CN102449789B - 用于赛贝克效应热电发电机的微结构及制作该微结构的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造热电微结构(10)的方法，包括：形成具有第一连接区域(18)和第二连接区域(20)的绝缘基板；在基板(12)上形成沿从第一(18)到第二(20)连接区域的第一方向平行延伸并具有第一赛贝克系数的导体或半导体部件(14)的第一组合件；在基板(12)上形成与第一组合件电绝缘、沿从第一(18)到第二(20)连接区域的与第一方向不同的第二方向平行延伸并具有与第一赛贝克系数不同的第二赛贝克系数的导体或半导体部件的第二组合件(22)；在第一和第二连接区域(18，20)中提供电连接部件(24)，每个电连接部件都把第一组合件的至少一个部件(14)与第二组合件的至少一个部件(22)电连接；其中，单一组合件的两个导体或半导体部件(14，22)在连接区域(18，20)中沿着预定方向间隔开预定平均距离(d1，d2)；连接部件(24)沿预定方向的平均尺度(P)大于单一组合件的部件之间的平均距离(d1，d2)的最大值；以及两个连接部件(24)的边缘之间沿预定方向的距离(E)小于单一组合件的部件之间的平均距离(d1，d2)的最小值。
Description
技术领域
本发明涉及赛贝克(Seebeck)效应热电微型发电机，换句话说涉及把热能转换成电能的结构，其功能部件小于一毫米。
背景技术
Seebeck效应热电发电机的功能是把经受的温度梯度转换成电流。该属性例如用于像这样的电流生成，但还用于冷却或测量温度或热流。热电发电机因此通常用于微机电系统，更熟知为首字母缩写MEMS。
为了根据温度梯度生成电流，使用具有不同Seebeck系数的材料(在电气方面串联以及在热方面并联)来构建结组合件，诸如串联连接的p-n结。
无论用于这些连接的结构的类型如何，是平面结构(如文献US6872879中所述)还是列结构(如文献“Thermoelectric microdevicefabricated by a MEMS-like electrochemical process”，G.Jeffery Snyder等人，自然材料，第2卷，2003年8月，www.nature.com/naturematerial)，不同部件的微观结构(尺度小于1毫米的形成例如结的导体或半导体部件或连接部件)通常要求非常精确地对齐工艺以便使所述结形成为获得长的结系列，作为热电效率的保证。事实上，需要实施使用精度设备的许多步骤以便制作热电微结构。事实上，现有技术的热电微结构通常是昂贵的并且花费较长时间制作。
发明内容
本发明的目的是提出用于制作热电微结构的简明方法，其不需要使用非常精确的对准，此外同时保证所述结构针对结失效的增强的耐用性。
为此，本发明的目的是一种用于制造赛贝克效应热电微结构的方法，包括以下步骤：
-形成具有第一连接区域和第二连接区域的绝缘基板；
-在基板上形成沿从第一连接区域到第二连接区域的第一方向平行延伸的导体或半导体部件的第一组合件，所述部件具有第一赛贝克系数；
在基板上形成沿从第一连接区域到第二连接区域的第二方向平行延伸的导体或半导体部件的第二组合件，第二方向与第一方向不同，第二组合件的部件与第一组合件的部件电绝缘，第二组合件的部件具有与第一赛贝克系数不同的第二赛贝克系数；以及
在基板的第一连接区域和第二连接区域中提供电连接部件，电连接部件的尺度被选择为使得所述连接部件中的每一个都能够把第一组合件的至少一个部件与第二组合件的至少一个部件电连接。
根据本发明：
单一组合件的两个导体或半导体部件在连接区域中沿着预定方向间隔开预定平均距离；
连接部件沿预定方向的平均尺度大于单一组合件的部件之间的平均距离的最大值；以及
