热电元件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有高的热阻的热电元件，该热电元件相对于具有相同功率的传统的热电元件而言需要较少的半导体材料，该热电元件包括具有基底正面和与基底正面对置的基底背面的基底、作为层施布到基底正面上的第一接触部、作为层施布到基底正面上的第二接触部、第一与第二接触部之间的将第一和第二接触部彼此电分隔和热分隔的中断部以及具有通过侧向界定面彼此连接的上侧和下侧的热电作用层，其中，热电作用层以如下方式布置在中断部中，即，下侧平放在基底正面上，并且其中一个侧向界定面贴靠第一接触部并且其中一个侧向界定面贴靠第二接触部。此外，本发明还提供一种用于制造热电元件的方法。
【专利说明】热电元件
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热电元件。
【背景技术】
[0002]热电元件的工作方式以热电效应为基础:
[0003]通过热电效应(其也被称为塞贝克(Seebeck)效应)，在电导体或半导体的具有不同温度的两点之间会产生电压。塞贝克效应描述了温度与电之间可逆的相互作用。塞贝克电压通过如下来确定:
[0004]Useebeck = α X δ T
[0005]其中，
[0006]δ T-热侧与冷测之间的温差
[0007]α-塞贝克系数或塞贝克热电动势
[0008]塞贝克系数具有电压每温差(V/Κ)的量纲。塞贝克系数的大小对塞贝克电压的高度起着决定性作用。
[0009]热电元件优选由不同掺杂的半导体材料组成，由此，相对于由金属制成的热电偶可以显著提高效率。通常的半导体材料有Bi2Te3、PbTe, Bi2Se3、SiGe, BiSb或FeSi2。
[0010]塞贝克效应描述了电压的产生，而帕尔帖效应仅通过外部的电流的流动产生。当两个具有不同的电子热容量的导体或半导体发生接触并且电子通过电流从一个导体/半导体流向另一个时，出现帕尔帖效应。利用合适的材料，尤其是半导体材料实现的是，利用电流产生温差或相反地由温差产生电流。
[0011]为了获得足够高的电压，多个热电元件组合成热电模块并且串联地电联接，必要时也并联地电联接。
[0012]图1中示出的热电帕尔帖模块由多个串联联接的热电元件组成。热电元件⑴分别由P掺杂和η掺杂的半导体材料制成的小长方体(2a、2b)组成，这些小长方体上下交替地配设有金属桥(3a、3b)。金属桥(3a、3b)形成了热电元件(I)在热电模块的热侧或冷侧(4,5)上的热和电接触部并且至少布置在两个彼此间隔地布置的陶瓷板(6a、6b)之间。不同掺杂的长方体(2a、2b)通过金属桥(3a、3b)以如下方式彼此连接，即，得到它们的串联电路。
[0013]只要向长方体(2a、2b)输送电流，那么依赖于电流强度和电流方向地，长方体(2a、2b)在一侧(4、5)上的连接部位变冷，而在对置侧(4、5)上的连接部位变暖。因此，施加的电流产生了陶瓷板(6a、6b)之间的温差。然而，如果在对置的陶瓷板(6a、6b)上施加不同的温度，那么依赖于温差地将引起模块的各个热电元件(I)的长方体(2a、2b)中的电流。
[0014]长方体(2a、2b)的与陶瓷板(6a、6b)垂直的边长(7)为约3mm至5mm。大的边长(7)引起冷侧和热侧(4、5)之间高的热阻，从而相对于图2中示出的具有较小的长方体(2a、2b)边长(7)而相同的长方体(2a、2b)横截面的帕尔帖模块,塞贝克电压和模块的功率则更大。然而，具有较大边长(7)的长方体(2a、2b)需要更多半导体材料。
[0015]目前，通常的、上文提到的热电材料的转换效率在低于5%的范围内。这意味着，热流必须达到需要的电功率的20倍以上。由于通常的、上文提到的热电材料的热导率在IW/mK-5ff/mK的范围内，因此长方体的热接触部的热导率必须显著地在20W/mK-100W/mK之上。
[0016]在长方体(2a、2b)的相同的横截面的情况下，长方体中的热流随着增大的边长
