优选地包括连接在一起 的、基本上平均分布在一排箔段上的总计约5000个热电偶并形成一个热电偶 链。但是，在热电发生器中可以提供任意数量的热电偶。
每个热电偶包括一个n型和一个p型热电臂。这样，具有5000个热电偶 链的热电发生器将包括5000个n型热电臂和5000个p型热电臂。该热电发 生器可以优选地包括端到端连接以形成该箔配件的任意数量的箔段。该箔配 件此后螺旋状缠绕以使相邻设置的箔段的缠绕的前基片表面和后基片表面以 重叠方式设置，但是彼此非导电接触。可以在该前基片表面和后基片表面的 至少 一个上提供保护层以防止箔配件的缠绕之间的导电性。该热电偶链可以 被连接到可以依次被连接到与外部负载连接的顶板和底板。
每个热端金属桥和冷端金属桥用于电气连接一个n型热电臂到一个p型 热电臂。每个热端和冷端金属桥也用于充当扩散势垒以阻止无用的部件扩散 到容易地被外来材料污染的n型和p型热电臂中。此外，每个热端和冷端的 金属桥用于阻止无用的部件扩散到该n型和p型热电臂外。最后，每个热端 金属桥和冷端金属桥用于最优地将热传导进和传导出该n型和p型热电臂。 在这一方面，该热端金属桥和冷端金属桥可以由高导热的材料比如镀金镍制
13作。
每个箔段的基片可以具有在7.5pm到50pm范围内的厚度，但是基片的 厚度优选地约为25(im。由于需要减少穿过该基片的热量以提高能量转换效 率，需要减小被设置了热电臂的基片的厚度。具有低导热性的电绝缘材料比 如聚酰亚胺膜可以用于该基片。
组成该n型和p型热电臂的热电膜可以包括碲化铋(Bi2丁e3)型的半导体化 合物。但是，该半导体化合物的具体组成可以改变以增强n型和p型热电臂 的热电性能。具体地，该n型热电臂的组成可以包括元素铋(Bi)、碲(Te)和石西 (Se)。该p型热电臂的组成可以包括元素铋(Bi)、锑(Te)和硒(Se)。元素碲(Te) 过剩量(excess)可以在p型材料中提供。每个这些元素的过剩量的数量可 以改变以增强其制作和功率特性。
在生产用于该热电发生器的箔段的方法中，磁控溅射可以用于在该基片 上沉积相对厚的碲化铋型热电材料薄膜。值得注意的是，在现有技术中已知， 碲化铋指的是一种具体的材料系统，这样被表示是因为该n型和p型材料来 自于相同的碲化铋类型。由于独特的溅射目标组成，该溅射方式和焊后退火 方法，热电材料的功率因数(P)的相对高的值是可实现的。例如，在热电发生 器的一个实施例中，在室温下，p型Bi2Te3型热电材料的功率因数(Pp)的平均 值约为45jiiW/(K2*cm),而n型Bi2丁e3型热电材料的功率因数(Pn)的平均值约 为45nW/(K2*cm)。


当引用该附图时，本发明的这些和其它特征会变得更加明显，其中 图1为示出了本发明的数个箔段的排列的热电发生器的透视图；图2为沿着图1的线2-2获取的该热电发生器的横截面侧视图，示出了 放置在每个所述箔段的基片薄膜上的交替的n型和p型热电臂的排列； 图3为组成该热电发生器的热电偶的p型和n型热电臂对的示意图； 图4a为一个可选实施例中的圆形热电发生器的横截面视图，示出了 #1锁 位在顶板和底板之间的螺旋状缠绕的箔配件和放置在该箔配件的中空部分内 部的填充物材料。
图4b为图4a的热电发生器的顶视图，示出了该顶板的圓形形状；
图5a为热电发生器的横截面视图，示出了形成在该顶板里并延伸到其它
可以用于封装该热电发生器的电路的中空部分中的填充物中的钻孔；
图5b为图5a所示的该热电发生器的顶视图，示出了形成在该顶板中的
位于中心的钻孔；
图6a为包括一对以端到端接触的方式设置的箔段的箔配件的侧视图，所 述侧视图示出了端触点的结构，该端触点与自由端在每个相邻设置的箔段的 顶部边缘和底部边缘上相邻，因此可以用于电气连接一个箔段的末端的一对 n型和p型热电臂到相邻的一个箔段的末端的n型和p型热电臂；
图6b为一个连接件的俯视图，为了将相邻设置的箔段接合在一起，该连 接件可以被用在所述前基片表面和后基片表面的至少一个上；
图6c为具有设置在连接件的顶部边缘和底部边缘的、用于改进相邻设置 的箔段之间的电气连接的金属接点的连接件的改进结构的顶视图6d为相邻设置的一对箔段的侧视图，表示设置在每个箔段的顶部边缘 和底部边缘之间接近中间处的一层装配粘合剂以及设置在相邻设置的箔段的 各个端触点上的电粘合剂；
图6e为图6d所示的箔配件的相对表面的侧视图，示出了用于将相邻设
15置的箔段与连接件(未表示)机械连接而设置在该表面上的一层装配粘合剂； 图7a为一对在一个荡段的端型热电臂的一个末端端型热电臂到相邻的
一个箔段的p型热电臂的一个末端p型热电臂之间端到端"单"电气连接设
置的箔段的侧视图7b为图7a所示的箔段的侧视图，示出了可以用于机械连接和电气连
接箔段的装配粘合剂和电粘合剂的位置；
图8a-8f为示出了在顶板和底板之间的变化的温差下该热电发生器的功
率特征的曲线图。
具体实施例方式
现在参考附图，其中的表述是为了说明优选实施例，而不是为了限定相 同的，图1为热电发生器10的一个实施例的透视图，该热电发生器10具有 大致方形形状且包括垂直堆叠安排的矩形排列的箔段16。
图1所示实施例为于2005年7月20日提交的美国专利申请号 11/185,312、发明名称为"低功率热电发生器"和于2003年5月19日提交的 美国专利号为6，958，443、发明名称为"低功率热电发生器"的主题，每个的 全部内容作为 一个整体被清楚地通过？j用结合于此，且其每个与本申请一样 具有相同的受让人。图2为图1所示热电发生器的横截面侧视图，示出了设 置在一系列例如可以用于此处公开的热电发生器中的箔段的基片薄膜上的交 替的n型和p型热电臂的排列。图3为组成该热电发生器的热电偶的典型的 p型和n型热电臂对的示意图。
图4a-7b示出了在另一个实施例中的热电发生器10,其中多个箔段16 可以在一个被螺旋状缠绕成圆形的箔配件50中被端到端地连接。重要地，这样的热电发生器10实现远远大于现有技术的功率输出，部分归因于电阻的巨 大减少，下面将更详细地描述。如上所述，热电发生器IO利用了热梯度以在