两个连接部件的边缘之间沿预定方向的距离小于单一组合件的部件之间的平均距离的最小值。
换种说法，在制作本发明的微结构的第一阶段，可形成后续要用于结的部件，不必担心在单个组合件中的对准并且不论第一组合件相对于第二组合件的精确相对朝向如何。在第二阶段，这些部件然后被互连以形成使用连接器的结，连接器的平均尺度大于连接区域中的部件之间的间隔的两倍。通过这样进行，则必定形成电气串联的多个结。此外，因为连接器的较大尺寸，使多个结序列并联，以使得如果一个结断开，则仍存在并联电流路径。
然而在现有技术中，目的是获得一个且仅一个电结序列，事实上需要部件的精确对准，本发明利用以下事实：把多个两个相邻部件连接在一起没有任何不利，正相反会导致更好的耐用性。因此，在本发明中，优选地寻找电连接的最大密度，以便尤其增加并联的电路径并且因此最终提高结构的耐用性，但也尽可能消除这些连接相对于构成结的部件的精确定位的需要。因为这样就不必寻求仅两个部件的连接，所以该方法并不需要高精确等级，这简化了结构的制造。
根据本发明，第一组合件和第二组合件可以分别形成在绝缘基板的相反表面上，以及所述连接部件的提供包括在表面之间穿过基板的电连接的提供，尤其包括穿过基板的至少一个孔的形成然后是孔内的导体接触的形成。
更具体地，连接部件沿预定方向的平均尺度大于单一组合件的部件之间的平均距离的最大值的两倍。
根据另一配置，导体或半导体部件是带、导线、纳米线和/或单晶纤维。
作为替代方式，导体或半导体部件可由具有各向异性导电性的薄膜构成。
本发明的另一目的是用于赛贝克效应热电发电机的微结构，包括：
绝缘基板，具有第一连接区域和第二连接区域；
在基板上沿从第一连接区域到第二连接区域的第一方向平行延伸的导体或半导体部件的第一组合件，所述部件具有第一赛贝克系数；
在基板上沿从第一连接区域到第二连接区域的第二方向平行延伸的导体或半导体部件的第二组合件，第二方向与第一方向不同，第二组合件的部件与第一组合件的部件电绝缘，第二组合件的部件具有与第一赛贝克系数不同的第二赛贝克系数；以及
在第一连接区域和第二连接区域中的电连接部件，电连接部件把第一组合件的至少一个部件与第二组合件的至少一个部件电连接。
根据本发明：
单一组合件的两个导体或半导体部件在连接区域中沿着预定方向间隔开预定平均距离；
连接部件沿预定方向的平均尺度大于单一组合件的部件之间的平均距离的最大值；以及
两个连接部件的边缘之间沿预定方向的距离小于单一组合件的部件之间的平均距离的最小值。
根据前述方式制作的该结构是耐用的并易于制作。
附图说明
通过阅读仅作为示例给出并与附图相关提供的以下说明可以更好地理解本发明，其中：
图1是从根据本发明的热电微结构的前部的简图；
图2是沿着图1中的微结构的II-II轴线的横截面简图；
图3和图4是示出本发明的微结构中的导体或半导体部件的布局的简图；
图5是从具有旨在与图3和图4的布局组合的接触孔的绝缘基板的前部的简图；以及
图6是本发明的微结构的堆叠的简图。
具体实施方式
此处在下文中，表述“顶”、“底”、“右”和“左”是针对图1定义的。
在图1和图2中，根据本发明的用在微电子学中的例如使用薄层技术制成的赛贝克效应热电微结构10的第一实施例包括：
-绝缘材料的薄基板12，例如衬底或薄膜；
-在绝缘基板12的第一表面上实施的由导体或半导体材料制成的带14的组合件。带14彼此基本平行地形成并均匀间隔开，从基板12的第一区域18(布置在基板的顶边缘)延伸到基板12的第二区域20(布置在基板的底边缘)；
-在基板12的与第一表面相反的第二表面上实施的由导体或半导体材料制成的带22的组合件(以点线示出)。带22也彼此基本平行地形成并均匀间隔开，从第一区域18延伸到第二区域20。带22还具有与带14的方向不同的方向；
