CN103035834B - 热电装置及制造法、能量收集系统、传热装置和热敏元件 - Google Patents

热电装置及制造法、能量收集系统、传热装置和热敏元件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热电装置及其制造方法、能量收集系统、传热装置和热敏元件。所述热电装置的制造方法包括提供基板以及在所述基板中形成至少一个深沟槽。所述方法进一步包括形成至少一个热电偶，所述热电偶包括两条传导路径，其中第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，使得至少所述第一传导路径嵌在所述基板的深沟槽中。

Description

热电装置及制造法、能量收集系统、传热装置和热敏元件
技术领域
本发明的实施例涉及一种热电装置的制造方法以及一种热电装置。具体地，本发明的实施例涉及一种具有嵌入式集成电路的热电装置、一种能量收集系统（energyharvesting system）、一种传热装置及一种热敏元件。
背景技术
热电装置通常包括由具有两种不同传导材料的两条传导路径组成的热电偶。所述两种传导材料可以是不同的金属合金（例如，镍铬合金和铁）或不同的半导体或半导体与金属合金（例如，p-掺杂硅和铜）的组合。在热电偶的第一端处，两条（平行的）传导路径彼此电连接，以便产生热电偶的材料结（material-junction）。在第二端处，这两条传导路径不连接，以便具有两个开放的接触点。在热电偶的第一端与第二端之间存在温度梯度的情况下，在这两个开放的接触点之间产生电压VAB（也称为塞贝克电压）。
基于塞贝克效应的所述热电偶或所述热电装置的应用领域是多方面的。热电装置可以用作测量两个点（即，热电偶的两端）之间的温度差的热敏元件。此外，热电装置可以用作产生电能的热电发生器（TEG）。可以使底层物理效应（underlying physical effect）逆向，以便响应于在两条传导路径的两个接触点之间施加的电流在热电装置的两端之间产生温度差。该应用被称为热电冷热器（TECH）或珀耳帖元件。半导体制造商可以制造热电装置，特别是小型热电装置。
发明内容
本发明的实施例提供了一种热电装置的制造方法。所述方法包括提供基板；使至少一个深沟槽形成在所述基板中；以及形成至少一个包括两条传导路径的热电偶。第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，使得至少所述第一传导路径嵌在所述基板的深沟槽中。
其他实施例提供了一种热电装置，包括：基板，所述基板包括从第一主表面进入到所述基板的至少一个深沟槽。该热电装置进一步包括至少一个热电偶，所述热电偶包括两条传导路径，其中第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，并且其中至少所述第一传导路径嵌在所述基板的深沟槽中。
一种实施例提供一种具有嵌入式集成电路的热电装置，包括：基板，所述基板包括从第一主表面延伸进入所述基板的至少一个深沟槽。所述热电装置包括至少一个热电偶，所述热电偶包括两条传导路径，其中第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，并且其中至少所述第一传导路径嵌在所述基板的深沟槽中。该热电装置进一步包括设置在所述第一主表面上或相对的第二主表面上的集成电路。
一种实施例提供了一种能量收集系统，包括：基板，所述基板包括从第一主表面延伸进入所述基板的至少一个深沟槽。该热电装置包括至少一个热电偶，所述热电偶包括两条传导路径，其中第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，并且其中至少所述第一传导路径嵌在所述基板的深沟槽中。所述能量收集系统被构造成将第一主表面和相对的第二主表面之间的温度差转换为电能。所述能量收集系统进一步包括被构造成存储所述电能的电容器。
一种实施例提供了一种传热装置，包括：基板，所述基板包括从第一主表面延伸进入所述基板的至少一个深沟槽。所述传热装置进一步包括热 电偶，所述热电偶包括两条传导路径，其中第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，并且其中至少所述第一传导路径嵌在所述基板的深沟槽中。所述传热装置被构造成响应于在所述第一传导路径与所述第二传导路径之间施加的电流在第一主表面与相对的第二主表面之间产生温度差。
另一种实施例提供了一种热敏元件，包括：基板，所述基板包括从第一主表面延伸进入所述基板的至少一个深沟槽。所述热敏元件包括至少一个热电偶，所述热电偶包括两条传导路径，其中第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，并且其中至少所述第一传导路径嵌在所述基板的深沟槽中。所述热电偶包括设置在第一主表面上的红外吸收层，其中所述热电偶被构造成响应于所述红外吸收层内部的由红外光导致的温度变化在所述第一传导路径与所述第二传导路径之间施加电流。
附图说明
在下文中，将参照附图对本发明的实施例进行描述。
图1示意性地示出了根据实施例的热电装置的截面图；
