CN218120248U - Tec电偶结构、微型tec制冷芯片及制冷型敏感元 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种TEC电偶结构、微型TEC制冷芯片及制冷型敏感元，所述TEC电偶结构包括位于同一平面的多个电偶对及TEC电极焊盘，相邻的电偶对串联连接，并通过TEC电极焊盘引出；所述电偶对包括位于同一平面的N型电偶部、P型电偶部、热结部和冷结部，所述N型电偶部的一端与所述冷结部连接，所述N型电偶部的另一端与所述热结部的一端连接，所述热结部的另一端与所述P型电偶部连接；所述电偶对的冷结部对应设置在所述TEC电偶结构的中心位置，所述电偶对的热结部对应设置在所述TEC电偶结构的边缘位置。本实用新型在实现TEC制冷功能的同时，实现了TEC制冷芯片的微型化。

Description

TEC电偶结构、微型TEC制冷芯片及制冷型敏感元

技术领域

本实用新型涉及MEMS技术领域，具体的说，涉及了一种TEC电偶结构、微型TEC制冷芯片及制冷型敏感元。

背景技术

TEC(Thermo Electric Cooler)半导体制冷器是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的制冷器，所谓珀尔帖效应是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。TEC半导体制冷器温控技术具有制冷器结构简单、制冷过程无污染、温控精度高等优点，在光通讯、传感器等领域应用广泛。

目前TEC半导体制冷器通常为陶瓷板结构，主要结构包含有上下两片陶瓷电极以及中间的多个P型和N型电偶对（组），这些电偶对（组）通过电极连在一起，并且夹在两片陶瓷电极之间，当有电流流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生热侧和冷侧，这就是TEC的加热与制冷原理。

然而，现有的TEC半导体制冷器结构，还存在以下问题：

1）尺寸较大，导致后端器件封装尺寸大，不便于集成化应用

有些应用场景要求将TEC和待制冷芯片同时采用TO封装，这就要求TEC的体积非常小，因此目前TEC半导体制冷器在微型化、批量化生产、集成化等方面仍存在改进的空间；

2）传统陶瓷板结构在安装和使用过程中陶瓷板容易碎裂

传统的TEC半导体制冷器采用陶瓷板结构，由两片陶瓷电极将N、P型电偶对像夹心饼干一样地包夹起来；而片状陶瓷电极在安装和使用过程中容易碎裂，造成器件性能下降甚至失效，极大地影响了TEC半导体制冷器的良品率；

3）TEC半导体制冷器需要配合NTC（热敏电阻）使用

在应用时，还需另外集成NTC传感器或裸芯片，通过焊接方式嵌入TEC制冷片内部，或胶水粘接方式贴在TEC制冷片表面，工艺相对复杂，且使得整体体积增大。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种TEC电偶结构、微型TEC制冷芯片及制冷型敏感元。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

本实用新型第一方面提供一种TEC电偶结构，其包括位于同一平面的多个电偶对及TEC电极焊盘，相邻的电偶对串联连接，并通过TEC电极焊盘引出；所述电偶对包括位于同一平面的N型电偶部、P型电偶部、热结部和冷结部，所述N型电偶部的一端与所述冷结部连接，所述N型电偶部的另一端与所述热结部的一端连接，所述热结部的另一端与所述P型电偶部连接；

所述电偶对的冷结部对应设置在所述TEC电偶结构的中心位置，所述电偶对的热结部对应设置在所述TEC电偶结构的边缘位置。

本实用新型第二方面提供一种基于MEMS的微型TEC制冷芯片，其包括Si基底和绝缘层Ⅰ，还包括上述的TEC电偶结构；

所述TEC电偶结构设置在所述绝缘层Ⅰ的上表面，所述绝缘层Ⅰ设置在所述Si基底的上表面，所述Si基底的下表面开设有背腔。

本实用新型第三方面提供一种制冷型敏感元，其包括上述的基于MEMS的微型TEC制冷芯片，还包括敏感元，所述敏感元设置在所述TEC电偶结构的上方。

本实用新型的有益效果为：

1）本实用新型提供了一种平面型TEC电偶结构，将各个电偶对的N型电偶部、P型电偶部、热结部和冷结部设置在同一平面上，在实现TEC制冷功能的同时，有助于实现TEC制冷芯片的微型化；

2）本实用新型还提出一种基于MEMS的微型TEC制冷芯片，使得TEC制冷芯片具备Si基微型结构，可以大幅度减小TEC半导体制冷器的外形尺寸，使得其更适合于小型化、集成化的应用场景；