(7)而减小。因此，能得到的热阻仅依赖于热导率和长方体(2a、2b)的边长(7)。因此，较困难地向如图2中所示的热电元件供应热量。
【发明内容】
[0017]从现有技术出发，本发明的任务在于，提供一种具有高的热阻的热电元件，其相对于具有相似功率的传统的热电元件而言需要较少的半导体材料。此外，还应说明一种用于制造这种热电元件的方法。
[0018]具体而言，该任务通过如下的热电元件来解决，其包括具有基底正面和与基底正面对置的基底背面的基底、作为层施布到基底正面上的第一接触部、作为层施布到基底正面上的第二接触部、第一与第二接触部之间的将第一与第二接触部彼此电分隔和热分隔的中断部以及具有通过侧向界定面彼此连接的上侧和下侧的热电作用层，其中，热电作用层以如下方式布置在中断部中，即，下侧平放在基底正面上，并且其中一个侧向界定面贴靠第一接触部以及其中一个侧向界定面贴靠第二接触部。
[0019]根据本发明的热电元件的优点在于，虽然热电作用材料实施为层，尤其是实施为薄层，但是在考虑技术限制的情况下，能自由选择第一与第二接触部之间的间距并因此能自由选择热阻。尽管具有高的热阻，热电元件的空间需求却特别小，因为不仅将电和热接触部而且将热电作用材料作为层在一个平面中施布在基底表面上。此外，尽管具有能与根据图1的传统的热电元件相同的热阻，但是显著地需要较少的热电材料用于布置在中断部中的热电作用层。
[0020]通过经由热电作用层的侧向界定面的热的耦入和耦出，消除了现有技术的缺点，由此通过长方体的不依赖于其边长而始终保持相同的横截面实现了耦入和耦出。在本发明中，侧向界定面与第一或第二接触部之间的贴靠面的大小可以在很宽的限度内变化。
[0021]中断部尤其实施为接触部之间的沟。接触部的在两侧界定沟的侧边缘优选相对基底正面是倾斜的。向沟内部方向倾斜的边缘有利于热电作用层在中断部中的沉积。
[0022]只要应该实现热电元件在基底背面上的电和/或热接触，那么就在本发明的设计方案中设置:
[0023]-第三接触部作为层施布到基底背面上，
[0024]-第四接触部作为层施布到基底背面上，
[0025]-中断部布置在第三与第四接触部之间，该中断部将第三和第四接触部彼此热分隔和电分隔，
[0026]-至少一个第一贯穿接触部将第一和第三接触部彼此热连接和电连接，
[0027]-至少一个第二贯穿接触部将第二和第四接触部彼此热连接和电连接。
[0028]第一与第三以及第二与第四接触部之间的、基底正面和背面之间的贯穿接触部例如可以实施为穿过基底的内部金属化的孔。
[0029]为了进一步减少用于热电元件的材料消耗，在基底正面和基底背面上的所有的层优选作为薄层来施布。以薄层技术的途径所沉积的层的厚度典型地在数微米的范围内；然而，其最高为100 μ m。
[0030]当热电作用层具有多个由附着材料制成的覆层和多个由热电材料制成的覆层并且由附着材料制成的覆层和由热电材料制成的覆层在热电作用层的上侧与下侧之间相交替时，由此引起的是，热电作用层比仅由热电材料制成的层在机械上更加稳定并且同时具有较小的热膨胀系数。由此，尤其防止热电作用层的侧向界定面从第一或第二接触部剥脱。
[0031]为了增大中断部的长度，中断部在有利的设计方案中不是笔直地而是尤其波浪形或折曲形地实施。在假定保持相同的层厚度的情况下，相对于笔直走向而言增大了热电作用层的贴靠第一和第二接触部的侧向界定面。由此，减小了接触部与热电作用层之间的电阻。然而，在假定中断部的宽度一致的情况下相对于中断部的笔直走向而言，热阻保持得足够高。由此,又一次改进了热电元件的功率。
[0032]用于制造根据本发明的热电元件的方法包括以下步骤:将金属化层施布到基底的基底正面上；通过有针对性地从基底正面去除金属化层而在金属化层中结构化出中断部，从而中断部将金属化部划分为第一接触部和第二接触部；将热电作用层沉积到中断部中，从而利用由热电作用材料制成的层至少局部地填充中断部。
