DE102007056151A1

DE102007056151A1 - Thermoelektrisches Bauelement und Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes

Info

Publication number: DE102007056151A1
Application number: DE102007056151A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Nurnus; Axel Schubert; Fritz Volkert
Original assignee: Micropelt GmbH
Current assignee: Micropelt GmbH
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Bauelement, mit mindestens einer Sensorstruktur (6) zum Bestimmen einer Messgröße beim Betrieb des thermoelektrischen Bauelementes, wobei die Sensorstruktur (6) durch ein an einem Träger (1, 10) des thermoelektrischen Bauelementes abgeschiedenes Material (2) ausgebildet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Bauelement gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes gemäß Anspruch 19.
Thermoelektrische Bauelemente sind z. B. in Form von Heiz- und/oder Kühlelementen bzw. Thermogeneratoren aus dem Stand der Technik bekannt.
Das von der Erfindung zu lösende Problem besteht darin, ein thermoelektrisches Bauelement zu schaffen, dessen Betrieb überwachbar ist und das auf einfache Weise realisiert werden kann.
Dieses Problem wird durch das thermoelektrische Bauelement mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes gemäß Anspruch 19 gelöst. Weiterbildungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird ein thermoelektrisches Bauelement bereitgestellt, das aufweist:

– eine Sensorstruktur zum Bestimmen einer Messgröße beim Betrieb des thermoelektrischen Bauelementes, wobei
– die Sensorstruktur durch ein an einem Träger des thermoelektrischen Bauelementes abgeschiedenes Material ausgebildet wird.

Die Sensorstruktur wird somit nicht durch ein separat zum thermoelektrischen Bauelement hergestelltes Bauteil gebildet, das an dem thermoelektrischen Bauelement montiert wird, sondern sie wird direkt an einem Träger des thermoelektrischen Bauelementes erzeugt. Hiermit wird ein thermoelektrisches Bauelement zur Verfügung gestellt, das auf einfache Weise herstellbar ist, da zusätzliche Montageschritte zum Verbinden der Sensorstruktur mit dem thermoelektrischen Bauelement entfallen.
Die Sensorstruktur ermöglicht einen kontrollierten Betrieb des thermoelektrischen Bauelementes, da eine oder mehrere Messgrößen des Bauelementes während des Betriebes ermittelt werden können. Bei der Messgröße handelt es sich beispielsweise um eine Temperatur des thermoelektrischen Bauelementes (bzw. eines Bereiches des thermoelektrischen Bauelementes oder eines an das thermoelektrische Bauelement angrenzenden Bereichs). In einer anderen Variante ist die Messgröße eine Dehnung des Bauelementes bzw. eine aus Dehnung oder Temperatur ableitbare Größe. Eine Sensorstruktur kann auch zum Bestimmen mehrerer Messgrößen ausgebildet sein bzw. es können unterschiedliche Sensorstrukturen vorhanden sein, die unterschiedliche Messgrößen erfassen.
Ein Träger des thermoelektrischen Bauelementes ist ein Teil, auf dem mittelbar oder unmittelbar ein thermoelektrisches Material angeordnet ist. Der Träger kann aus verschiedenen Materialien, auch in Kombination, ausgebildet sein, z. B. in Form eines Keramik-Trägers (z. B. aus Aluminiumoxid) oder eines Halbleitersubstrats (z. B. eines Silizium-Substrats).
Das Material, das an dem Träger abgeschieden ist, ist beispielsweise elektrisch leitend oder halbleitend ausgebildet. In einer Ausgestaltung weist das Material ein Metall auf, z. B. Platin und/oder Gold. Andere Materialien sind selbstverständlich ebenfalls von der Erfindung erfasst, z. B. Nickel oder eine Nickel-Chrom-Legierung. Es wird darauf hingewiesen, dass das Material, das die Sensorstruktur ausbildet, nicht ein einzelnes Material sein muss, sondern auch mehrere Materialien aufweisen kann, z. B. eine erste Materialschicht, die keine unmittelbare Sensorfunktion hat, auf der eine zweite Materialschicht angeordnet ist, die die Sensorfunktion erfüllt. Zum Abscheiden des Materials kann ein übliches Verfahren (z. B. ein CVD-, PVD- oder ein Galvanik-Verfahren) verwendet werden.