3）本实用新型还在Si基底上设置NTC电阻膜层，使得所述基于MEMS的微型TEC制冷芯片集成薄膜型NTC热敏电阻，在实现TEC制冷芯片微型化的基础上，使得所述TEC制冷芯片还具备检测TEC电偶结构的冷结部温度的功能，不需要再单独集成NTC电阻就可以实时监控工作区温度，有助于进一步实现TEC制冷芯片的微型化；

4）所述基于MEMS的微型TEC制冷芯片为MEMS结构，工艺可兼容MEMS晶圆流片平台，易于批量化、低成本生产制造。

附图说明

图1是本实用新型的TEC电偶结构的结构示意图；

图2是本实用新型的实施例2中的基于MEMS的微型TEC制冷芯片的结构示意图；

图3和图4是本实用新型的实施例3中的基于MEMS的微型TEC制冷芯片的结构示意图；

图5和6是本实用新型的实施例3中的基于MEMS的微型TEC制冷芯片的局部结构示意图；

图7是本实用新型的Si基底的结构示意图；

图中：1.Si基底；2.绝缘层Ⅰ；3.背腔；4.N型电偶部；5.P型电偶部；6.热结部；7.冷结部；8.TEC电极焊盘；9. NTC电阻膜层；10.NTC电极焊盘。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)是基于微电子技术及微加工技术制造的微型传感器或芯片，优势在于：微型化、集成化、硅基加工工艺，可兼容传统IC生产工艺、便于批量生产，因此，MEMS技术的应用可以为TEC制冷片的集成化、微型化提供坚实的基础。

实施例1

如附图1所示，一种TEC电偶结构，它包括位于同一平面的多个电偶对及TEC电极焊盘8，相邻的电偶对串联连接，并通过TEC电极焊盘8引出；所述电偶对包括位于同一平面的N型电偶部4、N型电偶部5、热结部6和冷结部7，所述N型电偶部4的一端与所述冷结部7连接，所述N型电偶部4的另一端与所述热结部6的一端连接，所述热结部6的另一端与所述N型电偶部5连接；

所述电偶对的冷结部7对应设置在所述TEC电偶结构的中心位置，所述电偶对的热结部6对应设置在所述TEC电偶结构的边缘位置。

可以理解，与所述TEC电极焊盘8连接的电偶对被配置为输入/输出电偶对（没有热结部6），所述输入/输出电偶对的N型电偶部4和N型电偶部5分别与两个TEC电极焊盘8连接；

进一步的，所述TEC电极焊盘8包括正极TEC电极焊盘8和负极TEC电极焊盘8，正极TEC电极焊盘8和负极TEC电极焊盘8通过导电浆料与所述输入/输出电偶对的N型电偶部4和N型电偶部5相连，正负两个电极焊盘可以采用金或者铝等材料制成，所述TEC电极焊盘8在安装和使用过程中不易碎裂，提升了TEC半导体制冷器的良品率，增强了TEC半导体制冷器的稳定性。

所述TEC电偶结构在工作时：通过TEC电极焊盘8对所述TEC电偶结构进行一定方向的供电，供电后所述TEC电偶结构产生的热量会从两种电偶部的一侧传到另一侧，使得所述TEC电偶结构的冷结部7温度下降，所述TEC电偶结构的热结部6温度上升，从而在所述TEC电偶结构的中心位置达到制冷效果。

需要说明的是，本实施例对TEC制冷芯片的电偶结构进行改进，将各个电偶对的N型电偶部4、N型电偶部5、热结部6和冷结部7设置在同一平面上，并将所述电偶对的冷结部7对应设置在所述TEC电偶结构的中心位置，将所述电偶对的热结部6对应设置在所述TEC电偶结构的边缘位置；相对于传统的N、P型电偶对在中间、两片陶瓷电极在两侧的垂直排列式结构，本实施例提供的平面型TEC电偶结构，有助于实现TEC制冷芯片整体结构的微型化。

进一步的，位于同一平面的多个电偶对构成M（大于1的自然数）个电偶组件，每个电偶组件包括多个串联连接的电偶对；

在一种具体实施方式中，如附图1所示，所述TEC电偶结构包括四个位于同一平面的电偶组件，每个电偶组件中的N型电偶部4和N型电偶部5平行设置；相邻的电偶组件的边缘位置处的N型电偶部4与N型电偶部5串联连接，使得相邻的电偶组件串联连接；

每个电偶组件中的冷结部7设置在同一直线上，所有电偶组件中的冷结部7围设成位于所述TEC电偶结构的中心位置的矩形结构；每个电偶组件中的热结部6设置在同一直线上，所有电偶组件中的热结部6围设成位于所述TEC电偶结构的边缘位置的矩形结构。

