CN1977401A - 集成的并列珀耳帖/塞贝克元件芯片及其制备方法、连接方法 - Google Patents

集成的并列珀耳帖/塞贝克元件芯片及其制备方法、连接方法 Download PDF

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Abstract

在绝缘衬底上形成具有不同塞贝克系数的第一和第二导电部件，并且通过欧姆接触连接所述第一和第二导电部件，并且在结合表面处用具有优越导热性和电绝缘性质的材料片，例如通过耐蚀铝处理等在其表面提供了电绝缘性质的铝片，覆盖通过欧姆接触连接的表面。并且，在相对侧上，键合线通过欧姆接触与第一和第二导电部件连接，并且键合线彼此绝缘，并且用作集成的并列珀耳帖/塞贝克元件芯片的输出端。采用串行电缆或并行电缆连接如此制备的多个集成的并列珀耳帖/塞贝克元件芯片，从而形成从电向热的转化装置和热能转移装置。

Description

集成的并列珀耳帖/塞贝克元件芯片及其制备方法、连接方法
技术领域
本发明涉及制备用于将一种形式的能量转化成另一种形式的能量或者热能转移的集成的并列珀耳帖塞贝克(Peltier Seebeck)元件芯片的制造方法、通过这种制造方法制备的集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片、连接多个集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的连接方法，以及其中连接了多个集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的集成珀耳帖塞贝克板或片。另外，本发明涉及由集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片制成的热能电能直接转化系统和热能转移系统。
背景技术
当前，在世界上，主要以不可逆方式以化石燃料、原子能、水能等的形式使用能源。尤其是，化石燃料的消耗是加速全球变暖和环境破坏的一个因素。因此，通过使用太阳能、风能发电或者氢气，已经发展了降低环境负担的所谓清洁能源。但是，发展清洁能源仍处于初期阶段，并且直到用作化石燃料和原子能的替代品还有很长的路要走。
尽管在自然界中存在用不完的热能，另一方面以机械能或化学能的形式取出热能的技术仍未发展至实用的水平。从热能向直接可用的形式，例如电能转化的原理被称为珀耳帖效应或塞贝克效应。即，当电流流过连接的并且保持在均匀温度下的两种不同导体时，除了焦耳热外还产生辐射或吸收热。这种效应是在1834年首先由J.C.A.Peltier发现的现象，并且称作珀耳帖效应。另外，当连接两种不同的铜线，两个接触点保持在不同的温度T1和T2下，并且切断一根导线时，则在切割端之间产生电动势。这种现象首先由J.J.Seebeck在1821年发现。在两端之间产生的电动势被称作热电动势，并且为了纪念发现者将这种现象称作塞贝克效应。
发展使用塞贝克效应的热电转化元件(Seebeck元件)作为化石燃料和原子能的替代能源正引起人们的关注。塞贝克元件的热电动势与两个接触点的温度，并且还与两根导线的材料有关，并且将通过热电动势除以温度变化获得的导数值称作塞贝克系数。通过使塞贝克系数不同的两种导体(或者半导体)接触来形成塞贝克元件。由于两种导体中自由电子数量的差异，电子在两种导体之间运动，导致两种导体之间的电势差。如果向一个接触点施加热能，在该接触点激活自由电子的运动，但是在未提供热能的另一个接触点处未激活自由电子。这种接触点间的温度差异，即自由电子的活化差异引起热能向电能的转化。这种效应通常称作热电效应。
本申请的发明人(申请人)已经发明并且建议了一种使用塞贝克效应的热电转移装置以及使用该装置的能量转化系统(参考专利文献1)。
图13作为专利文献1中公开的技术的一个实例显示了热能向电能直接转化的系统。该系统包括热能向电能方向转化部分100，其使用由热电效应元件101的串联连接的多级组成的电路通过塞贝克效应将来自热源的热能直接转化成电势能量；以及在输出电压端作为负载电路布置的通过电解水转化成化学势能量的电解部分200。
通过连接第一和第二热电转化元件102和103形成构成用于通过塞贝克效应将热能转化成电能的转化部分100的热电效应元件101。第一热电转化元件102由具有不同塞贝克系数和连接部件d102的第一和第二导电部件A102和B102组成，并且第二热电转化元件103由第一导电部件A103、连接部件d103和第二导电部件B103组成。如图13所示，通过以串联形式连接多个珀耳帖塞贝克元件来形成构成第一热电转化元件102和第二热电转化元件103的元件。通过使用例如辅助加热器的热源的热能，设置连接部件d102的温度T1高于连接部件d103的温度T2。即T1＞T2。
当打开图13中所示的开关SW时，电流IL交替流过第一和第二热电转化元件102和103。电流IL从第一导电部件A102通过连接部件d102流向第一热电转化元件102之一中的第二导电部件B102中；然后电流IL从第二导电部件B103通过连接部件d103流向下一个第二热电转化元件103的第一导电部件A103中；并且电流IL还再次流向一部分第一热电转化元件102的该部分中。输出端与负载电路连接，在本实施例中负载电路是通过电解水转化成化学势能量的电解部分200。第一热电转化元件102和第二热电转化元件103之间的距离设置在保持T1＞T2温度状态的值下。可以将该距离设置为在从大约几微米非常短的长度到几百公里或更大的长距离的广泛范围内的值。
