CN105098053A - 晶片级热电能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶片级热电能量收集器。集成电路可以包括基板和形成在基板上的介电层。多个p型热电元件和多个n型热电元件可设置在介电层内。p型热电元件和n型热电元件可以串联连接，并同时在p型和n型热电元件之间交替。

Description

晶片级热电能量收集器

相关申请

本申请是于2013年1月8日提交的美国申请序列号13/736783的延续部分，在此引入作为参考。

技术领域

本申请的主题涉及一种热电能量收集，并且更具体地涉及一种集成单芯片热电能收获。

背景技术

热电设备将热(例如，热能)转换成电能。热电设备的热侧和冷侧之间的温度差在所述热电设备的半导体材料中移动电荷载体来产生电能。热电设备的材料被选择成使得它是电的良导体以产生电流流动，但热的不良导体以保持热电设备的双侧之间的必要热量差异。当所述热电元件的一侧被放置在热源(例如，引擎或电路)附近时，可以产生温度差，使得所述热电元件的一侧更热。

由所述热电设备生成的能量量至少取决于温差、热电设备中材料的类型和热电设备的大小。例如，设备的热侧和冷侧之间有较大的温度差可以产生更大的电流流动。此外，具有产生电流流动的较大表面面积和/或较大材料的热电设备常规上产生更多的电能。这些不同的因素取决于对热电设备被使用的应用进行调整。

越来越关注于缩小热电设备的尺寸用于新的应用(例如，自可持续传感器或移动设备)，并产生其可以是集成电路的一部分的热电设备。然而，按比例缩小热电元件的尺寸引入了新的挑战，诸如产生足够的能量并保持制造成本较低。此外，热电装置内的常规材料和/或材料安排可以不为某些应用提供所需能量。其他挑战包括处理在集成电路中影响相邻组件的寄生热损失。

因此，本发明人已经确定本领域需要包括高能量密度的小规模热电设备是成本低的并解决寄生热损失。

附图说明

因此，可以理解本发明的特征，多个附图的说明如下。但应当指出，所附附图仅仅示出本公开的具体实施例，因此不应被视为其范围的限制，因为本发明可包括其它同等有效的实施例。

图1A和1B示出根据本发明实施例的热电能量收集器的示例性配置。

图2示出根据本发明实施例的热电能量收集器100的立体图。

图3示出根据本发明另一实施例的热电能量收集器的示例性配置。

图4示出根据本发明实施例具有封盖结构的热电能量收集器的示例性配置。

图5示出根据本发明另一实施例的热电能量收集器的示例性配置。

图6A-6C示出根据本发明的另一实施例的热电能量收集器的示例性配置。

图7A-7C示出根据本发明的另一实施例的热电能量收集器的示例性配置。

图8示出了根据本发明实施例的热电能收集器的示例性配置。

图9A-9B示出根据本发明另一实施例的热电能量收集器的示例性配置。

具体实施方式

本发明实施例可提供能够在集成电路中提供的热电能量收集器。在一个实施例中，集成电路可包括基板和在基板上形成的介电层。多个p型热电元件和多个n型热电元件可设置在介电层内。p型热电元件和n型热电元件可以交替的方式串联电连接。响应于热施加到热电元件的一侧上，可以在各热电元件中产生电子流以提供电能。

在另一个实施例中，当在p型和n型热电元件之间交替时，盖帽可以在基板上设置以包围在基板上设置和串联连接的多个p型和n型热电元件。真空或低压可保持热电元件之间。盖帽和真空或低压可降低到集成电路周围区域的寄生热损失，从而保持沿着热电元件的较大热梯度。

在一个实施例中，密封件可以由环绕有源热电元件的虚设结构而形成。真空或低压可保持热电元件之间和/或之内的密封。虚设结构可以是环形的形式，并且可以在制造工序中使用一些相同的步骤来形成，用于形成有源热电元件。密封件也可以用于防止在制造过程中污染物进入到有源热电元件。

在一个实施例中，活性热电元件可以水平倾斜和竖直倾斜，即相对于整个集成电路的热梯度方向在两个维度倾斜，以便最大化通过每个活动的热电元件的热长度(热能流动的长度)。

在一个实施例中，所有串联连接的多个热电元件可以包括仅一种类型的热电元件，即串联连接的仅n型或仅p-型。纯粹的n型或纯p型热电能量收集器可以更简单以使用更少的工艺步骤制造。

图1A示出根据本发明实施例的热电能量收集100的示例性配置。热电能量收集器100可包括基板层130上方的和介电层120内的热电元件110A、110B。多个热电元件110A、110B可以包括不同类型的热电材料的元件(例如，p型和n型)。热电元件110A、110B可以相互连接，使得响应于第一侧(例如，热侧)和第二侧(例如，冷测)之间的温度梯度，每个热电元件有助于由所述热电能量收集器100提供的总能量。热接触层140可以在介电层120上方提供，以支持所述第一侧和所述第二侧之间的温度梯度。热接触层140可以由作为良好热导体的材料制成。

