CN202145467U - 新型微型热电发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型微型热电发生器，其包括基板；所述基板内设有若干贯通基板的隔热腔；基板一侧表面上设置支撑层，所述支撑层上设有若干交替分布的N型热电材料区及P型热电材料区；支撑层上相邻交替分布的N型热电材料区与P型热电材料区通过导电层连接成等电位，并在支撑层上串接形成热电材料体，所述热电材料体的两端均设置电连接的键合电极；热电材料体上淀积有电绝缘层，所述电绝缘层覆盖热电材料体上；电绝缘层上淀积导热层，所述导热层的两侧设有隔热部；导热层上设有第一封装体，基板对应设置支撑层的另一侧设有第二封装体。本实用新型结构紧凑，使用成本低，制造工艺简单方便，发电效率高，适应性好，节能环保，安全可靠。

Description

新型微型热电发生器

技术领域

本实用新型涉及一种热电发生器，尤其是一种新型微型热电发生器，属于热电发生器的技术领域。

背景技术

由于微电子器件日益增长的微型化趋势，电源的小型化也成为一种必然。用于微电子器件的传统电源多为电池或太阳能电池。然而，随着使用时间的延长，电池需要周期性更换，而太阳能电池由于太阳或者其它光源的限制，也只能提供短暂的电源。热电发生器作为一种自给自足的能源，它根据Seebeck效应能将热能直接转换为电能，在适合的温度下能保持实际上的无限的有效寿命，这使其作为一种能源领域的高新技术成为国际研究的热点之一。

Seebeck效应是德国物理学家Seebeck发现的一种热电现象。当在金属导体或者半导体材料上加上温度差ΔT时，会伴随产生电压ΔU。并且开路电压线性地正比于温差：

${\mathrm{\α}}_s=\frac{\mathrm{\ΔU}}{\mathrm{\ΔT}}$

其中，α_s称作Seebeck系数，也可称为热电功率。如果热电偶的两种构成材料的Seebeck系数分别为α_a和α_b，则热电偶的Seebeck系数定义为：

α_ab＝α_a+α_b

当n对热电偶串联时，总的开路输出电压可表示为ΔU_n：

ΔU_n＝n·(α_ab·ΔT)

根据Seebeck效应而制作的热电发生器，其效率可由热电品质因数Z来表征：

$Z=\frac{{\mathrm{\α}}_s^2\·\mathrm{\σ}}{\mathrm{\κ}}$

其中，σ是电导率，κ是热导率，品质因数Z表示可用在热电发生器中的热电材料的热和电属性。

由品质因数Z可以看出，提高热电发生器效率的关键之一是研制具有高Seebeck系数，低电阻率，低热导率的热电材料，另一方面，由于一般热电发生器的应用环境温差较小，这就必须将大量的热电偶串联起来，以便产生足够高的热电电压。因此，改进热电发生器的另一关键在于热电偶的集成密度的提高。就热电材料而言，碲化铋基热电材料是目前室温附近应用最好的热电材料，也是目前工业化成熟的热电半导体行业的原料；而且可以把体材料碲化铋热电偶的结构做到足够小的尺寸以提高集成密度。尽管如此，热电材料的性能受材料制备方法的影响极大，因此对于传统的方法，从材料的处理和制造碲化铋热电偶方面的极端困难转换为了极高的成本，从而导致最终产品的高成本。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种新型微型热电发生器，其结构紧凑，使用成本低，制造工艺简单方便，发电效率高，适应性好，节能环保，安全可靠。

按照本实用新型提供的技术方案，所述新型微型热电发生器，在所述热电发生器的截面上，包括基板；所述基板内设有若干贯通基板的隔热腔；基板一侧表面上设置支撑层，所述支撑层上设有若干交替分布的N型热电材料区及P型热电材料区；支撑层上相邻交替分布的N型热电材料区与P型热电材料区通过导电层连接成等电位，并在支撑层上串接形成热电材料体，所述热电材料体的两端均设置电连接的键合电极；热电材料体上淀积有电绝缘层，所述电绝缘层覆盖热电材料体上；电绝缘层上淀积导热层，所述导热层的两侧设有隔热部；导热层上设有第一封装体，基板对应设置支撑层的另一侧设有第二封装体。

