热电发电机和用于制造热电发电机的方法与流程

本发明涉及一种用于制造热电发电机的方法以及涉及一种相应的热电发电机。

背景技术：

“物联网”（internetofthings，iot）被称为信息技术中的最重要的未来的开发之一。“iot”是指，不仅人进入互联网并且通过所述互联网来联网，而且器具也通过所述互联网来彼此联网。“物联网”的一个领域定位在生产及家居自动化的领域内。为此，比如能够使用加热装置上的温度传感器、陀螺仪、加速度传感器、压力传感器、麦克风。

为此所需要的电能能够用所谓的“能量采集器”从环境中获取。传统的采集器是用于从阳光中获取能量的pv单池以及这里所探讨的、用于从比如加热装置上的温差中获取能量的热电发电机（teg）。

技术实现要素：

面对这种背景，用这里所介绍的方案来介绍按独立权利要求所述的、热电发电机（teg）、用于制造热电发电机的方法、此外使用这种方法的装置以及最后相应的计算机程序。有利的设计方案由相应的从属权利要求和以下说明中得出。

teg将热电的材料上的温差转化为电压。所述热电的材料通常在两个基底之间在电方面串联并且在热方面并联。为了在能够利用的范围内提高所转化的电压，将所述基底上的多个小支腿（n和p掺杂）在电方面串联起来。通过多个小支腿的串联，所述teg可能由于连接的损坏而完全失去其功能。最大的持久性可能被热应力和/或机械应力所超过，由此可能干扰并且/或者中断所述导电的连接。为了提高整个发电机的负荷能力，电绝缘的材料能够至少部分地支撑所述热应力和/或机械应力。由此，能够更为容易地对所述发电机进行机械加工并且/或者将其集成到总系统中。

介绍一种热电发电机，该热电发电机具有第一基底、热电的发电机材料、电连接部（导体电路、衬垫等等）以及第二基底，其中所述发电机材料的第一面导热地与所述第一基底相连接，并且所述发电机材料的、与第一面对置的第二面与所述第二基底导热地连接，其中在所述第一基底与所述第二基底之间布置了支撑材料，用于使所述第一基底与所述第二基底相互支撑并且/或者机械地彼此相连接。

此外，介绍一种用于制造热电发电机的方法，其中所述方法具有以下步骤：

提供第一基底、热电的发电机材料和第二基底；

将所述发电机材料与所述第一基底和所述第二基底连接起来，其中将所述发电机材料的第一面导电地并且导热地与所述第一基底连接起来，并且将所述发电机材料的、与第一面对置的第二面与所述第二基底导电地并且导热地连接起来；并且

将支撑材料加入到所述第一基底与所述第二基底之间，用于使所述第一基底与所述第二基底相互支撑并且/或者将其机械地彼此相连接。

“基底”能够是指板状的材料。所述热电的发电机材料处于所述两个基底之间，所述热电的发电机材料在存在温差时基于赛贝克效应而产生第一电压。为了得到能够在技术上利用的电压，能够将多个的由热电的材料构成的小支腿串联起来。通常在所述热电的材料中使用掺杂（n和p掺杂），用于对所述赛贝克系数进行调整。所述支撑材料能够电绝缘，用于避免电短路。所述支撑材料能够机械地与所述第一基底和所述第二基底相连接。

在所述第一基底、所述发电机材料和所述第二基底已经被连接起来之后，所述支撑材料能够被加入到所述第一基底与所述第二基底之间。比如能够将所述支撑材料喷入到所述第一基底与所述第二基底之间。

能够在将所述第二基底与所述发电机材料连接起来之前加入所述支撑材料。比如，所述支撑材料能够作为预变形的薄膜来施加到所述第一基底上。所述支撑材料能够具有用于所述发电机材料的空隙。同样能够在将所述第一基底与所述已经相连接的第二基底和发电机材料起来之前加入所述支撑材料。