In einer Variante der Erfindung weist die Sensorstruktur mindestens eine Leiterbahn (bzw. Halbleiterbahn) auf, wobei über den elektrischen Widerstand der Leiterbahn die Messgröße ermittelbar ist. Hierbei können Kontaktflächen ausgebildet sein, die ein Kontaktieren der Leiterbahn (z. B. per Bonddraht) ermöglichen. Insbesondere können mehrere Kontaktflächen für eine Mehrpunktmessung vorgesehen sein.
Die Sensorstruktur kann z. B. an einer Innenseite des Trägers ausgebildet sein, wobei unter der „Innenseite" eine Seite des Trägers gemeint ist, die einem thermoelektrischen Material des thermoelektrischen Bauelementes zugewandt ist. In dieser Ausgestaltung ist die Sensorstruktur demnach im Innern des thermoelektrischen Bauelementes angeordnet, d. h. in dieses integriert.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Sensorstruktur an einer Außenseite des Trägers ausgebildet sein, d. h. das Material, in dem die Sensorstruktur strukturiert wird, ist an der Außenseite des Trägers abgeschieden. Unter der „Außenseite" wird die Seite des Trägers verstanden, die einem thermoelektrischen Material des thermoelektrischen Bauelementes abgewandt ist. Dabei kann die Außenseite des Trägers gleichzeitig die Außenseite des thermoelektrischen Bauelementes bilden. Es kann jedoch z. B. auch zusätzlich ein Gehäuse oder eine Umhüllung vorhanden sein, die die Außenseite des thermoelektrischen Bauelementes bildet und die Außenseite des Trägers somit zumindest teilweise abdeckt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung bildet das Material, das die Sensorstruktur ausbildet, zusätzlich eine Kontaktstruktur zum elektrischen Kontaktieren eines thermoelektrischen Materials des thermoelektrischen Bauelementes aus. Insbesondere kann das Material in Form einer Materialschicht (z. B. auf einem Halbleitersubstrat) abgeschieden sein und sich zwischen dem Substrat und einer ebenfalls schichtförmig abgeschiedenen thermoelektrischen Schicht befinden. In dieser Variante bildet die Materialschicht zum einen die Sensorstruktur aus und dient zum anderen als Kontakt (bzw. als Bestandteil eines Kontaktes) zur thermoelektrischen Schicht, wobei die Materialschicht z. B. in Form eines Kontaktschichtstapels aus Titan-Platin-Gold oder Platin-Gold ist. Hierbei wird die Sensorfunktion beispielsweise nur in einer der Schichten (z. B. der Platinschicht) realisiert, während der gesamte Schichtstapel den elektrischen Kontakt zur thermoelektrischen Schicht bildet.
In einer weiteren Variante der Erfindung weist das thermoelektrische Bauelement einen ersten Träger, der eine erste Seite des thermoelektrischen Bauelementes bildet, sowie einen zweiten Träger auf, der eine zweite Seite des thermoelektrischen Bauelementes bildet. Die Sensorstruktur kann an dem ersten und/oder dem zweiten Träger ausgebildet sein, wobei an jedem Träger selbstverständlich auch mehrere Sensorstrukturen vorgesehen sein können.
In einer Weiterbildung erstrecken sich zwischen dem ersten und dem zweiten Träger des thermoelektrischen Bauelementes erste Elemente (erste „Thermoschenkel") aus einem ersten thermoelektrischen Material sowie zweite Elemente (zweite „Thermoschenkel") aus einem zweiten thermoelektrischen Material, wobei die ersten und die zweiten Elemente abwechselnd miteinander in Reihe geschaltet sind. Ein derartiges thermoelektrisches Bauelement wird z. B. dadurch hergestellt, dass zunächst die ersten Elemente an dem ersten Träger und separat dazu die zweiten Elemente an dem zweiten Träger ausgebildet und beide Teile dann miteinander verbunden (gebondet) werden, wobei die freien Enden der ersten bzw. der zweiten Elemente jeweils auf Kontaktflächen des jeweils anderen Trägers aufsetzen. Thermoelektrische Bauelemente mit derartigen ersten und zweiten Elementen (Thermoschenkeln) sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt (Mikro-Peltierelemente).
