CN112885946A - 一种薄膜型热电器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件领域，具体为一种薄膜型热电器件及其制作方法。该热电器件包括贴合于发热源表面的柔性框架和自支撑的热电对阵列，发热源产生的热量通过柔性框架传导到热电对下端，即为热电器件的热端；而自支撑热电对的上端悬空或贴合于其他散热部件，为热电器件的冷端，从而实现了热电对阵列的热并联结构。该热电器件的制作方法：首先利用磁控溅射掩膜沉积技术与高精度物理掩膜版相结合，在碳纳米管薄膜上分别沉积P型热电材料、N型热电材料和电极材料，再利用激光裁剪的方式将其裁剪为电串联热并联的器件所需结构，即可获得所需的热电器件。该热电器件利用薄膜型热电材料的面内性能和面外温差，可使器件的性能达到最优化。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体为一种薄膜型热电器件及其制作方法。
背景技术
在众多新能源技术中，热电转换技术因可直接利用日常生活生产中的各种废热发电而备受关注。同时，以可穿戴式、植入式为代表的新一代智能柔性微纳电子系统迫切需求开发微瓦-毫瓦级自供电技术，与一次和二次电池技术相结合，提高器件运行的稳定性和使用寿命。而热电材料，因可利用人体体温与周围环境的温差发电，成为便携式智能柔性电子器件自供电技术的有效解决方案。
为了保持温差，充分利用和运输热能，需要热电材料/器件与热源表面紧密接触。实际应用中的“热源”往往具有复杂的几何结构和曲率变化的表面，如：热源管道、微系统硬件或人体表面等。然而，普通的热电合金材料具有本征刚性，不易产生柔性变形，在应用中难以与热源表面紧密接触，使得热源与热电材料/器件之间有较大的热能损失，大大降低了热电器件的换能效率。因此，亟需探索出一种可以发生柔性变形、与热源表面紧密贴合的高性能热电材料器件。同时，电子元器件和芯片的微型化，对热电技术的应用提出了微型化和高集成化的新要求。然而，热电合金由于其本征脆性，难以在材料制备完成后期实现微型化器件组装。所以，如何将材料制备和器件组装同时进行，将会是解决器件微型化的一大关键所在。
而对于薄膜型热电器件的研究目前还处于实验室阶段。一般采用物理气相沉积和电化学沉积的方法制备微型薄膜热电器件。物理气相沉积法需要通过繁杂的光刻、显影技术。制备的薄膜热电器件性能较好，但过程复杂，成品率低，薄膜应力较大；电化学沉积方法简单，但制备的薄膜热电器件性能较差，发电功率密度仅为nW～μW/cm2，远不能满足实际使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄膜型热电器件及其制作方法，该热电器件包括贴合于发热源表面的柔性框架和自支撑的热电对阵列，其利用薄膜型热电材料的面内性能和面外温差，可使器件的性能达到最优化，对微型低品质热源的二次利用和微小发热单元制冷均有较大的应用前景。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种薄膜型热电器件，该热电器件包括贴合于发热源表面的柔性框架和自支撑的热电对阵列，柔性框架完全的贴合于发热源表面，发热源产生的热量通过柔性框架传导到热电对下端，实现热的良好接触，热电器件的热端；而自支撑热电对的上端悬空或贴合于其他散热部件，为热电器件的冷端，从而实现热电对阵列的热并联结构。
所述的薄膜型热电器件，热电对包括P型热电单元、N型热电单元和电极单元，此三个单元与柔性框架上的电极单元相结合，实现的整个热电器件的电串联结构。