[0033]例如尤其是由聚酰亚胺制成的板或箔被用作基底。板尤其可以由玻璃纤维来增强。尤其将铜或其它良好导热且导电的材料作为金属化层来施布。为了制造热电作用层，至少热电材料，尤其是碲化铋或其它上文提到的通常的半导体材料沉积在之前结构化出的中断部中。
[0034]只要应该实现基底背面上的热接触和电接触，那么制造方法就附加地包括以下步骤:将金属化层施布到基底的与基底正面对置的背面上；通过有针对性地从基底背面去除金属化层而在背面上的金属化层中结构化出中断部，从而中断部将金属化部划分为第三接触部和第四接触部；制造至少一个将第一和第三接触部彼此热连接和电连接的第一贯穿接触部并且制造至少一个将第二和第四接触部彼此热连接和电连接的第二贯穿接触部。
[0035]为了对背面进行金属化，同样优选使用铜或其它良好导热且导电的金属。为了制造贯穿接触部，可以将孔引入基底中，对这些孔的内侧进行金属化，以便将施布到正面和背面上的金属化层彼此导电且导热地连接。
[0036]优选利用物理或化学的气相沉积来实现作为薄层的层的沉积。尤其考虑溅射作为物理气相沉积的优选的方法。
[0037]优选在半导体技术中的通常的蚀刻的范围内实现对金属化层进行结构化。在此，尤其考虑干式蚀刻工艺，如等离子蚀刻，反应性的离子深度蚀刻(reaktive1nen- Tiefenatzen )以及湿式化学工艺。
[0038]以其它的尤其是机械的剥蚀工艺的途径执行结构化显然也处在本发明的范围内。
[0039]为了将已经提到的、有利的多层热电作用层沉积在中断部中，首先将附着材料沉积在基底表面上。尤其是钛(Ti)适合作为附着材料。此后，将由热电材料例如碲化铋制成的覆层和附着材料例如钛制成的覆层交替地沉积。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]下面结合附图对本发明进行更详细地阐述，其中:
[0041]图3示出根据本发明的热电元件的第一实施例；
[0042]图4示出根据本发明的热电元件的第二实施例；
[0043]图5示出根据图4的热电元件的正面的视图；
[0044]图6示出根据图4的热电元件的背面的视图；
[0045]图7示出根据本发明的热电元件的第三实施例的立体视图；以及
[0046]图8示出穿过具有布置在其中的根据本发明的热电元件的热电作用层的中断部的放大的截面。
【具体实施方式】
[0047]图3示出具有由聚酰亚胺制成的带有基底正面(12)和与基底正面(12)对置的基底背面(13)的平坦的基底(11)的热电元件(10)的第一实施例。将第一接触部(14)和第二接触部(15)作为铜层施布到基底正面(12)上。为了阐明本发明，这些层没有按照原尺寸，而是加高地示出。铜层的实际厚度为最大100 μ m。在俯视图中，形成两个接触部(14、15)的层为矩形。中断部(16)位于第一接触部(14)与第二接触部(15)之间，该中断部将第一接触部(14)与第二接触部(15)彼此热分隔和电分隔。根据图3的实施例中，中断部实施为笔直延展的、俯视图(参见图5)中两个接触部(14、15)之间矩形的沟，该沟在基底
(11)整个的长度上沿着沟走向的方向延伸。热电作用层(17)布置在中断部(16)中。热电作用层(17)通过上侧(18)、下侧(19)以及将上侧和下侧(18、19)彼此连接起来的侧向界定面(20、21)来界定，如由图8中的放大的视图得到的那样。
[0048]热电作用层(17)以如下方式布置在中断部(16)中，S卩，下侧(19)平放在基底正面(12)上并且其中一个侧向界定面(20)贴靠第一接触部(14)以及其中一个侧向界定面
(21)贴靠第二接触部(15)。热流(24)通过侧向界定面(20、21)耦入或耦出热电作用层
(17)。借助第一接触部(14)实现了将热电元件10连结在热源(22)上并且借助第二接触部(15)实现了将热电元件10联结在散热部(23)上。用于侧向界定面(20、21)的贴靠第一和第二接触部的贴靠面优选在实践中倾斜地延伸，以便在物理的气相沉积过程的途径中对热电作用层(17)的沉积进行改进。
