CN102903840A - 利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,在底电极上用丝网印刷的方法直接制备热电浆料,将制备得到的热电浆料装入压印机中,在基片上经过压印、烧结等步骤压制成膜,烘干后,再在上面印刷或者焊接一层顶电极,最后在底电极和顶电极上引线,从而组装成一个热电偶,将若干个热电偶串联起来可以形成一个大面积的热电器件。本发明不仅可以在刚性基地上组装热电器件,还可以在薄铝片等柔性基板上组装热电器件,选择具有多样性,方法简单,操作方便,成本低,与传统热电器件制备工艺比较,它具有充分的生产效率,尤其适合大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速成型方法,尤其是一种热电器件的组装方法,应用于将热电材料印刷在基片上成膜或制成器件领域。
背景技术
热电器件是一种利用半导体材料赛贝壳效应实现热能和电能直接转换的技术,具有长寿命、高可靠及环境安全等特点,在太阳能光电-热电复合发电及工业余废热热电发电等方面有着广阔的应用前景和潜在社会、经济效益。而热电材料的组装研究取得的进展极大地促进了对高性能微热电器件的开发研制;反过来,制作各种优化结构的微热电器件又是另一种提高热电效率的途径。在热电材料的组装中,人们通常利用MEMS 微机械加工技术实现热电材料的组装。然后这种工艺技术难度大,成品率低,导致器件成本偏高,不利于大规模生产。
丝网印刷是,利用丝网印版图文部分网孔透油墨,非图文部分网孔不透墨的基本原理进行印刷。印刷时在丝网印版一端上倒入浆料,用刮印刮板在丝网印版上的油墨部位施加一定压力,同时朝丝网印版另一端移动。浆料在移动中被刮板从图文部分的网孔中挤压到承印物上。由于浆料的粘性作用而使印迹固着在一定范围之内,印刷过程中刮板始终与丝网印版和承印物呈线接触,接触线随刮板移动而移动,由于丝网印版与承印物之间保持一定的间隙,使得印刷时的丝网印版通过自身的张力而产生对刮板的反作用力,这个反作用力称为回弹力。由于回弹力的作用,使丝网印版与承印物只呈移动式线接触,而丝网印版其它部分与承印物为脱离状态。使浆料与丝网发生断裂运动,保证了印刷尺寸精度,其精度可达到1μm,并避免蹭脏承印物。当刮板刮过整个版面后抬起,同时丝网印版也抬起,并将浆料轻刮回初始位置。至此为一个印刷行程。此外,还可以待承印物干燥后的进行再次印刷,实现多层结构,印刷复杂的电子结构,但目前暂未有人将印刷的方法运用与组装热电器件中。
发明内容
为了解决现有技术问题,本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷,提供一种利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,不仅可以在刚性基地上组装,还可以在薄铝片等柔性基板上组装,选择具有多样性,方法简单、操作方便、成本低,且易于批量生产。
为达到上述发明目的,本发明采用下述技术方案:
一种利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,包括如下步骤:
a.将热电材料粉末与有机载体混合制成热电材料浆料;
b.使基片形成具有底电极的基片;所述基片的材料优选为金属,通过刻蚀的方法除去所述基片表面的金属氧化物,暴露在外面的所述基片的金属材料部分即形成底电极;所述基片还优选为玻璃片、硅片或聚合材料片;用焊接的方法制备所述底电极时,所述底电极的材料为Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al;用丝网印刷的方法制备所述底电极时,所述底电极的材料分别为金属合金或复合材料,所述金属合金最好为钼铜合金或钨铜合金;
c.再通过印刷电子制造工艺将所述热电材料浆料印刷在具有底电极的所述基片上形成热电材料薄膜,所述热电材料薄膜为一个n型热电器件的热电材料薄膜,或者为一个p型热电器件的热电材料薄膜,或者为由一个n型热电材料薄膜和一个p型热电材料薄膜共同组装一个U型热电器件的热电材料薄膜;所述印刷电子制造工艺为丝网印刷的方法,通过所述丝网印刷的方法所印刷的热电材料薄膜的厚度范围为0.1~50mm,压力为0.4~0.6Mpa,丝网印刷的印刷精度可到1μm;所述n型热电器件的热电材料薄膜的材料优选为n-CoSb3、n-PbTe、n-Ti2Be3、n-GeSi、n-Zn4Sb3、n-Sb2Te3、n-GaAs、n-PbSnSeTe、n-Ba0.8Yb0.09Co4Sb12、n-Yb14MnSb11、n-Ti0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01、n-PbSexTe1-x、n-Si1-x-yGexCy、n-AlxGa1-xAs、n-InxGa1-xAs、n-AlyInzGa1-y-zAs或n-Ca3Co4O9;所述p型热电器件的热电材料薄膜的材料优选为p-CoSb3、p-PbTe、p-Ti2Be3、p-GeSi、p-Zn4Sb3、p-Sb2Te3、p-GaAs、p-PbSnSeTe、p-Ba0.8Yb0.09Co4Sb12、p-Yb14MnSb11、p-Ti0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01、p-PbSexTe1-x、p-Si1-x-yGexCy、p-AlxGa1-xAs、p-InxGa1-xAs、p-AlyInzGa1-y-zAs或p-Ca3Co4O9。
