CN212542474U - 一种平面碲化铋基薄膜热电模块及热电发电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种平面碲化铋基薄膜热电模块及热电发电机，热电模块包括热沉基板、二氧化硅膜层、多条第一金属带、多条第二金属带、碲化铋基薄膜、光刻胶和导热绝缘层，所述二氧化硅膜层设置在所述热沉基板的上表面，所述第一金属带和所述第二金属带交错地间隔排列在所述二氧化硅膜层的上表面；相邻的第一金属带和第二金属带通过沉积在二氧化硅膜层上的碲化铋基薄膜相连并导通，所述碲化铋基薄膜包括P型碲化铋基薄膜和N型碲化铋基薄膜，所述第一金属带和所述第二金属带的两侧均分布有不同类型的碲化铋基薄膜。本实用新型提供了利用MEMS微加工技术和薄膜沉积技术实现了平面碲化铋基薄膜热电发电机的可扩展性。
Description
技术领域
本实用新型涉及热电材料发电领域，尤其涉及一种平面碲化铋基薄膜热电模块及热电发电机。
背景技术
环境能量收集技术有望实现便携式、可穿戴和分布式传感器网络系统在物联网社会中的应用。可获取的能源包括阳光、室内照明、无线电波、机械振动和热量。热能的有效利用一直是人们期待已久的问题，而利用Seebeck效应将温差转化为电能的热电(TE)发电机也受到了广泛的关注。TE产生的能量转换效率主要取决于TE材料的优点，ZT＝S2σT k-1，其中S表示Seebeck系数，σ和k 分别表示电导率和热导率，T表示冷热源的平均温度。增加ZT可以提高转化效率，但S、σ和k之间的相关性阻止了这一点。只有少数材料，如铋-碲、铅-碲，已知能达到高转换效率。
在过去的二十年里，人们对电和热传输的基本理解有所提高。在微纳米技术的帮助下，这种理解导致了TE材料的性能实质性增强。碲化铋基低维材料由于保持了低热导和高电导的特性，已成为有前途的TE候选者。与MEMS工艺高度兼容、低污染(与Pb不同)的碲化铋基TE发生器也越来越多地被制造和报道。
温差电(TE)现象也称热电现象。1822年，Thomas Seebeck发现温差电动势效应(TE材料发电原理)；1834年，Jean Peltier发现电流回路中两不同材料导体结界面处的降温效应(TE材料制冷原理)。20世纪50年代发现一些良好的半导体 TE材料。通常把ZT≥0.5的材料称为TE材料。ZT越大，TE器件效率越高。为克服高ZT值TE材料种类缺乏的障碍，人们转向天然TE材料的结构设计以及人工合成TE材料的研制——低维温差电材料。介观物理理论研究表明，在相同的工作条件下，低维薄膜结构TE材料比其他体材料具有更高的ZT值。
至今为止，有三类典型的低维薄膜结构的TE材料：(1)量子点结构 (quantum-dotstructures)，借助于量子限制效应(quantum-confinement effects)提高近费米能级的态密度，从而提高材料的电导率；(2)声子低通/电子高通超晶格(phonon-blocking/electron-transmitting superlattices)，这类结构通过在超晶格组份之间引入所谓的“声(子)失配”(acoustic-mismatch)而降低材料的晶格热导率(kL)，不同于常规的TE合金材料的是，通常这类结构的材料具有显著降低的载流子散射率，即获得高导电率；(3)利用半导体异质结的电子热效应 (thermionic effects in heterostructures)来提高材料的ZT值的薄膜结构材料。Hicks 和Dresslhaus提出，量子阱超晶格能够大幅度提高材料的ZT值，而量子线超晶格甚至能带来更大幅度的提高。
迄今为止，主要材料在诸如铋金属间化合物碲化铋(Bi2Te3)、碲化铅(PtTe)、锑化锌(ZnSb)、锗、铁硅化物(FeSi2)等，其中，尤其是以Bi2Te3为基础化合物在相对低温下有个较大的ZT值，从室温到大约450K不断上升，并且是目前使用广泛的热电转换材料。新型低维TE结构材料的研究具有重大的理论与应用价值。发现高ZT值材料(ZT>4)将会引发制冷工业、能源工业和半导体微电子工业的技术革命。尽管量子点或超晶格材料可获得2以上无量纲优值因子的热电材料，但因此类结构材料完成器件制作的工艺复杂、成本高、难以量产等因素限制了其应用，因此，开发具有微纳米结构的热电器件可能是热电材料工业化应用的更为现实的途径。在平面碲化铋基TE发生器的传统结构中，碲化铋基薄膜通常采用悬浮在空腔上以切断旁路。虽然腔体保证了薄膜两端的温差，但其结构削弱了器件的机械强度，大大增加了制造成本。
