DE102014115694A1

DE102014115694A1 - Thermoelektrischer energiesammler im wafermassstab

Info

Publication number: DE102014115694A1
Application number: DE201410115694
Authority: DE
Inventors: William Allan Lane; Boaxing Chen
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: DE102014115694B4; CN104576677A; CN104576677B

Abstract

Eine integrierte Schaltung kann ein Substrat und eine dielektrische Schicht aufweisen, die über dem Substrat ausgebildet ist. Eine Mehrzahl von thermoelektrischen p-Typ-Elementen und eine Mehrzahl von thermoelektrischen n-Typ-Elementen können innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet sein. Die thermoelektrischen p-Typ-Elemente und die thermoelektrischen n-Typ-Elemente können in Reihe geschaltet sein, während sie zwischen den thermoelektrischen p-Typ- und n-Typ-Elementen alternieren.

Description

HINTERGRUND
Der Gegenstand dieser Anmeldung betrifft einen thermoelektrischen Energiesammler (thermoelectric energy harvester) und insbesondere einen auf einem Einzelchip integrierten thermoelektrischen Energiesammler.
Thermoelektrische Bauelemente wandeln Wärme (z. B. thermische Energie) in elektrische Energie um. Ein Temperaturunterschied zwischen einer warmen Seite und einer kalten Seite eines thermoelektrischen Bauelements bewegt Ladungsträger in einem Halbleitermaterial des thermoelektrischen Bauelements, um elektrische Energie zu erzeugen. Das Material des thermoelektrischen Bauelements wird derart ausgewählt, dass es ein guter Leiter von Elektrizität ist, um den Stromfluss zu erzeugen, aber ein schlechter Leiter von Wärme ist, um den erforderlichen Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten des thermoelektrischen Bauelements aufrechtzuerhalten. Der Temperaturunterschied kann erzeugt werden, wenn die eine Seite des thermoelektrischen Bauelements in der Nähe einer Wärmequelle (z. B. eines Motors oder einer Schaltung) angeordnet wird, die bewirkt, dass eine Seite des thermoelektrischen Bauelements wärmer ist.
Die Menge von Energie, die durch das thermoelektrische Bauelement erzeugt werden kann, hängt zumindest vom Temperaturunterschied, dem Typ von Materialien im thermoelektrischen Bauelement und der Größe des thermoelektrischen Bauelements ab. Zum Beispiel kann ein größerer Temperaturunterschied zwischen einer warmen Seite und einer kalten Seite des Bauelements mehr Stromfluss erzeugen. Außerdem haben thermoelektrische Bauelemente mit größeren Oberflächenbereichen und/oder größeren Materialien, die den Stromfluss erzeugen, herkömmlicherweise mehr elektrische Energie erzeugt. Diese verschiedenen Faktoren werden in Abhängigkeit von der Anwendung angepasst, für welche das thermoelektrische Bauelement verwendet wird.
Es besteht ein wachsendes Interesse am Verkleinern der Größe von thermoelektrischen Bauelementen für neue Anwendungen (z. B. eigenständige Sensoren von Mobilgeräten) und Erzeugen von thermoelektrischen Bauelementen, welche Teil von integrierten Schaltungen sein können. Das Verkleinern der Größe des thermoelektrischen Bauelements führt jedoch neue Herausforderungen, wie beispielsweise ein Erzeugen von genügend Energie und Niedrighalten von Herstellungskosten, ein. Außerdem stellen herkömmliche Materialien und/oder Anordnungen der Materialien innerhalb des thermoelektrischen Bauelements möglicherweise nicht die für bestimmte Anwendungen benötigte Energie bereit. Andere Herausforderungen umfassen ein Behandeln von parasitärem Wärmeverlust, der benachbarte Komponenten in der integrierten Schaltung beeinflusst.
Demgemäß hat der Erfinder einen Bedarf auf dem Fachgebiet an kleinmaßstäblichen thermoelektrischen Bauelementen erkannt, die hohe Energiedichte aufweisen, kostengünstig sind und dem parasitären Wärmeverlust Rechnung tragen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der Merkmale der vorliegenden Erfindungen werden im Folgenden einige Zeichnungen beschrieben. Es ist jedoch zu erwähnen, dass die angehängten Zeichnungen nur bestimmte Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulichen und daher nicht als ihren Schutzbereich einschränkend zu betrachten sind, da die Erfindung andere gleichermaßen wirksame Ausführungsformen umfassen kann.
1A und 1B veranschaulichen eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines thermoelektrischen Energiesammlers 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers mit einer Verkappungsstruktur (capping structure) gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 veranschaulicht Formen von thermoelektrischen Elementen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können einen thermoelektrischen Energiesammler ermöglichen, der in einer integrierten Schaltung bereitgestellt werden kann. In einer Ausführungsform kann eine integrierte Schaltung ein Substrat und eine dielektrische Schicht aufweisen, die über dem Substrat ausgebildet ist. Eine Mehrzahl von thermoelektrischen p-Typ-Elementen und eine Mehrzahl von thermoelektrischen n-Typ-Elementen können innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet sein. Die thermoelektrischen p-Typ-Elemente und die thermoelektrischen n-Typ-Elemente können in alternierender Weise elektrisch in Reihe geschaltet sein. In Reaktion auf Wärme, die einer Seite der thermoelektrischen Elemente zugeführt wird, kann ein Fluss von Elektronen in jedem der thermoelektrischen Elemente erzeugt werden, um elektrische Energie bereitzustellen.
In einer anderen Ausführungsform kann eine Kappe über einem Substrat vorgesehen sein, um eine Mehrzahl von thermoelektrischen p-Typ- und n-Typ-Elementen einzuschließen, die über dem Substrat angeordnet und in Reihe geschaltet sind, während sie zwischen den thermoelektrischen p-Typ- und n-Typ-Elementen alternieren. Ein Unterdruck (vacuum) oder ein Niederdruck (low pressure) kann zwischen den thermoelektrischen Elementen aufrechterhalten werden. Die Kappe und der Unter- oder Niederdruck können parasitären Wärmeverlust in den Bereich, der die integrierte Schaltung umgibt, verringern und somit einen großen Temperaturgradienten entlang der thermoelektrischen Elemente aufrechterhalten.