能够将所述支撑材料施加到所述第一基底上。所述发电机材料能够在所述支撑材料的空隙中与所述第一基底相连接。通过将所述支撑材料施加到所述第一基底上这种方式，能够特别容易地加入所述支撑材料。同样能够在将所述发电机材料与所述第二基底连接起来之前将所述支撑材料施加到所述第二基底上。

能够将所述支撑材料加入到所述第一基底的和/或所述第二基底的边缘区域中。由此能够实现更少的材料消耗和热影响。

所述方法能够具有清除所述支撑材料的步骤。在此，尤其能够在所述支撑材料已经对在加工和/或处理发电机时的剪切力进行支撑之后，将所述支撑材料清除。通过所述支撑材料的清除，能够实现热阻的提高并且因此实现所述热电的发电机材料上的温度梯度的提高。

所述方法能够具有使所述发电机耦联的步骤。在此，能够使所述第一基底与第一载体基底、尤其是第一电路板热耦联。作为替代方案或者补充方案，能够使所述第二基底与第二载体基底、尤其是第二电路板热耦联。尤其所述第一和第二载体基底能够彼此至少机械地相连接。通过所述载体基底或者电路板，所述发电机能够成为系统的组成部分并且用于对所述系统进行能量供给。所述电路板/所述载体基底能够具有导热的元件，用于将温差耦合输入到所述发电机中或者从中耦合输出。

此外，有利的是这里所介绍的、具有所述发电机的耦联的步骤的方案的一种实施方式，其中在使所述基底与所述载体基底耦联起来之前将可导热的区域加入到所述载体基底中并且与所述基底进行可导热的接触。这里所介绍的方案的这样的实施方式提供以下优点：所述teg的电的围绕布线（umverdrahtung）和可能的功能上的覆盖（einhausung）通过所述载体基底以良好的热耦联和同时得到提高的机械稳定性来实现。所述载体基底除了所述覆盖之外也能够具有另外的电子构件和功能。所述支撑材料能够被加入到所述第一基底与所述第二基底之间的缝隙中。所述支撑材料能够包围着所述发电机材料，用于横向地对所述发电机材料进行支撑。所述支撑材料能够与所述发电机材料机械地相连接。由此，所述发电机能够用所述支撑材料经得住还更高的负荷。

所述方法能够具有将所述发电机覆盖的步骤，其中使所述两个基底之一与载体基底相耦联并且壳体、尤其是盖板伸出超过所述发电机的至少一个部分区域。由塑料或者金属构成的壳体能够保护所述发电机，以防止环境影响。

按照这里所介绍的方案的另一种实施方式，所述方法能够具有将所述发电机覆盖的步骤，其中所述覆盖通过塑料、尤其是热固性的塑料通过喷涂、注塑或者浇注来进行。这里所介绍的方案的这样的实施方式提供以下优点：使所述teg机械地稳定并且保护所述小支腿，以防止介质、像比如湿气。同时，这种借助于热固性的塑料实现的覆盖是电子装置中所设立的标准过程并且由此能够成本低廉地实现。

此外，有利的是这里所介绍的、具有将所述支撑材料清除的步骤的方案的一种实施方式，其中尤其在进行了所述覆盖的步骤之后，将所述支撑材料清除。这里所介绍的方案的这样的实施方式提供以下优点：在所述覆盖的期间所述支撑材料保证所需要的额外的机械稳定性，但是同时在所述过程之后所述支撑材料由于清除而通过所述材料的导热性产生的影响不再起作用。

此外，根据另一种实施方式，所述方法能够具有将所述发电机覆盖的步骤，其中在通过塑料进行覆盖的步骤之前或者之中将公差补偿材料、尤其是可导热的衬垫施加在为了进行覆盖而定向的基底的表面上并且在背向所述基底的一面上将其免除。这里所介绍的方案的、这样的实施方式提供以下优点：公差补偿能够与所述支撑材料一起被分解或者如果使用热衬垫，则能够直接在包装过程中对所述热衬垫一同进行处理。