赛贝克效应下产生有效功率。图8a-8f示出了由改进的热电发生器IO在各种 不同的温差下提供的改进的功率特征。
仍参见图4a-7b，热电发生器10包括大致圓形或圆盘形的底板12、大致 圓形或圓盘形的顶板14和一系列端到端连接以形成一单个伸长的箔配件50 的箔段16。可选的，单一伸长的箔段16可以螺旋状缠绕成圓形形状，排除 端到端连接单个箔段16的需要。螺旋状缠绕的箔配件50可以包括作为制造 过程的结果的中空部分82。中空部分82可以用于作为一个腔以容纳电子线 路比如功率管理电路。热电发生器io的圆形形状提高了其与某些设备比如耐 磨的微电子设备的适应性。例如，热电发生器IO可以简单地用在手表或大致 形状类似手表的设备中。
对于热电发生器IO的结构，其中箔配件50包括一系列箔段16,箔配件 50缠绕成圆形形状，然后被容纳在底板12和顶板14之间。在这样的情况下， 箔配件50和箔段16因此被垂直设置在底板和顶板12、 14之间并与底板和顶 板12、 14热连接。
优选地，每个箔段16由低导热性的非导电基片18组成。 一系列大体上 伸长交替的n型和p型热电臂32、 34被设置在前基片表面40、后基片表面 42或二者上。如下面将要非常详细论述的，热电臂32、 34由碲化铋型热电 材料44制作。用于基片18和热电材料44的材料组成的独特组合提供了 一种 具有相当大地改进的功率特征的热电发生器。
从图4b和5b中可以看到，顶板14以隔开的关系设置在底板12上方。 底板和顶板12、 14可以具有大致环形或圓形形状。但是，可以认为大致定义
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了热电发生器10的总体尺寸的底板和顶板12、 14可以为任意形状或结构。 在这一方面，底板和顶板12、 14的大致圓形的形状可以简单地用于整合螺旋 状缠绕的一系列箔段16。 一方面，箔配件50可以考虑包括大致相同设置的 箔段16,每个箔段16具有设置在其上的相同的尺寸和相同排列的p型和n 型热电臂32。按照这样的方式，箔配件50可以由有成本效益的相同尺寸的 箔段16的复制构成。
底板12和顶板14可以优选地由^艮硬的和高导热的任何材料制作。例如， 金属和/或陶瓷材料可以被考虑利用到制作底板和顶板12、 14。底板12和顶
的。底板和顶板12、 14也可以用于提供一防护箱以使箔段16免于机械接触 和化学影响。在这一方面，密封剂70可以提供在位于顶板和底板14、 12之 间的箔配件50的最外层表面上以使箔段16被密封预防水分、碎屑和其它可 以破坏或者短路箔段16的影响。
现在，尤其参见图4a到7b，示出了具有被锁位在圓盘形的顶板和底板 14、 12之间的箔配件50的热电发生器10。如在图4a和5a中可以看到的， 顶板和底板14、 12可以选择性地包括在其周围延伸的环形凸缘78。这样的 环形凸缘7 8可以有意地被提供或可以为制造过程的产物，在该制造过程中， 顶板和底板14、 12通过利用普通的冲压和/或穿孔过程被大批(即高件数) 地制造。
这样的顶板和底板14、 12从薄金属材料或者金属箔冲压，结果可以包括 小的边缘毛刺(即环形凸缘78)。有利地，环形凸缘78可以增加顶板和底板 14、 12的硬度和机械稳定性。进一步地，环形凸缘78可以在顶板和底板14、 12的圆周边界中更好地容纳箔配件50。最后，环形凸缘78可以增加在通过
18金属桥26、 28连接的设置在箔配件50上的一对n型和p型热电臂32、 34 位置处流入和流出该箔配件50最外部的热流。
如更早提及的，顶板和底板14、 12优选高导热的并在这一方面因为其4氐 的热电阻较好地减少在热电发生器10中的热损耗而充当热耦合斧反。顶板和底 板14、 12可以考虑由任意合适的高导热的材料比如包括铜、铝、不锈钢、镀 层钢板和可焊的金属合金的金属材料或其各种不同的组合。而且，顶板和底 板14、 12可以由可选择性地与金属材料结合的陶瓷材料制作。在这一方面， 陶瓷可以经历金属化过程，在该金属化过程中， 一层金属被形成在陶瓷材料 的表面上。取决于热电发生器的应用，需要增加所述顶板和底板的至少一个 的热交换能力。例如，所述顶板和底板的至少一个可以具有扩大的表面积。 i^才羊的的面禾只"^T
或者转移到周围环境中。
大约50-250pm(um)的金属薄膜由于其低热阻优选地适合作为顶板和底 板14、 12的材料。进一步地，这样的金属薄膜材料可以通过简单的制造过程 比如钻孔和冲压被简单地转化为顶板和底板14、 12。如图5b所示，顶板和 底板14、 12的至少一个可以包括穿过其的钻孔80，且钻孔80可以位于中心 并可以用于帮助在箔配件50的螺旋状缠绕中形成的中空部分82内部的电路 的整合或插入。
虽然可配置任何尺寸，顶板和底板14、 12可以考虑具有在约4mm到约 80mm范围内的直径，优选地具有从约5mm到约25mm的外直径。顶板和底 板14、 12被隔开以限定取决于基片材料18的总高度(即宽度)的约0.3mm 和约4.0mm之间的热电发生器的总高度。更优选地，热电发生器10的高度 为约0.5mm到约2.0mm之间并最优选的在高度上约为l.Omm。顶板和底板14、 12二者都可以考虑被利用作为电触点，通过该电触点， 热电发生器IO可以被连接到设备上以提供功率。在这一方面， 一系列串联连 接的n型和p型热电臂32、 34的一端被优选地电气连接到顶板12,而一系 列n型和p型热电臂32、 34的对端被连接到底板12。这样的电气连接可以 通过使用电粘合剂64而方便。但是，粘接和/或焊接以及其它合适的电气连 接方法可以被利用以将顶板和底板14、 12连接到在箔配件50上的n型和p 型热电臂32、 34的各个对端。如果顶板和底板14、 12由非导电的材料比如 陶瓷材料制作， 一对第一和第二电线24、 30可以以与上面提到的美国专利号 6,958,443公开的方式类似的方式被连接到热电偶链的对端。但是，顶板和/ 或底板可以被配置作为金属化的陶乾板，既用以作为热电发生器的导热体， 又作为热电发生器的电触点。
