DE102014100106A1

DE102014100106A1 - Thermoelektrischer energiesammler auf wafer-ebene

Info

Publication number: DE102014100106A1
Application number: DE102014100106.0A
Authority: DE
Inventors: Boaxing Chen
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2014-07-10
Also published as: CN103972259B; US9620700B2; CN103972259A; US20140190543A1

Abstract

Eine integrierte Schaltung kann ein Substrat und eine dielektrische Schicht, die über dem Substrat gebildet ist, umfassen. Eine Vielzahl von p-leitenden thermoelektrischen Elementen und eine Vielzahl von n-leitenden thermoelektrischen Elementen können innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet sein. Die p-leitenden thermoelektrischen Elemente und die n-leitenden thermoelektrischen Elemente können in Reihe geschaltet sein, wobei zwischen den p-leitenden und den n-leitenden thermoelektrischen Elementen abgewechselt wird.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung betrifft einen thermoelektrischen Energiesammler und genauer gesagt einen integrierten thermoelektrischen Einzelchip-Energiesammler.
Thermoelektrische Vorrichtungen wandeln Wärme (z. B. thermische Energie) in elektrische Energie um. Ein Temperaturunterschied zwischen einer heißen Seite und einer kalten Seite einer thermoelektrischen Vorrichtung bewegt Ladungsträger in einem Halbleitermaterial der thermoelektrischen Vorrichtung, damit sie elektrische Energie generieren. Der Werkstoff der thermoelektrischen Vorrichtung wird ausgewählt, um ein guter Stromleiter zu sein, um den Stromfluss zu generieren, jedoch um ein schlechter Wärmeleiter zu sein, um den notwendigen Wärmeunterschied zwischen den beiden Seiten der thermoelektrischen Vorrichtung aufrechtzuerhalten. Der Temperaturunterschied kann generiert werden, wenn die eine Seite der thermoelektrischen Vorrichtung in der Nähe einer Wärmequelle (z. B. eines Motors oder einer Schaltung) gesetzt wird, wodurch bewirkt wird, dass eine Seite der thermoelektrischen Vorrichtung heißer ist.
Die Energiemenge, die von der thermoelektrischen Vorrichtung generiert werden kann, ist mindestens von dem Temperaturunterschied, der Art der Werkstoffe in der thermoelektrischen Vorrichtung und der Größe der thermoelektrischen Vorrichtung abhängig. Beispielsweise kann ein größerer Temperaturunterschied zwischen einer heißen Seite und einer kalten Seite der Vorrichtung einen größeren Stromfluss generieren. Des Weiteren haben thermoelektrische Vorrichtungen mit größeren Mantelflächen und/oder größeren Werkstoffe, die den Stromfluss generieren, herkömmlicherweise mehr elektrische Energie erzeugt. Diese diversen Faktoren werden in Abhängigkeit von der Anwendung eingestellt, für welche die thermoelektrische Vorrichtung verwendet wird.
Es besteht ein wachsendes Interesse daran, die Größe von thermoelektrischen Vorrichtungen für neue Anwendungen (z. B. selbstunterhaltende Sensoren oder mobile Vorrichtungen) zu verkleinern und thermoelektrische Vorrichtungen zu erzeugen, die Teil von integrierten Schaltungen sein können. Das Verkleinern der Größe der thermoelektrischen Vorrichtung bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich, wie etwa das Generieren einer ausreichenden Energiemenge und das Niedrighalten der Herstellungskosten. Des Weiteren kann es sein, dass herkömmliche Werkstoffe und/oder Anordnungen der Werkstoffe innerhalb der thermoelektrischen Vorrichtung für bestimmte Anwendungen nicht die notwendige Energie bereitstellen. Zu weiteren Herausforderungen gehört die Handhabung von parasitärem Wärmeverlust, der sich auf die angrenzenden Bauteile in der integrierten Schaltung auswirkt.