实用新型内容
为了解决现有技术的问题，本实用新型提供了一种平面碲化铋基薄膜热电模块及热电发电机，防止薄膜积累静电，所述技术方案如下：
一方面，本实用新型提供了一种平面碲化铋基薄膜热电模块，包括热沉基板、二氧化硅膜层、多条第一金属带、多条第二金属带、碲化铋基薄膜、光刻胶和导热绝缘层，所述二氧化硅膜层设置在所述热沉基板的上表面，所述第一金属带和所述第二金属带交错地间隔排列在所述二氧化硅膜层的上表面；相邻的第一金属带和第二金属带通过沉积在二氧化硅膜层上的碲化铋基薄膜相连并导通，所述碲化铋基薄膜包括P型碲化铋基薄膜和N型碲化铋基薄膜，所述第一金属带和所述第二金属带的两侧均分布有不同类型的碲化铋基薄膜，相邻的所述第一金属带和所述第二金属带之间分布有一个或多个相同类型的碲化铋基薄膜；
所述第二金属带的表面由所述导热绝缘层覆盖，除了被所述导热绝缘层覆盖的表面均由所述光刻胶覆盖，所述导热绝缘层的高度大于所述光刻胶的高度。
进一步地，相邻的所述第一金属带和所述第二金属带之间等间距排列，所述第一金属带的宽度与所述第二金属带宽度相同，所述P型碲化铋基薄膜和所述N型碲化铋基薄膜的长度均等于相邻的所述第一金属带和所述第二金属带之间的距离。
进一步地，所述第二金属带的厚度不小于所述第一金属带的厚度，所述第一金属带的厚度范围为10-30μm，所述第一金属带和所述第二金属带长度范围均为15-30mm，宽度范围均为0.8-1.2μm。
进一步地，所述第一金属带与所述第二金属带的制成材料相同或不同，所述第一金属带和所述第二金属带由铝、金或银制成。
进一步地，所述P型碲化铋基薄膜和所述N型碲化铋基薄膜交错间隔地按行排列在所述二氧化硅膜层的上表面；
相邻的所述第一金属带和所述第二金属带之间的多个相同类型的碲化铋基薄膜的纵向上的间距等于相同类型碲化铋基薄膜的宽度。
进一步地，所述P型碲化铋基薄膜和所述N型碲化铋基薄膜的厚度范围均为30-80nm，长度范围均为0.8-1.2μm，宽度范围均为0.6-0.8μm。
进一步地，所述热沉基板的上下表面均设有陶瓷氧化层。
进一步地，所述导热绝缘层由氮化铝制成。
进一步地，所述二氧化硅膜层的厚度范围为80-120μm。
另一方面，本实用新型提供了一种热电发电机，包括上述的平面碲化铋基薄膜热电模块。
本实用新型提供的技术方案带来的有益效果如下：
a.利用MEMS微加工技术和薄膜沉积技术，平面碲化铋基薄膜热电模块及热电发电机具有可良好的扩展性；
b.利用将碲化铋基-NW长度缩短到亚微米尺度，有效提高了热电功率密度；
c.适合于多种材料体系的平面薄膜TE发电机的合成制备，适用性强；
d.使用范围广泛，可广泛应用于便携式、可穿戴和分布式传感器网络系统等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例提供的平面碲化铋基薄膜热电发电机主视截面图；
图2是本实用新型实施例提供的平面碲化铋基薄膜热电发电机顶层结构示意图；
图3是本实用新型实施例提供的平面碲化铋基薄膜热电发电机单元结构图。
其中，附图标记包括：1-热沉基板，2-二氧化硅膜层，3-第一金属带，4-第二金属带，5-P型碲化铋基薄膜，6-N型碲化铋基薄膜，7-导热绝缘层，8-光刻胶。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于遮盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