-金属连接接触24的组合件，穿过绝缘基板12并在区域18和20中实施。例如椭圆形横截面的金属接触24均匀间隔开并且使第一和第二组合件的带14、22电连接在一起；以及
-沿着基板12的左和右边缘形成的金属集电器接触26、28，金属集电器接触26只与带14接触而金属集电器接触28只与带22接触。
带14和22的材料不同以便具有不同的赛贝克系数。例如，带14由具有正赛贝克系数的P型半导体材料构成，而带22由具有负赛贝克系数的N型半导体材料构成。带14和22的半导体材料是从以下中选择的：Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3的固溶体，基于Si或SiGe、硅化物、锗化物的材料，基于Mg2Si、Mg2Ge或Mg2Sn的固溶体，或诸如PbTe或PbSexTe1-x的其它材料。
优选地，带14和22的材料被选择为具有绝对值大于200μV/K的赛贝克系数差。这样，这些材料具有宽的ZT系数，更具体地具有大于或等于1的ZT系数。众所周知，ZT系数表征材料的热电品质以及通常被指定为材料的“品质因数”。
带14和22例如通过从薄膜刻划、梳理或移出长带获得，因此基板具有涂覆有绝缘材料的导体或半导体层，如从现有技术已知的那样。
因此应当注意微结构10具有不同赛贝克系数的材料的结(例如，通过金属接触24实施的PN结)的组合件，所述结被布置为在金属集电器接触26和28之间电气上串联以及热方面并联。
优选地，金属连接接触24把第一组合件的多个带14与第二组合件的多个带22连接。因此在金属集电器接触26和28之间存在多个平行且独立的电流路径。
因此，通过使微结构10的顶边缘和底边缘经受不同的温度Th和Tc，并通过把集电器接触26和28连接到负载30以便产生闭合回路，就根据赛贝克效应生成了电流，电流沿着由串联的结形成的电路径流动，例如图1中的粗线示出的路径。
优选地，金属连接接触24连接基板12的平面中的同一组合件的多于两个相邻带，例如三个或四个相邻带，结果构建了平行的多个结布置。因此对于收集接触26和28之间的电路径，存在由连接区域18和20之间平行的多个结构成的支路。如果其中一个结或组成部件失效，则总是存在电流的别的有效结。
在优选实施例中，每单位面积的带的密度是高的以便获得较高的每单位体积结密度，这提高集电器接触26和28的端部处的电压，由此给出可用于需要大量电力的应用中的热电微结构。
尽管描述了直线带，也可以用其它形状的带。图3例如示出带14的布局的替代形式。带14因此可以采用任何形状，诸如“S”形。尽管由于简单和制造成本的原因直线布局是优选的，但非直线形状也可以是优选的，以便例如绕开绝缘基板12的功能化区域，诸如连接、连接区域等。
类似地，描述了平行的均匀间隔开的带。如图3和图4所示，带14(图3)和带22(图4)可以具有间隔或平行关系的变化，直到它们可以相互交叉。
类似地，第一组合件的带14和第二组合件22的带之间的方向的差别可以极大变化。通过定义带的偏移作为沿着x坐标的轴线(x轴)的把带在连接区域18中的端部与在连接区域20中的端部间隔开的距离，第一组合件的带14的偏移D1与第二组合件的带22的偏移D2是相同或不同的符号，但总是不同。例如，偏移D1和D2被选择为使得在连接区域18和20之间的距离上，第一组合件的带14跨过第二组合件的带22。
类似地，已经描述了带。作为替代方式，任何其它类型的长形导体或半导体元件是适当的。例如，使用线、纳米线或纤维单晶。在该替代方式中，线、纳米线或纤维单晶散布在基板12上并且然后通过电场例如通过电泳技术对准。作为替代方式，具有各向异性导电性的薄膜可以用在绝缘基板的每个表面上，每个薄膜具有沿适当方向的最大电流传导轴线。