所述的薄膜型热电器件，P型热电单元和N型热电单元和电极单元，通过磁控溅射将材料沉积到碳纳米管薄膜上；其中，热电单元材料包括Bi2Te3基半导体、PbX(X＝S,Se,Te)基半导体、SiGe合金半导体、Mg2X(X＝Si,Ge,Sn)基半导体、CoSb3基半导体、(Ti,Zr,Hf)CoSb基半导体、GaAs基半导体和half-hesuler材料中的一种或两种以上，电极单元材料包括Au、Ag、Pt、Cu或Al中的一种或两种以上。
所述的薄膜型热电器件，两组以上热电对按两排以上、两列以上的组合成自支撑的热电对阵列。
所述的薄膜型热电器件的制作方法，包括如下步骤：
(1)通过腐蚀、激光裁剪和刻蚀的方法制作蒸镀用的的物理掩膜版；
(2)将碳纳米管薄膜通过按压式的方法转移到镂空的金属支撑架上，并将其利用压片固定于磁控溅射的样品盘上；
(3)将制作好的P型热电单元物理掩膜版放置于碳纳米管薄膜基底上，并对好相应的位置，利用磁控溅射掩膜沉积技术制备P型热电单元；
(4)将制作好的N型热电单元物理掩膜版放置于碳纳米管薄膜基底上，并对好相应的位置，利用磁控溅射掩膜沉积技术制备N型热电单元；
(5)将制作好的电极单元掩膜版放置于碳纳米管薄膜基底上，并对好相应的位置，利用磁控溅射掩膜沉积技术制备电极单元；
(6)将沉积P型热电单元、N型热电单元、电极单元的样品取出，去掉掩膜版，利用微束激光将其裁剪为电串联、热并联的器件结构，同时实现热电对冷端的自支撑。
本发明设计思路如下：
首先，在实际的生产生活中，有大量的分散式低品质热能没有被充分利用而消散于环境中，热电器件因其尺寸较小且应用门槛低的缘故，可对此类热源进行利用，但是在实际应用中，由于这些热源表面往往是具有一定曲率的，普通的刚性平面结构的热电器件并不能完好的贴合其热源表面从而造成的热量的损伤，所以柔性热电器件十分有必要。同时，微电子电路领域极大的发展，电子元件的尺寸越来越小，发热越来越严重，亟需一种可以精确微区制冷的器件来提升其工作的可靠性。而目前块体热电器件的制作方法往往是先制备材料，再进行转移，其很难实现微型化和柔性化；而薄膜型热电材料其最佳性能方向是面内方向，而由于其厚度方向尺寸较小，很难维持足够的温差来实现发电和制冷的功能，并且其较为脆弱，易在转移和组装的过程中发生破损，故而要想制作一种薄膜型微型柔性的热电器件，就需要解决以上问题。其次，可以在器件的结构设计上，利用该复合热电薄膜材料的自支撑特性，实现器件面内性能，面外温差的结构；并将材料的制备和器件的制作同时进行，省去后期的转移过程，避免材料的破损。
正是基于以上主要的设计指导思想，本发明成功的制作了一种薄膜型热电器件，其制作过程简单无损，发挥了材料的最佳性能，可实现微型化和柔性化的使用要求。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明所采用的原材料为一种新型的柔性热电薄膜材料，其以高质量碳纳米管薄膜为柔性骨架，采用物理气相沉积的方法，而制备出来的具有高度有序微观结构的自支撑无机柔性复合热电材料。其具有极佳的热电性能和柔性性能。
2、本发明采用的碳纳米管-无机半导体的热电材料具有极佳的柔性和较好的机械性能，并且其可以自支撑。可直接完好的贴合于热源表面，提高能量利用率。
3、本发明充分发挥这种薄膜型热电材料的面内性能优异的优势，材料最佳性能方向与实际器件使用方向相一致，避免出现块体热电材料最佳性能方向与器件工作方向不一致，而导致器件性能不佳的问题，实现了面内性能，面外温差的最佳工作状态。
4、传统器件制作方法是将原材料制作完成后再制作器件，而本发明采用掩膜镀膜的方式进行器件的制作，使器件的制作过程与材料的制作过程同时进行，可以极大的减小器件制作的难度，避免在器件制作过程中对材料的造成损坏，导致器件性能下降。