图2所示为组成箔配件50的一个箔段16的至少一部分的代表示意图， 示出了设置在基片18上的交替的n型和p型热电臂32、 34的排列。如更早 提及到的，每个箔段16具有前基片表面40和与前基片表面40相对的后基片 表面42。当缠绕箔配件50的时候，在箔段16的端到端的连接之后，后基片 表面42面向箔段16的相邻缠绕的前基片表面40。
隔开交替的n型和p型热电偶32、34被彼此平行设置在前基片表面和后 基片表面32、 34的任何一个或者二者上。为了防止短路，在设置n型和p 型热电臂32、 34之后，标准的正性光刻胶材料的保护层72可以被设置在箔 段16上。如果被包括在基片18上，该保护层可以在用于创建金属触点和金 属桥的金属化过程之后被提供。虽然热电材料44可以具有在约10微米(pm) 到约100pm范围内的厚度，但是n型热电臂44的优选厚度为约15pm。
现在简略转向图3,所示为组成热电发生器10的热电偶46的n型和p型热电臂32、 34对的图示。如图3所示，n型和p型热电臂32、 34具有各 自的宽度。n型热电臂32宽度表示为al。 P型热电臂34宽度表示为a2。用 于n型热电臂32和p型热电臂34的热电臂32、 34长度表示为b。尽管n型 和p型热电臂32、 34可以具有大致相等的长度，热电发生器10可以考虑被 配置其中的n型和p型热电臂32、 34为不同长度。有利地，长度和宽度的极 限纵横比使得在微型化的热电发生器10中产生相对高的热电压。
各个n型和p型热电臂32、 34的几何形状可以在一定程度上被调整，该 程度取决于在每个n型和p型热电臂32、 34的导电性的差异。热电臂32、 34的宽度可以在约10pm到约100nm的范围内。热电臂32、 34的长度可以 在约lOO)im到约500pm的范围内。n型和p型热电臂32、 34的优选的长度 b为约60pm，而n型热电臂32的优选的宽度al为约40iim,而p型热电臂 34的优选的宽度为约40|_im。 P型热电臂34的热电性典型地优于n型热电臂 32的热电性。因此，P型热电臂34的宽度能够比n型热电臂32的宽度窄。 虽然在图2中所示的热电臂32、 34具有伸长结构，但是热电臂32、 34可以 考虑^皮设置为许多其它的结构比如L形或S形结构。
n型和p型热电臂32、 34并行热连接和串行电气连接。如在图2中按照 图示所示的，每个p型热电臂34通过热端金属桥26和冷端金属桥28被电气 连接到在p型热电臂34对端的相邻的一个n型热电臂32。用这种方式，电 流可以通过热电臂32、34从p型热电臂34的底部流到p型热电臂34的顶部 以及从n型热电臂32的顶部流到n型热电臂32的底部。每个交替的n型和 p型热电臂32、 34被连接到相对的传导类型的相邻的一个n型和p型热电臂 32、 34，形成热电偶46。
在图3中，有代表性的n型热电臂32在其各个上端被连接到p型热电臂34的各个上端。在图2中，数个n型和p型热电臂32、 34在其对端被连接 形成数个热电偶46并在每个箔段16的末端相对的端留下一个自由的p型热 电臂34和一个自由的n型热电臂32。每当热被热源20通过在热端金属桥26 的顶板14应用，由符号AT表示的温度梯度，根据在底板12和冷源22的热 电偶46的冷端金属桥28被创建以使热流48通过热电发生器10流动。然后 电流通过在电路36中的负载向被符号A指示的方向流动。热电发生器10还 可以包括一第一电线24和一第二电线30，在顶板和底板14、 12也不为热电 发生器IO充当电触点的情况下，分別被连接到一系列n型和p型热电臂32、 34的对端。
每个热端金属桥26和冷端金属桥28用于电气连接一个n型热电臂32 到一个p型热电臂34。为了防止多余的组件散布到可以容易地被外来材料污 染的n型和p型热电臂32、 34中，每个热端金属桥26和冷端金属桥28也用 于充当扩散势垒。而且，每个热端金属桥26和冷端金属桥28用于防止多余 的组件从n型和p型热电臂32、 34里面扩散。最后，每个热端金属桥26和 冷端金属桥28用于传导热到n型和p型热电臂32、 34中以及从n型和p型 热电臂32、 34里导出热。在这一方面，热端金属桥26和冷端金属桥28可以 由高导热的材料比如镀金镍制作。
在图2、 6a和7a中所示的图中，第一电线24被连接到n型热电臂32 的自由端，而第二电线30被连接到p型热电臂34的自由端。但是，对于具 有一排如图1所示的以一个挨一个排列的方式设置的箔段16的热电发生器 10，箔段16被串联电气连接以使在箔段16的最末端的一个自由的n型热电 臂32被电气连接到与箔段16相邻的箔段16的一个自由的p型热电臂34, 反之亦然。在这种结构中，第一电线24被连接到该排列的最前面的箔段16的n型热电臂32的自由端，而第二电线30被连接到该排列的最后面的箔段 16的p型热电臂34的自由端。
虽然热电发生器IO可以考虑包括从约1000到约20,000的任何数量的热 电偶46，但是优选地，箔配件50的数个箔段16可以考虑包括总计约5000 个基本上均勻分布在箔段16的排列上的热电偶46。在如图6a所示的实施例 中，总计5265个热电偶46可以被提供以解释由于箔段16之间的端到端连接 的电冗余而引起的有效的热电偶46在数量上的减少，与下面将非常详细地描
i^的一才羊。
在一个实施例中，热电发生器IO可以包括约19个端到端连接的箔_敬16 以创建具有约1米的总长度的箔配件50。可选地，但是热电发生器10可以 包括足够整合用于在特定的工作温度下生产需要的功率而需要的热电偶46 的总数的任何数量的箔段16。假设所有的热电偶46为串联电气连接，热电 发生器10的总电压输出简单地计算成穿过每个热电偶46产生的各个电压的 和，将不起作用的热电偶46作为如图6a所示的电冗余连接型的部分。
在一个优选实施例中，基片18具有在7.5)im到50pm范围内的厚度，虽 然基片18的厚度优选地为约25iim。因为通过基片18减少热流48以提高热 转化效率的需要，需要减少设置有热电臂32、 33的基片18的厚度。考虑到 可以包括基片18的材料，电绝缘材料可以被利用以使设置在基片18上的相 邻的热电臂32、 34可以相互绝缘。