图2A-2D示意性地示出了热电装置的不同实施例，以用于示出不同的材料结；
图3A-3G示意性地示出了具有用于降低热电装置的热导率的背面蚀刻基板的热电装置的实施例；
图4A-4B示意性地示出了具有嵌入式集成电路的热电装置的实施例；
图5A-5B示意性地示出了能量收集系统的实施例；
图6A-6F示意性地示出了包括红外吸收层的热敏元件的不同实施例；以及
图7A-7F示意性地示出了传热装置的不同实施例。
具体实施方式
随后将参照图1至图7对本发明的不同实施例进行讨论。首先要声明的是，为具有相同或相似功能的对象提供相同的参考编号，因此在不同实施例中用相同的参考编号所指代的对象可以互换且其描述是相互适用的。
图1示出了热电装置10的截面图。热电装置10包括基板12以及嵌在所述基板12的深沟槽16中的热电偶14，该基板可以包括硅或另一种半导体。所述深沟槽16从第一主表面12a垂直延伸进入所述基板12。在一个实施例中，所述深沟槽16可以具有较高的长宽比，使得所述深沟槽16的深度16d与直径或宽度16w之比大于3:1或大于5:1或甚至大于10:1或20:1。在一个实施例中，由于所述深沟槽16的较高长宽比16d:16w，因此其内壁大致彼此平行，例如（相对于基板12的第一主表面12a测得）在88°-92°的范围内。
所述热电偶14包括两条传导路径14a和14b。第一传导路径14a包括第一传导材料（例如，n-掺杂多晶硅），第二传导路径14b包括不同于第一传导材料的第二传导材料（例如，p-掺杂多晶硅或如铜或铝的金属）。在该实施例中，两条传导路径14a和14b在所述深沟槽16的底部处直接串联地电连接，从而形成两种传导材料的材料结14c。与材料结14c相对，这两条传导路径14a和14b具有设置在所述基板12的第一主表面12a上的两个接触点，而这两条传导路径14a和14b中的每一条沿深沟槽16彼此隔离。
所述热电装置10可以用作热电发生器（TEG）或热电冷热器（TECH）或热敏元件（例如，热辐射传感器或红外传感器）。这些应用都基于塞贝克效应。由于用于不同传导路径14a和14b的两种不同的传导材料，在沿热电偶14或深沟槽16的深度16d存在温度差ΔT的情况下，在两个接触点之间产生塞贝克电压VAB。反之亦然，在向所述热电偶14施加电压VAB的情况下，产生沿所述热电偶14的温度差ΔT。塞贝克电压VAB与沿所述热电偶14的温度差ΔT成正比并取决于热电偶14的绝对塞贝克系数αAB。可以通过以下公式计算电压VAB：
a．VAB=αAB·ΔT （1）
绝对塞贝克系数αAB（例如，160mV/K）等于两条传导路径14a和14b的塞贝克系数αA和αB之和。与硅的塞贝克系数相比，金属的塞贝克系数较低，例如，铜1.8μV/K，铝-1.7μV/K）。掺杂硅的塞贝克系数高达1.5mV/K，其中p-型硅具有正的塞贝克系数，n-型硅具有负的塞贝克系数。掺杂半导体的塞贝克系数值取决于掺杂浓度，因此高度掺杂硅的塞贝克系数比低掺杂硅的塞贝克系数低。换而言之，掺杂浓度的改变允许在塞贝克系数、特定的电阻率（例如，1.5mOhm/cm）和热导率之间进行权衡，以获得最佳品质因数。
所述深沟槽16的较高长宽比16d:16w（例如，高达3:1或5:1或高达20:1以及这些长宽比之间的任意范围）使所述深沟槽16以及因此使得所述热电偶14在所述基板12的厚度12t的宽广范围（例如，高达90%或高达95%）内延伸（16d≥0.9x 12t）。因此，与嵌在正常沟槽中的传统热电偶相比较，所述深沟槽16的底部与所述基板12的第一主表面12a之间的温度梯度ΔT更大。因此，与具有相同大小的传统热电装置相比，有益的是，所示热电装置10的效率增加。此外，当与传统的热电偶相比时，由于深沟槽16的直径或宽度16w较小，因此每个热电偶14对基板12的空间需求降低。
下面将对热电装置10的制造方法进行描述。所述方法主要包括三个步骤：在提供所述基板12的第一步骤之后，在第二步骤过程中将所述深沟槽16形成在所述基板12中。例如，通过深沟槽蚀刻法或反应离子蚀刻法来提供所述深沟槽16以便形成具有如上所述较高的长宽比的深沟槽16。可以进行蚀刻，以使得所述深沟槽16从第一主表面12a延伸到所述基板12的厚度12t的深沟槽16的深度16d，该深度16d至少为所述基板12的厚度12t的90%或甚至95%（以及这些值之间的任意范围）。之后，通过沉积或填充来提供所述热电偶14，使得两条传导路径14a和14b中的至少一条嵌在深沟槽16中。在该实施例中，两条传导路径14a和14b形成在所述深沟槽16中，使得这两条传导路径14a和14b在所述深沟槽16的底部处直接串联地电连接以便形成材料结14c。优点是可以利用半导体工艺手段（例如CMOS工艺）来制造所述热电装置10。因此，对大众市场来说制造热电装置10是可靠的、可行的，从而降低生产成本。
应该注意的是，两条传导路径不必要嵌在单个深沟槽16中。可选地，两条传导路径14a和14b中的一条可以嵌在所述基板12的第二沟槽或深沟槽中，以使得两条传导路径14a和14b电连接或者两条传导路径中的一条可以由传导基板形成，如参照以下实施例所述。本发明的核心是利用深沟槽技术（尤其是利用基板12的深沟槽蚀刻）来集成所述热电装置10。根据实施例，深沟槽工艺可以与CMOS工艺（例如CMOS微加工）结合，启用芯片上系统，例如将热电发生器和DC/DC转换器结合在单一芯片上的能量收集系统。
