热电器件及其制造方法

文档序号:9278309
热电器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及热电材料,热电器件,热电元件等;更具体地,涉及热电器件、模块及其制造方法的设计。
【背景技术】
[0002]常规的热电器件利用称为热电材料的一类材料直接把热能转换成电能流,和把电能流转换成热能,热电材料表现出诸如Thomson效应、Peltier效应和Seebeck效应之类的热电效应。热电材料是存在相对两端地形成的,其中所述相对两端具有热触点和电触点,以便利用Seebeck效应发电,热电材料被置于热梯度中,一端处于较低温度,另一端处于较高温度。归因于两端之间的温差,热电材料产生电流和电压。
[0003]图1是和现有技术一致的简化透视图,其中上基片的一部分被切去,从而露出模块100的内部结构。热量垂直流过模块100,而电流在整个模块内串联连接的各个热电偶中上下流动。常规的热电模块利用借助热电偶104和106例示的多个热电器件102,其中使用P型热电材料110和N型热电材料108两者。当常规的P型热电材料110和N型热电材料108受到相同的温度梯度时,N型和P型热电材料产生方向彼此相反的电流。如图1中图解所示,常规的热电模块通过装配夹在公共热板112和公共冷板114之间的交替的P型和N型材料110和108,同时利用第一批多个和第二批多个金属条(金属条120和122是其例子),把交替的P型和N型材料110和108电连接在串联电路中,利用所述性质。箭头124和126表示的热通量并行地通过P型和N型热电材料,同时串联地产生电力,其中由交替的P型和N型热电材料108和110产生的电压是加性的。
[0004]利用模块100图解所示的常规热电模块存在设计和功能方面的几个固有问题。常规设计需要N型和P型器件,比如如前所述的热电偶104和106。P型和N型热电材料,例如热电材料110和108必须被电气匹配,常常需要各个热电材料的不同物理尺寸加工。由于在常规模块设计中,P型和N型器件被串联电耦接,因此为了获得最佳的模块性能,各个器件必须产生相同的单独电流。用于P型和N型器件的制造的热电材料一般具有固有不同的电流产生能力,通过使P型和N型热电材料尺寸不同,可以减轻所述固有不同的电力产生能力。热电材料的尺寸加工使模块设计和制造更复杂和昂贵。从而,多数模块制造商认为最经济有效的是使P型和N型器件尺寸相同,这导致并非最佳的模块发电。
[0005]还必须关于热膨胀,匹配P型和N型器件。P型和N型器件都由不同的半导体材料制成,所述不同的半导体材料具有不同的热膨胀系数,这引起机械应力,所述机械应力导致模块可靠性和可用寿命降低。
[0006]为了性能最佳,必须匹配P型和N型热电材料的随温度而变的性能。然而,P型和N型热电材料的峰值功率工作温度不同,当被强制放入公共模块中时,导致并非最佳的电力性能。
[0007]目前的模块设计的制造要求选择交替的P型和N型热电材料,并将其精确地置于模块阵列中。这要求仔细地追踪构成热电器件的两类热电材料(P型和N型材料)及其布置,因为单个放错位置的热电材料和/或器件会影响模块功能。还需要结合P型和N型器件的不同触点结构,这使制造过程更复杂和昂贵。
[0008]易于理解目前的热电器件的设计,热电模块的设计及方法使两者具有严重的限制和问题。另外,显然目前的建立热电器件和模块的制备方法复杂并且易于遭受可靠性失效。于是,在大批量制造环境中,经济有效、简单并且可制造性高的用于热电器件和模块的装配的物品、设计和方法是非常合乎需要的。

【发明内容】

[0009]我们描述一种制造纠正上述缺陷的热电模块的方法。本发明利用单一热电材料类型,不是N型就是P型。利用本发明,关于电流,电学上匹配所有的热电器件,关于热膨胀,匹配所有的热电器件,关于温度工作点,匹配所有的热电器件。通过匹配电流、热膨胀和温度工作点,可以设计和获得最佳的模块性能。另外,通过利用单一种类的热电类型,大大降低制造复杂性,结果成本较低。