Entsprechend hat der Erfinder in der Technik einen Bedarf an kleineren thermoelektrischen Vorrichtungen identifiziert, die hohe Energiedichte umfassen, kostengünstig sind und parasitären Wärmeverlust angehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit die Merkmale der vorliegenden Erfindung verständlich werden, werden nachstehend einige Zeichnungen beschrieben. Es sei jedoch zu beachten, dass die beiliegenden Zeichnungen nur bestimmte Ausführungsformen der Offenbarung abbilden und daher nicht als ihren Umfang einschränkend anzusehen sind, da die Erfindung andere ebenso wirksame Ausführungsformen einbeziehen kann. Es zeigen:
1(a) und 1(b) eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 eine perspektivische Ansicht eines thermoelektrischen Energiesammlers 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers mit einer Abdeckstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können einen thermoelektrischen Energiesammler bereitstellen, der in einer integrierten Schaltung bereitgestellt werden kann. Bei einer Ausführungsform kann eine integrierte Schaltung ein Substrat und eine dielektrische Schicht umfassen, die über dem Substrat gebildet wird. Eine Vielzahl von p-leitenden thermoelektrischen Elementen und eine Vielzahl von n-leitenden thermoelektrischen Elementen können innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet werden. Die p-leitenden thermoelektrischen Elemente und die n-leitenden thermoelektrischen Elemente können abwechselnd elektrisch in Reihe geschaltet sein. Als Reaktion darauf, dass Wärme an eine Seite der thermoelektrischen Elemente angelegt wird, kann ein Elektronenfluss in jedem der thermoelektrischen Elemente generiert werden, um elektrische Energie bereitzustellen.
Bei einer anderen Ausführungsform kann über einem Substrat eine Abdeckung bereitgestellt werden, um eine Vielzahl von p-leitenden und n-leitenden thermoelektrischen Elementen einzuschließen, die über dem Substrat angeordnet und in Reihe geschaltet sind, wobei zwischen den p-leitenden und den n-leitenden thermoelektrischen Elementen abgewechselt wird. Ein Vakuum oder ein Unterdruck kann zwischen den thermoelektrischen Elementen aufrechterhalten werden. Die Abdeckung und das Vakuum oder der Unterdruck können den parasitären Wärmeverlust in den Bereich, der die integrierte Schaltung umgibt, reduzieren und somit einen großen Wärmegradienten entlang den thermoelektrischen Elementen aufrechterhalten.
1(a) zeigt eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der thermoelektrische Energiesammler 100 kann eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 110A, 110B über einer Substratschicht 130 und innerhalb einer dielektrischen Schicht 120 umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können Elemente aus unterschiedlichen Arten von einem thermoelektrischen Werkstoff (z. B. p-leitend und n-leitend) umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können derart zusammengeschaltet sein, dass jedes thermoelektrische Element zu der Gesamtenergie beiträgt, die von dem thermoelektrischen Energiesammler 100 als Reaktion auf einen Temperaturgradienten zwischen einer ersten Seite (z. B. einer heißen Seite) und einer zweiten Seite (z. B. einer kalten Seite) bereitgestellt wird. Eine thermische Kontaktschicht 140 kann über der dielektrischen Schicht 120 bereitgestellt werden, um die Temperaturgradienten zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite zu unterstützen. Die thermische Kontaktschicht 140 kann aus einem Werkstoff hergestellt sein, der ein guter Wärmeleiter ist.
Wie in 1(a) gezeigt, kann der thermoelektrische Energiesammler 100 eine senkrechte Struktur umfassen, die mit der dielektrischen Schicht 120 versehen ist, und kann als einzelner Wafer gebildet sein. Die Struktur auf Wafer-Ebene des thermoelektrischen Energiesammlers 100 ermöglicht seine Integration mit anderen integrierten Schaltungsbauteilen (in 1(a) nicht gezeigt) auf oder neben dem Substrat 130.
Wie angegeben, können die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B unterschiedliche Arten von thermoelektrischen Werkstoffen (z. B. p-leitend und n-leitend) umfassen. Der thermoelektrische Werkstoff der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kann ausgewählt werden, um einen Fluss von Ladungsträgern unterschiedlicher Polarität von einem Ende des thermoelektrischen Elements zu einem gegenüberliegenden Ende als Reaktion auf einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Enden zu generieren. In einem thermoelektrischen Element 110A, das einen p-leitenden Werkstoff umfasst, fließen die positiven Ladungsträger von einem heißen Ende zu einem gegenüberliegenden kalten Ende. Bei einem thermoelektrischen Element 110B, das einen n-leitenden Werkstoff umfasst, dagegen fließen die Elektronen von einem Ende, das die Wärmequelle aufweist, zum gegenüberliegenden Ende, das kühler ist.