1A veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der thermoelektrische Energiesammler 100 kann eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 110A, 110B über einer Substratschicht 130 und innerhalb einer dielektrischen Schicht 120 aufweisen. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können Elemente von verschiedenen Typen von thermoelektrischem Material (z. B. p-Typ und n-Typ) aufweisen.
Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können derart miteinander verbunden sein, dass jedes thermoelektrische Element zur Gesamtenergie beiträgt, die durch den thermoelektrischen Energiesammler 100 in Reaktion auf einen Temperaturgradienten zwischen einer ersten Seite (z. B. warmen Seite) und einer zweiten Seite (z. B. kalten Seite) bereitgestellt wird. Eine thermische Kontaktschicht 140 kann über der dielektrischen Schicht 120 vorgesehen sein, um die Temperaturgradienten zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite zu unterstützen. Die thermische Kontaktschicht 140 kann aus einem Material hergestellt sein, das ein guter Wärmeleiter ist.
Wie in 1A dargestellt, kann der thermoelektrische Energiesammler 100 eine vertikale Struktur aufweisen, die mit der dielektrischen Schicht 120 versehen ist, und als ein einzelner Wafer ausgebildet sein. Die Struktur im Wafermaßstab des thermoelektrischen Energiesammlers 100 ermöglicht seine Integration mit anderen Schaltungskomponenten (nicht dargestellt in 1A) auf oder nahe dem Substrat 130.
Wie erwähnt, können die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B verschiedene Typen von thermoelektrischen Materialien (z. B. p-Typ und n-Typ) aufweisen. Das thermoelektrische Material der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kann so ausgewählt sein, dass es von einem Ende des thermoelektrischen Elements zu einem gegenüberliegenden Ende einen Fluss von Ladungsträgern verschiedener Polarität in Reaktion auf einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Enden erzeugt. In einem thermoelektrischen Element 110A mit p-Typ-Material fließen die positiven Ladungsträger von einem warmen Ende zu einem gegenüberliegendem kalten Ende. Im Gegensatz dazu fließen in einem thermoelektrischen Element 110B mit n-Typ-Material die Elektronen von einem Ende, das die Wärmequelle aufweist, zum gegenüberliegenden Ende, das kühler ist.
Die Mehrzahl der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kann in einem Array verbunden sein, während der Typ von Material in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 110A und 110B (z. B. zwischen n-Typ und p-Typ) alterniert. Auf diese Weise können die Spannungen und/oder Ströme, die über die thermoelektrischen Elemente 110A und 110B entwickelt werden, miteinander summiert werden, um eine größere Summenspannung und/oder einen größeren Summenstrom zu erzeugen, als es die thermoelektrischen Elemente 110A und 110B einzeln tun. Zum Beispiel können thermoelektrische Elemente 110A mit p-Typ-Material mit thermoelektrischen Elementen 110B mit n-Typ-Material in Reihe geschaltet sein. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können derart angeordnet sein, dass alle der benachbarten thermoelektrischen Elemente zu einem gegebenen thermoelektrischen Element einen Typ von Material aufweisen, der verschieden von dem Material des gegebenen thermoelektrischen Elements ist. Ausgänge der Arrays der thermoelektrischen Elemente 110A und 110B können parallel geschaltet sein, um die in einer bestimmten Anwendung erforderliche Energie bereitzustellen. Zwischenverbindungen 150 können die thermoelektrischen Elemente 110A und 110B mit benachbarten thermoelektrischen Elementen 110A, 110B verbinden.
Obwohl jedes thermoelektrische Element 110A, 110B eine kleine Menge von Energie (z. B. Millivolt) bereitstellen kann, kann ein Verbinden der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B in einem Array die höhere Energie bereitstellen, die für eine bestimmte Anwendung benötigt wird. Wenn einer Seite des thermoelektrischen Energiesammlers 100 Wärme zugeführt wird, fließen Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 110A mit p-Typ-Material von der kalten Seite zur warmen Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, und die Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 110B mit n-Typ-Material fließen von der warmen Seite zur kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 110B. Wenn daher die thermoelektrischen Elemente 110A mit den thermoelektrischen Elementen 110B in Reihe geschaltet sind und ein Thermopaar bilden, fließen die Elektronen von einer kalten Seite des p-Typ-Materials zu einer warmen Seite des p-Typ-Materials in die warme Seite des n-Typ-Material über die Zwischenverbindung 150 und in die kalte Seite des n-Typ-Materials. Die in jedem der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B erzeugte Energie wird vereint und an den Ausgangsanschlüssen des thermoelektrischen Energiesammlers 100 bereitgestellt.
1B veranschaulicht ein Schaltungsäquivalent des thermoelektrischen Energiesammlers 100, der in 1A dargestellt ist. Die Spannungen, die über die thermoelektrischen Elemente 110A und 110B entwickelt werden, sind durch Vp und Vn dargestellt. Die einzelnen Spannungen und/oder Ströme können aufsummiert werden, um eine summierte (aggregate) Ausgangsspannung Vout bereitzustellen, und im gezeichneten Falle ist die Spannung summiert, um eine nützliche Spannung zu erhalten, welche eine typische elektronische Kleinleistungsschaltung speisen kann.
1A ist maßstabsgetreu gezeichnet, beschreibt aber grobe Abmessungen eines Sammler 100 in einer Ausführungsform. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können eine Form aufweisen, welche die Oberfläche des thermoelektrischen Elements 110A, 110B, das benachbart zur dielektrischen Schicht 120 ist, maximiert. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können eine rechteckige Form aufweisen, wobei die Seiten mit einem längeren Ende benachbart zur dielektrischen Schicht 120 sind, und die kürzeren Seiten benachbart zu den Zwischenverbindungen 150 sind. In einer anderen Ausführungsform kann mindestens eine Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B ein Quadrat sein.