将参照图2A-2D对热电装置的四个不同实施例进行讨论，其中通过各种方式形成材料结。图2A示出了包括两条直接连接的传导路径的热电装置，图2B-2D示出了利用连接垫连接的热电装置。
图2A示出了热电装置20的截面图，该热电装置大致对应于图1中所示的热电装置10。在该实施例中，热电偶嵌在所述基板12的深沟槽16中。所述深沟槽16的形状为（测试）管状，因此具有圆形截面且其底部 被倒圆。所述热电偶22的第一传导路径22a嵌在深沟槽16中，而第二传导路径22b嵌在第一传导路径22a中。因此，传导路径22b与传导路径22a平行。第一传导路径22a（例如，包括n-掺杂或p-掺杂多晶硅）通过绝缘层24a与所述基板12隔离，所述绝缘层24a可以包括氧化硅。第二内部传导路径22a（例如，包括金属，如铜）几乎沿两条传导路径22a和22b的整个长度通过绝缘层24b与第一外部（周围）传导路径22a隔离。在所述深沟槽16的底部处，这两条传导路径22a和22b直接电连接以便产生材料结22c。材料结22c由延伸穿过绝缘层24b进入到第一传导路径22a中的第二传导路径22b（或由第二传导路径22b的头部）形成。
此外，第一传导路径22a包括两个接触点26a，第二传导路径22b包括接触点26b，用于使所述热电装置10例如与外部电路（未示出）电连接。三个接触点26a和26b均设置在第一主表面12a处并通过触头27a和27b与相应的传导路径22a或22b电连接。接触点26a和26b可包括金属，如铜或铝。
就功能而言，热电装置20等同于图1的热电装置10。与图1的实施例不同，热电装置20的制造方法可以包括以下步骤：在将深沟槽16蚀刻到所述基板12中之后，通过将第一绝缘层24a沉积在所述深沟槽16中来提供第一绝缘层24a。之后，通过将第一掺杂多晶硅层沉积在第一绝缘层24a上来提供第一传导路径22a。接下来的步骤是将第二绝缘层24b沉积在第一多晶硅层22a上以及用第二掺杂多晶硅层填充所述沟槽来提供第二传导路径22b。最后的步骤包括使两条传导路径22a和22b串联地电连接以便形成材料结22c的子步骤。
图2B示出了两条传导路径22a和22b直接连接以及通过连接垫连接的差异。因此，图2B示出了根据图2A的热电装置20的第一截面图（1）以及类似于热电装置20的热电装置28的第二截面图（2）。热电装置28的传导路径22a和22b之间的电连接通过连接垫30形成在与第一表面12a相对的蚀刻的第二主表面12b处。因此，沟槽16以及热电偶22的两条传 导路径22a和22b在所述基板12的整个厚度12t上延伸。这两条传导路径22a和22b与连接垫30相组合形成热电偶31。连接垫30可以包括金属，第一传导路径22a可以包括n-掺杂多晶硅，第二传导路径22b可以包括p-掺杂多晶硅。
在该实施例中，热电装置28的制造方法包括两个另外的步骤（用箭头29示出）：在已提供两条传导路径22a和22b之后，通过背面蚀刻法蚀刻所述基板12的第二主表面12b，以便露出两条传导路径22a和22b。之后，将金属连接垫30设置在第二主表面12b上。这些步骤可以包括对第二主表面12b进行化学机械抛光直至露出两条传导路径14a和14b（并对第二主表面12b平面化）的第一子步骤。第二子步骤为金属沉积并将金属构建或图案化在晶圆背面12b上以便形成热电偶31的连接垫30。
图2C示出了包括多个热电偶（即，两个热电偶34和36）的热电装置32的截面图。这两个热电偶34和36形成在包括四个深沟槽40a、40b、40c及40d的基板38中，这四个深沟槽从第一主表面38延伸过所述基板38的整个厚度38t。每个热电偶34和36分别由两条传导路径34a、34b和36a，36b形成。在该实施例中，每条传导路径34a、34b、36a及36b嵌在相应的深沟槽40a、40b、40c及40d中。
在下文中，将讨论热电偶34（而无需讨论两个类似的热电偶34和36）。所述热电偶34的两条传导路径34a和34b包括两种不同的传导材料，例如n-掺杂多晶硅和p-掺杂多晶硅。这里，传导路径34a嵌在深沟槽40a中，传导路径34b嵌在深沟槽40b中，其中这两条传导路径34a和34b利用设置在与第一主表面38a相对的第二主表面38b上的金属连接垫42电连接。传导路径34a、34b和连接垫42通过绝缘层44与基板38隔离，所述绝缘层44覆盖第一主表面38a和第二主表面38b以及深沟槽40a、40b、40c及40d的内壁。传导路径34a和34b在第一主表面38a处分别通过接触点35a和35b可连接。接触点35a和35b设置在相应的传导路径34a和34b上并通过触头37a和37b与传导路径电连接。
就功能而言，该热电装置对应于热电装置10、20及28。就制造而言，热电装置32大致对应于热电装置28。在该实施例中，在分别沉积绝缘层44和传导路径34a、36a和34b、36b的不同材料之前，将多个深沟槽40a、40b、40c及40d形成在基板38中。在利用连接垫42连接传导路径34a、34b、36a及36b之前，通过背面蚀刻法露出所述传导路径。
