DE102015107240B4

DE102015107240B4 - Thermoelektrischer Energiesammler im Wafermaßstab und Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Sammlers

Info

Publication number: DE102015107240B4
Application number: DE102015107240.8A
Authority: DE
Inventors: Boaxing Chen; Patrick McGuinness; William Allan Lane; Jane Corriett
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2035-05-09
Also published as: DE102015107240A1; CN108807451A; CN105098053A; DE102015107240B8; CN105098053B

Abstract

Thermoelektrischer Sammler (600), aufweisend:ein Paar von Schichten;mehrere thermoelektrische Elemente (610A, 610B), die innerhalb eines Raums zwischen den Schichten (630, 640) angeordnet sind; undeine oder mehrere Blindstrukturen (670, 770), die die mehreren thermoelektrischen Elemente umgeben, wobei:die thermoelektrischen Elemente (610A, 610B) elektrisch miteinander in Reihe gekoppelt sind, wobei der Typ von Material in benachbarten thermoelektrischen Elementen abwechselt, unddie thermoelektrischen Elemente mit beiden Schichten an entgegengesetzten Enden davon gekoppelt sind, undwobei die Blindstrukturen (670, 770) eine die elektrisch isolierten thermoelektrischen Elemente (610A, 610B) umgebende Dichtung aufweisen, unddie Blindstrukturen (670, 770) elektrisch isolierte thermoelektrische Elemente sind und/oder auf einem Thermoplast (720A) ausgebildet sind.

Description

HINTERGRUND
Der Gegenstand dieser Anmeldung ist auf einen thermoelektrischen Energiesammler und insbesondere auf einen thermoelektrischen Energiesammler für einen einzelnen integrierten Chip gerichtet.
Thermoelektrische Vorrichtungen setzen Wärme (z. B. Wärmeenergie) in elektrische Energie um. Eine Temperaturdifferenz zwischen einer heißen Seite und einer kalten Seite einer thermoelektrischen Vorrichtung bewegt Ladungsträger in einem Halbleitermaterial der thermoelektrischen Vorrichtung, um elektrische Energie zu erzeugen. Das Material der thermoelektrischen Vorrichtung ist derart ausgewählt, dass es ein guter Leiter für Elektrizität ist, um den Stromfluss zu erzeugen, aber ein schlechter Leiter für Wärme, um die erforderliche Wärmedifferenz zwischen den zwei Seiten der thermoelektrischen Vorrichtung aufrechtzuerhalten. Die Temperaturdifferenz kann erzeugt werden, wenn die eine Seite der thermoelektrischen Vorrichtung nahe eine Wärmequelle (z. B. eine Kraftmaschine oder eine Schaltung) gesetzt wird, was bewirkt, dass eine Seite der thermoelektrischen Vorrichtung heißer ist.
Die Menge an Energie, die durch die thermoelektrische Vorrichtung erzeugt werden kann, hängt zumindest von der Temperaturdifferenz, dem Typ von Materialien in der thermoelektrischen Vorrichtung und der Größe der thermoelektrischen Vorrichtung ab. Eine größere Temperaturdifferenz zwischen einer heißen Seite und einer kalten Seite der Vorrichtung kann beispielsweise mehr Stromfluss erzeugen. Außerdem haben thermoelektrische Vorrichtungen mit größeren Oberflächen und/oder größeren Materialien, die den Stromfluss erzeugen, herkömmlicherweise mehr elektrische Energie erzeugt. Diese verschiedenen Faktoren werden in Abhängigkeit von der Anwendung, für die die thermoelektrische Vorrichtung verwendet wird, eingestellt.
Es besteht ein wachsendes Interesse daran, die Größe von thermoelektrischen Vorrichtungen für neue Anwendungen (z. B. selbsterhaltende Sensoren oder mobile Vorrichtungen) zu verkleinern und thermoelektrische Vorrichtungen zu erzeugen, die ein Teil von integrierten Schaltungen sein können. Die Verkleinerung der Größe der thermoelektrischen Vorrichtung führt jedoch neue Herausforderungen wie z. B. das Erzeugen von genügend Energie und das Niedrighalten der Herstellungskosten ein. Außerdem können herkömmliche Materialien und/oder Anordnungen der Materialien innerhalb der thermoelektrischen Vorrichtung nicht die erforderliche Energie für bestimmte Anwendungen bereitstellen. Andere Herausforderungen umfassen das Zurechtkommen mit einem parasitären Wärmeverlust, der sich auf benachbarte Komponenten in der integrierten Schaltung auswirkt.
DE 10 2009 013 692 A1 offenbart einen thermoelektrischen Generator aufweisend eine Mehrzahl thermoelektrischer Vorrichtungen, die von einem Abgas eines Verbrennungskraftmotors nacheinander durchströmbar angeordnet sind, wobei jede thermoelektrische Vorrichtung mindestens einen heißen Strömungspfad für das Abgas und mindestens einen kühlen Strömungspfad für ein Kühlfluid bildet, zwischen denen eine Mehrzahl von p- und n-dotierten Halbleiterelementen gezielt verschaltet und isoliert angeordnet sind.
JP H11- 204 843 A offenbart ein thermoelektrisches Element, das in einer Stromerzeugungsvorrichtung verwendet wird, die den Seebeck-Effekt verwendet, der Strom durch Anlegen eines Temperaturgradienten erzeugt, oder eine Kühlvorrichtung, die den Peltier-Effekt verwendet, der eine Temperaturdifferenz durch fließenden Strom erzeugt. Das Dokument bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines zu verwendenden thermoelektrischen Elements.
Folglich hat der Erfinder auf dem Fachgebiet einen Bedarf an thermoelektrischen Vorrichtungen im kleinen Maßstab erkannt, die eine hohe Energiedichte umfassen, kostengünstig sind und den parasitären Wärmeverlust angehen.
Figurenliste
Damit Merkmale der vorliegenden Erfindung verstanden werden können, wird nachstehend eine Anzahl von Zeichnungen beschrieben.

1A und 1B stellen eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers dar.
2 stellt eine perspektivische Ansicht eines thermoelektrischen Energiesammlers 100 dar.
3 stellt eine weitere beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers dar.
4 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers mit einer Abdeckungsstruktur dar.
5 stellt eine weitere beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers dar.
6A-6C stellen beispielhafte Konfigurationen eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
7A-7C stellen beispielhafte Konfigurationen eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
8 stellt beispielhafte Konfigurationen eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
9A-9B stellen eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können einen thermoelektrischen Energiesammler schaffen, der in einer integrierten Schaltung vorgesehen sein kann. In einer Ausführungsform kann eine integrierte Schaltung ein Substrat und eine dielektrische Schicht, die über dem Substrat ausgebildet ist, umfassen. Mehrere thermoelektrischen Elemente vom p-Typ und mehrere thermoelektrische Elemente vom n-Typ können innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet sein. Die thermoelektrischen Elemente vom p-Typ und die thermoelektrischen Elemente vom n-Typ können in abwechselnder Weise elektrisch in Reihe geschaltet sein. In Reaktion darauf, dass Wärme auf eine Seite der thermoelektrischen Elemente aufgebracht wird, kann ein Fluss von Elektronen in jedem der thermoelektrischen Elemente erzeugt werden, um elektrische Energie zu liefern.
In einer anderen Ausführungsform kann eine Kappe über einem Substrat vorgesehen sein, um mehrere thermoelektrischen Elemente vom p-Typ und vom n-Typ, die über dem Substrat angeordnet sind und in Reihe geschaltet sind, wobei zwischen den thermoelektrischen Elementen vom p-Typ und den thermoelektrischen Elementen vom n-Typ abgewechselt wird, zu umschließen. Ein Unterdruck oder Niederdruck kann zwischen den thermoelektrischen Elementen aufrechterhalten werden. Die Kappe und der Unterdruck oder Niederdruck können einen parasitären Wärmeverlust in dem Bereich, der die integrierte Schaltung umgibt, verringern und folglich einen großen Wärmegradienten entlang der thermoelektrischen Elemente aufrechterhalten.
In einer Ausführungsform kann eine Dichtung durch eine Blindstruktur um die aktiven thermoelektrischen Elemente ausgebildet sein. Ein Unterdruck oder Niederdruck kann zwischen den thermoelektrischen Elementen und/oder innerhalb der Dichtung aufrechterhalten werden. Die Blindstruktur kann in Form eines Rings vorliegen und kann unter Verwendung von einigen derselben Schritte in den Herstellungsprozessen ausgebildet werden, die verwendet werden, um die aktiven thermoelektrischen Elemente auszubilden. Die Dichtung kann auch verwendet werden, um zu verhindern, dass Verunreinigungen in die aktiven thermoelektrischen Elemente während des Herstellungsprozesses gelangen.