基片18材料也可以具有低的导热性并可以为聚酰亚胺膜比如DuPont制 备的Kapton薄膜。由于其低的导热性，聚酰亚胺膜为热电发生器10的卓越 的基片18。另外，在约70°F的室温温度范围内，聚酰亚胺膜具有与利用在 热电臂32、34中的碲化铋型材料的热膨胀系数在相同的数量级内的热膨胀系
23数。因此，通过使用聚酰亚胺，可能发生在基片18或热电材料44接口的剩 余的机械应力可以被最小化或消除。在这一方面，热电发生器的整体耐久力 和使用寿命可以被提高。
组成n型和p型热电臂32、 34的热电材料44可以包括碲化铋、型的半导 体化合物，如上所述。但是，该半导体化合物的具体组分可以改变以提高n 型和p型热电臂32、 34的热电性能。在这一方面，净皮用作沉积，比如通过溅
料
(Bi(U5Sb0.85)2Te3加上18原子％Te过剩量， 但是该过剩量可以为从约10原子％Te过剩量到30原子％Te过剩量。 在通过溅射被利用在制作n型热电臂32中的半导体化合物(即原材料或 目标材料)可以优选地包括具有下列分子式的材料
Bi2(Teo.9Se(n)3加上22原子％ (Teo.9Se(u)过剩量， 但是该过剩量可以为在约10原子o/。(Te。.9Se(u)过剩量到约30原子％ (Teo.9Secn)过剩量的范围内的任何地方。需要注意的是，上述引用的适用于p 型和n型热电臂的化合物或分子式与最初的或初始的材料有关，贼射目标由 该材料制作。在此公开的制作方法中，适用于n型和p型热电臂的热电材料 44为溅射操作之前的初始材料。与在此公开的一样的热电材料44的理i仑配 比组分有利地导致相对高的热电优值(Z)。
虽然许多不同的微制造技术可以被应用在沉淀热电材料44到基片18上， 该溅射方法比如磁电管或等离子管溅射可以在高真空沉积装置的帮助下优选 地被利用。濺射可以用于沉积相对浓的基于碲化铋的热电材料44到薄基片 18上。当与上述材料系统共同使用时，本发明的热电发生器达到相当高的功率输出。这样增加的功率输入部分是由于碲化铋型材料系统的使用，该碲化 铋型材料系统与其它材料系统相比，在室温范围内具有相对高的优值(Z),
并在从约32°F到约212°F (即相当于约0°C到约100°C的范围)范围内有效 运行。
如更早所提到的，热电发生器10的效率的特征在于热电优值(Z),由 公式Z=S2a/K定义，其中cj和K分别为导电率和导热率，S为以微伏每度(pV/K) 表示的赛贝克系数。在本发明公开的热电发生器的热电偶46排列中，通过热 电臂的热流的方向与通过基片18的热流的方向平行。因此，优选地是可以把 功率因数看作热电材料44的有效性的估量。
由于本发明的热电臂的独特的材料组成与该沉积步骤相结合，相对高的 热电材料的功率因数(P)的值被达到。例如，可以发现与现有技术排列相 比，通过溅射沉积Bi2Te3型热电材料44到基片18上为p型和n型热电材料 44得到了功率因数的改进值。
更具体地，可以发现，为p型Bi2Te3型热电材料44使用最优化的溅射步 骤，对在室温范围内的约35pW/(K、cm)的功率因子(Pp)而言，赛贝克系数(Sp) 约为210(iV/K，而导电率(cjp)约为800 l/OQ*cm)。对于n型Bi2Te3型热电材料 44，对在室温范围内的约23nW/(K^cm)的功率因子(Pn)而言，该赛贝克系数 (Sn)约为180pV/K，而导电率(O约为700 l/(!Q*cm)。
对于具有上述机械和电特性的热电发生器10而言，在功率输出方面的改 进被实现并记录在图8a-8f中。例如，对顶板和底板14、 12之间的约5K的 温差而言，开路电压输出可以在约4.0V和约6.5V范围内，并具有5.2V的可 测量值。类似地，短路电流输出可以在约60|aA和约100|iA范围内，具有76pA 的可测值。对于热电发生器10的一个优选实施例而言，在顶板和底板14、
2512之间的约5K的温差、具有约2.6V的可测值的在约2.0V到约3.5V范围内 的电压条件下，在匹配负载情况下，电功率输出考虑在约70liW到约130pW 范围内。
尤其地，在图8a-8f中可以看出，适用于热电发生器IO的功率特征和电 气参数根据顶板和底板14、 12之间的温差变化。例如，图8a和8d为给顶板 和底板14、 12之间的各种不同的温差的热电发生器的电参数的曲线图。更具 体地，图8a和8d为按伏特的电压比按微安测量的电流的曲线图。从图8a 可以看出，热电发生器10在5K的温度梯度下提供了 5.2V的开路电压和76.5 微安OA)的短路电流输出。
图8b和8e为在匹配负载情况下的功率输出的曲线图，该匹配负载在该 曲线图上表示为负载的阻抗与热电发生器IO的阻抗的比。在图8b中可以看 出，对于该负载的阻抗与热电发生器IO的阻抗的比约为1的情况下，在穿过 顶板和底板14、 12的5K的温差下，电功率输出为将近IOO微瓦(nW)。参 见图8c和8f，所示(即负载的阻抗比热电发生器IO的阻抗等于1)为在与 穿过顶板和底板14、 12的温差匹配的负载下，热电发生器IO的功率输出的 曲线图。从图8c中可以看出，热电发生器IO在5K的温度梯度下，提供了 2.6伏特的电压输出，在这样的匹配负载下，提供了 100jTW的功率输出。如 图8a和8f中引用的这样的测量为在30。C的基本温度下获取的。进一步地， 通过参见8c可以看出，热电发生器IO的功率输出和电压输出都随着穿过顶 板和底板14、 12的温度梯度的增加而大致增加。
现在尤其参见图6a到7b，所示为几个实施例，通过这些实施例端到端 的箔段16可以被机械连接和电气连接。如更早所提及的，箔配件50可以包 括的彼此端到端机械连接和电气连接设置的数个箔段16。虽然热电臂可以沉
26积在前基片表面或后基片表面40、 42的任意一个上或两个基片18表面上， 只沉积在前基片表面40上为有利的，因为当螺旋状缠绕时，热电臂可以向内 侧方向被设置，在基片18系统的内侧上导致低的热机械应力。