图2D示出了半成品热电装置46的第一截面图（1）（用于示出设置连接垫的步骤29，参阅图2B）。图2D示出了类似于热电装置32的热电装置46的第二截面图（2）。热电装置46包括嵌在基板38中的四个热电偶48、50、52及54。所述基板38包括四个深沟槽40a、40b、40c及40d，其中绝缘层44设置在第一主表面38a上以及深沟槽40a、40b、40c及40d的内壁上。在该实施例中，相应的第一传导路径48a、50a、52a及54a由传导材料（例如，p-掺杂多晶硅）形成，相应的深沟槽40a、40b、40c及40d由该传导材料填充，而相应的第二传导路径48b、50b、52b及54b由基板38的一部分48b、50b、52b及54b形成。因此，所述基板38是传导性的板且可以包括n-掺杂硅。基板38的该部分48b、50b、52b及54b可以通过绝缘层44彼此绝缘。
为了使相应的第一传导路径48a、50a、52a及54a与相应的第二传导路径（基板38的相邻部分）48b、50b、52b及54b电连接，将四个金属连接垫48d、50d、52d及54d设置在两条相应的传导路径48a和48b、50a和50b、52a和52b以及54a和54b之间。连接垫48d、50d、52d及54d通过绝缘层44彼此隔离。根据图2C的实施例，单一传导路径48a、48b、50a、50b、52a、52b、54a及54b的电连接通过接触点35a和35b经由触头37a和37b在第一主表面38a上实现。应该注意的是，将接触点35b设置在所述基板38上，其中触头37b延伸穿过绝缘层44。就功能和制造而言，热电装置46对应于热电装置32，其中所述基板38包括传导材料或半传导材料。
将参照图3A至3G对热电装置的不同实施例进行描述，其中为每个热电装置提供降低热导率的装置。
图3A示出了包括根据图2A的多个横向设置的热电偶22的热电装置60的截面图。四个热电偶22并排设置在基板38内并嵌在从第一主表面38a平行延伸到基板38中的四个深沟槽16中。通过可以包括空气或真空的一个或多个开口部66来降低热电装置60的热导率。所述多个开口部66形成至基板38，其中每个开口部66从第二主表面38b延伸，以使所述开口部66位于深沟槽16之间并与所述深沟槽平行。所述开口部66在所述基板38的厚度38t上的至少80%或甚至90%延伸。由于开口部66的缘故，降低了第一主表面38a与第二主表面38b之间的热导率。因此，提高了热电装置60的品质因数z，定义为z=αAB 2/(κ·ρ)，其中αAB为塞贝克系数，k为热导率，ρ为电阻率。
图3B出了热电装置68的截面图，其等同于根据图3A的热电装置68，其中所述基板38包括密封件72。所述密封件72设置在第二主表面38b上，使得所述开口部66被密封件72覆盖或部分覆盖。由于密封件的缘故，与根据图3A的热电装置60相比，提高了热电装置68的机械稳定性。
图3C示出了热电装置74的截面图，其等同于根据图3A的热电装置60，但相比之下，该热电装置包括开口部66的填充物76。所述填充物76可以包括氧化硅并且当与基板38的热导率或与没有填充物的开口部66的热导率相比时具有降低的热导率。为第二主表面38b上的开口部66提供填充物76以使得该开口部被填充物76覆盖。所述填充物76还提高了热电装置74的机械稳定性。
图3D示出了热电装置78的截面图，其等同于根据图3B的热电装置68，但该热电装置78还包括填充物76。为开口部66（位于第一和第二主表面38a和38b之间并位于深沟槽16之间）提供填充物76。
图3E示出了包括根据图2B的多个热电偶31的热电装置80的截面图。热电偶31并排地彼此平行地设置在所述基板38内。在热电偶31之间设置有根据图3C的包括填充物76的开口部66，所述热电偶31嵌在从第一主表面38a延伸的沟槽16中。在该实施例中，所述开口部66从第二主表面38b延伸进入基板38。
图3F示出了热电装置84的截面图，其等同于根据图3E的热电装置80，其中所述热电装置84不包括填充物76，但包括根据图3B的密封件72。所述密封件72是所述热电装置84的基板38的一部分并形成第二主表面38b。
图3G示出了热电装置88的截面图，其等同于根据图2C的热电装置32，其中开口部66设置在基板38的深沟槽40a、40b、40c及40d之间。
将参照图4A和4B对包括集成电路的热电装置的两个实施例进行讨论。
图4A示出了包括根据图2B的多个热电偶31的热电装置91的截面图。五个热电偶31并排（彼此平行）地设置在基板38内。在该实施例中，集成电路94设置在第一主表面38a处。集成电路94形成在设置于第一主表面38a的层96上。集成电路94经由热电偶31的相应的触头27a和27b通过所述层96与五个热电偶31电连接。集成或电气电路94可以包括用于提供来自电热能的模拟或数字功能的DC/DC转换器、传感器、射频收发机或模拟或数字电路。所述热电装置91可以用作能量收集系统，其中所述集成电路94将每个热电偶31的单个电流加总成可以由集成电路94输出的总电流。
参照在图1中讨论的制造方法，热电装置91的制造方法还可以包括将集成电路94设置在主表面38a或38b上的步骤。由于热电装置91的CMOS兼容性，例如，利用CMOS工艺可以轻易集成该热电装置以及另 外的电气装置（比如集成或电气电路94）。根据另外的实施例，热电装置91的制造方法可以包括以下子步骤：化学机械地抛光晶圆正面以便使主表面38a平面化；将外延层（epi layer）96沉积在平面化主表面38a上以及所填充的沟槽16的顶部；在外延层96中形成集成电路94；通过触头27a和27b使传导路径22a和22b与集成电路94连接。