所述支撑层包括生长于基板上的氧化硅层及淀积于所述氧化硅层上的氮化硅层。

所述基板的材料包括硅。所述N型热电材料区及P型热电材料区通过导电多晶硅掺杂形成或由碲化铋热电材料制成。所述第一封装体与第二封装体均由陶瓷材料制成。

本实用新型的优点：基板上设置支撑层，支撑层上设置N型热电材料区及P型热电材料区，N型热电材料区与P型热电材料区通过导电层连接成等电位，并串接成热电材料体，能够提高发电效率；热电材料体两端设置键合电极，通过键合电极能够将相应的电能输出；热电材料体上方设置导热层及隔热部，能够使热流在相应方向上传导，基板内的隔热腔能够绝热，同时避免热流在基板内传导；热电发生器的制备工艺与现有较成熟的IC制造工艺相兼容，制造工艺简单，批量产品成本低；单个热电单元结构尺寸可以做到很小，能够进行高密度的集成；由于采用了热电材料体对应的上下薄层分别具有导热层、隔热部和绝热的隔热腔，相比传统的硅基热电发生器，效率得到了提高；结构紧凑，降低使用成本，制造工艺简单方便，适应性好，节能环保，安全可靠。

附图说明

图1为热流在本实用新型内部的传导示意图。

图2为图3的俯视图。

图3为本实用新型的一种具体结构示意图。

图4为图3中隔热部采用氧化硅的具体结构示意图。

图5为本实用新型的另一种具体结构示意图。

图6为图5中隔热部采用氧化硅的具体结构示意图。

附图标记说明：1-基板、2-支撑层、3a-N型掺杂多晶硅、3b-P型掺杂多晶硅、4-第一导电层、5-第一电绝缘层、6-导热层、7-空气隔离腔、9-隔热腔、10-第一封装体、11-键合电极、12-第一氧化硅层、13-保护层、14-通孔连接电极、15-氧化硅介电层、16-第二导电层、17a-N型热电偶区域、17b-P型热电偶区域、18-第二电绝缘层、20-第二封装体、101-第一热电发生器、103-第二热电发生器、104-第三热电发生器及105-第四热电发生器。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图2和图3所示：第一热电发生器101包括基板1，所述基板1的材料包括硅，基板1具有第一主面与第二主面，所述第一主面与第二主面相对应。基板1的第一主面上设置支撑层2，所述支撑层2包括生长于基板1上的氧化硅层及淀积于所述氧化硅层上的氮化硅层。支撑层2上设有若干交替分布的N型热电材料区及P型热电材料区，所述N型热电材料区与P型热电材料区沿基板1的长度分布，并形成多块均匀分布的结构。具体地，N型热电材料区及P型热电材料区采用多晶硅掺杂后形成，得到N型掺杂多晶硅3a及P型掺杂多晶硅3b。N型掺杂多晶硅3a及P型掺杂多晶硅3b间通过第一导电层4连接成等电位，且支撑层2上的N型掺杂多晶硅3a及P型掺杂多晶硅3b通过第一导电层4串接形成热电材料体，所述热电材料体的两端设置键合电极11，通过键合电极11能够向外输出相应的电压；N型掺杂多晶硅3a与P型掺杂多晶硅3b通过第一导电层4形成相应的热电偶结构。键合电极11与第一导电层4为同一制造层，第一导电层4与键合电极11的材料包括铝。热电材料体上淀积有第一绝缘层5，所述第一绝缘层5覆盖于热电材料体及第一导电层4上，但键合电极11位于第一绝缘层5外。第一绝缘层5为氧化硅层；第一绝缘层5上设有导热层6，所述导热层6的两侧设有隔热部，能够减少热流在导热层6间的传播，能够使热流沿着导热层6与第一绝缘层5间的方向传导。具体地，导热层6采用铝、金或铜等金属制成，隔热部可以为空气隔离腔7。导热层6上设有第一封装体10，所述第一封装体10压盖于导热层6及空气隔离腔7上。基板1内设有隔热腔9，所述隔热腔9连接基板1的第一主面与第二主面，即隔热腔9贯通基板1。隔热腔9的数量根据传热需要进行相应设置。基板1的第二主面上设有第二封装体20，所述第二封装体20压盖于基板1的第二主面上。

