专利名称：提供用于使得热电偶的接触的有效高度变化的热电装置及该装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及热电装置，其包括第一腿，由第一材料制成，在其第一端的水平锚定到支撑体，第二腿，由第二材料制成，在其第一端的水平锚定到所述支撑体，电连接元件，提供有分别与第一腿和第二腿电接触的第一和第二接触区域以形成热电偶。
背景技术：
具有两个热电偶la、lb的热电装置的传统结构如图I所示。每个热电偶la、lb由两个腿2a、2b形成，两个腿2a、2b在它们的端部之一通过电连接元件3彼此连接。第一腿2a优选由P型材料形成，并且第二腿2b优选由N型材料形成。装置可包括如上所述的多个热电偶la、lb，多个热电偶la、lb串联设置并且由金属连接体4a彼此连接，以最优化装置的效率。金属连接体4b、4c位于热电偶串的端部，以形成装置的电连接。热电装置可以塞贝克(Seebeck)模式或帕尔贴(Peltier)模式使用。它包括在温度Th的热侧收集体5和在温度Tf的冷侧收集体6。在塞贝克模式中，装置从热侧5和冷侧6之间的温度梯度产生能量。此模式也称为功率产生模式。在帕尔贴模式中，在装置的端子上施加电流使得在热侧5和冷侧6之间能够产生温度梯度。此模式也称为冷却模式。热电装置的效率实际上取决于所用的材料、装置的几何形状以及使用环境。因此，装置对于冷却模式或功率产生模式是最优的，但是不能同时对两者最优。文件JP-2008-288535-A描述了一种热电模块，包括在冷侧和热侧之间串联电连接且并联热连接的热电偶。每个热电偶以两个腿为基础而形成，两个腿由不同的材料制成且设置在两个支撑体之间。在热侧的水平上，每个热电偶的腿包括槽口，诸如压缩弹簧的弹性偏置机构设置在槽口之间。这些偏置机构与支撑体绝缘并且与两个元件接触，这两个元件自身与腿接触。弹性偏置机构可实现在热电模块的膨胀或热应力的情况下，在垂直于腿的方向上，在腿之间产生稳定和持久的电接触。
发明内容
本发明的目的是提供一种对功率产生模式和冷却模式两者均能被最优化的装置。该目的倾向于通过所附权利要求且特别是下面的事实实现，用于使接触区域的位置变化的机构包括电连接元件，所述连接元件沿着所述第一和第二腿是可移动的。本发明还涉及热电装置的制造方法，其包括如下步骤在支撑基板上形成由热电材料制成的彼此电绝缘的两个腿，形成电连接两个腿且能够在垂直于基板的方向上移动的可移动元件。
其它的优点和特征从下面的本发明特定实施例的描述而更为明晰，本发明的实施例仅以非限定示例的目的给出且表示在附图中，其中图I示出了根据现有技术配备有串联连接的两个热电偶的装置。图2示出了根据本发明的处于塞贝克最优化位置的装置的实施例。
图3示出了处于帕尔贴最优化位置的图2的装置。图4示出了处于塞贝克模式的装置根据腿的高度产生的功率。图5示出了处于帕尔贴模式的装置根据腿的高度产生的功率.图6和7示出了图2和3的实施例的改进。图8示出了包括三个串联连接的热电偶的装置。图9和10示出了分别处于塞贝克模式和帕尔贴模式的热电装置的另一个实施例。图11至16示出了热电装置制造方法的第一部分步骤。图17和18以三维方式示出了第一部分步骤后获得的产品。图19至22示出了该方法的第二部分步骤。
具体实施例方式下面描述的实施例使得腿的有效高度能够被修改为使得同一个热电偶内的功率产生模式或冷却模式被最优化。根据图2所示的第一实施例，热电装置包括由第一材料制成的第一腿2a和由第二材料制成的第二腿2b。第一腿2a在其第一端7a的水平上锚定到支撑体8，并且第二腿2b在其第一端7b的水平上锚定到所述支撑体8。金属连接体4优选安装在每个腿的水平上，在对应的第一端7a、7b与支撑体8之间。如果需要，这些连接体例如使得装置的数个热电偶能够串联连接。电连接元件3连接第一和第二腿2a、2b以形成热电偶la。此电连接元件3提供有分别与第一腿2a和第二腿2b电接触的第一和第二接触区域9a、9b。腿2a、2b优选由使热电偶能够形成的两种不同的材料形成。这些腿2a、2b可由相同的热电材料形成，第一腿为N掺杂的而第二腿为P掺杂的。热电材料也可为诸如铋、锑等的半金属或诸如硅、硅和锗合金等的简并半导体。该装置还包括用于在第一和第二腿2a、2b的水平上改变第一和第二接触区域9a、9b的位置的机构。这实际上使得腿的有效高度能够制造为通过调节每个腿2a、2b的第一端7a、7b与相关的接触区域9a、9b之间的电通路的长度而变化。换言之，电连接元件3能够移动以使接触区域9a、9b远离或朝向支撑体8 (即沿着图2中的Y轴)移动。在图2中，该装置有利于塞贝克模式，第一和第二腿2a、2b的有效高度等于Ls，其对应于腿2a、2b的第一端7a、7b和电连接元件3的与所述腿相关的接触区域9a、9b之间电通路的长度。