作为替代方式，第一组合件的部件由薄膜构成而第二组合件的部件由带构成。然而，带是优选的，这是由于其各向异性方向是清楚的。在另一方面，膜是优选的，这是由于其实施简单。
类似地，已经描述了带的端部对准以使得连接区域18和20是直线。作为替代方式，带的端部可以按照曲线布局，以便例如避开基板的特定区域。
类似地，已经描述了双面微结构，其中由第一类型材料构成的带14与由第二类型材料构成的带22被绝缘基板12间隔开。所述基板的使用尤其使得带14能够相对于带22进行有效且实施简单的绝缘。作为替代方式，带14和22实施在绝缘基板22的同一表面上，保证在形成期间带14与带22电绝缘，以便避免任何短路现象。例如，带是由涂覆有绝缘材料的导体或半导体芯构成的纳米线型部件。然后如下形成接触24：打孔，然后是对如此形成的孔的金属化步骤(用金属填充或覆盖孔)。因此打孔使纳米线暴露，由此允许形成结。
通常，制造根据本发明的微结构的优选方法包括：
-形成连接区域18和20之间的平行带14、22，平行带14、22分别具有d1和d2的平均间隔(图3和图4)以使得d1≤|D1-D2|和d2≤|D1-D2|；以及
-形成金属接触24，其宽度P(图5)的平均值大于max(d1，d2)，宽度P的变化ΔP使得
以及其中间隔E(即，分隔两个接触24的相邻边缘的距离)优选地小于min(d1，d2)，并且优选地在金属接触24不接触的情况下尽可能小。优选地，以使得把单个组合件的多个带连接在一起。
通过以这种方式进行，存在获得至少一个电流路径的可能性，以及如果接触24的宽度P增加和/或带14、22的间隔d1和d2减小，则获得多个平行的电路径。
应当特别注意，不一定使带14、22相对于彼此或相对于金属接触24精确定位。因此应当注意该制造方法在允许形成结的构成部分的不同部件的尺度或位置的变化的意义上是耐用的。因此可以使用具有非限制容差的材料和/或可以不用担心由制造引起的变化的情况下实现高产率。
接触24例如是通过对绝缘基板12钻孔然后用金属填充或覆盖这样产生的孔来获得的。作为替代方式，构建两个长形开口。然后把各个金属接触插入其中或者所述开口被用金属填充，如此获得的长形金属接触被例如通过蚀刻来分成不同的部件。
此外，金属集电器接触26和28可以在基板12的整个高度或其部分高度上延伸，和/或包括基板12的角部。优选地，集电器接触26和28在连接区域18和20之间的距离的大部分上延伸以便与多个带相接触。
优选地，通过并置参照图1描述的类型的多个结构，可以组合多个本发明的多个热电微结构以便获得最终的二维结构，或三维结构。
图6例如示出通过组合根据本发明的四个微结构10a、10b、10c、10d(例如与图1和图2的微结构相同的微结构)获得的三维结构示例。
因此，通过一方面电连接左侧集电器接触26a、26b、26c、26d，另一方面电连接右侧集电器接触28a、28b、28c、28d，容易地获得三维微结构。微结构10a、10b、10c、10d因此并联，这加强组合件的耐用性并提高可用的电功率。
现在说明根据本发明的微结构的实施的数值示例。
所制造的微结构如下：
-具有1.4mm×1.4mm、厚度等于0.01mm的绝缘基板；
-在基板的一个表面上具有由Bi2Te2.7Se0.3制成的n型半导体线，平均直径等于0.002mm，布置为每毫米400线的密度；
-在基板的另一个表面上具有由Bi0.5Sb1.5Te3制成的n型半导体线，平均直径等于0.002mm，布置为每毫米400线的密度；
-电连接接触，平均宽度为0.016mm，两个接触之间的平均间隔等于0.004mm。接触由镀镍碲化铋制成并且因此具有10-9Ωm-2的表面电阻。因此，平均有7条线连接到一个接触。
P型线基本上是直线型并相对于基板的竖直轴线具有0.163弧度的平均角度，标准差为0.1弧度。类似地，n型线基本上是直线型并具有-0.163弧度的平均角度，标准差为0.1弧度。