特别有利的是这里所介绍的、具有将所述发电机覆盖的步骤的方案的一种实施方式，其中在通过塑料进行覆盖的步骤之前将隔绝材料、尤其是塑料如此至少安置到所述发电机的垂直的表面的部分区域上，使得所述隔绝材料使所述基底的中间区域免除所述覆盖的塑料。这里所介绍的方案的这样的实施方式提供以下优点：通过所述隔绝材料能够防止通过所述热固性的壳体材料来不明确地填充所述基底的中间区域。能够额外地如此构造所述材料，从而能够在所述包装过程之后又将所述材料清除。

此外，这里所介绍的方案提供一种装置，该装置构造用于在相应的机构中实施、操控或者实现这里所介绍的方法的变型方案的步骤。通过本发明的这种以控制器的形式实现的实施变型方案，也能够快速并且有效地解决本发明的任务。

“装置”在此能够是指一种电器具，该电器具对传感器信号进行处理并且据此输出控制和/或数据信号。所述装置能够具有接口，该接口能够以硬件方式和/或软件方式来构成。在以硬件方式来构成时，所述接口比如能够是所谓的系统asic的一部分，这部分包括所述装置的若干功能。但是也可能的是，所述接口是自身的集成的开关电路或者至少部分地由离散的结构元件所构成。在以软件方式来构成时，所述接口能够是软件模块，所述软件模块除了其它的软件模块之外也比如存在于微型控制器上。

也有利的是一种具有程序代码的计算机程序产品或者计算机程序，所述程序代码能够被保存在机器可读的载体或者存储介质、比如半导体存储器、硬盘存储器或者光学存储器上并且尤其在所述程序产品或者程序在计算机或者装置上被执行时用于实施、实现并且/或者操控按前面所描述的实施方式之一所述的方法的步骤。

附图说明

下面借助于附图示范性对这里所介绍的方案进行详细解释。附图中：

图1示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机的方框图；

图2示出了用于制造按照本发明的一种实施例的热电发电机的方法的流程图；并且

图3到13示出了按照本发明的不同的实施例的热电发电机的图示。

具体实施方式

在下面的对本发明的有利的实施例所作的描述中，为在不同的附图中示出的并且类似地起作用的元件使用相同的或者类似的附图标记，其中放弃对于这些元件的重复的描述。

图1示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的方框图。所述热电发电机100具有第一基底102、热电的发电机材料104和105（n和p掺杂）以及第二基底106。所述发电机材料104和105的第一面导热地与所述第一基底102相连接。所述发电机材料104和105的、与第一面对置的第二面导热地与所述第二基底106相连接。在所述第一基底102与所述第二基底106之间布置了支撑材料108。所述支撑材料108将所述第一基底102与所述第二基底106机械地连接起来并且使所述基底102、106相互支撑。

此外，也能够考虑，所述发电机材料104处于其中一个基底上并且所述发电机材料105处于所述第二基底上并且而后将其接合起来。

图2示出了用于制造按照本发明的一种实施例的热电发电机的方法200的流程图。在使用在这里所描述的方法200的情况下，能够制造像比如在图1中所示出的那样的热电发电机。所述方法200具有提供的步骤202、连接的步骤204和加入的步骤206。在所述提供的步骤202中，提供所述热电发电机的第一基底、热电的发电机材料以及所述热电发电机的第二基底。在所述连接的步骤204中，将所述发电机材料与所述第一基底和所述第二基底连接起来。在此，将所述发电机材料的第一面导热地与所述第一基底连接起来。将所述发电机材料的、与第一面对置的第二面与所述第二基底导热地连接起来。在所述加入的步骤206中，将支撑材料加入到所述第一基底与所述第二基底之间，用于将所述第一基底与所述第二基底机械地彼此相连接并且使其相互支撑。

图3示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的图示。所述发电机100基本上相当于图1中的发电机。作为补充，所述发电机材料104和105以多个热电的小支腿104和105的形式构造在所述第一基底102与所述第二基底106之间。所述支撑材料108布置在所述小支腿104、105之间的间隙中并且填充所述第一基底102与所述第二基底106之间的缝隙。

