一种薄膜热电模块的制作方法

本实用新型公开了一种薄膜热电模块，属于功能薄膜材料及器件领域。

背景技术：

氧化物基热电材料相比传统合金热电材料，具有高温性能稳定、抗氧化性和无毒性等优点，受到广泛关注，氧化物薄膜热电模块也成为新兴研究焦点。

目前薄膜热电模块的构型主要为π型，即P、N型氧化物薄膜在同一基底上平行、交替排列，并由电极串联联结。根据其热流和材料的使用方向，薄膜热电模块又可分为热流方向垂直于薄膜表面(cross-plane)和热流方向平行于薄膜表面(in-plnae)两种。cross-plane热电模块的制备工艺相对简单，集成度较高，但其沿薄膜厚度方向的热阻小，难以产生较大的温差，在很多场合无法应用。in-plane模块的热阻大，有利于大温度梯度的建立，且现有氧化物热电材料如Ca₃Co₄O₉、Na_xCoO₂、Zn_1-xAl_xO、CaMnO₃等薄膜的生长均自发沿c轴择优，其沿in-plane方向的热电性能远高于cross-plane方向，因此氧化物薄膜热电模块多使用in-plane构型，但其P-N热电对集成度相对较小，单位面积上的输出功率密度小，电极用量大，模块制造成本高。

现有in-plane薄膜模块的P、N型热电臂均交替集成在同一衬底上，如附图1，这要求P、N型薄膜材料的晶体结构、晶格常数和热膨胀系数均要与衬底匹配才能获得较高结晶质量的薄膜阵列。但通常P、N型薄膜材料的结构和性能差别很大，实际中很难找到同时兼顾P、N型薄膜生长的衬底，使衬底的选择十分困难。

现有in-plane薄膜模块由于其P、N型热电臂交替集成在同一衬底上，使P、N型薄膜阵列无法单独更换，如果模块中的某一条P、N型薄膜因氧化、分解而损坏，将导致模块整体失效，增加模块的使用和更换成本。

现有薄膜热电模块为了提高其稳定性和使用寿命，除模块本身外，还需额外的封装工艺和封装原料，增加了模块的制造成本。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种薄膜热电模块，包括N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2、隔离层3，N型热电臂阵列1包括一个以上的N型半导体薄膜11和单晶衬底Ⅰ12，N型半导体薄膜11倾斜生长在单晶衬底Ⅰ12上；P型热电臂阵列2包括一个以上的P型半导体薄膜21和单晶衬底Ⅱ22，P型半导体薄膜21倾斜生长在单晶衬底Ⅱ22上；N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2由隔离层3隔开，并固定在一起，N型热电臂阵列1和P型热电臂阵列2均是生长有半导体薄膜的一面与隔离层3接触；N型半导体薄膜11与P型半导体薄膜21呈X形交叉分布，N型半导体薄膜11与P型半导体薄膜21的两端由电极5依次连接，形成两个独立的串联通路，电极5位于隔离层3的两侧。

优选的，本实用新型所述隔离层3包括腹板31、翼板32，翼板32固定在腹板31的两边；腹板31、单晶衬底Ⅰ12、单晶衬底Ⅱ22的长度、宽度相同，翼板32高度等于腹板31、N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2的厚度之和。

优选的，本实用新型所述电极5嵌入、贯穿在隔离层3的腹板31上，电极5的厚度大于腹板31的厚度，以保证N型半导体薄膜11与P型半导体薄膜21的串连连接。

优选的，本实用新型所述N型热电臂阵列1上的N型半导体薄膜11和P型热电臂阵列2上的P型半导体薄膜21的数量相同，单个薄膜宽度、以及在单晶衬底上的相对位置相同。

优选的，本实用新型所述N型半导体薄膜11和单晶衬底Ⅰ12长边的夹角与P型半导体薄膜21和单晶衬底Ⅱ22长边的夹角相同，标记为α，且α为10~60°。

优选的，本实用新型所述N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2和隔离层3的相对位置由位于隔离层3侧面的通孔4插销固定。

优选的，本实用新型所述电极5为圆柱形，底面直径等于N型半导体薄膜11与P型半导体薄膜21中单个薄膜的宽度。

优选的，本实用新型所述电极5为金电极。

本实用新型所述N型半导体薄膜材料是所有电子作为主要载流子的薄膜材料，可以为CaMnO₃、Zn_1-xAl_xO、(ZnO)₅In₂O₃等薄膜。

本实用新型所述P型半导体薄膜材料是所有空穴作为主要载流子的薄膜材料，可以为Ca_xCoO₂、Ca₃Co₄O₉、CuCrO₂等薄膜。

本实用新型所述单晶衬底Ⅰ和单晶衬底Ⅱ可根据N、P型半导体薄膜材料的晶体结构、晶格常数、热膨胀系数等匹配因素选择相同或不同的衬底材料，如Al₂O₃(0001)、LaAlO₃(001)、SrTiO₃(001)、(La_xSr_1-x)(Al_yTa_1-y)O₃(001)等。

