CN102612762A

CN102612762A - 平板式温差发电器

Info

Publication number: CN102612762A
Application number: CN2010800507764A
Authority: CN
Inventors: 英戈·斯达克
Original assignee: Applied Digital Solutions Inc
Current assignee: Veriteq Corp
Priority date: 2009-10-25
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-07-25
Also published as: WO2011050203A1; US20110094556A1; EP2491602A1; JP2013508983A; EP2491602A4

Abstract

一种温差发电器，可包含一对其间配有箔组件的导热顶板与底板。该箔组件可包括一基板，在基板上形成一系列热电单体。所述单体可由在至少一排中排列的交替的异种材料形成。每一个单体可界定与排轴不平行的单体轴。在基板两侧的导热长片可与这些排中的单体的相对两端对准，以使单体的一端与顶板热接触，单体的另一端与底板热接触。导热长片在单体和顶板与底板之间界定热间隙，以使热量纵向流经单体而产生电压。

Description

平板式温差发电器

技术领域

本发明一般地涉及热电装置，更特别是一种具有平板构造的温差发电器。

背景技术

温差发电器是自主供应能源，其在塞贝克效应的作用下，将热能转换成电能，所述塞贝克效应是通过导体中的电荷载体扩散，将温差转换成电力的现象。根据塞贝克效应，可利用由多对异质材料构成的热电偶来产生电能。这种异质材料可以包括在该对异质材料一端联结的N型和P型热电单体。其中，术语N型和P型是指材料内部电荷载体的正极和负极类型。

可以通过热电偶两端之间的温度梯度产生电流。温度梯度可以人为制造，也可以自然产生，如：被人体不断排出的废热。在温差发电器的一种应用中，一块暴露在环境温度下的空气中的手表，在手表的一侧，空气起到了散热器的作用。手表的另一侧暴露于佩戴者的皮肤的较高温度下，该佩戴者的皮肤成为热源。在该手表的厚度范围存在的温度梯度可以被利用，由此温差发电器作为独立装置可以产生足以供手表运转的电源。手表是众多仅需少量电能的微电子装置的其中一种，因此适宜于用温差发电器供电。

通常，当存在废热源时，在热源和散热器之间仅存在较小的温差。由于温差较小，必须将相对数量较多的热电偶串联来产生足量的热电电压，以便为任何数量的不同装置供电，例如，但并不局限于：微传感器网络中的传感器系统或各种装置。然而，随着近年来电子电路技术领域的发展，已经降低了将大量热电偶整合到温差发电器中的需求。特别是，近年来在如电压互感器，倍压器和电荷泵的倍压组件技术方面的进步提供一种方法，能够有效地将温差发电器的小电压(如10毫伏至几百毫伏之间的电压)转化为驱动通常由电池供电的电子设备所需的足够高的电压(如1-4伏之间的电压)。

由于温差发电器所产生的电压与电性串联的热电偶数量成正比，所以放大相对低的电压的能力提供一种减少温差发电器中热电偶的数量的方法。而热电偶数量一旦减少，则可以减小温差发电器的总尺寸。此外，热电偶的数量减少和温差发电器的物理尺寸减小，导致降低温差发电器的总成本。另外，由于热电偶的电压与作用于热电偶的温度梯度成正比，因此使用先进的电子元件来放大电压，提供了一种利用较小温度梯度的方法。利用较小的温度梯度来产生足够高的电压，这种能力使得可以将温差发电器运用于日益增多的不同应用之中。

温差发电器及其它热电结构可以按照许多不同的排列方式进行配置。例如，热流传感器作为热电结构的一种，可以应用于一种平板式配置中。在一个平板式配置中，多个热电单体形成在基板上；其中，电流沿平行于基板表面的方向纵向流经热电单体。在热流传感器中，理想的是将热电单体组成相对较薄的薄膜，以最小化热电单体的热容(即热质量)，这会增加热流传感器的反应时间。此外，热流传感器优选具有最小热阻，以最小化对热流的影响，并最小化传感器上的温降。

与此相反，温差发电器优选具有高热阻，以增加温差发电器上的温降。在一个平板式配置的温差发电器中，热电单体的厚度优选较大，以最小化电阻，从而得到相对较高的功率输出。

不过，在基板材料上形成相对厚的热电单体和其它膜的一个缺点在于，会在基板上形成热电单体和其他膜的工艺期间产生内部应力。与基板材料相对而言，热电材料的热膨胀系数不同会导致内部应力的产生。尽管在室温条件下，半导体单体的热膨胀系数可能基板相匹配，当温度升高到300摄氏度时，膜的热膨胀系数可能与基板不匹配。例如，在室温条件下，如

的聚酰亚胺基板的热膨胀系数为20×10^-6K^-1，这与Bi₂Te₃型半导体材料(如热膨胀系数α为20.1×10^-6K^-1的Bi_0.5Sb_1.5Te₃半导体材料)的热膨胀系数属于同一数量级。而在室温条件下金属膜的热膨胀系数与聚酰亚胺基板的热膨胀系数也是相当的。例如，铝(Al)的热膨胀系数α为23.1×10^-6K^-1，镍(Ni)的热膨胀系数α为12.8×10^-6K^-1，金(Au)的热膨胀系数α为14.3×10^-6K^-1，而银(Ag)的热膨胀系数α为19.7×l0^-6K^-1。

不过，在温度升高的情况下，聚酰亚胺基板(如

)的热膨胀系数会显著增大。例如，当温度在100摄氏度至200摄氏度之间时，聚酰亚胺的热膨胀系数α为31×10⁶K^-1。而当温度在200到300摄氏度之间时，聚酰亚胺的热膨胀系数α为48×10^-6K^-1。可见，在聚酰亚胺基板上形成和处理薄膜时，温度升高会导致材料之间的线性膨胀系数不匹配。就此而言，在温度较高的情况下沉积Bi₂Te₃型半导体之后，冷却被加热的基板可导致薄膜的内部应力增强。同样，在退火过程中对聚酰亚胺基板上的薄膜结构加热，也可导致薄膜的内部应力增强，这导致在薄膜中出现缺陷和/或损害。

在现有技术中，具有几种具有平板式配置的热电结构。例如，Peabody的美国专利No.6,278,051公开了一种具有多个连接体或热电单体的热流传感器。这些单体通过成形于单体端部顶部的金属连接体电性串连。单体和金属连接体的组合沉积在金属基板上。在这方面，Peabody的装置揭示了一种平板式布置，其中热量沿着与基板平行的方向流经单体。不过，不能理解为Peabody揭示了一种布置，其中单体配置成最小化在单体中形成由于制造过程可产生的内部应力。此外，Peabody的热传感器揭示了单体是由如白铜的金属材料构成，并且基板具有高导热性(即，阳极氧化铝)。此外，Peabody揭示了热流传感器中的热间隙由聚合绝缘材料填充，这样传感器可以有效地嵌入聚合物固体。此外，Peabody的热流传感器的热阻相对较低，大约为1.2cm²K/W，因为热流的路径主要是金属材质。与此相比，本发明中所述的温差发电器的热阻大约为19cm²K/W。最后，与热电装置中期望的较高灵敏度(约2000mV/(W/cm²))相比，Peabody传感器的灵敏度相对较低(例如，约80mV/(W/cm²))。

Korn等人的美国专利No.4,029,521公开了一种具有在基板上沉积的且串联布置的多个热电偶接头的热电堆。Korn揭示了在基板上成排的多个厚度大约为一微米的薄涂层，其由异种材料形成，以构成多个冷/热热电偶接头。Korn表明，热电偶被用于检测和测量如在红外线区域内的电磁辐射。此外，Korn还公开了一种设置在冷接头附近的散热器，其通过通道或其它隔热手段与热接头隔离。Korn仅揭示了位于装置底部的一种散热器(即，热耦合板)，因为该装置的顶部用于接受热辐射。但是，Korn揭示了每一排中的单体通常都与该排平行布置，这样不能理解为Korn可以适应构成Korn装置的材料在热膨胀系数方面的差异。

Kolomoets等人的美国专利No.4,049,469揭示了一种平板式热电偶，其在基板两面都形成有半导体材料膜。基板顶部和底部的半导体材料通过基板中形成的孔电连接。半导体材料通过导热材料构成的长片与一侧的冷板相接触。同样地，半导体材料通过导热材料构成的长片与另一侧的热板相接触。热量沿着与基板平行的方向流经半导体材料。导热材料构成的长片彼此间隔配置，以形成间隙。所述长片之间的间隙由气体填充。所述长片具有高导热、高导电性，并可由银，铜或铝制成。但是，Kolomoets没有表明，将基板上的半导体材料布置成通过适应构成Kolomoets装置的半导体材料和基板在热膨胀系数方面的差异来最小化内部应力。