„Abwechselnd miteinander in Reihe geschaltet" bedeutet, dass Paare aus (miteinander elektrisch verbundenen) ersten und zweiten Elementen in Reihe geschaltet sind, so dass eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Thermopaaren entsteht, die bei Einwirken eines Temperaturgefälles eine Spannung erzeugen bzw. bei Anlegen einer Spannung ein Temperaturgefälle generieren.
In einer Variante sind die ersten und die zweiten Elemente aus demselben thermoelektrischen Matrixmaterial gebildet oder weisen ein solches auf (z. B. Bismuttellurid), wobei die ersten Elemente jedoch eine erste Dotierung (z. B. p-Dotierung) und die zweiten Elemente eine zweite Dotierung (z. B. n-Dotierung) beinhalten.
In einer anderen Ausgestaltung weist die erste Seite, die durch den ersten Träger gebildet ist, bei Betrieb des thermoelektrischen Bauelementes eine niedrigere Temperatur auf als die zweite Seite, d. h. die erste Seite bildet die Kaltseite des thermoelektrischen Bauelementes. Bei Betrieb des thermoelektrischen Bauelementes als Kühlelement stellt diese Seite somit eine Seite dar, die dem zu kühlenden Bereich bzw. Objekt zugewandt ist. Hierbei ist die Sensorstruktur z. B. an der Außenseite angeordnet, etwa um eine Temperatur im Bereich des zu kühlenden Objektes zu messen. Alternativ oder zusätzlich kann die Sensorstruktur (bzw. eine weitere Sensorstruktur) an der Innenseite des ersten Trägers angeordnet sein, beispielsweise, um eine Betriebstemperatur des thermoelektrischen Bauelementes zu bestimmen. Durch eine Kombination einer an einer Innenseite und einer an einer Außenseite angeordneten Sensorstruktur lässt sich insbesondere ein Wärmefluss bestimmen.
In dieser Variante ist es möglich, dass zumindest eines der ersten oder der zweiten Elemente (einer der ersten oder der zweiten Thermoschenkel) als elektrischer Kontakt (Kontaktstruktur) zu der an der Kaltseite angeordneten Sensorstruktur genutzt wird. Hierdurch kann auf eine Kontaktierung (etwa über Bonddrähte) der Sensorstruktur auf der Kaltseite verzichtet werden, so dass ein Wärmeeintrag, der an einer Kontaktstelle entsteht, im Bereich der Kaltseite vermieden wird. Stattdessen wird der Kontakt ausgehend von einem Abschnitt eines oder mehrerer Thermoschenkel, der sich im Bereich der Warmseite (d. h. der zweiten Seite bzw. des zweiten Trägers des thermoelektrischen Bauelementes) befindet z. B. in Form eines dort angeordneten Bonddrahtes oder einer Leiterbahn fortgeführt. Insbesondere sind Kontaktflächen der Sensorstruktur auf dem zweiten Träger (der Warmseite) angeordnet (angeschieden), die elektrisch mit dem ersten oder zweiten Element, das als Kontakt zu der Sensorstruktur dient, verbunden sind. Beispielsweise können auf diese Weise Kontaktflächen für sämtliche Sensorstrukturen, die auf der Kaltseite angeordnet sind, auf der Warmseite realisiert sein.
In einer Weiterbildung weist das als Kontakt für die Sensorstruktur ausgebildete erste oder zweite Element zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit ein leitfähiges Material etwa an seiner Oberfläche auf. Alternativ oder zusätzlich zu einem der ersten oder der zweiten Elemente kann natürlich auch eine andere Struktur vorgesehen sein, die elekt risch mit der Sensorstruktur an der Kaltseite verbunden ist und sich von dem ersten Träger in Richtung auf den zweiten Träger erstreckt.