图4B示出了热电装置98的截面图，其对应于根据图4A的热电装置38，其中所述热电装置98的基板38包括根据图3B的开口部66和密封件72。开口部66和密封件72设置在热电偶31之间。此外，热电装置98包括设置在热电偶31的连接垫30处的五个焊球102。所述焊球102可以充当热导体。
将参照图5A和图5B对能量收集系统的两个实施例进行讨论，其中每个实施例都包括根据上述实施例的热电装置以及设置在热电装置的基板内的多个电容器。
图5A示出了能量收集系统104的截面图，该能量收集系统包括热电装置90。在热电装置38的同一基板38处，在热电装置90附近设置有四个电容器106（也称为沟槽电容器）。这四个电容器形成在基板38的四个平行沟槽110中，其中每个电容器106均包括通过电介质隔开的两个电极区域。每个电容器106的第一电极区域108嵌在相应的沟槽110中。电极区域108通过电介质112与基板38隔离，其中共用衬底38为四个电容器106形成第二电极区域。电容器区域108和共用电容器区域92经由触头114a和114b通过绝缘层96与在整个主表面38a上延伸的集成电路94电连接，从而与五个热电偶31电连接以便存储所收集的电能。由五个热电偶31所收集的电能的电压可以通过集成电路94的DC/DC转换器改变以便将电能存储在电容器106中。
根据另一个实施例，能量收集系统104，或更具体地说能量收集系统104的热电装置90包括设置在热电偶31的连接垫30上的五个焊球102。
图5B示出了能量收集系统116的截面图。所述能量收集系统116包括根据图3G的热电装置88以及根据图5A的电容器装置（包括四个电容器106）。电容器106以及热电装置88并排设置在共用基板38内，其中所述集成电路94设置在共用基板上，它们之间具有外延层96。热电装置88的传导路径34a和34b通过触头37a和37b与集成电路94电连接。因此，所述热电装置88通过集成电路94与四个电容器106电连接以便将所收集的电能存储在电容器装置中。在该实施例中，利用绝缘层118（例如，酰亚胺层）覆盖第二主表面38b，以便隔离用作电容器106的共用第二电极区域的基板38。
将参照图6A-6F对热电传感器的实施例进行讨论，其中所述热电传感器（也称为热辐射检测器）包括热电装置以及红外吸收层。
图6A示出了热敏元件120的截面图，其包括根据图3F的热电装置84以及基板38的第二主表面38b处的红外吸收层122。红外吸收层122设置在连接垫123上，与图3F的实施例的连接垫30相比较，所述连接垫123被放大了。在一个实施例中，放大的连接垫123呈砧台形（anvil shape），使得连接垫123的一部分与第二主表面38b间隔开。所述基板38通过绝缘层134与连接垫123的所述部分隔离以及与红外吸收层122隔离。所述基板的第一主表面38a还通过绝缘层126隔离，其中热电偶31的两条传导路径22a和22b通过设置在接触点26a和26b上的焊球128a和128b连接。例如对印刷电路板而言，焊球128a和128b被用作电触头。
由于红外吸收层122的缘故，提高了热敏元件120的灵敏度。带红外光的红外吸收层122的辐射提高了第二主表面38b处的温度，从而在第一主表面38a和第二主表面38b之间产生了温度差。响应于两个主表面38a和38b之间的温度差或温度梯度，能够在接触点26a和26b之间或焊球128a和128b之间测量到电流。基于所测得的电流，可以确定辐照度。就制造而言，热电传感器120的制造方法大体上等同于如上所讨论的制造方法，但还包括将红外吸收层122设置在第一或第二主表面38a或38b上的步骤。
图6B示出了对应于热敏元件120的热敏元件130的截面图，其中将所述红外吸收层122划分为单个红外吸收像素132，使得每个热电偶31形成一个像素132。此外，应该注意的是，热电偶31不包括砧台形连接垫123，但包括根据图2B的连接垫30。
就功能而言，所述热敏元件130对应于热敏元件120，其中所述热敏元件130被构造成检测每个横向分布的像素132的辐照度。这使得能够检测单个像素132之间的横向辐照差异，从而形成具有横向分辨率的红外感光CCD。
图6C示出了包括根据图2D的多个热电偶48的热敏元件134的截面图。在该实施例中，红外吸收层133设置在热电偶48的连接垫48d上，从而形成多个像素133。此外，多个开口部66设置在热电偶48之间。因此，提高了热敏元件134的灵敏度（并降低了热导率）。就其功能而言，热敏元件134对应于图6B的热敏元件130。
图6D示出了热敏元件138的截面图，其类似于根据图6C的热敏元件134。所述热敏元件138包括八个热电偶48，其中四个热电偶48每个均分组。每组139a和139b形成热敏元件138的一个像素。在每组139a和139b中，四个热电偶48通过连接件140串联连接。所述连接件140设置在第一和第二、第二和第三、第三和第四热电偶48之间，而没有设置在八个接触点35a和35b中的六个之间。热电偶48的该串联连接使每组（像素）139a和139b的输出信号增加。两组139a和139b通过深沟槽142隔开，其中与开口部66相比，所述深沟槽142沿横向被放大。