如图1A所示，热电能收集器100可包括设置有介电层120的垂直结构，并且可以被形成为单个晶片。热电能量收集器100的晶片级结构允许它与基板130之上或邻近的其他集成电路部件(图1A中未示出)集成。

如所示，热电元件110A、110B可以包括不同类型的热电材料(例如，p型和n型)。响应于两个端部之间的温度差，热电元件110A、110B的热电材料可以被选择以从热电元件的一端到相对端产生不同极性的电荷载体流动。在包括p型材料的热电元件110A中，正电荷载体从热端流动到相对冷端。与此相反，在包括n型材料的热电元件110B中，电子从具有热源的一端流动到较冷的相对端。

多个热电元件110A、110B可以连接成阵列，并在相邻的热电元件110A和110B中交替材料的类型(例如，n型和p型之间)。以这种方式，跨越热电元件110A和110B开发的电压和/或电流可以被一起求和以产生超过热电元件110A和110B分别进行的更大聚集电压和/或电流。例如，具有p型材料的热电元件110A可串联连接具有n型材料的热电元件110B。热电元件110A、110B可以被布置，使得给定热电元件的所有相邻热电元件包括不同于给定热电元件的材料的材料类型。热电元件110A和110B的阵列的输出可并联连接，以在特定应用中提供所需的能量。互连150可以连接热电元件110A和110B到相邻的热电元件110A和110B。

虽然每个热电元件110A、110B可以提供少量的能量(例如，毫伏)，在阵列中连接热电元件110A、110B可提供特定应用所需的较高能量。当热施加到所述热电能收集器100的一侧时，在具有p型材料的热电元件110A中的电子将从热电元件110A的低温侧流至高温侧，和在具有n型材料的热电元件110B中的电子将从热电元件110B的高温侧流至低温侧。因此，如果热电元件110A串联连接热电元件110B，形成了热电偶，电子就会从p型材料的冷侧流向p型材料的热侧，经由互连150进入n型材料的热侧，并且进入n型材料的冷侧。在各热电元件110A、110B所产生的能量相组合并在热电能收集器100的输出端提供。

图1B示出等效于图1A中所示的热电能收集器100的电路。跨越热电元件110A和110B发展的电压由Vp与Vn表示。各个电压和/或电流可以被加在一起以提供聚合输出电压Vout，并在引流的情况下，电压被相加以获得可以驱动常规低功率电子电路的有用电压。

图1A并不按比例绘制，但描述在一个实施例中收集器100的粗略尺寸。热电元件110A、110B可以具有最大化邻近于介电层120的热电元件110A、110B的表面的形状。热电元件110A、110B可以具有矩形的形状，两侧具有相邻于介电层120的较长端，和相邻于互连150的短边。在另一个实施例中，热电元件110A、110B的至少一侧也可以是正方形。

热电元件110A、110B的材料可以被这样选择，使得热电元件110A、110B的热电阻器小于电介质层120的热阻，使得该介电层不会引起太多的热分流。热电元件110A、110B的高热电阻仍需要确保良好的温度差被维持在热电元件110A、110B的热侧和冷侧之间。热电元件110A、110B的热电阻可以通过控制热电元件110A、110B的掺杂水平或通过引入散射元件以增加热电元件110A、110B的光子散射增加，而不会影响太多的电传导。与热电元件110A、110B的相对端相比，掺杂水平或散射元素的浓度可以在热电元件110A、110B的一端增加或减少。

例如，热电元件110A可以是p型BixSb2-xTe3，以及热电元件110B可以是n型Bi2Te3-xSex。介电层120可以是聚酰亚胺，因为它具有低的导热性，有助于对热电元件的加工。热接触层140可以是任何电绝缘但导热的层。在一个实施例中，热接触层140可以由多层组成。例如，该热接触层140可包括薄的非导电层，例如氧化物或氮化物和一种或更多的顶端较厚的金属层以提高热传导。热接触层140可以在界面处提供对电互连层150的绝缘，以防止电互连层150的电短路。基板130可以是具有足够厚度的任何半导体基板以促进在底侧的热传导。虽然配置基板130为冷侧和顶部热接触层140为热侧被示出，该装置还可以作为基板130为热侧和顶部热接触层140为冷侧。

该互连150可以被包括在热电元件的热侧和冷侧，以连接相邻的热电元件。热电元件可包括耦合到第一热电元件的热侧上的第一互连和耦合到第二热电元件的冷侧上的第二互连。在第一和最后的热电元件110A、110B的互连150可以是输出端子以连接到其它电路元件(例如，外部电路、负载或能量储存设备)。互连150可以包括半导体材料或金属连接器(例如，金、铜或铝)。