下表比较该微结构的示例的电属性与文献“Thermoelectricmicrodevice fabricated by a MEMS-like electrochemical process”，G.JefferySnyder等人，自然材料，第2卷，2003年8月，给出的所谓“Thermolife”微结构的电属性(其电特性可在网站http://www.nature.com/naturematerial上找到)。
通过本发明，因此：
-获得不需要精确对准的生产方法，由此允许用较少成本实现高产出；
-获得通过使用非直线型导体部件来考虑基板及其环境特性的生产方法，以使得例如可以绕过某些基板区域；
-获得用于获得取决于所需用途的双面或单面微结构的方法；
-通过使多个电流路径并联获得稳定的热电微结构；
-通过高结密度获得高电压热电微结构；以及
-能够以简便方式与其他微结构组合的热电微结构。
Claims (10)
1.一种用于制造赛贝克效应热电微结构(10)的方法，包括以下步骤：
形成具有第一表面和第二表面并且设置有第一连接区域(18)和第二连接区域(20)的绝缘基板(12)；
在所述基板(12)的所述第一表面上形成沿从所述第一连接区域(18)到所述第二连接区域(20)的第一方向平行延伸的导体或半导体部件(14)的第一组合件，所述部件(14)具有第一赛贝克系数；
在所述基板(12)的所述第二表面上形成沿从所述第一连接区域(18)到所述第二连接区域(20)的第二方向平行延伸的导体或半导体部件(22)的第二组合件，所述第二方向与所述第一方向不同，所述第二组合件的部件(22)与所述第一组合件的部件(14)电绝缘，所述第二组合件的部件(22)具有与所述第一赛贝克系数不同的第二赛贝克系数；以及
在所述基板的第一连接区域(18)和第二连接区域(20)中提供电连接部件(24)，所述电连接部件(24)穿过所述基板(12)以使所述基板(12)的所述第一表面上的导体或半导体部件(14)与所述基板(12)的所述第二表面上的导体或半导体部件(22)电连接，所述电连接部件(24)的尺度(P)被选择为使得所述连接部件(24)中的每一个都将所述第一组合件的多个部件(14)与所述第二组合件的至少一个部件(22)电连接，
其特征在于：
所述第一组合件的每个导体或半导体部件(14)在所述连接区域(18，20)中沿着预定方向与相邻的导体或半导体部件(14)间隔开距离(d1)，沿着所述预定方向的所述距离(d1)的总体限定了从最小值到最大值变化的值，并且所述距离(d1)的总体限定了平均距离；
所述第二组合件的每个导体或半导体部件(22)在所述连接区域(18，20)中沿着预定方向与相邻的导体或半导体部件(22)间隔开距离(d2)，沿着所述预定方向的所述距离(d2)的总体限定了从最小值到最大值变化的值，并且所述距离(d2)的总体限定了平均距离；
所述连接部件(24)沿所述预定方向的平均尺度(P)大于所述第一组合件的相邻部件之间的最大距离和所述第二组合件的相邻部件之间的最大距离；以及
两个连接部件(24)的边缘之间沿所述预定方向的距离(E)小于所述第一组合件的相邻部件之间的最小距离和所述第二组合件的相邻部件之间的最小距离。
2.如权利要求1所述的用于制造赛贝克效应热电微结构(10)的方法，其中，所述连接部件(24)沿预定方向的平均尺度(P)大于所述第一组合件的相邻部件之间的最大距离的两倍和所述第二组合件的相邻部件之间的最大距离的两倍。
3.如权利要求1或2所述的用于制造赛贝克效应热电微结构(10)的方法，其中，导体或半导体部件的所述第一组合件和第二组合件分别形成在所述绝缘基板(12)的相反表面上，以及所述连接部件(24)的提供包括在所述表面之间穿过所述基板的电连接的形成。