Guilmain等人的美国专利No.6,204,502揭示了一种平板式热传感器，该传感器具有由如

的柔性材料制成的基板。该基板包括一系列热电偶元件，形成由铜/康斯坦丁材料交替制成连续的轨道或排，从而构成多个热电偶接头。不过，Guilmain的每个热电偶元件都是与该排平行排列的。就这点而言，不能理解为Guilmain提供的布置可以适应构成Guilmain装置的铜/康斯坦丁及基板在热膨胀系数方面的差异。

Brouwer等人的美国专利No.3,293,082揭示了一种平板式热传感器，该传感器由一系列异种材料的长片交替组成，以构成基板上的多个热电偶。揭示的该基板由电绝缘材料制成。特定的一些接头暴露于装置顶部的辐射。在装置的底部，一些接头与底部的热耦合板热接触，该热耦合板由高热容量的金属体制成，如：铜，铝或银。但是，因为所述异种材料交替构成的一系列长片在基板上彼此平行配置，所以也不能理解为Brouwer提供了一种手段来适应构成Brouwer传感器的长片和基板在热膨胀系数方面的差异。

Nurnus等人的美国专利公开No.20040075167的权利要求1中，揭示了一种平板式配置的热电元件，其包括于基板上形成的至少一对半导体元件，或者于基板上形成的与金属膜搭配组合的半导体元件。Nurnus还揭示了在基板上沉积的厚度为10纳米到10微米的扩散阻挡层，由镍，铬，铝或其它材料制成。Nurnus还揭示了用于使该对半导体元件互连的金属触点，可由金，铋，镍，银或铋/锡/铅/镉的共晶体制成。但是，不能理解为Nurnus揭示了该对半导体元件或与金属膜搭配组合的半导体元件的排列方式适应与基板相关的热膨胀系数差异。

由此可见，在本领域需要一种温差发电器及其制造方法，以最小化在基板上沉积的热电单体中形成的内部应力。在这方面，在本领域需要一种用于制造温差发电器的系统和方法，以最小化在制造过程中热电膜的缺陷和/或损害。此外，在本领域需要一种用于制造温差发电器的系统和方法，使得易于对热电单体的几何图案进行多样化选择，从而匹配由温差发电器供电的应用中的电阻和热阻。就此而言，在本领域需要一种用于制造温差发电器的系统和方法，其提供一种手段，调整单体长度和/或单体厚度适应给定应用的热流和温度梯度。最后，本领域需要一种具有上述特性的温差发电器，此种发电器结构简单，便于低成本的批量生产。

发明内容

上述有关温差发电器的需求在本文揭示的实施例中被具体解决和缓解，其中，提供了一种具有平板式配置的温差发电器。该温差发电器包含多个热电单体，成排地排列于基板上，但并不与排轴平行，使得热电单体在基板上形成曲折图案。这些热电单体和基板包含箔组件，夹在一对导热性热耦合板之间(即，顶板与底板之间)。箔基板相对较薄，从而最小化热电单体中的内部应力，因为在内部应力增大时，薄箔基板会随之发生弯折；而相对较硬的硅晶圆则缺少必要的挠性，在热电单体产生内部应力时，不能随之弯折或适应。

有利地，热电单体的曲折图案还可以提供一种手段，用于最小化在基板上形成的如金属桥和热电单体的薄膜的内部应力。在制造过程中，相对于薄膜的热膨胀系数，基板的热膨胀系数差异也可导致这种内部应力的增长。就此而言，热电单体的曲折图案为单体在沿基板的较短距离范围内的横向定位上提供了大量的变化。大量的定位变化提高了构成温差发电器的热电偶的热电单体的机械稳定性。此外，热电单体的曲折图案也提供了一种手段，用于最小化热电单体的长度，由此进一步增加了热电偶的机械稳定性和可靠性。

在一实施例中，温差发电器包含一对顶板和底板，两者中间插入了箔组件。箔组件的基板可包含导热率相对较低的电绝缘材料。热电单体可由热电材料制成，如半导体材料和/或金属材料。所述热电单体可由异种材料交替组成的一系列单体组成并排列于基板上。例如，热电单体以N型和P型单体分别交替的图案排列在基板上，而N型和P型单体分别由N型和P型半导体材料制成。或者，热电单体由金属单体和由一种类型的半导体材料(例如，N型或P型)形成的半导体单体交替的图案排列在基板上。所述热电单体可布置在一排或几排中；也可形成于基板的顶面或底面或双面。

每一个热电单体都界定一个单体轴，该单体轴最好不与排轴平行。该温差发电器还可包括至少一对导热长片，其可以设置在基板的相对两侧。所述导热长片可与热电单体的相对端在排向对准，以使热电单体的一端与顶板热接触，而热电单体的另一端则与底板热接触。此外，所述导热长片界定了热电单体与顶板和底板之间的热间隙。

热间隙界定了相比由导热长片提供的低热阻的较高热阻区域。热间隙可由下列气体填充，包括但不限于：空气，氢气，氪，氙或其它低导热率的适当流体或固体。热间隙使热量能够纵向流经热电单体。在这种平板式温差发电器的结构中，热量纵向流经热电单体，以便产生在热电单体上的电势。产生的电流沿着与基板平面平行以及与每一热电单体的单体轴平行的方向流经单体。有利地，箔组件相对简单的构造以及将箔组件互连到顶部和底部热耦合板的方式有利于低成本地大批量生产这种温差发电器。

上述特征，功能和优点在本发明的一些实施例中已经分别得以实现，或者在另一些实施例中也可以进行结合。参照下列描述和附图，可以了解更多细节。

附图说明

参照附图，本发明的上述及其它特征将更加明显，其中相同的数字始终指示相同的部件，其中：

图1为具有平板式配置的温差发电器的透视图；

图2为温差发电器的一实施例的分解立体图，该温差发电器包含箔组件，夹于顶板和底板之间，其中该箔组件通过导热长片与顶板和底板热连接；

图3为沿图1的线3-3的温差发电器的截面图，显示箔组件包含有沉积在基板上的热电单体，其中顶板与底板之间的温度梯度使热量纵向流经热电单体；

图4为沿图3的线4-4的温差发电器的俯视图，显示了由异种材料交替构成的一系列热电单体在基板上成排设置；并且进一步示出了导热长片与热电单体的相对端对准，使得热量纵向流经热电单体；

图5为温差发电器另一实施例的截面图，其与图3的温差发电器的截面图相似；其中热电单体形成于基板的顶部和底部表面；

图6A-6F为制造温差发电器的实施例的方法的原理俯视图，该温差发电器配有多个由N型和P型单体交替形成的热电单体，并通过金属桥互连；

图7A-7F为制造温差发电器的另一实施例的方法的一系列原理俯视图，其中热电单体包含与N型或P型热电单体交替构成的金属单体；

图7G为沿图7F的线7G-7G的温差发电器的截面图，示出了形成在基板上的金属单体和与所述金属单体的单体端部重叠并与其电连接的半导体单体的单体端部，并进一步示出了夹于金属单体与半导体单体之间的电绝缘层；

图8A-8F为温差发电器的另一实施例的一系列俯视图，其中热电单体由金属和半导体单体交替组成，类似于图6A-6F中所示，并且其中半导体单体与排轴呈垂直关系；

图9为制造温差发电器的方法的一实施例的流程图；

图10为制造温差发电器的方法的另一实施例的流程图；以及

图11-16为温差发电器在顶板与底板之间在不同温差情况下的性能特征的图表。

具体实施方式

现在参照各附图，其中这些附图仅用于示出本发明的优选和各种实施例，并不用于对其进行限制，图1所示为温差发电器10的一实施例的透视图，其具有平板式配置，其中温差发电器10的热电单体26的纵向轴与基板20的表面平行，在基板20的表面上形成有热电单体26。

如图2所示以及下文提供的详细描述可知，热电单体26由多种材料交替组成，并排列在一排或多排60中。热电单体26与每排的轴线呈不平行(例如，垂直)关系。有利地，热电单体26在基板20上构成一种曲折图案，这降低了构成热电单体26的薄膜结构的内部应力。这种内部应力可由在制造过程中温度上升时基板20相对于热电单体26的不同线性热膨胀系数引起。

有利地，图2所示的热电单体26的曲折图案最小化这种内部应力的增大，借助于热电单体26相对较短的长度以及通过不断改变曲折图案的热电单体26的横向定位，可以吸收这种内部应力。这种曲折图案最终可以提高箔组件18的机械稳定性和可靠性。就此而言，温差发电器10的排列方式保证了一定的灵活性，便于在不平坦的或者弯曲的表面安装温差发电器10。

本发明揭示的温差发电器10的实施例相关的另一优势是，能够根据温差发电器10的特定应用来定制构成温差发电器10的部件的几何尺寸。例如，热电单体26的长度l、宽度w和厚度t₁可以进行配置，以提供相对较高的热阻，从而增加温差发电器10上(即：顶板12与底板14之间)的温降。