Das Material der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kann derart ausgewählt werden, dass der thermische Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kleiner als der thermische Widerstand der dielektrischen Schicht 120 ist, so dass die dielektrische Schicht nicht zu viel Wärmenebenschluss verursacht. Ein hoher thermischer Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B ist dennoch erforderlich, um zu gewährleisten, dass ein guter Temperaturunterschied zwischen einer warmen Seite und einer kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B aufrechterhalten wird. Der thermische Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kann durch das Regeln der Dotierungsstärke der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B oder durch Einführen von Streuelementen zum Verstärken der Photonenstreuung in den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B ohne zu starke Beeinträchtigung ihrer elektrischen Leitung erhöht werden. Die Konzentration der Dotierungsstärke oder der Streuelemente kann an einem Ende der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B gegenüber einem gegenüberliegenden Ende des thermoelektrischen Elements 110A, 110B erhöht oder gesenkt werden.
Zum Beispiel können thermoelektrische Elemente 110A BixSb2-xTe3, Bi2Te3/Sb2Te3 p-Typ-Supergitter oder Si/Si(1-x)Gex p-Typ-Supergitter sein, und die thermoelektrischen Elemente 110B können Bi2Te3-xSex, Bi2T3/Bi2Te(3-x)Sex n-Typ-Supergitter oder Si/Si(1-x)Gex n-Typ-Supergitter sein. Die dielektrische Schicht 120 kann ein Polyimid sein, da es eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist und bei der Verarbeitung der thermoelektrischen Elemente hilft. Die thermische Kontaktschicht 140 kann jede elektrisch isolierende, aber thermisch leitende Schicht sein. In einer Ausführungsform kann die thermische Kontaktschicht 140 aus mehreren Schichten hergestellt sein. Zum Beispiel kann die thermische Kontaktschicht 140 eine dünne nichtleitende Schicht, wie beispielsweise Oxid oder Nitrid, und eine oder mehrere dickere Metallschichten obenauf zum Verbessern der Wärmeleitung aufweisen. Die thermische Kontaktschicht 140 kann Isolierung an der Grenzfläche mit der elektrischen Zwischenverbindungsschicht 150 bereitstellen, um elektrischen Kurzschluss von elektrischen Zwischenverbindungsschichten 150 zu verhindern. Das Substrat 130 kann jedes halbleitende Substrat mit ausreichender Dicke zum Fördern der Wärmeleitung an der Unterseite sein. Obwohl die Konfiguration des Substrats 130 als kalte Seite und der oberen thermischen Kontaktschicht 140 als die warme Seite dargestellt ist, kann das Bauelement auch mit dem Substrat 130 als der warmen Seite und der oberen thermischen Kontaktschicht 140 als der kalten Seite funktionieren.
Die Zwischenverbindungen 150 können auf einer warmen Seite und auf einer kalten Seite der thermoelektrischen Elemente enthalten sein, um benachbarte thermoelektrische Elemente zu verbinden. Die thermoelektrischen Elemente können eine erste Zwischenverbindung auf einer warmen Seite gekoppelt mit einem ersten thermoelektrischen Element und eine zweite Zwischenverbindung auf einer kalten Seite gekoppelt mit einem zweiten thermoelektrischen Element aufweisen. Die Zwischenverbindungen 150 an den ersten und letzten thermoelektrischen Elementen 110A, 110B können Ausgangsanschlüsse zur Verbindung mit anderen Schaltungskomponenten (z. B. externen Schaltungen, Last oder einem Energiespeicherbauelement) sein. Die Zwischenverbindungen 150 können ein Halbleitermaterial oder einen Metallverbinder (z. B. Gold, Kupfer oder Aluminium) aufweisen.
In den beispielhaften Ausführungsformen kann es sich bei der dielektrischen Schicht 120 um Materialien mit hohem elektrischem Durchschlag, wie beispielsweise Polyimid, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid und dergleichen, handeln. Die dielektrische Schicht 120 kann die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B elektrisch isolieren. Die dielektrische Schicht 120 kann die Leitung von Wärme von den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B weg unterdrücken. Die dielektrische Schicht 120 kann eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das Substrat 130 und/oder die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B aufweisen. Die dielektrische Schicht 120 kann die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B an vier Seiten umgeben, um die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B thermisch nebenzuschließen und zu ermöglichen, dass der Temperaturgradient über die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B entwickelt wird, und zu ermöglichen, dass sich die meiste Wärme zu den Seiten des thermoelektrischen Energiesammlers 100 bewegt. Der höhere thermische Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B gegenüber dem thermischen Widerstand des Substrats 130 und/oder der thermischen Kontaktschicht 140 ermöglicht es, dass der verfügbare Temperaturgradient eher über die thermoelektrischen Elemente als über die thermische Kontaktschicht oder das Substrat 130 abfällt. Demnach wird ein maximaler Temperaturunterschied zwischen der warmen Seite und der kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B aufrechterhalten.
Sperrmetalle 160 können zwischen den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B und den Zwischenverbindungen 150 enthalten sein, um die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B von den Metallzwischenverbindungen 150 zu trennen, während eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B und den Zwischenverbindungen 150 aufrechterhalten wird. Die Sperrmetalle 160 können eingebezogen werden, um Diffusion der Zwischenverbindungen 150 in die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B zu verhindern.
Wenn einer Seite (z. B. warmen Seite) des thermoelektrischen Energiesammlers 100 Wärme zugeführt wird, fließen Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 110A mit dem p-Typ-Material in eine Richtung und in den thermoelektrischen Elementen 110B mit dem n-Typ-Material in eine andere Richtung. Da die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B in Reihe geschaltet sind, wird die in jedem der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B erzeugte Energie vereint, um die vereinte Energie an den Ausgängen des thermoelektrischen Energiesammlers 100 bereitzustellen. Die eingehende Wärme wird durch die thermische Kontaktschicht 140 zur warmen Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B verteilt, während das Substrat 130 die kalte Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kühlt.