如图2和图4所示：所述第二热电发生器103与第一热电发生器101相比，所述导热层6两侧的隔热部可以采用第一氧化硅层12来实现隔热，第一氧化硅层12与导热层6交替分布，通过第一氧化硅层12与导热层6的接触，能够减少热流在导热层6的层间传导。

如图2和图5所示：第三热电发生器104包括基板1，所述基板1的材料采用硅，基板1的第一主面上设置支撑层2，所述支撑层2上设置若干交替分布的N型热电材料区及P型热电材料区，且所述N型热电材料区与P型热电材料区通过保护层13相隔离。具体地，N型热电材料区与P型热电材料区采用碲化铋热电金属材料制成，分别形成N型热电偶区域17a及P型热电偶区域17b，保护层13为氧化硅层。保护层13及N型热电偶区域17a及P型热电偶区域17b上覆盖有氧化硅介电层15，所述氧化硅介电层15上设有接触孔，所述接触孔从氧化硅介电层的表面延伸到N型热电偶区域17a及P型热电偶区域区17b，且接触孔位于N型热电偶区域17a及P型热电偶区域17b的端部。在接触孔内填充有通孔连接电极14，所述通孔连接电极14与N型热电偶区域17a、P型热电偶区域17b电连接；N型热电偶区域17a与P型热电偶区域17b通过通孔连接电极14形成热电偶结构，热电偶上产生温度差时，根据Seebeck效应可知，能够向外输出相应的电压。相邻的通孔连接电极14通过第二导电层16相连，从而N型热电偶区域17a与P型热电偶区域17b通过通孔连接电极14及第二导电层16连接成等电位，并串接形成热电材料体，所述热电材料体两端形成键合电极11，通过键合电极11能够多个热电偶串联形成热电材料体产生的电压向外输出。通孔连接电极14的材料采用钨，第二导电层16采用铝、金或铜等金属材料制成。氧化硅介电层15及第二导电层16上淀积有第二电绝缘层18，所述第二电绝缘层18覆盖于氧化硅介电层15及第二导电层16上，第二电绝缘层18为氧化硅层。在第二电绝缘层18上设置导热层6，所述导热层6的两侧设置隔热部，所述隔热部与导热层6相交替分布，通过隔热部能够减少热流在导热层6间的传导。具体地，隔热部采用第一氧化硅层12制成，第一氧化硅层12及导热层6上设有第一封装体10，第一封装体10压盖于导热层6及第一氧化硅层12上。基板1内设有若干均匀分布的隔热腔9，所述隔热腔9贯通基板1。基板1的第二主面上设有第二封装体20，所述第二封装体10压盖于基板1的第二主面上，同时隔热腔9的两端端口通过第二封装体20及支撑层2相封闭。第一封装体10与第二封装体20均由绝缘导热性良好的陶瓷材料制成。

如图2和图6所示：第四热电发生器105与第三热电发生器104相比，所述导热层6两侧的隔热部可以采用空气隔离腔7来实现隔热，空气隔离腔7与导热层6交替分布，通过空气隔离腔7与导热层6的接触，能够减少热流在导热层6的层间传导。

上述结构的热电发生器，可以通过下述工艺步骤实现：

a、提供基板1，所述基板1具有相对应的第一主面与第二主面；

b、在所述基板1的第一主面上设置支撑层2；

c、在上述支撑层2上设置均匀分布的热电材料层，在支撑层2上形成交替分布的N型热电材料区及P型热电材料区；

所述热电材料层的材料可以通过多晶硅层掺杂实现也可以通过热电金属材料制成，当采用不同的材料时，具有不同的工艺步骤；具体地，当采用多晶硅层掺杂来实现热电材料层时，包括如下步骤：

s1、在支撑层2上淀积多晶硅层；

s2、对上述多晶硅层进行光刻显影，在多晶硅层上注入N型离子，以形成N型掺杂多晶硅3a；注入N型杂质离子时，在多晶硅层上涂覆光刻胶，在需要注入N型离子的部位设置开口，以便能够注入N型杂质离子，其余部分的多晶硅层通过光刻胶遮挡；

s3、对上述多晶硅进行光刻显影，在多晶硅层上注入P型离子，以形成P型热电材料区；注入P型杂质离子时，也需要在多晶硅层上涂覆光刻胶，在需要注入P型离子的部位设置开口，以便能够注入P型杂质离子，其余部分的多晶硅层通过光刻胶遮挡；