Die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kann in einem Array geschaltet sein, wobei die Werkstoffart in den angrenzenden thermoelektrischen Elementen 110A und 110B abgewechselt wird (z. B. zwischen n-leitend und p-leitend). Auf diese Art und Weise können die Spannungen und/oder Ströme, die sich über die thermoelektrischen Elemente 110A und 110B entwickeln, summiert werden, um eine größere zusammenwirkende Spannung und/oder einen größeren zusammenwirkenden Strom zu generieren als die thermoelektrischen Elemente 110A und 110B es einzeln tun. Beispielsweise können die thermoelektrischen Elemente 110A, die einen p-leitenden Werkstoff aufweisen, mit den thermoelektrischen Elementen 110B, die einen n-leitenden Werkstoff aufweisen, in Reihe geschaltet werden. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können derart angeordnet sein, dass alle der thermoelektrischen Elemente, die an ein bestimmtes thermoelektrisches Element angrenzen, eine Werkstoffart umfassen, die anders ist als der Werkstoff des bestimmten thermoelektrischen Elements. Die Ausgänge der Arrays der thermoelektrischen Elemente 110A und 110B können parallel geschaltet sein, um die Energie bereitzustellen, die bei einer bestimmten Anwendung benötigt wird. Die Zusammenschaltungen 150 können die thermoelektrischen Elemente 110A und 110B an die angrenzenden thermoelektrischen Elemente 110A und 110B anschließen.
Obwohl jedes thermoelektrische Element 110A, 110B eine kleine Energiemenge (z. B. Millivolt) bereitstellen kann, kann das Anschließen der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B in einem Array die höhere Energie bereitstellen, die für eine bestimmte Anwendung benötigt wird. Wenn Wärme an eine Seite des thermoelektrischen Energiesammlers 100 angelegt wird, fließen die Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 110A, die einen p-leitenden Werkstoff aufweisen, von der kalten Seite zu der heißen Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, und die Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 110B, die einen n-leitenden Werkstoff aufweisen, fließen von der heißen Seite zu der kalten Seite der thermoelektrischen Elementen 110B. Falls somit die thermoelektrischen Elemente 110A mit den thermoelektrischen Elementen 110B in Reihe geschaltet sind und ein thermoelektrisches Paar bilden, fließen die Elektronen von einer kalten Seite des p-leitenden Werkstoffs zu einer heißen Seite des p-leitenden Werkstoffs in die heiße Seite des n-leitenden Werkstoffs über die Zusammenschaltung 150 und in die kalte Seite des n-leitenden Werkstoffs. Die Energie, die in jedem der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B generiert wird, wird kombiniert und an den Ausgangsanschlüssen des thermoelektrischen Energiesammlers 100 bereitgestellt.
1(b) zeigt eine Schaltung, die dem thermoelektrischen Energiesammler 100 entspricht, der in 1(a) gezeigt wird. Die Spannungen, die sich über die thermoelektrischen Elemente 110A und 110B entwickeln, werden durch Vp und Vn dargestellt. Die einzelnen Spannungen und/oder Ströme können summiert werden, um eine Ausgangsspannung Vout bereitzustellen und zusammenzufassen, und in dem gezeichneten Fall wird die Spannung summiert, um eine Nutzspannung zu erzielen, die eine typische leistungsschwache elektronische Schaltung mit Energie versorgen kann.
1(a) ist nicht maßstabsgetreu gezeichnet, sondern beschreibt die ungefähren Abmessungen eines Sammlers 100 bei einer Ausführungsform. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können eine Form aufweisen, welche die Oberfläche des thermoelektrischen Elements 110A, 110B maximiert, die an die dielektrische Schicht 120 angrenzt. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können eine rechteckige Form aufweisen, wobei die Seiten ein längeres Ende aufweisen, das an die dielektrische Schicht 120 angrenzt, und die kürzeren Seiten an die Zusammenschaltungen 150 angrenzen. Bei einer anderen Ausführungsform kann mindestens eine Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B quadratisch sein.