本实施例提供了平板式温差发电器10，其中，热电单体26具有相对较大的厚度，以便减小电阻，因此增加功率输出。因为温差发电器10产生的电压与作用在一系列热电偶48上的温度梯度成正比，所述热电偶48由相邻的成对热电单体26组成，所以，增加温差发电器10上的温降可以为温差发电器10提供更多不同种类的应用。

进一步参照图2，箔组件18包含基板20，基板上表面22上形成有一系列热电单体26。热电单体26最好由异种材料交替制成，如异种半导体材料(即N型单体42，P型单体44)。或者，组成热电单体26的交替异种材料也可由半导体材料38与金属材料34形成的热电单体26的交替制成。

如图2所示，箔组件18定位于顶板12和底板14之间。顶板12和底板14通过一个或多个导热长片66与热电单体26热连接，导热长片66可与每排中的热电单体26的相对端对准。热电单体26可以通过电绝缘层70与顶板12电绝缘，如图2所示。基板20最好由电绝缘材料制成，从而使热电单体26与底板电绝缘。如图所示，底板14与基板20的底部表面通过一个或多个导热长片66热接触。例如，图2所示的温差发电器10包含3个导热长片66分别与四排60热电单体26的单体端28对准。由图4可以清楚地知道，与底板14接触的中间导热长片66成为热电单体26中间两排60的热通道。而外部的两个导热长片66分别成为热电单体26的最外两排60的热通道。

如图3所示，导热长片66的位置基本上与相邻一对的排60中热电单体26的相对端对准。导热长片66以特定的方式排列，以便热量从一个热耦合板流经箔组件18，进入相对的顶板12和底板14。靠近顶板12的导热长片66与相邻一对排60的热电单体26的端部对准，而靠近底板14的导热长片66与相邻一对排60的热电单体26的相对单体端28对准。尤其，导热长片66彼此间隔排列，以形成热间隙68作为高热阻区，促使大部分热量流经热电单体26。通过这种方式，导热长片66与每个热电单体26的相对单体端28形成热接触，从而使热量沿图3箭头所示的热流方向16流动。这样，热量从每个热电单体26纵向流过，以产生通过热电单体26的电势。

需要注意的是，尽管图3所示的顶板12为热源52，底板14为散热器54，其中热量从顶部流向底部，但是，温差发电器10可以任何热流方向运行。例如，热量可从底板14流向顶板12，即与图3箭头所示的方向相反。在此方面，由于对称的配置，温差发电器10发电不受热流方向的限制。

图4是温差发电器10的俯视图，显示了热量从导热长片66流经热电单体26的方向。从图中可以看出，热电单体26由一系列交替排列的异种材料构成的热电单体26组成。例如，热电单体26可以是交替排列的不同类型的半导体材料，如N型和P型单体42，44，。基板20优选由电绝缘材料制成，其优选导热率相对较低。例如，在一优选实施例中，基板20可由聚酰亚胺材料，如从E.I.duPont de Nemours & Co.,Inc.商业可得的

制成。不过，基板20也可由任何一种导热率相对较低、而且最好电绝缘的适当材料制成。

基板20的厚度t_s可以是任何适当的数值，包括但不限于：5-100微米之间的基板厚度t_s。优选地，诸如聚亚酰胺膜制成的基板20，其基板厚度t_s最好为7.5微米，12.5微米也可以为适当的基板厚度t_s。制成基板20的材料最好在半导体膜沉积时的温度升高以及退火处理过程中的温度升高保持机械稳定性。此外，基板20的材料最好相对较薄、有尺寸稳定性且耐化学腐蚀性，如：在基板20上面沉积热电单体26之后，对于在构造热电单体26过程中通常使用的酸具有耐腐蚀性。

如图3所示，热电单体26的厚度最好与基板20材料以及温差发电器10的应用相匹配。例如，热电单体26可由半导体材料38制成，其单体厚度t_s范围为15微米至100微米左右或以上，优选为大约25微米的厚度t_s。

如上所述，温差发电器与热传感器之间的结构区别在于，温差发电器优选配置为具有高热阻，以使温差发电器上的温差最大化。另外，平板式温差发电器的热电单体优选具有与基板厚度t_s相比更大的单体厚度t₁，以最小化电阻，从而增加功率输出。就这一点而言，用于发电的温差发电器的配置一般与热流传感器的配置相反。例如，热流传感器通常包括具有相对较小厚度的热电单体，以通过最小化热电单体的热容量(即热质量)来增加热流传感器的响应时间。

如图3和图4所示，热电单体26的几何尺寸，如单体长度l，可按规定大小制定，以使功率输出达到最大值。就这一点而言，虽然单体长度l可以提供任何范围的尺寸，但热电单体26的单体长度l范围一般为50微米至500微米。如前所述，热电单体26优选提供相对较短的长度，以增加功率输出。不过，鉴于其他电阻与热电单体26串联和/或并联导致热电单体26的温度下降，可以基于单体长度相对较短的热阻来选择单体长度。

作为一种优势，本发明中公开的温差发电器10的平板式配置促进了相对较广范围的单体长度的实现，相比之下，在立式配置的温差发电器的中，单体长度的可调节性受限于沿基板20的法线方向形成厚度(即单体长度)的能力。改变单体长度的能力有助于调整温差发电器10的性能符合给定的热环境。例如，对于具有较低热流量及减小的温度梯度的应用，如体热应用，可提供相对较长的热电单体26，以实现较高的热阻。此外，热电单体26可提供任何合适的宽度w，其范围在10微米左右至500微米左右。

如前所述，可以通过频繁改变热电单体26的横向定位及通过最小化单体长度来实现热电单体26的内部应力最小化。就这一点而言，热电单体26的厚度大小可以根据单体长度制定。鉴于热电单体26的内部应力，单体长度可根据基板厚度t_s制定，以增加箔组件18的柔性或弯曲性。更强的柔性可以改善温差发电器10与热源52或散热器54的弯曲表面的热接触。就这一点而言，可提供热电单体26的单体厚度t₁与基板厚度t_s的具体比率。例如，单体厚度t₁可以是基板厚度t_s的1倍至10倍左右，且更适合的是，热电单体26可以提供约为基板20厚度的约2倍至4倍的单体厚度t₁。不过，热电单体26可根据基板厚度t_s提供任何单体厚度t₁。

对于温差发电器10的配置，其中热电单体26由金属材料34制成，该金属单体36可提供相对于半导体材料38制成的热电单体26更小的厚度。例如，金属单体36可具有从0.5微米左右至5微米左右的单体厚度t₁，尽管金属单体36可提供任何厚度。采用金属单体36的温差发电器10的配置描述于图7A-7G和图8A-8F中，具体详情如下。

再如图3和图4所示，导热长片66安装在基板20的两相反侧上，用于将顶板12与底板14热连接至热电单体26。尽管显示拉长的长片沿着温差发电器的实际宽度延伸，仍考虑将导热长片66配置成多个段，相互之间按一定的间距分布，并将热电单体26的端部热连接至顶板12与底板14，如图3和图5所示。此外，还可以考虑导热长片66由导热材料的离散或局部沉积物来构成，以将热电单体26的端部热连接至顶板12和底板14。就这一点而言，导热长片66、各片段或沉积物可以使用各种各样的配置方法及广泛的材料。例如，导热长片66可配置由导热胶粘剂构成的长片，或者与组成导热顶板12与底板14的材料相类似的材料构成的长片。

就这一点而言，顶板12与底板14可由任何合适的材料制成，包括但不限于：金属材料或陶瓷材料，如氧化铝、氮化铝、氧化铍及其他拥有高导热性的适当材料。导热长片66可整合到顶板12和/或底板14中。例如，陶瓷热耦合板(即顶板12或底板14)可在板的一侧与导热长片66整合在一起。导热长片66可通过适当制作顶板12与底板14而制成，并可包括：在烧结陶瓷材料前进行的切割、激光烧蚀和微冲压(即压制)操作。在另一实施例中，顶板12与底板14的其中一个或两者可由陶瓷制成，在一侧上通过物理气相沉积工艺(即溅射、蒸发、电子束沉积)或电沉积以及随后的光刻成形工艺形成金属图案。

顶板12与底板14可选择性地形成金属箔堆，并可内部集成导热长片66。就这一点而言，可以通过按压、折叠、起皱、冲压、激光烧蚀或者用部分覆盖光刻掩模来焊接顶板12与底板14表面以形成用于导热长片66的沟槽状凹处的方法将金属箔成形于顶板12与底板14之中。顶板12与底板14可由硅晶圆制成的硅板制成，其中导热长片66可由在顶板12与底板14一侧上微加工(即蚀刻)导热长片66来制成。顶板12与底板14还可由金属箔制成，其中由导热胶粘剂构成的图案可以通过丝网印刷或针式转印技术在金属箔上制成。或者，如果箔组件18的金属触点76电连接至电绝缘顶板12和底板14一侧或两侧的导电层，则导电顶板12和底板14或该导电层可被用作温差发电器10的金属触点。

