CN1552106B - 热电设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种效率更高的热电设备。在一种实施方案中，该热电设备包括与冷板热耦合的电导体和与该电导体电耦合的热电偶。热电偶由热电材料构成并且有多个触点，热电偶通过这些触点与电导体电耦合。热电触点提供低阻抗连接，同时使电导体和热电偶之间的热导率最小。

Description

热电设备

发明背景

1、技术领域

本发明涉及用于冷却诸如集成电路芯片材料的热电设备，虽然不排除其它设备，本发明尤其涉及热电致冷器。

2、技术领域

随着计算机的速度持续增加，计算机中的电路所产生的热量也持续增加。对很多电路和应用来说，热量的增加降低了计算机的性能。这些电路需要冷却以最有效地运行。在很多低端计算机(例如个人计算机)中，可以只用对流散热的风扇和散热片来冷却计算机。然而，对像大型机这样以更高速度运行并产生多得多的热量的更大的计算机来说，这些解决方法并不可行。

当前，很多大型机使用蒸汽压缩致冷器来冷却计算机。这些蒸汽压缩致冷器实际上像很多家庭中所用的中央空调机一样运行。然而，蒸汽压缩致冷器在机械上非常复杂，需要绝缘以及必须到达大型机的不同部件的软管，以冷却对由于过热而导致性能下降的最为敏感的特定区域。

一种简单且便宜得多的致冷器是热电致冷器。热电致冷器使用称为珀尔贴效应的物理原理，通过珀尔贴效应可以从电源提供的直流电流施加在两种不同的材料上，导致在这两种不同材料的接合处热量被吸收。因而就把热量从热的材料上移走并可以输送到吸热设备中以使热量散发，从而冷却热材料。热电致冷器可以被制作在集成电路芯片中并直接冷却特定的热点，而且不需要如蒸汽压缩致冷器所需的复杂的机械系统。

然而，当前的热电致冷器不如蒸汽压缩致冷器有效，热电致冷器需要消耗更多的能量来达到同样的散热量。此外，当前的热电致冷器不能像蒸汽压缩致冷器一样大量地冷却材料。因此，具有更好的效率和更高的冷却能力的热电致冷器正是我们所希望，因此可以从小型冷却应用中去除蒸汽压缩致冷器，例如大型计算机、热芯片的散热问题、射频通信电路、磁性读/写头、光学和激光设备以及汽车致冷系统。

发明概述

本发明提供一种效率更高的热电设备。在一种实施方案中，该热电设备包括一个与冷却台热耦合的电导体和一个与该电导体电耦合的热电偶。热偶元件是用热电材料构造的，有多个触点，该热偶元件通过这些触点电耦合到电导体上。这些热电耦触点提供低电阻连接并将电导体和热偶元件之间的热导率降至最小。

依照本发明的一个方面，提供一种热电设备，该设备包括：

平面电导体；和

由热电材料组成的热偶元件，带有多个与电导体电耦合的触点。

依照本发明的第二个方面，提供一种制作具有触点式界面的热偶元件的热电设备的方法，该方法包括：

把热电结晶材料的第一个表面焊接到一个金属电极；

在热电结晶材料的第二个表面上用图案制作一个光刻胶掩膜以限定要形成的触点的位置；并

蚀刻在光刻胶掩膜存在下的第二个表面以在热电结晶材料中形成多个触点。

附图概述

在所附权利要求中阐明了本发明的新特点。但在结合附图阅读本发明时，通过参考下面对一个说明性实施方案的详细描述可以最好地理解发明本身及优选使用模式，还可进一步了解其中的目标和优势，附图中：