在本实用新型的一个实施例中，提供了一种平面碲化铋基薄膜热电模块，参见图1和图2，包括热沉基板1、二氧化硅膜层2、多条第一金属带3、多条第二金属带4、碲化铋基薄膜、光刻胶8和导热绝缘层7；所述热沉基板1为铝基板或铜基板，热沉基板1优选为已进行表面微弧氧化处理的铝基板，所述热沉基板1的上下表面均为陶瓷氧化层，所述陶瓷氧化层的厚度范围为5-15μm，优选为10μm；所述二氧化硅膜层2设置在所述热沉基板1的上表面，所述二氧化硅膜层2的厚度范围为80-120μm，且采用PECVD方法快速沉积结构疏松的非晶硅膜再经湿氧高温氧化获得的，其中，非晶硅膜的密度小于2.2g/cm3；所述第一金属带3和所述第二金属带4交错地间隔排列在所述二氧化硅膜层2 的上表面，所述第一金属带3与所述第二金属带4的制成材料相同或不同，所述第一金属带3以及所述第二金属带4由铝、金或银制成，出于经济考虑，所述第一金属带3和所述第二金属带4均优选为铝带；相邻的第一金属带3和第二金属带4通过沉积在二氧化硅膜层2上的碲化铋基薄膜相连并导通，所述碲化铋基薄膜包括P型碲化铋基薄膜5和N型碲化铋基薄膜6，P型碲化铋基薄膜 5和N型碲化铋基薄膜6为塞贝克系数符号相反且在平面热流传输方向沉积的热电材料，所述第一金属带3和所述第二金属带4的两侧均分布有不同类型的碲化铋基薄膜，相邻的所述第一金属带3和所述第二金属带4之间分布有一个或多个相同类型的碲化铋基薄膜；
所述第二金属带4的表面由所述导热绝缘层7覆盖，导热绝缘层7的厚度范围为50-100μm，所述导热绝缘层优选为由氮化铝制成，所述导热绝缘层用于作为热注入的热源界面；除了被所述导热绝缘层7覆盖的表面均由所述光刻胶8 覆盖，所述光刻胶8均通过匀胶机进行旋涂，其厚度范围均为50-100μm，且优选为SU8光刻胶；所述导热绝缘层7的高度大于所述光刻胶8的高度；需要说明地是，本实施例中沉积设置在热沉基板1上的二氧化硅膜层2主要是方便上述金属带以及碲化铋基薄膜的光刻等工艺，而且具有一定的电绝缘和热绝缘的性能，基于二氧化硅膜层的功能，如果是对二氧化硅膜层材料的简单替换也在本实施例的保护范围内，比如二氧化硅膜层可以通过掺杂形成氮氧化硅膜层，具有与二氧化硅膜层相似的功能，且具备更优的电绝缘和热绝缘的性能。
在本实用新型的一个实施例中，相邻的所述第一金属带3和所述第二金属带4之间等间距排列，所述第一金属带3的宽度与所述第二金属带4宽度相同，所述第二金属带4的厚度不小于所述第一金属带3的厚度，优选地，所述第二金属带4的厚度比所述第一金属带3的厚度大60μm，所述第一金属带3的厚度为10-30μm，所述第一金属带3和所述第二金属带4长度范围均为15-30mm，优选为20mm，宽度范围均为0.8-1.2μm，优选为1μm；
所述P型碲化铋基薄膜5和所述N型碲化铋基薄膜6交错间隔地按行排列在所述二氧化硅膜层2的上表面，所述P型碲化铋基薄膜5和所述N型碲化铋基薄膜6的长度均等于相邻的所述第一金属带3和所述第二金属带4之间的距离，相邻的所述第一金属带3和所述第二金属带4之间的多个相同类型的碲化铋基薄膜的纵向上的间距等于相同类型碲化铋基薄膜的宽度，所述P型碲化铋基薄膜5和所述N型碲化铋基薄膜6的厚度范围均为30-80nm，均优选为50nm，长度范围均为0.8-1.2μm，均优选为1μm，宽度范围均为0.6-0.8μm，均优选为0.7μm。
在本实用新型的一个实施例中，所述的P型碲化铋基薄膜和N型碲化铋基薄膜的长度和宽度在更高分辨率的加工平台上可以降低到100nm以下，获得更高的热电材料性能和能量转换效率；上述各膜层尺寸参数之间的协同控制可以调制热流输运和电流输运特性，以获得最高的电传输性能和最低的热传输性能，需要说明的本实施例中的碲化铋基薄膜可以替换成相似的碲化铅基、锗硅基等高品质热电材料，这些等同替换的材料也在本实施例的保护范围内。
在本实用新型的一个实施例中，在制备上述热电模块时，需要对热沉基板的上下表面均作微弧氧化处理，得到陶瓷氧化层，在热沉基板上沉积二氧化硅膜层；在所述二氧化硅膜层上制备多条间隔排列的金属带；在不同的金属带之间的所述二氧化硅膜层的上表面交替沉积P型碲化铋基薄膜和N型碲化铋基薄膜，使得每个金属带一侧沉积有P型碲化铋基薄膜，另一侧沉积有N型碲化铋基薄膜，得到第一半成品；在所述第一半成品上表面涂覆光刻胶，并移除部分的金属带上的光刻胶，使移除光刻胶的金属带与未移除光刻胶的金属带交替设置；在移除光刻胶的金属带上沉积一层金属层，得到第二半成品；在所述第二半成品上表面涂覆光刻胶，并移除上一步中沉积的金属层上的光刻胶；在移