一种将冷端和热端分离的新型薄膜热电半导体器件制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及新型热电半导体器件的制造技术。
【背景技术】
[0002]传统热电半导体器件的基本结构见图1，由N型热电半导体元件(I)和P型热电半导体元件(2)，通过导体(3)、(4)，将N型、P型热电半导体元件电气串联连接，构成一个常见的制冷热电堆，通常将一对N型、P型热电半导体元件构成的热电堆称为一对热电偶。
[0003]按照图1的极性连接直流电源后，电流方向由N型热电半导体元件(I)流向P型热电半导体元件(2)，导体(3)连接的P、N元件结合面处的温度下降并吸热，构成热电堆的冷端。在同一热电元件的另一端，电流方向是P型热电半导体元件(2)经过电源流向N型热电半导体元件(1)，导体(4)连接的P、N元件结合面处的温度上升并放热，构成热电堆的热端。(如果将直流电源的极性反接，则热电堆的冷端与热端也会调换)。借助热交换设备等各种传热手段，将热电堆的热端不断散热并保持一定的温度，把热电堆的冷端放到需要降温的工作环境中去吸热降温，构成热电制冷的基本工作原理。
[0004]采用与图1相同的元件结构，按照图2所示的结构，在热电元件的5端散热，在热电元件的6、7端施加热能，使得热电元件的冷、热两端保持一定的温度差，则热电元件的导线6、7两端就会产生电动势，外接负载8就有电功率输出，构成温差发电的基本工作原理。
[0005]由于一对P/N热电半导体制冷热电元件的制冷量很小，实际应用的热电堆是将多对P/N热电半导体制冷热电元件电气串联或并联起来，封装成一个整体，满足不同的应用需求，图3是热电半导体元件串联示意图，按照图3中标示的电源极性，(9)是冷端，(10)是热端。图4是多对热电半导体元件对串联的热电堆封装成产品的示意图。
[0006]传统热电半导体器件的基本结构及工作原理，导致了热电半导体器件工作时，器件(A)面及(B)面的两个工作面(见图4)，一面制热，一面制冷(由流过P/N串联的热电半导体元件的电流的方向决定)。由于热电半导体材料固有的物理特性，例如:材料的热传导系数、材料的体积电阻率，导致了热电半导体元件内部的热交换机制难以克服，这些材料固有的热传导物理特性产生的内部热交换，抵消了热电半导体材料自身物理效应(帕尔贴效应)产生的制热及制冷的性能，也就是说，热电半导体器件显示的外部的冷端与热端的温度差指标是热电元件材料内部热交换(冷、热抵消)平衡以后的结果。
[0007]热电半导体器件的热偶元件晶粒，是用大块的半导体材料经切割、打磨成特定尺寸，然后按上述结构顺序焊接制成，成品热电器件冷端与热端的距离，根据功率的大小，大致在2-5毫米之间，热电器件的基本结构及工作原理，决定了热电半导体器件在制冷工况工作时，器件的上下两个工作面(见图4)，一面制热，一面制冷(由流过P/N热电半导体元件的电流的方向决定)，由于热电半导体材料固有的物理特性，例如:材料的热传导系数、材料的体积电阻率，导致了热电半导体元件内部的热交换机制难以克服，这些固有的物理特性产生的内部热交换，抵消了热电半导体材料自身特性产生的制热及制冷的性能。
[0008]对于工作于发电工况的热电半导体器件，其端口的输出电压与热电器件的冷、热端之间的温差成正比，热电器件内部的热交换，同样制约了热电器件的温差发电性能。
[0009]换句话说，传统热电半导体器件显示的外部的冷端与热端(通常有2-5毫米的距离)的温度差指标是热电元件材料内部热交换(冷、热抵消)平衡以后的结果，这也是制约热电器件整体性能的主要原因，设法降低内部热交换对热电器件性能指标的影响，是整个热电半导体行业对热电材料研究的重点方向，例如，改变热电材料的晶粒尺寸、改变热电材料的声子散射机制、利用纳米技术改变材料的维度、限定材料的量子隧道效应以及制作纳米薄膜等等，都是为减少材料内部的热导率，以此来提升热电材料的优值系数，但是，受制于传统热电半导体器件的结构特征，上述努力收效甚微，制约了热电技术的普及性应用。
【发明内容】
[0010]本发明的目的，是提供一种用采用薄膜制造技术将传统热电半导体器件的冷端和热端分离的全新的热电半导体器件。
[0011]本发明的解决方案是，在构成热电半导体器件基本特征的热端与冷端之间，增加一段电气通路同时也是冷、热温度交互的过渡段，将热电器件单元的冷端与热端分隔，实现热电器件冷、热端分离的目的。
[0012]具体制作过程是采用薄膜或者厚膜电路生产工艺技术，在耐高温薄膜上制作构成热电半导体器件的热端与冷端的物理结构、内部电气连接结构，冷端与热端的相对距离在物理结构上可以任意调整的过渡段以及薄膜导电引线的薄膜(或者厚膜)热电半导体器件单元，将这些薄膜热电半导体单元按照一定的规律串联(电气及物理结构)连接构成薄膜热电半导体器件部件单元，然后在真空或保护气氛环境下的加压烧结固化，制成冷、热端分离的薄膜热电半导体器件的组件模块，安装保护外壳及导热部件后构成完整的新型热电半导体器件。
[0013]本发明的解决方案示意图见图5，在耐高温薄膜(11)上按照设定的结构(冷端、热端及过渡段)，先在薄膜上印制将冷、热端分离的导电薄膜(12)及(17)，然后在特定位置分别涂覆P型热电半导体材料(13)，以及N型热电半导体材料(14)，在热电半导体薄膜与导电薄膜重叠的部分，分别构成热电半导体器件的冷端和热端，导电薄膜(12)及(17)之间的间隔构成冷、热端的过渡段，相对距离可以按应用需求调整，(15)与(16)是热电半导体薄膜器件的电源引出端。
[0014]热电薄膜的生产工艺，可以采用磁控溅射、化学沉积、分子外延等可以生成薄膜的应用技术，在薄膜基材上生成热电材料薄膜；
采用厚膜电路生产工艺技术，可以采用丝网印刷技术、或者喷涂技术，将热电半导体材料粉末按设定的结构印制到薄膜基材上。
[0015]为了获得更好的实际应用指标(更大的输出功率、更高的端口电压等)，上述热电半导体材料薄膜构成的薄膜器件单元可以在一个完整的薄膜上用合适的生产过程以串联的形式连续生产数百或数千个薄膜器件单元，构成一个有较大端口电动势的完整的薄膜热电器件单元部件，然后按照一定的设计规格折叠成合适大小的结构尺寸，折叠方法示意图见图6，