需要说明的是，所述TEC电偶结构中电偶组件数量不仅限于图1所示的数量，其他数量的类似本实施例的TEC电偶结构的技术方案也属于本实用新型的保护范围；所述TEC电偶结构中的N型电偶部4和N型电偶部5的排列方式，不仅限于图1所示的平行设置，其他排列方式的类似本实施例的TEC电偶结构的技术方案也属于本实用新型的保护范围；

所述TEC电偶结构中的电偶组件中的冷结部7（或者热结部6）所呈结构不仅限于图1所示的矩形，其他结构（三角形或者圆形等等）的类似本实施例TEC电偶结构的技术方案也属于本实用新型的保护范围；

本实施例中电偶对（热电材料）的对数不仅限于图1所示的数量，其他数量的类似本实施例TEC电偶结构的技术方案也属于本实用新型的保护范围。

具体的，所述N型电偶部4为N型碲化铋膜层，所述N型电偶部5为P型碲化铋膜层，所述冷结部7为热电材料冷结处，所述热结部6为热电材料热结处；

可以理解，碲化铋（Bi2Te3）合金是室温附近性能优良的热电转换材料，本实施例中的热电材料不仅限于上述碲化铋材料，其他可以实现TEC制冷的热电型材料使用该方案中的TEC电偶结构，也属于本实用新型的保护范围。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例给出了一种基于MEMS的微型TEC制冷芯片的具体实施方式；

如附图2所示，所述微型TEC制冷芯片包括Si基底1和绝缘层Ⅰ2，还包括实施例1中的TEC电偶结构；

所述TEC电偶结构设置在所述绝缘层Ⅰ2的上表面，所述绝缘层Ⅰ2设置在所述Si基底1的上表面，所述Si基底1的下表面开设有背腔3。

可以理解，在所述Si基底1背部通过湿法化学腐蚀的方式刻蚀出背腔3，形成悬膜结构，对所述TEC电偶结构提供一定的绝热条件，如附图7所示；

所述TEC电偶结构的中心位置对应所述Si基底1的背腔3上方的中心区域，所述TEC电偶结构的边缘位置对应所述Si基底1的上表面边沿处，如附图2所示。

在一种具体实施方式中，在Si基底1上方通过PVD、CVD的薄膜沉积方式生长所述绝缘层Ⅰ2，在所述绝缘层Ⅰ2上方通过PVD、CVD的薄膜沉积方式生长所述TEC电偶结构；所述绝缘层Ⅰ2具有绝缘、支撑和隔热的作用，对背腔3形成的悬空结构上方的TEC电偶结构进行支撑，并将热电材料冷结部7温度和环境隔绝，减少温度的扩散；

可以理解，所述TEC电偶结构的冷结部7（或者中心位置处）温度下降，所述TEC电偶结构的热结部6（或者边缘位置处）温度上升并通过Si基底1传导出去，从而在TEC制冷芯片中心处达到制冷效果。

进一步的，为了隔绝空气避免热电材料的氧化，所述TEC电偶结构上表面还设置有绝缘层Ⅲ。

可以理解，本实用新型通过MEMS技术将半导体热电材料的N型碲化铋薄膜沉积在所述绝缘层Ⅰ2上作为N型碲化铋膜层，将P型碲化铋薄膜沉积在所述绝缘层Ⅰ2上作为P型碲化铋膜层，并将两个TEC电极焊盘8设置在所述Si基底1的上表面边缘处，进而形成平面型TEC电偶结构，基于所述TEC电偶结构提出一种基于MEMS的微型TEC制冷芯片；该微型TEC制冷芯片在实现TEC制冷功能的同时，具备Si基微型结构，可以大幅度减小TEC制冷片的外形尺寸，使得其更适合于小型化、集成化的应用场景。

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于：所述基于MEMS的微型TEC制冷芯片还包括NTC电阻膜层9以及与所述NTC电阻膜层9连接的NTC电极焊盘10，所述NTC电阻膜层9设置在所述TEC电偶结构与所述绝缘层Ⅰ2之间，所述NTC电极焊盘10设置在Si基底1上边缘处，如附图3至图6所示。

具体的，所述NTC电阻膜层9采用薄膜型半导体材料制成，所述NTC电极焊盘10可以采用金或者铝等材料制成；

进一步的，所述NTC电阻膜层9位于所述TEC电偶结构的中心位置下方，所述NTC电阻膜层9为蛇形NTC电阻薄膜；

需要说明的是，本实施例中所述NTC电阻膜层9所呈结构不仅限于图3和4所示的蛇形结构，其他结构的类似本实施例微型TEC制冷芯片的技术方案也属于本实用新型的保护范围。