相反地，因为当基片18处于平的或平面的方向然后基片18随后缠绕成 圆缠绕时，热电臂被设置在基片18上，依靠缠绕，与箔段16的内侧(即前 基片表面)上的机械应力相反，相对高的机械应力产生在外侧(即后基片表 面)。在热电臂的沉淀之后，通过在该带的两个侧面都提供保护层72防止在 箔配件50的缠绕之间的短路，下面将非常详细地描述。
箔配件50的缠绕可以包括在其中央的中空部分82的创建。为了箔配件 50的缠绕，与中空部分82的内直径相等的小直径考虑约为lmm。但是，热 电发生器应该用于容纳或者圈起某些组件，比如电路，然后中空部分82可以 被扩大以提供达到约80mm (例如手表或类似设备的尺寸)以便于箔配件50 具有更多的环形形状或炸面圈形状。
仍参见图6a到7b，相邻的箔段16的端到端的连接可以在位于箔配件50 中的数个连接件52的使用之中便利化。每个连接件52可以充当穿过位于相 邻的箔段16之间的接头的接合，并在这一方面可以被设置在贴着前基片表面 和后基片表面40、 42的至少一个。如更早所提及的，这样的附加的机械稳定 性通过粘结一个连接件到前基片表面和后基片表面提供。连接件52用于至少 机械连接相邻的箔段16的自由端。
从图6b可以看出，用于纯粹地机械连接端到端的箔段16的后基片表面 和前基片表面的连接件52如图16所示。虽然基片18在前基片表面和后基片 表面40、 42上都可以包括热电臂，如果后基片表面42没有热电臂，通过采 用装配粘合剂62,如图6b所示的连接件52的粘合被便利化，装配粘合剂62优选地为非导电的并具有低的导热性。这样的装配粘合剂62优选地为UV或 可见光固化胶粘剂比如环氧树脂或丙烯酸脂胶。但是，任何合适的具有低导 热性的非导电的粘合剂和适当的机械参数可以被利用。
连接件52考虑由聚酯箔或其它适合的具有低的导热性并也是非导电的 材料制作，连接件52可以由UV -透明的聚酯箔制作。连接件52的尺寸为 优选地以使连接件52具有相对小的长度，该长度被从如图6b和6c所示的边 到边测量。在该连接件中需要这么小的长度是为了减少寄生的热流48。但是， 通过加长连接件52使得箔段之间的机械稳定性提高。虽然连接件52可以具 有任何长度，但是一个为了粘合到后基片表面42的连接件52的典型的长度 约为1500|am。连接件52可以由聚酯箔材料制备，该材料具有优选地少于基 片18的厚度并更优选地约为12pm。
为了既提高连接件52与配件的粘合和电粘合又提高金属触点54和连接 件52之间的粘合，通过装配粘合剂62的连接件52的粘合可以通过连接件 52的至少一侧的预处理被便利化。这样的金属触点54适用于电气连接箔段 16，下面将非常详细地描述。为了便利箔段16之间的互连，优选地，连接件 52为高度大致与基片的高度相等。从图6b可以看出，金属触点54可以从优 选地安装在没有热电臂的基片18的一个侧面上的连接件52中省略。图6c 说明金属触点54的结构和位置，该金属触点54便利了热电臂的电气连接。
参考图6c,所示为具有设置在其上的金属触点54的连接件52。这样的 金属触点54优选地具有在约lpm到约5拜范围内的厚度的4臬，并可以被一 个约100纳米(nm)的薄金层覆盖，该金层可以通过适当的薄膜(例如，溅 射、热蒸发等)方法或通过厚膜方法沉积。
现在参考图6a和7a,所示为要被连接的箔段16的相邻设置的自由端。
28除设置在基片18上的交替n型和p型热电臂32、 34之外，为了提供一种用 于连接在每个箔段16中的末端的n型和p型热电臂32、 34的方法，端触点 76优选地净皮包括沿着基片18的顶部边纟彖和底部边纟彖58、 60。在这一方面， 端触点76提供了一种用于电气连接沉积在每个箔段16的相邻的自由端的n 型和p型热电臂32、 34的n型和p型热电臂32、 34的至少一个的方法。
连接件52然后可以用于提供穿过邻接的箔段16的邻接的端触点76的导 电通路。在这一方面，金属触点54可以在尺寸方面与热端和冷端的用于沿着 箔段16互联n型和p型热电臂32、 34的金属桥26、 28相似。金属触点54 被依一定尺寸制造并用于电气连接一个箔段16的末端的n型热电臂32到相 邻的一个箔段16的末端的p型热电臂34。这样的排列被在图7中说明，其 中最左端的箔段16包括在被连接到一个p型热电臂上的上部边缘58上的金 属桥。
在图7a中，最右端的箔段16包括一个在连接n型热电臂32的箔段16 的顶部边缘58上的金属桥。此外，每个箔段16的底部边缘60包括不与任何 n型或p型热电臂32、 34连接的但是用于平衡机械力并在箔配件50的顶部 边缘和底部边缘58、 60创建与在箔接合处56的箔段厚度均衡的一个冷端金 属桥28。这样的均衡厚度便利了连接件52粘合到在箔接合处56的箔段。
现在筒略参见图7b，所示为粘合连接件52到箔段16以提供其间的机械 连接和电气连接的一个优选的实施例。更具体地，图7b示出了分別设置在顶 部和底部边缘58、 60的端节点76之间的一层装配粘合剂62。这样的装配粘 合剂62优选地为低导热率和非导电的并用于粘合连接件52的中间部分到前 基片表面和后基片表面40、 42的至少一个以便机械连接相邻的荡段16的自 由端。沿着端触点76的顶部边缘和底部边缘58、 60有一层电粘合剂64该电
29粘合剂64优选地为低导热率并用于粘合在连接件52的顶部边缘和底部边缘 58、 60的金属触点54到邻接的箔段16的各个端触点76。这样的电粘合剂 64优选地为UV或可见光固化胶粘剂比如环氧树脂或丙烯酸盐胶。但是，任 何合适的导电的粘合剂带有适当的机械参数可以被利用。
如图7b所示的结构提供了用于简单地将n型或p型热电臂32、 34的末 端串联电气连接的方法。但是，为了提供余量以防止在两个箔段之间的不良 电连接发生的热电设备的故障， 一个可选的接头形状如图6a和6d所示，其 增加了相邻的箔段16之间的电触点的余量。更具体地，图6a所示的该接头 形状规定端触点76沿着与箔段16的自由端相邻的顶部边缘和底部边缘58、 60的至少一个延伸。