5、本发明利用磁控溅射的掩膜沉积技术和高精度物理掩膜版的配合，可以实现微型器件的制作，可对微区小尺寸的热源进行针对性的制冷或发电。
6、本发明制作的器件保证了热电对的完全自支撑，无其他填充物来削弱器件性能。
附图说明
图1为本发明的器件制作方法流程图；
图2为利用本发明方法制作的一种器件结构示意图；
图3为本发明方法所采用的一种P型热电单元物理掩膜版示意图；
图4为本发明方法所采用的一种N型热电单元物理掩膜版示意图；
图5为本发明方法所采用的一种电极单元掩膜版示意图。
图中，1——柔性框架；2——自支撑热电对阵列；21——P型热电单元；22——N型热电单元；23——电极单元；3——P型热电单元物理掩膜版；4——N型热电单元物理掩膜版；5——电极单元掩膜版。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明提供一种薄膜型热电器件及其制作方法，首先利用磁控溅射掩膜沉积技术与高精度物理掩膜版相结合，在碳纳米管薄膜上分别沉积P型热电材料、N型热电材料和电极材料，再利用激光裁剪的方式将其裁剪为电串联热并联的器件所需结构，即可获得所需的热电器件。薄膜型热电器件主要是应用于微型的弥散分布的低品质热源，如：人体体表、激光晶体或者电子电路等等，通过利用热电材料的Seebeck效应和Peliter效应实现热能和电能的相互转化。
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
如图2所示，本发明薄膜型热电器件，包括贴合于发热源表面的柔性框架1和自支撑热电对阵列2。柔性框架1可以完全的贴合于发热源表面，实现热的良好接触，发热源产生的热量通过柔性框架1传导到自支撑热电对阵列2的下端，为热电器件的热端；而自支撑热电对阵列2的上端悬空或贴合于其他散热部件，为热电器件的冷端。自支撑热电对阵列2包括P型热电单元21、N型热电单元22和电极单元23，此三个单元与柔性框架1上的电极单元相结合，实现的整个热电器件的电串联结构。多组热电对按一定的规律可多排多列的组合成自支撑的热电对阵列。其中，P型热电单元21和N型热电单元22和电极单元23，分别通过磁控溅射将P型热电材料、N型热电材料和电极材料沉积到碳纳米管薄膜上。其中，热电单元材料包括Bi2Te3基半导体、PbX(X＝S,Se,Te)基半导体、SiGe合金半导体、Mg2X(X＝Si,Ge,Sn)基半导体、CoSb3基半导体、(Ti,Zr,Hf)CoSb基半导体、GaAs基半导体和half-hesuler材料中的一种或两种以上，电极单元材料包括Au、Ag、Pt、Cu、Al等金属材料。
参照图1，本发明制作薄膜型热电器件的方法流程如下：
(S1)首先，根据所需发热源的形状及特征对器件的结构进行最优化的设计，可以使用Comsol等有限元模拟软件进行辅助。确保器件的冷端和热端有足够的温差，从器件结构设计的角度上尽可能的提升其最终性能。
(S2)根据设计的器件结构，采用腐蚀、激光或刻蚀的方法进行物理掩膜版的制作。
(S3)将碳纳米管薄膜转移到镂空的支架上，并固定在磁控溅射样品台之上。将P型热电单元物理掩膜版3(图3)精确定位到碳纳米管薄膜上，进行磁控溅射掩膜沉积P型热电单元21。
(S4)重复步骤S3，依次如下：将N型热电单元物理掩膜版4(图4)精确定位到碳纳米管薄膜上，进行磁控溅射掩膜沉积N型热电单元22。将电极单元掩膜版5(图5)精确定位到碳纳米管薄膜上，进行磁控溅射掩膜沉积电极单元23。
(S5)使用微束激光加工设备对获得的样品进行裁剪，以获得电串联、热并联的器件结构，利用该复合材料自身的自支撑优势实现其冷端的悬空，进而实现冷热端的分离。