图1描绘了一个根据现有技术的热电致冷设备(TEC)的高层次框图；

图2描绘了一个合乎本发明的带有增强的结构化界面的热电致冷器的横截面视图；

图3描绘了合乎本发明的图2中的热电致冷器的平面视图；

图4A和4B根据本发明描绘了可以实现为图2中的触点250其中之一的触点的横截面视图；

图5根据本发明描绘了一个横截面视图，该视图描绘接近超触点的一个触点的温度场；

图6根据本发明描绘了一个带有增强的结构化界面的热电致冷器，其中的界面具有全金属触点；

图7根据本发明描绘了用于形成全金属触点的牺牲硅模板；

图8根据本发明描绘了一个流程图，该流程描述用牺牲硅基极板制造全金属圆锥的示例方法；

图9根据本发明描绘用经过图案制作的光刻胶材料形成的全金属圆锥的横截面视图；

图10根据本发明描绘用光刻胶材料形成全金属圆锥的示例方法的流程图；

图11根据本发明描绘了带有增强的结构化界面的热电致冷器的横截面视图，其中由热电材料而不是金属导电层形成了界面上的触点；

图12根据本发明描绘了一个流程图，该流程图描述制作热电致冷器的示例方法；

图13根据本发明描绘了一个横截面视图，该视图描绘用来产生热电材料中的触点所必须的光刻胶材料的定位；

图14根据本发明描绘热电致冷器中所用的表面上的冷点触点，它描绘了触点相对于表面的位置；

图15描绘了一个热电发电机的示意图；

优选实施方案的详细描述

图1中描绘了根据现有技术的热电致冷(TEC)设备的高级框图。热电致冷的一个众所周知的原理是根据珀尔贴效应，珀尔贴效应中在两个不同的材料之间施加直流电流会使得热量在这两种不同材料的结合处被吸收。

一种典型的已知热电致冷设备100在有很好的导热性能的不良电导体108和电导体110和114之间使用P-型半导体104和N-型半导体106。N-型半导体106有多余的电子，而P-型半导体106缺少电子。直流电源102被连接在两个电导体114之间。

因为电子从电导体110运动到N-型半导体106，因为从热源112吸收到了热能，因而电子的能级升高。这个过程的效果是热能通过电子在N-型半导体106和电导体114中的流动从热源112转移到散热片116。电子下降到低能级并在电导体114中释放热能。

例如热电致冷器100的致冷机的优值系数η是致冷机的致冷量除以致冷机所消耗的总能量的比率。因而优值系数由下列公式给出：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\αIT}}_c-\frac{1}{2}{I}^{2}R-\mathrm{K\ΔT}}{I^{2}R+\mathrm{\αI\ΔT}}$

其中αIT_c项是由于热电致冷，1/₂I²R项是由于焦耳热回流，KΔT项是由于热传导，I²R项是由于焦耳损失，αIΔT项是由于克服珀尔贴电压所做的功，α是材料的塞贝克系数，K是珀尔贴设备的热传导率，Tc是热源的温度，ΔT是热源温度与散热片温度Th之间的温差。

通过优化电流I可以获得最大的优值系数，由下列方程给出：

${\mathrm{\η}}_{\max }=\left(\frac{T_c}{\mathrm{\ΔT}}\right)\left[\frac{\mathrm{\γ}-T_h/T_c}{\mathrm{\γ}+1}\right]$

其中参数γ可以表示为：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\σ}}{\mathrm{\λ}}\left(\frac{T_h+T_c}{2}\right)}$

其中σ是电导率，λ是热导率。

致冷器ξ的效率因子由方程：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\γ}-T_h/T_c}{\mathrm{\γ}+1}$

给出

优值系数ZT由

$\mathrm{ZT}=\frac{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\σT}}{\mathrm{\λ}}$

给出：

其中热导率λ由两部分组成：λe，由电子引起的部分；λ_L，由晶格引起；T是温度Tc和Th的平均值。因此，实现为优值系数ZT的最大效率ε趋向无穷大。蒸汽压缩致冷器的效率大约是0.3.传统热电致冷器，例如图1中的热电致冷器100，的效率通常小于0.1。因此，为了把热电致冷机的效率提高到这样一个范围以和蒸汽压缩致冷机竞争，必须把优值系数ZT提高到大于2。如果实现了优值系数ZT大于2，就可以把热电致冷机提高到和蒸汽压缩致冷机一样的效率和致冷量。

参考图2，根据本发明描绘了一个带有增强的结构化界面的热电致冷器的横截面视图。热电致冷机200包括热源226，随着如图所示的电流I的流动，热量的热源中被提取出来并传递到散热片202。热源226可以热耦合到需要致冷的材料上。散热片202可以热耦合到诸如热管、散热片和/或冷凝设备以驱散从热源226移出的热量并/或进一步给热源226致冷。