除光刻胶的金属层上沉积一层导热绝缘层；对沉积在所述金属层以外的导热绝缘层进行移除操作，具体地通过电子束蒸发去除多余的导热绝缘层；需要说明的是，金属层和附有金属层的金属带整体为所述第二金属带，未附有金属层的金属带为所述第一金属带，金属层的材质与其对应沉积的金属带的材质可以相同，也可以不同，比如金属带优选为铝带时，沉积的金属层可以为铝层，也可以沉积金层或银层，在成本许可的前提下可用银带或金带替代铝带，本实施例不限定铝、金、银三种材质，可以选用热导率大于或等于200W/(m·K)或者电导率大于或等于3E+07S/m的金属材料，均可以实现本实施例的技术方案，热导率/电导率越高，则相同工作条件下TE发电机的热电转换效率和输出功率密度越高。
在本实用新型的一个实施例中，提供了一种热电发电机，包括如上述的平面碲化铋基薄膜热电模块。
在本实用新型的一个实施例中，参见图3，第二金属带4通过其表面的导热绝缘层7直接与热源接触进行热传递，从而在其底部形成高温端，第一金属带3 通过冷源的热传递在其底部形成低温端，第一金属带3与其一侧的第二金属带4 通过P型碲化铋基薄膜5连接，所述P型碲化铋基薄膜5的两端出现温差，参见图2，不具有空腔结构的碲化铋基薄膜发电机，如粗箭头所示，热流垂直于硅基板，如细箭头所示，热通量在碲化铋基薄膜中会形成陡峭的温度梯度，采用较短的碲化铋基薄膜发电机阵列可以获得较陡的温度梯度，由于塞贝克效应，所述P型碲化铋基薄膜5上的载流子从高温端移向低温端形成电势差，所述第一金属带3的电势小于与同一P型碲化铋基薄膜5相连的第二金属带4的电势，同样地，第一金属带3与另一侧的第二金属带4通过N型碲化铋基薄膜6连接，所述N型碲化铋基薄膜6两端也形成电势差，但由于N型碲化铋基薄膜6与P 型碲化铋基薄膜5的塞贝克系数符号相反，使得所述第一金属带3的电势高于与同一N型碲化铋基薄膜6相连的第二金属带4的电势，上述两个电势差形成的电流同方向，使得第一金属带3两端的第二金属带4之间有了更大电势差，而且相邻的第一金属带3与第二金属带4之间存在多个碲化铋基薄膜，加上存在多组上述的第一金属带3与第二金属带4，最终得到进一步扩大的电势差，以便提高更高功率的发电。其中需要说明的是，塞贝克效应属于现有技术中，塞贝克效应的成因可以简单解释为在温度梯度下导体内的载流子从热端向冷端运动，并在冷端堆积，从而在材料内部形成电势差，同时在该电势差作用下产生一个反向电荷流，当热运动的电荷流与内部电场达到动态平衡时，半导体两端形成稳定的温差电动势，半导体中有两种载流子即电子和空穴。
本实用新型提供的平面碲化铋基薄膜热电模块及热电发电机利用MEMS微加工技术和薄膜沉积技术设计制备了无空腔结构的短平面薄膜碲化铋基热电发生器。这种新颖的设计理念利用了在主热流附近形成的陡峭温度梯度，通过将碲化铋基-NW缩短到亚微米长度，与传统的平面碲化铋基热电发电机相比，本实用新型的发电机的功率密度更具可扩展性。通过新颖的热源和热沉材料选择和结构设计获得有效的温度梯度维持结构，再利用P型/N型热电材料的塞贝克系数符号相反的性质在平面热流传输方向沉积P型/N型热电材料，获得5℃温差下功率密度达到20mW/cm2的热电发电机。本实用新型所设计的平行薄膜平面的热流、电流传输的热电器件对提高半导体温差电器件性能有巨大的促进，可广泛应用于便携式、可穿戴和分布式传感器网络系统等领域。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种平面碲化铋基薄膜热电模块，其特征在于，包括热沉基板(1)、二氧化硅膜层(2)、多条第一金属带(3)、多条第二金属带(4)、碲化铋基薄膜、光刻胶(8)和导热绝缘层(7)，所述二氧化硅膜层(2)设置在所述热沉基板(1)的上表面，所述第一金属带(3)和所述第二金属带(4)交错地间隔排列在所述二氧化硅膜层(2)的上表面；相邻的第一金属带(3)和第二金属带(4)通过沉积在二氧化硅膜层(2)上的碲化铋基薄膜相连并导通，所述碲化铋基薄膜包括P型碲化铋基薄膜(5)和N型碲化铋基薄膜(6)，所述第一金属带(3)和所述第二金属带(4)的两侧均分布有不同类型的碲化铋基薄膜，相邻的所述第一金属带(3)和所述第二金属带(4)之间分布有一个或多个相同类型的碲化铋基薄膜；
