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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Peltierelementen, insbesondere von Hochleistungspeltierelementen, und entsprechend ausgebildete Peltierelemente.
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Peltierelemente können als elektrothermische Wandler mittels einer Temperaturdifferenz einen elektrischen Strom erzeugen oder bei Anliegen eines elektrischen Stromes eine Temperaturdifferenz erzeugen. Grundlage für den Peltier-Effekt (bzw. dessen Umkehrung, beschrieben durch den Seebeck-Effekt) ist der elektrische Kontakt zwischen zwei unterschiedlichen Materialien (z.B. Metallen oder Halbleitern), wobei die Größe des Peltiereffekts u.a. von der Materialkombination abhängig ist. Diese beiden unterschiedlichen Materialien werden im Folgenden auch als das erste und das zweite Peltiermaterial bezeichnet, wobei bevorzugt eines der beiden Peltiermaterialien ein n-dotiertes Halbleitermaterial und das andere Peltiermaterial ein p-dotiertes Halbleitermaterial ist.
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In
DE 317982 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Thermosäulen, aufweisend eine Vielzahl von Peltierelementen, zum Strahlungsnachweis beschrieben, bei dem Metallbleche gestanzt und dann mittels Lack auf isolierende Papierstreifen aufgeklebt werden.
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Bekannt aus
US 3512248 A ist weiterhin das Ausstanzen von Metallteilen für ein Thermoelement und Schweißen der Metallteile auf Metalldrähte. Zur Herstellung des Thermoelementes werden keine isolierenden Substrate benötigt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Peltierelements bereitgestellt. Gemäß dem Verfahren wird ein Peltierelement mittels Ausstanzens von Peltiermaterialien und/oder elektrisch leitfähigen Materialien (z.B. als Leitungsbrücken zwischen den beiden Peltiermaterialien und/oder als Anschlussleitungen zum elektrischen Kontaktieren des Peltierelements) und Einprägens der ausgestanzten Materialien in einen Trägerkörper aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. eine Trägerfolie, unter Ausbildung der Peltierelement-Strukturen bzw. der Bestandteile des Peltierelements ausgebildet. Der Trägerkörper kann z.B. aus einem keramischen Material oder einem Kunststoff bestehen und kann z.B. in Form einer flexibel verformbaren Trägerfolie ausgebildet sein.
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Die auszustanzenden Abschnitte können aus einem dafür (z.B. in Form einer Folie) bereitgestellten Rohkörper, der aus einem Peltiermaterial und/oder einem elektrischen Leitermaterial besteht, ausgestanzt werden. Das Peltiermaterial kann z.B. ein (z.B. dotiertes) Halbleitermaterial sein; das elektrische Leitermaterial kann z.B. ein Metall sein. Es kann z.B. vorgesehen sein, nacheinander mehrere Rohkörper bereitzustellen und auszustanzen, wobei jeder dieser Rohkörper aus einem einzigen Material ohne räumliche Materialvariationen besteht. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, einen vorstrukturierten Rohkörper bereitzustellen und auszustanzen, der Bereiche mit unterschiedlichen Materialien bzw. Materialeigenschaften aufweist (z.B. Bereiche mit unterschiedlichen Dotierungen eines Halbleitermaterials), die den zu bildenden Bestandteilen des Peltierelement entsprechen.
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Das Ausstanzen der Materialien und Einprägen derselben in den Trägerkörper kann bevorzugt gleichzeitig in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgen, z.B. indem das zum Herausstanzen verwendete Schneidwerkzeug zugleich (in seiner Form bzw. Gestalt) als Umform- bzw. Prägwerkzeug ausgebildet ist. Ein Werkzeug mit einer solchen Doppelfunktionalität wird im Folgenden kurz als „Prägestempel“ bezeichnet. Somit wird das mittels des Prägestempels ausgestanzte Material zugleich mit dem Verformen der Oberfläche des Trägerkörpers durch den Prägestempel in die dabei erzeugte Vertiefung dieser Oberfläche eingebracht bzw. eingepresst und (zumindest teilweise) in derselben aufgenommen.