热源226由P-型掺杂硅组成。热源226热耦合到触点250的N+型掺杂硅区域224和222。N+型区域224和222能够导电同时也是良好的导热体。N+型区域224和222各自和热源226形成一个反向二极管，这样就没有电流在热源226和N+区域224和222之间流动，因而实现了热源226和电导体218和220的电绝缘。

散热片202由P-型掺杂硅组成。散热片202热耦合到N+型掺杂硅区域204和206。N+型区域204和206能够导电同时也是良好的导热体。N+型区域204和206各自和散热片202形成一个反向二极管，因此在N+型区域204和206以及散热片202之间没有电流流过，因而实现了散热片202和电导体208之间的电绝缘。与热电致冷器的电绝缘有关的更多信息可以参见美国专利号US6,222,113B1，题为“用于热电致冷器的电绝缘的超薄材料”，转让给了国际商用机器公司(Armonk，New York)并于1999年十二月9日归档，因此在这里引用该专利的内容用于各种目的。

如果散热片202和热源226是完全用未掺杂的非导电硅形成的，就不需要用N+和P-区域形成反向二极管来把导体208从散热片202电隔离以及把导体218和220从热源226电隔离开。然而，很难确保硅是完全不掺杂的。因此，由N+和P-区域提供的反向二极管的存在确保散热片202和热源226和导体208、218以及220电绝缘。另外，还应该注意可以用其它方式创建使用反向二极管的相同的电绝缘，例如使用P+型掺杂硅和N-型掺杂硅而不是所描绘的P-和N+型。这里所用的术语N+和P+分别指高浓度N掺杂和高浓度P掺杂的半导体材料。这里所用的术语N-和P-分别指低浓度N掺杂和低浓度P掺杂的半导体材料。

热电致冷器200在结构上与图1中的热电致冷器100类似。但是，已经用超晶格热电偶结构210和212代替了N-型106和P-型104半导体结构界面，210和212由导电体208电耦合。电导体208可以用铂(Pt)来形成，或者用其它导电材料，例如钨(W)、镍(Ni)或钛铜镍(Ti/Cu/Ni)金属薄膜。

超晶格是由两种不同的半导体材料交替层叠组成的结构，每层有几个纳米厚。热电偶210是用N-型半导体材料交替层叠形成的，热电偶212的超触点是用P-型半导体材料交替层叠形成的。每个热电偶210或212中的交替材料的每一层都是10纳米(nm)厚。两种半导体材料的超触点有较低的导热系数λ，并且有和包括相同的两种半导体材料的合金相同的导电系数σ。

在一种实施方案中，超触点热电偶212包含P-型铋族元素的硫族化合物材料的交替层，例如Bi₂Te₃/Sb₂Te₃和Bi_0.5Sb_1.5Te₃的交替层，热电偶210的超触点包括N-型铋族元素的硫族化合物材料的交替层，例如Bi₂Te₃和Bi₂Se₃的交替层。其它类型的半导体材料也可以用于热电偶210和212的超触点。例如，可以用钴锑方钴态材料来构造热电偶210和212的超触点，而不用铋族元素的硫族化合物材料。

热电致冷器200还包括触点250，电流I通过触点流入热电偶212，然后从热电偶210流入导体218。触点250包括做成尖锥形结构的N+型半导体222和224，其上覆盖有一层薄薄的导体材料，例如铂(Pt)。也可以用其它导体材料来代替铂，例如钨(W)、镍(Ni)和钛铜镍(Ti/Cu/Ni)金属薄膜。在触点250周围以及触点250和热电材料210和212之间的区域应该抽空或用干燥的氮气密封。

在触点250的末端覆盖导电层218和220的是半导体材料薄层214和216。214层是用与热电偶212的超触点中离触点250最近的那一层的塞贝克系数α相同的P-型材料形成的。216层是用与热电偶210中距触点250最近的那一层的塞贝克系数α相同的N-型材料形成的。P-型热电覆盖层214是热电致冷器200工作所必需的，因为致冷发生在接近产生电子和空穴的金属的区域。使用N-型热电覆盖层216是有利的，因为最大致冷发生在塞贝克系数的梯度(变化)最大的地方。P-型区域的热电覆盖层214大约60nm厚。还没有完全精确N-型热电覆盖层216的具体厚度，但预见到它应该是在一个和热电覆盖层214差不多的厚度范围中。