优选地，高度Ls小于或等于腿2a、2b的实际高度Ll6g。在图3中，该装置在帕尔贴模式中被最优化，并且因此第一和第二腿2a、2b的有效高度由腿2a、2b的第一端7a、7b和电连接元件3的与所述腿相关的接触区域9a、9b之间的电通路的长度限定。在图3中，此有效高度等于LP，Lp小于Ls。在图2和3中，腿2a、2b的第一端7a、7b和相关的接触区域9a、9b之间的距离由接触区域9a、9b的最接近于第一端7a、7b的部分来计算。换言之，用于在第一和第二腿2a、2b的水平上改变第一和第二接触区域9a、9b的位置的这些机构实际上使得第一和第二腿2a、2b的有效高度能够被调节。因此，装置能够适应于外部环境，例如，热侧5和冷侧6之间的温度，从而最优化选择的运行模式。例如，能够考虑下面的表I所限定的参数来描述装置
权利要求
1.一种热电装置，包括 由第一材料制成的第一腿(2a)，在其第一端(7a)的水平，锚定到支撑体(8)， 由第二材料制成的第二腿(2b)，在其第一端(7b)的水平，锚定到所述支撑体(8)， 电连接元件(3)，提供有分别与该第一腿(2a)和该第二腿(2b)电接触的第一和第二接触区域(9a，9b)，以形成热电偶， 机构，使该第一和第二接触区域(9a，9b)在该第一和第二腿(2a，2b)的水平上的位置变化， 装置的特征在于，用于使该接触区域(9a，9b)的位置变化的该机构包括该电连接元件(3),所述连接元件(3)沿着所述第一和第二腿(2a，2b)是可移动的。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，该可移动的连接元件(3)由膜(10)支撑，膜(10)的变形可实现该连接元件(3)沿着该第一和第二腿(2a，2b)的滑动。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该连接元件(3)包括机构，该机构使连接元件(3)的厚度在垂直于该连接元件(3)的滑动方向的方向上变化，并且位于平行于该第一和第二腿(2a，2b)的平面的平面中。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，使该连接元件(3)的厚度变化的该机构包括材料(12)，该材料(12)能够通过刺激作用而改变体积。
5.一种热电装置的制造方法，其特征在于，该方法包括下面的步骤 在支撑基板(101)上形成由热电材料制成的彼此电绝缘的两个腿(108a，108b)， 形成电连接该两个腿且能够在垂直于该基板(101)的方向上移动的可移动的元件(113)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在形成该腿(108a，108b)后，沉积封装层(110)以形成模具，该模具至少部分界定该可移动元件(113)。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，该腿通过下面的步骤形成 沉积热电材料层(103)， 形成蚀刻图案，该蚀刻图案具有纵向方向并且包括由中心部分(107c)连接的两个区域(107a，107b)，该区域(107a，107b)的横向和纵向尺寸大于该中心部分(107c)的横向尺寸， 通过蚀刻图案蚀刻该热电材料层(103 )， 以各向同性的方式部分蚀刻该热电材料层以释放该腿(108a，108b )。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，该蚀刻图案由底部第一牺牲层(104)和顶部第二牺牲层(106)形成，该封装层(110)与该第二牺牲层(106)形成共同的平坦表面，并且通过在该中心部分(107a)的水平上去除该蚀刻图案直至该封装层(110)，以及通过去除至少在该中心部分(107c)的一部分下方的该封装层的一部分，形成腔体(111 )。
全文摘要
热电装置，包括由第一材料制成的第一接触(2a)，在其第一端(7a)的水平锚定到支撑体(8)；以及由第二材料制成的第二接触(2b)，在其第一端(7b)的水平锚定到所述支撑体(8)。另外，提供有第一和第二接触区域(9a、9b)的电连接元件(3)分别与第一接触(2a)和第二接触(2b)电接触以形成热电偶(1a)。该装置包括改变第一和第二接触区域(9a、9b)在第一和第二接触(2a、2b)上的位置的机构。
文档编号H01L35/06GK102971878SQ201180033345
公开日2013年3月13日 申请日期2011年5月3日 优先权日2010年5月5日
发明者G.萨维利, P.科罗内尔, M.普利森尼尔 申请人:原子能和代替能源委员会