CN101587934A

CN101587934A - 薄膜式热电转换组件及其制造方法

Info

Publication number: CN101587934A
Application number: CNA2008101086080A
Authority: CN
Inventors: 朱旭山
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2009-11-25

Abstract

本发明涉及一种薄膜式热电转换组件，包括以下单元：一具有中空区域的柱状结构主体，由多个环状的薄膜式热电转换单元堆叠而成，其中每一薄膜式热电转换单元至少包括多个环状排列的热电薄膜组。一绝缘导热层，分别覆盖柱状结构主体的中空区域的内壁和柱状结构主体的外壁，其中薄膜式热电转换组件的冷端或热端，分别设置于该柱状结构主体的中空区域或该柱状结构主体的外侧。

Description

薄膜式热电转换组件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热电转换组件，特别是涉及一种薄膜式热电转换组件。

背景技术

热电转换组件(thermoelectric module device)是一种具有热与电两种能量互相转换特性的组件，由于其热电转换特性，因此具有致冷/加热以及发电两种应用领域。若对热电转换组件通电，使组件两端分别产成吸热与放热现象，则可应用在致冷或加热的技术领域。若使热电转换组件两端分别处于不同温度，则能令热电转换组件输出直流电，因此可应用于发电技术领域。

请参照图1，其示出了一种传统热电转换组件的剖面图。传统的热电转换组件一般由块状的P型热电材料108、N型热电材料106、下导电金属层112、上导电金属层110、及电绝缘的上基板104和下基板102所构成。如图1所示，传统热电转换组件的P型热电材料108与N型热电材料106通常为直立式，利用下导电金属层112和上导电金属层110将P型热电材料108和N型热电材料106连接。以热电致冷应用为例，输入的直流电在P型热电材料108和N型热电材料106内的流动方向与转换组件热传送方向平行，热电致冷组件在上下方产生温差与吸放热。若以温差发电为例，热电转换组件温差与热流方向，同样与热电材料内产生的电流方向平行。此种传统结构的热电转换组件受限于块状热电材料热电优值(figure of merit，ZT)特性瓶颈，其效率并不高，通常热电致冷最大致冷力(cooling capacity)大约只有3～5W/cm²，而热电组件发电效率在冷热端200℃温度差异下约为2～3％。欲提高热电转换组件效能，将高ZT值热电材料使用于热电变换组件中是最直接而有效的方法。

公元1993年时美国麻省理工学院教授Hicks与Dresselhaus等人提出将热电材料尺度减少至纳米尺度时，热电优值ZT可能大幅提升。接着于公元2001年，美国RTI研究所Venkatasubramanian等人发现P型Bi₂Te₃/Sb₂Te₃超晶格薄膜ZT值在室温附近可达到2.4左右，突破了ZT小于1的瓶颈。公元2004年美国Hi-Z公司研究P型B₄C/B₉C与N型Si/SiGe量子层(quantum well)薄膜，并实验量测估算ZT值可能大于3。根据前述研究结果显示，薄膜型热电材料具有高ZT值的优势，可望突破传统块状材料特性瓶颈。另外，薄膜型热电材料耗用材料少，易制作微小型热电转换组件，无论是在微电子组件冷却(microcooling)或高效率热电发电机(thermoelectric generator)领域，其应用潜力将愈来愈高。

然而，此具有潜力的薄膜型热电材料，直接应用在传统组件时，却难以有高性能的表现。请参照图2，其示出了一种传统具有薄膜型热电转换组件的装置的剖面图。如图2所示，在上基板204和下基板202的间设置有P型热电材料薄膜216和N型热电材料薄膜210，其中P型热电材料薄膜216和N型热电材料薄膜210设置在金属柱206和下导电金属层212上，上导电金属层208下。P型热电材料薄膜216和N型热电材料薄膜210是通过上焊料层214与上基板204粘合，金属柱206则通过下焊料层218与下基板202粘合。

