双通孔结构的微型热电能量采集器及其制备方法与流程

本发明属于热电转化技术领域，涉及一种热电能量采集器及其制备方法，特别是涉及一种双通孔结构的微型热电能量采集器及其制备方法。

背景技术：

热电转换技术是一种基于材料的塞贝克效应将热能直接转化成电能的电力技术。作为一种新能源和可再生能源的利用技术，由于其体积小、质量轻、寿命长、无机械运动部件、绿色环保等优点，热电转换技术引起了国内外科研人员的广泛关注。热电转换技术能够充分利用工业余热、废热、地热等低品位能源，为解决能源危机带来新的希望。

由于每个热电单元输出的电压很低，为了获得较高的电压以满足实际应用的需求，通常将很多热电偶对串联成热电堆，从而获得具有较高输出电压的热电能量采集器。

根据热流流经方向的不同，热电能量采集器主要分为垂直结构和平面结构。垂直结构由于热电偶臂端面与导热衬底接触面积较大，有良好的接触，可以降低接触热阻和接触电阻，但也因较大的接触面导致器件具有较低的集成度。平面结构一般为热流方向沿热电偶臂与导热衬底平行的薄膜热电偶器件。相比垂直结构的热电能量采集器，平面结构的器件热流路径不及前者，但由于其具有较小的接触面，从而导致器件具有较高的集成度。但是由于器件内部的接触电阻和接触热阻都比较大，以及制备这种结构所使用的材料本身热电优值系数低，导致器件的温差利用率低、输出功率较小。

热电能量采集器的研究工作主要集中在两方面：1、寻找易于加工的具有高优值系数的热电材料；2、优化器件结构，使温差尽可能的落在热电偶臂两端。热电能量采集器的发展目标是运用具有较高热电优值系数的材料制备易于加工和集成的具有良好热流路径的器件。

因此，提供一种新型热电能量采集器及其制备方法是本领域技术人员需要解决的课题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器及其制备方法，用于解决现有技术中平面结构的热电能量采集器接触热阻和接触电阻高、垂直结构的热电能量采集器集成度低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器， 所述采集器至少包括：底部键合片和顶部键合片；

所述底部键合片至少包括：

底部导热板，表面形成有底部绝缘层；

图形化的底部电连接层，形成于所述底部绝缘层的表面；

多个热电偶对，形成于所述图形化的底部电连接层表面，每一个热电偶对包括第一热电层和非接触式的包围在所述第一热电层周围的第二热电层；

底部键合层，形成于所述第一热电层和第二热电层的表面；

所述顶部键合片至少包括：

顶部导热板，表面形成有顶部绝缘层；

图形化的顶部电连接层，形成于所述顶部绝缘层的表面；

顶部键合层，形成于所述顶部电连接层的表面，所述顶部键合层与所述底部键合层键合接触；

绝缘层，形成于所述图形化的顶部电连接层之间以及所述顶部键合层之间，通过所述顶部电连接层将多个热电偶对串联形成热电偶阵列。可选地，所述第一热电层为圆柱形，所述第二热电层为环形。

可选地，所述顶部电连接层至少包括第一电连接层和第二电连接层；所述第一电连接层的形状与第一热电层的形状相匹配，且通过所述顶部键合层和底部键合层与所述第一热电层接触电连；所述第二电连接层的形状与第二热电层的形状相匹配，且通过所述顶部键合层和底部键合层与所述第二热电层接触电连。

可选地，所述方法至少包括步骤：底部键合片的制作、顶部键合片的制作以及所述底部键合片和顶部键合片的键合。

本发明还提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器的制备方法，所述底部键合片的制作至少包括步骤：

(1a)提供一底部导热板，在所述底部导热板表面依次形成底部绝缘层、底部电连接层以及光刻胶层；

(1b)在所述光刻胶层中形成暴露所述底部电连接层的多个通孔以及包围在每个通孔周围的环形沟槽，所述通孔中填充有第一热电层，所述环形沟槽中填充有第二热电层，所述第一热电层和第二热电层构成多个热电偶对；