在示例性实施例中，介电层120可以是高介电击穿的材料，诸如聚酰亚胺、二氧化硅、氮化硅等。介电层120可以电绝缘热电元件110A、110B。介电层120可以抑制热量传导远离热电元件110A、110B。介电层120可以具有比在基板130和/或热电元件110A、110B低的热导率。介电层120可以在四边围绕热电元件110A、110B以热分流热电元件110A、110B并允许热梯度被跨越热电元件110A、110B开发以及允许大部分热量前往热电能收集器100的侧面。与基板130和/或热接触层140的热阻相比，热电元件110A、110B的高热阻使得热梯度跨越热电元件降落而不是热接触层或基板130。因此，最大温度差被维持在热电元件110A、110B的热侧和冷侧之间。

阻挡金属160可包括在热电元件110A、110B和互连150之间，以从金属互连150隔离热电元件110A、110B的半导体材料，同时保持热电元件110A、110B和互连150的之间的电连接。阻挡金属160可被包括，以防止所述互连150扩散到热电元件110A、110B的半导体材料。

当热施加到热电能收集器100的一侧(例如，热侧)时，电子在具有p型材料110A的热电元件中在一个方向流动，并在具有n型材料的热电元件110B中在另一个方向流动。因为热电元件110A、110B串联连接，在各个热电元件110A、110B所产生的能量组合以在热电能收集器100的输出提供组合能量。传入热量由热接触层140分布到热电元件110A、110B的热侧，并同时基板130冷却热电元件110A、110B的低温侧。

图2示出根据本公开实施例的热电能量收集器200的透视图。如图2所示，热电元件210A、210B在基板层230之上。电介质层220设置在基板层230上方，以彼此电隔离所述热电元件210A、210B。热电元件210A、210B可以被布置成阵列，使得在相邻的热电元件210A和210B中热电元件210A、210B同时交替材料的类型(例如，n型和p型之间)。互连250可以串联连接热电元件210A、210B。热接触层240可分散施加的热到热电元件210A、210B。

图3示出根据本发明另一个实施例的热电能量收集300的的示例性配置。热电能量收集器300可包括基板层330上方和基板层330上方的介电层320内的多个热电元件310A、310B。热电元件310A、310B可以被布置成阵列，同时在相邻的热电元件310A和310B中交替材料的类型(例如，n型和p型之间)。多个热电元件310A、310B可以经由互连350被串联连接。热接触层340可以提供在热电元件310A、310B之上以消散施加到热电能收集器300的热量。

热电能量收集器300可包括热接触层340和介电层320之间的附加基板层370。基板层370可具有高的热导率以从外部热源散热。基板层370可以是氮化铝基板。

热电能量收集器300可包括在基板330中和/或在基板330的表面上的一个或多个电路元件380。电路元件380可耦合热电能量收集器300的输出端。电路部件380可以接收由热电能量收集器300所产生的能量和/或控制热电能量收集器300。电路元件380可以是由热电能量收集器300供电的传感器的一部分(例如，汽车传感器、医疗植入物和/或无线传感器)。在一个实施例中，电流可经由所述电路元件380被提供给热电能收集器300的热电元件310A、310B，以用作冷却器。充当冷却器的热电能量收集器300可冷却在基板330内电路元件380或设置接近或在基板的表面之上。施加于热电元件310A、310B的电流可产生电荷载体的流动，可产生流热电能量收集器300两侧之间的温度差异，其可以用于冷却电路元件380。

阻挡金属360可包括在热电元件310A、310B和互连350之间，以隔离热电元件310A、310B和金属互连350的半导体材料，同时保持热电元件310A、310B和互连350之间的电连接。

图4示出根据本公开的实施例具有封盖结构的热电能收集器400的示例性配置。热电能量收集器400可包括加帽基板470以包围在基板430上方提供的热电元件410A、410B。加帽基板470可允许低压或真空，以保持在基板430和加帽基板470之间。

加帽基板470可包围所述加帽基板470和基板410之间的热电元件410A、410B。加帽基板470可在压力或真空下附着到基板410，使得低压或真空设置围绕热电元件410A、410B。

加帽基板470和/或低压或真空可减少热电元件410A、410B周围区域的寄生热损失。降低寄生的热损失使得热电能量收集400可以按比例缩小，并包括作为集成电路的一部分。在小级别降低寄生热损失使得其它电路要与热电能收集器400包括在一起。

加帽基板470可以允许更多的能量来通过所述热电能量收集器400收集。真空或低压收获允许热电元件410A、410B的热和冷侧之间的温度梯度被最大化。

类似于图1-3中所示的实施例，热电元件410A、410B可以被布置成阵列，具有在相邻的热电元件410A和410B中交替的材料类型(例如，n型和p型之间)。多个热电元件410A、410B可经由互连450串联连接。热接触层440可以提供在热电元件410A、410B之上以消散热电元件410A、410B的热量。

阻挡金属460可包括在热电元件410A、410B和互连450之间，以从互连450隔离热电元件410A、410B的材料，同时保持热电元件410A、410B和互连450之间的电连接。