Der Werkstoff der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kann derart ausgewählt werden, dass der thermische Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kleiner ist als der thermische Widerstand der dielektrischen Schicht 120, so dass die dielektrische Schicht nicht zu viel thermischen Nebenschluss verursacht. Ein hoher thermischer Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B wird weiterhin gebraucht, um sicherzustellen, dass ein guter Temperaturunterschied zwischen einer heißen Seite und einer kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B aufrechterhalten wird. Der thermische Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kann erhöht werden, indem das Dotierungsniveau der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B geregelt wird oder indem Streuelemente eingebracht werden, um die Photonenstreuung in den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B zu erhöhen, ohne ihre elektrische Leitung zu sehr zu beeinträchtigen. Die Konzentration des Dotierungsniveaus oder der Streuelemente kann an einem Ende der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B im Vergleich zu einem gegenüberliegenden Ende des thermoelektrischen Elements 110A, 110B erhöht oder verringert werden.
Beispielsweise können die thermoelektrischen Elemente 110A p-leitendes BixSb2-xTe3 sein, und die thermoelektrischen Elemente 110B können n-leitendes Bi2Te3-xSex sein. Die dielektrische Schicht 120 kann ein Polyimid sein, da es eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist und bei der Verarbeitung der thermoelektrischen Elemente hilfreich ist. Die thermische Kontaktschicht 140 kann eine beliebige elektrisch isolierende aber thermisch leitfähige Schicht sein. Bei einer Ausführungsform kann die thermische Kontaktschicht 140 aus mehreren Schichten bestehen. Beispielsweise kann die thermische Kontaktschicht 140 eine dünne nicht leitende Schicht, wie etwa ein Oxid oder Nitrid, oder eine oder mehrere dickere Metallschichten darauf umfassen, um die thermische Leitung zu verbessern. Die thermische Kontaktschicht 140 kann eine Isolierung an der Schnittstelle mit der elektrischen Zusammenschaltungsschicht 150 bereitstellen, um einen elektrischen Kurzschluss der elektrischen Zusammenschaltungsschichten 150 zu verhindern. Das Substrat 130 kann ein beliebiges Halbleitersubstrat ausreichender Dicke sein, um die thermische Leitung an der unteren Seite zu fördern. Obwohl die Konfiguration des Substrats 130 als kalte Seite und der oberen thermischen Kontaktschicht 140 als heiße Seite gezeigt wird, kann die Vorrichtung auf mit dem Substrat 130 als heiße Seite und einer oberen thermischen Kontaktschicht 140 als kalte Seite funktionieren.
Die Zusammenschaltungen 150 können auf einer heißen Seite und auf einer kalten Seite der thermoelektrischen Elemente enthalten sein, um angrenzende thermoelektrische Elemente zu verbinden. Die thermoelektrischen Elemente können eine erste Zusammenschaltung auf einer heißen Seite umfassen, die mit einem ersten thermoelektrischen Element gekoppelt ist, und eine zweite Zusammenschaltung auf einer kalten Seite umfassen, die mit einem zweiten thermoelektrischen Element gekoppelt ist. Die Zusammenschaltungen 150 an den ersten und letzten thermoelektrischen Elementen 110A, 110B können Ausgangsanschlüsse zum Anschluss an andere Schaltungsbauteile (z. B. externe Schaltungen, eine Last oder eine Energiespeichervorrichtung) sein. Die Zusammenschaltungen 150 können ein Halbleitermaterial oder ein metallisches Verbindungsstück (z. B. Gold, Kupfer oder Aluminium) umfassen.
Bei den beispielhaften Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 120 aus hoch dielektrischen Durchschlagwerkstoffen bestehen, wie etwa aus Polyimid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen. Die dielektrische Schicht 120 kann die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B elektrisch isolieren. Die dielektrische Schicht 120 kann die Ableitung von Wärme von den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B unterdrücken. Die dielektrische Schicht 120 kann eine geringere thermische Leitfähigkeit als das Substrat 130 und/oder die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B aufweisen. Die dielektrische Schicht 120 kann die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B auf vier Seiten umgeben, um die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B thermisch nebenzuschließen und die Entwicklung des thermischen Gradienten über die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B zuzulassen, und um zu erlauben, dass sich der größte Teil der Wärme zu den Seiten des thermoelektrischen Energiesammlers 100 hin ausbreitet. Der höhere thermische Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B im Vergleich zu dem thermischen Widerstand des Substrats 130 und/oder der thermischen Kontaktschicht 140 ermöglicht es, dass der verfügbare thermische Gradient über die thermoelektrischen Elemente statt über die thermische Kontaktschicht oder das Substrat 130 abfällt. Somit wird ein maximaler Temperaturunterschied zwischen der heißen Seite und der kühlen Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B aufrechterhalten.
