专利名称：一种基于精密机械加工的微型热电器件制作方法
技术领域：
本发明属于功能材料的微加工和器件集成领域，具体涉及到一种基于精密机械加工的微型热电器件制作方法。
背景技术：
热电器件是指可以直接实现电能与热能相互转换的一类电子元件，其核心是由多组不同载流子类型的热电材料串并联起来组成的热电模块。相比传统的内燃发电机和空气压缩制冷机，热电器件的主要优势是结构简单，没有移动部件(因此也无振动噪声)，以及易于小型化、微型化；劣势是在大功率应用时，能量转换效率相对较低。微型化的热电器件不仅在换能效率上占有相对的优势，而且可以在光电元件、电子芯片的散热，以及基于 MEMS (microelectromechanical systems,微机电系统)技术的微型电源、微区精确控温和生物医学等方面获得新的应用。热电器件的基本结构是由若干对具有正、负载流子的热电材料(P型、N型)串联组成的热电臂阵列。工作时的输出功率是P型、N型材料功率的总和。一般热电器件的制作步骤是先将块体热电材料切割成热电臂的形状，再按照P型、N型交错的方式排布成阵列。然而这种工艺方法在加工微型热电器件时遇到两个主要的困难第一，热电材料通常强度较低，加工性能也较差，因此微型热电臂的尺寸下限和加工精度都受到了限制；第二，即使加工出了微型的热电臂,将其规则地排列起来也需要较高的工艺和人力成本。而本发明可以较好的解决这些问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于精密机械加工的微型热电器件制作方法，其主要特点是通过切割-插嵌复合-再切割的方式同步实现热电臂的加工和阵列的排布，节省了工艺和人力成本。同时，由于第二次切割时热电薄片受到了环氧树脂的支撑和保护，因此热电臂可以获得更高的微细化程度和加工精度。一种基于精密机械加工的微型热电器件制作方法，该方法包括如下步骤(I)先利用精密切割法分别在P型、N型薄片状热电块体材料表面上加工出一系列平行凹槽，然后在环氧树脂的润滑下使P型和N型薄片插嵌复合，并进行固化处理，得到复合薄片；(2)将复合薄片的其中一个表面抛光，然后在此表面上，沿与步骤(I)切割方向垂直的方向切割出一系列平行凹槽，并填入环氧树脂，固化后形成微型热电臂阵列；(3)制作串联连接热电臂阵列的电极，并封装成微型热电器件。所述的P型和N型薄片状热电块体材料的厚度为I 2毫米。步骤(I)和⑵中采用相同的环氧树脂，环氧树脂的环氧值为35 45。步骤(I)中凹槽的深度为O. 3 I毫米，宽度为50 200微米，相互间隔距离为凹槽宽度的80% 90%。
步骤(2)抛光时一般要将复合薄片抛光至露出P型和N型的插嵌复合部分。步骤(2)中凹槽的深度为O. 3 O. 8毫米，宽度为50 500微米，间隔为50 500微米。步骤(I)和步骤(2)中，固化时间为24小时以上。步骤(3)中电极的制作包括如下步骤将热电臂阵列的一个表面抛光，然后利用紫外光刻的方法在此表面上制作出光刻胶的掩模，再利用等离子刻蚀的方法刻蚀掩模中露出的部分，随后利用磁控溅射的方法制作出此表面上的电极；利用同样的方法制作热电臂阵列另一面的电极。电极为镍-铜复合薄膜，其中，镍在底层(贴近热电臂)，厚度为O. I O. 5微米；铜在表层，厚度为3 10微米；电极的形状为正方形，边长等于步骤(I)中切割的凹槽相互之间的间隔。·
本制作方法中树脂复合步骤起了关键的作用。首先，在切割过程中，树脂对热电臂起了定位和提高强度的作用这使得热电臂的切割和数组排布可以一次同时完成，而且在步骤(2)切割时由于树脂的填充和粘接作用，容易切出完好的高纵横比热电臂。其次，在器件使用中，由于树脂是电和热的良好绝缘体(约为热电材料的1/6)，因此树脂的存在基本不会影响器件的能量转换功率和效率，反而可能提高器件的整体柔韧度和可靠性。本发明的有益效果为通过切割-插嵌复合-再切割的方式同步实现热电臂的加工和阵列的排布，操作简便，节省了工艺和人力成本；由于切割时热电薄片受到了环氧树脂的支撑和保护，因此热电臂可以获得更高的微细化程度和加工精度，可以将热电臂截面的微型化程度达到100微米以下，加工精度误差达到10微米以下，热电臂的纵横比达到3以上，器件的最高集成度达到每平方厘米10000个热电臂以上。