在一个实施例中，在将加帽基板470接合到基板430之前，p型和n型可以都被设置在所述加帽基板470和基板430中的一个上。在另一个实施例中，在将加帽基板470接合到基板430之前，p型热电元件可以被设置在所述加帽基板470和基板430中的一个上，以及n型热电元件可以设置在所述加帽基板470和基板430的另一个上。将加帽基板470接合到基板430将耦合p型热电元件和n型热电元件。

如图1-4所示，热电元件被示出为具有矩形的垂直结构。然而，热电元件可以包括各种形状和取向。图5示出的热电能量收集500的根据本发明另一实施例的示例性配置。热电能量收集器500可以包括多个热电元件510A，510B基板层530上方和基板层530的热电元件510A上方的介电层520内，510B可以被布置成阵列，同时交替材料的类型(例如，n型和p型之间)，在相邻的热电元件510A和510B。所述多个热电元件510A，510B可以被串联连接，经由互连550层540可以被上述热电元件510A提供一热接触，510B消散施加到热电能收集器500的热量。

如图5所示，热电元件510A和510B可以是倾斜的。此外，热电元件510A和510B可包括连接部510C上的一个或热电元件510A和510B的连接到该互连两端550.介电层520可以允许热电元件510A和510B包括各种形状和方向。热电元件510A和510B的方向和/或形状，可以改变基于可用空间用于热电能收集器500和/或系统的性能要求。改变热电元件510A的取向和510B可能会减少可用的空间(例如，垂直空间)，同时最大限度地提高热电元件510A的表面积和510B是邻近于介电层520。

图6A示出了热电能量收集600的根据本发明实施例的示例性配置。热电能量收集器600可包括基板层630上方的多个热电元件610A、610B。热电元件610A、610B可以包括不同类型的热电材料(例如，p型和n型)的元件。热电元件610A、610B可以相互连接，使得响应第一侧(例如，热侧)和第二侧(例如，冷侧)之间的温度梯度，每个热电元件有助于由热电能量收集器600提供的总能量。加帽基板640可以设置在热电元件610A、610B上方，以支持所述第一侧和所述第二侧之间的温度梯度。所述加帽基板640可以由是良好热导体的材料制成。

虚设结构670可围绕热电元件610A、610B提供，以在水平方向上形成热电元件610A、610B周围的密封件。真空或低压可保持热电元件之间和/或之内的密封。虚设结构670可以是环的形式，并且可以使用用于形成有源热电元件的制造工序的一些相同步骤来形成。密封件也可以用于防止在制造过程中污染物进入到有源热电元件。此外，虚设结构670可以减少热传导，从而在水平方向上降低热量损失。

如图6A所示，热电能收集器600可以分别在两个不同基片630和640上与热电元件610A、610B形成。在此例如，基板640可以形成为N型元件，以及基板630可以形成为p型元件。虚设结构670也可以形成在基片630和640之一上。虚设结构670可以从n型热电材料或p型热电材料制成，但也可以通过断开虚设结构670而处于非活动状态。在这样做时，虚设结构670可形成为使用相同步骤用于形成热电元件610A和610B的制造过程的一部分，而不需要额外的步骤。

在一个实施例中，虚设结构670可以由聚酰亚胺材料制成，因为它具有低的热导率并有助于对热电元件的加工。

在制造过程中，加帽基板可以具有划线/凹口690切割或蚀刻到基板640，以定义单独的集成电路管芯的轮廓。所述加帽基板640可以被反转，对准并安装(通过金属互连)基板630，以使得热电元件610A和610B被连接到各种互连650，以在电路路径中形成交替的热电元件610A和610B的字符串。此外，虚设结构670也可以附接在基板630和640之间，以形成密封。在所述安装工序中，可在热电元件610A和610B之间及的虚设结构670的密封件内部来形成真空或低压。加帽基板640可需要被研磨为薄层(即到预定抛光线695)。这可能使所述加帽基板640变薄并因此更加热传导，并且还暴露划线/凹口690。

因为划线/凹口690可以被暴露，如果没有虚设结构670的密封件，污染物和颗粒可以在抛光步骤引入在热电元件610A和610B之间。因此，该虚设结构670有助于形成真空或低压，以及防止在制造过程中的污染。

热电能收集器的晶片尺度结构600允许它在或接近基板630和640与其他集成电路部件(图6A中未示出)集成。

图6B和6C进一步示出所形成的收集器600。图6B例如示出在安装两个基板630和640之后以及经过曝光划线/槽口690的抛光步骤完成之后的收集器600。图6C示出收集器600的一般俯视图以及虚设结构670周围的热电元件610A和610B的环密封件。