2 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines thermoelektrischen Energiesammlers 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie in 2 dargestellt, sind die thermoelektrischen Elemente 210A, 210B über der Substratschicht 230 vorgesehen. Eine dielektrische Schicht 220 ist über der Substratschicht 230 vorgesehen, 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 während der Typ von Material in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 210A und 210B (z. B. zwischen n-Typ und p-Typ) alterniert. Zwischenverbindungen 250 können die thermoelektrischen Elemente 210A, 210B in Reihe verbinden. Eine thermische Kontaktschicht 240 kann die zugeführte Wärme an die thermoelektrischen Elemente 210A, 210B verteilen.
3 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 300 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der thermoelektrische Energiesammler 300 kann eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 310A, 310B über der Substratschicht 330 und innerhalb einer dielektrischen Schicht 320 über der Substratschicht 330 aufweisen. Die thermoelektrischen Elemente 310A, 310B können in einem Array angeordnet sein, während der Typ von Material in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 310A und 310B (z. B. zwischen n-Typ und p-Typ) alterniert. Die Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 310A, 310B kann über Zwischenverbindungen 350 in Reihe geschaltet sein. Eine thermische Kontaktschicht 340 kann über den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B vorgesehen sein, um die dem thermoelektrischen Energiesammler 300 zugeführte Wärme abzuleiten.
Der thermoelektrische Energiesammler 300 kann eine zusätzliche Substratschicht 370 zwischen der thermischen Kontaktschicht 340 und der dielektrischen Schicht 320 aufweisen. Die Substratschicht 370 kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um Wärme von der externen Wärmequelle abzuleiten. Die Substratschicht 370 kann ein Aluminiumnitridsubstrat sein.
Der thermoelektrische Energiesammler 300 kann eine oder mehrere Schaltungskomponenten 380 im Substrat 330 und/oder auf einer Oberfläche des Substrats 330 aufweisen. Die Schaltungskomponenten 380 können mit den Ausgangsanschlüssen des thermoelektrischen Energiesammlers 300 gekoppelt sein. Die Schaltungskomponenten 380 können die Energie empfangen, die durch den thermoelektrischen Energiesammler 300 erzeugt wird, und/oder den thermoelektrischen Energiesammler 300 steuern. Die Schaltungskomponenten 380 können Teile eines Sensors (z. B. Automobilsensors, medizinischen Implantats und/oder drahtlosen Sensors) sein, der durch den thermoelektrischen Energiesammler 300 gespeist wird. In einer Ausführungsform kann den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B Strom über die Schaltungskomponenten 380 zugeführt werden, damit der thermoelektrische Energiesammler 300 als ein Kühler fungiert. Der thermoelektrische Energiesammler 300, der als Kühler fungiert, kann Schaltungskomponenten 380 kühlen, die innerhalb des Substrats 330 oder nahe oder auf der Oberfläche des Substrats 330 vorgesehen sind. Der an die thermoelektrischen Elemente 310A, 310B angelegte Strom kann einen Fluss von Ladungsträgern erzeugen, die einen Temperaturunterschied zwischen den zwei Seiten des thermoelektrischen Energiesammlers 300 erzeugen, der zum Kühlen der Schaltungskomponenten 380 verwendet werden kann.
Sperrmetalle 360 können zwischen den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B und den Zwischenverbindungen 350 enthalten sein, um die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 310A, 310B von den Metallzwischenverbindungen 350 zu trennen, während eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B und den Zwischenverbindungen 350 aufrechterhalten wird.
4 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 400 mit einer Verkappungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der thermoelektrische Energiesammler 400 kann ein Verkappungssubstrat (capping substrate) 470 aufweisen, um die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B, die über dem Substrat 430 vorgesehen sind, einzuschließen. Das Verkappungssubstrat 470 kann ein Aufrechterhalten von Nieder- oder Unterdruck zwischen dem Substrat 430 und dem Verkappungssubstrat 470 ermöglichen.
Das Verkappungssubstrat 470 kann die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B zwischen dem Verkappungssubstrat 470 und dem Substrat 430 einschließen. Das Verkappungssubstrat 470 kann unter Druck oder Unterdruck am Substrat 430 befestigt sein, so dass der Nieder- oder Unterdruck um die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B bereitgestellt wird.
Das Verkappungssubstrat 470 und/oder der Nieder- oder Unterdruck können den parasitären Wärmeverlust in den die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B umgebenden Bereich verringern. Das Verringern des parasitären Wärmeverlusts ermöglicht es, dass der thermoelektrische Energiesammler 400 verkleinert und als Teil einer integrierten Schaltung eingebaut wird. Der verringerte parasitäre Wärmeverlust auf kleinen Niveaus ermöglicht es, dass andere Schaltungen zusammen mit dem thermoelektrischen Energiesammler 400 eingebaut werden.
Das Verkappungssubstrat 470 kann es ermöglichen, dass mehr Energie durch den thermoelektrischen Energiesammler 400 gewonnen wird. Der Unter- oder Niederdruck ermöglicht ein Maximieren des Temperaturgradienten zwischen der warmen und der kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 410A, 410B.
Ähnlich den in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen können die thermoelektrischen Elementen 410A, 410B in einem Array angeordnet sein, während der Typ von Material in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 410A und 410B (z. B. zwischen n-Typ und p-Typ) alterniert. Die Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 410A, 410B kann über Zwischenverbindungen 450 in Reihe geschaltet sein. Eine thermische Kontaktschicht 440 kann über den thermoelektrischen Elementen 410A, 410B vorgesehen sein, um die Wärme zu den thermoelektrischen Elementen 410A, 410B abzuleiten.
Sperrmetalle 460 können zwischen den thermoelektrischen Elementen 410A, 410B und den Zwischenverbindungen 450 enthalten sein, um die Materialien der thermoelektrischen Elemente 410A, 410B von den Zwischenverbindungen 450 zu trennen, während eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 410A, 410B und den Zwischenverbindungen 450 aufrechterhalten wird.