热电发电机（teg）100通常由上基底106和下基底102所构成，所述上基底和下基底通过由热电的材料104、105所构成的小支腿104和105彼此相连接。所述小支腿104和105在热方面并联并且在电方面串联。在所述teg100的内部，通过赛贝克效应在加载温度梯度的情况下产生电压。

在用于将teg100“包装”在电子壳体中的构造及连接技术的当前的方案中，将所述teg100在具有导热的材料的上侧面106和下侧面102上贴紧地连接到所述壳体的冷侧和热侧上。热机械的应力由此直接被传递到所述teg100的小支腿104和105上。这些应力可能会导致所述小支腿104、105的损坏并且由此导致整个模块100的损坏。所述teg100已经在avt过程中经受强烈的热机械的和机械的负荷。

在这里所介绍的方案中，借助于avt材料108在机械方面稳健地保护热电发电机100，以防止过程链和制造中的影响。

为了稳健地设计所述热电发电机100，将填充材料108加入到热电发电机100的自由空间或者间隙中。所述自由空间或者间隙横向地在所述热电的有效的小支腿104之间延伸并且垂直地在所述热电发电机100的至少两个基底102、106之间延伸。

所述填充材料108在此能够暂时地加入并且在avt过程链之后取出或者持久地留在所述teg100中。

所述持久的填充材料108的导热性在此处于≤1.5w/mk的范围内，尤其是处于≤0.5w/mk的范围内，尤其是处于≤0.3w/mk的范围内。

一般来说，所述持久的或者暂时的填充材料108尤其能够是由聚合物组构成的材料，所述材料在teg制造过程中通过分散、喷射、喷涂、浇注、注塑来加入到晶片平面或者芯片平面上或者通过离析来加入。所述暂时的材料108能够以化学的、湿化学的、干化学的、尤其是热的方式在温度≤500℃、尤其是≤280℃、尤其是小于≤200℃的情况下清除。

通过这里所介绍的方案，能够在包装及制造过程的期间实现尤其是由于热机械的应力所引起的、作用于所述teg100的热电的小支腿104、105的机械负荷的降低。

此外，能够实现由于在制造中的应力所引起的、作用于所述teg100的机械的影响的降低。比如，这些负荷在通过锯削将用teg100装备的传感器模块从较大的使用设备（nutzen）中分开时而产生。同样，在运送时、在仓储时或者在最终使用者处由于操作而可能出现机械的负荷、比如冲击、自由降落或者湿气。

通过暂时的材料108的使用、比如能够热分解的聚合物108或者可溶于水的胶粘剂108，在所述负荷之后又能够将所述材料108从所述teg100的小支腿104和105的中间区域上免除，用于保证原有的热性能。

此外，所述暂时的材料108提供在不同的过程步骤中防止湿气的保护。

这里所介绍的构造包括至少一个由两个基底102、106所构成的热电发电机100。这些基底102、106通过“小支腿”-形式的热电的材料104、105彼此相连接。

在图3中示出了具有填充材料108、比如底部填充剂的热电发电机100。所述填充材料108的导热性在此处于≤1.5w/mk的范围内，尤其是处于≤0.5w/mk的范围内，尤其是处于≤0.3w/mk的范围内。所述填充材料108尤其是由聚合物组构成的材料，所述材料在teg制造过程中通过分散、喷射、喷涂、浇注、注塑来加入到晶片平面或者芯片平面上或者通过离析来加入。所述填充材料108用于提高所述teg100的、相对于机械负荷的稳健性。在此，由填充材料构成的底部填充剂108布置在teg下侧面102与teg上侧面106之间。

在一种实施例中示出了具有暂时的稳定剂108的热电发电机100。所述两个基底102、106能够被称为teg上侧面106和teg下侧面102。附加于所述基底102、106而示出了所述热电的小支腿104、105以及所述暂时的稳定剂108。在运行中，在所述上侧面106上加载着温度t1并且在所述下侧面上加载着温度t2。由这两种温度构成的差大约是能够利用的温度梯度。