如图2所示，若将热电薄膜材料216、210直接应用至传统热电转换装置，虽然薄膜型热电材料216、210已被初步证实具有提高ZT值的效果，但由于热电薄膜材料216、210厚度仅约数十纳米至数十微米的间，意即热电转换组件的冷热端的间距相当近，热端迅速散热要求极为严苛，热流易回传而减少温差与致冷效果。再者，由于热电薄膜材料216、210厚度甚薄，热电薄膜材料216、210与金属层208、212接合界面电阻与热阻影响因素剧增，焦耳发热(joule′sheating)也会减损热电转换组件效率。因此热电薄膜材料直接导入传统热电转换装置，实际上并不如预期般有高性能的表现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提出一种薄膜式热电转换组件及其制作方法，以克服传统热电转换装置热电转换效率低的问题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种薄膜式热电转换组件，包括一具有中空区域的柱状结构主体，由多个环状的薄膜式热电转换单元堆叠而成，其中每一薄膜式热电转换单元至少包括多个环状排列的热电薄膜组，及一绝缘导热层，分别覆盖柱状结构主体的中空区域的内壁和柱状结构主体的外缘，其中薄膜式热电转换组件的冷端或热端，分别设置于柱状结构主体的中空区域，或该柱状结构主体的外侧。

为了实现上述目的，本发明还提出一种薄膜式热电转换组件的制作方法，包括以下步骤：制作多个环状的薄膜式热电转换单元，并将薄膜式热电转换单元堆叠。在堆叠的薄膜式热电转换单元的上侧和下侧，分别形成一上绝缘层和一下绝缘层，构成一中空区域的柱状结构主体。形成一电力输出线和一电力输入线，连接最上侧或最下侧的薄膜式热电转换单元。形成一绝缘导热层，分别覆盖包括中空区域的柱状结构主体的内壁和中空区域的柱状结构主体的外壁。

附图说明

图1是一种传统热电转换组件的剖面图；

图2是一种传统具有薄膜型热电转换组件的装置的剖面图；

图3A是本发明一实施例薄膜式热电转换单元的平面图；

图3B是沿着图3A中I-I’剖面线的剖面图；

图4是本发明一实施例薄膜式热电转换组件中间制程的剖面图；

图5是本发明一实施例薄膜式热电转换组件中间制程的剖面图；

图6是本发明一实施例薄膜式热电转换组件的剖面图。

具体实施方式

以下以图3A～图6描述本发明一实施例薄膜式热电转换单元300的制作方法。首先，请参照图3A和图3B，图3B为沿着图3A中I-I’剖面线的剖面图。提供一环状基板302，包括一环状内缘312及一环状外缘310。本实施例的环状基板302需具有绝缘和绝热的特性，例如低热传导的陶瓷材料，如氧化锆系列、硒化钨系列等，或是耐热高分子材料，如聚酰亚胺系列等。在环状基板302的一表面以例如沉积的工艺形成多个P型热电薄膜304(thermoelectric thin filmelements，TEE)和N型热电薄膜306。本实施例，P型热电薄膜304和N型热电薄膜306的厚度约为10nm～200μm的间。另外，本实施例P型热电薄膜304和N型热电薄膜306的材料为具有高热电优值的半导体或半金属元素或化合物，例如是掺入锑或硒的碲化铋((BiSb)₂(TeSe)₃)系列、掺入碲化铅(PbTe)及铅锡碲(PbSnTe)的化合物系列、掺入硅(Si)及硅锗(SiGe)的化合物系列、半-豪斯勒(Half-Heusler)介金属合金系列(一种强磁性非铁合金)、金属硅化物(Silicide)的化合物系列、或二硒化钨(WSe₂)系列等。再者，热电薄膜的沉积方式可为溅镀、热蒸镀、电弧离子镀膜、化学气相蒸镀、电镀及化学镀等。

以例如沉积的工艺形成第一导电层314连接相邻的P型热电薄膜304和N型热电薄膜306，使电性连接的P型热电薄膜304和N型热电薄膜306构成一热电薄膜组308。形成第二导电层316连接相邻的热电薄膜组308。本实施例第一导电层314和第二导电层316的材料例如是导电金属，其可为低电阻的金属或合金，例如铜(Cu)、铁(Fe)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、锡(Sn)、银(Ag)、金(Au)等。如此，如图3A和图3B所示，环状基板302的表面上包括沿着环状排列的热电薄膜组308，多个第一导电层314邻近于环状内缘312，多个第二导电层316邻近于环状外缘310。第一导电层314电性连接每一热电薄膜组308中的P型热电薄膜304和N型热电薄膜306，第二导电层316则用以电性连接相邻的两热电薄膜组，例如连接每一热电薄膜组的N型热电薄膜和相邻热电薄膜组的P型热电薄膜304。如此，完成本实施例一薄膜式热电转换单元300的制作。