通过把导体(例如图1中的导体110)做成尖端的触点250而不是平面界面，可以提高致冷效率。因为晶格失配，在触点250的尖端上的晶格热导率λ非常小。例如，铋族元素的硫族化合物的热导率λ通常大约是1瓦特/(米*开氏温度)。然而，在尖端结构(例如触点250)中，因为晶格在尖端处不匹配热传导率降低为约0.2瓦特/(米*开氏温度)。而热电材料的电导率保持相对不变。因此，对这种类型的材料来说优值系数ZT可以提高到2.5。另一种可以用于热电偶210和212的超触点的材料是钴锑方钴矿。这类材料通常有非常高的热传导率λ，使得它们通常并不合乎需要。但通过使用尖端状的触点250可以把它们的热传导率降至最低并为这些材料产生大于4的优值系数ZT，因而使得这些材料非常适合用在热电偶210和212中。因此，尖端触点250的使用进一步提高了热电致冷器200的效率，使得它可以和蒸汽压缩致冷器相媲美。

冷点结构的另一个优点是电子被限制在小于波长的尺度范围内(对应于它们的动能)。这种限制增加了迁移可用的局部状态密度并有效地提高了塞贝克系数。因而，通过增加和降低8，提高了优值系数ZT。

传统热电致冷器(如图1所示)的正常致冷量能够在热源和散热片之间产生约60开氏温度的温差。然而，热电致冷器200能够产生150开氏温度的温差。因而，用两个相互耦合的热电致冷器，可以把温度降低到液氮范围中(低于100开氏温度)。但是，需要为热电偶210和212使用不同的材料。例如，碲化铋在低温(即，低于-100摄氏度)时有非常低的α。然而，铋钴合金在低温时却用得很好。

钴锑方钴矿材料相对于铋族元素的硫族化合物材料的另一个优势(与温度无关)是钴锑方钴矿材料在结构上更加稳定而铋族的硫族化合物在结构上不稳固。

本领域的技术人员将理解图2中的热电致冷器的结构可以随实现而变化。例如，所包括的触点行可能比图1中所描绘的多或少。所描绘的实例并未打算关于本发明施加结构上的限制。

现在参考图3，根据本发明描绘了图2中的致冷器200的平面视图。热电致冷器300包括一个N-型热电材料区302和一个P-型热电材料区304.N-型区302和P-型304均包括一个覆盖着硅体的导体材料薄层。

302区包括一个圆锥状触点310阵列，每个触点上覆盖着一层和热电偶210的超触点的最近的一层相同类型的N-型材料308薄层。304区包括一个圆锥状触点312阵列，每个触点上覆盖着一层和热电偶212的超触点的最近一层相同类型的P-型材料314薄层。

现在参考图4A和4B，根据本发明描绘了可以实现为图2的触点250之一的触点的横截面视图。触点400包括一个用大约35度的锥角形成的硅圆锥。在硅402上覆盖着一个导体薄层404，例如铂(Pt)。在触点400的最顶端覆盖着一个热电材料薄层406。在沉积了所有覆盖层之后锥角大约为45度。触点400的有效尖端半径大约是50nm。

触点408是另一种触点实现方案，例如实现触点250之一。触点408包括一个硅圆锥414，在顶端覆盖着导电层412和热电材料层410。但是，触点408的锥角比触点400更窄。触点408的有效尖端半径约10nm。这时还不知道对触点来说究竟是更宽还是更窄的锥角更好。在当前实施方案中，选择了如图4A中所示的45度的锥角，因为这个角度位于可选锥角范围的中间并且这样的结构用铂层覆盖的硅容易形成。这是因为沿着硅的100平面用KOH蚀刻自然地形成一个54度的锥角。因而，在加上了导体和热电材料覆盖层后锥角约为45度。

现在看图5，根据本发明描绘了一个横截面视图，该视图描述接近超触点的触点的温度场。触点504可以实现为图2中的触点250之一。触点504的有效尖端半径a为30-50nm。因而，温度场被局限到一个非常小的距离r，约为2a，即60-100nm。因此，超触点502只需要厚度d约为100nm的少许几层。因此，使用尖端触点，热电致冷器只需要5-10层的超触点就足够了。