所述第二金属带(4)的表面由所述导热绝缘层(7)覆盖，除了被所述导热绝缘层(7)覆盖的表面均由所述光刻胶(8)覆盖，所述导热绝缘层(7)的高度大于所述光刻胶(8)的高度。
2.根据权利要求1所述的平面碲化铋基薄膜热电模块，其特征在于，相邻的所述第一金属带(3)和所述第二金属带(4)之间等间距排列，所述第一金属带(3)的宽度与所述第二金属带(4)宽度相同，所述P型碲化铋基薄膜(5)和所述N型碲化铋基薄膜(6)的长度均等于相邻的所述第一金属带(3)和所述第二金属带(4)之间的距离。
3.根据权利要求2所述的平面碲化铋基薄膜热电模块，其特征在于，所述第二金属带(4)的厚度不小于所述第一金属带(3)的厚度，所述第一金属带(3)的厚度范围为10-30μm，所述第一金属带(3)和所述第二金属带(4)长度范围均为15-30mm，宽度范围均为0.8-1.2μm。
4.根据权利要求2所述的平面碲化铋基薄膜热电模块，其特征在于，所述第一金属带(3)与所述第二金属带(4)的制成材料相同或不同，所述第一金属带(3)和所述第二金属带(4)由铝、金或银制成。
5.根据权利要求3所述的平面碲化铋基薄膜热电模块，其特征在于，所述P型碲化铋基薄膜(5)和所述N型碲化铋基薄膜(6)交错间隔地按行排列在所述二氧化硅膜层(2)的上表面；
相邻的所述第一金属带(3)和所述第二金属带(4)之间的多个相同类型的碲化铋基薄膜的纵向上的间距等于相同类型碲化铋基薄膜的宽度。
6.根据权利要求1所述的平面碲化铋基薄膜热电模块，其特征在于，所述P型碲化铋基薄膜(5)和所述N型碲化铋基薄膜(6)的厚度范围均为30-80nm，长度范围均为0.8-1.2μm，宽度范围均为0.6-0.8μm。
7.根据权利要求1所述的平面碲化铋基薄膜热电模块，其特征在于，所述热沉基板(1)的上下表面均设有陶瓷氧化层。
8.根据权利要求1所述的平面碲化铋基薄膜热电模块，其特征在于，所述导热绝缘层(7)由氮化铝制成。
9.根据权利要求1所述的平面碲化铋基薄膜热电模块，其特征在于，所述二氧化硅膜层(2)的厚度范围为80-120μm。
10.一种热电发电机，其特征在于，包括如权利要求1-9所述的平面碲化铋基薄膜热电模块。
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|---|---|---|---|
| CN202021733443.9U CN212542474U (zh) | 2020-08-19 | 2020-08-19 | 一种平面碲化铋基薄膜热电模块及热电发电机 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CN202021733443.9U CN212542474U (zh) | 2020-08-19 | 2020-08-19 | 一种平面碲化铋基薄膜热电模块及热电发电机 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN212542474U true CN212542474U (zh) | 2021-02-12 |
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ID=74528853
Family Applications (1)
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| CN202021733443.9U Active CN212542474U (zh) | 2020-08-19 | 2020-08-19 | 一种平面碲化铋基薄膜热电模块及热电发电机 |
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-
2020
- 2020-08-19 CN CN202021733443.9U patent/CN212542474U/zh active Active
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