在一种具体实施方式中，通过PVD、CVD的薄膜沉积方式将所述蛇形NTC电阻薄膜沉积在绝缘层Ⅰ2上，所述TEC电偶结构的冷结部7的温度变化会引起NTC阻值的变化，应用时通过两个NTC电极焊盘10测量NTC电阻膜层9的阻值，从而可以反映所述TEC电偶结构的冷结部7温度的大小。

进一步的，所述NTC电阻膜层9与所述TEC电偶结构之间还设置有绝缘层Ⅱ，所述绝缘层Ⅱ的作用为绝缘。

具体的，所述绝缘层Ⅰ2、所述绝缘层Ⅱ及所述绝缘层Ⅲ均可以为SiO2或SiN薄膜，厚度为100nm~1000nm。

需要说明的是，本实用新型还在Si基底1上方集成薄膜型NTC热敏电阻，在实现TEC制冷芯片微型化的基础上，同时使得所述TEC制冷芯片具备检测TEC电偶结构的冷结部7温度的功能，后续可以反馈给TEC制冷芯片的PID控制电路进行制冷温度的实时调控，达到温控目的；

可以理解，所述基于MEMS的微型TEC制冷芯片为MEMS结构，工艺可兼容MEMS晶圆流片平台，易于批量化、低成本生产制造。

实施例4

在上述实施例的基础上，本实施例给出了一种制冷型敏感元的具体实施方式，其包括实施例2或3中的基于MEMS的微型TEC制冷芯片，还包括敏感元，所述敏感元设置在所述TEC电偶结构的上方。

具体的，所述敏感元可以为敏感芯片或者敏感膜层，所述敏感膜层可以为待制冷的敏感材料或敏感薄膜，待制冷的敏感材料或敏感薄膜通过沉积、涂覆等方式置于所述微型TEC制冷芯片中TEC电偶结构的冷结部7上方，按一定方向对所述微型TEC制冷芯片进行供电，从而对所述敏感元进行制冷。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种TEC电偶结构，其特征在于：包括位于同一平面的多个电偶对及TEC电极焊盘，相邻的电偶对串联连接，并通过TEC电极焊盘引出；

所述电偶对包括位于同一平面的N型电偶部、P型电偶部、热结部和冷结部，所述N型电偶部的一端与所述冷结部连接，所述N型电偶部的另一端与所述热结部的一端连接，所述热结部的另一端与所述P型电偶部连接；

所述电偶对的冷结部对应设置在所述TEC电偶结构的中心位置，所述电偶对的热结部对应设置在所述TEC电偶结构的边缘位置。

2.根据权利要求1所述的TEC电偶结构，其特征在于：位于同一平面的多个电偶对构成M个电偶组件，每个电偶组件中的冷结部设置在同一直线上，每个电偶组件中的热结部设置在同一直线上。

3.根据权利要求2所述的TEC电偶结构，其特征在于：每个电偶组件中的N型电偶部和P型电偶部平行设置。

4.根据权利要求1所述的TEC电偶结构，其特征在于：所述N型电偶部为N型碲化铋膜层，所述P型电偶部为P型碲化铋膜层。

5.一种基于MEMS的微型TEC制冷芯片，其特征在于：包括Si基底和绝缘层Ⅰ，还包括权利要求1至4任一项所述的TEC电偶结构；

所述TEC电偶结构设置在所述绝缘层Ⅰ的上表面，所述绝缘层Ⅰ设置在所述Si基底的上表面，所述Si基底的下表面开设有背腔。

6.根据权利要求5所述的基于MEMS的微型TEC制冷芯片，其特征在于：还包括NTC电阻膜层以及与所述NTC电阻膜层连接的NTC电极焊盘，所述NTC电阻膜层设置在所述TEC电偶结构与所述绝缘层Ⅰ之间，所述NTC电极焊盘设置在Si基底上。

7.根据权利要求6所述的基于MEMS的微型TEC制冷芯片，其特征在于：所述NTC电阻膜层位于所述TEC电偶结构的中心位置下方。

8.根据权利要求6所述的基于MEMS的微型TEC制冷芯片，其特征在于：所述NTC电阻膜层与所述TEC电偶结构之间还设置有绝缘层Ⅱ。

9.根据权利要求5所述的基于MEMS的微型TEC制冷芯片，其特征在于：所述TEC电偶结构上表面还设置有绝缘层Ⅲ。

10.一种制冷型敏感元，其特征在于：包括权利要求5至9任一项所述的基于MEMS的微型TEC制冷芯片，还包括敏感元，所述敏感元设置在所述TEC电偶结构的上方。

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