如图所示，热电元件610A、610B可以包括不同类型的热电材料(例如，p型和n型)。响应于两个端部之间的温度差，热电元件610A、610B的热电材料可以被选择为产生从热电元件的一端到相对端的不同极性的电荷载体的流动。在包括p型材料的热电元件610A中，正电荷载体从热端流动到相对冷端。与此相反，在包括n型材料的热电元件610B中，电子从具有热源的一端流到较冷的相对端。

多个热电元件610A、610B可以连接在阵列中，并在相邻的热电元件610A和610B交替材料的类型(例如，n型和p型之间)。以这种方式，跨越热电元件610A和610B开发的电压和/或电流可以被一起求和以产生超过热电元件610A和610B分别进行的更大的聚集电压和/或电流。例如，具有p型材料的热电元件610A可串联连接具有n型材料的热电元件610B。热电元件610A、610B可以被布置，使得给定热电元件的所有相邻热电元件包括不同于给定热电元件的材料的材料类型。热电元件610A和610B的阵列的输出可并联连接，以在特定应用中提供所需的能量。互连650可以连接热电元件610A和610B到相邻的热电元件610A和610B，并且可以进一步连接到焊盘680(它可以被用于接合到外部连接)。

虽然每个热电元件610A、610B可以提供少量的能量(例如，毫伏)，在阵列中连接热电元件610A、610B可提供特定应用所需的较高能量。当热施加到热电能收集器600的一侧上时，具有p型材料的热电元件610A中的电子将从热电元件610A的低温侧流至热侧，和具有n型材料的热电元件610B中的电子将从热侧流至热电元件610B的冷侧。因此，如果热电元件610A被串联连接热电元件610B，形成热电偶，电子就会从p型材料的冷侧流向p型材料的热侧，经由互连650进入n型材料的热侧，并且进入n型材料的冷侧。在各热电元件610A、610B所产生的能量相组合，并在热电能收集器600的输出端提供。

图6A是不按比例绘制，但描述在一个实施例中的收集器600的粗略尺寸。热电元件610A、610B可以具有最大化热电元件610A、610B的长度的形状。热电元件610A、610B可具有矩形形状，侧边在垂直方向上具有比相邻于互连650的短边更长的长度。在另一个实施例中，热电元件610A、610B的至少一个侧面可以是正方形。此外，虚设结构670的尺寸可以使得由虚设结构670形成的密封的整体水平面积相对于使用密封件密封的所有热电元件610A、610B的横向区域最小化。这可有助于收集器600最小化通过虚设结构670的热传导，并也最小化在水平方向的热损失。

例如，热电元件610A可以是p型BixSb2-xTe3，以及热电元件610B可以是n型Bi2Te3-xSex。封盖基板640可以由半导体基片(如n型晶片)来形成，并且可以是导热层。在一个实施例中，封盖基板640可以由多层组成。例如，封端基板640可包括薄的非导电层(诸如，氧化物或氮化物)和一种或更多的顶端较厚的金属层以提高热传导。封盖基板640可以在界面提供到电互连层650的绝缘，以防止电互连层650的电短路。基板630可以是具有足够厚度的任何半导体基板，以在底侧促进热传导。虽然示出基板630作为冷侧和顶部封盖基板640作为热侧的配置，该装置还可以用作基板630用作热侧和顶部封盖基板640作为冷侧。

该互连650可以被包括在热电元件的热侧和冷侧上，以连接相邻的热电元件。热电元件可包括在热侧耦合到第一热电元件的第一互连和在冷侧连接到第二热电元件的第二互连。在第一和最后的热电元件610A、610B的互连650可以是连接到其它电路元件(例如，外部电路，负载或能量储存装置)的输出端子。互连650可以包括半导体材料或金属连接器(例如，金、铜或铝)。

虚设结构670可以在四边围绕热电元件610A、610B，以热分流热电元件610A、610B并允许热梯度在热电元件610A、610B被开发，以及允许大多数热量行进到热电能量收集器600的侧边。与基板630和/或封盖基板640的热阻相比，热电元件610A、610B较高热阻使得热梯度跨越热电元件，而不是热接触层或基板630。因此，最大温度差被维持在热电元件610A、610B的热侧和冷侧之间。

尽管虚设结构670的密封件可以物理上是连续环，而没有任何开口，以便维持其中的真空(或单独的气体)，如果其中的真空(或单独的气体)是不需要的，那么虚设结构670可以具有水平方向中的开口。

阻挡金属660可包括在热电元件610A、610B和互连650之间，以从金属互连650隔离热电元件610A、610B的半导体材料，同时保持热电元件610A、610B和互连650之间的电连接。阻挡金属660可被包括，以防止所述互连650扩散到热电元件610A，610B的半导体材料。

当热施加到热电能收集器600的一侧(例如，热侧)时，电子在具有p型材料610A的热电元件中在一个方向流动，并在具有n型材料的热电元件610B中在另一个方向中流动。因为热电元件610A、610B串联连接，各个热电元件610A，610B以在所述热电能收集器600的输出提供相组合的能量。传入热量由所述封盖基板640分布到热电元件610A、610B的热侧，而基板630冷却热电元件610A、610B的冷侧。