接着，如图4所示，将多个薄膜式热电转换单元300堆叠，形成一上绝缘层402接合在上侧的薄膜式热电转换单元300，形成一下绝缘层404接合在下侧的薄膜式热电转换单元。如此，本实施例将多个薄膜式热电转换单元300堆叠形成中空的柱状结构主体400，且中空的柱状结构主体400的上下侧形成有上绝缘层402和下绝缘层404。值得注意的是，上绝缘层402和下绝缘层404均不覆盖柱状结构主体400的内缘408中的区域，也即柱状结构主体400的中空区域406是贯通的。

后续以图3A描述本实施例薄膜式热电转换组件电力输出和输入线的制作。假设图3A的薄膜式热电转换单元300位于上述包括中空区域406的柱状结构主体400的最下层或最上层，本实施例即是在包括中空区域406的柱状结构主体400最下层或最上层薄膜式热电转换单元300形成电力输出和输入线。如图3A所示，第一导线318是透过导电层与排列于首位的热电薄膜组308的N型热电薄膜306电性连接，第二导线320是透过导电层与排列于最末位的热电薄膜组308的P型热电薄膜304电性连接，该第二导线320和第一导线318分别构成本实施例的电力输出线和电力输入线。

在形成电力输出线和电力输入线的制作后，如图5所示，形成一绝缘导热层412，覆盖中空的柱状结构的内缘408(也即中空区域406的内壁)和外缘410，完成本实施例薄膜式热电转换组件的制作。本实施例的绝缘导热层412可为陶瓷材料，例如氧化铝系列、氮化铝系列、氮化硼系列等，或表面镀着氮化铝或钻石膜或其它绝缘导热材料的金属，金属例如可为铝、铜、金属基复合材料、石墨片或碳复合材料等。

以下以图6描述本实施例薄膜式热电转换组件的运作，本实施例是在中空的柱状结构的薄膜式热电转换组件的内外侧处于不同温度条件，意即使组件内外侧产生温度差异，如图6所示，本实施例是将薄膜式热电转换组件的中空区域406套接一流体管路414，接触绝缘导热层412，并使流体管路414中导入高温流体418。另外，本实施例是将薄膜式热电转换组件的外侧连接一散热装置416，且散热装置416可以一低温流体420流通。本实施例的散热装置416可为包含风扇的金属鳍片、不含风扇的金属鳍片、含碳复合材料鳍片、石墨片、发泡金属或发泡石墨组等。流体418、420可以为液体或气体。

根据上述，本实施例可在薄膜式热电转换组件的内侧和外侧处于不同温度条件下时，进行发电。请注意，本发明不限于在中空的柱状结构的薄膜式热电转换组件的中空区域406套接流体管路414，其可以导热性良好的金属棒取代，薄膜式热电转换组件的外侧也不限于连接一散热装置416，也可为其它单元。另外，本发明不限于温差发电的应用，其也能在第一导线318和第二导线320输入电流时，在薄膜式热电转换组件的内侧和外侧分别产生致冷或加热的效果。

值得注意的是，本实施例通过热电薄膜的温差或电流是为平行于P型热电薄膜304和N型热电薄膜306表面的方向，因此中空柱状结构薄膜式热电转换组件的内缘408和外缘410之间所形成的冷热端距离不会太接近，可避免热流易回传而减少温差与致冷效果的问题。另外，本发明上述实施例是将薄膜式热电转换单元300堆叠，形成中空柱状结构薄膜式热电转换组件400，并将冷热端分别设计发电组件的内外侧，使高低温流体418、420容易通过，以进行集热和散热，同时本发电组件结构可视应用场合需要，将单一热电薄膜转换单元300以任意数量堆叠，可充份利用高温流体418的热能提高发电量，在设计弹性与发电效果上更具有优越性。

以上提供的实施例是用以描述本发明不同的技术特征，但根据本发明的概念，其可包括或运用于更广泛的技术范围。须注意的是，实施例仅用以揭示本发明制程、装置、组成、制造和使用的特定方法，并不用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰。例如，虽然在图3中是以P型热电薄膜和N型热电薄膜同时沉积在环状基板的上表面为例作说明，但本发明并不以此为限，也可在基板的下表面同时沉积相同的热电薄膜组。当然，具有通常知识者应当知道，在实际应用时，可依照条件所需，弹性地选择在基板的一面或是两面上形成热电薄膜组，本发明对此并不多作限制。本发明的保护范围，以权利要求书所界定的保护范围为准。

Claims

1.一种薄膜式热电转换组件，其特征在于，包括：

一包括中空区域的柱状结构主体，由多个环状的薄膜式热电转换单元堆叠而成，其中每一薄膜式热电转换单元至少包括多个环状排列的热电薄膜组；及

一绝缘导热层，分别覆盖该柱状结构主体的中空区域的内壁和柱状结构主体的外壁，其中该薄膜式热电转换组件的冷端或热端分别设置于该柱状结构主体的中空区域或该柱状结构主体的外侧。