d.对所述热电材料薄膜进行烧结;
e.然后在所述热电材料薄膜上增加顶电极;用焊接的方法制备所述顶电极时,所述顶电极的材料分别为Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al;用丝网印刷的方法制备所述顶电极时,所述顶电极的材料分别为金属合金或复合材料,所述金属合金最好为钼铜合金或钨铜合金;
f.分别从一个n型热电器件的所述底电极和所述顶电极中引线形成一个热电偶,或者从一个p型热电器件的所述底电极和所述顶电极中引线也形成一个热电偶,或者在两端电极引线出来,形成一个U型热电器件的两个顶电极中同时引线也形成一个热电偶,将至少两个U型热电器件串联或并联起来,即组成一个大面积的热电器件。
本发明与现有技术相比较,具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1. 本发明不仅可以在刚性基地上组装热电器件,还可以在薄铝片等柔性基板上组装热电器件,选择具有多样性,方法简单,操作方便,成本低;
2. 本发明与传统的光刻工艺比较,它具有充分的生产效率,尤其适合大规模生产;
3. 本发明采用印刷电子制造工艺,即适应今后市场需要,又具有没有浪费的柔性生产的特点,采用小规模投资就可以实现的制造工艺是有效的;
4. 本发明可以根据不同的产品需求,通过图版的合理设计压印出不同的器件结构;
5. 本发明所涉及的压印机具有精确度高、适用范围广且可控性强的特点,因此本发明为热电器件的组装提供了一种条件简单、操作方便、灵活快速、成本低、精确可控,且易于规模化批量生产的新方法。
附图说明
图1是本发明实施例一组装热电器件的方法在硅片上组装n- Te2Bi3热电偶的结构图。
图2是本发明实施例一组装热电器件的方法在硅片上组装p- Te2Bi3热电偶的结构图。
图3是本发明实施例二组装热电器件的方法在铝片上组装n- Te2Bi3热电偶的结构图。
图4是本发明实施例二组装热电器件的方法在铝片上组装p- Te2Bi3热电偶的结构图。
图5是本发明实施例三组装热电器件的方法在硅片上组装U型Te2Bi3热电器件的结构图。
图6是本发明实施例四组装热电器件的方法在铝片上组装U型Te2Bi3热电器件的结构图。
图 7是本发明实施例五组装热电器件的方法组装一组Te2Bi3热电器件的结构图。
具体实施方式
结合附图,对本发明的优选实施例详述如下:
实施例一:
参见图1和图2,在本实施例中,以Te2Bi3作为热电材料,但本领域的技术人员可以理解,其它已知的热电材料均可替代下述实施例中的Te2Bi3而实现本实施例技术方案。
本实施例利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,包括如下步骤:
首先,在硅片16和硅片20上镀上一层底电极;
其中,硅片16和硅片20面积为20×20mm2,厚度为0.5~0.7mm;
在硅片镀上一层电极材料,其中电极材料可为Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al,本实例中选用Cu作为底电极17和底电极21材料;
其次,在镀有底电极的硅片16和硅片20上印刷n- Te2Bi3 18或P- Te2Bi3 22热电材料组装一个热偶再用通过丝网印刷的方法分别在镀有底电极的硅片上印上n-Te2Bi3 18或P-Te2Bi3 22,其中压力为0.4~0.6MPa;
经过烧结后,在热电材料上焊接顶电极,其中电极材料可为Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al,本实例中选用Cu作为顶电极19和顶电极23材料;
其中,n-Te2Bi3 18或P-Te2Bi3 22浆料面积为15×15mm2,厚度为5~10mm;顶电极19和顶电极23面积为15×15mm2,厚度为5~10μm;
在两端电极引线出来,形成一个热电偶。再接上一个电压为5V的直流电,则可以测得在电极两端:一端吸热一端放热。
实施例二:
本实施例与实施例一基本相同,特别之处在于:
参见图3和图4,本实施例利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,包括如下步骤:
首先,对铝片湿法刻蚀;
其中铝片6和铝片9厚度为1~2mm,面积为20×20mm2;