图6E示出了热敏元件144的截面图，其对应于根据图6B的热敏元件130，但还包括设置在所述基板38的第一主表面38a处的集成电路94。所述集成电路94形成在外延层96中，该外延层设置在第一主表面38a上。所述集成电路94通过触头27a和27b与热电偶31电连接。所述集成电路94能够通过具有焊球139的触头连接。所述触头149设置在集成电路94 上，它们之间具有绝缘层150。所述集成电路94可以是赋值电路（evaluation circuit，评价电路）且可以用来处理每个像素132的信息或用来放大和处理像素132的信号。
图6F示出了包括根据图6D的热敏元件138以及根据图6E的集成电路94的热敏元件152的截面图。所述集成电路94形成在外延层96中，该外延层设置在基板38的第一主表面38a上。所述热电偶48通过触头37a和37b与所述集成电路94电连接。此外，所述触头149以及所述绝缘层150设置在根据图6E的集成电路94处。
将参照图7A至7F对可以被用作传热装置（也称为珀耳帖元件）的热电装置的不同实施例进行讨论。
图7A示出了传热装置154的截面图，其等同于根据图6A的热电装置120，其中所述传热装置154不包括红外吸收层122。所述传热装置154被构造成响应于在所述热电偶31的第一和第二传导路径22a和22b之间施加的电流而在第一主表面38a与第二主表面38b之间产生温度差Δt。该电流可以分别通过触头26a、26b以及通过焊球128a、128b施加。换而言之，当电流流过由第一和第二传导路径22a和22b以及连接垫123形成的热电偶31时，在上部结（upper junction）处释放热量而在下部结（lowerjunction）处吸收热量。从第一主表面38a至第二表面38b（或从第二表面38b至第一主表面38a）的热量传递方向取决于电流的符号（sign）。
图7B示出了传热装置156的截面图，其对应于根据图3A的热电装置88，其中所述第一热电偶34的第二传导路径34b以及所述热电偶36的第一传导路径36a通过连接件158电连接。设置连接件158来代替接触点35a和35b。此外，所述第一主表面38a由绝缘层160覆盖，以使得连接件158和传导路径36a和36b的接触点35a和35b嵌在绝缘层116中。此外，与如图3G所示的接触垫42相比较，连接垫42被放大了。就其功能而言，传热装置158对应于传热装置154。
图7C示出了根据图7A的传热装置154与在单个芯片上实现的集成电路的组合的截面图。所述集成电路94形成在所述基板38的第二主表面38b处的外延层96中。所述外延层96设置在连接垫130上。在该实施例中，由于传热装置154的缘故，所述集成电路94可被冷却或加热或保持恒温。在另一个实施例中，集成电路94可以包括化学传感器，其需要升高的温度以保证适当功能。
图7D示出了根据图7B的传热装置156与在单个芯片上实现的集成电路94的组合的截面图。所述集成电路94形成在外延层96中，该外延层设置在连接垫42上以加热或冷却所述集成电路94。
图7E示出了一实施例的截面图，其包括根据图2D的传热装置46以及在单个芯片上实现的集成电路94的组合。在该实施例中，所述外延层96以及形成在其中的所述集成电路94设置在第一主表面38a处的热电装置46的连接垫48d、50d、52d及54d上。在该实施例中，所述热电偶48，50，52及54通过连接件166串联连接。根据图7B，将绝缘层160设置在所述基板38的第一主表面38a处，以便覆盖所述绝缘层44。
图7F示出了根据图7E的传热装置156以及根据图6C的热敏元件134的组合的截面图。所述热敏元件134设置在所述传热装置156的连接垫42中，其中所述集成电路94设置在其间。所述集成电路94形成在外延层96中并通过触头37a和37b与所述热电偶48的传导路径电连接。所述集成电路94可以被构造成处理所述热敏元件134的每个像素的信息或放大所述像素的信号。所述传热装置156可以用于对所述热电偶48（和/或集成电路94）进行冷却。因此，提高了所述热敏元件134的灵敏度。在所述集成电路94与所述传热装置158之间可以设置有绝缘层168。
参照图1，用于制造包括两个热电装置156和134的热电装置的方法进一步包括以下步骤：将另一个热电装置设置在相应热电装置的第一主表面上或第二主表面上。
根据另外的实施例，热电装置可以包括根据上述实施例的一堆传热装置以便提高传热。在上述实施例中，利用深沟槽蚀刻技术在单个芯片上实现叠层装置。
另外，在上述实施例中，已针对包括一个或多个沟槽或深沟槽的热电装置的情况对某些方面进行了描述，显而易见的是，这些方面还表示对相应热电装置的制造方法的描述，其中方框或装置对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，针对方法步骤描述的方面还表示对相应热电装置的相应的方框、项目或特征的描述。
上述实施例对本发明的原理来说仅仅是说明性的。应理解，对布置以及具体描述进行的修改和变更对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，本发明仅受所附专利的权利要求的限制，而不受本文中通过对实施例进行描述和阐述所呈现的具体细节的限制。