因而，制造像热电致冷器200这样的热电致冷器并不需要花很多时间，因为只需要形成少量超触点层，而制作大量超触点层是很耗时间的。因而，可以把热电致冷器200做得非常薄(100nm厚)，而当前的热电致冷器厚度达到了3mm或更厚。

根据本发明的带有尖端触点界面的热电致冷器的其它优势包括热电偶(例如图2中的热电偶210和212)的热导率在触点界面上最小化。另外，温度/电势降落被局限在接近触点的区域，有效地获得了尺度在100nm以下。此外，使用尖端触点通过有效地减小热电偶长度可以使超触点生长所需的层数最少。本发明还允许薄膜结构的电极沉积并避免倒装晶片结合。允许更小的尺寸N-型和P-型热电偶的单片集成。

本发明的热电致冷器可以用来给零件致冷，例如大型计算机、激光器、光学电子设备、光电探测器以及遗传学中的PCR中的特殊位置。

现在参考图6，根据本发明描绘了一个带有全金属触点的增强型结构化界面的热电致冷器的横截面视图。虽然上面已经把本发明描述为带有用由N+型半导体区域224和222构成的硅锥体形成的触点250，可以用图6中描绘的触点650代替图2中的触点250。蚀点650有全金属锥618和620。在所描绘的实施方案中，锥体618和620是用铜做成的，各自有一个镍覆盖层660和662。热电致冷器600在所有其它方面都和热电致热器200相同，包括在触点650上有热电覆盖层216和214。热电致冷器600还提供了与热电致冷器200一样的好处。然而，使用全金属锥体而不是在硅锥体上覆盖导电材料，锥体内的寄生电阻会变得非常低，因而在热电致冷器200已经提高了的效率之上进一步提高了热电致冷器600的效率。在触点650周围以及触点650和热电材料210和212之间的区域应该是真空或用气体密封，例如干燥的氮气。

另外，像图2中的一样，热源226由P-型掺杂硅组成。但与与图2相反的是，热源226与没有构成触点化结构650的一部分的N+型掺杂硅区域624和622热耦合，而不是与像图2中的区域224和222那样形成了触点化结构的一部分的区域热耦合。N+型掺杂硅区域624和622仍然执行由图2中的区域224和222执行的电绝缘功能。

可以用几种方法来构造图6中所描绘的全金属锥体。例如，参考图7，根据本发明描绘了一个可以用来构造全金属触点的牺牲硅极板的横截面视图。在构造了具有锥形凹点的牺牲硅极板702之后，在板702上沉积了一层金属以产生全金属锥体704。然后全金属锥体704可以用在热电致冷器600中。

现在参考图8，根据本发明描绘了一个流程图，该流程图描述了用硅牺牲极板制作全金属锥体的示例方法。开始，对硅进行非等向性蚀刻产生出锥形凹点以制作出一个模子(步骤802)。这可以通过结合KOH蚀刻、氧化、和/或聚焦离子束蚀刻来完成。这种制作硅锥体的技术在本领域中已经是众所周知的。

然后在硅牺牲极板上覆盖种金属的一个薄溅射层，例如钛或铂(步骤804)。优选用钛，因为铂形成的触点比钛形成的更圆一些，钛非常适合圆锥凹点。接下来，用电化学方法沉积铜以填满牺牲硅极板中的凹处(圆锥形凹点)(步骤806)。随后平面化铜的顶面(步骤808)。金属表面平面化的技术在本领域中是众所周知的。随后通过本领域中众所周知的选择性蚀刻方法移除硅衬底。(步骤810)。随后在用这种方式产生的全金属锥体上覆盖上另一种金属，例如镍或钛，然后在上面再覆盖一层极薄的热电材料。镍或钛覆盖层有助于热电材料覆盖层的电沉积。

[这种产生全金属锥体的一个优势是产生的模子是可以再利用的。模子可以重复使用达10次左右，直到模子退化到不可用为止。]用这种方式形成模板非常好控制并且生产出非常一致的全金属锥形触点，因为硅蚀刻非常容易预测，并且计算所产生的凹点的梯度和锥体的锐度能够精确到几个纳米。