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Die ausgestanzten und eingeprägten Strukturen haben bevorzugt Abmessungen im μm- oder nm-Bereich; wobei z.B. vorgesehen sein kann, dass zumindest die kleinste Abmessung bzw. Querausdehnung einer jeden solchen Materialstruktur im μm-Bereich (d.h. bis zu 1000 μm) oder nm-Bereich (d.h. bis zu 1000 nm) liegt.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, die Peltiermaterialien, die Leitungsbrücken zum elektrischen Verbinden der Peltiermaterialien miteinander, und/oder die Anschlussleitungen zum externen elektrischen Kontaktieren des Peltierelements mittels der oben beschriebenen Vorgehensweise (d.h. mittels gleichzeitigen Ausstanzens und Einprägens) zu formen und auszubilden. Zudem kann vorgesehen sein, elektrische Leitungsbahnen zum elektrischen Verbinden mehrerer Peltierelemente miteinander mittels der oben beschriebenen Vorgehensweise auszubilden.
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Indem mittels des kombinierten Stanz-und-Präge-Verfahrens (durch Verwendung entsprechend kleiner Prägestempel) Peltierelement-Strukturen bzw. Peltierelemente im μm- bzw. nm-Bereich herstellbar sind, können diese Strukturen mit einer hohen Flächendichte bereitgestellt werden und somit effektive Peltierelemente ermöglichen. Zudem kann z.B. mittels des Einbringens der Leitungsbrücken des Peltierelements in den Trägerkörper ein guter thermischer Kontakt zwischen einer solchen Leitungsbrücke und dem Trägerkörper ermöglicht sein, wodurch ebenfalls ein hoher Wirkungsgrad des Peltierelements ermöglicht ist.
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Ein angedachtes Verfahren zum Herstellen eines Peltierelements kann als Beispiel folgende Schritte aufweisen:
- – Bereitstellen mindestens einer ersten Trägerfolie aus einem elektrisch isolierenden (d.h. elektrisch nicht leitfähigen) Material,
- – Anordnen einer Folie (im Folgenden auch als „leitfähige Folie“ bezeichnet) aus einem elektrisch leitfähigen Material über (z.B. kontaktierend auf) der Trägerfolie,
- – Einbringen von Leitungsbrücken (d.h. Abschnitten aus einem elektrisch leitfähigen Material zum späteren elektrischen Überbrücken eines Abstandes) aus dem elektrisch leitfähigen Material in die Trägerfolie mittels Ausstanzens von Folienabschnitten aus der leitfähigen Folie und Einprägens der ausgestanzten Folienabschnitte in die Trägerfolie unter Ausbildung der Leitungsbrücken (d.h. die ausgestanzten und eingeprägten Folienabschnitte fungieren später als Leitungsbrücken).
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Das Ausstanzen der Folienabschnitte bzw. Leitungsbrücken aus der leitfähigen Folie und Einprägen derselben in die Trägerfolie kann bevorzugt gleichzeitig in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgen, z.B. indem das zum Herausstanzen verwendete Schneidwerkzeug zugleich (in seiner Form) als Umform- bzw. Prägwerkzeug ausgebildet ist. Somit wird der mittels eines solchen Prägestempels ausgestanzte Folienabschnitt zugleich mit dem Verformen der Oberfläche der Trägerfolie durch den Prägestempel (zumindest teilweise) in die dabei erzeugte Vertiefung dieser Oberfläche eingebracht bzw. eingepresst.
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In einem weiteren Verfahrensschritt können zwei Peltiermaterialien derart angeordnet werden, dass jeweils an einem Ende einer jeden Leitungsbrücke ein Block des ersten Peltiermaterials und in einem Abstand zu demselben an dem anderen Ende der Leitungsbrücke ein Block des zweiten Peltiermaterials in elektrischem Kontakt zu der Leitungsbrücke angeordnet ist, sodass die Leitungsbrücke als elektrische Verbindung zwischen dem Block aus dem ersten Peltiermaterial und dem Block aus dem zweiten Peltiermaterial fungiert.
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Zum Beispiel kann vorgesehen sein, eine Folie aus dem ersten Peltiermaterial über der Trägerfolie mit den eingeprägten Leitungsbrücken anzuordnen und die aus dem ersten Peltiermaterial bestehenden Blöcke (analog zu der oben beschriebenen Vorgehensweise) mittels Ausstanzens von Abschnitten aus der aus dem ersten Peltiermaterial bestehenden Folie und Ein- bzw. Aufprägens der ausgestanzten Abschnitte an dem ersten Ende (z.B. auf das erste Ende) einer jeden Leitungsbrücke auszubilden. Analog kann vorgesehen sein, eine Folie aus dem zweiten Peltiermaterial über der Trägerfolie mit den eingeprägten Leitungsbrücken anzuordnen und die aus dem zweiten Peltiermaterial bestehenden Blöcke mittels Ausstanzens und Ein- bzw. Aufprägens an dem (z.B. auf das) dem ersten Ende entgegengesetzten, zweiten Ende einer jeden Leitungsbrücke auszubilden.