图4示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的图示，所述热电发电机导热地固定在电路板400上。所述发电机100基本上相当于图3中的发电机。所述第一基底102额外地在使用胶粘层402的情况下与所述电路板400的导热的区域404相连接。所述发电机通过导线406与所述电路板400的里面和/或上面的导体电路进行了电连接。

在图4中，如在图3中所描绘的那样的热电发电机100被粘贴到基底400或者电路板400上。作为替代方案，能够通过钎焊来固定所述发电机。在所述teg100的下方构造了良好导热的区域404，用于将温度良好地传导到所述teg100上。

换句话说，在图4中用胶粘剂402将具有暂时的稳定剂108的热电发电机100粘到具有比如由铜构成的热连接404的基底400或者电路板400上。

图5示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的图示，所述热电发电机被壳体500所覆盖。所述发电机100基本上相当于图3到4中的发电机。所述发电机100和所述电路板400的表面额外地被填料500所覆盖。由此，所述发电机100得到了保护，以防止环境影响。

换句话说，图5示出了一种传感器模块502，该传感器模块具有用于热电发电机100的、暂时的或者持久的稳定剂108。

在图5中，上面所描述的构造还额外地被覆盖。这个覆盖500通过模料500来示出。通过所述暂时的稳定剂108，能够防止所述模料500到达所述小支腿104、105的中间区域中。在真正的模塑过程之后，能够将所述暂时的稳定剂108清除。作为所述模料500的替代方案，比如能够使用金属盖。

换句话说，将所述具有暂时的稳定剂108的热电发电机100粘到基底400或者电路板400上并且用模料500进行挤压。

图6示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的图示。所述发电机100基本上相当于图5中的发电机。与此相比，所述支撑材料在这里用填料500进行覆盖之后已经被清除，因而在所述第一基底102与所述第二基底106之间的缝隙中产生了气隙600。所述气隙600通过热电的发电机材料104、105来跨接。

在一种实施例中，所述支撑材料已经通过热分解被清除。换句话说，所述支撑材料被蒸发。

在图6中示出了图5的实施例连同已经被分解的暂时的材料。所述分解在这种情况下穿过所述模料500来进行。换句话说，图6示出了热电发电机100，所述热电发电机具有被分解的暂时的稳定剂，所述热电发电机被粘到基底（电路板）上并且用模料500来挤压。

图7示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的图示。所述发电机100基本上相当于图5中的发电机。额外地，所述壳体500具有通道700，通过该通道在所述支撑材料108的分解时可能产生的废气能够逸出。所述通道700在这里基本上平行于所述填料500内部的电路板400来伸展。所述通道700从所述基底之间的缝隙一直伸展到所述壳体500的表面。

在图7中示出了一种具有额外的分解通道700的实施例，用于通过合适的后来的步骤来清除所述暂时的稳定剂108。所述通道700能够如所示出的那样水平地或者不过也垂直地实现。比如，所述通道700能够作为激光开口从下方并且/或者从上方来构成。

图8示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的图示。所述发电机100基本上相当于图5中的发电机。额外地，所述壳体500在所述发电机100的区域中具有开口800。在所述开口800中裸露出所述第二基底106。为了避免生产过程中或者应用中的机械的和热机械的应力，在所述第二基底106上布置了公差补偿层和热衬垫802。在使所述支撑材料108分解时，能够使所述公差补偿层分解。

在图8中，通过合适的工具将所述上侧面上的模料500免除。额外地，能够在所述teg100的上侧面上实现暂时的公差补偿层或者热衬垫802。作为可能的变型方案，同样能够使用金属盖，所述金属盖通过合适的形状作为用于所述teg100的冷却体来起作用。在此，在至此为止的实例上添加了额外的暂时的公差补偿或者热衬垫802和模料开口800。

图9示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的图示。所述发电机100基本上相当于图5中的发电机。与此相比，所述支撑材料108在这里基本上布置在所述基底102、106的侧面上。在所述基底102、106之间的缝隙中没有布置支撑材料。在将所述壳体500布置在所述发电机100上面之后将所述支撑材料108清除。