专利文献1：出版的日本专利申请JP2003-92433A。
但是，在专利文献1中公开的发明中，制备第一和第二热电转化元件102和103的方法需要逐个焊接第一和第二导电部件A和B与连接部件d的操作。因此，例如技术人员的大量时间用于焊接，并且制备过程不是高效的。
发明内容
已经设计本发明来解决上述问题。本发明的目的是提供能够使用专门用于LSI制造的技术一次制备许多可以用作上述热电转化元件主体部分的集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的制造或制备方法、由该方法制备的集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片、使用多个集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的热能向电能方向转化系统以及使用多个集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的热能转移系统。
根据本发明的一个方面，集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的制造方法包括：制备具有均匀厚度的硅衬底的步骤，所述硅衬底是无定形硅衬底、多晶硅衬底和单晶硅衬底之一；通过在硅衬底上转移掩模图案而在各个芯片上留下偶数个未氧化部分来形成多个芯片的步骤；通过将具有与掩模图案相应的用于未氧化部分的负抗蚀剂的衬底放入氧化炉中引起与氧气的化学反应，除了对应于掩模图案的部分外将剩余部分转变成二氧化硅，因而形成未氧化部分以外的衬底剩余部分都被整体转变成电绝缘材料的衬底的步骤；分别将在衬底一个芯片中形成的相邻两个未氧化部分转变成具有不同塞贝克系数的第一和第二导电部件的步骤；通过欧姆接触，用第一导电连接部件在一侧上连接相邻第一和第二导电部件的表面形成导热端子部分的步骤；通过欧姆接触，用第二导电连接部件在与上面提供了第一导电连接部件的一侧相对的相对侧上覆盖第一和第二导电部件的表面，形成用于第一和第二导电部件的端子侧面部分的步骤；分别电连接多个第三导电连接部件与第一和第二导电部件的端子侧面部分，并且以其中第三导电连接部件彼此并列布置并且彼此电绝缘的状态，形成与外部电路连接的连接端子部分的步骤；以及在绝缘材料衬底的整个表面上顺序重复上述对于一个芯片的步骤许多次，从而同时形成多个芯片的步骤。
根据本发明的另一个方面，集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片制造方法包括：通过使用掩模图案在绝缘衬底(具有所需硬度的绝缘材料的绝缘衬底，例如硅橡胶)中为各个芯片形成偶数个孔洞的步骤；通过转移掩模图案在衬底上方形成多个各自具有偶数个孔洞的芯片的步骤；用导电材料填充一个芯片中每组包括偶数个孔洞的每组中的孔洞的步骤；以及分别将每组中相邻的两个孔洞中的导电材料转变成具有不同塞贝克系数的第一和第二导电部件的步骤；通过欧姆接触，用导热且导电的第一导电连接部件在一侧上连接第一和第二导电部件的相邻表面形成导热端子部分的步骤；通过欧姆接触，用第二导电连接部件在与上面提供了第一导电连接部件的一侧相对的相对侧上覆盖第一和第二导电部件的表面，形成用于第一和第二导电部件的端子侧面部分的步骤；形成连接端子部分，使得多个第三导电连接部件与第一和第二导电部件的端子侧面部分分别电连接，第三导电连接部件彼此并列布置、彼此电绝缘并且适于与外部电路连接的步骤；以及在绝缘材料衬底的整个表面上顺序重复上述对于一个芯片的步骤许多次，从而同时形成多个芯片的步骤。
根据本发明的再另一个方面，在集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片制造方法中，各自通过欧姆接触与集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片下表面上的第一和第二导电部件连接的多个导热端子部分全部用导热并且电绝缘的材料连接，使得导电端子部分彼此电绝缘，并且布置成快速平衡第一和第二导电部件的所有导热端子部分的温度。作为连接表面中具有优异热导性和电绝缘性质的材料，可以使用例如通过耐蚀铝处理(alumite processing)而加工成具有电绝缘表面的材料。
根据本发明再另一个方面，集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的制造方法包括：(例如用切割器单个地)切断多个通过所述制造方法形成的集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的步骤；通过分别电连接多根导电且导热的金属引线与在各自切断的集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的表面中形成的连接端子来附加连接端子的步骤；按平行取出金属引线，金属引线通过绝缘材料彼此绝缘，并且只有连接端子部分伸出绝缘材料外，从而与在集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片外面提供的外部电路连接的形式模制绝缘材料的步骤；串联或并联连接两个集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的珀耳帖塞贝克电路系统的步骤。