如图3和图4所示，进一步考虑将顶板12与底板14整合到热交换器或热导管或其他特定框架中，以提高热交换或通过热源52加热，或通过散热器54散热。就这一点而言，顶板12与底板14的其中一个或两者可整合到热交换器中成为一体化结构，其中热交换器直接连接至顶板12与底板14，或者与顶板12与底板14集成。此类配置可导致热交换器和顶板12与底板14之间热连接上的热阻降低。另外，此类配置可增加温差发电器10上的温度梯度，并可降低生产成本。导热性的顶板12与底板14还可以通过导热长片66使用适当的导热胶粘剂连接到或粘结到箔组件18。此类导热胶粘剂可进行室温固化或通过暴露在热和/或紫外线辐射中进行固化。

亦可采用焊接将顶板和/或底板连接至导热长片66和/或箔组件18上。例如，顶板12和/或底板14可包括如长条形的金属长片以便将顶板12和/或底板14焊接到基板20和/或电绝缘层70(如光阻层)。另外，焊料本身可用作导热长片66，用于将顶板和/或底板连接至箔组件18。就这一点而言，优选由镍组成的薄金属长片沉积在与导热长片66相对的基板下表面和/或电绝缘层70的上表面。该金属长片可通过任何适当的方式处理，包括但不限于：溅射和光刻成型技术(如剥离技术或正抗蚀剂之后蚀刻)，以获得可焊性表面并便于通过焊接来装配顶板12与底板14以及导热长片66。

如图3和图4所示，各排60中的热电单体26优选与相邻排60的热电单体26进行电性串接。如图3所示，温差发电器10可包括至少一个电绝缘层70，如一条、一段或一片电绝缘材料，并夹在导热长片66和相邻的热电单体26之间。对于图5中描述的配置，温差发电器10可包括一对电绝缘层，并且每个绝缘层可夹在导热长片66和热电单体26之间。

如图3至图5所示，各排60中的热电单体26的单体端部28与相邻排60的热电单体26的单体端部28之间相间隔以形成排间隙62。如图3和图5所示，导热长片66优选与排60间隙对准，以便单个导热长片66促使热量流入或流出在排间隙62各侧的热电单体26。图5简略揭示了与图3类似的温差发电器10的实施例，而且还进一步包括在基板下表面24上形成的、与基板上表面22上的热电单体26对准的热电单体26。由此可见，温差发电器10包括安装在基板20两相反面上且与各排60中热电单体26的相对端对准的导热长片66。由于热电单体26形成于基板20的两个表面，通过图5中基板20的寄生热流量相对于通过热电单体26的热流量可以减少，与图3中温差发电器10的排列相比，这可以增加图5中温差发电器10的能量转换效率。

温差发电器10还可具有堆叠布置(未显示)，包含相互上下堆叠的多个箔组件。每一个箔组件18包含至少一个基板20及一排或多排60热电单体26。多箔堆叠的箔组件18可相互进行热并联，这可以提高温差发电器10的功率输出。热电偶48(即：多对热电单体26)可进行电性串联，以增加输出电压。作为一种选择，热电偶48可进行电性并联，以增加电流。例如，温差发电器10可包括两个箔组件，其中各箔组件18包括至少一个基板20，在其上表面22和下表面24的至少其中一面上形成有热电单体26。箔组件可在该对顶板12与底板14之间进行背对背、面对背或面对面堆叠。

图6A至6F显示了一系列的俯视图，描述了温差发电器10实施例的制作流程。在图6A至6F中，温差发电器10包括多个金属桥74，用于将半导体材料38制成的热电单体26的交替排列互连。如图6A所示，金属桥74通常相互对准，平行排列在基板上表面22和下表面24的至少其中一面上。金属桥74可通过诸如光刻(如剥离技术)和溅射的任何适当方法或任何其它适当的方法形成于基板20上面。有利地，与热电偶48的半导体单体40相互直接重叠的结构相比，金属桥74提供了一种可最小化热电偶48中电阻并改善热接触的方法。就这一点而言，金属触点可以改善从导热长片66到热电单体26进行热传递的均匀性。

另外，一层薄金属材料(即金属桥和金属触点)在几倍厚的P型和N型半导体单体上沉积可导致热电堆总电阻的增加，而在温差发电器的实施例中，若干层薄金属材料(如金属桥和金属触点)在半导体材料因为一些原因沉积之前便已沉积在基板上。另外，当若干层薄金属材料在半导体材料上沉积时，此半导体材料可能具有不干净的表面，其中所述表面可被在蚀刻过程中的反应产物污染。例如，如果P型半导体单体首先在基板上沉积，然后沉积N型单体并对其进行构图，则N型蚀刻溶液将接触P型单体，除非谨慎地选择仅对N型单体进行蚀刻。N型蚀刻溶液与P型单体的任何接触可能要求对P型单体进行返工。相反，如果在P型单体沉积前金属材料首先沉积在基板上，则由于金属材料更能抵制N型或P型蚀刻溶液的侵蚀而可以消除对返工的需求。

在形成金属桥和金属触点之前，在基板上形成半导体单体的又一个相关缺点为，当若干层相对较薄的金属材料(如金属桥和金属触点)在半导体单体上沉积时，金属材料的厚度可由于厚半导体单体边侧相对陡峭的斜坡而变薄。就这一点而言，比起半导体单体顶部或基板顶部的金属材料的平整区域，半导体单体各边上的金属材料厚度可能更小。半导体单体各边上的薄金属材料可导致热电堆总电阻的增加。

在形成金属桥和金属触点之前，在基板上成形半导体单体的其他相关缺点为，半导体单体的蚀刻降低了半导体单体和金属桥之间界面的平滑度，进一步增加了热电堆的电阻。此外，沿半导体单体上缘的一层薄金属材料的厚度进一步减小，且无其他技术可以防止此类情况的发生。

因为从热电单体向基板过渡的金属涂敷厚度减小，热电堆的总电阻亦可进一步增加。由于剥离掩模位于基板和热电单体上，导致厚度减小，其中该掩模包括界定金属桥的形状和大小的开孔。由于剥离掩模的开孔的横向尺寸与热电单体的较大厚度相比纵横比较小，更具体而言，位于热电单体之间的间隙上方的开孔区域，导致产生阴影效应，从而减小了金属涂敷的厚度。此外，连接两个相邻半导体单体的金属桥的电路径由于半导体单体的厚度而变得更长。热电堆的电阻亦可由于蚀刻后半导体表面的相对粗糙且未限定的结构而增加，尤其是在半导体单体的各侧上。就这一点而言，在形成半导体单体前在基板上成形若干层薄金属材料(即金属桥和金属触点)可在温差发电器的制造和性能方面提供优势。须注意的是，正如本发明的描述，形成热电单体的过程包含使热电材料(如半导体材料)的一层均匀薄膜首先沉积在基板上，之后对热电材料进行构图，其中一部分均匀的薄膜可在湿蚀刻工艺进行前通过光刻工艺清除。如此便可以形成单体的图案。

如图6A至6F所示，在温差发电器的实施例中，金属触点76可以形成在基板20上，如：形成在基板20的各个角或在任何其他适当的位置上。金属触点76可提供一种将一系列热电单体26电性连接至负载，如由温差发电器10供电的设备，的方法。就这一点而言，温差发电器10可包括一对导线78，其可通过顶板12和/或底板14进行物理支撑，如可采用导电和/或导热胶粘剂或焊剂。采用导电胶粘剂、焊剂或任何合适的粘结技术可促进金属触点76至导线78的电性连接。

导线78对可以电性连接至各金属触点76。应当进一步考虑将顶板12与底板14用作电触点，温差发电器10可通过电触点与设备连接。例如，一系列热电单体26的一端可以电性连接至顶板12，而另一端则可连接至底板14。虽然可使用粘结、焊接或任何其他合适的导电方式，但仍可通过使用电胶粘剂促进电连接。在另一实施例中，顶板和/或底板可以配置成金属化陶瓷板，以用作热导体以及温差发电器10的电触点。

图6B描述了温差发电器10制造工艺的第二步骤，其中：由半导体材料38交替制成的一系列热电单体26可以沉积在基板20上，以便热电单体26的相对两端与金属桥74至少部分重叠。通过这种方式，金属桥74与相邻对热电单体26进行电性互联。例如，图6B描述了在基板20上形成的至少一个N型和P型单体42，44采用的原材料成分，例如：碲化铋型(即Bi₂Te₃型)半导体材料38。由此可见，热电单体26可与排轴62基本上形成非平行关系。如图6B所示，每一个P型热电单体26的单体轴30可与排轴62基本上形成垂直关系。另外，各排60内的热电单体26可以相互之间基本上形成平行关系，尽管一个或多个热电单体26可以与排轴62形成单体错角α关系，这与其余的热电单体26的方位不同。