本实用新型的有益效果是：模块集成度提高，单位面积上的输出功率密度显著增大，在相同工作条件下，达到相同的输出电压或输出功率所需占用的空间减小；衬底材料可根据P、N型半导体薄膜材料的结构和性能特征分别选择，衬底的可选范围广，可同时保证P、N型薄膜的结晶质量；模块构型灵活，P、N型热电臂失效时可单独更换，而非将模块整个废弃，显著减少了模块的维护成本；衬底即作为薄膜材料必不可少的物理支撑，又对模块整体起封装作用，省去了封装工艺和封装原料，制造成本降低。

附图说明

图1为现有π型in-plane薄膜热电模块的构型。

图2为本实用新型薄膜热电模块的各部件图。

图3为本实用新型薄膜热电模块的组装图。

图中：1- N型热电臂阵列；11-N型半导体薄膜；12-单晶衬底Ⅰ；2-P型热电臂阵列；21-P型半导体薄膜；22-单晶衬底Ⅱ；3-隔离层；31-腹板；32-翼板；4-通孔；5-电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步详细说明，但本实用新型的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种薄膜热电模块，包括N型热电臂阵列1，由N型半导体薄膜11在单晶衬底Ⅰ12的下表面倾斜布置，N型半导体薄膜11和单晶衬底Ⅰ12长边的夹角α=10°；

P型热电臂阵列2，由P型半导体薄膜21在单晶衬底Ⅱ22的上表面倾斜布置，P型半导体薄膜21和单晶衬底Ⅱ22边缘的夹角α=10°，P型半导体薄膜21的薄膜数量、单个薄膜宽度及在单晶衬底Ⅱ22上的相对位置与N型半导体薄膜11的薄膜数量、单个薄膜宽度及在单晶衬底Ⅰ12上的相对位置相同。

隔离层3，包括腹板31和翼板32，翼板32固定在腹板31的两边，腹板31、单晶衬底Ⅰ12、单晶衬底Ⅱ22的长度、宽度相同，翼板32的高度等于腹板31、N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2的厚度之和。

圆柱形金电极5位于隔离层3的两侧，且嵌入、贯穿在隔离层3的腹板31上，底面直径等于N、P型半导体薄膜11、21中单个薄膜的宽度，金电极5的厚度大于腹板31的厚度。

N型热电臂阵列1和P型热电臂阵列2由隔离层3隔开，N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2和隔离层3的相对位置由位于隔离层3侧面的通孔4插销固定，N型热电臂阵列1和P型热电臂阵列2均是生长有半导体薄膜的一面与隔离层3接触，N型半导体薄膜11与P型半导体薄膜21呈X形交叉分布，并由金电极5依次连接，形成两个独立的串联通路。

本实施例中N型半导体薄膜11选用CaMnO₃，P型号半导体薄膜21选用Ca_xCoO₂，单晶衬底Ⅰ12和单晶衬底Ⅱ22均选用LaAlO₃(001)。

本实施例提供的薄膜热电模块与现有薄膜热电模块相比集成度提高，单位面积上的输出功率密度大，在相同工作条件下，达到相同的输出电压或输出功率所需占用的空间减小；衬底材料可根据P、N型薄膜材料的结构和性能特征分别选择，衬底的可选范围广，可同时保证P、N型薄膜的结晶质量；模块构型灵活，P、N型热电臂失效可单独更换，显著减少了模块的维护成本；衬底即作为薄膜材料必不可少的物理支撑，又对模块整体起封装作用，省去了封装工艺和封装原料，制造成本降低。

实施例2

一种薄膜热电模块，包括N型热电臂阵列1，由N型半导体薄膜11在单晶衬底Ⅰ12的下表面倾斜布置，N型半导体薄膜11和单晶衬底Ⅰ12长边的夹角α=30°。

P型热电臂阵列2，由P型半导体薄膜21在单晶衬底Ⅱ22的上表面倾斜布置，P型半导体薄膜21和单晶衬底Ⅱ22边缘的夹角α=30°，P型半导体薄膜21的薄膜数量、单个薄膜宽度及在单晶衬底Ⅱ22上的相对位置与N型半导体薄膜11的薄膜数量、单个薄膜宽度及在单晶衬底Ⅰ12上的相对位置相同。