In einer Ausführungsform können die thermoelektrischen p-Typ- und n-Typ-Elemente vor dem Bonden des Verkappungssubstrats 470 an das Substrat 430 beide auf einem von dem Verkappungssubstrat 470 und dem Substrat 430 bereitgestellt werden. In einer anderen Ausführungsform können vor dem Bonden des Verkappungssubstrats 470 an das Substrat 430 die thermoelektrischen p-Typ-Elemente auf einem von dem Verkappungssubstrat 470 und dem Substrat 430 bereitgestellt werden, und die thermoelektrischen n-Typ-Elemente können auf dem anderen von dem Verkappungssubstrat 470 und dem Substrat 430 bereitgestellt werden. Das Bonden des Verkappungssubstrats 470 an das Substrat 430 würde die thermoelektrischen p-Typ-Elemente und die thermoelektrischen n-Typ-Elemente koppeln.
Wie in 1 bis 4 dargestellt, sind die thermoelektrischen Elemente so dargestellt, dass sie eine rechteckige vertikale Struktur aufweisen. Die thermoelektrischen Elemente können jedoch verschiedene Formen und Ausrichtungen umfassen.
5 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 500 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der thermoelektrische Energiesammler 500 kann eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 510A, 510B über der Substratschicht 530 und innerhalb einer dielektrischen Schicht 520 über der Substratschicht 530 aufweisen. Die thermoelektrischen Elementen 510A, 510B können in einem Array angeordnet sein, während der Typ von Material in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 510A und 510B (z. B. zwischen n-Typ und p-Typ) alterniert. Die Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 510A, 510B kann über Zwischenverbindungen 550 in Reihe geschaltet sein. Eine thermische Kontaktschicht 540 kann über den thermoelektrischen Elementen 510A, 510B vorgesehen sein, um die dem thermoelektrischen Energiesammler 500 zugeführte Wärme abzuleiten.
Wie in 5 dargestellt, können die thermoelektrischen Elemente 510A, 510B abgeschrägt sein. Außerdem können die thermoelektrischen Elemente 510A, 510B Verbindungsabschnitte 510C an einem oder beiden Enden der thermoelektrischen Elemente 510A und 510B aufweisen, welche an Zwischenverbindungen 550 anschließen. Die dielektrische Schicht 520 kann es ermöglichen, dass die thermoelektrischen Elemente 510A und 510B verschiedene Formen und Ausrichtungen umfassen. Die Ausrichtung und/oder die Form der thermoelektrischen Elemente 510A und 510B können basierend auf dem verfügbaren Raum für den thermoelektrischen Energiesammler 500 und/oder den Systemleistungsanforderungen geändert werden. Die verschiedenen Formen der thermoelektrischen Elemente 510A, 510B ermöglichen es, dass der thermoelektrische Energiesammler 500 eine semivertikale oder quasilaterale Struktur aufweist. Diese Formen der thermoelektrischen Elemente 510A, 510B können ein Verringern der Dicke des thermoelektrischen Energiesammlers 500 gegenüber den in 1 dargestellten vertikalen thermoelektrischen Elementen ermöglichen. Eine längere abgeschrägte Länge kann eine verbesserte thermische Impedanz des Bauelements bereitstellen. Falls 510A und 510B Supergitter sind, wird die Leistung des Bauelements mit thermischer und elektrischer Leitung entlang der abgeschrägten Länge oder entlang der Quantenmulden verbessert, wenn die Supergitter 510A und 510B entlang der abgeschrägten Fläche angeordnet sind. Ein Ändern der Ausrichtung der thermoelektrischen Elemente 510A und 510B kann den verfügbaren Raum (z. B. den vertikalen Raum) reduzieren, während der Oberflächenbereich des thermoelektrischen Elements 510A und 510B, das benachbart zur dielektrischen Schicht 520 ist, maximiert wird.
6 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 600 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der thermoelektrische Energiesammler 600 kann eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 610A, 610B zwischen einer ersten Wärmeleiterschicht 620 und einer zweiten Wärmeleiterschicht 630 aufweisen. Die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können alternierende Elemente von verschiedenen Typen von thermoelektrischem Material (z. B. p-Typ und n-Typ) aufweisen. Die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können elektrisch derart miteinander verbunden sein, dass jedes thermoelektrische Element zur Gesamtenergie beiträgt, die durch den thermoelektrischen Energiesammler 600 in Reaktion auf einen Temperaturgradienten zwischen einer ersten Seite (z. B. warmen Seite) und einer zweiten Seite (z. B. kalten Seite) bereitgestellt wird. Die erste Wärmeleiterschicht 620 und die zweite Wärmeleiterschicht 630, welche gute Wärmeleiter (z. B. Dielektrikum) sein können, können die Temperaturgradienten zwischen der ersten und zweiten Seite unterstützen.
Wie in 6 dargestellt, können die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B eine Lauflänge aufweisen, die größer als die Höhe der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B ist. 8 veranschaulicht Formen von thermoelektrischen Elementen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Formen können abgeschrägte dreidimensionale Strukturen 810, dreieckige Strukturen 820, pyramidenförmige Strukturen 830 und vertikale Strukturen mit einer abgeschrägten Fläche 840 aufweisen. Wie in 8 dargestellt, kann die Lauflänge R größer als die Höhe H sein. Die Höhe H kann dem Abstand zwischen den Wärmeleiterschichten entsprechen.
In einer Ausführungsform können die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B abgeschrägt sein. Die abgeschrägten thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können eine rechteckige oder zylindrische Form aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B eine konische Form oder eine pyramidale Form aufweisen. In einer Ausführungsform können innerhalb jeder Reihe der thermoelektrischen Elemente die thermoelektrischen Elemente 610A in einer Richtung abgeschrägt sein, und die thermoelektrischen Elemente 610B können in einer entgegengesetzten Richtung abgeschrägt sein.