Insbesondere kann die Sensorstruktur an der Außenseite des Trägers ausgebildet sein, der die Kaltseite des Bauelementes darstellt, und sich ein Kontaktelement durch eine Öffnung im dem Träger zur Innenseite erstrecken. Dieses Kontaktelement kann z. B. mit einem der ersten oder der zweiten Elemente verbunden sein, die als Kontakt zu der Sensorstruktur vorgesehen sind.
In einer anderen Variante der Erfindung ist die Sensorstruktur an der Warmseite des thermoelektrischen Bauelementes angeordnet, d. h. an der zweiten Seite, die bei Betrieb des thermoelektrischen Bauelementes eine höhere Temperatur aufweist als die erste Seite.
Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch eine Kombination mehrerer Sensorstrukturen, die z. B. gemeinsam an einem Träger angeordnet sein können oder die sowohl an dem ersten als auch an dem zweiten Träger angeordnet sind, d. h. sowohl die Kaltseite als auch die Warmseite des thermoelektrischen Bauelementes weisen jeweils mindestens eine Sensorstruktur auf.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind zumindest eines der ersten und eines der zweiten Elemente, die elektrisch miteinander verbunden sind, elektrisch von den übrigen Elementen getrennt. Zudem sind elektrische Kontakte vorgesehen, über die eine durch die zumindest zwei (elektrisch von den übrigen Elementen getrennten) Elemente erzeugte Thermospannung abgegriffen werden kann. Über diese Thermospannung ist eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Seite des thermoelektrischen Bauelementes bestimmbar. Hierdurch reicht es aus, an einem der Träger (d. h. an der Kalt- oder der Warmseite des thermoelektrischen Bauelementes) eine Sensorstruktur zur Temperaturmessung vorzusehen, da die Temperatur an der jeweils anderen Seite über die bestimmte Temperaturdifferenz ermittelbar ist. Natürlich kann anstelle der oder zusätzlich zu den separierten ersten oder zweiten Elementen eine andere thermoelektrisch aktive Struktur oder sonstige Vorrichtung vorgesehen sein, die zur Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Seite dient.
In einer Variante bildet das thermoelektrische Bauelement eine durchgehende Warmseite aus, während die Kaltseite in eine Mehrzahl thermisch getrennter Segmente aufgeteilt ist, so dass ein Array von separat betreibbaren Kühlflächen entsteht.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes, insbesondere eines thermoelektrischen Bauelementes wie zuvor beschrieben. Das Verfahren weist die Schritte auf:

– Abscheiden eines Materials zum Erzeugen einer Sensorstruktur an einem Träger des thermoelektrischen Bauelementes;
– Strukturieren des Materials derart, dass es eine an dem Träger abgeschiedene Sensorstruktur zum Bestimmen einer Messgröße bei Betrieb des thermoelektrischen Bauelementes ausbildet.

In einer Variante des Verfahrens wird das Material schichtartig an dem Träger in Form eines Halbleitersubstrats abgeschieden. Beispielsweise ist die Materialschicht eine Metallschicht oder ein Schichtpaket aus mehreren unterschiedlichen Metallschichten.
In einer Weiterbildung wird auf der Materialschicht ein thermoelektrisches Material deponiert, das z. B. strukturiert wird, um thermoelektrisch wirksame Strukturen auszubilden (Thermoschenkel).
Zum Herstellen der Sensorstruktur wird das thermoelektrische Material (die thermoelektrische Schicht) vor dem Strukturieren der Materialschicht in dem Bereich, in dem die Sensorstruktur ausgebildet werden soll, entfernt; beispielsweise in einem Ätzschritt. Insbesondere kann die Materialschicht zusätzlich so ausgebildet und derart strukturiert sein, dass sie einen elektrischen Kontakt oder einen Bestandteil eines elektrischen Kontaktes zu dem thermoelektrischen Material bildet.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Sensorstruktur auch per Lift-off-Verfahren erzeugt werden kann, wobei auf dem Träger zunächst eine Maske (z. B. Lackmaske) erzeugt und dann das Material an dem Träger abgeschieden wird. Das Strukturieren des Materials erfolgt dann durch Entfernen der Maske.