4.如权利要求3所述的用于制造赛贝克效应热电微结构(10)的方法，其中，所述连接部件(24)的提供包括穿过所述基板的至少一个孔的形成然后是所述孔内的导体接触的形成。
5.如权利要求1、2和4中任一项所述的用于制造赛贝克效应热电微结构(10)的方法，所述导体或半导体部件(14，22)由带、导线、纳米线和/或单晶纤维构成。
6.如权利要求3所述的用于制造赛贝克效应热电微结构(10)的方法，所述导体或半导体部件(14，22)由带、导线、纳米线和/或单晶纤维构成。
7.如权利要求3所述的用于制造赛贝克效应热电微结构(10)的方法，其中，至少一个组合件的导体或半导体部件(14，22)由具有各向异性导电性的附着于所述绝缘基板的表面中的一个的薄膜构成，所述薄膜具有沿与其它组合件的部件的方向不同的方向的最大电流传导轴线。
8.如权利要求4所述的用于制造赛贝克效应热电微结构(10)的方法，其中，至少一个组合件的导体或半导体部件(14，22)由具有各向异性导电性的附着于所述绝缘基板的表面中的一个的薄膜构成，所述薄膜具有沿与其它组合件的部件的方向不同的方向的最大电流传导轴线。
9.一种用于赛贝克效应热电发电机的微结构(10)，包括：
绝缘基板(12)，具有第一表面和第二表面并且设置有第一连接区域(18)和第二连接区域(20)；
在所述基板(12)的所述第一表面上沿从所述第一连接区域(18)到所述第二连接区域(20)的第一方向平行延伸的导体或半导体部件(14)的第一组合件，所述部件(14)具有第一赛贝克系数；
在所述基板(12)的所述第二表面上沿从所述第一连接区域(18)到所述第二连接区域(20)的第二方向平行延伸的导体或半导体部件(22)的第二组合件，所述第二方向与所述第一方向不同，所述第二组合件的部件(22)与所述第一组合件的部件(14)电绝缘，所述第二组合件的部件(22)具有与所述第一赛贝克系数不同的第二赛贝克系数；以及
在所述第一连接区域(18)和第二连接区域(20)中的电连接部件(24)，所述电连接部件(24)穿过所述基板(12)以使所述基板(12)的所述第一表面上的导体或半导体部件(14)与所述基板(12)的所述第二表面上的导体或半导体部件(22)电连接，所述电连接部件(24)的尺度(P)被选择为使得所述连接部件(24)中的每一个都将所述第一组合件的多个部件(14)与所述第二组合件的至少一个部件(22)电连接，
其特征在于：
所述第一组合件的每个导体或半导体部件(14)在所述连接区域(18，20)中沿着预定方向与相邻的导体或半导体部件(14)间隔开距离(d1)，沿着所述预定方向的所述距离(d1)的总体限定了从最小值到最大值变化的值，并且所述距离(d1)的总体限定了平均距离；
所述第二组合件的每个导体或半导体部件(22)在所述连接区域(18，20)中沿着预定方向与相邻的导体或半导体部件(22)间隔开距离(d2)，沿着所述预定方向的所述距离(d2)的总体限定了从最小值到最大值变化的值，并且所述距离(d2)的总体限定了平均距离；
所述连接部件(24)沿所述预定方向的平均尺度(P)大于所述第一组合件的相邻部件之间的最大距离和所述第二组合件的相邻部件之间的最大距离；以及
两个连接部件(24)的边缘之间沿所述预定方向的距离(E)小于所述第一组合件的相邻部件之间的最小距离和所述第二组合件的相邻部件之间的最小距离。
10.如权利要求9所述的用于赛贝克效应热电发电机的微结构(10)，其中，所述连接部件(24)沿预定方向的平均尺度(P)大于所述第一组合件的相邻部件之间的最大距离的两倍和所述第二组合件的相邻部件之间的最大距离的两倍。
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