端触点76优选地电气连接到设置在离箔段16的自由端最近的一个n型 和一个p型热电臂32、 34。在应用图6c所示的连接件52结构的基础上，采 用上述应用的装配粘合剂和电粘合剂64，至少一个金属触点54用于电气连 接最左端的箔段16的末端的n型和p型热电臂32、 34对到右侧的箔段16 的末端的n型和p型热电臂32、 34对。简略参见图6d,所示为装配粘合剂 和电粘合剂64被应用的模式与如图7b所示的用于箔接头56的单个到多个的 模式相似。
简略参见图6d和7b，其中所示为在保护层72中的开口或窗口 74。如更 早所述，保护层72在沉淀过程之后被应用在热电臂和基片18上。这样的窗 口 74可以通过适当的掩膜或其它合适的制造步骤被创建以局部地消除非导 电的保护层72。保护层72主要为了防止当被螺旋状缠绕时箔配件59的接连 缠绕之间的电接触。而且，保护层72提供了热电臂的机械稳定性，保护免受 氧化和腐蚀，限制化学接触等。从图6d和7b中可以看出，这样的窗口 74可以被设置为比端触点76电粘合到的连接件52的金属触点54的尺寸略小。 例如，如果端触点76和/或金属触点54具有约150pm的高度，在端触 点76上的保护层72中的窗口 74在高度上考虑约为120pm。在相同方面， 窗口 74可以具有约220|im的长度，该长度与连接件52的金属触点54的长 度兼容。考虑到连接件52的长度，在其上设置有金属触点54的连接件可以 为任何合适的尺寸但是可以优选地约为500)im。如更早提及的，安装在后基 片表面42 (即可以没有热电臂)的连接件52的长度可以大致更长并可以大 约为1500(im。
返回参见图4a和5a，所示为热电发生器的横截面视图，示出了压缩在 顶板和底板14、 12之间的箔段16的缠绕。如更早所提及的，箔配件50缠绕 成圆形缠绕使得产生了中空部分82，其中优选地添加非导电低导热的填充物 68。这样的添充物68可以起到防止由于中空部分82的内侧以及顶板和底板 14、 12的外侧之间的压差而产生的机械应力。可选地，图5a显示了形成在 顶板和底板14、 12的至少一个里的钻孔80以方便电路或其它合适的部件的 插入。
在图5a所示的结构中，电路可以首先插入到中空部分82中，然后被填 充物68填充。密封剂70也可以4皮提供中空部分82的周边以防止向箔配件 50导电和导热。填充物68可以包括任何合适的材料并优选具有低导热性的 材料比如橡皮圏、或包括粘合剂和/或泡沫材料、空心玻璃球(例如微空心球) 的非橡胶材料或其任何混合物或组合物。
关于该电路，这样的电路可以被集成到热电发生器10中，而且也可以由 此4皮提供动力以表示为热电发生器10的最终电子应用的电子功率管理系统 的一部分或完整的方案。螺旋状缠绕的箔配件50可以进一步考虑形成围绕电
31路的一个环。用这种方式，电路的总尺寸由中空部分82的最小内部直径限定。 但是，可以考虑形成部分电路但不设置在中空部分82中的附加电子部件能作 为单独的单元被代替设置且排列在热电发生器10的外部，并可以安装到顶板 和/或底板14上。此外，薄膜电池可以被沉积设置在顶板和底板14、 12的至 少一个的内侧。用这种方式，顶板和底板14、 12可以为薄膜电池充当基片， 该薄膜电池可以用于安装在中空部分82内部。可选地，该薄膜电池可以用于 穿过顶板和底板14、 12的至少一个的任何一部分或全部进行延伸。
这样的电路可以包括电子低功率管理系统和/或最终的电子应用并可以 包括各种设备比如手表、脉搏/血压表和其它医疗设备、RFID设备，也包括 也可以以RF技术格式提供的传感器设备。以功率管理系统形式的电路可以 被集成以处理热电发生器10产生的功率并也为最终的电子应用提供稳定的 緩冲的电源。理想地，该功率管理系统本身应该尽可能不消耗功率且可以包 括下列特征过压保护、能量存储、保护预防反向热电压和反向电流、转化 反向电压的整流器、电子应用的低电压保护和电子应用(如手表)的能量存 储管理。
过压保护可以通过二极管或一系列以正向并与最终电子应用并联连接的 二极管的方法被便利化。通过包括电容器(低漏电、高容量型和超电容型) 或可充电薄膜电池或两种设备的组合的各种不同的电子部件的方法，能量存 储可以被便利化。通过使用具有低正向电压的二极管，比如肖特基二极管， 以正向并与热电发生器10串联的方式连接，保护预防方向电压可以被便利 化。
可以提供该整流器以转化反向电压，且该整流器可以通过使用各种部件 如Gmetz桥(比如四个二极管的排列)被便利化以使反向的热电压可以用于为某种电子设备提供动力。此外，该整流器可以便利由电子低功率管理系统 和/或最终电子应用产生的反向电流的阻断。
最终电子应用的低压保护可以通过使用比较电路被便利化。如果最终电 子应用的工作电压降到临界电压以下，这样的比较电路可以用于切断由热电 发生器生产的功率，能量存储管理对热电发生器IO的优化使用是关键的。在 这一方面，需要配置这样一个能量存储管理系统，以便当需要的时候，能量
可以由热电发生器IO提供，但是能量也可以被存储以防止多余能量的浪费。
这样的能量存储管理可以考虑使用取决于电压电平需求的存储电容的方式提 供能量的电路来实现。为了增加集成密度和功能并为了减少功率消耗，电子
低功率管理系统的部分或全部电路可以被便利为ASIC (即应用型专用集成 电路)。
仍参见图4a和5a，热电发生器10可以包括围绕顶板和底板14、 12之 间的箔段16的外围电路部分延伸的一层密封剂70。密封剂70优选地为非导 电的并具有低导热性。密封剂70优选地用于增加热电发生器10的保护预防 水分吸收、腐蚀、液体污染、碎屑，也用于密封抵抗其它不需要的成分。密 封剂70可以用于箔配件50的外部区域还有中空部分82区域中以填充在任何 顶板和底板14、 12里的钻孔80。
在制造本发明的热电发生器10中，起始步骤可以包括基片18预制备并 可以包括将基片18切割成适当尺寸的片，接着是一个退火处理过程并将基片 18粘结到其上用于支撑的架上。这样的基片18可以为任何合适的材料并优 选卡普顿胶带。基片18的粘结后并在退火过程后，p型热电臂44被沉积在 基片18上。