热电单体26可由任何适当的半导体化合物，如上述Bi₂Te₃型半导体化合物制成。例如，P型单体44可由原料化合物制成，公式如下：(Bi_0.15Sb_0.85)₂Te₃+额外约10%Te至额外约30%Te。P型半导体化合物在温度大约为20摄氏度时可具有达45μW/(K²*cm)的功率因数(P_p)。N型单体42可由原料化合物制成，公式如下：Bi₂(Te_0.9Se_0.1)₃+额外大约10%(Te_0.9Se_0.1)至额外大约30%(Te_0.9Se_0.1)。N型半导体化合物在温度大约为20摄氏度时具有达45μW/(K²*cm)左右的功率因数(P_n)。

如上所述，由半导体化合物制成的热电单体26包含半导体单体40，其首选厚度相对金属桥74的厚度更大。例如，半导体单体40的单体厚度t1范围为15微米左右至100微米左右或以上。相比，金属桥74的厚度范围为0.5微米左右至5微米左右，尽管金属桥74可以提供任何厚度。同样地，金属触点76可以提供任何适当的厚度。

在如图6B所示形成P型单体44(如：沉积均匀层、施加光阻胶掩模，之后进行湿蚀刻工艺)之后，可以在N型单体42沉积之前，在P型单体44上施涂一层光阻胶作为保护层。通过在P型单体44上施涂一层光阻胶，HNO₃基(即硝酸基)蚀刻溶液可用于对N型单体42进行构图，而不会损坏在具有氧化铝表面的基板20上形成的钨铝膜(如：金属单体36和金属触点76)。通过溅射一层钨到基板上，然后溅射和/或蒸发一层铝到钨层上，可以在基板上形成金属桥。

对于半导体单体形成之前在基板上形成若干层薄金属材料(即：金属桥和金属触点)，首先可将薄铝层沉积在基板上，并作为一个缓冲层用于吸收相对于基板的聚酰亚胺材料而言钨具有的不同热膨胀系数导致的内部应力。例如，钨的热膨胀系数α为4.5×10^-6K^-1，而基板聚酰亚胺，如的热膨胀系数则α为20×10^-6K^-1。铝的热膨胀系数α为23.1×10^-6K^-1，以便钨成形之前在聚酰亚胺基板上形成铝使其能够起到钨和聚酰亚胺基板之间的缓冲层。为了提高铝到基板的粘附性，可在铝层沉积于基板上之前，沉积超薄层的钨、铬、钛或与聚酰亚胺之间具有良好粘结性的任何其它适当材料。还须注意，钨是可用于形成金属桥的许多不同的材料之一。材料的选择要考虑最小化热电单体和金属桥之间的触点电阻，以及考虑针对蚀刻溶液的耐蚀性和扩散阻挡层。

在将蚀刻溶液用于对碲化合物半导体材料进行构图示例中，如用于对N型单体进行构图，蚀刻溶液可包含一种或多种硝酸、氮化铁和润湿剂作为活性成分。如上所述，蚀刻溶液适合于对如这些半导体材料薄膜的碲化合物半导体膜进行构图。该碲化合物可包含铋和/或锑。蚀刻溶液可以使用光阻胶掩模的最小蚀刻来促进一致的蚀刻工艺。例如，蚀刻溶液可包含10%至40%(体积)的65%硝酸(即HNO₃)。此外，蚀刻溶液可包含5%至30%(质量)的柠檬酸和柠檬酸盐。可添加0.5%至2.0%(质量)的抗至少2价的金属盐。例如，可使用如Fe₃(NO₃)₃等氧化铁盐(如铁(III)盐)。

如图6C所示，箔组件18的形成过程可包括：由半导体化合物构成的多个N型单体42与多个现有P型单体44交替形成。每个N型单体42和P型单体44拥有相对单体两端28，且形成在基板20上，以便单体两端28在连接点50与金属桥74重叠。就这一点而言，金属桥74将P型单体44与相邻的N型单体42在P型单体44的相对两端电性互连。图6C揭示了箔组件18的排列示意图，其中各排60的N型单体42和P型单体44电性串联。互连半导体单体40的金属桥74可由任何适当的材料或材料组合制成，包括但不限于：钨、铬、金、镍、铝、银、铜、钛、钼、钽或掺杂碳化硅。此外，金属桥74可包含几个薄层。

例如，可以在聚酰亚胺基板20上沉积一层铜，然后再沉积一层相对较薄的镍，以用作铜和金属桥上沉积的半导体单体40之间的扩散阻挡层。扩散阻挡层可包含各种不同材料中的任意一种，以防止重叠的不同材料之间发生不期望的反应。中间镍层可用于提高铜与基板的粘结效果。在另一个示例中，金属桥74可由一层相对较薄的(如几纳米厚的超薄)钨制成，由于钨与聚酰亚胺膜之间良好的粘附性，钨可以首先沉积在聚酰亚胺基板20上。薄铝层(如2.5微米)随后可以沉积在钨层上，作为金属桥的导电体和导热体。钨层(如150纳米)可以沉积在铝层上，作为电性连接至金属桥的半导体单体40的扩散阻挡层。此外，钨层提供了一个惰性表面，在形成半导体单体40的湿蚀刻期间在该表面上可以对半导体单体40进行构图。没有被钨覆盖的铝层的暴露面也可以由于暴露在高温环境(如暴露在250°C的温度下1小时)下而被氧化，以避免铝遭受湿蚀刻工艺中使用的硝酸基蚀刻溶液的侵蚀。由于铝的热膨胀系数与热电单体26的半导体材料38相配，并且具有相对较高的导电性和导热率，铝可以成为制造金属单体36的最佳材料之一。为了在沉积前调节表面，可以在金属化(如金属单体和金属桥的金属涂敷)和/或热电单体沉积之前，对例如基板的表面进行用作逆溅射操作的干蚀刻工艺。

图6D显示了箔组件18的俯视图，其中电绝缘层70沉积在热电单体26和金属桥74上，用作热电单体26电性绝缘的保护阻挡层。凹口84可以包含在保护层中，以便为金属触点76提供开孔72，便于电性连接至导线78。金属触点76可由任何适当的材料，如上述形成金属桥的材料制成。金属触点76可选择性地包括薄的镍层，其可以通过包括蒸发、溅射和/或电沉积等任何适当的方式进行沉积。镍层可以提高粘附性，并作为可在金属触点的镍层上形成的金层的扩散阻挡层。金属触点76可选择性地由金制成，而无镍层。

图6E显示了箔组件18的俯视图，其中底板14通过导热长片66连接至下基板表面24，如图3中最佳所示。如前所述，导热长片66可与底板14一体形成，或者导热长片66可作为单独的组件提供。如图6F所示，通过导热长片66可将顶板12安装到箔组件18上。导热长片66的定位方式与图3所示的定位方式相似。

如图1所示，图6A至6F所示的温差发电器10可包括涂敷于外围边缘的密封剂80，以保护温差发电器10的内部免受环境影响，并提供一个阻止水分、污垢、化学物质及其他污染物的屏障。另外，通过填补顶板12与底板14之间的外围边缘，密封剂80可提高温差发电器10的机械稳定性。密封剂80最好具有相对较低的导热率。在另一实施例中，密封剂80可涂敷在热间隙68中，以提高温差发电器10的机械稳定性。不过，热间隙68可以填充低导热率的任何材料，包括但不限于：气态物质，如空气、氮气、氩气、氪气、氙气或任何其他适当的气体、液态物质或固态物质或它们的组合材质。

现在参照图7A至7F，其显示了温差发电器10的另一实施例，其包含交替的金属单体36和半导体单体40。由此可见，热电单体26的单体端部28在其连接点50相互重叠，以便热电单体26构成一个“之”字图案。就这一点而言，“之”字图案增加了基板20上热电单体26的密度。热电单体26包含半导体单体40(即N型或P型单体44)，其与金属单体36交替排列，导致相对于交替排列的N型和P型单体44的功率输出更低的功率输出。虽然图7A至7F中所示配置的功率输出较低，但单体增加的密度部分补偿了相对较低的功率输出。另外，由于仅需要一种类型的半导体材料38(如N型或P型)，因此，可以减少金属单体36和半导体单体40交替配置的生产成本。

此外，图7A至7F中显示的之字图案体现了曲折图案的一种变化，因此提供了有关减少热电单体26中内部应力的优势。在图7A至7F所示的温差发电器10的实施例中，与金属单体36相邻的半导体单体40的厚度相比，金属单体36的厚度相对较小。