In einer Ausführungsform können die aktiven thermoelektrischen Elemente horizontal geneigt und vertikal geneigt sein, d. h. in zwei Dimensionen relativ zur Richtung des Wärmegradienten über der integrierten Schaltung geneigt sein, um die thermische Länge (Länge des Wärmeenergieflusses) durch jedes aktive thermoelektrische Element zu maximieren.
Mehrere thermoelektrische Elemente, die alle in Reihe geschaltet sind, können nur einen Typ von thermoelektrischen Elementen, d. h. nur den n-Typ oder nur den p-Typ, die in Reihe geschaltet sind, umfassen. Ein thermoelektrischer Energiesammler rein vom n-Typ oder rein vom p-Typ kann mit weniger Prozessschritten viel einfacher herzustellen sein.
1A stellt einen Aufbau eines thermoelektrischen Energiesammlers 100 dar. Der thermoelektrische Energiesammler 100 kann mehrere thermoelektrische Elemente 110A, 110B über einer Substratschicht 130 und innerhalb einer dielektrischen Schicht 120 umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können Elemente von verschiedenen Typen eines thermoelektrischen Materials (z. B. p-Typ und n-Typ) umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können miteinander verbunden sein, so dass jedes thermoelektrische Element zur Gesamtenergie beiträgt, die durch den thermoelektrischen Energiesammler 100 in Reaktion auf einen Temperaturgradienten zwischen einer ersten Seite (z. B. heißen 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 bestehen, das ein guter Wärmeleiter ist.
Wie in 1A gezeigt, kann der thermoelektrische Energiesammler 100 eine vertikale Struktur umfassen, die mit der dielektrischen Schicht 120 versehen ist, und kann als einzelner Wafer ausgebildet sein. Die Struktur im Wafermaßstab des thermoelektrischen Energiesammlers 100 ermöglicht, dass er mit anderen Komponenten von integrierten Schaltungen (in 1A nicht gezeigt) auf oder nahe dem Substrat 130 integriert wird.
Wie angegeben, können die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B verschiedene Typen von thermoelektrischen Materialien (z. B. p-Typ und n-Typ) umfassen. Das thermoelektrische Material der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kann ausgewählt sein, um einen Fluss von Ladungsträgern mit unterschiedlicher Polarität von einem Ende des thermoelektrischen Elements zu einem entgegengesetzten Ende in Reaktion auf eine Temperaturdifferenz zwischen den zwei Enden zu erzeugen. In einem thermoelektrischen Element 110A mit einem Material vom p-Typ fließen die positiven Ladungsträger von einem heißen Ende zu einem entgegengesetzten kalten Ende. Dagegen fließen in einem thermoelektrischen Element 110B mit einem Material vom n-Typ die Elektronen von einem Ende mit der Wärmequelle zum entgegengesetzten Ende, das kühler ist.
Die mehreren thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können in einer Anordnung verbunden sein, wobei der Typ von Material (z. B. zwischen n-Typ und p-Typ) in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 110A und 110B abwechselt. In dieser Weise können die Spannungen und/oder Ströme, die über den thermoelektrischen Elementen 110A und 110B entwickelt werden, aufsummiert werden, um eine größere zusammengesetzte Spannung und/oder einen größerem zusammengesetzten Strom zu erzeugen als die thermoelektrischen Elemente 110A und 110B einzeln erzeugen. Die thermoelektrischen Elemente 110A mit dem Material vom p-Typ können beispielsweise in Reihe mit den thermoelektrischen Elementen 110B mit einem Material vom n-Typ 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 umfassen, das zu dem Material des gegebenen thermoelektrischen Elements unterschiedlich ist. Die Ausgänge der Anordnungen der thermoelektrischen Elemente 110A und 110B können parallel geschaltet sein, um die Energie zu liefern, die in einer speziellen Anwendung erforderlich ist. Verbindungen 150 können die thermoelektrischen Elemente 110A und 110B mit benachbarten thermoelektrischen Elementen 110A und 110B verbinden.
Obwohl jedes thermoelektrische Element 110A, 110B eine kleine Menge an Energie (z. B. Millivolt) liefern kann, kann die Verbindung der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B in einer Anordnung die höhere Energie bereitstellen, die für eine spezielle Anwendung erforderlich ist. Wenn Wärme auf eine Seite des thermoelektrischen Energiesammlers 100 aufgebracht wird, fließen Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 110A mit einem Material vom p-Typ von der kalten Seite zur heißen Seite der thermoelektrischen Elemente 110A und die Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 110B mit einem Material vom n-Typ fließen von der heißen Seite zur kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 110B. Wenn die thermoelektrischen Elemente 110A mit den thermoelektrischen Elementen 110B in Reihe geschaltet sind, wobei ein thermoelektrisches Moment gebildet wird, fließen folglich die Elektronen von einer kalten Seite des Materials vom p-Typ zu einer heißen Seite des Materials vom p-Typ, in die heiße Seite des Materials vom n-Typ über die Verbindung 150 und in die kalte Seite des Materials vom n-Typ. Die in jedem der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B erzeugte Energie wird kombiniert und an den Ausgangsanschlüssen des thermoelektrischen Energiesammlers 100 bereitgestellt.
1B stellt eine Ersatzschaltung des thermoelektrischen Energiesammlers 100 dar, der in 1A gezeigt ist. Die Spannungen, die über den thermoelektrischen Elementen 110A und 110B entwickelt werden, sind durch Vp und Vn dargestellt. Die individuellen Spannungen und/oder Ströme können aufsummiert werden, um die Ausgangsspannung Vout bereitzustellen und zusammenzusetzen, und im gezeichneten Fall wird die Spannung summiert, um eine Nutzspannung zu erhalten, die eine typische leistungsarme elektronische Schaltung speisen kann.
1A ist nicht maßstäblich gezeichnet, sondern beschreibt grobe Abmessungen eines Sammlers 100 in einer Ausführungsform. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können eine Form aufweisen, die die Oberfläche des thermoelektrischen Elements 110A, 110B maximiert, die zur dielektrischen Schicht 120 benachbart ist. Die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B können eine rechteckige Form aufweisen, wobei die Seiten mit einem längeren Ende zur dielektrischen Schicht 120 benachbart sind, und die kürzeren Seiten zu den Verbindungen 150 benachbart 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 sein, dass der thermische Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kleiner ist als der thermische Widerstand der dielektrischen Schicht 120, so dass die dielektrische Schicht keinen zu starken thermischen Nebenschluss verursacht. Ein hoher thermischer Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B ist immer noch erforderlich, um sicherzustellen, dass eine gute Temperaturdifferenz zwischen einer heißen Seite und einer kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B aufrechterhalten wird. Der thermische Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kann durch das Steuern des Dotierungsniveaus der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B oder durch Einführen von Streuelementen, um die Phononenstreuung in den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B zu erhöhen, ohne ihre elektrische Leitung zu sehr zu beeinflussen, erhöht werden. Die Konzentration des Dotierungsniveaus oder der Streuelemente kann an einem Ende der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B im Vergleich zu einem entgegengesetzten Ende des thermoelektrischen Elements 110A, 110B erhöht oder verringert werden.
Beispielsweise können die thermoelektrischen Elemente 110A BixSb2-xTe3 vom p-Typ sein und die thermoelektrischen Elemente 110B können Bi2Te3-xSex vom n-Typ sein. Die dielektrische Schicht 120 kann ein Polyimid sein, da es eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist und es bei der Bearbeitung der thermoelektrischen Elemente hilft. Die thermische Kontaktschicht 140 kann irgendeine elektrisch isolierende, aber wärmeleitfähige Schicht sein. In einer Ausführungsform kann die thermische Kontaktschicht 140 aus mehreren Schichten bestehen. Die thermische Kontaktschicht 140 kann beispielsweise eine dünne nicht leitfähige Schicht wie z. B. Oxid oder Nitrid und eine oder mehrere dickere Metallschichten darauf umfassen, um die Wärmeleitung zu verbessern. Die thermische Kontaktschicht 140 kann eine Isolation an der Grenzfläche zur elektrischen Verbindungsschicht 150 schaffen, um einen elektrischen Kurzschluss der elektrischen Verbindungsschichten 150 zu verhindern. Das Substrat 130 kann irgendein halbleitendes Substrat mit genügend Dicke sein, um die Wärmeleitung an der Unterseite zu fördern. Obwohl die Konfiguration des Substrats 130 als kalte Seite und die obere thermische Kontaktschicht 140 als heiße Seite gezeigt ist, kann die Vorrichtung auch mit dem Substrat 130 als heiße Seite und der oberen thermischen Kontaktschicht 140 als kalte Seite funktionieren.