Es können Sperrmetalle 160 zwischen den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B und den Zusammenschaltungen 150 enthalten sein, um die Halbleiterwerkstoffe der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B von den Metallzusammenschaltungen 150 zu isolieren und dabei eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B und den Zusammenschaltungen 150 aufrechtzuerhalten. Die Sperrmetalle 160 können enthalten sein, um eine Diffusion der Zusammenschaltungen 150 in die Halbleiterwerkstoffe der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B zu verhindern.
Wenn Wärme an eine Seite (z. B. die heiße Seite) des thermoelektrischen Energiesammlers 100 angelegt wird, fließen die Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 110A, die den p-leitenden Werkstoff aufweisen, in einer Richtung und in den thermoelektrischen Elementen 110B, die den n-leitenden Werkstoff aufweisen, in einer anderen Richtung. Da die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B in Reihe geschaltet sind, wird die Energie, die in jedem der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B generiert wird, kombiniert, um die kombinierte Energie an den Ausgängen des thermoelektrischen Energiesammlers 100 bereitzustellen. Die ankommende Wärme wird von der thermischen Kontaktschicht 140 an die heiße Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B verteilt, während das Substrat 130 die kühle Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B abkühlt.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines thermoelektrischen Energiesammlers 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie in 2 gezeigt, werden die thermoelektrischen Elemente 210A, 210B über der Substratschicht 230 bereitgestellt. Eine dielektrische Schicht 220 wird über der Substratschicht 230 bereitgestellt, um die thermoelektrischen Elemente 210A, 210B elektrisch voneinander zu isolieren. Die thermoelektrischen Elemente 210A, 210B können in einem Array angeordnet sein, so dass die thermoelektrischen Elemente 210A, 210B dabei die Werkstoffart (z. B. zwischen n-leitend und p-leitend) in den angrenzenden thermoelektrischen Elementen 210A und 210B abwechseln. Die Zusammenschaltungen 250 können die thermoelektrischen Elemente 210A, 210B in Reihe schalten. Eine thermische Kontaktschicht 240 kann die angelegte Wärme unter den thermoelektrischen Elementen 210A, 210B verteilen.
3 zeigt eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 300 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der thermoelektrische Energiesammler 300 kann eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 310A, 310B über der Substratschicht 330 und innerhalb einer dielektrischen Schicht 320 über der Substratschicht 330 umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 310A, 310B können in einem Array angeordnet sein und dabei die Werkstoffart (z. B. zwischen n-leitend und p-leitend) in den angrenzenden thermoelektrischen Elementen 310A und 310B abwechseln. Die Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 310A, 310B kann über die Zusammenschaltungen 350 in Reihe geschaltet sein. Eine thermische Kontaktschicht 340 kann über den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B bereitgestellt werden, um die Wärme abzuleiten, die an den thermoelektrischen Energiesammler 300 angelegt wird.
Der thermoelektrische Energiesammler 300 kann eine zusätzliche Substratschicht 370 zwischen der thermischen Kontaktschicht 340 und der dielektrischen Schicht 320 umfassen. Die Substratschicht 370 kann eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, um Wärme aus der externen Wärmequelle abzuleiten. Die Substratschicht 370 kann ein Aluminiumnitrid-Substrat sein.