也可以使用其它制作全金属锥体的方法。例如，现在参考图9，根据本发明描绘了用图案制作的光刻胶形成的全金属锥体的横截面视图。在这个方法中，在部分完成的热电致冷器的底部上形成了一层金属。然后用图案制作的光刻胶904-908和直接电化学蚀刻方法来形成全金属锥体902。

现在参考图10，根据本发明描绘了一个流程图，该流程图描述了一个用光刻胶制作全金属锥体的示例方法。首先，在部分完成的热电致冷器(例如图6中的热电致冷器600)的金属(例如，铜)层上通过图案制作一些小块的光刻胶区域(步骤1002)。光刻胶被图案制作成小块区域的阵列，阵列中含有光刻胶的每个区域对应于要在其中形成全金属锥体的尖顶的区域。随后用电化学方法直接蚀刻金属(步骤1004)以产生图9中所描绘的锥体902。然后去除光刻胶，在所有全金属锥体的尖端覆盖上另一种金属，例如镍(步骤1006)。然后在覆盖全金属锥体的第二个金属覆盖层上覆盖一层极薄的热电材料(步骤1008)。因而，就形成了用在热电设备(例如热电致冷器600)中的尖端带有热电层的全金属锥体。用这种方式产生的全金属锥点不像用图8中所描述的方法产生的锥点那么均匀一致。但这种方法目前成本更低，因此如果成本是一个很重要的因素的话它会是更理想的方法。

所描绘的制作全金属锥体的方法仅仅是实例而已。也可以用其它方法来制作用于热电致冷器的全金属锥体。此外，也可以用除铜以外的其它类型的金属用于全金属锥体。

现在参考图11，根据本发明描绘了带有增强型结构化界面的热电致冷器的横截面视图，在这种热电致冷器中用热电材料而不是金属导体材料来制作界面上的触点。热电致冷器1100包括冷板1116和热板1102，其中冷板与要冷却的物质热接触。热导体1114和1118分别在导电板1112和1120之间提供热耦合。热导体1114和1118是用重N掺杂(N+)半导体材料做成的，N+半导体材料通过和冷板1116的P-材料形成反向偏置二极管来提供冷板1116和导体1112和1120之间的电绝缘。因而，热量就通过导体1112和1120从冷板1116传递出来并最终传递到热板1102，通过热板可以在不提供热电致冷器1100和要冷却的物质之间的电耦合而驱散热量。同样，热导体1104在导电板1108和热板1102之间提供热连接，同时通过和上述热板1102的P-掺杂半导体材料形成反向偏置二极管保持热板和导电板1108之间的电绝缘。热导体1104也是N+型掺杂半导体材料。在这个实施方案中导体板1108、1112和1120是用铂(Pt)构成的。但也可以使用其它既导热又导电的材料。另外，应该提到的是触点1130-1140周围以及触点1130-1140和热电材料1122和1110之间的区域应该抽成真空或者用气体(例如干燥的氮气)密封。

这个实施方案中，不是通过图2和6中的金属电极中的尖端阵列来提供热电偶和热源(冷端)金属电极(导体)之间的接触，而是通过热电偶1124和1126中的尖端阵列1130-1140来提供热电偶和金属电极之间的尖端阵列接触。在上面参考图2和图6的所描述的实施方案中，冷端的金属电极是直接形成在硅触点上，或者直接蚀刻金属图案来形成全金属触点。但这些方法需要用电化学方法在冷电极和热电极上沉积热电材料。电沉积的材料趋向于多晶而且没有超平的表面。另外，表面热电特性可能胜过或劣于单晶热电材料。退火提高了多晶材料的热电特性，但表面光滑度低于100nm粗糙度水平仍然是一个问题。本实施方案的触点1130-1140可以通过电化学蚀刻用单晶或多晶热电材料来形成。

在一种实施方案中，热电偶1124由单晶Bi₂Te₃/Sb₂Te₃和Bi_0.5Sb_1.5Te₃的超晶格组成，热电偶1126由单晶Bi₂Te₃/Bi₂Se₃和Bi₂Te_2.0Se_0.1的超晶格形成。导电板1120上覆盖着与距离薄层1120最近的蚀点1130-1134的材料相同的热电材料薄层1122。导电板1112上覆盖着与距离薄层1112最近的触片1136-1140的材料相同的热电材料的一个薄层1110。