图7A-7C示出根据本发明另一实施例的热电能量收集器700的示例性配置。

热电能量收集器700可包括基板730和封盖基板740之间的多个热电元件710A、710B。热电元件710A710B可以包括不同类型的热电材料的交替元件(例如，p型和n型)。热电元件710A、710B可以电连，使得响应于第一侧(例如，热侧)和第二侧(例如冷侧)之间的温度梯度，每个热电元件有助于由所述热电能量收集器700所提供的总能量。

如图7所示，热电元件710A、710B可以具有至少是所述热电元件710A、710B的高度的运行长度。在一个实施例中，热电元件710A、710B可以是倾斜的。倾斜热电元件710A、710B可以具有矩形或圆柱形形状。在另一个实施例中，热电元件710A、710B可以具有圆锥形状或棱锥形状。在一个实施例中，在热电元件的每一行中，热电元件710A可以在一个方向倾斜，以及热电元件710B可以在相反的方向倾斜。

热电元件710A、710B的各种形状允许热电能收集器700具有半垂直或准横向的结构。热电元件710A、710B的这些形状可允许热电能收集器700的厚度相对于图1中所示的垂直热电元件减小。热电元件710A、710B的形状和深度可以被选择以最大化所述热电元件的表面面积，同时保持热电能收集器700的厚度固定。

热电元件710A和710B可以形成在具有低热导率的热塑料720(例如，聚酰亚胺)上。热塑料720可提供用于热电元件710A和710B的支撑。热电元件710A和710B的支撑可设置在热塑料720的倾斜表面上。热塑料720可允许热电元件710A和710B包括不同的形状和取向。热电元件710A和710B的方向和/或形状可基于热电能收集器700的可用空间和/或系统的性能要求改变。改变热电元件710A和710B的取向和/或形状可以减少垂直空间，同时最大限度地提高热电元件710A和710B的表面积和热长度。

热电元件710A和710B和第二热导体730之间的空间790可以未被填充(例如，设置有一真空)。在一个实施例中，热电元件710A和710B和所述封盖基板740之间的空间790可填充有空气或气体。在另一个实施例中，热电元件710A和710B和所述封盖基板740之间的空间790可以填充电介质或聚酰亚胺。

热电元件710A和710B可在连接到互连750的热电元件710A和710B的一端或两端上包括连接部710C。互连750，其可以是铜或金，可以沉积在基板730和740的表面上。在一个实施例中(未示出)，热电元件710A和710B可直接通过互连750和经由连接部710C相连接。互连750可以连接热电元件710A和710B和相邻的热电元件710A和710B，并且可进一步连接到通孔和垫780(其可用于接合到外部连接)。

加帽基板740可以设置附加的互连750，用于连接和集成收集器700。热电能收集器700的晶片尺度结构允许它与其它集成电路部件(未示出)被集成形成为热电能收集器700的一部分或附近。

虚设结构770形成在热塑性720A上，可以围绕热电元件710A、710B，以在水平方向上形成围绕所述热电元件710A、710B的密封件。真空或低压可保持热电元件之间和/或之内的密封。虚设结构770和720A可以是环的形式，并且可以使用一些在用于形成有源热电元件的制造工序相同的步骤来形成。密封件也可以使用，以防止污染物在制造过程中进入到有源热电元件。此外，虚设结构770和720A可以减少热传导，从而降低在水平方向上的热量损失。

虚设结构770可以在热塑料720A上由n型热电材料或p型热电材料形成，但是可以通过断开虚设结构770变成非活动。在这样做时，使用用于形成热电元件710A和710B相同的步骤，虚设结构770和720A可被形成为制造过程的一部分，而不需要额外的步骤。

没有虚设结构770及720A的密封，污染物和颗粒可以在抛光步骤期间引入在热电元件710A和710B之间。因此，该虚设结构770及720A有助于形成真空或低压，以及防止在制造过程中的污染。

图7B示出收集器700的不同版本。互连750可以直接连接到垫780(不使用任何额外的金属层和互连)。这进一步减少了在制造过程中的步骤数目。这里虚设结构770进一步减少水平区域，以使它们在热塑料720A的底侧上电隔绝金属互连。

图7C示出在热电元件710A和710B周围具有虚设结构770的环密封件的收集器700的一般俯视图。虚设结构770(未示出)形成在热塑料720A的环上，形成围绕热电元件710A和710B的密封。热电元件710A和710B分别形成在热塑料720上，其例如示为环内侧的“岛”。在此，热塑料“岛”720示为独立于热塑料环720A。然而，热塑料720和720A可物理地连接在网格配置中。