图I是本发明的主要制作流程图(a)表面加工有凹槽的P型、N型薄片，(b)将P型和N型复合薄片的其中一面抛光后所得表面，(c)将微型热电臂阵列的一面抛光后所得表面，(d)制作的A面电极，(e)制作的B面电极；图2是用来串联微型热电臂阵列的电极的制作流程；图3是制作的不同尺度的热电臂阵列的光学显微照片；图4是制作的微型热电器件的热电臂阵列和连接电极的光学显微照片；图5电极局部的高倍放大微观形貌。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。本发明主要通过两个步骤实现第一步先利用切割-插嵌复合-再切割的方法制作环氧树脂复合的微型热电臂阵列，第二步是利用紫外光刻、等离子刻蚀和磁控溅射等微加工的方法制作串联连接热电臂的电极。具体制备工艺如下(I)如图I所示，利用精密划片机在两片厚度为I 2毫米的P型和N型薄片状热电块体材料表面分别切割出深度为O. 3 I毫米，宽度为50 200微米，相互间隔为宽度的80% 90%的一系列平行凹槽，凹槽的间隔略小于凹槽的宽度，其目的是为了能够紧密地插嵌，然后在环氧值为35 45的环氧树脂的润滑作用下插嵌复合起来，并固化24小时以上，得到P型和N型热电材料的复合薄片。(2)将复合薄片其中一个表面抛光至露出P型和N型的插嵌复合部分，然后在此表面上沿与上次切割方向垂直的方向切割出深度为O. 3 O. 8毫米，宽度为50 500微米，间隔为50 500微米的一系列平行凹槽，并填入与步骤(I)中相同的环氧树脂固化24小时以上，形成微型热电臂阵列。(3)如图2所示，将与树脂复合好的热电臂阵列(热电堆)抛光一个表面，涂覆感 光胶，并通过曝光和显影获得A面电极的图案，利用氩气等离子轰击清洗表面，然后磁控溅射镍-铜复合电极，利用湿法去胶工艺去除光刻胶，并用树脂和硅片封装A面；利用同样的方法制作B面的电极，并封装，就可以制作出适用于便携式电源或微区制冷的毫米尺度的微型热电器件。其中，镍-铜复合电极的镍层与热电材料接触，厚度为O. I O. 5微米，作用是提高电极与材料的粘接力，以及阻止铜向热电材料中扩散，铜的厚度为3 10微米，作用是提供高电导。实施例I(I)利用精密划片机在厚度为2毫米的P型和N型薄片状热电块体材料表面分别切割出深度为O. 6毫米，宽度为200微米，相互间隔为180微米的一系列平行凹槽，然后在环氧树脂(环氧值为44)的润滑作用下插嵌复合起来，并固化24小时，得到P型和N型热电材料的复合薄片。(2)将复合薄片其中一个表面抛光至露出P型和N型的插嵌复合部分(抛光掉的厚度为1.4毫米)，然后在此表面上沿与步骤(I)中切割方向垂直的方向切割出深度为O. 6毫米，宽度为200微米，间隔为400微米的一系列平行凹槽，并填入环氧树脂(环氧值为44)的固化24小时，形成微型热电臂阵列，如图3 (a)所示。(3)将与树脂复合好的热电臂阵列抛光一个表面，涂覆感光胶，并通过曝光和显影获得A面电极的图案，利用氩气等离子轰击清洗表面，然后磁控溅射镍-铜复合电极，利用湿法去胶工艺去除光刻胶，并用树脂和硅片封装A面；利用同样的方法制作B面的电极，并封装成微型热电器件。其中，制作的镍-铜复合串联电极的边长为O. 18毫米，镍层厚度为O. 2 O. 25微米，铜层厚度为7 7. 5微米。实施例2(I)利用精密划片机在厚度为2毫米的P型和N型薄片状热电块体材料表面分别切割出深度为O. 5毫米，宽度为100微米，相互间隔为80微米的一系列平行凹槽，然后在环氧值为44的环氧树脂的润滑作用下插嵌复合起来，并固化24小时以上，得到P型和N型热电材料的复合薄片。(2)将复合薄片其中一个表面抛光至露出P型和N型的插嵌复合部分，然后在此表面上沿与上次切割方向垂直的方向切割出深度为O. 4毫米，宽度为150微米，间隔为200微米的凹槽，并填入相同的环氧树脂固化24小时以上，形成微型热电臂阵列，如图3(b)所示。(3)将与树脂复合好的热电臂阵列抛光一个表面，涂覆感光胶，并通过曝光和显影获得A面电极的图案，利用氩气等离子轰击清洗表面，然后磁控溅射镍-铜复合电极，利用湿法去胶工艺去除光刻胶，并用树脂和硅片封装A面；利用同样的方法制作B面的电极，并封装。其中，制作的镍-铜复合串联电极的边长为O. 08毫米，镍层厚度为O. 4 O. 45微米，铜层厚度为6 6. 5微米。实施例3(I)利用精密划片机在厚度为I. 5毫米的P型和N型薄片状热电块体材料表面分别切割出深度为O. 8毫米，宽度为200微米，相互间隔为170微米的一系列平行凹槽，然后在环氧值为36的环氧树脂的润滑作用下插嵌复合起来，并固化24小时以上，得到P型和N型热电材料的复合薄片。