Die verschiedenen Formen der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B ermöglichen es, dass der thermoelektrische Energiesammler 600 eine semivertikale oder quasilaterale Struktur aufweist. Diese Formen der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können ein Verringern der Dicke des thermoelektrischen Energiesammlers 600 gegenüber den in 1 dargestellten vertikalen thermoelektrischen Elementen ermöglichen. Die Formen und die Tiefe der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können so ausgewählt sein, dass sie den Oberflächenbereich der thermoelektrischen Elemente maximieren, während sie die Dicke des thermoelektrischen Energiesammlers 600 unveränderlich halten.
Die thermoelektrischen Elemente 610A und 610B können über einem Thermoplast 640 (z. B. Polyimid) mit niedriger Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. Der Thermoplast 640 kann auf einer Oberfläche der ersten Wärmeleiterschicht 620 vorgesehen sein. Der Thermoplast 640 kann Unterstützung für die thermoelektrischen Elemente 610A und 610B bereitstellen. Die Unterstützung der thermoelektrischen Elemente 610A und 610B kann auf der geneigten Fläche des Thermoplasts 640 vorgesehen sein. Der Thermoplast 640 kann es ermöglichen, dass die thermoelektrischen Elemente 610A und 610B verschiedene Formen und Ausrichtungen aufweisen. Die Ausrichtung und/oder die Form der thermoelektrischen Elemente 610A und 610B können basierend auf dem verfügbaren Raum für den thermoelektrischen Energiesammler 600 und/oder den Systemleistungsanforderungen geändert werden. Ein Ändern der Ausrichtung und/oder der Form der thermoelektrischen Elemente 610A und 610B kann den vertikalen Raum reduzieren, während der Oberflächenbereich des thermoelektrischen Elements 610A und 610B maximiert wird.
Der Raum 670 zwischen den thermoelektrischen Elementen 610A und 610B und dem zweiten Wärmeleiter 630 kann ungefüllt (z. B. mit einem Vakuum versehen) sein. In einer Ausführungsform kann der Raum 670 zwischen den thermoelektrischen Elementen 610A und 610B und dem zweiten Wärmeleiter 630 mit Luft oder Gas gefüllt sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Raum 670 zwischen den thermoelektrischen Elementen 610A und 610B und dem zweiten Wärmeleiter 630 mit einem Dielektrikum oder einem Polyimid gefüllt sein.
Die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können Verbindungsabschnitte 610C an einem oder beiden Enden der thermoelektrischen Elemente 610A und 610B aufweisen, welche an Zwischenverbindungen 650 anschließen. Die Zwischenverbindungen 650, welche Kupfer oder Gold sein können, können auf die Oberfläche der ersten und zweiten Wärmeleiter 620, 630 aufgebracht sein. In einer Ausführungsform (nicht dargestellt in 6) können die thermoelektrischen Elemente 610A und 610B nur über die Zwischenverbindungen 650 verbunden sein.
Wie in 6 dargestellt, kann der erste Wärmeleiter 620 auf einer Oberfläche eines ersten Substrats 680 (z. B. Siliciumwafers) vorgesehen sein. Der zweite Wärmeleiter 630 kann auf einer Oberfläche eines zweiten Substrats 690 (z. B. Siliciumwafers) vorgesehen sein. Die Struktur im Wafermaßstab des thermoelektrischen Energiesammlers 600 ermöglicht seine Integration mit anderen Schaltungskomponenten (nicht dargestellt in 6), die als Teil oder in der Nähe des thermoelektrischen Energiesammlers 600 ausgebildet sind.
7 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 700 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der thermoelektrische Energiesammler 700 kann eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 710A, 710B zwischen einer ersten Wärmeleiterschicht 720 und einer zweiten Wärmeleiterschicht 730 aufweisen. Die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B können alternierende Elemente von verschiedenen Typen von thermoelektrischem Material (z. B. p-Typ und n-Typ) aufweisen. Die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B können elektrisch derart miteinander verbunden sein, dass jedes thermoelektrische Element zur Gesamtenergie beiträgt, die durch den thermoelektrischen Energiesammler 700 in Reaktion auf einen Temperaturgradienten zwischen einer ersten Seite (z. B. warmen Seite) und einer zweiten Seite (z. B. kalten Seite) bereitgestellt wird. Die erste Wärmeleiterschicht 720 und die zweite Wärmeleiterschicht 730, welche gute Wärmeleiter (z. B. Dielektrikum) sein können, können die Temperaturgradienten zwischen der ersten und zweiten Seite unterstützen.
Wie in 7 dargestellt, können die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B eine Lauflänge aufweisen, die größer als die Höhe der thermoelektrischen Elemente 710A, 710B ist. 8 veranschaulicht Formen von thermoelektrischen Elementen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In einer Ausführungsform können die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B abgeschrägt sein. Die abgeschrägten thermoelektrischen Elemente 710A, 710B können eine rechteckige oder zylindrische Form aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B eine konische Form oder eine pyramidale Form aufweisen. In einer Ausführungsform können innerhalb jeder Reihe der thermoelektrischen Elemente die thermoelektrischen Elemente 710A in einer Richtung abgeschrägt sein, und die thermoelektrischen Elemente 710B können in einer entgegengesetzten Richtung abgeschrägt sein.
Die verschiedenen Formen der thermoelektrischen Elemente 710A, 710B ermöglichen es, dass der thermoelektrische Energiesammler 700 eine semivertikale oder quasilaterale Struktur aufweist. Diese Formen der thermoelektrischen Elemente 710A, 710B können ein Verringern der Dicke des thermoelektrischen Energiesammlers 700 gegenüber den in 1 dargestellten vertikalen thermoelektrischen Elementen ermöglichen. Die Formen und die Tiefe der thermoelektrischen Elemente 710A, 710B können so ausgewählt sein, dass sie den Oberflächenbereich der thermoelektrischen Elemente maximieren, während sie die Dicke des thermoelektrischen Energiesammlers 700 unveränderlich halten.