Die Verbindungen 150 können auf einer heißen Seite und auf einer kalten Seite der thermoelektrischen Elemente enthalten sein, um benachbarte thermoelektrische Elemente zu verbinden. Die thermoelektrischen Elemente können eine erste Verbindung auf einer heißen Seite, die mit einem ersten thermoelektrischen Element gekoppelt ist, und eine zweite Verbindung auf einer kalten Seite, die mit einem zweiten thermoelektrischen Element gekoppelt ist, umfassen. Die Verbindungen 150 am ersten und letzten thermoelektrischen Element 110A, 110B können Ausgangsanschlüsse sein, um sie mit anderen Schaltungskomponenten (z. B. externen Schaltungen, einer Last oder einer Energiespeichervorrichtung) zu verbinden. Die Verbindungen 150 können ein Halbleitermaterial oder ein metallisches Verbindungselement (z. B. Gold, Kupfer oder Aluminium) umfassen.
In den beispielhaften Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 120 aus Materialien mit hohem dielektrischem Durchschlag wie z. B. Polyimid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen sein. 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 aufweisen als das Substrat 130 und/oder die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B. Die dielektrische Schicht 120 kann die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B auf vier Seiten umgeben, um die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B thermisch zu überbrücken und zu ermöglichen, dass der Wärmegradient über den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B entwickelt wird, und zu ermöglichen, dass die meiste Wärme sich zu den Seiten des thermoelektrischen Energiesammlers 100 bewegt. Ein höherer thermischer Widerstand der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B im Vergleich zum thermischen Widerstand des Substrats 130 und/oder der thermischen Kontaktschicht 140 ermöglicht, dass der verfügbare Wärmegradient vielmehr über den thermoelektrischen Elementen als der thermischen Kontaktschicht oder dem Substrat 130 fällt. Folglich wird eine maximale Temperaturdifferenz zwischen der heißen Seite und der kühlen Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B aufrechterhalten.
Sperrschichtmetalle 160 können zwischen den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B und den Verbindungen 150 enthalten sein, um die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B von den Metallverbindungen 150 zu isolieren, wobei eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 110A, 110B und den Verbindungen 150 aufrechterhalten wird. Die Sperrschichtmetalle 160 können enthalten sein, um eine Diffusion der Verbindungen 150 in die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B zu verhindern.
Wenn Wärme auf eine Seite (z. B. die heiße Seite) des thermoelektrischen Energiesammlers 100 aufgebracht wird, fließen Elektronen in einer Richtung in den thermoelektrischen Elementen 110A mit dem Material vom p-Typ und in einer anderen Richtung in den thermoelektrischen Elementen 110B mit dem Material vom n-Typ. Da die thermoelektrischen Elemente 110A, 110B in Reihe geschaltet sind, wird die in jedem der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B erzeugte Energie kombiniert, um die kombinierte Energie an den Ausgängen des thermoelektrischen Energiesammlers 100 bereitzustellen. Die ankommende Wärme wird durch die thermische Kontaktschicht 140 zur heißen Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B verteilt, wohingegen das Substrat 130 die kalte Seite der thermoelektrischen Elemente 110A, 110B kühlt.
2 stellt eine perspektivische Ansicht eines thermoelektrischen Energiesammlers 200 dar. Wie in 2 gezeigt, 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 einer Anordnung angeordnet sein, so dass die thermoelektrischen Elemente 210A, 210B im Typ von Material (z. B. zwischen n-Typ und p-Typ) in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 210A und 210B abwechseln. Verbindungen 250 können die thermoelektrischen Elemente 210A, 210B in Reihe schalten. Eine thermische Kontaktschicht 240 kann die aufgebrachte Wärme zu den thermoelektrischen Elementen 210A, 210B verteilen.
3 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 300 dar. Der thermoelektrische Energiesammler 300 kann mehrere thermoelektrische Elemente 310A, 310B über der Substratschicht 330 und innerhalb einer dielektrischen Schicht 320 über der Substratschicht 330 umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 310A, 310B können in einer Anordnung angeordnet sein, wobei der Typ von Material (z. B. zwischen dem n-Typ und p-Typ) in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 310A und 310B abwechselt. Die mehreren thermoelektrischen Elemente 310A, 310B können über Verbindungen 350 in Reihe geschaltet sein. Eine thermische Kontaktschicht 340 kann über den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B vorgesehen sein, um die auf den thermoelektrischen Energiesammler 300 aufgebrachte Wärme abzuleiten.
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 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 umfassen. Die Schaltungskomponenten 380 können mit Ausgangsanschlüssen des thermoelektrischen Energiesammlers 300 gekoppelt sein. Die Schaltungskomponenten 380 können die durch den thermoelektrischen Energiesammler 300 erzeugte Energie empfangen und/oder den thermoelektrischen Energiesammler 300 steuern. Die Schaltungskomponenten 380 können Teile eines Sensors (z. B. eines Kraftfahrzeugsensors, eines medizinischen Implantats und/oder eines drahtlosen Sensors) sein, der durch den thermoelektrischen Energiesammler 300 gespeist wird. In einer Ausführungsform kann Strom zu den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B über die Schaltungskomponenten 380 zugeführt werden, damit der thermoelektrische Energiesammler 300 als Kühler fungiert. Der thermoelektrische Energiesammler 300, der als Kühler fungiert, kann die Schaltungskomponenten 380 innerhalb des Substrats 330 kühlen oder nahe oder an der Oberfläche des Substrats 330 vorgesehen sein. Der an die thermoelektrischen Elemente 310A, 310B angelegte Strom kann einen Fluss von Ladungsträgern erzeugen, die eine Temperaturdifferenz zwischen den zwei Seiten des thermoelektrischen Energiesammlers 300 erzeugen, die verwendet werden kann, um die Schaltungskomponenten 380 zu kühlen.
Sperrschichtmetalle 360 können zwischen den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B und den Verbindungen 350 enthalten sein, um die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 310A, 310B von den Metallverbindungen 350 zu isolieren, wobei eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 310A, 310B und den Verbindungen 350 aufrechterhalten wird.
4 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 400 mit einer Abdeckungsstruktur dar. Der thermoelektrische Energiesammler 400 kann ein Abdeckungssubstrat 470 umfassen, um die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B, die über dem Substrat 430 vorgesehen sind, zu umschließen. Das Abdeckungssubstrat 470 kann ermöglichen, dass ein Niederdruck oder ein Unterdruck zwischen dem Substrat 430 und dem Abdeckungssubstrat 470 aufrechterhalten wird.
Das Abdeckungssubstrat 470 kann die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B zwischen dem Abdeckungssubstrat 470 und dem Substrat 410 umschließen. Das Abdeckungssubstrat 470 kann am Substrat 410 unter Druck oder Unterdruck befestigt werden, so dass der Niederdruck oder Unterdruck um die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B bereitgestellt wird.
Das Abdeckungssubstrat 470 und/oder der Niederdruck oder Unterdruck können den parasitären Wärmeverlust in dem Bereich, der die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B umgibt, verringern. Das Verringern des parasitären Wärmeverlusts ermöglicht, dass der thermoelektrische Energiesammler 400 verkleinert wird und als Teil einer integrierten Schaltung aufgenommen wird. Der verringerte parasitäre Wärmeverlust auf kleinen Niveaus ermöglicht, dass andere Schaltungen zusammen mit dem thermoelektrischen Energiesammler 400 aufgenommen werden.
Das Abdeckungssubstrat 470 kann ermöglichen, dass mehr Energie durch den thermoelektrischen Energiesammler 400 gesammelt wird. Der Unterdruck oder Niederdruck ermöglicht, dass der Temperaturgradient zwischen der heißen und der kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 410A, 410B maximiert wird.
Ähnlich zu den in 1-3 gezeigten Ausführungsformen können die thermoelektrischen Elemente 410A, 410B in einer Anordnung angeordnet sein, bei der der Typ von Material (z. B. zwischen n-Typ und p-Typ) in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 410A und 410B abwechselt. Die mehreren thermoelektrischen Elemente 410A, 410B können über Verbindungen 450 in Reihe geschaltet sein. Die thermische Kontaktschicht 440 kann über den thermoelektrischen Elementen 410A, 410B vorgesehen sein, um die Wärme zu den thermoelektrischen Elementen 410A, 410B abzuleiten.
Sperrschichtmetalle 460 können zwischen den thermoelektrischen Elementen 410A, 410B und den Verbindungen 450 enthalten sein, um die Materialien der thermoelektrischen Elemente 410A, 410B von den Verbindungen 450 zu isolieren, wobei eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 410A, 410B und den Verbindungen 450 aufrechterhalten wird.