现在参考图12，根据本发明描绘了一个流程图，该流程图描述了制作热电致冷器(例如图11中的热电致冷器1100)的一个示例方法。首选通过传统方法把优化的单晶材料和金属电极结合起来或把金属电极沉积在单晶材料上以形成电极连接图形(步骤1202)。然后通过图13中描绘的光刻胶1302-1306将热电材料的另一侧制作图案(步骤1204)，金属电极在电化学镀液中用作阳极来以电化学方法蚀刻表面(步骤1206)。通过在适当的时间控制和停止蚀刻过程形成图13中所描绘的触点1308-1312。

通过化学-机械抛光使第二个单晶衬底变薄，然后用电化学方法蚀刻整个衬底成为纳米量级的薄膜(步骤1210)。带有超薄衬底的第二个衬底形成了冷端，用压力把这两个衬底(一个带有极薄的热电材料，另一个带有热电触点)固定在一起(步骤1212)。这个结构在除触点表面的所有区域中保持高的结晶度。另外，同样的方法还可以用来制作多晶结构，而不是单晶结构。

现在参考图14，根据本发明描绘了一副图，该图显示了用在热电致冷器中的表面上的冷端触点并描绘了触点相对于表面的定位。虽然到目前为止已经把触点(无论是全金属触点、带有金属覆盖层的触点或热电触点)描述为与触点相对的表面相接触，但即使触点可以和相对的表面相接触，优选的却是让触点接近相对的表面而不是接触它，如图14所描绘的那样。图14中的触点1402距对立的表面1404很近但和它并没有物理接触。优选地，触点1402应该距对立面1404约5nm远或更近一些。实际上，在一个包含几千个触点的热电致冷器中，有些触点和对立面有接触，有些没有，这是由对立面的平面偏差所造成的。

通过阻止触点和对立面接触，可以减少热电致冷器的冷板和热板之间的热导率。但保持了电导率，这是因为触点和对立面之间的电子的隧道效应。

已经描述了本发明的触点，并把它们主要描绘成理想的尖端蚀点。但是，如图14所示，实际触点通常有一个略微圆一些的尖顶，和触点1402相同。然而，触点越接近理想的尖端，实现触点的低温和热板的高温之间的温度梯度所需的超晶格的数量越少。

优选地，触点1402的弧端的曲率半径r₀约为几十纳米。表面1404下的热电材料的相邻区域之间的温差在距离为两倍或三倍于蚀点1402顶端的曲率半径r₀处趋近于0。因此，超触点1406-1414中只需少数几层。因而，在用本发明的触点来实现冷板和热板之间的电接触时与触点相对的超触点材料是可行的。这和现有技术相反，在现有技术中使用没有触点的超触点结构，需要有10000甚至更多层的超触点才能有足够的厚度使温度梯度趋向于0。这样多的层数是不实用的，但在本发明中只用5到6层就已经足够了。

虽然已经主要通过参照带有用于致冷的尖端化界面的热电致冷设备(或珀尔贴设备)描述了本发明，但本领域的技术人员应该认识到本发明也可以用于发电。本领域的技术人员很好地认识到了热电设备可以珀尔贴模式用于致冷(如上所述)或以赛贝克模式用于发电。现在参考图15，描绘了一个热电发电机的示意图。为了便于理解和说明热电发电机，描绘了一个符合现有技术的热电发电机而不是使用本发明的冷点触点的热电发电机。但应该注意到在根据本发明的热电发电机的一种实施方案中，热电偶1506和1504由冷点触点代替，如同上面以更详细的方式所描述过的那些冷点触点实施方案。

在热电发电机1500中，并不是像图1中所描述的那样让电流从电源102流过热电设备，而是在热电设备1500两端创造一个温度差T_H-T_L。温差T_H-T_L导致如图15中所示的电流I流经电阻负载元件1502。这是和图1中所描述的操作模式相反的操作模式。