另外，根据本发明的再另一个方面，集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的连接方法包括：制备具有阳性或阴性多端子连接器的所需长度的串行或并行电缆，包括与集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片表面上连接端子相等数量的端子；并且制备在两端具有阳性和阴性多端子连接器，或者阳性和阳性多端子连接器，或者阴性和阴性多端子连接器的所需长度的并行电缆作为扩展电缆；通过将所述阳性或阴性多端子连接器附加到在第一端具有对于阳型多端子连接器为阴型多端子连接器，或者对于阴型为阳型多端子连接器的所需长度的串行电缆的第二端，通过所述多端子连接器连接多个集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片，从而形成串联结构的电路系统。
另外，根据本发明的再另一个方面，在集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片连接方法中，为了连接具备多端子连接器的串行电缆或并行电缆，或者连接串行电缆或并行电缆与两端子外部电路，使阳型和阴型，或者阳型和阳型，或者阴型和阴型的多端子连接器与串行电缆或并行电缆的两端连接，并且形成包括阳型和阴型两端子连接器的集成连接器片，并且为了短路对于多端子或两端子阴性连接器形成阳型并且对于阳型连接器部分形成阴型多端子或者两端短路端子。
另外，根据本发明的再另一个方面，(例如通过上述方法形成的)集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片包括：具有不同塞贝克系数的第一和第二导电部件，其在绝缘衬底上以对应于掩模图案的格状阵列形式形成的多个矩形未氧化部分的相邻两个中形成；通过欧姆接触，在一侧上连接相邻的第一和第二导电部件表面以形成导热端子部分的第一导电连接部件；通过欧姆接触，在与第一导电连接部件相对的相对侧上覆盖第一和第二导电部件表面，从而形成第一和第二导电部件的端子侧面部分的第二导电连接部件；以及分别与第一和第二导电部件的端子侧面部分电连接、彼此并列布置并且彼此电绝缘并且与外部电路连接的第三导电连接部件。
另外，根据本发明的再另一个方面，提供了集成珀耳帖塞贝克板或片，其通过结合各自通过串联或并联连接多个电路系统形成的模块来形成，所述各个电路系统连接多个上述集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片，如权利要求所述。
另外，根据本发明的再另一个方面，提供了从热能直接转化成电能的集成系统，以及热能转移的集成系统，它们包括串联或并联连接的如此制备的集成珀耳帖塞贝克板或片。
附图说明
图1显示了用来根据本发明制造IPPS芯片的绝缘材料，例如氧化硅或橡胶的衬底。图1(a)是俯视图，图1(b)是沿着线Y-Y’的左侧剖视图，图1(c)是沿着线X-X’的上侧剖视图。
图2是显示在晶片中形成的多个(6个)图1所示的绝缘衬底的视图。
图3显示了在根据本发明制造IPPS芯片的过程中形成的第一和第二导电部件A和B。图3(a)是俯视图，图3(b)是左侧剖视图，并且图3(c)是上侧剖视图。
图4显示了在根据本发明制造IPPS芯片的过程中通过欧姆接触连接到IPPS芯片下表面上的第一和第二导电部件A和B。图4(a)是俯视图，图4(b)是左侧剖视图，并且图4(c)是上侧剖视图。
图5显示了在根据本发明制造IPPS芯片的过程中，在IPPS芯片上表面上用导电连接部件通过欧姆接触连接的第一和第二导电部件A和B。图5(a)是俯视图，图5(b)是左侧剖视图，并且图5(c)是上侧剖视图。
图6显示了在根据本发明制造IPPS芯片的过程中，在IPPS芯片上表面上使用键合线连接的第一和第二导电部件A和B。图6(a)是俯视图，图6(b)是左侧剖视图，并且图6(c)是上侧剖视图。
图7显示了在根据本发明制造IPPS芯片的过程中在IPPS芯片上表面上采用绝缘材料模制的第一和第二导电部件A和B的键合线。图7(a)是俯视图，图7(b)是左侧剖视图，并且图7(c)是上侧剖视图。
图8显示了在根据本发明制造IPPS芯片的过程中在结合表面中用导热且电绝缘的材料覆盖的IPPS芯片的下表面。图8(a)是俯视图，图8(b)是左侧剖视图，并且图8(c)是上侧剖视图。
图9(a)和9(b)显示了本发明中使用的阳性串行电缆的实例。图9(c)和9(d)显示了本发明中使用的阴性串行电缆的实例。
图10显示了阳型、阴型并行电缆的实例。图10(a)是剖视图，图10(b)是左侧视图，并且图10(c)是右侧视图。
图11(a)、11(b)和11(c)是集成连接器片的剖视图、左侧视图和右侧视图。图11(d)和11(e)是两端子阳性短路端子的剖视图和左侧视图。图11(f)和11(g)是两端子阴性短路端子的剖视图和左侧视图。
图12是显示了用结合材料连接IPPS芯片的模块实例的图。
图13是举例说明使用传统的热电效应装置的能量直接转化系统的自驱动传热系统的示意图。