[0049]在根据图3的实施例的基础上，热电元件(10)的在图4中示出的第二实施例具有第三接触部(25)和第四接触部(26)，它们在基底背面(13)上分别实施为铜层。如在基底正面(12)上那样，中断部(27)也位于第三和第四接触部(25、26)之间，该中断部将第三接触部(25)与第四接触部(26)彼此热分隔和电分隔。中断部(27)笔直地走向并且在基底(11)的整个的长度上沿着走向方向延伸，如在图6中由热电元件的后视图可以看出的那样。贯穿接触部(28)将第一接触部(14)与第三接触部(25)热连接和电连接，并且贯穿接触部(29)将第二接触部(15)与第四接触部(26)热连接和电连接。贯穿接触部(28、29)实施为穿过基底(11)的孔，它的孔壁以铜来金属化。附加的接触部(25、26)可以实现，通过背面耦入或耦出热，其中，热流(24)从热源(22)经由第三接触部(25)、贯穿接触部(28)、第一接触部(14)、热电作用层(17)、第二接触部(15)、贯穿接触部(29)以及第四接触部(26)地流动。
[0050]图7以立体视图示出热电元件(10)的第三实施例，其在结构上大致相应于根据图4的具有两侧金属化的基底的热电元件。为此，参考了根据图4的热电元件的结构的实施方案以避免重复。然而，主要的不同在于，第一接触部(14)与第二接触部(15)之间的中断部(16)的走向不是笔直的而是折曲形的。在根据图4和图7的热电元件(10)的基底(11)的尺寸一致的情况下，可以通过中断部(16)的折曲形构造来增大其长度。在热电元件(10)的相同尺寸的情况下，可以增大热电作用层(17)的侧向界定面(20、21)，所述侧向界定面贴靠第一接触部(14)和第二接触部(15)。由此，在热电作用层(17)的厚度一致的热电元件(10)的第一与第二接触部(14、15)之间的热阻大致一致的情况下，提供贴靠面的较大的横截面，从而热电元件的电阻减小。因此，通过中断部的非笔直的走向满足了对热电元件的主要需求，也就是在低导热能力下同时具有高导电能力。
[0051]在导电能力一致的情况下，中断部的非笔直的、尤其是折曲形的走向可以如笔直的中断部那样实现热电作用层的较小的层厚度。由此，在以物理气相沉积过程的途径制造热电作用层(17)的情况下具有优点，因为随着增加的层厚度将更加耗费且更加昂贵。
[0052]图8仅示出热电作用层(17)的优选的结构。热电作用层交替地包括由附着材料、尤其是钛制成的覆层(30)和由热电材料、尤其是碲化铋制成的覆层(31)。与纯热电材料相t匕，通过该多层结构得到具有更小热膨胀系数的机械上更稳定的层。由此，避免了热电作用层(17)在侧向界定面(20、21)处从第一和第二接触部(14、15)上剥脱。
[0053]为了制造根据图3至图8的热电元件，首先以铜单侧或双侧地涂覆由用玻璃纤维增强的聚酰亚胺制成的基底(11)。
[0054]在随后的步骤中，通过蚀刻来结构化出中断部(16)和必要时另外的中断部(27)。随后，热电作用层(17)以溅射过程的途径引入沟型的中断部(16)中。如果热电作用层(17)是多层的，那么首先将由附着材料制成的覆层(30)沉积在基底正面(12)上并且之后将由热电材料制成的覆层(31)和由附着材料制成的覆层(30)交替地沉积在基底正面(12)上。只要热电元件(10)相应于图4至图7地在两侧具有接触部，则必须通过对基底(11)进行钻孔和随后对孔进行金属化来附加地制造贯穿接触部(28、29)。
[0055]根据本发明的热电元件(10)整体上的特征为:热流(24)在共同的、通过正面上的接触部和热电作用层张开的平面中流动。由此，紧凑地制造热电元件(10)并且在高的热阻的情况下仅需要很少的热电作用材料。此外，可以通过调整中断部的走向来降低热电元件的电阻。
[0056]附图标记列表
[0057]
编号名称编号名称
I 热电元件29 贯穿接触部
2a、2b长方体30 由附着材料制成的覆层
[0058]
3a、3b金属桥31 由热电材料制成的覆层
4H325--^--[33
6a、6b 陶瓷板34
735
8~36
9~?