参照图2C，替换地，多个热电偶22可以串联地连接以增加输出电压。
参照根据图2C的热电装置32的制造方法，替换地，多个深沟槽40a、40b、40c及40d可以设置在基板38中，以使得在用绝缘和传导材料填充沟槽40a、40b、40c及40d之前，所述沟槽在基板38的整个厚度38t上延伸。
参照图3A和图3C，应该注意的是，开口部76和填充物76不必设置在深沟槽16之间。替换地，开口部和填充物可以设置在基板38区域中，在该区域中在第一和第二主表面38a和38b之间未设置热电偶。

Claims (31)

1.一种制造热电装置的方法，所述方法包括：
提供基板；
在所述基板中形成至少一个深沟槽；以及
形成至少一个热电偶，所述热电偶包括两条传导路径，其中，第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，使得至少所述第一传导路径嵌在所述基板的所述深沟槽中，所述第一传导路径和所述第二传导路径通过这两条传导路径的材料结在所述深沟槽的底部处直接电连接，其中除所述材料结之外，这两条传导路径沿着所述深沟槽彼此隔离，并且其中所述材料结包括所述第一传导路径的表面与所述第二传导路径的表面直接接触的界面，
其中，执行形成所述热电偶的步骤，以使得所述第一传导路径和所述第二传导路径嵌在所述深沟槽中并使得所述第二传导路径嵌在所述第一传导路径中；其中所述两条传导路径沿所述两条传导路径的长度通过一绝缘层隔离并在位于所述深沟槽的底部处的所述两条传导路径的端部处电连接。
2.根据权利要求1所述的制造热电装置的方法，其中，执行形成所述深沟槽的步骤，以使得所述深沟槽的深度与直径之比大于5:1。
3.根据权利要求1所述的制造热电装置的方法，其中形成所述深沟槽包括在所述基板中蚀刻以使得所述深沟槽从所述基板的第一主表面延伸所述基板的厚度的至少90％。
4.根据权利要求1所述的制造热电装置的方法，其中形成所述至少一个热电偶包括：
将绝缘层沉积在所述深沟槽中；以及
在沉积所述绝缘层之后，将至少所述第一传导材料沉积或填充在所述深沟槽中。
5.根据权利要求1所述的制造热电装置的方法，其中形成所述至少一个热电偶包括将所述第一传导路径和所述第二传导路径串联地电连接在一起，从而直接形成两种不同传导材料的材料结。
6.根据权利要求1所述的制造热电装置的方法，所述方法进一步包括：
形成多个所述深沟槽；以及
蚀刻所述基板的与第一主表面相对的第二主表面，使得开口部横向设置在多个所述深沟槽中的至少两个之间。
7.根据权利要求6所述的制造热电装置的方法，进一步包括利用与所述基板的热导率相比具有降低的热导率的材料填充所述开口部。
8.根据权利要求1所述的制造热电装置的方法，进一步包括：
形成多个所述深沟槽；
形成分别与多个所述深沟槽相关联的多个所述热电偶；以及
使至少两个热电偶串联地电连接在一起。
9.根据权利要求1所述的制造热电装置的方法，进一步包括将红外吸收层设置在所述基板的第一主表面上或第二主表面上，从而形成热电传感器。
10.根据权利要求9所述的制造热电装置的方法，进一步包括：
形成多个所述深沟槽；
形成包括分别与多个所述深沟槽相关联的所述红外吸收层的多个所述热电偶；以及
通过至少一个从所述第一主表面延伸的额外深沟槽隔离所述多个热电偶，从而形成红外传感器的一个或多个像素。
11.根据权利要求1所述的制造热电装置的方法，进一步包括将集成电路设置在所述热电装置的所述基板的第一主表面上或相对的第二主表面上。
12.根据权利要求1所述的制造热电装置的方法，进一步包括将另一个热电装置设置在所述基板的第一主表面上或相对的第二主表面上。
13.一种热电装置，包括：
基板，所述基板包括从其第一主表面延伸到所述基板的至少一个深沟槽；以及
至少一个热电偶，所述热电偶包括两条传导路径，其中第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，并且其中至少所述第一传导路径嵌在所述基板的深沟槽中，所述第一传导路径和所述第二传导路径通过这两条传导路径的材料结在所述深沟槽的底部处直接电连接，其中除所述材料结之外，这两条传导路径沿着所述深沟槽彼此隔离，并且其中所述材料结包括所述第一传导路径的表面与所述第二传导路径的表面直接接触的界面，
其中，所述热电偶的第一传导路径和第二传导路径嵌在所述深沟槽中，并且其中所述第二传导材料嵌在所述第一传导材料中，使得所述两条传导路径沿所述两条传导路径的长度通过绝缘层彼此隔离并在位于所述深沟槽的底部处的所述两条传导路径的端部处电连接在一起。
14.根据权利要求13所述的热电装置，其中，所述深沟槽的深度与直径之比大于5:1。
15.根据权利要求13所述的热电装置，其中，所述深沟槽延伸至所述基板内的一定深度，该深度为所述基板的厚度的至少90％。
16.根据权利要求13所述的热电装置，其中，所述第一传导路径和所述第二传导路径串联地电连接在一起，从而直接形成第一和第二传导材料的材料结。
17.根据权利要求13所述的热电装置，进一步包括：
多个所述深沟槽；以及
所述基板的开口部，其中所述开口部从所述基板的与所述第一主表面相对的第二主表面处延伸并横向设置在所述深沟槽中的两个之间。