这样的沉淀步骤包括真空室和等离子蚀刻机的准备和将目标和圆片保持器插入到该真空室中。如更早提及的，这样的p型热电臂44优选地为具有上 述量的过剩量Te的碲化铋型。在p型热电臂44的氧电浆蚀刻法之后，冷溅 射在室温下执行。然后执行热溅射以增加p型热电臂44的晶体成长。该热溅 射和冷贼射方法可以被库仑换任意次数(优选地每个三次)以为沉积的热电臂
44提供最佳的功率因数。p型热电臂44的沉积之后，同一热电臂的光刻法通 过光致抗蚀剂的应用和构造执行。p型热电臂44然后通过光致抗蚀剂的蚀刻 然后剥离被构造。
然后在真空室内用等离子蚀刻机使用适当的碲化铋材料执行n型热电臂 44的沉积。如更早所提及的，这样的n型热电臂44优选地为碲化铋型具有 上述量的过剩量Te和Se。也可以执行交替的热'减射和冷'减射以便提供最佳 的n型热电材料44层。在通过n型热电材料44的蚀刻光刻法和构造之后， 然后执行剥脱光刻法然后为热金属桥和冷金属桥26、 28、箔段16的端触点 76和连接件52的金属触点54沉积镍金层。在剥脱构造之后，光刻法以产生 保护层72、密封剂，并将圆片切割成箔段16，箔段16可以被端到端组合。
箔段组装方法可以从在图6e所示的位置处使用装配粘合剂62将与图6b 所示的连接件类似的连接件52粘合到前基片表面和后基片表面40、 42的至 少一个开始。然后可以通过粘合如图6c所示配置的连接件52到前基片表面 40来执行箔段16的机械连接和电气连接，其中电粘合剂64被用于在相邻设 置的箔段的末端的n型和p型热电臂之间的跨越。可选地，如果端触点76 和金属触点54以图6d和7b所示的样式被提供在箔段上，电粘合剂64可以 被用于粘结该金属触点到一个箔段的至少一个端节点上以改进该电气连接。 这样的电粘合剂64可以通过合适的方法比如在烤箱中一皮凝固。
在一系列箔段16的互连之后，箔配件50可以被螺旋状缠绕成圓形，然
34后可以通过使用热粘合剂66被附着到顶板和底板14、 12，热粘合剂66可以 通过任何合适的方法比如在对流烘箱中被凝固。如果顶板或底板14、 12由 UV或可见光透明材料比如陶瓷组成，这样的热粘合剂66可以为UV或者可 见光固化胶粘剂比如环氧树脂或丙烯酸脂胶。但是，任何合适的非导电的具 有高导热率的粘合剂可以在具有适当的机械参数下被利用。在箔配件50的极
端相对端的末端的金属端触点然后可以被连接到各个顶板和底板14、 12以使 顶板和底板14、 12可以为需要被提供动力的设备充当电触点。这样的触点可 以在功能上和结构上与传统手表电池的触点类似。然后执行设备的密封以保 护热电发生器IO预防水分、化学制品、机械影响和任何其它对其运行起相反 作用的碎屑。
在可选的制造过程中，可以考虑使用巻绕式处理技术为热电发生器制作 伸长的箔段以沉积一排基片材料的n型和p型热电臂到前基片表面和后基片 表面的至少一个上。这样的巻绕式处理可以与在2005年8月23曰向 Chan-Park等人发行的美国专利号6,933,098、发明名称为"PROCESS FOR ROLL-TO-ROLL MANUFACTURE OF A DISPLAY BY SYNCHRONIZED PHOTOLITHOGRAPHIC EXPOSURE ON A SUBSTRATE WEB"中公开的处 理相似，其全部内容通过引用清楚地结合于此。金属桥和端触点可以使用类 似的巻绕式处理技术被类似地沉积在前基片表面和后基片表面的至少一个 上。类似地，可以包括或省略金属触点的连接件的制作也可以在这样的巻绕 式处理中被制作。
本发明其它修改和改进对本领域技术人员也可以是显然的。这样，在此 说明和描述的部分的特殊的组合只用于表示本发明的某些实施例，并不用于 限制本发明精神和范围内的可选设备。
权利要求
1、一种热电发生器，包括一顶板和一底板，被彼此平行隔开设置，每个所述顶板和底板为导热的并具有大致圆形的形状；一螺旋状缠绕的箔段，其被锁位在所述顶板和底板之间并热互连所述顶板和底板，所述箔段包括一伸长基片，其具有顶部边缘和底部边缘以及在约7.5微米到约50微米范围内的厚度，并包括相对的前基片表面和后基片表面，该基片由具有低导热性的电绝缘材料形成；一系列伸长交替的n型和p型热电臂，以隔开并行排列的方式设置在所述前基片表面上，每个所述n型和p型热电臂由Bi2Te3型热电材料形成，所述热电材料具有在约10微米到约100微米范围内的厚度，每个n型和p型热电臂具有一宽度和一长度，所述宽度在从约10微米到约100微米范围内，所述长度在从约100微米到约500微米范围内；其中每个所述p型热电臂被电气连接到在所述p型热电臂的对端的相邻的n型热电臂以使所述n型和p型热电臂串联电气连接且并联热连接；所述顶板和底板被电气连接到一系列交替的n型和p型热电臂的对端的相应端。
2、 根据权利要求1所述的热电发生器，其中所述p型热电臂的所述热电 材料为具有下列分子式的半导体化合物(Bi0.15SbQ.85)2Te3加上约10原子o/。Te过剩量(excess)到约30原子。/。Te 过剩量。
3、 根据权利要求2所述的热电发生器，其中所述p型Bi2Te3型热电材料 在约20摄氏度下具有达到约45pW/(K"cm)的功率因数(Pp)。
4、 根据权利要求1所述的热电发生器，其中所述n型热电臂的热电材料 为具有下列分子式的半导体化合物Bi2(Te。.9Se(u)3加上约10原子。/。(Teo.9Se(u)过剩量到约30原子。/。(Teo.9Seo.0 过剩量。
5、 根据权利要求4所述的热电发生器，其中所述n型Bi2Te3型热电材料 在约20摄氏度下具有达到约45nW/(K"cm)的功率因数(Pn)。
6、 根据权利要求1所述的热电发生器，其中 开路电压输出在约4，0V和约6.5V之间；在约为5K的所述顶板和底^反之间的温差下，短;咯电流输出在约60pA 和约100jiA之间。
7、 根据权利要求1所述的热电发生器，其中在约为5K的所述顶板和底板之间的温差和在约2.5V和约3V之间的电 压下，电功率输出在约70)iW和约130pW之间。
8、 根据权利要求l所述的热电发生器，其中 所述顶板和底板具有在约4mm到约80mm范围内的直径； 所述顶板和底板被隔开以限定所述热电发生器的总高度在约0.3mm和约4.0mm之间。