图8示出根据本发明另一实施例的热电能收集器800的示例性配置。

热电能量收集器800可包括形成在热塑料岛820(类似于热塑性塑料在图7A-7C720)上的多个热电元件810A、810B，并且通过金属互连850电连接。热电元件810A、810B可以包括不同类型的热电材料(例如，p型和n型)的交替元件。热电元件810A、810B可以相互电连接，使得响应于第一侧(例如，热侧)和第二侧之间(例如冷侧)的温度梯度，每个热电元件有助于由所述热电能量收集器800所提供的总能量。

如图8所示，热电元件810A、810B可以具有至少是热电元件810A、810B的高度的运行长度。在一个实施例中，热电元件810A、810B可以同时在水平方向和垂直方向是倾斜的或斜的。倾斜的热电元件810A、810B可以具有矩形或圆柱形形状。在另一个实施例中，热电元件810A、810B可以具有圆锥形状或棱锥形状。在一个实施例中，在热电元件的每一行中，热电元件810A可以在一个方向是倾斜的，述热电元件810B可在相反方向是倾斜的(水平和垂直方向)，具有Z字形图案。

热电元件810A、810B的各种形状允许热电收集器800具有半垂直或准横向的结构。热电元件810A、810B的这些形状可允许热电收集器800的厚度相比于图1所示的热电元件减少。热电元件810A、810B的形状和深度可被选择以最大化热电元件的表面区域，并保持热电收集器800的厚度固定。

因此，给出热电收集器800的相同总尺寸，热电元件810A和810B可以水平倾斜和竖直倾斜，即相对于整个集成电路的热梯度方向在两个维度倾斜，以便最大化通过每个有源热电元件的热长度(热能流动的长度)。

图9A示出根据本发明实施例的热电能量收集器900的示例性配置。热电能量收集器900可以包括基板层930之上的多个热电元件910A。系列内的热电元件910A可以包括相同类型的热电材料(例如，仅p型或仅n型)的元件。热电元件910A可以相互连接，使得响应于第一侧(例如，热侧)和第二侧(例如，冷侧)之间的温度梯度，每个热电元件有助于热电能收集器900所提供的总能量。热接触层940可以被提供，以支持所述第一侧和所述第二侧之间的温度梯度。热接触层940可以由是良好热导体或者可具有一层良好热导体的材料制成。

如图9A所示，热电能收集器900可以包括垂直结构，并且可以形成为单晶片。热电能量收集900的晶片级结构允许它与基板930上或邻近的其他集成电路部件(图9A未示出)集成。

如所示，系列内的热电元件910A可以包括相同类型的热电材料(例如，仅p型或仅n型)的元件。响应于所述两个端部之间的温度差，热电元件910A的热电材料可以被选择为产生不同极性的电荷载体从热电元件的一端到相对端的流动。在包括p型材料的热电元件910A中，正电荷载体从热端流动到相对冷端。

该多个热电元件910A可以通过连接相邻的热电元件910A的相反的极性端(即，一个热电元件910A的顶端连接到相邻的热电元件910A的底端)被连接在阵列组成。以这种方式，跨越热电元件910A开发的电压和/或电流可以被一起求和，以产生超过热电元件910A单独进行的更大聚集电压和/或电流。热电元件910A的阵列输出可并联连接，以在特定应用提供所需的能量。互连950和970可以将热电元件910A连接到相邻的热电元件910A。每个系列可以只包括同型的热电材料(例如，仅p型或仅n型)。但是，不同类型的热电材料的不同系列(例如，p型系列和n型系列)可集成在一起。

虽然每个热电元件910A可以提供少量的能量(例如，毫伏)，连接热电元件910A的阵列可向所需的特定应用提供较高的能量。当热施加到所述热电能收集器900的一侧上，具有p型材料的热电元件910A的电子从冷侧流至热电元件910A的热侧。在各热电元件910A产生的能量被合并，并在热电能收集器900的输出端提供。

图9B示出等效于图9A中所示的热电能收集器900的电路。跨越热电元件910A开发的电压由Vp表示(对于p型热电元件910A)。各个电压和/或电流可以被加在一起以提供聚合输出电压Vout，并在引流的情况下，电压被相加，以获得可以驱动常规的低功率电子电路的有用电压。

图9A不按比例绘制，但描述在一个实施例中收集器900的粗略尺寸。热电元件910A可具有各种不同的尺寸和形状。

热电元件910A可以是纯粹的p型BixSb2-xTe3或者可以是纯粹的n型的Bi2Te3-xSex。热接触层940可以是任何电绝缘但导热的层。在一个实施例中，热接触层940可以由多层组成。例如，该热接触层940可包括薄的非导电层，例如氧化物或氮化物和一种或更多顶端较厚的金属层，以提高热传导。热接触层940可以在界面处提供到电互连层950的绝缘，以防止电互连层950的电短路。基板930可以是具有足够厚度的任何半导体基板，以在底侧促进热传导。虽然基板930作为冷侧和顶部热接触层940作为热侧的配置被示出，该装置还可以用作基板930作为热侧和顶部热接触层940作为冷侧。