如图7A所示，金属单体36可沉积在基板20上，沉积角度如图7A所示呈单体错角α。金属单体36可以通过任何适当的方式，包括但不限于，光刻(如剥离技术)和溅射形成在基板20上。由此可见，金属单体36可与排轴62形成非平行关系，且一般可形成相互平行关系，尽管某些金属单体36可呈现不同的单体错角α，以促进相邻各排60的互连。

如图7B所示，电绝缘层70可涂敷到金属单体36上，以实现金属单体36与一系列半导体单体40(即N型单体42或P型单体44)的电绝缘。如图7C所示，通过在金属单体36上形成电绝缘层70，可实现半导体单体40沿其基本上的长度方向与金属单体36的电绝缘。不过，金属单体36可通过如图7B中所示的电绝缘层70中的开孔72与半导体单体40互连。就这一点而言，半导体单体40的单体端部28在连接点50与金属单体36的单体端部重叠。此外，单体端部28可电性连接至金属单体36的端部。半导体单体40可包含N型单体42或P型单体44。如上所述，对于金属桥74而言，金属单体36可由任何适当的材料制成，包括但不限于：钨、铬、金、钛、钽、钼和掺杂碳化硅，且可由较便宜的材料制成，包括但不限于：镍、铝、铜及其组合。半导体单体40的单体端部28可以使用任何适当的导电胶粘剂或任何其他适当的方式通过电绝缘层70的开孔72粘结至金属单体36的单体端部28。

如图7D所示，第二电绝缘层70可涂敷在金属单体36和半导体单体40的组合体上作为保护涂层。如图7E所示，底板14可按照与图6F所述的类似方式，通过导热长片66热连接至基板20上。如图7F所示，顶板12可通过导热长片66热连接至热电单体26。图7G显示了沿图7F的线7G-7G的部分截面图，并显示了导热长片66在热电单体26相对两端的相对定位。如图7G所示，在金属单体36上涂敷电绝缘层70，金属单体36端部上形成的开孔72用于电性耦合至半导体单体40的端部28。如图所示，在半导体单体40上涂敷第二电绝缘层70，用以实现箔组件18与顶板的电绝缘。图7G进一步显示了从顶板12的热源52流向底板14的散热器54的热流方向。

如图7C所示，金属单体36和半导体单体40形成了单体-单体错角θ，其优选，但也可以选择性地彼此形成锐角，以增加热电偶48在基板20上的密度。尽管单体-单体错角θ在整个之字图案中呈现一致，但单体-单体错角θ在热电偶48之间可以变化。如图7A至7F的排列所示，热电单体26形成了一种之字图案，这不需要单独元件来连接相邻设置的热电单体26的端部，如图6A至6F中所示的温差发电器10所需的金属桥74元件。

图8A-8F显示了温差发电器10的另一实施例，包括交替的半导体单体40和金属单体36，并形成一个与图7A-7F中所示实施例类似的之字图案。就这一点而言，图8C至8F中所示的之字图案导致热电偶48在基板20上的密度为图6C-6F中所示的曲折图案的双倍。如上述有关图7A-7F所述，尽管该配置的功率输出低于交替配置的N型和P型单体44的功率输出，但双倍的单体密度部分补偿了相对较低的功率输出。另外，由于仅需一种类型的半导体材料38(如N型或P型)，因此减少了生产成本。

在图8A-8F所示的实施例中，半导体单体40一般与排轴62呈垂直关系，以便进一步增加热电单体26在基板20上的密度。图8A显示了各排60中的金属单体36在基板20上的沉积或成形，其中金属单体36呈单体错角α，与排轴62形成非垂直关系。图8B描述了涂敷电绝缘层及在单体端部28形成多个开孔72。图8C显示了半导体单体40的沉积，其呈单体错角α，半导体单体40一般与排轴62呈垂直关系。由于电绝缘层70中形成的开孔72，半导体单体40的单体端部28与金属单体36的单体端部28重叠，并进行电性耦合。如图7A-7F中的实施例所示，尽管单体-单体错角θ在整个之字图案中呈现一致，但单体-单体错角θ在热电偶48之间也可以变化。图8D显示涂敷第二电绝缘层70以实现箔组件18与顶板的电绝缘。与上述类似的，图8E显示底板14可通过导热长片66连接至箔组件18。同样地，图8F显示顶板12可通过导热长片66连接至箔组件18。

在图6A-6F、7A-7F及8A-8F中所示的配置中，组装的温差发电器10可通过密封剂80与环境隔离而加以保护，其中该密封剂可按图1所示涂敷在温差发电器10的外围边缘。低导热率的密封剂80还可嵌入热间隙68中，以便保护各个元件及/或增加温差发电器10的机械稳定性。如上所述，热间隙中还可以填充任何形式的适当材料，且首选为低导热率的材料。例如，热间隙中可以填充空气、氮气、氩气、氪气、氙气或任何其他适当的气体、液态物质或固态物质或它们的组合材质。

可以使用大量不同的制造技术来制造温差发电器，包括但不限于：采用晶圆技术和/或滚印(roll-to-roll)加工或两者的组合工艺来成形加工箔组件18。例如，在图6A-6F所示实施例的晶圆技术中，加工流程首先包含提供基板20，其可由任何材料制成，包括但不限于：如的聚酰亚胺材料。基板可以安装在支撑框架上以形成晶圆。一旦基板得到支撑，则可通过光刻和溅射沉积金属桥74和金属触点76。

就这一点而言，热电单体26和/或金属触点76之间位于热电堆相对两端的金属桥74可在蚀刻工序前产生，因此需要加以保护以免遭受半导体单体蚀刻中使用的诸如基于氟硼酸、高氯酸或硝酸的溶液的蚀刻溶液的侵蚀。如上所述，该金属触点76和金属桥74及其他金属膜可包括钨、铬和/或金、铂、钛、钽、钼及掺杂碳化硅，并可通过溅射或热蒸发进行涂敷。金属触点76和金属桥74可使用诸如剥离光刻的光刻技术或任何其他适当的技术进行构图。金属触点76和金属桥74可以由一种或多种优选具有高导热性和导电性的低成本金属制成。如上所述，这些金属包括但不限于：铝(Al)、镍(Ni)、银(Ag)或铜(Cu)或其任何组合。如上所述，这些金属材料可通过溅射或热蒸发进行涂敷，并可通过光刻技术进行构图。

如果优选的铝、镍、银或铜等低成本金属在蚀刻工艺之前沉积，则可涂敷一层薄金属材料34如钨、铬、金、钛、钼、钽或掺杂碳化硅作为保护层。该保护层可以通过光刻技术涂敷，使用在金属材料34顶端涂敷的相对较大的剥离掩模，然后再通过剥离掩模进行溅射或热蒸发来涂敷。或者，在涂敷光刻掩模后，可以在通过干蚀刻和/或湿蚀刻工序溅射操作之后涂敷该保护层。铝可以氧化，以提供对HNO₃基蚀刻溶液的耐蚀性。作为一种选择，金属触点76的成形过程可包括金、镍或银或这些材料组合的电沉积，以便将箔组件18电耦合至由温差发电器供电的负载或设备。

如上所述，由任何适当材料制成，优选由镍制成的相对较薄的金属条可以沉积在热电单体26对面的下基板表面和/或电绝缘层70顶端。可以通过溅射和光刻构图技术，如剥离技术或正抗蚀剂之后蚀刻来沉积金属材料。如前所述，该金属材料可以提供可焊性表面位置，以便于通过焊接将顶板12与底板14装配到箔组件18上。

在基板上形成金属材料(如：金属桥74和金属触点76)后，P型单体44可在基板20形成上，以便其单体端部与金属桥74的端部重叠。P型单体44可由半导体材料38制成，可运用溅射、光刻和湿化学蚀刻技术，采用适当的蚀刻剂，如基于氟硼酸或硝酸的蚀刻溶液，以生成热电偶的P型单体44。可暴露于蚀刻溶液的金属触点和金属单体可被光阻胶涂层保护。同样地，N型单体42可由适当的半导体材料38，如Bi₂Te₃型半导体化合物制成，可运用溅射、光刻和湿化学蚀刻技术，采用适当的选择性蚀刻剂，如基于硝酸的蚀刻溶液或基于高氯酸的选择性蚀刻溶液，以生成热电偶的N型单体42。N型和P型单体44可通过一系列的冷热交替溅射步骤沉积在基板20上。冷溅射步骤可以在10摄氏度左右-100摄氏度左右的温度范围内进行。热溅射步骤可以在200摄氏度左右-350摄氏度左右的温度范围内进行。