10热电元件38TiS39
12基底正面40
13基底背面41Ti第一接触部4215第二接触部43Τθ中断部44
17热电作用层45
18Τ--46ΤθΤ--47
20侧向界定面48
21侧向界定面49
22M50
23散热部51
2452
25第三接触部53
26第四接触部54
27中断部55
28贯穿接触部56
【权利要求】
1.一种热电兀件(10),其包括 -具有基底正面(12)和与所述基底正面(12)对置的基底背面(13)的基底(11)， -作为层施布到所述基底正面(12)上的第一接触部(14)， -作为层施布到所述基底正面(12)上的第二接触部(15)， -第一与第二接触部(14、15)之间的中断部(16)，所述中断部(16)将所述第一和第二接触部彼此热分隔和电分隔， -具有上侧(18)和下侧(19)的热电作用层(17)，所述上侧和下侧通过侧向界定面(20、21)彼此连接， -其中，所述热电作用层(17)以如下方式布置在所述中断部(16)中，即，所述下侧(19)平放在所述基底正面(12)上，并且其中一个所述侧向界定面(20)贴靠所述第一接触部(14)，以及其中一个所述侧向界定面(21)贴靠所述第二接触部(15)。
2.根据权利要求1所述的热电元件，其特征在于， -第三接触部(25)作为层施布在所述基底背面(13)上， -第四接触部(26)作为层施布在所述基底背面(13)上， -中断部(27)布置在所述第三与第四接触部(25、26)之间，所述中断部(27)将所述第三和第四接触部彼此热分隔和电分隔， -至少一个第一贯穿接触部(28)将所述第一和第三接触部(14、25)彼此热连接和电连接， -至少一个第二贯穿接触部(29)将所述第二和第四接触部(15、26)彼此热连接和电连接。
3.根据权利要求1或2所述的热电元件，其特征在于，在所述基底正面(12)和所述基底背面(13)上的所有的层作为薄层来施布。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热电元件，其特征在于，所述热电作用层(17)具有多个由附着材料制成的覆层(30)和多个由热电材料制成的覆层(31)并且由附着材料制成的覆层和由热电材料制成的覆层(30、31)在所述热电作用层(17)的上侧与下侧(18、19)之间相交替。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热电元件，其特征在于，至少所述第一与第二接触部(14、15)之间的中断部(16)的走向不是笔直的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热电元件，其特征在于，所述热电作用层(17)的厚度大于所述第一和第二接触部(14、15)的厚度并且所述热电作用层(17)与所述第一和第二接触部(14、15)部分地重叠。
7.一种用于制造热电元件的方法，包括以下步骤: -将金属化层施布到基底(11)的基底正面(12)上， -通过有针对性地从所述基底正面(12)去除所述金属化层而在所述金属化层中结构化出中断部(16)，从而所述中断部(16)将所述金属化部划分为第一接触部(14)和第二接触部(15)， -将热电作用层(17)沉积到所述中断部(16)中，从而利用热电作用材料至少部分地填充所述中断部(16)。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤: -将金属化层施布到与所述基底正面(12)对置的基底背面(13)上， -通过有针对性地从所述基底背面(13)去除所述金属化层而在所述背面上的金属化层中结构化出中断部(27)，从而所述中断部将所述金属化部划分为第三接触部(25)和第四接触部(26)， -制造至少一个第一贯穿接触部(28)，所述第一贯穿接触部(28)将所述第一和第三接触部(14、25)彼此热连接和电连接，并且 -制造至少一个第二贯穿接触部(29)，所述第二贯穿接触部(29)将所述第二和第四接触部(15、26)彼此热连接和电连接。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，将所有的层作为薄层利用物理或化学的气相沉积工艺来施布。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，通过蚀刻实现各个金属化层的结构化。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，将所述热电作用层(17)以多个覆层(30、31)的方式沉积在所述中断部(16)中，其中，首先将具有附着材料(30)的覆层沉积到所述基底正面(12)上，并且然后将由热电材料制成的覆层和附着材料制成的覆层(30、31)交替地沉积到所述基底正面(12)上。
【文档编号】H01L35/26GK104137283SQ201380010723
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年1月17日 优先权日:2012年2月24日
【发明者】格哈德·斯潘, 阿尔韦德·西格洛赫, 于尔根·哈费尔坎普, 尼古拉·伊欧萨迪 申请人:欧-弗莱克斯科技有限公司