s4、刻蚀上述N型热电材料区与P型材料区外的多晶硅层，以使N型热电材料区与P型热电材料区相隔离，且N型热电材料区与P型热电材料区交替分布。

当采用热电金属材料，所述热电金属材料可以为碲化铋材料时，包括如下步骤：

s11、在支撑层2上溅射N型热电金属材料，并通过光刻显影，刻蚀得到N型热电偶区域17a；

s12、在上述支撑层2上淀积保护层13，所述保护层13覆盖于支撑层2及N型热电偶区域17a上；

s13、选择性地掩蔽和刻蚀保护层13，得到支撑层2上的P型热电金属材料区域；

s14、在支撑层2上溅射P型热电金属材料；

s15、对P型热电金属材料进行光刻显影，刻蚀得到P型热电偶区域17b；光刻显影后，以去除N型热电偶区域17a上的P型热电金属材料，能够得到相应的P型热电偶区域17b；所述P型热电偶区域17b与N型热电偶区域17a通过保护层13相隔离，且P型热电偶区域17a与N型热电偶区域17b交替分布；

s16、在上述保护层、N型热电偶区域及P型热电偶区域上淀积氧化硅介电层；

s17、选择性地掩蔽和刻蚀所述氧化硅介电层，得到位于氧化硅介电层上的接触孔，所述接触孔从氧化硅介电层的表面延伸到N型热电偶区域、P型热电偶区域；

s18、在上述氧化硅介电层上淀积连接金属层，所述连接金属层填充于接触孔内，并覆盖在氧化硅介电层上；

s19、刻蚀所述接触孔外的连接金属层，得到位于接触孔内的通孔连接电极。

d、在所述热电材料层上淀积导电层材料，选择性地掩蔽和刻蚀导电层材料，并形成导电层；上述相邻的N型热电材料区与P型热电材料区通过导电层连接成等电位，并串接成热电材料体，且在热电材料体的两端形成键合电极11；

所述导电层包括第一导电层4及第二导电层16，所述第一导电层4将N型掺杂多晶硅3a及P型掺杂多晶硅3b连接成等电位，第二导电层16通过通孔连接电极14将N型热电偶区域17a与P型热电偶区域17b连接成等电位；

e、对上述热电材料体及基板1进行高温退火工艺，以增强导电层与N型热电材料区及P型热电材料区的电接触；高温退火工艺的温度为450度，退火时间为60分钟；

f、在上述热电材料体上淀积电绝缘层材料，所述电绝缘层材料覆盖于支撑层2及热电材料体上；

g、选择性地掩蔽和刻蚀电绝缘层材料，刻蚀键合电极11上的电绝缘层材料，形成电绝缘层；

所述电绝缘层包括第一电绝缘层5及第二电绝缘层18，第一电绝缘层5与第一导电层4相对应，第二电绝缘层18与第二导电层16相对应；键合电极11需要裸露，以便与外部相连；

h、在上述电绝缘层上淀积导热层材料，所述导热层材料覆盖于相应的电绝缘层上；

i、选择性地掩蔽和刻蚀导热层材料，在电绝缘层上形成导热层6，所述导热6层的两侧设有隔热部；

所述隔热部可以为空气隔离腔7或第一氧化硅层12，两种方式都能够减少热量在导热层6间传导；

j、对上述基板1的第二主面进行光刻，得到贯通基板1的隔热腔9；

刻蚀隔热腔9时，需要在基板1上淀积硬掩膜，然后通过选择性地掩蔽和刻蚀硬掩膜形成构成刻蚀的硬掩膜开口，所述硬掩膜层可以为LPTEOS(低压化学气相沉积四乙基原硅酸盐)、热氧化二氧化硅加化学气相沉积二氧化硅或热二氧化硅加氮化硅；