Der thermoelektrische Energiesammler 300 kann ein oder mehrere Schaltungsbauteile 380 in dem Substrat 330 und/oder auf einer Oberfläche des Substrats 330 umfassen. Die Schaltungsbauteile 380 können mit den Ausgangsanschlüssen des thermoelektrischen Energiesammlers 300 gekoppelt sein. Die Schaltungsbauteile 380 können die Energie empfangen, die von dem thermoelektrischen Energiesammler 300 generiert wird, und/oder den thermoelektrischen Energiesammler 300 regeln. Die Schaltungsbauteile 380 können Teile eines Sensors (z. B. eines Automobilsensors, eines medizinischen Implantats und/oder eines drahtlosen Sensors) sein, der von dem thermoelektrischen Energiesammler 300 mit Energie versorgt wird. Bei einer Ausführungsform kann der Strom den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B über die Schaltungsbauteile 380 zugeführt werden, damit der thermoelektrische Energiesammler 300 als Kühler funktioniert. Der thermoelektrische Energiesammler 300, der als Kühler funktioniert, kann die Schaltungsbauteile 380, die sich innerhalb des Substrats 330 befinden oder in der Nähe oder auf der Oberfläche des Substrats 330 bereitgestellt werden, abkühlen. Der Strom, der an die thermoelektrischen Elemente 310A, 310B angelegt wird, kann den Fluss von Ladungsträgern erzeugen, die einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten des thermoelektrischen Energiesammlers 300 generieren, den man verwenden kann, um die Schaltungsbauteile 380 abzukühlen.
Sperrmetalle 360 können zwischen den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B und den Zusammenschaltungen 350 enthalten sein, um die Halbleiterwerkstoffe der thermoelektrischen Elemente 310A, 310B von den Metallzusammenschaltungen 350 zu isolieren und dabei eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B und den Zusammenschaltungen 350 aufrechtzuerhalten.
4 zeigt eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 400 mit einer Abdeckstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der thermoelektrische Energiesammler 400 kann ein Abdecksubstrat 470 umfassen, um die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B einzuschließen, die über dem Substrat 430 bereitgestellt werden. Das Abdecksubstrat 470 kann es ermöglichen, dass ein Unterdruck oder Vakuum zwischen dem Substrat 430 und dem Abdecksubstrat 470 aufrechterhalten wird.
Das Abdecksubstrat 470 kann die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B zwischen dem Abdecksubstrat 470 und dem Substrat 410 einschließen. Das Abdecksubstrat 470 kann an dem Substrat 410 unter Druck oder Vakuum angebracht werden, so dass der Unterdruck oder das Vakuum um die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B herum bereitgestellt wird.
Das Abdecksubstrat 470 und/oder der Unterdruck bzw. das Vakuum kann bzw. können den parasitären Wärmeverlust in den Bereich, der die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B umgibt, reduzieren. Das Reduzieren des parasitären Wärmeverlustes ermöglicht es, dass der thermoelektrische Energiesammler 400 verkleinert wird und als Teil einer integrierten Schaltung enthalten ist. Der reduzierte parasitäre Wärmeverlust auf geringen Pegeln ermöglicht es, dass andere Schaltungen zusammen mit dem thermoelektrischen Energiesammler 400 enthalten sind.
Das Abdecksubstrat 470 kann es ermöglichen, dass mehr Energie von dem thermoelektrischen Energiesammler 400 gesammelt wird. Das Vakuum bzw. der Unterdruck ermöglicht das Maximieren des Temperaturgradienten zwischen den heißen und kalten Seiten der thermoelektrischen Elemente 410A, 410B.
Ähnlich wie die Ausführungsformen, die in 1 bis 3 gezeigt werden, können die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B in einem Array angeordnet sein, wobei die Werkstoffart (z. B. zwischen n-leitend und p-leitend) in den angrenzenden thermoelektrischen Elementen 410A und 410B abgewechselt wird. Die Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 410A, 410B kann über die Zusammenschaltungen 450 in Reihe geschaltet sein. Eine thermische Kontaktschicht 440 kann über den thermoelektrischen Elementen 410A, 410B bereitgestellt werden, um die Wärme auf die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B abzuleiten.
Sperrmetalle 460 können zwischen den thermoelektrischen Elementen 410A, 410B und den Zusammenschaltungen 450 enthalten sein, um die Werkstoffe der thermoelektrischen Elemente 410A, 410B von den Zusammenschaltungen 450 zu isolieren und dabei eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 410A, 410B und den Zusammenschaltungen 450 aufrechtzuerhalten.