2.根据权利要求1所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，每一薄膜式热电转换单元至少包括一P型热电薄膜和一N型热电薄膜，且该薄膜式热电转换组件的温差或电流为平行于该P型热电薄膜或该N型热电薄膜表面的方向。

3.根据权利要求1所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该包括中空区域的柱状结构主体的上下侧分别设置有一上绝缘层和一下绝缘层，且该上绝缘层和该下绝缘层不覆盖该中空区域。

4.根据权利要求1所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该薄膜式热电转换单元包括：

一环状基板；

多个热电薄膜组沿环状方向排列于该环状基板上，其中每一热电薄膜组包括一P型热电薄膜和一N型热电薄膜，且一第一导电层电性连接该P型热电薄膜和该N型热电薄膜；及

一第二导电层，电性连接相邻的热电薄膜组。

5.根据权利要求4所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该P型热电薄膜和该N型热电薄膜设置于该环状基板的同一面上。

6.根据权利要求4项所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该P型热电薄膜和该N型热电薄膜设置于该环状基板的上下两面上。

7.根据权利要求4所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该环状基板具有绝缘和绝热的特性。

8.根据权利要求7所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该环状基板为陶瓷材料或是耐热的高分子材料。

9.根据权利要求8所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该陶瓷材料为氧化锆系列或硒化钨系列，该耐热的高分子材料为聚酰亚胺系列。

10.根据权利要求4所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该P型热电薄膜和该N型热电薄膜的厚度约为10nm～200μm之间。

11.根据权利要求4所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该P型热电薄膜或该N型热电薄膜为掺入锑或硒的碲化铋系列、掺入碲化铅及铅锡碲的化合物系列、掺入硅及硅锗的化合物系列、半-豪斯勒介金属合金系列、金属硅化物的化合物系列或二硒化钨系列。

12.根据权利要求1所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，尚包括一电力输出线和一电力输入线，电性连接该包括中空区域的柱状结构主体的最上侧或最下侧的薄膜式热电转换单元。

13.根据权利要求1所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该热端为通过该柱状结构主体的中空区域的流体管路。

14.根据权利要求13所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该冷端为连接该柱状结构主体的外侧的散热装置。

15.根据权利要求14所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该流体管路或该散热装置分别以高温流体或低温流体流通，其中该高温流体或该低温流体为液体或气体。

16.根据权利要求14所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该散热装置为包含风扇的金属鳍片、不含风扇的金属鳍片、含碳复合材料鳍片、石墨片、发泡金属或发泡石墨组。

17.根据权利要求1所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该绝缘导热层为陶瓷材料，或表面镀着绝缘导热材料的结构层。

18.根据权利要求17所述的薄膜式热电转换组件，其特征在于，该陶瓷材料为氧化铝系列、氮化铝系列或氮化硼系列，且该结构层为铝、铜、金属基复合材料、石墨片或碳复合材料。

19.一种薄膜式热电转换组件的制作方法，其特征在于，包括：

制作多个环状的薄膜式热电转换单元；

将该些薄膜式热电转换单元堆叠；

在堆叠的薄膜式热电转换单元的上侧和下侧分别形成一上绝缘层和一下绝缘层，构成一中空区域的柱状结构主体；

形成一电力输出线和一电力输入线，连接最上侧或最下侧的薄膜式热电转换单元；及

形成一绝缘导热层，分别覆盖该柱状结构主体的中空区域的内壁和柱状结构主体的外壁。

20.根据权利要求19所述的薄膜式热电转换组件的制作方法，其特征在于，制作多个环状的薄膜式热电转换单元的步骤包括：

提供一环状基板；

形成多个热电薄膜组，沿环状方向排列于该环状基板上，其中每一热电薄膜组包括一P型热电薄膜和一N型热电薄膜；

形成一第一导电层电性连接该P型热电薄膜和该N型热电薄膜；及

形成一第二导电层，电性连接相邻的热电薄膜组。

21.根据权利要求19所述的薄膜式热电转换组件的制作方法，其特征在于，该P型热电薄膜和该N型热电薄膜以沉积的工艺形成。

22.根据权利要求21所述的薄膜式热电转换组件的制作方法，其特征在于，该沉积工艺包括溅镀、热蒸镀、电弧离子镀膜、化学气相蒸镀、电镀和化学镀。