具体实施方式
下面是参考图1-8，对制造集成的并列珀耳帖塞贝克元件(IPPS)芯片(以下简写为“IPPS芯片”)的制造过程和方法的一个实例的解释。
首先，通过真空蒸发、溅射、等离子体CVD(化学气相沉积)等，在非常薄的耐热塑料基板上形成具有例如根据使用用途从几微米至5毫米或者至十几毫米的均匀厚度的无定形硅(非晶硅)层来制备无定形硅片。在等离子体CVD的情况中，例如通过辉光放电分解硅烷(SiH4)和/或硅烷乙硅烷(SiH6)在基板上生长无定形硅层来制备如前所述的均匀厚度的无定形硅片。
替代地，通过由CW(连续波)准分子激光照射无定形硅层，或者将晶片整个放在电炉中在高温下退火无定形硅部分进行退火操作来制备电子和空穴载流子迁移率远高于无定形硅的多晶硅(多晶的硅)片。替代地，通过划切圆柱形的由硅的晶体生长形成的锭件来制备单晶硅片。(下文中使用术语“晶片”代表无定形硅片、多晶硅片和单晶硅片中的任一种。)
由涂膜机(未显示)向如此制备的晶片表面薄薄地施用光刻胶，并且对在涂有光刻胶的晶片上方提供的曝光装置或光刻机(步进光刻机)(未显示)设置掩模图案。然后，通过该步进光刻机，使用多个透镜穿过掩模图案将光投射到晶片上，从而对于涂有光刻胶的晶片上的一个芯片实现缩小投影或者缩影投影。在曝光一个芯片后，通过在上下方向以及左右方向移动曝光台逐个芯片重复曝光，直至扫描并曝光晶片的整个表面。优选在曝光后进行称作烘烤的温和或者轻微的热处理。
图1显示了上面投影了掩模图案的晶片的一个芯片部分。图1(a)是俯视图；图1(b)是沿着图1(a)中线Y-Y’的左侧剖视图，并且图1(c)是沿着图1(a)中线X-X’的上侧剖视图。
在曝光了整个晶片表面并且如此热处理后，进行显影。例如，通过使用强碱TMAH(四甲基氢氧化铵)作为显影液并且由显影机器(显影机)在旋转晶片下滴下这种显影液来进行显影。在此情况中，因为光刻胶性质上在碱性溶液中是溶解的，所以溶解了曝光期间未曝光的部分或遮蔽的多个部分中的光刻胶(图1(a)中的阴影部分1)。另一方面，暴露到光下的图1(a)所示的白色部分2中的光刻胶通过光化学反应变成对碱不溶的，并因此保持不溶解，从而形成负光刻胶图案。图2是显示了多个如图1所示的芯片的视图，通过在曝光装置中顺序移动掩模图案组而在晶片中形成所述芯片(在本视图所示的实例中，通过6次曝光操作形成6个单芯片部分)。
然后，将具有负光刻胶的晶片放在高温氧化炉中并且通过“热氧化”氧化成二氧化硅(SiO2)。热氧化是在包含氧气或蒸汽(或者水蒸汽)的气氛中引起硅和氧气之间化学反应的过程。通过该过程，除了各个芯片中光刻胶未溶解的白色部分外，图1中所示所有阴影部分中的硅改变成二氧化硅。通过热氧化通过曝光形成有多个芯片的整个晶片，在图2所示的芯片之间形成的中间部分也被改变成二氧化硅(SiO2)绝缘部分。
然后，通过溶剂从图1(a)所示的白色部分中除去碱不溶的负光刻胶。此后，通过再次进行曝光过程和热处理过程进行将掩模图案转移到晶片上并且曝光的操作。在此情况中的显影中，曝光部分2通过光化学反应改变成在碱溶液中可溶的化学结构或构成，并且在图1(a)和2所示的白色部分2中晶片是裸露的。在其余的阴影部分1的上方留下正光刻胶。
随后，在使用无定形硅的情况中，通过CW准分子激光(具有308mm的波长)向图1(a)中所示的白色部分2(无定形硅部分)照射的退火操作，或者将晶片整个放在电炉中的高温退火无定形硅的操作，将无定形硅改变成电子和空穴的载流子迁移率比无定形硅高得多的多晶硅(多晶的硅)。当使用多晶硅或者单晶硅片代替无定形硅片时，可以省略将无定形硅改变成多晶硅的过程步骤。
然后，如图3所示，图1(a)所示的白色部分2改变成第一导电部件或部分3和第二导电部件或部分4。在这个过程中，通过溶剂从图1(a)所示的白色部分2以外的阴影部分1中除去正抗蚀剂，并且再次进行上述曝光过程和热处理过程。然后，为了将图3(a)中所示的A部分3改变成p型半导体，进行掩模图案的转移、曝光和显影，并且例如通过向裸露硅的A部分3照射硼(B)的高能离子束来进行离子注入。因此，将硼离子注入图3(a)中所示的整个A部分3中并且该部分3改变成第一导电部件或部分A(3)，即p-型半导体区域。在离子注入区中，在离子到达晶片表面前施用电子浴，因此由电子电荷中和过剩的离子电荷。
通过如上所述的退火操作修复离子轰击形成的晶格缺陷或缺损，并且图3(a)中所示的A部分3通过重结晶转变成p-型半导体区。
然后，为了将图3(a)的B部分4改变成n-型半导体，在图3(a)的B部分4中裸露出硅表面，并且通过与上述硼离子束注入过程相似的过程留下正抗蚀剂来遮蔽其它部分。然后，通过照射例如磷(P)高能离子束并且退火将B部分改变成n-型半导体的n-型半导体部分。
图3(b)和3(c)是与图1相似，分别沿着图3(a)的线Y-Y’和X-X’的剖视图。
随后，通过例如抛光机的机器从晶片的下表面上除去非常薄的耐热塑料基板，并且通过抛光在晶片下表面中裸露出图3(a)的A部分和B部分4。
然后，如图4(b)的右侧剖视图和图4(c)的上侧剖视图中所示，通过用例如铜材料的连接部件(第一导电连接部件)在晶片下表面中通过欧姆接触连接A和B部分形成导热端子部分。为此，通过上述曝光过程和热处理过程进行掩模图案的转移并且通过光化学反应将暴露于光下的曝光部分改变成在碱溶液中可溶的化学结构，在晶片的下表面中裸露出各自包括相邻的一对A部分3和B部分4以及相邻的A和B部分3和4之间的中间部分的部分(图4(a)中的背面)，并且用正抗蚀剂遮蔽其它部分。