Bei einer Ausführungsform können die p-leitenden und n-leitenden thermoelektrischen Elemente beide auf einem von dem Abdecksubstrat 470 und dem Substrat 430 bereitgestellt werden, bevor das Abdecksubstrat 470 mit dem Substrat 430 verbunden wird. Bei einer anderen Ausführungsform, bevor das Abdecksubstrat 470 mit dem Substrat 430 verbunden wird, können die p-leitenden thermoelektrischen Elemente auf einem von dem Abdecksubstrat 470 und dem Substrat 430 bereitgestellt werden, und die n-leitenden thermoelektrischen Elemente können auf dem anderen von dem Abdecksubstrat 470 und dem Substrat 430 bereitgestellt werden. Das Verbinden des Abdecksubstrats 470 mit dem Substrat 430 würde die p-leitenden thermoelektrischen Elemente und die n-leitenden thermoelektrischen Elemente koppeln.
Wie in 1 bis 4 gezeigt, werden die thermoelektrischen Elemente gezeigt, wie sie eine rechteckige senkrechte Struktur aufweisen. Die thermoelektrischen Elemente können jedoch diverse Formen und Orientierungen umfassen. 5 zeigt eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 500 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der thermoelektrische Energiesammler 500 kann eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 510A, 510B über der Substratschicht 530 und innerhalb einer dielektrischen Schicht 520 über der Substratschicht 530 umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 510A, 510B können in einem Array angeordnet sein, wobei die Werkstoffart (z. B. zwischen n-leitend und p-leitend) in den angrenzenden thermoelektrischen Elementen 510A und 510B abgewechselt wird. Die Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 510A, 510B kann über die Zusammenschaltungen 550 in Reihe geschaltet sein. Eine thermische Kontaktschicht 540 kann über den thermoelektrischen Elementen 510A, 510B bereitgestellt werden, um die Wärme abzuleiten, die an den thermoelektrischen Energiesammler 500 angelegt wird.
Wie in 5 gezeigt, können die thermoelektrischen Elemente 510A und 510B schräg sein. Des Weiteren können die thermoelektrischen Elemente 510A und 510B Verbindungsabschnitte 510C an einem oder beiden Enden der thermoelektrischen Elemente 510A und 510B umfassen, die an die Zusammenschaltungen 550 angeschlossen sind. Die dielektrische Schicht 520 kann es ermöglichen, dass die thermoelektrischen Elemente 510A und 510B diverse Formen und Orientierungen umfassen. Die Orientierung und/oder Form der thermoelektrischen Elemente 510A und 510B kann bzw. können basierend auf dem verfügbaren Platz für den thermoelektrischen Energiesammler 500 und/oder auf den Leistungsanforderungen des Systems geändert werden. Das Ändern der Orientierung der thermoelektrischen Elemente 510A und 510B kann den verfügbaren Platz (z. B. den senkrechten Platz) reduzieren und dabei die Mantelfläche des thermoelektrischen Elements 510A und 510B maximieren, der an die dielektrische Schicht 520 angrenzt.
Obwohl die Erfindung zuvor mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen und die spezifischen in den Zeichnungen gezeigten Konfigurationen eingeschränkt. Beispielsweise können einige gezeigte Bauteile miteinander als eine Ausführungsform kombiniert werden, oder ein Bauteil kann in mehrere Nebenbauteile unterteilt werden, oder es können beliebige andere bekannte oder verfügbare Bauteile hinzugefügt werden. Der Fachmann wird verstehen, dass die Erfindung andersartig umgesetzt werden kann, ohne den Geist und die wesentlichen Merkmale der Erfindung zu verlassen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als beispielhaft und nicht einschränkend anzusehen. Der Umfang der Erfindung wird durch die beiliegenden Ansprüche statt durch die vorstehende Beschreibung angegeben, und alle Änderungen, die unter die Bedeutung und in den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sind daher vorgesehen, um darin enthalten zu sein.