隔离层3，包括腹板31和翼板32，翼板32固定在腹板31的两边，腹板31、单晶衬底Ⅰ12、单晶衬底Ⅱ22的长度、宽度相同，翼板32的高度等于腹板31、N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2的厚度之和。

圆柱形金电极5位于隔离层3的两侧，且嵌入、贯穿在隔离层3的腹板31上，底面直径等于N、P型半导体薄膜11、21中单个薄膜的宽度，金电极5的厚度大于腹板31的厚度。

N型热电臂阵列1和P型热电臂阵列2由隔离层3隔开，N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2和隔离层3的相对位置由位于隔离层3侧面的通孔4插销固定，N型热电臂阵列1和P型热电臂阵列2均是生长有半导体薄膜的一面与隔离层3接触，N型半导体薄膜11与P型半导体薄膜21呈X形交叉分布，并由金电极5依次连接，形成两个独立的串联通路。

本实施例中N型半导体薄膜11选用Zn_1-xAl_xO，P型号半导体薄膜21选用Ca₃Co₄O₉，单晶衬底Ⅰ12选用Al₂O₃(0001)，单晶衬底Ⅱ22选用SrTiO₃(001)。

本实施例提供的薄膜热电模块与现有薄膜热电模块相比集成度提高，单位面积上的输出功率密度大，在相同工作条件下，达到相同的输出电压或输出功率所需占用的空间减小；衬底材料可根据P、N型薄膜材料的结构和性能特征分别选择，衬底的可选范围广，可同时保证P、N型薄膜的结晶质量；模块构型灵活，P、N型热电臂失效可单独更换，显著减少了模块的维护成本；衬底即作为薄膜材料必不可少的物理支撑，又对模块整体起封装作用，省去了封装工艺和封装原料，制造成本降低。

实施例3

一种薄膜热电模块，包括N型热电臂阵列1，由N型半导体薄膜11在单晶衬底Ⅰ12的下表面倾斜布置，N型半导体薄膜11和单晶衬底Ⅰ12长边的夹角α=60°。

P型热电臂阵列2，由P型半导体薄膜21在单晶衬底Ⅱ22的上表面倾斜布置，P型半导体薄膜21和单晶衬底Ⅱ22边缘的夹角α=60°，P型半导体薄膜21的薄膜数量、单个薄膜宽度及在单晶衬底Ⅱ22上的相对位置与N型半导体薄膜11的薄膜数量、单个薄膜宽度及在单晶衬底Ⅰ12上的相对位置相同。

隔离层3，包括腹板31和翼板32，翼板32固定在腹板31的两边，腹板31、单晶衬底Ⅰ12、单晶衬底Ⅱ22的长度、宽度相同，翼板32的高度等于腹板31、N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2的厚度之和。

圆柱形金电极5位于隔离层3的两侧，且嵌入、贯穿在隔离层3的腹板31上，底面直径等于N、P型半导体薄膜11、21中单个薄膜的宽度，金电极5的厚度大于腹板31的厚度。

N型热电臂阵列1和P型热电臂阵列2由隔离层3隔开，N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2和隔离层3的相对位置由位于隔离层3侧面的通孔4插销固定，N型热电臂阵列1和P型热电臂阵列2均是生长有半导体薄膜的一面与隔离层3接触，N型半导体薄膜11与P型半导体薄膜21呈X形交叉分布，并由金电极5依次连接，形成两个独立的串联通路。

本实施例中N型半导体薄膜11选用(ZnO)₅In₂O₃，P型号半导体薄膜21选用CuCrO₂，单晶衬底Ⅰ12选用(La_xSr_1-x)(Al_yTa_1-y)O₃(001)，单晶衬底Ⅱ22选用Al₂O₃(0001)。

本实施例提供的薄膜热电模块与现有薄膜热电模块相比集成度提高，单位面积上的输出功率密度大，在相同工作条件下，达到相同的输出电压或输出功率所需占用的空间减小；衬底材料可根据P、N型薄膜材料的结构和性能特征分别选择，衬底的可选范围广，可同时保证P、N型薄膜的结晶质量；模块构型灵活，P、N型热电臂失效可单独更换，显著减少了模块的维护成本；衬底即作为薄膜材料必不可少的物理支撑，又对模块整体起封装作用，省去了封装工艺和封装原料，制造成本降低。