In einer Variante wird auf dem Halbleitersubstrat ein Materialschichtsystem aus Titan-Platin-Gold abgeschieden, das einen Kontakt zu einem über diesem Schichtsystem deponierten thermoelektrischen Material bildet, wobei das thermoelektrische Material und das oberhalb der Platinschicht befindliche Gold im Bereich, der für die Sensorstruktur vorgesehen ist, entfernt wird und die darunter liegende Platinschicht so strukturiert wird, dass sie die Sensorstruktur ausbildet. Insbesondere kann das Material (die Materialschicht) zum Ausbilden der Sensorstruktur durch einen CVD- oder PVD-Schritt (z. B. Aufdampfen oder Sputtern) oder einen Galvanik-Schritt an dem Träger abgeschieden werden. Dies ist auf beiden Seiten des Trägers, d. h. auf seiner Innen- und/oder Außenseite, möglich.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1A–1D Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes gemäß einer Variante der Erfindung;
2 eine Draufsicht einer mit dem Verfahren der 1A–1D erzeugten Struktur;
3 einen ersten Bestandteil eines thermoelektrischen Bauelementes gemäß einer weiteren Variante der Erfindung;
4 einen zweiten Bestandteil des thermoelektrischen Bauelementes;
5 die Kombination des ersten mit dem zweiten Bestandteil.
Die 1A bis 1D zeigen jeweils eine Schnittansicht zur Darstellung verschiedener Herstellungsschritte bei der Herstellung einer Sensorstruktur eines thermoelektrischen Bauelementes. Gemäß 1A wird auf einem Träger in Form eines Halbleitersubstrates 1 (das zum Beispiel Silizium und/oder Siliziumoxid aufweist) ein Material in Form eines Schichtpaketes abgeschieden, wobei das Schichtpaket eine Metallschicht 2 (zum Beispiel aus Platin) und eine darüber angeordnete Goldschicht 3 versehen ist.
Oberhalb des Schichtpaketes 2, 3 ist eine thermoelektrische Schicht 4 (die ein thermoelektrisches Material wie z. B. Bismuttellurid aufweist oder aus diesem Material gebildet ist) angeordnet, wobei das Schichtpaket 2, 3 zum elektrischen Kontaktieren der thermoelektrischen Schicht 4 vorgesehen ist. In einer Variante ist zwischen der Platinschicht 2 und dem Substrat 1 eine weitere Schicht (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die z. B. als Haftvermittler zwischen dem Substrat und der Platinschicht dient (zum Beispiel eine Titanschicht).
Das Substrat 1 bildet einen ersten Träger des herzustellenden thermoelektrischen Bauelementes, wobei die thermoelektrische Schicht 4 so strukturiert wird, dass sie thermoelektrisch wirksame Elemente (erste Thermoschenkel) ausbildet (nicht dargestellt). Gleichzeitig wird ein zweiter Träger (nicht dargestellt) mit ähnlichen Elementen (zweite Thermoschenkel) gefertigt, der mit dem ersten Träger verbunden wird. Dabei setzen die Thermoschenkel jeweils auf Kontaktflächen auf und werden mit diesen gebondet. Zu diesem Zweck ist auf der thermoelektrischen Schicht 4 eine Lotschicht 5 (z. B. aus Bismut-Gold) vorgesehen, über die sich das thermoelektrische Material 4 mit dem zweiten Träger bzw. mit einer auf dem zweiten Träger angeordneten Kontaktstruktur verbinden lässt.
Wie aus 1B hervorgeht, wird die Lotschicht 5 und die thermoelektrische Schicht 4 in einem Bereich, in dem die Sensorstruktur ausgebildet werden soll, entfernt. Anschließend wird in der oberhalb der Platinschicht 2 befindlichen Goldschicht 3 eine Öffnung 32 erzeugt, so dass die darunter liegende Platinschicht 2 teilweise freigelegt wird (1C).