然后，通过丝网印刷，然后通过热处理向裸露的部分施用(印刷)金属胶(包含银和/或铜粉、玻璃料、树脂、有机溶剂等)，首先通过使用银胶作为银连接部件5，然后通过在银层上重复印刷铜胶并且热处理而使用铜胶作为根据需要具有适当厚度的铜连接部件5，从而在晶片的下表面上通过欧姆接触连接图4中所示的A和B部分来形成欧姆接触连接相邻的A和B部分的导热端子部分。
然后，通过欧姆接触，用例如铜材料的连接部件6(第二导电连接部件，参考图5)覆盖图4(b)和4(c)的A和B部分在晶片上表面上形成导电材料的端子侧面部分。为此，通过上述曝光过程和热处理过程进行掩模图案的转移和曝光并且通过光化学反应将暴露于光下的曝光部分改变成在碱溶液中可溶的化学结构，裸露出A部分3和B部分4并且用正抗蚀剂遮蔽其它部分。
然后，按照与对硅片下侧施用的过程相似的方式，通过丝网印刷和热处理向图4(a)裸露的A和B部分施用(印刷)金属胶(包含银和/或铜粉、玻璃料、树脂、有机溶剂等)，首先通过使用银胶作为欧姆接触的银导电材料，然后通过在银层上重复印刷铜胶并且热处理而使用铜作为根据需要具有适当厚度的铜导电部件6，在晶片的上侧上形成用于相邻的A和B导电部件3和4的端子侧面部分。
接着，为了连接用于连接外部装置的端子部分，通过用焊剂涂层覆盖在芯片上侧上形成的端子侧面部分6，并且电连接例如铜材料的连接部件与各个端子侧面部分6，从而使这些连接部件彼此并列布置、彼此绝缘，并且适于和外部装置连接，形成连接端子部分。因此，如图6所示，通过挤压并加热将具有尽可能大的截面积的导电性和导热性优越的导电金属材料，例如铜的键合线8与各个端子侧面部分的焊剂涂层连接。图6中所示的连接部件7是各自通过在连接键合线8的焊接过程中由挤压和加热操作平坦化并且延伸的键合线8的端部形成的连接部分。如此形成的连接部件7用来加强并且保证端子侧面部分6和键合线8之间的电连接。另外，在所有键合线811～8mn(键合线的数量是m×n：在图8中，m＝8，n＝10并且总数为80)彼此电绝缘的状态中形成连接端子部分811T～8mnT。
在用于各种应用期间，具有通过上述过程形成的结构的IPPS芯片可能经历例如断裂的损害。为了防止这种损害，如图7中所示，按照封装相互绝缘的连接端子部分811T～8mnT的方式通过使用导热率更高并且应力特性低的绝缘材料9的模制过程固定键合线811～8mn。
此外，如图8中所示，将具有优越的导热性和电绝缘能力的连接部件10连接到通过欧姆接触与第一导电部件3(A部分)和第二导电部件4(B部分)连接的所有导热端子部分上并且在图7中所示的下表面中裸露。例如，连接部件10是具有良好导热性的绝缘薄板，例如通过在表面上形成非常薄的层的耐蚀铝或氧化铝膜(alunite)处理形成绝缘板的铝板。如此连接的导热连接部件10一方面可以使图8下表面上的导电端子部分彼此绝缘，并且使所有A部分的第一导电部件3和B部分的第二导电部件4的温度快速达到相等或均匀的水平。
尽管作为第一实施方案的实施例，上面的解释旨向于使用二氧化硅(SiO2)作为绝缘衬底的IPPS芯片制造过程，但是可以使用具有适当硬度的绝缘材料，例如硅橡胶的绝缘衬底代替二氧化硅来制造IPPS芯片。在使用具有适当硬度的的例如硅橡胶的绝缘材料的绝缘衬底的情况中，通过使用掩模图案在绝缘衬底中形成要插入的孔洞，在打开要用第一导电部件A(3)和第二导电部件B(4)插入的孔洞部分以外的剩余部分上留下正抗蚀剂的光刻胶。结果，在形成孔洞后，在未除去光刻胶的状态中，通过蒸发、溅射、等离子体CVD(化学气相沉积)等产生例如根据用途具有从几微米至5毫米或至十几毫米的均匀厚度的无定形硅层，其中所有孔洞插有无定形硅。此外，通过对孔洞中的无定形硅部分照射CW准分子激光(具有308mm的波长)来重复退火操作直至无定形硅改变成多晶硅。替代地，通过长时间照射高功率CW准分子激光(具有308mm的波长)，无定形硅改变成多晶硅和单晶硅的混合硅(随着单晶硅区域增加，可以获得能够增强根据本发明的功能并具有更高电子和空穴载流子迁移率的硅)。此后，通过执行与图1～8中所示过程相似的过程，可以制备具有如下特性的IPPS芯片：绝缘区具有根据需要的柔韧性或柔软性并且芯片对外力是柔韧性的并且难以断裂。
在由上述方法制备的IPPS芯片中，如图1～8中所示，塞贝克系数不同的第一导电部件A(3)和第二导电部件B(4)沿着线交替排列。在图8(a)中所示的下侧，第一导电部件A(3)和第二导电部件B(4)由如图8(b)中所示的铜连接部件5等(第一导电连接部件)连接。在图8(a)中所示的上侧，第一导电部件A(3)和第二导电部件B(4)分别与连接部件6等(第二导电连接部件)连接。连接部件6通过欧姆接触进一步与例如铜的金属导电材料的键合线8、以及它们的压线端导电部件7连接。
键合线数量等于第一导电部件A(3)和第二导电部件B(4)的数量。即，彼此平行取出键合线811～8mn。这些键合线彼此绝缘，并且彼此平行地取出如此形成的连接端子部分811T～8mnT。另外，如图8(b)和8(c)中所示，通过连接导热且电绝缘的薄连接部件10，例如通过耐蚀铝处理等在连接表面上具有电绝缘性质的薄铝板，芯片保持在芯片整体具有良好的导热性的状态。