选用刻蚀深度在10~20nm,刻蚀面积为15×15mm2;
其次,在铝片6和铝片9上印刷n- Te2Bi3 7或P- Te2Bi3 10热电材料组装一个热偶;
刻蚀后的铝片6和铝片9可作为热电器件的底电极,再用通过丝网印刷的方法分别在铝片上印上n-Te2Bi3 7或P-Te2Bi3 10,其中压力为0.4~0.6MPa;
经过烧结后,在热电材料上焊接顶电极,其中电极材料可为Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al,本实例中选用Cu 金属8和Cu金属11作为电极材料;
其中,n-Te2Bi3 7或P-Te2Bi3 10浆料面积为15×15mm2,厚度为5~10mm;顶电极面积为15×15mm2,厚度为5~10μm;
在两端电极引线出来,形成一个热电偶。再接上一个电压为5V的直流电,则可以测得在电极两端:一端吸热一端放热。
实施例三:
本实施例与前述实施例基本相同,特别之处在于:
参见图5,本实施例利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,包括如下步骤:
首先,在硅片24上镀上一层底电极;
其中,硅片24面积为20×40mm2,厚度为0.5~0.7mm;
在硅片镀上一层电极材料,其中电极材料可为Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al,本实例中选用Cu作为底电极25材料;
其次,在铝片上印刷n- Te2Bi3 26和P- Te2Bi3 27热电材料组装一个U型热电器件;
刻蚀后的铝片可作为热电器件的底电极,再用通过丝网印刷的方法分别在铝片上印上n-Te2Bi3 26和P-Te2Bi3 27,其中压力为0.4~0.6MPa;
经过烧结后,分别在两种热电材料上焊接两个顶电极28,其中电极材料可为Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al,本实例中选用Cu作为电极材料;
其中,n-Te2Bi3和P-Te2Bi3浆料面积都是15×15mm2,厚度为5~10mm;两个顶电极面积为15×15mm2,厚度为5~10μm;
在两端电极引线出来,形成一个U型热电器件。再接上一个电压为5V的直流电,则可以测得在电极两端:一端吸热一端放热。
实施例四:
本实施例与实施例三基本相同,特别之处在于:
参见图6,本实施例利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,包括如下步骤:
首先,对铝片湿法刻蚀;
其中铝片12厚度为1~2mm,面积为20×40mm2;
选用刻蚀深度在10~20nm,刻蚀面积为15×30mm2;
其次,在铝片12上印刷n- Te2Bi3 13和P- Te2Bi3 14热电材料组装一个U型热电器件;
刻蚀后的铝片可作为热电器件的底电极,再用通过丝网印刷的方法分别在铝片上印上n-Te2Bi313和P-Te2Bi3 14,其中压力为0.4~0.6MPa;
经过烧结后,分别在两种热电材料上焊接两个顶电极15,其中电极材料可为Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al,本实例中选用Cu作为顶电极材料;
其中,n-Te2Bi3 13和P-Te2Bi3 14浆料面积都是15×15mm2,厚度为5~10mm;两个顶电极面积为15×15mm2,厚度为5~10μm;
在两端电极引线出来,形成一个U型热电器件。再接上一个电压为5V的直流电,则可以测得在电极两端:一端吸热一端放热。
实施例五:
本实施例与前述实施例基本相同,特别之处在于:
参见图7,在实施例三和实施例四中,在其步骤f中,将4个U型热电器件串联起来,组成一个大面积的热电器件。在本实施例中,在底电极上用丝网印刷的方法直接将由热电浆料,烘干后,再在上面印刷或者焊接一层顶电极,最后在底电极和顶电极上引线,从而组装成一个U型热电偶单元,将多个U型热电偶单元串联起来可以形成一个大面积的热电器件。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明,但本发明不限于上述实施例,还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化,凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,只要符合本发明的发明目的,只要不背离本发明利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法的技术原理和发明构思,都属于本发明的保护范围。例如,上述实施例中均以Te2Bi3作为热电材料予以描述,但本领域的技术人员可以理解,其它已知的热电材料均可替代下述实施例中的Te2Bi3而实现本发明。基底的选择也不仅局限于上述述实施例中的铝片和硅片。因此,本发明并不限于上述述实施例中所记载的任何待定材料。