(1c)在所述第一热电层和第二热电层表面形成底部键合层；

(1d)去除所述环形沟槽以外的光刻胶层，暴露出所述底部电连接层，之后刻蚀去除暴露的所述底部电连接层，使整个底部电连接层图形化；

(1e)去除所述第一热电层和第二热电层之间的光刻胶层；

所述顶部键合片的制作至少包括步骤：

(2a)提供一顶部导热板，在所述顶部导热板表面形成顶部绝缘层；

(2b)在所述顶部绝缘层表面形成图形化的顶部电连接层；

(2c)在顶部电连接层之间的顶部绝缘层表面以及部分顶部电连接层的表面覆盖绝缘层；

(2d)在未被所述绝缘层覆盖的顶部电连接层表面形成顶部键合层；

最后将所述底部键合层和顶部键合层进行键合，通过所述顶部电连接层将多个热电偶对串联形成热电偶阵列。

可选地，所述步骤(1a)中底部导热板采用硅片，通过氧化工艺在所述硅片表面生长二氧化硅作为底部绝缘层。

可选地，所述步骤(1a)中通过溅射工艺形成底部电连接层，所述底部电连接层选择为Ti/Au、Ti/Cu、TiW/Au或者TiW/Cu。

可选地，所述步骤(1a)中光刻胶层的厚度等于后续制作的第一热电层和第二热电层的高度。

可选地，所述步骤(1b)中以所述底部电连接层为种子层，通过电镀工艺分别在所述通孔和环形沟槽中形成第一热电层和第二热电层。

可选地，所述步骤(1b)具体包括：先进行第一次光刻，在所述光刻胶层中形成暴露所述底部电连接层的多个通孔，接着在所述通孔中填充第一热电层；再进行第二次光刻，形成包围所述通孔的环形沟槽，在所述环形沟槽中填充第二热电层。

可选地，所述步骤(1b)具体包括：先进行第一次光刻，在所述光刻胶层中形成暴露所述底部电连接层的多个环形沟槽，接着在所述环形沟槽中填充第二热电层；再进行第二次光刻，形成由所述环形沟槽包围的通孔，在所述通孔中填充第一热电层。

可选地，在所述步骤(1b)和步骤(1c)之间还包括表面平坦化步骤。

可选地，所述第一热电层和第二热电层为不同的材料或者为同种材料经过不同类型掺杂形成的N型热电材料和P型热电材料。

可选地，所述第一热电层为Cu、Ni或Bi-Te合金，所述第二热电层为Cu、Ni或Bi-Te合金。

可选地，所述步骤(1c)具体过程为：在步骤(1b)获得的结构表面旋涂光刻胶，并图形化所述光刻胶，形成暴露所述第一热电层和第二热电层的开口，之后通过电镀工艺在开口中填充底部键合层，所述底部键合层为Sn或者Au。

可选地，所述步骤(2a)中顶部导热板采用硅片，通过氧化工艺在所述硅片表面生长二 氧化硅作为顶部绝缘层。

可选地，所述顶部电连接层为Ti/Au或TiW/Au，所述顶部键合层为Au。

本发明再提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器的制备方法，所述方法至少包括步骤：底部键合片的制作、顶部键合片的制作以及所述底部键合片和顶部键合片的键合；

所述底部键合片的制作至少包括步骤：

(1A)提供一底部导热板和一衬底，在所述底部导热板表面依次形成底部绝缘层和第一键合层，在所述衬底表面形成第二键合层；

(1B)键合所述第一键合层和第二键合层，键合后的所述第一键合层和第二键合层构成底部电连接层，减薄所述衬底；

(1C)在所述衬底中形成暴露所述底部电连接层的多个通孔以及包围在每个通孔周围的环形沟槽，所述通孔中填充有第一热电层，所述环形沟槽中填充有第二热电层，所述第一热电层和第二热电层构成多个热电偶对；

(1D)在所述第一热电层和第二热电层表面形成底部键合层；

(1E)去除所述环形沟槽以外的衬底，暴露出所述底部电连接层，之后刻蚀去除暴露的所述底部电连接层，使整个底部电连接层图形化；

(1F)去除所述第一热电层和第二热电层之间的衬底。

所述顶部键合片的制作至少包括步骤：

(2A)提供一顶部导热板，在所述底部导热板表面形成顶部绝缘层；

(2B)在所述顶部绝缘层表面形成图形化的顶部电连接层；

(2C)在顶部电连接层之间的顶部绝缘层表面以及部分顶部电连接层的表面覆盖绝缘层；

(2D)在未被所述绝缘层覆盖的顶部电连接层表面形成顶部键合层；

最后将所述底部键合层和顶部键合层进行键合，通过所述顶部电连接层将多个热电偶对串联形成热电偶阵列。

可选地，所述衬底为硅衬底，所述第一键合层和第二键合层均为Ti/Au或TiW/Au，所述第一键合层和第二键合层为Au-Au键合。

如上所述，本发明的双通孔结构的微型热电能量采集器及其制备方法，具有以下有益效果：本发明采用双通孔结构，即：环形沟槽和通孔。在双通孔结构中分别填充第一热电层和第二热电层，形成热电偶对，并通过顶部电连接层实现热电偶对之间的串联，得到热电偶阵列，即微型热电能量采集器。本发明的热电能量采集器与传统平面结构的采集器相比，其双通孔结构热电偶臂端面与导热板之间具有较大的接触面积，可以降低接触热阻和接触电阻， 提高器件的温差利用率和发电功率；同时，相比垂直结构分立的热电偶臂阵列，这种双通孔结构可以进一步提高器件的集成度。