使用图9和10，下面是对由上述方法制备的多个IPPS芯片的连接方法实例的解释。
图9(a)和9(b)显示了阳型串行电缆的实例。图9(a)是表示IPPS芯片和阳型多端子连接器的连接状态的剖视图，并且图9(b)是阳性端子部分的前视图。相似地，图9(c)和9(d)显示了阴型串行电缆的实例。图9(c)是表示IPPS芯片和阴型串行电缆11的多端子连接器的连接状态的剖视图，并且图9(d)是阴性端子部分的前视图。
如图9(a)中所示，将键合线811～8mn插入阳型串行电缆11的一个端面中并且由一个或多个螺钉扣13固定。阳性端子1211～12mn以互相绝缘的状态从阳型连接器电缆11的另一个端面突出。图9(c)显示了与IPPS芯片连接的阴型串行电缆14。相对的端面形成有阴性端子1511～15mn。在另一个方面中，图9(c)的结构与图9(a)相同。
图10显示了阳阴型(male female type)并行电缆。图10中所示的并行电缆16在一端包括一组阳性端子17并且在另一个端包括一组阴性端子18。
从图9(a)和图9(c)中明显可见，阳性和阴性串行电缆11或14各自都具有数量等于IPPS芯片表面的端子811T～8mnT的数量m×n的端子。如图10所示，可以用作扩展电缆的并行电缆16在两端具有阳性端子17和阴性端子18。除了如图10所示在两端具有阳性和阴性端子的并行电缆外，还可以选择例如具有两端具有阳性端子的电缆、或者具有两端包括阴性端子的电缆的多端子连接器。可以根据需要使用所需长度的电缆来制备并行电缆15。
通过包括如图9和10所示的一个或多个多端子连接器的一个或多个串行或并行电缆连接多个IPPS芯片，从而形成串行结构电路系统。在这种结构下，可以实现用于从热能向电能直接转化的直接转化系统的电路系统。
图11用来举例说明用来连接上述阳型或阴型串行电缆的集成连接器片20的实例。图11(a)～11(g)表示了集成连接器连接片20和短路端子21、22的实例。图11(a)是用来与外部电路连接的好像在两个端子部分处切出的剖视图。图11(b)是图11(a)中所示的左侧的左侧视图，并且图11(c)是其右侧视图。这种集成连接器连接片在左侧包括阳型多端子连接器23并且在右侧包括阴型多端子连接器24。另外，为了与未显示的两端外部电路连接，在集成连接器连接片20的左侧表面和右侧表面上提供了左和右一对阳型两端子连接器25和阴型两端子连接器26。
该集成连接器连接片20的左侧表面与一个或多个如图9(c)所示的阴型串行电缆或并行电缆连接，并且右侧表面与如图9(a)所示的一个或多个阳型串行电缆或并行电缆连接，在一个实施例中，图11(a)、11(b)和11(c)中所示的集成连接器连接片20的上半部在左侧与具有阴型多端子连接器的串行电缆连接(参考图9(c))，并且在右侧与具有阳型多端子连接器的并行电缆连接(参考图10)。图11(a)、11(b)和11(c)中所示的集成连接器连接片20的下半部在左侧与具有阴型多端子连接器的并行电缆连接(参考图10)，并且在右侧与具有阳型多端子连接器的串行电缆连接(参考图9(a))。
因此，通过使用集成连接器连接片20，可以使具备多端子连接器的串行电缆彼此连接或者根据使用所需适当地连接串行电缆和并行电缆。另外，例如通过构造用于热能向电能直接转化的集成系统，其中将第一个IPPS芯片的导热端子部分侧设置在高温段，并且将第二个IPPS芯片的导热端子部分侧设置在低温段，可以通过阳型和阴型两端子连接器向未显示的外部电路供应产生的电能。例如，通过对于阳型两端子外部电路使用阴型两端子连接器，并且在阴型两端子外部电路的情况中连接阳型两端子连接器，可以供电。此外，当为了从外部电路向该系统供应电流，使用通过串联结合或连接两个或多个IPPS芯片形成的电路系统来转移热能时，对于阳型两端子外部电路使用阴型两端子连接器。对于阴型两端子外部电路，通过连接阳型两端子连接器供应外部电流。
另外，在构造用于从热能向电能直接转化的大规模集成系统、用于热能转移的集成系统、或者具有这两种系统混合结构的混合集成系统的情况中，通过使用图11(d)和11(e)中所示的阳型短路端子21或者图11(f)和11(g)中所示的阴型短路端子22来短路集成的连接器片20的阳型两个端子25或者阴型两个端子26，使得集成系统整体成为闭合回路，可以容易地使系统免受错误连接的影响。
在从外部电路供电中，可以使用以下三种模式之一。第一种模式是使用外部电路电源的模式。第二种模式是使用由构建的系统发的电作为其自身电源、或者使用由与该系统无关构建出的一个或多个独立的系统发的电作为电源的模式。前者情况等价于由短路端子短路所有两端子连接器的系统。在此情况中，因为使用温差由塞贝克电动势引起的电流在高温段起到珀耳帖效应吸热作用并且在低温段起到放热作用，导体中的自由电子电转移热能并且以在电路导体中热传导以外的形式促进了传热。另一方面，后者情况对应于仅使用温差热能而整体上不使用实质性外电源的自驱动型传热系统。
第三种模式是使用由作为外部电路电源构建的系统产生的电力，或者组合使用由一个或多个与该系统无关构建的独立系统产生的电力的模式。换句话说，使用由作为外部电路电源构建的系统产生的电力的系统等价于通过将基于使用温差的塞贝克电动势返回至外部电路的电源而节省能量的自动系统。构建与这种系统无关的一个或多个独立系统并且组合使用由这些系统产生的电力的模式导致积极使用基于使用温差热能的电动势的外电源节能系统，并且可以实现最佳利用这个方面的自驱动型传热系统。