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Zudem kann eine zweite Trägerfolie aus einem elektrisch isolierenden Material, in die ebenfalls gemäß der oben beschriebenen Vorgehensweise Leitungsbrücken eingeprägt sind, vorgesehen sein. Die Leitungsbrücken in der zweiten Trägerfolie sind derart ausgebildet und angeordnet, dass – bei Inkontaktbringen der zweiten Trägerfolie mit der (mit den Leitungsbrücken und den Peltiermaterialien versehenen) ersten Trägerfolie – von ihnen jeweils ein Block des ersten Peltiermaterials an einer Leitungsbrücke der ersten Trägerfolie mit einem Block des zweiten Peltiermaterials an einer anderen Leitungsbrücke der ersten Trägerfolie elektrisch verbunden wird. Das somit gebildete Peltierelement weist also Blöcke des ersten Peltiermaterials und Blöcke des zweiten Peltiermaterials auf, wobei jeweils Blöcke unterschiedlicher Materialien abwechselnd durch Leitungsbrücken in der ersten Trägerfolie und Leitungsbrücken in der zweiten Trägerfolie miteinander elektrisch verbunden sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestelltes Peltierelement bereitgestellt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
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1A bis 1F eine Illustration eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Herstellen eines Peltierelements,
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2 eine Illustration zur Erläuterung einer weiteren Formgebung bei dem in den 1A bis 1F veranschaulichten Verfahren,
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3 eine Illustration zur Erläuterung einer weiteren Formgebung bei dem in den 1A bis 1F veranschaulichten Verfahren.
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Die 1A bis 1F veranschaulichen ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform zum Herstellen eines Peltierelements 1 (siehe 1F) mittels eines ersten Prägestempels 2. Gemäß 1A wird zunächst ein erster Trägerkörper 3 aus einem elektrisch isolierenden Material bereitgestellt. Gemäß 1A ist der Trägerkörper 3 in Form einer flexibel verformbaren Trägerfolie 3 aus einem keramischen Material ausgebildet. Zudem wird ein erster Rohkörper 4 aus einem elektrisch leitfähigen Material oberhalb der Trägerfolie 3 angeordnet, wobei gemäß der dargestellten Ausführungsform der erste Rohkörper 4 eine Folie aus einem metallischen Material ist. Mittels des Prägestempels 2 werden aus dem ersten Rohkörper 4 als Beispiel zwei Bereiche 5' und 7' ausgestanzt und im selben Verfahrensschritt mittels des Prägestempels 2 unter Ausbildung zweier Leitungsbrücken 5, 7 (siehe 1B) in die Trägerfolie 3 eingeprägt (die Stanz-und-Präge-Bewegung des Prägestempels 2 ist in 1A mittels des nach unten weisenden Pfeils veranschaulicht).
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Gemäß 1A geschieht das Ausbilden einer Leitungsbrücke mittels eines einzigen Stanz-und-Präge-Vorgangs, indem der Prägestempel 2 in seinen Abmessungen den Abmessungen der zu bildenden Leitungsbrücke entspricht. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, jede der Leitungsbrücken mittels mehrerer Stanz-und-Präge-Vorgänge auszubilden, wobei z.B. mehrere aus dem Rohkörper 4 ausgestanzte Abschnitte unter Ausbildung einer Leitungsbrücke aneinandergereiht eingeprägt werden.
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Gemäß 1C wird in einem nächsten Verfahrensschritt ein zweiter Rohkörper 8 (hier in Form einer Folie) oberhalb des ersten Trägerkörpers 3 mit den eingeprägten Leitungsbrücken 5, 7 angeordnet, wobei der zweite Rohkörper 8 aus einem ersten Peltiermaterial besteht. Gemäß der dargestellten Ausführungsform besteht der zweite Rohkörper 8 aus einem ersten Halbleitermaterial mit einer ersten Dotierung (als Beispiel mit einer n-Dotierung). Aus dem zweiten Rohkörper 8 werden Bereiche 9' mittels eines zweiten Prägestempels 10 ausgestanzt und im selben Verfahrensschritt mittels des Prägestempels 10 als Peltiermaterial-Block 9 jeweils auf das erste (gemäß den 1C/1D: linke) Ende einer jeden Leitungsbrücke 5, 7 aufgeprägt (die Stanz-und-Präge-Bewegung des Prägestempels 10 ist in 1C mittels des nach unten weisenden Pfeils veranschaulicht).