Claims (9)
1.一种利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,其特征在于,包括如下步骤:
a.将热电材料粉末与有机载体混合制成热电材料浆料;
b.使基片形成具有底电极的基片;
c.再通过印刷电子制造工艺将所述热电材料浆料印刷在具有底电极的所述基片上形成热电材料薄膜,所述热电材料薄膜为一个n型热电器件的热电材料薄膜,或者为一个p型热电器件的热电材料薄膜,或者为由一个n型热电材料薄膜和一个p型热电材料薄膜共同组装一个U型热电器件的热电材料薄膜;
d.对所述热电材料薄膜进行烧结;
e.然后在所述热电材料薄膜上增加顶电极;
f.分别从一个n型热电器件的所述底电极和所述顶电极中引线形成一个热电偶,或者从一个p型热电器件的所述底电极和所述顶电极中引线也形成一个热电偶,或者在两端电极引线出来,形成一个U型热电器件的两个顶电极中同时引线也形成一个热电偶。
2.根据权利要求1所述的利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,其特征在于:在所述步骤f中,将至少两个U型热电器件串联或并联起来,组成一个大面积的热电器件。
3.根据权利要求1或2所述的利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,其特征在于:在所述步骤b中,所述基片的材料为金属,通过刻蚀的方法除去所述基片表面的金属氧化物,暴露在外面的所述基片的金属材料部分即形成底电极。
4.根据权利要求1或2所述的利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,其特征在于:在所述步骤b中,所述基片为玻璃片、硅片或聚合材料片。
5.根据权利要求1或2所述的利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,其特征在于:在所述步骤b和步骤e中,用焊接的方法制备所述底电极和所述顶电极时,所述底电极和所述顶电极的材料分别为Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al。
6.根据权利要求1或2所述的利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,其特征在于:在所述步骤b和步骤e中,用丝网印刷的方法制备所述底电极和所述顶电极时,所述底电极和所述顶电极的材料分别为金属合金或复合材料。
7.根据权利要求6所述的利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,其特征在于:所述金属合金为钼铜合金或钨铜合金。
8.根据权利要求1或2所述的利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,其特征在于:在所述步骤c中,所述印刷电子制造工艺为丝网印刷的方法,通过所述丝网印刷的方法所印刷的热电材料薄膜的厚度范围为0.1~50mm,压力为0.4~0.6Mpa。
9.根据权利要求1或2所述的利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法,其特征在于:在所述步骤c中,所述n型热电器件的热电材料薄膜的材料为n-CoSb3、n-PbTe、n-Ti2Be3、n-GeSi、n-Zn4Sb3、n-Sb2Te3、n-GaAs、n-PbSnSeTe、n-Ba0.8Yb0.09Co4Sb12、n-Yb14MnSb11、n-Ti0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01、n-PbSexTe1-x、n-Si1-x-yGexCy、n-AlxGa1-xAs、n-InxGa1-xAs、n-AlyInzGa1-y-zAs或n-Ca3Co4O9,所述p型热电器件的热电材料薄膜的材料为p-CoSb3、p-PbTe、p-Ti2Be3、p-GeSi、p-Zn4Sb3、p-Sb2Te3、p-GaAs、p-PbSnSeTe、p-Ba0.8Yb0.09Co4Sb12、p-Yb14MnSb11、p-Ti0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01、p-PbSexTe1-x、p-Si1-x-yGexCy、p-AlxGa1-xAs、p-InxGa1-xAs、p-AlyInzGa1-y-zAs或p-Ca3Co4O9。
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C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130130 |