因此，除了用电阻器1502代替电源102并分别用热源Q_H-Q_L分别维持热元件1512和1516及恒温T_H和T_L，热电设备1500在部件上和图1中的热电设备102相同。因而，热电致冷设备1500利用夹在具有良好导热性的弱电导体1508之间的P-型半导体1504和N-型半导体1506。元件1504、1506和1508分别对应于图1中的元件104、106和108。热电设备1500还包括与图1中的电导体110和114对应的电导体1510和1514。在热电CRC手册D.M.Rowe、Ph.D.、D.Sc。编辑，纽约CRC出版社(1995)pp479-488和高级工程热力学第二版AdiranBejan编写，由纽约Wiley&Sons公司出版pp675-682中可以找到与热电发电机有关的更多信息。前者由。后者由。这里引入这两本书用于各种目的。

已经主要参照圆锥形的触点描述了本发明，但也可以使用其它形状的触点，例如锥体形触点。事实上，触点的形状并不一定得是对称或一致的，只要它能提供一组离散的充分尖的触点并通过这些触点在热电致冷器的两端之间提供导电即可。本发明拥有可以用在任意小型致冷应用中的应用，例如致冷大型计算机、过热芯片的和RF通信电路的散热问题，致冷硬盘驱动器的磁头、汽车致冷以及致冷光学和激光设备。

为说明和描述起见已经给出了对本发明的描述，但它并不是仅限于本发明中所公开的形式。对本领域的技术人员来说很多更改和变化都是显而易见的。所选择并描述的实施方案是为了更好地说明本发明的原理、实际应用并使本领域的技术人员能够理解本发明带有不同更改的不同实施方案可以适用于所设想的特定应用。

Claims (15)

1.一种热电设备，包括：

平面电导体；

由配置成多个触点的热电材料组成的热电偶，这些触点与电导体相耦合；其中触点的有效尖端半径为10nm-50nm。

2.一种热电设备，包括：

平面电导体；

由配置成多个触点的热电材料组成的热电偶，这些触点与电导体相耦合；

在平面电导体上有一层热电材料，其中热电材料层是由和热电偶相同杂质类型的热电材料组成的。

3.权利要求1或2中的热电设备，其中热电材料是单晶材料。

4.权利要求1或2中的热电设备，其中热电材料是多晶材料。

5.权利要求1或2中的热电设备，其中热电材料包括两种热电材料的超晶格。

6.权利要求5中的热电设备，其中两种热电材料包括Bi_0.5Sb_1.5Te₃和Bi₂Te₃/Sb₂Te₃。

7.权利要求5中的热电设备，其中两种热电材料包括Bi₂Te_2.9Se_0.1和Bi₂Te₃/Bi₂Se₃。

8上述任意权利要求中的热电设备，其中电导体是由铂构成的。

9.权利要求1或3到8中任意一个权利要求中的热电设备，还包括电导体上的一层热电材料，其中热电材料层由和热电偶相同的杂质类型的热电材料组成。

10.权利要求1或3到8中任意一个权利要求中的热电设备，其中多个触点中至少有一个和电导体的表面有物理接触。

11.上述任意权利要求中的热电设备，其中多个触点中至少有一个和电导体的表面没有物理接触。

12.权利要求1到9中任意一个权利要求中的热电设备，其中多个触点的末端通常在距电导体的最近表面100nm以内。

13.权利要求2中的热电设备，其中触点的有效尖端半径为10nm-50nm。

14.制造带有触点化界面的热电偶的热电设备的一种方法，该方法包括：

把热电晶体材料的第一个表面和一个金属电极结合起来；

在热电晶体材料的第二个表面上通过图案制作光刻胶掩膜以确定要形成触点的位置；

在有光刻胶掩膜存在的情况下蚀刻第二个表面以在热电晶体材料中形成多个触点，触点的有效顶点半径为10nm-50nm。

15.权利要求14的方法，蚀刻热电晶体材料的第二个表面的步骤包括执行电化学蚀刻。

16.一种制造带有触点化界面的热电偶的热电设备的系统，该系统包括：

用于把热电晶体的第一个表面和金属电极结合起来的装置；

用于在热电晶体材料的第二个表面上通过图案制作光刻胶掩膜以确定要形成触点的位置的装置；

用于在光刻胶掩膜存在的情况下蚀刻第二个表面以在热电晶体材料中形成多个触点的装置；触点的有效顶.点半径为10nm-50nm。

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