In einer Ausführungsform können die thermoelektrischen Elemente vom p-Typ und vom n-Typ beide an einem des Abdeckungssubstrats 470 und des Substrats 430 vorgesehen werden, bevor das Abdeckungssubstrat 470 mit dem Substrat 430 verbunden (bonded) wird. In einer anderen Ausführungsform können, bevor das Abdeckungssubstrat 470 mit dem Substrat 430 verbunden wird, thermoelektrische Elemente vom p-Typ an einem des Abdeckungssubstrats 470 und des Substrats 430 vorgesehen werden und die thermoelektrischen Elemente vom n-Typ können am anderen des Abdeckungssubstrats 470 und des Substrats 430 vorgesehen werden. Das Verbinden des Abdeckungssubstrats 470 mit dem Substrat 430 würde die thermoelektrischen Elemente vom p-Typ und die thermoelektrischen Elemente vom n-Typ koppeln.
Wie in 1-4 gezeigt, sind die thermoelektrischen Elemente mit einer rechteckigen vertikalen Struktur gezeigt. Die thermoelektrischen Elemente können jedoch verschiedene Formen und Orientierungen umfassen. 5 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 500 dar. Der thermoelektrische Energiesammler 500 kann mehrere thermoelektrische Elemente 510A, 510B über der Substratschicht 530 und innerhalb einer dielektrischen Schicht 520 über der Substratschicht 530 umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 510A, 510B können in einer Anordnung angeordnet sein, wobei der Typ von Material (z. B. zwischen dem n-Typ und dem p-Typ) in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 510A und 510B abwechselt. Die mehreren thermoelektrischen Elemente 510A, 510B können über Verbindungen 550 in Reihe geschaltet sein. Eine thermische Kontaktschicht 540 kann über den thermoelektrischen Elementen 510A, 510B vorgesehen sein, um die auf den thermoelektrischen Energiesammler 500 aufgebrachte Wärme abzuleiten.
Wie in 5 gezeigt, können die thermoelektrischen Elemente 510A und 510B geneigt sein. Außerdem können die thermoelektrischen Elemente 510A und 510B Verbindungsabschnitte 510C an einem oder beiden Enden der thermoelektrischen Elemente 510A und 510B umfassen, die mit den Verbindungen 550 verbinden. Die dielektrische Schicht 520 kann ermöglichen, dass die thermoelektrischen Elemente 510A und 510B verschiedene Formen und Orientierungen umfassen. Die Orientierung und/oder die Form der thermoelektrischen Elemente 510A und 510B können auf der Basis des verfügbaren Raums für den thermoelektrischen Energiesammler 500 und/oder der Systemleistungsanforderungen geändert werden. Das Ändern der Orientierung der thermoelektrischen Elemente 510A und 510B kann den verfügbaren Raum (z. B. den vertikalen Raum) verringern, wobei gleichzeitig die Oberfläche des thermoelektrischen Elements 510A und 510B, die zur dielektrischen Schicht 520 benachbart ist, maximiert wird.
6A stellt eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 600 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der thermoelektrische Energiesammler 600 kann mehrere thermoelektrische Elemente 610A, 610B über einer Substratschicht 630 umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können Elemente von verschiedenen Typen von thermoelektrischem Material (z. B. p-Typ und n-Typ) umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können miteinander verbunden sein, so dass jedes thermoelektrische Element zur Gesamtenergie beiträgt, die durch den thermoelektrischen Energiesammler 600 in Reaktion auf einen Temperaturgradienten zwischen einer ersten Seite (z. B. der heißen Seite) und einer zweiten Seite (z. B. der kalten Seite) bereitgestellt wird. Ein Abdeckungssubstrat 640 kann über den thermoelektrischen Elementen 610A, 610B vorgesehen sein, um die Temperaturgradienten zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite zu unterstützen. Das Abdeckungssubstrat 640 kann aus einem Material bestehen, das ein guter Wärmeleiter ist.
Erfindungsgemäß sind Blindstrukturen 670 um die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B angeordnet. Diese können eine Dichtung um die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B in der horizontalen Richtung bilden. Ein Unterdruck oder ein Niederdruck kann zwischen den thermoelektrischen Elementen und/oder innerhalb der Dichtung aufrechterhalten werden. Die Blindstruktur 670 kann in Form eines Rings vorliegen und kann unter Verwendung von einigen derselben Schritte in den Herstellungsprozessen ausgebildet werden, die verwendet werden, um die aktiven thermoelektrischen Elemente auszubilden. Die Dichtung kann auch verwendet werden, um zu verhindern, dass Verunreinigungen in die aktiven thermoelektrischen Elemente während des Herstellungsprozesses gelangen. Außerdem können die Blindstrukturen 670 die Wärmeleitung minimieren und folglich den Wärmeenergieverlust in der horizontalen Richtung verringern.
Wie in 6A gezeigt, kann der thermoelektrische Energiesammler 600 mit thermoelektrischen Elementen 610A, 610B separat auf zwei verschiedenen Substraten 630 und 640 ausgebildet werden. Hier kann das Substrat 640 beispielsweise für Elemente vom n-Typ ausgebildet sein und das Substrat 630 kann für Elemente vom p-Typ ausgebildet sein. Die Blindstrukturen 670 können auch auf einem der Substrate 630 und 640 ausgebildet sein. Die Blindstrukturen 670 können aus einem thermoelektrischen Material vom n-Typ oder einem thermoelektrischen Material vom p-Typ ausgebildet sein, können jedoch durch Abtrennen der Blindstruktur 670 inaktiv gemacht werden. Dabei können die Blindstrukturen 670 als Teil des Herstellungsprozesses unter Verwendung derselben Schritte zum Ausbilden der thermoelektrischen Elemente 610A und 610B ohne den Bedarf an zusätzlichen Schritten ausgebildet werden.
In einer Ausführungsform kann die Blindstruktur 670 aus einem Polyimidmaterial ausgebildet sein, da es eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist und es bei der Bearbeitung der thermoelektrischen Elemente hilft.
Im Herstellungsprozess kann das Abdeckungssubstrat Ritzlinien/Kerben 690 aufweisen, die in das Substrat 640 geschnitten oder geätzt werden, um die Umrisse von separaten integrierten Schaltungschips zu definieren. Das Abdeckungssubstrat 640 kann mit dem Substrat 630 umgekehrt, ausgerichtet und montiert werden (über Metallverbindungen), so dass die thermoelektrischen Elemente 610A und 610B mit den verschiedenen Verbindungen 650 verbunden werden, um Ketten von abwechselnden thermoelektrischen Elementen 610A und 610B in Schaltungspfaden zu bilden. Ferner können die Blindstrukturen 670 auch zwischen den Substraten 630 und 640 befestigt werden, um eine Dichtung zu bilden. Während des Montageschritts kann ein Unterdruck oder Niederdruck zwischen den thermoelektrischen Elementen 610A und 610B und innerhalb der Dichtung der Blindstrukturen 670 gebildet werden. Das Abdeckungssubstrat 640 kann bis auf eine dünne Schicht hinab poliert werden müssen (d. h. auf eine vorbestimmte Polierlinie 695). Dies kann das Abdeckungssubstrat 640 dünn und folglich wärmeleitfähiger machen und auch die Ritzlinien/Kerben 690 freilegen.
Ohne die Dichtung der Blindstrukturen 670 können Verunreinigungen und Partikel zwischen die thermoelektrischen Elemente 610A und 610B während des Polierschritts eingebracht werden, da die Ritzlinien/Kerben 690 freigelegt werden können. Folglich unterstützen die Blindstrukturen 670 beim Bilden des Unterdrucks oder Niederdrucks ebenso wie sie eine Verunreinigung während der Herstellungsprozesse verhindern.
Die Wafermaßstabsstruktur des thermoelektrischen Energiesammlers 600 ermöglicht, dass er mit anderen Komponenten von integrierten Schaltungen (in 6A nicht gezeigt) an oder nahe den Substraten 630 und 640 integriert wird.
6B und 6C stellen ferner den Sammler 600 dar, wie ausgebildet. 6B stellt beispielsweise den Sammler 600 nach dem Montieren der zwei Substrate 630 und 640 dar, und nachdem der Polierschritt vollendet ist, der die Ritzlinien/Kerben 690 freilegt. 6C stellt eine allgemeine Ansicht des Sammlers 600 von oben nach unten mit einer Ringdichtung der Blindstruktur 670 um die thermoelektrischen Elemente 610A und 610B dar.