光阻胶保护层在N型单体42沉积前可以涂敷到P型单体44上，以便使用HNO₃基蚀刻溶液对N型单体42进行构图。硝酸基溶液以不同的速度蚀刻N型单体和P型单体。硝酸基溶液可以在能够降低P型单体蚀刻速度的某一温度下作用，以便减少或免除对涂敷光阻胶层的需要。此外，改变蚀刻溶液的成分或比例可以对N型材料进行选择性蚀刻。通过将HNO₃基蚀刻溶液用于N型和P型单体44的构图，在具有氧化铝表面的基板20上形成的钨-铝金属单体36和金属触点76可以承受HNO₃基蚀刻溶液的腐蚀。

在箔组件18制造之后，电绝缘层70可以按图6D、7D和8D所示运用光刻等任何适当的工艺涂敷到热电单体26上。电绝缘层70可以在将箔组件18切成最终形状和大小之前进行退火。顶板12与底板14可以安装到箔组件18上，以便箔组件18夹在顶板12与底板14之间。如上所述，顶板12与底板14的安装可包含各种不同的方式，其中导热长片66可用于将顶板12与底板14热连接到箔组件18上。

形成温差发电器10的方法的另一实施例可包含在基板20上形成N型和P型单体44，然后沉积金属桥74，以便电性连接相邻对热电单体26的单体端部，这类似于2003年5月19日提交的发明名称为LOW POWERTHERMOELECTRIC GENERATOR(低功率温差发电器)的美国专利No.6,958,443中公开的方法，该专利文件的全部内容明确纳入本文作为参考。例如，该方法可包含通过对P型半导体材料38进行溅射、光刻和湿化学蚀刻在基板20上形成P型单体44(或N型单体42)，以生成热电偶的P型单体44。之后可以通过对N型半导体材料38进行溅射、光刻和选择性湿化学蚀刻，在基板20上成形加工N型单体42(或P型单体44)，以生成热电偶的N型单体42。包含金属桥74和金属触点76的金属材料34可以通过光刻和溅射涂敷。上述电绝缘层70等防护罩层可以用光刻工艺施加，之后执行退火步骤。一旦完成，箔组件18可以在安装顶板12与底板14之前切割成所需的形状和大小。

在一个可选的实施例中，温差发电器10的形成方法包括图6A-6F中所述的类似工序，其中金属桥74和/或金属触点76形成在基板20上，随后形成P型和N型单体42，以便P型和N型单体42的端部与金属桥74的端部重叠。第二组金属桥74和金属触点76可以沉积在最初沉积的金属桥74和金属触点76上，且一般要与其对准，以便N型和P型单体44的单体端部夹在金属桥74之间。此类排列可以加固之前成形的金属桥74和金属触点76。对箔组件18的切割步骤可在安装顶板12与底板14至箔组件18前重复进行，以获得所需的形状和/或大小。

对于如图7A-7F、8A-8F所示以及上文所述的具有交替的半导体材料38和金属材料34的温差发电器10实施例，该工序可以包括提供基板20，然后在基板上形成金属单体36和金属触点76。金属单体36和金属触点76可通过上述任何适当的方式，如光刻和溅射沉积，以生成热电偶的金属触点76和金属单体36。可以通过光刻技术将电绝缘层70涂敷到基板20上，并覆盖金属单体36，单体端部38除外，之后便可对电绝缘层70进行退火处理。P型单体44可通过对P型半导体进行溅射、光刻和湿化学蚀刻进行沉积，以生成热电偶的P型单体44。可通过光刻技术涂敷电绝缘层70的覆盖层，之后便可对电绝缘层70进行退火处理。可以将箔组件18切割成所需的形状，然后按照与上述类似的方式安装顶板12与底板14。

虽然可以使用许多不同的制造技术在基板上形成热电单体26和/或金属单体36，但在高真空沉积设备的辅助下优选使用磁控溅射或等离子溅射等溅射方法。溅射可用于使相对较厚的半导体材料38，如碲化铋型半导体材料38沉积在相对较薄的基板上。在与上述材料系统一同使用时，本发明的温差发电器10可获得极高的功率输出。该增加的功率输出部分归因于碲化铋型(Bi₂Te₃型)材料系统的使用，其在室温下比起其他材料系统具有相对较高的品质因数(Z)，并可在32华氏摄氏度左右至212华氏摄氏度左右的温度范围(即相当于0摄氏度左右至100摄氏度左右的温度范围)内有效作用。

温差发电器10的效率可以由热电品质因数(Z)来表示，其公式为：Z=S²σ/κ，其中，σ和κ分别为导电率和导热率，S为塞贝克系数，表示为：毫伏/度K (μv/K)。Z可以改写为Ρ/κ，其中P为功率因数。

由于本发明热电单体26具有独特的材料构成并结合了沉积程序，可以实现半导体材料38相对高数值的功率因数(P)。例如，通过溅射方式将Bi₂Te₃型半导体材料38形成在基板20上，与现有技术的配置相比，可以为P型和N型单体42带来更佳的功率因数值。

更具体而言，如果对P型单体44使用优化溅射工序，并将Bi₂Te₃型半导体材料38用作原始材料，则塞贝克系数(S_p)大约为210μV/K，在室温范围内功率因数(P_p)大约为35μW/(K²*cm)时的导电率(σ_ρ)大约为800l/(Ω*cm)。对于将Bi₂Te₃型半导体材料38用作原始材料的N型单体42，塞贝克系数(S_n)大约为-180μV/K，同时在室温范围内功率因数(P_n)大约为23μW/(K²*cm)时的导电率(σ_η)大约为700l/(Ω*cm)。

如上所述，箔组件也可以使用滚印处理技术制造而成，以便将一系列热电单体26沉积到上、下基板表面22,24的至少其中一面。这种滚印处理类似于2005年08月23日公布的Chan-Park等人的美国专利No.6,933,098，发明名称为“PROCESS FOR ROLL-TO-ROLL MANUFACTURE OF A DISPLAYBY SYNCHRONIZED PHOTOLITHOGRAPHIC EXPOSURE ON ASUBSTRATE WEB(在基材上同步光刻曝光的滚印制造显示器的方法)”，其所有内容通过援引的方式纳入本发明。同样地，可以使用相似的滚印处理将金属桥74和金属触点76沉积到上、下基板表面22,24的至少其中一面。而且，本发明公开的温差发电器10的实施例可以使用2008年09月30日提交的美国专利公开No.20090025771，名称为“LOW POWERTHERMOELECTRIC GENERTOR(低功率温差发电器)”中揭示的其中一种或多种方法制造而成，其所有内容通过援引的方式纳入本发明。

各个实施例中公开的温差发电器10可以提供各种性能参数，具体取决于材料系统、部件的几何形状以及热电单体26、金属桥74、基板20、导热长片66和顶板与底板12,14的排列配置。例如，在顶板与底板12,14之间的温度梯度大约5K的情况下，温差发电器10可以提供约0.2V-约2.0V的开路热电电压输出，这可以在一系列排的热电单体26的相对两端测量出来，例如：在图1所示的相对导电线之间。顶板与底板12,14之间的温度梯度定义为温差发电器之上从顶板到底板，或者从底板到顶板的温差。在顶板与底板12,14之间的温度梯度大约5K的情况下，温差发电器10在大约0.1V-1.0V的匹配负载上可以提供热电电压输出。在顶板与底板12,14之间的温度梯度大约5K的情况下，温差发电器10的电流可介于大约0.1mA--5.0mA的范围之内，虽然温差发电器10可以通过配置来提供高于或者低于0.1mA--5.0mA的电流输出。在顶板与底板12,14之间的温度梯度大约5K的情况下，温差发电器10可以提供大约0.1mW-约0.5mW的功率输出。在顶板与底板12,14之间的温度梯度大约5K的情况下，温差发电器10的能量转换效率位于大约0.02%-约0.20%之间。在顶板与底板12,14之间的温度梯度大约5K的情况下，功率输出密度，被定义为基板区域的功率输出位于约0.1mW/cm²-约0.5mW/cm²的范围之内。温差发电器10可以提供大约10K/W-约20K/W的热阻。尽管如此，如上所示，温差发电器10的性能参数取决于构成温差发电器10的材料系统和部件的几何形状，因此可以不在上述性能范围之内。

图11-16为温差发电器10的功率特性和电气参数的图表，这些特性与参数随顶板12和底板14之间的温差发生变化。例如，图11和图14描述了在顶板12和底板14之间的各种温差情况下温差发电器10的电气参数图表。更具体而言，图11和图14描述了所测的电压(伏特)与电流(毫安)的图表。如图11所示，温差发电器10在温度梯度5K时可以提供大约0.55V的开路电压和大约1000毫安(μΑ)的短路电流输出。

图12与图15为匹配负载时的功率输出图表，其中，匹配负载是指负载电阻与温差发电器10的电阻之比。如图12所示，当负载电阻与温差发电器10电阻之比为约1，顶板与底板12,14上的温差为5K时，电功率输出大约140毫瓦(μ\Y)。