Im Bereich der Öffnung 32 erfolgt nun eine Strukturierung der Platinschicht 2 (z. B. durch einen Trocken- oder einen Nassätzschritt), so dass eine Sensorstruktur 6 in der Platinschicht 2 ausgebildet wird, die eine mäanderförmig ausgebildete Leiterbahn 61 aufweist (1D). Die fertige Sensorstruktur 6 ist auch in 2 dargestellt.
Genauer zeigt 2 eine Draufsicht eines fertig gestellten ersten Bestandteils einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelementes, wobei der erste Bestandteil mit einem zweiten Bestandteil verbunden werden soll, um das endgültige thermoelektrische Bauelement zu erzeugen. Neben der Sensorstruktur 6 weist der in 2 gezeigte erste Bestandteil eine Mehrzahl erster Elemente 31 auf, die aus der thermoelektrischen Schicht 4 herausgebildet wurden. Die ersten Elemente 31 sitzen auf Kontaktflächen 41, die aus der Goldschicht 3 und der darunter liegenden Platinschicht 2 strukturiert wurden.
Des Weiteren sind größere Kontaktflächen 42 vorgesehen, die im fertigen thermoelektrischen Bauelement Anschlussflächen zum Kontaktieren der thermoelektrischen Strukturen, d. h. der ersten Elemente 31 des ersten Bestandteils und der zweiten Elemente des (nicht dargestellten) zweiten Bestandteils bilden. Eine Kombination eines ersten Bestandteils mit einem zweiten Bestandteil zeigt 5.
Die Leiterbahn 61 der Sensorstruktur 6 kann über zwei Kontaktflächen 62, die an jeweils einem Ende der Leiterbahn 61 vorgesehen sind, kontaktiert werden, um den elektrischen Widerstand der Leiterbahn 61 zu messen. Hierzu wird beispielsweise über die Kontaktflächen 62 ein Strom an die Leiterbahn 61 angelegt wird und gleichzeitig eine an der Leiterbahn 61 abfallende Spannung gemessen. Zusätzlich zu den Kontaktflächen 62 können weitere Kontaktflächen 63 vorgesehen sein, beispielsweise um eine Vierpunktmessung durchführen zu können.
3 betrifft eine weitere Variante des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelementes, wobei ein erster Bestandteil des thermoelektrischen Bauelementes dargestellt ist, der einen ersten Träger in Form eines ersten Substrates 1 aufweist. Auf dem Substrat 1 sind eine Mehrzahl thermoelektrisch aktiver erster Elemente 31 ausgebildet, die analog zur 2 auf Kontaktflächen 41 angeordnet sind. Des Weiteren ist an dem Substrat 1 eine Sensorstruktur 6, die eine Leiterbahn 61 umfasst, vorgesehen. Die Leiterbahn 61 ist durch eine Metallschicht gebildet, die an dem Substrat 1 abgeschieden wurde (beispielsweise gemäß dem Verfahren der 1A bis 1D).
Im Unterschied zur 2 sind die beiden Enden der Leiterbahn 61 jeweils mit einer Kontaktfläche 62 verbunden, die nicht direkt von außen oder über einen Bonddraht kontaktiert werden soll, sondern die jeweils mit einem der ersten Elemente (Elemente 311) elektrisch verbunden sind. Die Elemente 311 bilden somit einen Kontakt zu der Leiterbahn 61, der sich von dem ersten Substrat 1 weg erstreckt, so dass eine Kontaktierung (zum Beispiel mittels Bonddraht oder Messspitzen) an einem Ende der Elemente 311 erfolgen kann, das vom ersten Träger entfernt ist. Hierdurch wird ein Wärmeeintrag im Bereich des ersten Trägers (der insbesondere die Kaltseite im fertigen thermoelektrischen Bauelemente bildet) so weit wie möglich vermieden.