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In einem nächsten Verfahrensschritt wird ein dritter Rohkörper (nicht dargestellt) oberhalb des ersten Trägerkörpers 3 mit den Leitungsbrücken 5, 7 sowie den aufgeprägten Peltiermaterial-Blöcken 9 angeordnet, wobei der dritte Rohkörper (z.B. in Form einer Folie) aus einem zweiten Peltiermaterial besteht – hier als Beispiel aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einer der ersten Dotierung entgegengesetzten zweiten Dotierung (d.h. einer p-Dotierung). Analog zu dem mit Bezug auf die 1C und 1D beschriebenen Vorgehen werden aus dem dritten Rohkörper Bereiche ausgestanzt und als Peltiermaterial-Block 11 jeweils auf das zweite Ende einer jeden Leitungsbrücke 5, 7 aufgeprägt. Dabei wird an einer jeweiligen der Leitungsbrücken 5, 7 der Peltiermaterial-Block 9 aus dem ersten Peltiermaterial jeweils in einem Abstand zu dem Peltiermaterial-Block 11 aus dem zweiten Peltiermaterial angeordnet (siehe 1E).
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In einem nächsten Verfahrensschritt wird (siehe 1E) eine Isolierschicht 12 aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material derart aufgebracht, dass von der Isolierschicht 12 die nicht von dem Trägerkörper 3 oder den Peltiermaterial-Blöcken 9, 11 bedeckten und somit nach außen hin bloßliegenden Oberflächenabschnitte der Leitungsbrücken 5, 7 vollständig bedeckt werden und die Stirnflächen der an den Enden der Leitungsbrücken 5, 7 angeordneten Abschnitte bzw. Blöcke 9, 11 aus dem ersten und dem zweiten Peltier- bzw. Halbleitermaterial nicht vollständig bedeckt werden, sodass ein elektrisches Kontaktieren der unbedeckten Bereiche der Peltiermaterialien ermöglicht ist. Mittels einer solchen Isolierschicht 12 kann z.B., insbesondere bei flexibel verformbaren Peltierelementen, eine hohe Stabilität und Betriebssicherheit gewährleistet werden.
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Gemäß 1F wird in einem nächsten Schritt ein zweiter Trägerkörper 13 aus einem elektrisch isolierenden Material, in den analog zu oben beschriebener Vorgehensweise eine oder mehrere Leitungsbrücken 15 und elektrische Anschlussleitungen 17, 19 (zum externen elektrischen Kontaktieren des Peltierelements 1, siehe 1F) aus einem elektrisch leitfähigen Material eingeprägt sind, unter Ausbildung des Peltierelements 1 auf der Isolierschicht 12 bzw. den Peltiermaterial-Blöcken 9, 11 angeordnet. Die Materialien und die Ausbildung des zweiten Trägerkörpers 13 und der Leitungsabschnitte 15, 17, 19 in demselben kann denjenigen des ersten Trägerkörpers 3 bzw. der Leitungsabschnitte 5, 7 in demselben entsprechen.
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Gemäß 1F ist die Isolierschicht 12 zwischen den beiden Trägerkörpern 3, 13 mit ihren eingeprägten Leitungsabschnitten vorgesehen; es kann jedoch auch vorgesehen sein, auf die Schicht 12 zu verzichten und anstelle der Isolierschicht 12 lediglich einen Luftspalt zu belassen.
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1F zeigt somit das fertige Peltierelement 1 mit einer ersten keramischen Trägerfolie 3, in welche zwei metallische Leitungsbrücken 5, 7 eingeprägt sind. Auf jede dieser Leitungsbrücken 5, 7 ist an einem Ende ein erstes Peltiermaterial 9 (z.B. nleitendes Halbleitermaterial) und am anderen Ende ein zweites Peltiermaterial 11 (z.B. p-leitendes Halbleitermaterial) aufgeprägt. Zudem weist das Peltierelement 1 ein zweite Trägerfolie 13 auf, in die eine Leitungsbrücke 15 und elektrische Anschlussleitungen 17, 19 zum externen elektrischen Kontaktieren des Peltierelements 1 eingeprägt sind.