互连950可以被包括在热电元件的热侧和冷侧，以连接相邻的热电元件。热电元件可包括在热侧耦合到第一热电元件的第一互连和在冷侧连接到第二热电元件的第二互连。在第一和最后热电元件910A的互连950可以是连接到其它电路元件(例如，外部电路、负载或能量储存设备)的输出端子。互连950和970可包括半导体材料或金属的连接器(例如，金、铜或铝)，或者甚至有机电导体。互连970可以金属通孔。

阻挡金属960可包括在热电元件910A和互连950之间，以从金属互连件950分离热电元件910A的半导体材料，同时保持热电元件910A和互连950之间的电连接。阻挡金属960可被包括，以防止互连950扩散到热电元件910A的半导体材料。

虽然本发明已经在上面参照特定的实施方式，但本发明并不限于上述实施例以及附图中所示的具体配置。例如，示出的一些部件可以彼此组合作为一个实施例，或一个组件可以被分成几个子组件，或任何其它已知或可用的组件可以加入。本领域技术人员将理解，本发明可以以不脱离本发明精神和实质特征的其它方式实施。因此本实施例在所有方面都是示例性的而不是限制性的考虑。本发明的范围是由所附权利要求而不是由前面的描述指出，并且因此权利要求的意义和等效范围内的所有改变都旨在被包含在其中。

Claims (20)

1.一种热电收集器，包括：

一对层；

设置在层之间的空间内的多个热电元件；和

围绕多个热电元件的一个或多个虚设结构，其中

所述热电元件以交替的设备类型彼此电串联耦合，和

所述热电元件在其相对端被耦合到两个层。

2.根据权利要求1所述的热电收集器，其中，所述虚设结构包括电隔离的热电元件或聚酰胺。

3.根据权利要求1所述的热电收集器，其中，每个热电元件具有顶部和底部，其中一个热电元件的顶部被连接到第一相邻热电元件的顶部，以及一个热电元件的底部被连接到第二相邻热电元件的底部。

4.根据权利要求3所述的热电收集器，其中，所述热电元件通过互连连接。

5.根据权利要求1所述的热电收集器，其中，所述热电元件包括串联连接的p型热电元件和n型热电元件，并同时在p型和n型热电元件交替。

6.根据权利要求5所述的热电收集器，其中，所述p型或n型热电元件是超晶格。

7.根据权利要求5所述的热电收集器，其中，各p型热电元件毗邻于仅n型热电元件。

8.一种热电收集器，包括：

第一基板；

第二基板；

设置在第一基板上的第一多个热电元件；

布置在第二基板上的第二多个热电元件；和

围绕所述第一多个热电元件和所述第二多个热电元件的一个或多个虚设结构，

其中，所述第一基板和所述第二基板相互接合，使得所述第一多个热电元件、所述第二多个热电元件和所述虚设结构被布置在第一基板和第二基板之间，以及

所述第一多个热电元件与所述第二多个热电元件以交替设备类型一起电串联耦合。

9.根据权利要求8所述的热电收集器，其中，所述第一多个热电元件和所述第二多个热电元件通过互连连接。

10.根据权利要求8所述的热电收集器，其中，所述第一基板或所述第二基板包括热导体层。

11.根据权利要求8所述的热电收集器，其中，所述第一多个热电元件仅包括p型热电元件，以及所述第二多个热电元件只包括n型热电元件。

12.根据权利要求11所述的热电收集器，其中，每个热电元件具有顶部和底部，其中一个热电元件的顶部被连接到第一相邻的热电元件的顶部，以及一个热电元件的底部被连接到第二相邻热电元件的底部。

13.根据权利要求8所述的热电收集器，其中，所述虚设结构包括电隔离的热电元件或聚酰胺。

14.一种热电收集器，包括：

第一热导体层和第二热导体层之间设置的多个p型热电元件；

在第一热导体层和第二热导体层之间布置的多个n型热电元件；和

所述p型热电元件和n型热电元件串联连接，并同时在p型和n型热电元件之间交替。

15.根据权利要求14所述的热电收集器，进一步包括在所述热电元件及所述第一热导体层之间的热塑料。

16.根据权利要求15所述的热电收集器，其中，热电元件设置在热塑性的斜面上。

17.根据权利要求16所述的热电收集器，其中，在相对于所述第一热导体层和所述第二热导体之间的热梯度方向的热塑料的倾斜面上，每个所述热电元件在水平方向和垂直方向上是倾斜的。

18.根据权利要求14所述的热电收集器，其中，每个p型热电元件毗邻于仅n型热电元件。

19.根据权利要求14所述的热电收集器，其中，每个热电元件具有顶部和底部，其中一个热电元件的顶部被连接到第一相邻热电元件的顶部，以及一个热电元件的底部被连接到第二相邻热电元件的底部。

20.根据权利要求14所述的热电收集器，其中，所述热电元件通过互连连接。