Selbstverständlich können zu den Kontaktflächen 62 weitere Kontaktflächen mit jeweils weiteren Elementen 311 vorgesehen sein, um auf diese Weise eine Mehrpunktmessung zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes der Leiterbahn 61 zu ermöglichen.
4 zeigt einen zweiten Bestandteil des thermoelektrischen Bauelementes, das das Gegenstück zum ersten Bestandteil der 3 bildet und mit diesem im fertigen Bau element verbunden ist. Ähnlich wie der erste Bestandteil der 3 weist der zweite Bestandteil einen (zweiten) Träger in Form eines zweiten Substrates 10 auf (z. B. ebenfalls ein Siliziumsubstrat).
Auf dem zweiten Substrat 10 sind eine Mehrzahl von Kontaktflächen 410 ausgebildet, von denen sich zweite Elemente 310 aus einem zweiten thermoelektrischen Material erstrecken. In einem Beispiel entspricht das zweite thermoelektrische Material dem ersten thermoelektrischen Material der ersten Elemente, wobei das zweite thermoelektrische Material n-dotiert ist, während das erste thermoelektrische Material eine p-Dotierung aufweist.
Die zweiten thermoelektrischen Elemente 310 sind korrespondierend zu den ersten thermoelektrischen Elementen 31 der 3 U-förmig angeordnet. Auf die beiden Schenkel der U-förmigen Anordnung erstrecken sich zwei Kontaktflächen 420 zu, die im fertigen thermoelektrischen Bauelement zum Kontaktieren der Gesamtheit der (dann in Reihe geschalteten) ersten und zweiten Elemente 31, 310 dienen.
Des Weiteren sind zwei (längliche) Kontaktflächen 620 auf dem zweiten Substrat 10 angeordnet, die nach Verbinden des zweiten mit dem ersten Bestandteil (d. h. im fertigen thermoelektrischen Bauelement) jeweils mit einem der Kontaktelemente 311 zum Kontaktieren der Sensorstruktur 6 elektrisch verbunden sind und zum Kontaktieren der Sensorstruktur 6 dienen.
5 zeigt die Situation im fertiggestellten thermoelektrischen Bauelement, d. h. nach Inverbindungbringen des ersten Bestandteils der 3 mit dem zweiten Bestandteil der 4. Es ist zu erkennen, dass die Kontaktflächen 41 des ersten Bestandteils so relativ zu den Kontaktflächen 410 des zweiten Bestandteils angeordnet sind, dass nach Verbinden des ersten und des zweiten Bestandteils die ersten und die zweiten Elemente 31, 310 abwechselnd in Reihe geschaltet sind, d. h. eine Mehrzahl von thermoelektrisch wirksamen Übergängen zwischen dem ersten, p-dotierten thermoelektrischen Material und dem zweiten n-dotierten thermoelektrischen Material entstehen.
Die Elemente 311 zum Kontaktieren der Leiterbahn 61 der Sensorstruktur 6 sitzen auf der Kontaktfläche 620 des zweiten Bestandteils auf, so dass ein Kontaktieren der Leiterbahn 61 und damit der Sensorstruktur 6 auf Seiten des zweiten Trägers, d. h. auf der Warmseite des thermoelektrischen Bauelementes, wenn die erste Seite die Kaltseite bil det, möglich ist. Somit kann die Sensorstruktur 6 an der Kaltseite angeordnet und dennoch von außerhalb des thermoelektrischen Bauelementes kontaktiert werden, ohne dass die Temperatur der Kaltseite bei Anlegen eines Stroms an die Leiterbahn 61 beeinflusst wird.

1: erstes Substrat
2: Platinschicht
3: Goldschicht
4: thermoelektrische Schicht
5: Lot
6: Sensorstruktur
10: zweites Substrat
31: erstes Element
32: Öffnung
41: Kontaktfläche
42: große Kontaktfläche
61: Leiterbahn
62, 63: Kontaktfläche
310: zweites Element
311: Kontakt
410, 420, 620: Kontaktfläche

Claims

Thermoelektrisches Bauelement, mit – mindestens einer Sensorstruktur (6) zum Bestimmen einer Messgröße beim Betrieb des thermoelektrischen Bauelementes, wobei – die Sensorstruktur (6) durch ein an einem Träger (1, 10) des thermoelektrischen Bauelementes abgeschiedenes Material (2) ausgebildet wird.
Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (2) elektrisch leitend oder halbleitend ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstruktur (6) mindestens eine Leiterbahn (61) aufweist und die Messgröße durch Ermitteln des elektrischen Widerstandes der Leiterbahn (61) bestimmbar ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße eine Temperatur, ein Wärmefluss oder eine Dehnung ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstruktur (6) an einer Innenseite des Trägers (1, 10) ausgebildet ist, die einem thermoelektrischen Material (4) des thermoelektrisches Bauelementes zugewandt ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstruktur (6) an einer Außenseite des Trägers (1, 10) ausgebildet ist, die einem thermoelektrischen Material (4) des thermoelektrisches Bauelementes abgewandt ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1, 10) in Form eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (2) zusätzlich eine Kontaktstruktur zum elektrischen Kontaktieren eines thermoelektrischen Materials des thermoelektrischen Bauelementes ausbildet.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Träger (1), der eine erste Seite des thermoelektrischen Bauelementes bildet, sowie einen zweiten Träger (10), der eine zweite Seite des thermoelektrischen Bauelementes bildet.
Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite bei Betrieb des thermoelektrischen Bauelementes eine niedrigere Temperatur aufweist als die zweite Seite.
Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstruktur an dem ersten Träger (1) ausgebildet ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstruktur an dem zweiten Träger (10) ausgebildet ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Kontaktstruktur, die mit der Sensorstruktur (6) elektrisch verbunden ist und sich von dem ersten Träger (1) zu dem zweiten Träger (10) erstreckt.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem ersten und dem zweiten Träger (1, 10) erste Elemente (31) aus einem ersten thermoelektrischen Material sowie zweite Elemente (310) aus einem zweiten thermoelektrischen Material erstrecken, wobei die ersten und die zweiten Elemente (31, 310) abwechselnd miteinander in Reihe geschaltet sind.
Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite thermoelektrische Material das gleiche Matrixmaterial aufweisen, jedoch unterschiedlich dotiert sind.
Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines (311) der ersten und/oder der zweiten Elemente (31, 310) die Kontaktstruktur ausbildet.
Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (311), das den Kontakt zu der Sensorstruktur (6) ausbildet, an seiner Oberfläche ein elektrisch leitfähiges Material aufweist.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der ersten und eines der zweiten Elemente (31, 310), die in Reihe geschaltet sind, elektrisch von den übrigen ersten und zweiten Elementen getrennt sind und elektrische Kontakte vorgesehen sind, über die eine durch die zumindest zwei Elemente erzeugte Thermospannung abgegriffen werden kann, über die eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Seite bestimmbar ist.
Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes, insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: – Abscheiden eines Materials (2) zum Erzeugen einer Sensorstruktur (6) an einem Träger (1, 10) des thermoelektrischen Bauelementes; – Strukturieren des Materials (2) derart, dass es eine an dem Träger (1, 10) abgeschiedene Sensorstruktur (6) zum Bestimmen einer Messgröße des thermoelektrischen Bauelementes ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (2) als Materialschicht an dem Träger (1, 10) abgeschieden wird
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Materialschicht ein thermoelektrisches Material (4) deponiert wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Material (4) vor dem Strukturieren der Materialschicht zum Ausbilden der Sensorstruktur (6) in dem Bereich, in dem die Sensorstruktur (6) ausgebildet werden soll, entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht zum Ausbilden der Sensorstruktur (6) so strukturiert wird, dass sie zusätzlich einen elektrischen Kontakt zu dem thermoelektrischen Material (4) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht eine Platinschicht aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Material durch einen PVD-, CVD- oder einen Galvanikschritt an dem Träger abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des Materials durch einen Ätzschritt erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden und Strukturieren des Materials im Rahmen eines Lift-off-Prozesses erfolgt.