附图说明

图1～图15为本发明实施例二中制备方法的结构流程图。

图16～图20为本发明实施例三中制备方法的结构流程图。

元件标号说明

10 底部键合片

101 底部导热板

102 底部绝缘层

103 底部电连接层

104 光刻胶层

105 环形沟槽

106 通孔

107 第二热电层

108 第一热电层

109 开口

110 底部键合层

111 光刻胶

20 顶部键合片

201 顶部导热板

202 顶部绝缘层

203 顶部电连接层

2031 第一电连接层

2032 第二电连接层

204 绝缘层

205 顶部键合层

301 衬底

302 第一键合层

303 第二键合层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图14所示，本实施例提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器，所述采集器至少包括：底部键合片10和顶部键合片20。

如图9和图14所示，所述底部键合片10至少包括：底部导热板101、底部绝缘层102、底部电连接层103、多个热电偶对和底部键合层110。

所述底部绝缘层102形成于所述底部导热板101表面。所述底部导热板101可以是普通硅片，通过对硅片表面进行氧化形成二氧化硅层作为底部绝缘层102。

所述底部电连接层103形成于所述底部绝缘层102的表面，并且所述底部电连接层103为图形化的底部电连接层。

所述多个热电偶对形成于所述图形化的底部电连接层103表面。一个底部电连接层103表面容纳一个热电偶对。每一个热电偶对包括第一热电层108和非接触式的包围在所述第一热电层108周围的第二热电层107。优选地，所述第一热电层108可以是圆柱形，所述第二热电层107为环形，由环形的第二热电层107包围所述圆柱形的第一热电层108，如图4b所示结构。这种热电偶对的结构，其端面与导热板之间具有较大的接触面积，这样可以降低接触热阻和接触电阻，提高器件的温差利用率和发电功率。

所述底部键合层110形成于所述第一热电层108和第二热电层107的表面，用于底部键合片10和顶部键合片20之间的键合。

如图13和图14所示，所述顶部键合片20至少包括：顶部导热板201、顶部绝缘层202、顶部电连接层203、绝缘层204和顶部键合层205。

所述顶部绝缘层202形成于所述顶部导热板表面201。所述顶部导热板201可以是普通硅 片，通过对硅片表面进行氧化形成二氧化硅层作为顶部绝缘层202。

所述顶部电连接层203形成于所述顶部绝缘层202的表面，并且所述顶部电连接层203为图形化的顶部电连接层，如图11b俯视图所示。图形化的顶部电连接层203至少包括：第一电连接层2031和第二电连接层2032；所述第一电连接层2031的形状与第一热电层108的形状相匹配，且通过所述顶部键合层205和底部键合层110与所述第一热电层107接触电连；所述第二电连接层2032的形状与第二热电层107的形状相匹配，且通过所述顶部键合层205和底部键合层110与所述第二热电层107接触电连。相邻热电偶对之间的第一电连接层2031和第二电连接层2032顺次连接，从而将所有热电偶串联起来。

所述顶部键合层205形成于所述顶部电连接层203的表面，所述顶部键合层205与所述底部键合层110键合接触，如图14所示。

所述绝缘层204形成于所述图形化的顶部电连接层203之间以及所述顶部键合层205之间，通过所述顶部电连接层203将多个热电偶对串联形成热电偶阵列。

实施例二

本发明提供一种制备方法，用于制备实施例一中双通孔结构的微型热电能量采集器，所述制备方法至少包括如下步骤：底部键合片的制作、顶部键合片的制作以及所述底部键合片和顶部键合片的键合。

需要说明的是，所述底部键合片和顶部键合片可以同时制作，可以先制作底部键合片或者顶部键合片。一般，根据工艺时间的长短，工艺时间较长的先做。

下面先介绍底部键合片10的制备方法，如下：

首先执行步骤1a)，如图1所示，提供一底部导热板101，在所述底部导热板101表面依次形成底部绝缘层102、底部电连接层103以及光刻胶层104。

例如，使用普通硅片作为底部导热板101。在硅片表面氧化生长足够厚的二氧化硅作为底部绝缘层102。然后，利用金属溅射工艺在所述底部绝缘层102表面溅射Ti/Au金属层作为底部电连接层103，所述Ti/Au金属层可以作为后期电镀热电层的种子层，并且所述Ti/Au金属层也是热电偶对的底部金属电极。再在所述Ti/Au金属层旋涂厚厚的SU-8光刻胶作为光刻胶层104。