在图9中，所述暂时的稳定剂108作为包裹剂或者环绕的隔绝剂来实现。在一种实施例中，所述传感器同样具有分解通道。

图10示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的图示。所述发电机100基本上相当于图5中的发电机。附加于所述缝隙中的支撑材料108，像在图9中一样，在所述基底102、106的侧面上布置了另外的支撑材料108。

在图10中，额外地围绕着所述热电发电机100实现了所述暂时的稳定剂108。换句话说，示出了在这里所介绍的构造，所述构造具有处于所述热电发电机100的侧面上的、加宽的暂时的稳定剂108。

图11示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的图示。所述发电机100基本上相当于图5中的发电机。额外地在所述基底102、106的侧面上布置了隔绝材料1100。所述隔绝材料1100是持久的并且与所述支撑材料108相比在所述壳体500已经构成之后没有被清除。

在图11中示出了一种实施例，在该实施例中将所述暂时的稳定剂108与导热差的隔绝材料1100一起使用。所述暂时的稳定剂108的分解要么穿过所述隔绝本料1100来进行，要么同样需要未示出的分解通道。换句话说，图11示出了一种构造，该构造具有暂时的稳定剂108以及围绕着所述teg100环绕的导热差的隔绝材料1100。

图12示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的图示。所述发电机100基本上相当于图4中的发电机。作为补充方案，第二电路板1200与所述第二基底106相连接。所述第二基底106在使用另一个胶粘层1202的情况下与所述第二电路板1200的导热的第二区域1204相连接。所述第二电路板1200具有空隙1206，在该空隙中布置了所述发电机100。所述电路板400、1200在边缘区域中彼此机械地连接并且就这样构成一种壳体。

在一种实施例中，在将所述第二电路板1200和所述发电机100与所述第一电路板400连接起来之前，将所述发电机100布置在所述空隙1206中并且与所述第二电路板1200连接起来。将所述两个电路板1200和400通过接触材料403彼此相连接。这种接触材料能够是胶粘剂、焊接或者键合连接。在理想情况中，这种材料导热差，用于避免两个电路板之间在所述teg旁边经过的热短路。

在图12中示出了一种具有多个电路板400、1200的实施例。所述电路板400、1200形成空腔1206，在该空腔中能够布置传感装置和所述teg100。所述两个电路板400、1200的连接能够通过第三电路板（未示出）、更准确地说电路板环来进行，使得所述上面的电路板1200和所述下面的电路板400能够在没有大的拓扑结构的情况下构成。所述电路板1200内部的热连接1204在这种情况下通过铜嵌入件（kupferinsert）1204或者所述电路板1200中的热贯穿孔1204来实现。换句话说，图12示出了一种实施例，在该实施例中两个电路板400、1200彼此相连接并且在当中形成空腔1206。所述电路板400、1200能够通过胶粘剂、焊料和/或热衬垫来连接。

图13示出了按照本发明的一种实施例的热电发电机100的图示。所述发电机100基本上相当于图12中的发电机。作为补充，所述支撑材料108如在图10中一样在侧面围绕着所述发电机100来布置。与此相比，导线406在这里完全被埋入到所述支撑材料中。由此，所述导线406在制造所述发电机100的期间得到了保护，以防止机械负荷。

在图13中示出了另一种变型方案，在该变型方案中所述暂时的稳定剂108超出所述teg100的侧面并且额外地保护所述导线键合部406，以防止过程中的机械的应力。

仅仅示范性选择了所描述的并且在附图中示出的实施例。不同的实施例能够完全或者关于各个特征彼此组合起来。一种实施例也能够通过另一种实施例的特征得到补充。

此外，这里所介绍的方法步骤能够重复地并且以与这里所描述的顺序不同的顺序来执行。

如果一种实施例在第一特征与第二特征之间包括“和/或”或者说“并且/或者”联结，则应该如此进行解读：所述实施例按照一种实施方式不仅具有所述第一特征而且具有所述第二特征，并且按照另一种实施方式要么仅仅具有所述第一特征要么具有所述第二特征。