[0010]简而言之,在各个代表性方面,本发明提供一种制造热电器件的物品和方法,并提供模块。形成具有第一部分、第二部分和第一区域的第一元件。第一部分和第二部分分别具有在第一部分和第二部分的第一表面和第二表面,其中第一表面和第二表面导电导热。第一区域从第一部分延伸到第二部分,其中第一区域绝热但导电。第二元件具有第三部分、第四部分和第二区域。第三部分和第四部分分别具有第六表面和第七表面,其中第六表面和第七表面导热导电。第二区域从第三部分延伸到第四部分,其中第二区域绝热但导电。热电元件具有第一电极和第二电极。热电元件的第一电极和第二电极分别机电耦接到第一元件和第二元件的第二部分和第三部分的第二表面和第六表面。
[0011]在另一个实施例中,提供一种制造热电模块的物品和方法。第一基片导热,具有第一表面、第二表面和第三表面,其中第一表面和第二表面彼此大体平行,其中第一表面和第二表面被偏移,通常被移位某个值,第三表面与第一表面和第二表面成一定角度地延伸自第一表面和第二表面。第二基片导热,具有第四表面、第五表面和第六表面,其中第四表面和第五表面大体平行,并被偏移某个值,第六表面与第一表面和第二表面成一定角度地延伸自第四表面和第五表面。形成具有第一部分、第二部分和第一区域的第一元件。第一部分和第二部分分别具有在第一部分和第二部分的第七表面、第八表面、第九表面和第十表面,其中第七表面和第八表面导电导热。第一区域从第一部分延伸到第二部分,其中第一区域绝热,但导电。第二元件具有第三部分、第四部分和第二区域。第三部分和第四部分分别具有第十一表面、第十二表面、第十三表面和第十四表面,其中第三部分和第四部分导热导电。第二区域从第三部分延伸到第四部分,其中第二区域绝热但导电。热电元件布置并电耦接在第一元件和第二元件的第一部分和第三部分之间,其中第二导电元件被置于第二基片的第二导热绝缘层上。
[0012]在下面的【具体实施方式】中,记载了本发明的另外的优点,根据所述【具体实施方式】,所述另外的优点是明显的,或者通过实践本发明的例证实施例,可以了解所述另外的优点。借助在权利要求书中特别指出的任意手段、方法或组合,可以实现本发明的其它优点。
【附图说明】
[0013]本发明的典型元件、操作特征、应用和/或优点存在于如下更充分描述、记载和要求保护的结构和操作的细节中-参考构成其一部分的附图,附图中,相同的附图标记表示相同的部件。鉴于在【具体实施方式】中记载的某些例证实施例,其它元件、操作特征、应用和/或优点对本领域的技术人员来说将变得明显,附图中:
[0014]图1是放大的现有技术的热电模块;
[0015]图2是本发明的热电器件的极大简化的基本构件块分解透视图;
[0016]图3是具有不同几何设计的元件、部分和热电材料的不同结构的极大简化的分解图;
[0017]图4是串联连接,以便形成线性热电模块的多个热电器件的电组件的极大简化的分解图;
[0018]图5是具有串联连接的多个热电器件的热电模块的极大简化的透视剖视图,所述串联连接的多个热电器件具有绝缘件,图中某些部分被除去,以更详细地揭示内部加工;
[0019]图6是热电模块的极大简化的透视剖视图,其中一部分被移离,以致被例示成热电模块的简化透视内部剖视图,其中一部分是图解说明热电模块的外表面的热电模块的简化透视图;
[0020]图7是本发明的热电器件的备选实施例的极大简化的剖视图。
[0021]本领域的技术人员会意识到为了简单和清楚起见,例示了附图中的元件,附图中的元件不一定是按比例绘制的。例如,附图中的一些元件的尺寸相对于其它元件被放大,以帮助改善本发明的各个实施例的理解。此外,用语“第一”、“第二”等(如果有的话)用于区分相似的元件,不一定描述次序或时间先后顺序。此外,说明书和/或权利要求书中的用语前面、后面、顶部、底部、在...之上,在...之下等(如果有的话)通常是描述性的,不一定描述排他的相对位置。于是,本领域的技术人员理解在适当情况下,如此使用的任意前述用语可被互换,以致这里说明的本发明的各个实施例能够在除明确例示或以其它方式描述的定向外的其它定向下起作用。