所述光刻胶层104时用于制作器件的模具，光刻胶层104的厚度即为后续制作的热电偶臂(第一热电层108和第二热电层107)的高度。

在其他实施例中，所述底部电连接层103还可以是Ti/Cu、TiW/Au或者TiW/Cu等等，在此不限。

然后执行步骤1b)，如图2a～图5所示，在所述光刻胶层104中形成暴露所述底部电连接层103的多个通孔106以及包围在每个通孔106周围的环形沟槽105，所述通孔106中填充有第一热电层108，所述环形沟槽105中填充有第二热电层107，所述第一热电层108和第二热电层107构成多个热电偶对。

可以以所述底部电连接层103为种子层，通过电镀工艺分别在所述通孔106和环形沟槽105中形成第一热电层108和第二热电层107。

在该步骤中，制作第一热电层108和第二热电层107的顺序可以互换。

例如，可以先制作第二热电层，再制作第一热电层。具体地，如图2a和2b所示(图2b为俯视图，图2a为沿图2b虚线方向的剖视图)，先进行第一次光刻，在所述光刻胶层104中形成暴露所述底部电连接层103的多个环形沟槽105，接着，如图3所示，在所述环形沟槽105中填充第二热电层107；再如图4a和4b所示(图4b为俯视图，图4a为沿图4b虚线方向的剖视图)，再进行第二次光刻，形成由所述环形沟槽105包围的通孔106；再如图5所示，在所述通孔106中填充第一热电层108。

也可以先制作第一热电层108，再制作第二热电层107。具体地，先进行第一次光刻，在所述光刻胶层中形成暴露所述底部电连接层的多个通孔，接着，在所述通孔中填充第一热电层；进行第二次光刻，形成包围所述通孔的环形沟槽；在所述环形沟槽中填充第二热电层。

所述第一热电层108和第二热电层107均选择易于填充的热电材料，例如Cu、Ni或Bi-Te合金等易电镀填充的热电材料。所述第一热电层108和第二热电层107可以是不同种类的材料，也可以为同种材料经过不同类型掺杂形成的N型热电材料和P型热电材料。

形成所述第一热电层108和第二热电层107后，可以利用化学机械抛光工艺将器件结构表面平坦化。光滑的器件结构表面，便于后期工艺的制作，并且平整的表面可以获得良好的界面接触，进而降低接触热阻和接触电阻。

接着执行步骤(1c)，在所述第一热电层和第二热电层表面形成底部键合层。

具体步骤为：如图6所示，先涂一层光刻胶111，进行光刻，形成暴露所述第一热电层108和第二热电层107的开口109。然后，如图7所示，通过电镀工艺在开口109中填充底部键合层110.

所述底部键合层110可以为Sn或者Au，也可以是其他任何合适的键合材料。本实施例中，所述底部键合层110为Sn。

接着执行步骤(1d)，如图8～图9所示，去除所述环形沟槽105以外的光刻胶层104，暴露出所述底部电连接层103，之后刻蚀去除暴露的所述底部电连接层103，使整个底部电连接层103图形化。

如图8所示，涂胶，进行光刻，刻蚀去除非器件区域的光刻胶层104，暴露出所述底部电连接层103。再如图9所示，去除暴露的底部电连接层103，使整个底部电连接层103图形化，实现热电偶对的底部电连接。同时去除光刻、刻蚀时覆盖在所述第一热电层108和第二热电层107表面用于保护所述第一热电层108和第二热电层的光刻胶(未予以图示)。光刻工艺用的光刻胶可以是普通光刻胶。

再执行步骤(1e)，去除所述第一热电层108和第二热电层107之间的光刻胶层104。

去除光刻胶层104，同时也去除了底部键合层110之间的光刻胶111。

另外，还需要制作顶部键合片20，所述顶部键合片20包括如下步骤：

首先执行步骤(2a)，如图11a所示，提供一顶部导热板201，在所述顶部导热板201表面形成顶部绝缘层202。

例如，使用普通硅片作为顶部导热板202。在硅片表面氧化生长足够厚的的二氧化硅，作为底部绝缘层202。

然后执行步骤(2b)，如图11a所示，在所述顶部绝缘层202表面形成图形化的顶部电连接层203。

具体地，先在所述顶部绝缘层202上溅射Ti/Au或TiW/Au作为顶部电连接层203，然后进行光刻，并通过刻蚀图形化所述顶部电连接层203，形成如图11b所示的顶部电连接层203。其中图11a为沿图11b中AA’方向的剖视图。