最后，基于图12，解释通过组合多个模块根据需要集成为所需尺寸的板型设备(panel-shaped apparatus)的实例，所述各个模块通过串联连接多个电路系统来形成，各个电路系统通过串联或者并联结合或连接多个根据本发明的IPPS芯片来制备。
图12作为例子显示了通过以两个在竖直方向并且四个在侧面方向的布局连接根据本发明的IPPS芯片301～308而以板形状整体形成的模块。如图12中所示，IPPS芯片301和302、302和303、以及303和304分别通过第一连接部分311、312和313连接，使得芯片彼此电绝缘。按照相同的方式，IPPS芯片305和306、306和307、以及307和308分别通过第一连接部分314、315和316连接。
IPPS芯片301和305、302和306、303和307以及304和308分别通过第二连接部分321～324连接(只显示了321)，使得芯片彼此电绝缘。通过串联结合或连接这些IIPS芯片301～308作为集成单元形成模块。此外，通过结合多个模块形成根据需要具有所需尺寸的板或片。通过使用刚性或硬的材料，例如金属和塑料作为第一和第二连接部分的材料，可以制备出集成的珀耳帖塞贝克(IPS)板(以下称作“IPS板”)，其中以平面的形式扩展并且联合了IPPS芯片。
另外，通过使用耐用的柔韧或柔软的材料，例如橡胶或乙烯基材料作为第一和第二连接部分的材料、或者在刚性材料的连接部分之间提供铰链形状可动部件331～336，可以组装弯曲成与圆柱形相似形状的柔性片。将如此组装的单个单元形式的IPPS芯片集合称作集成的珀耳帖塞贝克(IPS)片(以下称作“IPS片”)。如此构建的IPS片可以以各种形式用于各种情况和各种目的。例如，通过将IPS片弯曲成中空圆柱形形状并且将IPS片浸入热水中，可以使用温泉的热水作为热源。
如上面所解释，通过串联或并联连接IPS板或片可以制备出小、中和大尺寸的集成IPS板或片。
集成的IPS板或片可以代替IPPS芯片用作构建集成系统的模块，因此可以用于从热能向电能直接转化的集成系统以及用于热能转移的集成系统。
通过使传统太阳能板的表面变黑或者非反射的由黑体吸收收集大约100％的太阳能，通过光伏效应将光能转化成电能，并且通过使用根据本发明的集成系统将热能转化电能，可以显著提高太阳能的使用效率。
通过将LSI制造技术用于集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的制造过程，根据本发明的集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的制造方法可以显著降低技术人员或技术员常规进行制造所需的时间。
另外，可以同时形成许多个集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片，并且提供多端子连接器。因此，通过结合集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的简单方法可以制备出集成的珀耳帖塞贝克板或片。因此，通过非常快地合并珀耳帖塞贝克板或片，可以组装用于从热能向电能直接转化的集成系统以及用于热能转移的集成系统。
尽管已经给出了关于根据本发明的IPPS芯片制造方法、IPPS芯片的结构和IPS板或片的结构及制备方法的解释，但是本发明不局限于上述实施方案。只要不偏离本发明的要旨，可以包括各种形式和修改。

Claims (10)

1.一种集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的制造方法，包括：
制备具有均匀厚度的硅衬底的步骤，所述硅衬底是无定形硅衬底、多晶硅衬底和单晶硅衬底之一；
通过在硅衬底上转移掩模图案而在各个芯片上留下偶数个未氧化部分来形成多个芯片的步骤；
通过将具有与掩模图案相应的用于未氧化部分的负抗蚀剂的衬底放入氧化炉中引起与氧气的化学反应，除了对应于掩模图案的部分外将剩余部分转变成二氧化硅，因而形成除未氧化部分以外的衬底剩余部分被整体转变成电绝缘材料的衬底的步骤；
分别将在衬底一个芯片中形成的相邻两个未氧化部分转变成具有不同塞贝克系数的第一和第二导电部件的步骤；
通过欧姆接触，用第一导电连接部件在一侧上连接相邻的第一和第二导电部件的表面形成导热端子部分的步骤；
通过欧姆接触，用第二导电连接部件在与上面提供了第一导电连接部件的一侧相对的相对侧上覆盖第一和第二导电部件的表面，形成用于第一和第二导电部件的端子侧面部分的步骤；
分别电连接多个第三导电连接部件与第一和第二导电部件的端子侧面部分，并且以其中第三导电连接部件彼此并列布置并且彼此电绝缘的状态，形成与外部电路连接的连接端子部分的步骤；以及
在绝缘材料衬底的整个表面上顺序重复上述对于一个芯片的步骤许多次，从而同时形成多个芯片的步骤。
2.一种集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片制造方法，包括：
通过使用掩模图案在绝缘衬底中为各个芯片形成偶数个孔洞的步骤；
通过转移掩模图案在衬底上方形成多个各自具有偶数个孔洞的芯片的步骤；
用导电材料填充一个芯片中每组包括偶数个孔洞的每组中的孔洞；并且分别将每组中相邻的两个孔洞中的导电材料转变成具有不同塞贝克系数的第一和第二导电部件的步骤；