Die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B können über einem Thermoplast 740 (z. B. Polyimid) mit niedriger Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. Der Thermoplast 740 kann auf einer Oberfläche der ersten Wärmeleiterschicht 720 vorgesehen sein. Der Thermoplast 740 kann Unterstützung für die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B bereitstellen. Die Unterstützung der thermoelektrischen Elemente 710A und 710B kann auf der geneigten Fläche des Thermoplasts 740 vorgesehen sein. Der Thermoplast 740 kann es ermöglichen, dass die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B verschiedene Formen und Ausrichtungen aufweisen. Die Ausrichtung und/oder die Form der thermoelektrischen Elemente 710A und 710B können basierend auf dem verfügbaren Raum für den thermoelektrischen Energiesammler 700 und/oder den Systemleistungsanforderungen geändert werden. Ein Ändern der Ausrichtung und/oder der Form der thermoelektrischen Elemente 710A und 710B kann den vertikalen Raum reduzieren, während der Oberflächenbereich des thermoelektrischen Elements 710A und 710B maximiert wird.
Der Raum 770 zwischen den thermoelektrischen Elementen 710A und 710B und dem zweiten Wärmeleiter 730 kann ungefüllt (z. B. mit einem Vakuum versehen) sein. In einer Ausführungsform kann der Raum 770 zwischen den thermoelektrischen Elementen 710A und 710B und dem zweiten Wärmeleiter 730 mit Luft oder Gas gefüllt sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Raum 770 zwischen den thermoelektrischen Elementen 710A und 710B und dem zweiten Wärmeleiter 730 mit einem Dielektrikum oder einem Polyimid gefüllt sein.
Die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B können Verbindungsabschnitte 710C an einem oder beiden Enden der thermoelektrischen Elemente 710A und 710B aufweisen, welche an Zwischenverbindungen 750 anschließen. Die Zwischenverbindungen 750, welche Kupfer oder Gold sein können, können auf die Oberfläche der ersten und zweiten Wärmeleiter 720, 730 aufgebracht sein. In einer Ausführungsform (nicht dargestellt in 7) können die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B direkt über die Zwischenverbindungen 750 und über die Verbindungsabschnitte 710C verbunden sein.
Wie in 7 dargestellt, kann der erste Wärmeleiter 720 auf einer Oberfläche eines ersten Substrats 780 (z. B. Siliciumwafers) vorgesehen sein. Das erste Substrat 780 kann eine Mehrzahl von Hohlräumen 785 in Abschnitten des Substrats 780 unter dem Thermoplast 740 aufweisen. Der Hohlraum 785 kann die thermische Impedanz zwischen der kalten Seite und der warmen Seite verbessern. In einer Ausführungsform können die Hohlräume 785 in Abschnitten des Substrats 780 ausgebildet sein, die mit Übergängen ausgerichtet sind, die durch die Zwischenverbindungen 750 und den zweiten Wärmeleiter 730 ausgebildet sind. Die Hohlräume 785 können außerdem mit dielektrischem Material mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als das Substrat gefüllt sein, wie beispielsweise Polyimid.
Der zweite Wärmeleiter 730 auf einer Oberfläche eines zweiten Substrats 790 (z. B. Siliciumwafers) vorgesehen sein. Die Struktur im Wafermaßstab des thermoelektrischen Energiesammlers 700 ermöglicht seine Integration mit anderen Schaltungskomponenten (nicht dargestellt in 7), die als Teil oder in der Nähe des thermoelektrischen Energiesammlers 700 ausgebildet sind.
Die Herstellung des thermoelektrischen Energiesammlers kann ein Ablegen eines Substrats 780 aufweisen. Die Hohlräume des Substrats 780 kann gebohrt oder geätzt werden. Die erste Wärmeleiterschicht 720 kann auf eine Oberfläche des Substrats aufgebracht werden. Die Zwischenverbindungen 750 können auf eine Oberfläche der ersten Wärmeleiterschicht 720, die gegenüber der Oberfläche benachbart zum Substrat 780 ist, aufgebracht werden. Die dielektrische Schicht kann über die erste Wärmeleiterschicht 720 aufgebracht werden. Der Thermoplast 740 kann je nach der Höhe des Thermoplasts 740 in mehreren Schichten aufgebracht werden. Die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B können auf einer Oberfläche der Zwischenverbindungen 750 und der Oberfläche des Thermoplasts 740 gebildet werden. Zusätzliche Zwischenverbindungen 750 können über die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B aufgebracht werden, und eine zweite Wärmeleiterschicht 730 kann über die Zwischenverbindungen 750 und die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B gelegt werden. Die zweite Wärmeleiterschicht 730 kann Teil eines zweiten Substrats 790 sein, das über die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B aufgebracht wird.
Obwohl die Erfindung zuvor unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen und die spezifischen Konfigurationen beschränkt, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Zum Beispiel können einige dargestellte Komponenten mit anderen als eine Ausführungsform kombiniert werden, oder eine Komponente kann in mehrere Teilkomponenten geteilt werden, oder es kann eine beliebige andere bekannte oder verfügbare Komponente hinzugefügt werden. Für Fachleute ist zu erkennen, dass die Erfindung auf andere Arten und Weisen implementiert werden kann, ohne vom Wesen und den Hauptmerkmalen der Erfindung abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeglicher Hinsicht als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Der Schutzbereich der Erfindung wird eher durch die angehängten Ansprüche als durch die vorstehende Beschreibung angezeigt, und sämtliche Änderungen, die unter die Bedeutung und in den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen daher davon erfasst werden.

Claims

Thermoelektrischer Sammler, aufweisend: ein Paar von Schichten, mindestens eine zum Koppeln an eine Wärmequelle; eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, die innerhalb eines Raumes zwischen den Schichten angeordnet sind und eine Lauflänge aufweisen, die größer als ein Trennabstand zwischen den Schichten ist, wobei: die thermoelektrischen Elemente in alternierenden Bauelementtypen in Reihe elektrisch miteinander gekoppelt sind, und die thermoelektrischen Elemente mit beiden Schichten an gegenüberliegenden Enden davon gekoppelt sind.