所述顶部电连接层203至少包括第一电连接层2031和第二电连接层2032；所述第一电连接层2031的形状与第一热电层108的形状相匹配，所述第二电连接2032层的形状与第二热电层107的形状相匹配，所述第一电连接层2031通过键合层与所述第一热电层108接触电连；所述第二电连接层2032则通过键合层与所述第二热电层107接触电连。

接着执行步骤(2c)，如图12所示，在顶部电连接层203之间的顶部绝缘层202表面以及部分顶部电连接层203的表面覆盖绝缘层204。

本步骤具体为：先在步骤(2b)获得的结构表面沉积绝缘层，然后将绝缘层图形化形成如图12所示的选择性覆盖的绝缘层。

最后执行步骤(2d)，如图13所示，在未被所述绝缘层204覆盖的顶部电连接层203表面形成顶部键合层205。

请参阅附图14，将所述顶层键合片20倒立，使所述顶部键合层205和底部键合层110键合在一起，从而使所述底部键合片和顶部键合片键合形成完整的双通孔微型热电能量采集器。器件中，通过所述顶部电连接层203将多个热电偶对串联形成热电偶阵列。

如图15所示为顶部键合层205俯视图。与传统的flip-chip工艺相比，本发明通过底部键 合层-顶部键合层(Sn-Au)键合的方式结合在一起，少了传统工艺中焊锡凸点的限制，可以将沟槽和圆柱通孔的尺寸减小，一方面可以提高器件的集成度，另一方面(降低界面接触电阻和接触热阻)，提高器件的输出性能。

实施例三

本实施例在提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器的制备方法，该方法与实施例二的区别在于，实施例二中以光刻胶层104为模具制备底部键合片，而本实施例中，制作器件的模具为衬底301，例如硅衬底。

具体制备底部键合片的方法如下：

首先执行步骤(1A)，提供一底部导热板101和一衬底301，在所述底部导热板101表面依次形成底部绝缘层102和第一键合层302，在所述衬底301表面形成第二键合层303。

请参阅附图16，所述底部导热板101表面依次形成有底部绝缘层102和第一键合层302；再请参阅附图17，所述衬底301表面形成有第二键合层303。

所述第一键合层302和第二键合层303可以为Ti/Au或TiW/Au等，也可以是其他合适的键合材料，在此不限。本实施例中，所述第一键合层302和第二键合层303选择为相同的材料，为Ti/Au。

然后执行步骤(1B)，键合所述第一键合层和第二键合层，键合后的所述第一键合层和第二键合层构成底部电连接层，减薄所述衬底。

请参阅附图18，通过合适的键合条件，将所述第一键合层302和第二键合层303接触键合(Au-Au键合)，形成一层底部电连接层103，该底部电连接层103相当于实施例二中的底部电连接层。键合后的结构如图19所示。

键合后再将所述衬底301减薄至器件高度，获得如图20所示的结构，该衬底301优选为硅衬底，相当于实施例二中的光刻胶层104，作为制作器件的模具。

之后再在硅衬底301中进行后续的制作，例如制作沟槽、通孔，填充第一热电层、第二热电层等等。

本实施例中的后续的制作步骤(1C)～步骤(1F)与实施例二中步骤(1b)～步骤(1e)相同，顶部键合片的制作以及键合步骤也与实施例二相同，在此不再一一赘述。

需要说明的是，本专利的双通孔结构及其制备方法，除了用于制备热电偶外，还可以制备温差发电、温差电制冷组件等，其结构和制备方法都可以互相作为参考。

综上所述，本发明提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器及其制备方法，本发明采用双通孔结构，即：环形沟槽和通孔。在双通孔结构中分别填充第一热电层和第二热电层， 形成热电偶对，并通过顶部电连接层实现热电偶对之间的串联，得到热电偶阵列，即微型热电能量采集器。本发明的热电能量采集器与传统平面结构的采集器相比，其双通孔结构热电偶臂端面与导热板之间具有较大的接触面积，可以降低接触热阻和接触电阻，提高器件的温差利用率和发电功率；同时，相比垂直结构分立的热电偶臂阵列，这种双通孔结构可以进一步提高器件的集成度。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。