k、对所述基板1的第二主面利用第二封装体20进行封装，且基板1第一主面上的导热层6利用第一封装体10进行封装。

如图1～图6所示：工作时，热流由第一封装体1向第二封装体2的方向传导，经由导热性良好的导热层6将热流传导给导热层6下方的N型热电材料区及P型热电材料区；由于导热层6两侧设有隔热部，能够减少热流在导热层6内的传导，使热流传导到热电材料体上；热电材料体可以看出多个N型热电材料区与P型热电材料区构成热电偶的串联，每个热电偶在热流作用下产生的电压都能产生电压值；N型热电材料区与P型热电材料区形成热电偶对热端的节点，整个热流路径在物理上电绝缘。热流从热电偶对热端的节点，横向的沿着热电材料体内部传导，并在热电材料体两端形成温度梯度，热电偶对冷端的节点与基板1间形成热流路径，并将热流传导给第二封装体20而将热流散出。N型热电材料区与P型热电材料区通过第一导电层4或第二导电层16连接成等电位，并串接成热电材料体；所述热电材料体产生的电压由相应N型热电材料区与P型热电材料区构成热电偶电压的累加得到，从而能够通过键合电极11向外输出相应电压的电能，降低了热电发生器的成本，提高了发电效率。

为使热流能在热电材料体内横向传导，并在热电材料体两端形成温度梯度，在热电偶对热端的节点所对应的上下薄层处，分别沉积了一层具有良好导热性能的导热层6、隔热部和刻蚀出了具有绝热作用的隔热腔9。N型热电材料区与P型热电材料区均为薄膜层，易于采用现有的成熟工艺制备，并制作成微型尺寸，以此提高热电发生器的集成度和降低批量产品的成本。

本实用新型只提出了一种硅基板1微型热电发生器的可行的方法，并未对具体厚度和尺寸做出明确界定，其可根据所设计的条件，进行相应的变动。如金属导热层6，第二导电层16可根据需要采用Al，Au，Cu等导热性能良好制造工艺较成熟的金属；又如N型热电材料区与P型热电材料区可根据需要采用能溅射沉积成膜的碲化铋基高Seebeck系数的材料。

本实用新型基板1上设置支撑层2，支撑层2上设置N型热电材料区及P型热电材料区，N型热电材料区与P型热电材料区通过导电层连接成等电位，并串接成热电材料体，能够提高发电效率；热电材料体两端设置键合电极11，通过键合电极11能够将相应的电能输出；热电材料体上方设置导热层6及隔热部，能够使热流在相应方向上传导，基板1内的隔热腔9能够绝热，同时避免热流在基板1内传导；热电发生器的制备工艺与现有较成熟的IC制造工艺相兼容，制造工艺简单，批量产品成本低；单个热电单元结构尺寸可以做到很小，能够进行高密度的集成；由于采用了热电材料体对应的上下薄层分别具有导热层6、隔热部和绝热的隔热腔9，相比传统的硅基热电发生器，效率得到了提高；结构紧凑，降低使用成本，制造工艺简单方便，适应性好，节能环保，安全可靠。

Claims (5)

1. 一种新型微型热电发生器，在所述热电发生器的截面上，包括基板（1）；其特征是：所述基板（1）内设有若干贯通基板（1）的隔热腔（9）；基板（1）一侧表面上设置支撑层（2），所述支撑层（2）上设有若干交替分布的N型热电材料区及P型热电材料区；支撑层（2）上相邻交替分布的N型热电材料区与P型热电材料区通过导电层连接成等电位，并在支撑层（2）上串接形成热电材料体，所述热电材料体的两端均设置电连接的键合电极（11）；热电材料体上淀积有电绝缘层，所述电绝缘层覆盖热电材料体上；电绝缘层上淀积导热层（6），所述导热层（6）的两侧设有隔热部；导热层（6）上设有第一封装体（10），基板（1）对应设置支撑层（2）的另一侧设有第二封装体（20）。

2.根据权利要求1所述的新型微型热电发生器，其特征是：所述支撑层（2）包括生长于基板（1）上的氧化硅层及淀积于所述氧化硅层上的氮化硅层。

3.根据权利要求1所述的新型微型热电发生器，其特征是：所述基板（1）的材料包括硅。

4.根据权利要求1所述的新型微型热电发生器，其特征是：所述N型热电材料区及P型热电材料区通过导电多晶硅掺杂形成或由碲化铋热电材料制成。

5.根据权利要求1所述的新型微型热电发生器，其特征是：所述第一封装体（10）与第二封装体（20）均由陶瓷材料制成。

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