【具体实施方式】
[0022]以下说明描述本发明的例证实施例,和发明人的最佳模式的设想,并不用来限制本发明的范围、适用性或结构。相反,下面的说明用来提供实现本发明的各个实施例的便利例示。显然可在公开的例证实施例中描述的任意元件的功能和/或排列方面作出变化,而不脱离本发明的精神和范围。
[0023]作为易于被本领域的技术人员推广到按照本发明的各个实施例的公开系统和方法的任何应用的详尽的使能公开,给出了例证应用,即,系统、设备及其通过提供适合于用于感测和发电的热电器件的制造方法的详细说明。
[0024]在陈述下面说明的附图的细节之前,定义和/或澄清一些术语。
[0025]术语“热电器件”用于意谓位于机电耦接到热电材料的至少两个导电元件之间的所述热电材料的任意实现。
[0026]术语“热电材料”用于意谓表现出诸如Thomson效应、Pel tier效应和Seebeck效应之类的热电效应,从而直接把热能转换成电能,和把电能转换成热能的任何材料。术语“热电元件”用于意谓以致热电材料能够具有电学上高效的触点地形成的热电材料的任意集合体。应明白适合于材料系统的电极也可被包含在设计中。
[0027]术语“温度梯度”意谓较低温度和较高温度之间的温差。一般,热能移动被描述成声子(phonon)从较高温度移动到较低温度。
[0028]术语“小片(die) ”意谓具有任何适当的三维几何结构,比如立方体、椭圆、圆柱体等的单个热电元件。
[0029]术语“导电迹线”意谓能够传导电压和电流的导电材料。一般,导电迹线是准备的能够几乎无损耗地传导电压和电流的导线或导电材料。仅仅作为例子,导电迹线可由任何导电材料,比如(但不限于)金属、合金、分层导电结构等构成。
[0030]术语“绝热”意谓禁止热量,或者不允许热量传输通过的材料、材料的重构,和/或材料的组合。
[0031]术语“绝缘”意谓禁止电流,或者不允许电流传输通过的材料、材料的重构,和/或材料的组合。
[0032]术语“电极”意谓电流能够易于流过的电连接设备。电极可由任何适当的材料,或者材料的组合构成,比如金属、金属的组合、半导体材料、半导体的组合、半导体材料和掺杂剂的组合、和/或任意上述材料的组合。
[0033]术语“线性”用于意谓使热电器件沿直线排列。仅仅作为例子,在各个元件具有中心点(质心),并且使元件的中心点沿着直线排列的情况下,元件是线性放置的。不过,应明白尽管元件被线性排列,不过热电器件是纵向隔开的,以形成阶梯状结构。
[0034]术语“增材和减材方法”意谓其中提供第一材料层或基片的处理。掩蔽层或第二材料层被置于基片或第一材料层上。随后在掩蔽层或第二材料层中形成图案或开口,从而露出基片或第一材料层。一般,随后进行湿法或干法化学蚀刻处理,所述处理把图案从掩蔽层或第二材料层转印到基片或第一材料层。
[0035]术语“材料的转化”意谓能够把其原始性质改变成不同的性质和/或性质的组合的任何材料。例如,把氧化性离子,比如(但不限于)氧离子注入金属,比如(但不限于)锡(Sb)、铜(Cu)等,或者半导体,比如(但不限于)硅(Si)中,可把锡转化成氧化锡(Sb02)、氧化铜(Cu02)、氧化硅(Si02)等。
[0036]术语“韧性金属”用于意谓能够被拉拔成细长条而不断裂的任何金属。
[0037]术语“常规热电偶”被定义成具有P型热电元件和η型热电元件。
[0038]术语“单极热电器件”用
再多了解一些
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