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Die Leitungsbrücken 5, 7, 15 bilden jeweils (interne) thermische Kontakte des Peltierelements 1, wobei die Leitungsbrücken jeweils in eine der Trägerfolien 3, 13 eingebracht sind und die Trägerfolien somit die (externen) thermischen Kontaktflächen des Peltierelements 1 bilden. Indem die Leitungsbrücken in die jeweilige Trägerfolie eingeprägt sind, d.h. in Vertiefungen der Oberfläche der jeweiligen Trägerfolie aufgenommen sind, kann z.B. ein guter thermischer Kontakt (d.h. eine hohe thermische Leitfähigkeit) zwischen einer jeweiligen Leitungsbrücke und der zugehörigen Trägerfolie bzw. dem zugehörigen Trägerkörper ermöglicht werden und somit ein Peltierelement mit einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht werden.
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Die Trägerfolien 3, 13 können z.B. aus einem keramischen Material oder auch aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Das elektrisch leitfähige Material der Leitungsbrücken kann z.B. ein Metall sein. Die Peltiermaterialien können z.B. metallische Materialien oder Halbleitermaterialien sein.
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Gemäß der oben beschriebenen Vorgehensweise werden zunächst die Leitungsbrücken und danach die Peltiermaterial-Blöcke ausgebildet (hier: ausgestanzt und eingeprägt). Es kann jedoch auch vorgesehen sein, zunächst die Peltiermaterial-Blöcke und danach die Leitungsbrücken auszubilden. Des Weiteren kann z.B. alternativ oder zusätzlich zum Einbringen der Leitungsbahnen in die Trägerfolien vorgesehen sein, die Peltiermaterial-Blöcke (zumindest teilweise) in eine der Trägerfolien einzubringen.
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Die 2 und 3 veranschaulichen weitere Möglichkeiten der Anordnung der Peltiermaterial-Blöcke 9, 11 aus dem ersten bzw. dem zweiten Peltiermaterial an den Leitungsbrücken 5, 7, 15 in dem ersten bzw. zweiten Trägerkörper 3 bzw. 13 am Beispiel der Peltiermaterial-Blöcke 9 in dem ersten Trägerkörper 3.
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Gemäß 2 kann ein Peltiermaterial-Block 9 mittels Stanzens und Prägens derart angeordnet werden, dass er am jeweiligen Ende einer Leitungsbrücke 5, 7 zumindest teilweise in den Trägerkörper 3 eingeprägt ist und zumindest teilweise auf das jeweilige Ende der Leitungsbrücke aufgeprägt ist. Diese Ausgestaltung kann eine große Kontaktfläche zwischen dem Peltiermaterial-Block und der jeweiligen Leitungsbrücke ermöglichen.
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Gemäß 3 kann ein Peltiermaterial-Block 9 mittels Stanzens und Prägens auch derart angeordnet werden, dass er am jeweiligen Ende einer Leitungsbrücke 5, 7 dieselbe ausschließlich seitlich kontaktierend neben derselben in den Trägerkörper 3 eingeprägt wird. Diese Ausgestaltung kann das Ausbilden eines Peltierelements mit einer geringen Dicke bzw. Höhe ermöglichen, indem die Peltiermaterial-Blöcke nicht auf, sondern ausschließlich neben den Leitungsbrücken angeordnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Peltierelement
- 2
- erster Prägestempel
- 3
- erster Trägerkörper / Trägerfolie
- 4
- erster Rohkörper
- 5', 7'
- aus dem ersten Rohkörper auszustanzende Abschnitte
- 5, 7
- Leitungsbrücken in dem ersten Trägerkörper
- 8
- zweiter Rohkörper
- 9'
- aus dem zweiten Rohkörper auszustanzende Abschnitte
- 9
- Peltiermaterial-Block aus dem ersten Peltiermaterial
- 11
- Peltiermaterial-Block aus dem zweiten Peltiermaterial
- 12
- Isolierschicht
- 13
- zweiter Trägerkörper / Trägerfolie
- 15
- Leitungsbrücke in dem zweiten Trägerkörper
- 17, 19
- elektrische Anschlussleitungen des Peltierelements