Claims

Integrierte Schaltung, umfassend: ein Substrat; eine dielektrische Schicht, die über dem Substrat gebildet ist; eine Vielzahl von p-leitenden thermoelektrischen Elementen, die innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet sind; und eine Vielzahl von n-leitenden thermoelektrischen Elementen, die innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet sind, wobei die p-leitenden thermoelektrischen Elemente und die n-leitenden thermoelektrischen Elemente in Reihe geschaltet sind und dabei zwischen den p-leitenden und den n-leitenden thermoelektrischen Elementen abgewechselt wird.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine thermische Kontaktschicht, die über den p-leitenden thermoelektrischen Elementen und den n-leitenden thermoelektrischen Elementen angeordnet ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes thermoelektrische Element eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei die Oberseite eines thermoelektrischen Elements an die Oberseite eines ersten angrenzenden thermoelektrischen Elements angeschlossen ist, und die Unterseite des einen thermoelektrischen Elements an die Unterseite eines zweiten angrenzenden thermoelektrischen Elements angeschlossen ist.
Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermoelektrischen Elemente über Zusammenschaltungen verbunden sind und ein Sperrmetall zwischen jeder Zusammenschaltung und den thermoelektrischen Elementen enthalten ist.
Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes p-leitende thermoelektrische Element nur an n-leitende thermoelektrische Elemente angrenzt.
Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht eine Polyimid-Schicht ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 6, ferner umfassend eine thermische Kontaktschicht über der Polyimid-Schicht.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Aluminiumnitrid-Schicht zwischen der Polyimid-Schicht und der thermischen Kontaktschicht.
Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die p-leitenden thermoelektrischen Elemente und die n-leitenden thermoelektrischen Elemente eine höhere thermische Leitfähigkeit als die thermische Leitfähigkeit der dielektrischen Schicht aufweisen.
Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht ein elektrischer Isolator ist und eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als das Substrat und die thermoelektrischen Elemente.
Integrierte Schaltung, umfassend: ein Substrat; eine Vielzahl von p-leitenden und n-leitenden thermoelektrischen Elementen, die über dem Substrat angeordnet und in Reihe geschaltet sind, wobei zwischen den p-leitenden und den n-leitenden thermoelektrischen Elementen abgewechselt wird; und eine Abdeckung über dem Substrat, um die thermoelektrischen Elemente zwischen der Abdeckung und dem Substrat einzuschließen.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 11, wobei ein Unterdruck um die thermoelektrischen Elemente herum und zwischen der Abdeckung und dem Substrat bereitgestellt wird.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, ferner umfassend eine thermische Kontaktschicht, die über der Abdeckung angeordnet ist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei jedes thermoelektrische Element eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei die Oberseite eines thermoelektrischen Elements an die Oberseite eines ersten angrenzenden thermoelektrischen Elements angeschlossen ist, und die Unterseite des einen thermoelektrischen Elements an die Unterseite eines zweiten angrenzenden thermoelektrischen Elements angeschlossen ist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die thermoelektrischen Elemente über Zusammenschaltungen verbunden sind und ein Sperrmetall zwischen jeder Zusammenschaltung und den thermoelektrischen Elementen enthalten ist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei jedes p-leitende thermoelektrische Element nur an n-leitende thermoelektrische Elemente angrenzt.
Thermoelektrischer Energiesammler, umfassend: ein Substrat; ein Array von thermoelektrischen Paaren, die über dem Substrat angeordnet und über Zusammenschaltungen in Reihe geschaltet sind, wobei jedes thermoelektrische Paar ein erstes Element eines p-leitenden Werkstoffs und ein zweites Element eines n-leitenden Werkstoffs umfasst, wobei das erste Element und das zweite Element über die Zusammenschaltung an einem Ende gekoppelt sind; und ein Dielektrikum, das zwischen den ersten Elementen und den zweiten Elementen bereitgestellt wird, um die ersten Elemente und die zweiten Elemente elektrisch zu isolieren.
Thermoelektrischer Energiesammler nach Anspruch 17, ferner umfassend eine thermische Kontaktschicht, die über dem Dielektrikum angeordnet ist.
Thermoelektrischer Energiesammler nach Anspruch 18, ferner umfassend eine Aluminiumnitrid-Schicht zwischen der dielektrischen und der thermischen Kontaktschicht.
Thermoelektrischer Energiesammler nach einem der Ansprüche 17 bis 19, ferner umfassend ein Sperrmetall zwischen jeder Zusammenschaltung und den ersten und zweiten Elementen.