18.根据权利要求13所述的热电装置，进一步包括多个所述深沟槽以及分别与多个所述深沟槽相关联的多个热电偶，其中所述多个热电偶中的至少两个串联地电连接。
19.根据权利要求13所述的热电装置，进一步包括设置在所述基板的所述第一主表面上或所述基板的相对的第二主表面上的集成电路。
20.根据权利要求13所述的热电装置，进一步包括设置在所述基板的所述第一主表面上或所述基板的相对的第二主表面上的另一个热电装置。
21.根据权利要求13所述的热电装置，进一步包括设置在所述基板的所述第一主表面上的红外吸收层，其中，所述热电装置被构造成响应于所述红外吸收层内部由红外光导致的温度变化而在所述第一传导路径与所述第二传导路径之间施加电流。
22.根据权利要求13所述的热电装置，其中，所述热电装置被构造成响应于所述第一主表面和相对的第二主表面之间的温度差在所述第一传导路径与所述第二传导路径之间施加电流；和/或
其中，所述热电装置被构造成响应于在所述第一传导路径与所述第二传导路径之间的施加电流而在所述基板的所述第一主表面与所述基板的第二主表面之间产生温度差。
23.根据权利要求13所述的热电装置，其中，所述热电偶是热电发生器、热敏元件或传热装置。
24.一种具有嵌入式集成电路的热电装置，包括：
基板，所述基板包括从所述基板的第一主表面延伸到所述基板中的深沟槽；
至少一个热电偶，所述热电偶包括两条传导路径，其中第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，并且其中至少所述第一传导路径嵌在所述基板的所述深沟槽中；
所述第一传导路径和所述第二传导路径通过这两条传导路径的材料结在所述深沟槽的底部处直接电连接，其中除所述材料结之外，这两条传导路径沿着所述深沟槽彼此隔离，并且其中所述材料结包括所述第一传导路径的表面与所述第二传导路径的表面直接接触的界面，以及
设置在所述基板的第一主表面上或相对的第二主表面上的集成电路，
其中，所述热电偶的第一传导路径和第二传导路径嵌在所述深沟槽中，并且其中所述第二传导材料嵌在所述第一传导材料中，使得所述两条传导路径沿所述两条传导路径的长度通过绝缘层彼此隔离并在位于所述深沟槽的底部处的所述两条传导路径的端部处电连接在一起。
25.根据权利要求24所述的具有嵌入式集成电路的热电装置，其中，所述深沟槽的深度与直径之比大于5:1。
26.一种能量收集系统，包括：
基板，所述基板包括从所述基板的第一主表面延伸到所述基板中的至少一个深沟槽；
至少一个热电偶，其包括两条传导路径，其中，第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，并且其中至少所述第一传导路径嵌在所述基板的所述深沟槽中；
所述第一传导路径和所述第二传导路径通过这两条传导路径的材料结在所述深沟槽的底部处直接电连接，其中除所述材料结之外，这两条传导路径沿着所述深沟槽彼此隔离，并且其中所述材料结包括所述第一传导路径的表面与所述第二传导路径的表面直接接触的界面，
其中，所述能量收集系统被构造成将所述基板的所述第一主表面与所述基板的相对的第二主表面之间的温度差转换为电能；以及
被构造成存储所述电能的电容器。
27.根据权利要求26所述的能量收集系统，其中，所述深沟槽的深度与直径之比大于5:1。
28.一种传热装置，包括：
基板，所述基板包括从所述基板的第一主表面延伸到所述基板中的至少一个深沟槽；
至少一个热电偶，所述热电偶包括两条传导路径，其中，第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，并且其中至少所述第一传导路径嵌在所述基板的所述深沟槽中；
所述第一传导路径和所述第二传导路径通过这两条传导路径的材料结在所述深沟槽的底部处直接电连接，其中除所述材料结之外，这两条传导路径沿着所述深沟槽彼此隔离，并且其中所述材料结包括所述第一传导路径的表面与所述第二传导路径的表面直接接触的界面，
其中，所述传热装置被构造成响应于在所述第一传导路径与所述第二传导路径之间的施加电流而在所述基板的所述第一主表面与所述基板的相对的第二主表面之间产生温度差。
29.根据权利要求28所述的传热装置，其中，所述深沟槽的深度与直径之比大于5:1。
30.一种热敏元件，包括：
基板，所述基板包括从所述基板的第一主表面延伸到所述基板中的至少一个深沟槽；
至少一个热电偶，所述热电偶包括两条传导路径，其中第一传导路径包括第一传导材料，第二传导路径包括第二传导材料，并且其中至少所述第一传导路径嵌在所述基板的所述深沟槽中；
所述第一传导路径和所述第二传导路径通过这两条传导路径的材料结在所述深沟槽的底部处直接电连接，其中除所述材料结之外，这两条传导路径沿着所述深沟槽彼此隔离，并且其中所述材料结包括所述第一传导路径的表面与所述第二传导路径的表面直接接触的界面，
其中，所述热电偶包括设置在所述基板的所述第一主表面上的红外吸收层，并且其中所述热电偶被构造成响应于所述红外吸收层内部的由红外光导致的温度变化而在所述第一传导路径与所述第二传导路径之间施加电流。
31.根据权利要求30所述的热敏元件，其中，所述深沟槽的深度与直径之比大于5:1。
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