经过上述步骤，所需要的薄膜型热电器件就制作成功了。采用这样的方法制作的薄膜型热电器件，其具有柔性化、微型化的优点。其可以完好的贴合发热源表面，提高器件的能量转化效率，可以实现高密度的集成和微小化的应用，且使用磁控溅射沉积的热电薄膜，其可控性较好，性能极佳。
以下通过实施例进一步解释或说明本发明内容。
实施例1
如图2所示，本实施例制作的器件结构设计图，制作方法参考上文的实施过程。针对类似像电脑CPU等平面结构发热源，利用Comsol进行了器件结构和性能的模拟，设计出了如图2结构的薄膜型热电器件，器件的整体框架是一个平面，可以贴合于热电表面，而热电材料部分向上翘起，悬于空中，利用CPU工作时制造的较高温度于环境的温差进行发电。若将热电材料悬空的一端贴于其他的被动扇热元件上，给CPU通电，即可实现CPU对的主动制冷。
实施例结果表明，利用本发明的方法，可以制作薄膜型热电器件，并使用此器件可以实现对一些平面结构的发热源进行能源的二次利用。并且由于该热电材料是完全自支持的，冷端可悬于空气中，利用空气的对流和热传导实现散热。无需额外添加散热元件，即可维持器件两端的温差。
以上对本发明所提供的一种薄膜型热电器件及其制作方法进行详细介绍。本文中应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种薄膜型热电器件，其特征在于，该热电器件包括贴合于发热源表面的柔性框架和自支撑的热电对阵列，柔性框架完全的贴合于发热源表面，发热源产生的热量通过柔性框架传导到热电对下端，实现热的良好接触，热电器件的热端；而自支撑热电对的上端悬空或贴合于其他散热部件，为热电器件的冷端，从而实现热电对阵列的热并联结构。
2.根据权利要求1所述的薄膜型热电器件，其特征在于，热电对包括P型热电单元、N型热电单元和电极单元，此三个单元与柔性框架上的电极单元相结合，实现的整个热电器件的电串联结构。
3.根据权利要求2所述的薄膜型热电器件，其特征在于，P型热电单元和N型热电单元和电极单元，通过磁控溅射将材料沉积到碳纳米管薄膜上；其中，热电单元材料包括Bi2Te3基半导体、PbX(X＝S,Se,Te)基半导体、SiGe合金半导体、Mg2X(X＝Si,Ge,Sn)基半导体、CoSb3基半导体、(Ti,Zr,Hf)CoSb基半导体、GaAs基半导体和half-hesuler材料中的一种或两种以上，电极单元材料包括Au、Ag、Pt、Cu或Al中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的薄膜型热电器件，其特征在于，两组以上热电对按两排以上、两列以上的组合成自支撑的热电对阵列。
5.一种权利要求1至4之一所述的薄膜型热电器件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过腐蚀、激光裁剪和刻蚀的方法制作蒸镀用的的物理掩膜版；
(2)将碳纳米管薄膜通过按压式的方法转移到镂空的金属支撑架上，并将其利用压片固定于磁控溅射的样品盘上；
(3)将制作好的P型热电单元物理掩膜版放置于碳纳米管薄膜基底上，并对好相应的位置，利用磁控溅射掩膜沉积技术制备P型热电单元；
(4)将制作好的N型热电单元物理掩膜版放置于碳纳米管薄膜基底上，并对好相应的位置，利用磁控溅射掩膜沉积技术制备N型热电单元；
(5)将制作好的电极单元掩膜版放置于碳纳米管薄膜基底上，并对好相应的位置，利用磁控溅射掩膜沉积技术制备电极单元；
(6)将沉积P型热电单元、N型热电单元、电极单元的样品取出，去掉掩膜版，利用微束激光将其裁剪为电串联、热并联的器件结构，同时实现热电对冷端的自支撑。
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