图13与图16为温差发电器10在匹配负载时(即：负载电阻与温差发电器电阻之比等于1)的功率输出与顶板和底板12,14上的温差图表。如图13所示，温差发电器10在温度梯度5K时提供大约0.28V的电压输出，在这种匹配负载下提供大约140μW的功率输出。图11-图16所示的此类测量在基本温度30°C时进行。进一步地，如图13，温差发电器10的功率输出与电压输出通常随顶板与底板12,14的温度梯度上升而相应增加。

显然本领域普通技术人员可对本发明进行其他修改和改进。因此，这里所描述以及图示的部件的特定组合仅代表本发明的某些实施例，不用于限制本发明的精神和范围内的替代实施例或装置。

Claims

1.一种温差发电器，包括：

一对顶板和底板；

夹在所述顶板与底板之间的基板，该基板具有上、下基板表面，并由导热率相对较低的电绝缘材料形成；

一系列热电单体，由在所述上、下基板表面的至少一个表面上的至少一排中排列的异种材料交替形成，每一个热电单体都界定一单体轴，其方向与排轴呈不平行关系；以及

至少一对导热长片，安装在该基板的相反两侧上，与所述排中的热电单体的相对两端对准，以便热电单体的一端与顶板热接触，热电单体的另一端与底板热接触，导热长片界定热电单体与顶板和底板之间的热间隙，使热量纵向流经所述热电单体。

2.根据权利要求1所述的温差发电器，其中：

电流沿着与所述基板的表面平行和每一个热电单体的单体轴平行的方向流经单体。

3.根据权利要求1所述的温差发电器，其中：

所述上、下基板表面的每一面都包括至少一排热电单体。

4.根据权利要求1所述的温差发电器，进一步包括：

夹在所述导热长片与热电单体之间的至少一个电绝缘层。

5.根据权利要求1所述的温差发电器，进一步包括：

形成在所述基板上的多个排；

所述多排热电单体电性串接。

6.根据权利要求1所述的温差发电器，其中：

所述基板包括多个排；

一排中的热电单体的端部与相邻一排中的热电单体的端部分隔，以界定排间隙；

所述导热长片与该排间隙对准。

7.根据权利要求1所述的温差发电器，其中：

所述热电单体的单体轴与所述排轴基本垂直。

8.根据权利要求1所述的温差发电器，其中：

所述排中的热电单体基本上相互平行。

9.根据权利要求1所述的温差发电器，其中：

所述异种材料包含异种半导体材料，以使热电单体包含N型和P型单体；

N型和P型单体的至少一种由包含Bi₂Te₃型半导体材料的原始材料形成。

10.根据权利要求1所述的温差发电器，进一步包括：

在所述基板上形成的多个金属桥；

每一种N型和P型单体都有相对的两单体端部，所述单体端部与金属桥重叠，以使金属桥将P型单体与在P型单体相对两端的相邻N型单体电性互连。

11.根据权利要求10所述的温差发电器，其中：

所述金属桥由金属材料构成，至少包括下列其中一种金属：钨，铬，金，镍，铝，银，铜，钛，钼，钽和掺杂碳化硅。

12.根据权利要求1所述的温差发电器，其中：

所述异种材料包含金属材料和半导体材料，以使热电单体包含金属单体和N型与P型单体的其中一种；

所述金属单体的金属材料至少包括下列其中一种金属：钨，铬，金，镍，铝，银，铜，钛，钼，钽和掺杂碳化硅。

13.根据权利要求12所述的温差发电器，其中：

所述N型与P型单体的半导体材料包含Bi₂Te₃-型半导体材料。

14.根据权利要求12所述的温差发电器，其中：

所述金属单体形成在基板上；

所述半导体单体沿半导体单体的基本长度方向与金属单体电绝缘；

所述半导体单体的单体端部与金属单体的单体端部重叠并电耦合。

15.根据权利要求14所述的温差发电器，进一步包括：

夹在金属单体与半导体单体之间的电绝缘层，在每一单体端部都设有开孔用于电耦合所述单体端部。

16.根据权利要求12所述的温差发电器，其中：

相邻各对热电单体的单体轴构成锐角，以使所述排中的一系列热电单体形成之字图案。

17.根据权利要求1所述的温差发电器，其中：

所述异种材料包含至少下列其中一种：

金属材料和半导体材料，以使所述热电单体包含金属单体和N型和P型单体的其中一种；

半导体材料，以使所述热电单体包含n-型和P型单体；

N型和P型单体中的至少一种，具有大约15微米-大约100微米的单体厚度，大约10微米-大约500微米的宽度，以及大约50微米-大约500微米的长度；

所述金属单体的厚度为大约0.5微米-大约5微米，宽度为大约10微米-大约500微米，长度为大约50微米-大约500微米。

18.根据权利要求17所述的温差发电器，其中：

每一种N型和P型单体的单体厚度为大约20-大约35微米。

19.根据权利要求17所述的温差发电器，其中：

所述基板具有一基板厚度；

所述N型和P型单体的单体厚度为所述基板厚度的约1-约10倍；

所述基板厚度为所述金属单体的单体厚度的约1-约50倍。

20.根据权利要求19所述的温差发电器，其中：

所述N型和P型单体的单体厚度与基板厚度的厚度比为约2-约4；

所述基板厚度与金属单体的单体厚度的厚度比为约10-约15。

21.根据权利要求19所述的温差发电器，其中：

所述基板由聚酰亚胺材料构成。

22.根据权利要求1所述的温差发电器，在所述顶板与底板之间的温度梯度大约为5K时具有至少下列一项性能参数：

开路热电电压输出：大约0.2V-大约2.0V；

匹配负载时的热电电压输出：大约0.1V-大约1.0V；

电流：大约0.1mA-大约5.0mA；

功率输出：大约0.1mW-大约0.5mW；

功率输出密度：大约0.1mW/cm²-大约0.5mW/cm²；

能量转换效率：大约0.02%-大约0.2%。

23.根据权利要求1所述的温差发电器，其热阻为大约10K/W-大约20KW。

24.一种温差发电器的形成方法，包括下列步骤：

提供一基板；

在该基板上形成金属桥；

在该基板上交替形成N型和P型单体，以构成一排热电单体，使N型和P型单体的端部与该金属桥重叠，以串联电互连N型和P型单体，每一个热电单体都界定一单体轴，其方向与排轴呈不平行关系；以及

用电绝缘层覆盖所述基板、金属桥及N型和P型单体。

25.根据权利要求24所述，还包括下列步骤：

使用导热长片将顶板和底板与基板连接，所述导热长片与热电单体的相对两单体端部对准，以这种方式在基板、热电单体和顶板与底板之间形成热间隙。

26.根据权利要求24所述的方法，其中：

交替的所述N型和P型单体界定一排热电单体；

每一个热电单体界定一单体轴；

热电单体的单体轴与排轴呈基本上垂直关系。

27.根据权利要求24所述的方法，其中，在该基板上形成金属桥的步骤包括：

在该基板上形成一钨层；

在该钨层上形成一铝层；以及

在该铝层上形成一钨层。

28.根据权利要求24所述的方法，其中：

所述半导体单体由包含Bi₂Te₃-型半导体材料的材料形成。

29.根据权利要求24所述的方法，进一步包括下列步骤：

用导热率相对较低的材料填充热间隙。

30.一种温差发电器的箔组件的形成方法，包含下列步骤：

提供一基板；

在该基板上形成彼此隔开的一排金属单体；

用电绝缘层覆盖所述金属单体；

在该电绝缘层中所述金属单体的相对两单体端部处形成开孔；

在该基板上形成半导体单体，所述半导体单体与金属单体呈交替排列关系，以使所述半导体单体的单体端部重叠，并与金属单体的单体端部电耦合，以形成该排的之字图案；以及

用电绝缘层覆盖所述基板、金属桥和半导体单体。

31.根据权利要求30所述的方法，还包括下列步骤：

使用导热长片将顶板和底板与基板连接，所述导热长片与半导体和金属单体的相对两单体端部对准，以这种方式在所述基板、半导体单体和顶板与底板之间形成热间隙，使热量纵向流经半导体和金属单体。

32.根据权利要求30所述的方法，其中所述半导体和金属单体的每一个都界定一单体轴，该方法还包括下列步骤：

所述半导体和金属单体的至少一个的方向形成为使相邻对半导体和金属单体的单体轴构成锐角。

33.根据权利要求30所述的方法，其中：

所述金属单体由至少下列一种材料制成：钨，铬，金，镍，铝，银，铜，钛，钼，钽和掺杂碳化硅；

所述半导体单体由包含Bi₂Te₃-型半导体材料的材料形成。

34.根据权利要求30所述的方法，还包括下列步骤：

用导热率相对较低的材料填充热间隙。