通过欧姆接触，用导热且导电的第一导电连接部件在一侧上连接第一和第二导电部件的相邻表面形成导热端子部分的步骤；
通过欧姆接触，用第二导电连接部件在与上面提供第一导电连接部件的一侧相对的相对侧上覆盖第一和第二导电部件的表面，形成用于第一和第二导电部件的端子侧面部分的步骤；
形成连接端子部分的步骤，使得多个第三导电连接部件与第一和第二导电部件的端子侧面部分分别电连接，第三导电连接部件彼此并列布置、彼此电绝缘并且适于与外部电路连接；以及
在绝缘材料衬底的整个表面上顺序重复上述对于一个芯片的步骤许多次，从而同时形成多个芯片的步骤。
3.如权利要求1或2所述的集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的制造方法，其中各自通过欧姆接触与集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片下表面中裸露出的第一和第二导电部件连接的多个导热端子部分全部用导热并且电绝缘的材料连接，使得导电端子部分彼此电绝缘，并且布置成快速平衡第一和第二导电部件的所有导热端子部分的温度。
4.一种集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的制造方法，包括：
用切割器单个地切断多个通过权利要求1～3之一所述的制造方法形成的集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的步骤；
通过分别电连接多根导电且导热的金属引线与在各自切断的集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的表面中形成的连接端子来附加连接端子的步骤；
按照其中平行取出金属引线，金属引线通过绝缘材料彼此绝缘，并且只有连接端子部分伸出绝缘材料外，从而与在集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片外面提供的外部电路连接的形式，模制绝缘材料的步骤；
串联或并联连接两个集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的珀耳帖塞贝克电路系统的步骤。
5.一种集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的连接方法，用于通过连接多个集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片形成珀耳帖效应型或者塞贝克效应型热电转化元件电路系统，所述方法包括：
制备具有阳性或阴性多端子连接器的所需长度的串行或并行电缆，包括与集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片表面上连接端子相等数量的端子；并且制备在两端具有阳性和阴性多端子连接器，或者阳性和阳性多端子连接器，或者阴性和阴性多端子连接器的所需长度的并行电缆作为扩展电缆；
通过将所述阳性或阴性多端子连接器附加到在第一端具有对于阳型多端子连接器为阴型多端子连接器，或者对于阴型为阳型多端子连接器的所需长度的串行电缆的第二端，通过所述多端子连接器连接多个集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片，从而形成串联结构的电路系统。
6.如权利要求5所述的集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片的连接方法，其中为了连接具备多端子连接器的串行电缆或并行电缆，或者连接串行电缆或并行电缆与两端子外部电路，使阳型和阴型，或者阳型和阳型，或者阴型和阴型的多端子连接器与串行电缆或并行电缆的两端连接，并且形成包括阳型和阴型两端子连接器的集成连接器芯片，并且为了短路，对于多端子或两端子阴性连接器部分形成阳型并且对于阳型连接器部分形成阴型多端子或者两端短路端子。
7.一种集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片，包括：
具有不同塞贝克系数的第一和第二导电部件，其在绝缘衬底上以对应于掩模图案的格状阵列形式形成的多个矩形未氧化部分的相邻两个中形成；
通过欧姆接触，在一侧上连接相邻的第一和第二导电部件表面以形成导热端子部分的第一导电连接部件；
通过欧姆接触，在与第一导电连接部件相对的相对侧上覆盖第一和第二导电部件表面，从而形成第一和第二导电部件的端子侧面部分的第二导电连接部件；以及
分别与第一和第二导电部件的端子侧面部分电连接、彼此并列布置并且彼此电绝缘并且与外部电路连接的第三导电连接部件。
8.一种集成的珀耳帖塞贝克板或片，包括各自通过串联或并联连接多个电路系统形成的多个模块的组合，各个电路系统连接多个如权利要求7所述的集成的并列珀耳帖塞贝克元件芯片。
9.一种用于从热能向电能直接转化的集成系统，包括多个串联或并联连接的权利要求8中所述的集成的珀耳帖塞贝克板或片。
10.一种用于热能转移的集成系统，包括多个串联或并联连接的权利要求8中所述的集成的珀耳帖塞贝克板或片。
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