Wie angegeben, können die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B verschiedene Typen von thermoelektrischen Materialien (z. B. p-Typ und n-Typ) umfassen. Das thermoelektrische Material der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B kann ausgewählt werden, um einen Fluss von Ladungsträgern mit unterschiedlicher Polarität von einem Ende des thermoelektrischen Elements zu einem entgegengesetzten Ende in Reaktion auf eine Temperaturdifferenz zwischen den zwei Enden zu erzeugen. In einem thermoelektrischen Element 610A mit einem Material vom p-Typ fließen die positiven Ladungsträger von einem heißen Ende zu einem entgegengesetzten kalten Ende. Dagegen fließen in einem thermoelektrischen Element 610B mit einem Material vom n-Typ die Elektronen von einem Ende mit der Wärmequelle zum entgegengesetzten Ende, das kühler ist.
Die mehreren thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können in einer Anordnung verbunden sein, wobei der Typ des Materials (z. B. zwischen dem n-Typ und dem p-Typ) in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 610A und 610B abwechselt. In dieser Weise können die Spannungen und/oder Ströme, die über den thermoelektrischen Elementen 610A und 610B entwickelt werden, aufsummiert werden, um eine größere zusammengesetzte Spannung und/oder einen größeren zusammengesetzten Strom zu erzeugen als die thermoelektrischen Elemente 610A und 610B einzeln erzeugen. Die thermoelektrischen Elemente 610A mit einem Material vom p-Typ können beispielsweise mit thermoelektrischen Elementen 610B mit einem Material vom n-Typ in Reihe geschaltet sein. Die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können derart angeordnet sein, dass alle benachbarten thermoelektrischen Elemente zu einem gegebenen thermoelektrischen Element einen Typ von Material umfassen, das zum Material des gegebenen thermoelektrischen Elements unterschiedlich ist. Ausgänge der Anordnungen der thermoelektrischen Elemente 610A und 610B können parallel geschaltet sein, um die Energie zu liefern, die in einer speziellen Anwendung erforderlich ist. Verbindungen 650 können die thermoelektrischen Elemente 610A und 610B mit benachbarten thermoelektrischen Elementen 610A und 610B verbinden und können ferner mit einer Kontaktstelle 680 (die zum Verbinden an externe Verbindungen verwendet werden kann) verbinden.
Obwohl jedes thermoelektrische Element 610A, 610B eine kleine Menge an Energie (z. B. Millivolt) liefern kann, kann die Verbindung der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B in einer Anordnung die höhere Energie liefern, die für eine spezielle Anwendung erforderlich ist. Wenn Wärme auf eine Seite des thermoelektrischen Energiesammlers 600 aufgebracht wird, fließen Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 610A mit einem Material vom p-Typ von der kalten Seite zur heißen Seite der thermoelektrischen Elemente 610A und die Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 610B mit dem Material vom n-Typ fließen von der heißen Seite zur kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 610B. Wenn die thermoelektrischen Elemente 610A mit den thermoelektrischen Elementen 610B in Reihe geschaltet sind, was ein thermoelektrisches Moment bildet, fließen folglich die Elektronen von einer kalten Seite des Materials vom p-Typ zu einer heißen Seite des Materials vom p-Typ, in die heiße Seite des Materials vom n-Typ über die Verbindung 650 und in die kalte Seite des Materials vom n-Typ. Die in jedem der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B erzeugte Energie wird kombiniert und an den Ausgangsanschlüssen des thermoelektrischen Energiesammlers 600 bereitgestellt.
6A ist nicht maßstäblich gezeichnet, sondern beschreibt grobe Abmessungen eines Sammlers 600 in einer Ausführungsform. Die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können eine Form aufweisen, die die Längen des thermoelektrischen Elements 610A, 610B maximiert. Die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B können eine rechteckige Form aufweisen, wobei die Seiten mit einer längeren Länge in der vertikalen Richtung als die kürzeren Seiten zu den Verbindungen 650 benachbart sind. In einer anderen Ausführungsform kann mindestens eine Seite der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B ein Quadrat sein. Ferner können die Blindstrukturen 670 derart bemessen sein, dass die gesamte horizontale Fläche der Dichtung, die durch die Blindstrukturen 670 gebildet wird, relativ zur horizontalen Fläche aller thermoelektrischen Elemente 610A, 610B, die innerhalb der Dichtung abgedichtet sind, minimiert ist. Dies kann den Sammler 600 beim Minimieren der Wärmeleitung durch die Blindstrukturen 670 unterstützen und ebenso den Wärmeverlust in der horizontalen Richtung minimieren.
Die thermoelektrischen Elemente 610A können beispielsweise BixSb2-xTe3 vom p-Typ sein und die thermoelektrischen Elemente 610B können Bi2Te3-xSex vom n-Typ sein. Das Abdeckungssubstrat 640 kann aus einem Halbleitersubstrat (wie z. B. einem Wafer vom n-Typ) ausgebildet sein und kann eine wärmeleitfähige Schicht sein. In einer Ausführungsform kann das Abdeckungssubstrat 640 aus mehreren Schichten bestehen. Das Abdeckungssubstrat 640 kann beispielsweise eine dünne nicht leitfähige Schicht wie z. B. Oxid oder Nitrid und eine oder mehrere dickere Metallschichten darauf umfassen, um die Wärmeleitung zu verbessern. Das Abdeckungssubstrat 640 kann eine Isolation an der Grenzfläche zur elektrischen Verbindungsschicht 650 schaffen, um einen elektrischen Kurzschluss der elektrischen Verbindungsschichten 650 zu verhindern. Das Substrat 630 kann irgendein halbleitendes Substrat mit genügend Dicke sein, um die Wärmeleitung an der Unterseite zu fördern. Obwohl die Konfiguration des Substrats 630 als kalte Seite und des oberen Abdeckungssubstrats 640 als heiße Seite gezeigt ist, kann die Vorrichtung auch mit dem Substrat 630 als heiße Seite und dem oberen Abdeckungssubstrat 640 als kalte Seite funktionieren.
Die Verbindungen 650 können auf einer heißen Seite und auf einer kalten Seite der thermoelektrischen Elemente enthalten sein, um benachbarte thermoelektrische Elemente zu verbinden. Die thermoelektrischen Elemente können eine erste Verbindung auf einer heißen Seite, die mit einem ersten thermoelektrischen Element gekoppelt ist, und eine zweite Verbindung auf einer kalten Seite, die mit einem zweiten thermoelektrischen Element gekoppelt ist, umfassen. Die Verbindungen 650 am ersten und am letzten thermoelektrischen Element 610A, 610B können Ausgangsanschlüsse sein, um sie mit anderen Schaltungskomponenten (z. B. externen Schaltungen, einer Last oder einer Energiespeichervorrichtung) zu verbinden. Die Verbindungen 650 können ein Halbleitermaterial oder ein metallisches Verbindungselement (z. B. Gold, Kupfer oder Aluminium) umfassen.
Die Dichtung der Blindstrukturen 670 kann die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B auf vier Seiten umgeben, um die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B thermisch zu überbrücken und zu ermöglichen, dass der Wärmegradient über den thermoelektrischen Elementen 610A, 610B entwickelt wird, und zu ermöglichen, dass die meiste Wärme sich zu den Seiten des thermoelektrischen Energiesammlers 600 bewegt. Der höhere thermische Widerstand der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B im Vergleich zum thermischen Widerstand des Substrats 630 und/oder des Abdeckungssubstrats 640 ermöglicht, dass der verfügbare Wärmegradient vielmehr über den thermoelektrischen Elementen als der thermischen Kontaktschicht oder dem Substrat 630 fällt. Folglich wird eine maximale Temperaturdifferenz zwischen der heißen Seite und der kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B aufrechterhalten.
Obwohl die Dichtung der Blindstrukturen 670 physikalisch ein kontinuierlicher Ring ohne irgendeine Öffnung sein kann, um einen Unterdruck (oder separates Gas) darin aufrechtzuerhalten, kann dann, wenn der Unterdruck (oder das separate Gas) darin nicht erforderlich ist, die Blindstruktur 670 Öffnungen in den horizontalen Richtungen aufweisen.
Sperrschichtmetalle 660 können zwischen den thermoelektrischen Elementen 610A, 610B und den Verbindungen 650 enthalten sein, um die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B von den Metallverbindungen 650 zu isolieren, wobei eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 610A, 610B und den Verbindungen 650 aufrechterhalten wird. Die Sperrschichtmetalle 660 können enthalten sein, um eine Diffusion der Verbindungen 650 in die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B zu verhindern.