(2)将复合薄片其中一个表面抛光至露出P型和N型的插嵌复合部分，然后在此 表面上沿与上次切割方向垂直的方向切割出深度为O. 7毫米，宽度为200微米，间隔为400微米的凹槽，并填入环氧值为36的环氧树脂固化24小时以上，形成微型热电臂阵列(图4(a), (b))。(3)将与树脂复合好的热电臂阵列(热电堆)抛光一个表面，涂覆感光胶，并通过曝光和显影获得A面电极的图案，利用氩气等离子轰击清洗表面，然后溅射镍-铜复合电极，利用湿法去胶工艺去除光刻胶，并用树脂和硅片封装A面；利用同样的方法制作B面的电极，并封装成微型热电器件。制作的镍-铜复合串联电极(图4(c)、(d))的边长为170微米，镍层厚度为O. 35 O. 4微米，铜层厚度为4 4. 5微米。每根热电臂的截面积为O. 07平方毫米，长度为O. 6毫米。如图5所示为单个电极的局部高倍放大微观形貌。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种基于精密机械加工的微型热电器件制作方法，其特征在于该方法包括如下步骤 (1)先利用精密切割法分别在P型、N型薄片状热电块体材料表面上加工出一系列平行凹槽，然后在环氧树脂的润滑下使P型和N型薄片插嵌复合，并进行固化处理，得到复合薄片; (2)将复合薄片的其中一个表面抛光，然后在此表面上，沿与步骤(I)切割方向垂直的方向切割出一系列平行凹槽，并填入环氧树脂，固化后形成微型热电臂阵列； (3)制作串联连接热电臂的电极，并封装成微型热电器件。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述的P型和N型薄片状热电块体材料的厚度为I 2毫米。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤(I)所述的凹槽的深度为0.3 I毫米，宽度为50 200微米，相互间隔距离为凹槽宽度的80% 90%。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤(2)中抛光时要将复合薄片抛光至露出P型和N型的插嵌复合部分。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤(2)所述的凹槽的深度为0.3 0. 8毫米，宽度为50 500微米，间隔为50 500微米。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤(I)和步骤(2)中采用相同的环氧树脂，环氧树脂的环氧值为35 45。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤(I)和步骤(2)中，固化时间为24小时以上。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤(3)中所述电极的制作包括如下步骤将热电臂阵列的其中一面表面抛光，然后利用紫外光刻的方法在此表面上制作出光刻胶的掩模，再利用等离子刻蚀的方法刻蚀掩模中露出的部分，随后利用磁控溅射的方法制作出此表面上的电极；利用同样的方法制作热电臂阵列另一面的电极。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于电极为镍-铜复合薄膜，镍在底层，厚度为0. I 0. 5微米，铜在表层，厚度为3 10微米。
10.根据权利要求1、8或9所述的方法，其特征在于电极的形状为正方形，边长等于步骤(I)中切割的凹槽相互之间的间隔。
全文摘要
本发明公开了属于功能材料的微加工和器件集成领域的一种基于精密机械加工的微型热电器件制作方法。该工艺的核心是热电堆(热电臂阵列)的制作，具体步骤为先利用精密切割法分别在P、N型热电块体薄片上加工出一系列平行凹槽，然后在环氧树脂的润滑下插嵌复合，待固化后再沿垂直于这些沟槽的方向切割出一系列平行凹槽并填入环氧树脂，待再固化后经过抛光就可以制作出二维排布的热电臂阵列。通过后续的电极制作和封装工艺，就可以制作出适用于便携式电源或微区制冷的毫米尺度的微型热电器件。
文档编号B81C1/00GK102810626SQ20111014961
公开日2012年12月5日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者李敬锋, 刘大为 申请人:清华大学