Thermoelektrischer Harvester nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine thermische Kontaktschicht, die über den thermoelektrischen Elementen angeordnet ist.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes thermoelektrische Element ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist, wobei das obere Ende eines thermoelektrischen Elements mit dem oberen Ende eines ersten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist, und das untere Ende des einen thermoelektrischen Elements mit dem unteren Ende eines zweiten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 3, wobei die thermoelektrischen Elemente über Zwischenverbindungen verbunden sind, und ein Sperrmetall zwischen jeder Zwischenverbindung und den thermoelektrischen Elementen enthalten ist.
Thermoelektrischer Sammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermoelektrischen Elemente thermoelektrische p-Typ-Elemente und thermoelektrische n-Typ-Elemente aufweisen, die in Reihe geschaltet sind, während sie zwischen den thermoelektrischen p-Typ- und n-Typ-Elementen alternieren.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 5, wobei die thermoelektrischen p-Typ-oder n-Typ-Elemente Supergitter sind.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 5, wobei jedes thermoelektrische p-Typ-Element nur zu thermoelektrischen n-Typ-Elementen benachbart ist.
Thermoelektrischer Sammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine dielektrische Schicht, die zwischen den thermoelektrischen Elementen und einer der Schichten angeordnet ist.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 8, wobei die dielektrische Schicht eine Polyimidschicht ist.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 8, wobei die thermoelektrischen Elemente eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Wärmeleitfähigkeit der dielektrischen Schicht aufweisen.
Thermoelektrischer Sammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Substrat, das benachbart zu einer der Schichten außerhalb des Raums zwischen den Schichten angeordnet ist, wobei das Substrat einen Hohlraum in einer Oberfläche aufweist, die benachbart zu der Schicht ist.
Thermoelektrischer Sammler, aufweisend: ein Substrat; eine dielektrische Schicht, die über dem Substrat gebildet ist; eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, die innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet sind, wobei die thermoelektrischen Elemente eine Lauflänge aufweisen, die größer als ein Trennabstand zwischen den ersten und zweiten Wärmeleiterschichten ist, und wobei die thermoelektrischen Elemente in alternierenden Bauelementtypen in Reihe elektrisch miteinander gekoppelt sind.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 12, wobei die thermoelektrischen Elemente über Zwischenverbindungen verbunden sind, und ein Sperrmetall zwischen jeder Zwischenverbindung und den thermoelektrischen Elementen enthalten ist.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 12 oder 13, wobei die thermoelektrischen Elemente thermoelektrische p-Typ-Elemente und thermoelektrische n-Typ-Elemente aufweisen, die in Reihe geschaltet sind, während sie zwischen den thermoelektrischen p-Typ- und n-Typ-Elementen alternieren.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 14, wobei jedes thermoelektrische p-Typ-Element nur zu thermoelektrischen n-Typ-Elementen benachbart ist.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 12, 13, 14 oder 15, wobei jedes thermoelektrische Element ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist, wobei das obere Ende eines thermoelektrischen Elements mit dem oberen Ende eines ersten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist, und das untere Ende des einen thermoelektrischen Elements mit dem unteren Ende eines zweiten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist.
Thermoelektrischer Sammler, aufweisend: ein Substrat, das eine erste Wärmeleiterschicht auf einer ersten Oberfläche des Substrats aufweist; eine zweite Wärmeleiterschicht, die über der ersten Wärmeleiterschicht angeordnet ist; eine Mehrzahl von thermoelektrischen p-Typ-Elementen, die zwischen der ersten Wärmeleiterschicht und der zweiten Wärmeleiterschicht angeordnet sind, wobei die thermoelektrischen p-Typ-Elemente eine Lauflänge aufweisen, die größer als ein Trennabstand zwischen den ersten und zweiten Wärmeleiterschichten ist; eine Mehrzahl von thermoelektrischen n-Typ-Elementen, die zwischen der ersten Wärmeleiterschicht und der zweiten Wärmeleiterschicht angeordnet sind, wobei die thermoelektrischen n-Typ-Elemente eine Lauflänge aufweisen, die größer als ein Trennabstand zwischen den ersten und zweiten Wärmeleiterschichten ist; und wobei die thermoelektrischen p-Typ-Elemente und die thermoelektrischen n-Typ-Elemente in Reihe geschaltet sind, während sie zwischen den thermoelektrischen p-Typ- und n-Typ-Elementen alternieren.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 17, ferner aufweisend einen Thermoplast zwischen den thermoelektrischen Elementen und der ersten Wärmeleiterschicht.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 18, wobei die thermoelektrischen Elemente auf geneigten Flächen des Thermoplasts vorgesehen sind.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 17, 18 oder 19, wobei das Substrat einen Hohlraum in der ersten Oberfläche des Substrats aufweist.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 17, 18, 19 oder 20, ferner aufweisend: einen Thermoplast zwischen den thermoelektrischen Elementen und der ersten Wärmeleiterschicht; und einen Hohlraum in der ersten Oberfläche des Substrats und unter dem Thermoplast.
Thermoelektrischer Sammler nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei jedes thermoelektrische Element ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist, wobei das obere Ende eines thermoelektrischen Elements mit dem oberen Ende eines ersten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist, und das untere Ende des einen thermoelektrischen Elements mit dem unteren Ende eines zweiten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist.
Thermoelektrischer Sammler nach einem der Ansprüche 17 bis 22, ferner aufweisend ein zweites Substrat, das auf einer ersten Oberfläche der zweiten Wärmeleiterschicht vorgesehen ist, die gegenüber einer zweiten Oberfläche benachbart zu den thermoelektrischen Elementen ist.
Thermoelektrischer Sammler nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei die thermoelektrischen Elemente über Zwischenverbindungen verbunden sind, und ein Sperrmetall zwischen jeder Zwischenverbindung und den thermoelektrischen Elementen enthalten ist.