Wenn Wärme auf eine Seite (z. B. heiße Seite) des thermoelektrischen Energiesammlers 600 aufgebracht wird, fließen Elektronen in einer Richtung in den thermoelektrischen Elementen 610A mit dem Material vom p-Typ und in einer anderen Richtung in den thermoelektrischen Elementen 610B mit dem Material vom n-Typ. Da die thermoelektrischen Elemente 610A, 610B in Reihe geschaltet sind, wird die in jedem der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B erzeugte Energie kombiniert, um die kombinierte Energie an den Ausgängen des thermoelektrischen Energiesammlers 600 bereitzustellen. Die ankommende Wärme wird durch das Abdeckungssubstrat 640 zur heißen Seite der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B verteilt, wohingegen das Substrat 630 die kalte Seite der thermoelektrischen Elemente 610A, 610B kühlt.
7A-7C stellen beispielhafte Konfigurationen eines thermoelektrischen Energiesammlers 700 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Der thermoelektrische Energiesammler 700 kann mehrere thermoelektrische Elemente 710A, 710B zwischen einem Substrat 730 und einem Abdeckungssubstrat 740 umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B können abwechselnde Elemente von verschiedenen Typen von thermoelektrischem Material (z. B. p-Typ und n-Typ) umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B können elektrisch miteinander verbunden sein, so dass jedes thermoelektrische Element zur Gesamtenergie beiträgt, die durch den thermoelektrischen Energiesammler 700 in Reaktion auf einen Temperaturgradienten zwischen einer ersten Seite (z. B. heißen Seite) und einer zweiten Seite (z. B. kalten Seite) bereitgestellt wird.
Wie in 7 gezeigt, können die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B eine Lauflänge aufweisen, die zumindest die Höhe der thermoelektrischen Elemente 710A, 710B ist. In einer Ausführungsform können die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B geneigt sein. Die geneigten 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 Pyramidenform aufweisen. In einer Ausführungsform können innerhalb jeder Reihe der thermoelektrischen Elemente die thermoelektrischen Elemente 710A in einer Richtung geneigt sein und die thermoelektrischen Elemente 710B können in einer entgegengesetzten Richtung geneigt sein.
Die verschiedenen Formen der thermoelektrischen Elemente 710A, 710B ermöglichen, dass der thermoelektrische Energiesammler 700 eine halbvertikale oder quasilaterale Struktur aufweist. Diese Formen der thermoelektrischen Elemente 710A, 710B können ermöglichen, dass die Dicke des thermoelektrischen Energiesammlers 700 im Vergleich zu den in 1 gezeigten vertikalen thermoelektrischen Elementen verringert wird. Die Formen und die Tiefe der thermoelektrischen Elemente 710A, 710B können ausgewählt werden, um die Oberfläche der thermoelektrischen Elemente zu maximieren, wobei die Dicke des thermoelektrischen Energiesammlers 700 konstant gehalten wird.
Die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B können über einem Thermoplast 720 (z. B. Polyimid) mit niedriger Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. Der Thermoplast 720 kann auf einer Oberfläche des Substrats 730 vorgesehen sein. Der Thermoplast 720 kann eine Abstützung für die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B vorsehen. Die Abstützung für die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B kann auf der abgeschrägten Oberfläche des Thermoplasts 720 vorgesehen sein. Der Thermoplast 720 kann ermöglichen, dass die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B verschiedene Formen und Orientierungen umfassen. Die Orientierung und/oder Form der thermoelektrischen Elemente 710A und 710B können auf Basis des verfügbaren Raums für den thermoelektrischen Energiesammler 700 und/oder der Systemleistungsanforderungen geändert werden. Das Ändern der Orientierung und/oder Form der thermoelektrischen Elemente 710A und 710B kann den vertikalen Raum verringern, wohingegen die Oberfläche und die thermische Länge des thermoelektrischen Elements 710A und 710B maximiert wird.
Der Raum 790 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 790 zwischen den thermoelektrischen Elementen 710A und 710B und dem Abdeckungssubstrat 740 mit Luft oder einem Gas gefüllt sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Raum 790 zwischen den thermoelektrischen Elementen 710A und 710B und dem Abdeckungssubstrat 740 mit einem Dielektrikum oder einem Polyimid gefüllt sein.
Die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B können Verbindungsabschnitte 710C an einem oder beidem Enden der thermoelektrischen Elemente 710A und 710B umfassen, die mit den Verbindungen 750 verbinden. Die Verbindungen 750, die Kupfer oder Gold sein können, können auf der Oberfläche des Substrats 730 und 740 abgeschieden sein. In einer Ausführungsform (nicht dargestellt) können die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B direkt über die Verbindungen 750 und über die Verbindungsabschnitte 710C verbunden sein. Die Verbindungen 750 können die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B mit benachbarten thermoelektrischen Elementen 710A und 710B verbinden und können ferner mit einem Kontaktloch und mit einer Kontaktstelle 780 verbinden (die zum Verbinden mit externen Verbindungen verwendet werden kann).
Das Abdeckungssubstrat 740 kann mit zusätzlichen Verbindungen 750 zum Verbinden und Integrieren des Sammlers 700 versehen sein. Die Wafermaßstabsstruktur des thermoelektrischen Energiesammlers 700 ermöglicht, dass er mit anderen Komponenten von integrierten Schaltungen (nicht dargestellt), die als Teil des oder nahe dem thermoelektrischen Energiesammler 700 ausgebildet sind, integriert wird.
Die Blindstrukturen 770, die auf dem Thermoplast 720A ausgebildet sind, können um die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B vorgesehen sein, um eine Dichtung um die thermoelektrischen Elemente 710A, 710B in der horizontalen Richtung zu bilden. Ein Unterdruck oder ein Niederdruck kann zwischen den thermoelektrischen Elementen und/oder innerhalb der Dichtung aufrechterhalten werden. Die Blindstrukturen 770 können in Form eines Rings vorliegen und können unter Verwendung von einigen derselben Schritte in den Herstellungsprozessen ausgebildet werden, die verwendet werden, um die aktiven thermoelektrischen Elemente auszubilden. Die Dichtung kann auch verwendet werden, um zu verhindern, dass Verunreinigungen in die aktiven thermoelektrischen Elemente während des Herstellungsprozesses gelangen. Außerdem können die Blindstrukturen 770 die Wärmeleitung minimieren und folglich den Wärmeenergieverlust in der horizontalen Richtung senken.
Die Blindstrukturen 770 können aus einem thermoelektrischen Material vom n-Typ oder einem thermoelektrischen Material vom p-Typ auf dem Thermoplast 720A ausgebildet werden, können jedoch durch Abtrennen der Blindstrukturen 770 inaktiv gemacht werden. Dabei können die Blindstrukturen 770 als Teil des Herstellungsprozesses unter Verwendung derselben Schritte zum Ausbilden der thermoelektrischen Elemente 710A und 710B ohne Bedarf an zusätzlichen Schritten ausgebildet werden.
Ohne die Dichtung der Blindstrukturen 770 können Verunreinigungen und Partikel zwischen die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B während eines Polierschritts eingebracht werden. Folglich unterstützen die Blindstrukturen 770 beim Bilden des Unterdrucks oder Niederdruck ebenso wie sie eine Verunreinigung während der Herstellungsprozesse verhindern.
7B stellt eine andere Version des Sammlers 700 dar. Verbindungen 750 können direkt mit einer Kontaktstelle 780 (ohne Verwendung irgendwelcher zusätzlicher Metallschichten und Verbindungen) verbinden. Dies verringert weiter die Anzahl von Schritten im Herstellungsprozess. Hier sind die Blindstrukturen 770 in der horizontalen Fläche weiter verkleinert, so dass sie von Metallverbindungen an der Unterseite des Thermoplasts 720A elektrisch isoliert sind.
7C stellt eine allgemeine Ansicht des Sammlers 700 von oben nach unten mit einer Ringdichtung der Blindstruktur 770 um die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B dar. Die Blindstrukturen 770 (nicht dargestellt) sind auf dem Ring der Thermoplaste 720A ausgebildet, was eine Dichtung um die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B bildet. Die thermoelektrischen Elemente 710A und 710B sind auf den Thermoplasten 720 ausgebildet, die beispielsweise als „Inseln“ innerhalb des Rings dargestellt sind. Hier sind die thermoplastischen „Inseln“ 720 als separat vom thermoplastischen Ring 720A dargestellt. Die Thermoplaste 720 und 720A können jedoch in einer Gitterkonfiguration physikalisch verbunden sein.