9、 一种热电发生器，包括一顶板和一底板，被彼此平行隔开设置并具有大致圆形的形状； 一螺旋状缠绕的箔配件，其被锁位在所述底板和顶板之间并热相连所述 顶板和底板，所述箔配件包括一系列以彼此端到端的关系设置并且串联电气连接的箔段，每个所述箔段包括一基片，其具有顶部边缘和底部边缘以及在7.5微米到50微米范围 内的厚度，并包括相对的前基片表面和后基片表面，该基片由具有低导 热性的电绝缘材料形成；一系列伸长交替的n型和p型热电臂，以隔开并行排列方式设置在 所述前基片表面和后基片表面的至少一个上，每个所述n型和p型热电 臂由Bi2Te3型热电材料形成，所述热电材料具有在约IO微米到约100 微米范围内的厚度，每个n型和p型热电臂具有在约IO微米到约100 微米范围内的宽度和在约100微米到约500微米范围内的长度； 其中每个所述p型热电臂被电气连接到在所述p型热电臂的对端的相邻的n型热电臂以使所述n型和p型热电臂串联电气连接且并联热连接。
10、 根据权利要求9所述的热电发生器，其中 每个所述箔段具有相对的自由端；所述箔配件还包括数个连接件；每个所述连接件被设置为贴着所述前基片表面和后基片表面的至少一 个，并被按一定尺寸制造且用于机械连接相邻箔段的自由端。
11、 根据权利要求IO所述的热电发生器，其中所述箔配件还包括一层低导热且非导电的装配粘合剂将所述连接件粘结 到相邻的箔段的自由端。
12、 根据权利要求9所述的热电发生器，其中还包括一层导电的电粘合剂，所述电粘合剂在一个所述箔段的末端的一个n型 热电臂到相邻的一个箔段的末端的一个p型热电臂之间延伸以电气连接所述 箔段。
13、 根据权利要求IO所述的热电发生器，其中每个所述连接件具有顶部边缘和底部边缘以及沿着所述顶部边纟彖和底部 边缘的至少 一个设置的 一金属触点；所述金属触点被依一定尺寸制造并用于电气连接一个所述箔段的末端的 一个n型热电臂到相邻的一个箔段的末端的一个p型热电臂。
14、 根据权利要求13所述的热电发生器，其中所述金属触点被依一定尺寸制造并用于电气连接一个所述箔段的末端的 一对n型和p型热电臂到相邻的一个箔^:的末端的一对n型和p型热电臂以 在所述箔段之间提供电气冗余连接。
15、 根据权利要求13所述的热电发生器，其中每个所述箔段包括沿着与至少一个所述相对的自由端相邻的所述顶部边 缘和底部边缘的至少 一个延伸的 一端触点；所述端触点被电气连接到与一个所述自由端相邻^:置的所述n型和p型 热电臂的至少一个；所述箔配件还包括在所述连接件和一对所述箔段的端触点之间的一层导 电的电粘合剂。
16、 根据权利要求9所述的热电发生器，其中所述螺旋状缠绕的箔配件 用非导电的热粘合剂被互连到所述顶板和底板。
17、 根据权利要求9所述的热电发生器，其中所述螺旋状缠绕的箔配件 包括一中空部分。
18、 根据权利要求9所述的热电发生器，其中所述中空部分至少部分地 用具有低导热性的非导电的填充料填充。
19、 根据权利要求9所述的热电发生器，其中所述中空部分被依一定尺寸制造并用于容纳电子线路。
20、 一种生产热电发生器的箔配件的方法，包括步骤 提供具有前基片表面和后基片表面的基片材料； 在所述前基片表面上沉积一排n型和p型热电臂；沿着所述前基片表面的顶部边缘和底部边缘的至少 一个沉积金属桥； 切割具有所述n型和p型热电臂的其上沉积有金属桥的基片材料，以这样的方式形成数个箔段；以避免所述n型和p型热电臂的方式切割所述基片材料用以形成数个连接件；以端到端的关系排列 一对箔段以形成一 箔接头；通过用非导电且低导热的装配粘合剂将穿过所述箔接头的一对连接件粘 合在至少所述前基片表面上，机械互连所述箔段；以及通过将导电粘合剂从一个所述箔段的末端的一个所述n型热电臂延伸到 与该对箔段的相邻一个箔段的末端的一个所述p型热电臂，在所述前基片表 面上电气互连所述箔段。
21、 根据权利要求20所述的方法，其中还包括步骤 螺旋状缠绕所述箔配件成大致圆形的形状以使所述箔段的前基片表面面向径向向内。
22、 根据权利要求20所述的方法，其中采用 一系列交替的热溅射和冷溅射步骤使所述n型和p型热电臂沉积在 基片上；所述冷賊射步骤在约IO摄氏度到约IOO摄氏度范围内的温度下进行； 所述热賊射步骤在约200摄氏度到约400摄氏度范围内的温度下进行。
23、 根据权利要求20所述的方法，其中还包括步骤 通过在所述前基片表面上'践射一层镍，然后在该4臬层上蒸发一层金，沿着所述连接件的顶部边缘和底部边缘的至少 一个沉积金属触点。
24、 根据权利要求20所述的方法，其中还包括步骤 沿着所述箔段的所述前基片表面的所述顶部边缘和底部边缘的至少一个在其相对的自由端沉积端触点。
25、 一种生产热电发生器的伸长箔段的方法，包括步骤 提供具有前基片表面和后基片表面的基片材料；使用巻绕式处理在所述前基片表面上沉积一排n型和p型热电臂； 使用巻绕式处理沿着所述前基片表面的所述顶部边缘和底部边缘的至少 一个沉积金属桥以使每个所述p型热电臂被电气连接到在所述p型热电臂的 对端的相邻的n型热电臂，以使所述p型和n型热电臂串联电气连接。
26、 根据权利要求25所述的方法，其中还包括步骤 螺旋状缠绕所述箔段成一个大致圆形的形状以使所述前基片表面面向径向向内。
全文摘要
一种热电发生器具有以隔开关系方式设置在一底板上的一顶板。一系列箔段被电气连接和机械端到端连接以产生一箔配件，该箔配件被螺旋状缠绕并与该底板和顶板热接触。每个箔段包括具有一系列以平行排列的方式设置在前基片表面上的隔开交替的n型和p型热电臂的基片。每个所述n型和p型热电臂由基于碲化铋的热电材料形成，具有约10-100微米的厚度、约10-100微米的宽度和约100-500微米的长度。该交替的n型和p型热电臂为串联电气连接和并联热连接以使在该底板和顶板之间的温差导致功率的产生。
文档编号H01L35/30GK101449402SQ200780012565
公开日2009年6月3日 申请日期2007年2月7日 优先权日2006年2月10日
发明者英戈·斯达克 申请人:数字安吉尔公司