8 stellt beispielhafte Konfigurationen eines thermoelektrischen Energiesammlers 800 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Der thermoelektrischen Energiesammler 800 kann mehrere thermoelektrische Elemente 810A, 810B umfassen, die auf thermoplastischen Inseln 820 (ähnlich zu den Thermoplasten 720 in 7A-7C) ausgebildet sind und durch Metallverbindungen 850 elektrisch verbunden sind. Die thermoelektrischen Elemente 810A, 810B können abwechselnde Elemente von verschiedenen Typen von thermoelektrischem Material (z. B. p-Typ und n-Typ) umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 810A, 810B können elektrisch miteinander verbunden sein, so dass jedes thermoelektrische Element zur Gesamtenergie beiträgt, die durch den thermoelektrischen Energiesammler 800 in Reaktion auf einen Temperaturgradienten zwischen einer ersten Seite (z. B. heißen Seite) und einer zweiten Seite (z. B. kalten Seite) bereitgestellt wird.
Wie in 8 gezeigt, können die thermoelektrischen Elemente 810A, 810B eine Lauflänge aufweisen, die zumindest die Höhe der thermoelektrischen Elemente 810A, 810B ist. In einer Ausführungsform können die thermoelektrischen Elemente 810A, 810B sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Richtung geneigt oder schräg sein. Die geneigten thermoelektrischen Elemente 810A, 810B können eine rechteckige oder zylindrische Form aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können die thermoelektrischen Elemente 810A, 810B eine konische Form oder eine Pyramidenform aufweisen. In einer Ausführungsform können innerhalb jeder Reihe der thermoelektrischen Elemente die thermoelektrischen Elemente 810A in einer Richtung geneigt sein und die thermoelektrischen Elemente 810B können in einer entgegengesetzten Richtung (sowohl horizontal als auch vertikal) mit einem Zick-Zack-Muster geneigt sein.
Die verschiedenen Formen der thermoelektrischen Elemente 810A, 810B ermöglichen, dass der thermoelektrische Energiesammler 800 eine halbvertikale oder quasilaterale Struktur aufweist. Diese Formen der thermoelektrischen Elemente 810A, 810B können ermöglichen, dass die Dicke des thermoelektrischen Energiesammlers 800 im Vergleich zu den in 1 gezeigten vertikalen thermoelektrischen Elementen verringert wird. Die Formen und die Tiefe der thermoelektrischen Elemente 810A, 810B können ausgewählt werden, um die Oberfläche der thermoelektrischen Elemente zu maximieren, wobei die Dicke des thermoelektrischen Energiesammlers 800 konstant gehalten wird.
Folglich können die thermoelektrischen Elemente 810A und 810B horizontal und vertikal geneigt sein, d. h. in zwei Dimensionen relativ zur Richtung des Wärmegradienten über der integrierten Schaltung geneigt sein, um die thermische Länge (Länge des Wärmeenergieflusses) durch jedes aktive thermoelektrische Element in Anbetracht derselben Gesamtgröße des Sammlers 800 zu maximieren.
9A stellt eine beispielhafte Konfiguration eines thermoelektrischen Energiesammlers 900 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der thermoelektrische Energiesammler 900 kann mehrere thermoelektrische Elemente 910A über einer Substratschicht 930 umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 910A innerhalb einer Reihe können Elemente desselben Typs von thermoelektrischem Material (z. B. nur p-Typ oder nur n-Typ) umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 910A können derart miteinander verbunden sein, dass jedes thermoelektrische Element zur Gesamtenergie beiträgt, die durch den thermoelektrischen Energiesammler 900 in Reaktion auf einen Temperaturgradienten zwischen einer ersten Seite (z. B. heißen Seite) und einer zweiten Seite (z. B. kalten Seite) bereitgestellt wird. Eine thermische Kontaktschicht 940 kann vorgesehen sein, um die Temperaturgradienten zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite zu unterstützen. Die thermische Kontaktschicht 940 kann aus einem Material bestehen, das ein guter Wärmeleiter ist, oder kann eine Schicht eines guten Wärmeleiters aufweisen.
Wie in 9A gezeigt, kann der thermoelektrische Energiesammler 900 eine vertikale Struktur umfassen und kann als einzelner Wafer ausgebildet sein. Die Wafermaßstabsstruktur des thermoelektrischen Energiesammlers 900 ermöglicht, dass er mit anderen Komponenten von integrierten Schaltungen (in 9A nicht gezeigt) auf oder nahe dem Substrat 930 integriert wird.
Wie angegeben, können die thermoelektrischen Elemente 910A innerhalb einer Reihe Elemente desselben Typs von thermoelektrischem Material (z. B. nur p-Typ oder nur n-Typ) umfassen. Das thermoelektrische Material der thermoelektrischen Elemente 910A kann ausgewählt sein, um einen Fluss von Ladungsträgern mit unterschiedlicher Polarität von einem Ende des thermoelektrischen Elements zu einem entgegengesetzten Ende in Reaktion auf eine Temperaturdifferenz zwischen den zwei Enden zu erzeugen. In einem thermoelektrischen Element 910A mit einem Material vom p-Typ fließen die positiven Ladungsträger von einem heißen Ende zu einem entgegengesetzten kalten Ende.
Die mehreren thermoelektrischen Elemente 910A können in einer Anordnung durch Verbinden der Enden mit entgegengesetzter Polarität der benachbarten thermoelektrischen Elemente 910A verbunden sein, d. h. das obere Ende eines thermoelektrischen Elements 910A ist mit dem unteren Ende eines benachbarten thermoelektrischen Elements 910A verbunden. In dieser Weise können die Spannungen und/oder Ströme, die über den thermoelektrischen Elementen 910A entwickelt werden, aufsummiert werden, um eine größere zusammengesetzte Spannung und/oder einen größeren zusammengesetzten Strom zu erzeugen als die thermoelektrischen Elemente 910A einzeln erzeugen. Die Ausgänge der Anordnungen der thermoelektrischen Elemente 910A können parallel geschaltet werden, um die Energie zu liefern, die in einer speziellen Anwendung erforderlich ist. Verbindungen 950 und 970 können die thermoelektrischen Elemente 910A mit benachbarten thermoelektrischen Elementen 910A verbinden. Jede Reihe kann nur denselben Typ von thermoelektrischem Material (z. B. nur p-Typ oder nur n-Typ) umfassen. Verschiedene Reihen von verschiedenen Typen von thermoelektrischem Material (z. B. p-Typ-Reihe und n-Typ-Reihe) können jedoch miteinander integriert sein.
Obwohl jedes thermoelektrische Element 910A eine kleine Menge an Energie (z. B. Millivolt) liefern kann, kann die Verbindung der thermoelektrischen Elemente 910A in einer Anordnung die höhere Energie liefern, die für eine spezielle Anwendung erforderlich ist. Wenn Wärme auf eine Seite des thermoelektrischen Energiesammlers 900 aufgebracht wird, fließen Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 910A mit einem Material vom p-Typ von der kalten Seite zur heißen Seite der thermoelektrischen Elemente 910A. Die in jedem der thermoelektrischen Elemente 910A erzeugte Energie wird kombiniert und an den Ausgangsanschlüssen des thermoelektrischen Energiesammlers 900 bereitgestellt.
9B stellt eine Ersatzschaltung des thermoelektrischen Energiesammlers 900 dar, der in 9A gezeigt ist. Die Spannungen, die über den thermoelektrischen Elementen 910A entwickelt werden, sind durch Vp (für thermoelektrische Elemente 910A vom p-Typ) dargestellt. Die einzelnen Spannungen und/oder Ströme können aufsummiert werden, um eine Ausgangsspannung Vout zu liefern und zusammenzusetzen, und im gezeichneten Fall wird die Spannung summiert, um eine Nutzspannung zu erhalten, die eine typische leistungsarme elektronische Schaltung speisen kann.
9A ist nicht maßstäblich gezeichnet, sondern beschreibt grobe Abmessungen eines Sammlers 900 in einer Ausführungsform. Die thermoelektrischen Elemente 910A können verschiedene unterschiedliche Größen und Formen aufweisen.
Die thermoelektrischen Elemente 910A können rein BixSb2-xTe3 vom p-Typ sein oder können rein Bi2Te3-xSex vom n-Typ sein. Die thermische Kontaktschicht 940 kann irgendeine elektrisch isolierende, aber wärmeleitfähige Schicht sein. In einer Ausführungsform kann die thermische Kontaktschicht 940 aus mehreren Schichten bestehen. Die thermische Kontaktschicht 940 kann beispielsweise eine dünne nicht leitfähige Schicht wie z. B. Oxid oder Nitrid und eine oder mehrere dickere Metallschichten darauf umfassen, um die Wärmeleitung zu verbessern. Die thermische Kontaktschicht 940 kann eine Isolation an der Grenzfläche zur elektrischen Verbindungsschicht 950 vorsehen, um einen elektrischen Kurzschluss der elektrischen Verbindungsschichten 950 zu verhindern. Das Substrat 930 kann irgendein halbleitendes Substrat mit genügend Dicke sein, um die Wärmeleitung an der Unterseite zu fördern. Obwohl die Konfiguration des Substrats 930 als kalte Seite und der oberen thermischen Kontaktschicht 940 als heiße Seite gezeigt ist, kann die Vorrichtung auch mit dem Substrat 930 als heiße Seite und der oberen thermischen Kontaktschicht 940 als kalte Seite funktionieren.
Die Verbindungen 950 können auf einer heißen Seite und auf einer kalten Seite der thermoelektrischen Elemente enthalten sein, um benachbarte thermoelektrische Elemente zu verbinden. Die thermoelektrischen Elemente können eine erste Verbindung auf einer heißen Seite, die mit einem ersten thermoelektrischen Element gekoppelt ist, und eine zweite Verbindung auf einer kalten Seite, die mit einem zweiten thermoelektrischen Element gekoppelt ist, umfassen. Die Verbindungen 950 am ersten und am letzten thermoelektrischen Element 910A können Ausgangsanschlüsse sein, um sie mit anderen Schaltungskomponenten (z. B. externen Schaltungen, einer Last oder einer Energiespeichervorrichtung) zu verbinden. Die Verbindungen 950 und 970 können ein Halbleitermaterial oder ein metallisches Verbindungselement (z. B. Gold, Kupfer oder Aluminium) oder sogar organische elektrische Leiter umfassen. Die Verbindungen 970 können ein metallisches Kontaktloch sein.
Sperrschichtmetalle 960 können zwischen den thermoelektrischen Elementen 910A und den Verbindungen 950 enthalten sein, um die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 910A von den Metallverbindungen 950 zu isolieren, wobei eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 910A und den Verbindungen 950 aufrechterhalten wird. Die Sperrschichtmetalle 960 können enthalten sein, um eine Diffusion der Verbindungen 950 in die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 910A zu verhindern.

Claims

Thermoelektrischer Sammler (600), aufweisend: ein Paar von Schichten; mehrere thermoelektrische Elemente (610A, 610B), die innerhalb eines Raums zwischen den Schichten (630, 640) angeordnet sind; und eine oder mehrere Blindstrukturen (670, 770), die die mehreren thermoelektrischen Elemente umgeben, wobei: die thermoelektrischen Elemente (610A, 610B) elektrisch miteinander in Reihe gekoppelt sind, wobei der Typ von Material in benachbarten thermoelektrischen Elementen abwechselt, und die thermoelektrischen Elemente mit beiden Schichten an entgegengesetzten Enden davon gekoppelt sind, und wobei die Blindstrukturen (670, 770) eine die elektrisch isolierten thermoelektrischen Elemente (610A, 610B) umgebende Dichtung aufweisen, und die Blindstrukturen (670, 770) elektrisch isolierte thermoelektrische Elemente sind und/oder auf einem Thermoplast (720A) ausgebildet sind.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 1, wobei jedes thermoelektrische Element (610A; 610B) eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei die Oberseite von einem thermoelektrischen Element mit der Oberseite eines ersten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist und die Unterseite des einen thermoelektrischen Elements mit der Unterseite eines zweiten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 2, wobei die thermoelektrischen Elemente (610A; 610B) über Verbindungen (650) verbunden sind.
Thermoelektrischer Sammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermoelektrischen Elemente (610A; 610B) thermoelektrische Elemente (610A) vom p-Typ und thermoelektrische Elemente (610B) vom n-Typ umfassen, die in Reihe geschaltet sind, wobei zwischen den thermoelektrischen Elementen vom p-Typ und den thermoelektrischen Elementen vom n-Typ abgewechselt wird.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 4, wobei die thermoelektrischen Elemente (610A; 610B) vom p-Typ oder vom n-Typ als Supergitter ausgebildet sind.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 4, wobei jedes thermoelektrische Element (610A) vom p-Typ nur zu thermoelektrischen Elementen (610B) vom n-Typ benachbart ist.
Thermoelektrischer Sammler (600), aufweisend: ein erstes Substrat (630); ein zweites Substrat (640); erste mehrere thermoelektrische Elemente (610A), die auf dem ersten Substrat angeordnet sind; zweite mehrere thermoelektrische Elemente (610B), die auf dem zweiten Substrat angeordnet sind; und eine oder mehrere Blindstrukturen (670, 770), die die ersten mehreren thermoelektrischen Elemente und die zweiten mehreren thermoelektrischen Elemente umgeben, wobei das erste Substrat und das zweite Substrat miteinander verbunden sind, so dass die ersten mehreren thermoelektrischen Elemente, die zweiten mehreren thermoelektrischen Elemente und die Blindstrukturen (670, 770) zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet sind, und die ersten mehreren thermoelektrischen Elemente und die zweiten mehreren thermoelektrischen Elemente elektrisch miteinander in Reihe gekoppelt sind, wobei der Typ von Material in benachbarten thermoelektrischen Elementen abwechselt, und wobei die Blindstrukturen (670, 770) eine die elektrisch isolierten thermoelektrischen Elemente (610A, 610B) umgebende Dichtung aufweisen, und die Blindstrukturen (670, 770) elektrisch isolierte thermoelektrische Elemente sind und/oder auf einem Thermoplast (720A) ausgebildet sind.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 7, wobei die ersten mehreren thermoelektrischen Elemente (610A) und die zweiten mehreren thermoelektrischen Elemente (610B) über Verbindungen (650) verbunden sind.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 7 oder 8, wobei das erste Substrat (630) oder das zweite Substrat (640) eine Wärmeleiterschicht umfasst.
Thermoelektrischer Sammler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die ersten mehreren thermoelektrischen Elemente (610A) nur thermoelektrische Elemente vom p-Typ umfassen und die zweiten mehreren thermoelektrischen Elemente (610B) nur thermoelektrische Elemente vom n-Typ umfassen.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 10, wobei jedes thermoelektrische Element (610A; 610B) eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei die Oberseite von einem thermoelektrischen Element mit der Oberseite eines ersten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist und die Unterseite des einen thermoelektrischen Elements mit der Unterseite eines zweiten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist.
Thermoelektrischer Sammler (700), aufweisend: mehrere thermoelektrische Elemente (710A) vom p-Typ, die zwischen einer ersten Wärmeleiterschicht und einer zweiten Wärmeleiterschicht angeordnet sind; mehrere thermoelektrische Elemente (710B) vom n-Typ, die zwischen der ersten Wärmeleiterschicht und der zweiten Wärmeleiterschicht angeordnet sind; und wobei die thermoelektrischen Elemente vom p-Typ und die thermoelektrischen Elemente vom n-Typ in Reihe geschaltet sind, wobei zwischen den thermoelektrischen Elementen vom p-Typ und den thermoelektrischen Elementen vom n-Typ abgewechselt wird, wobei ein Thermoplast (720) zwischen den thermoelektrischen Elementen und der ersten Wärmeleiterschicht angeordnet ist, wobei die thermoelektrischen Elemente auf geneigten Oberflächen des Thermoplasts angeordnet sind, und wobei jedes thermoelektrische Element eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei die Oberseite eines thermoelektrischen Elements mit der Oberseite eines ersten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist und die Unterseite des einen thermoelektrischen Elements mit der Unterseite eines zweiten benachbarten thermoelektrischen Elements verbunden ist.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 12, wobei jedes der thermoelektrischen Elemente (710A, 710B) sowohl in einer horizontalen Richtung als auch einer vertikalen Richtung auf schrägen Oberflächen des Thermoplasts (720) relativ zu einer Richtung eines Wärmegradienten zwischen der ersten Wärmeleiterschicht und der zweiten Wärmeleiterschicht geneigt ist.
Thermoelektrischer Sammler nach Anspruch 12 oder 13, wobei jedes thermoelektrische Element (710A) vom p-Typ nur zu thermoelektrischen Elementen (710B) vom n-Typ benachbart ist.
Thermoelektrischer Sammler nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die thermoelektrischen Elemente (710A, 710B) über Verbindungen (750) verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischer Sammlers nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15 mit den Schritten: Bereitstellen einer ersten Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (610A) auf einem ersten Substrat (630), Bereitstellen einer zweiten Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (610B) auf einem zweiten Substrat (640), Bilden einer oder mehrerer Blindstrukturen (670, 770), die eine Dichtung um die Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen bilden, Verbinden der ersten und der zweiten Substrate miteinander durch Bonden, um einen Aufbau zu bilden, der eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen aufweist, die in Reihe verbunden sind und abwechselnde Typen von thermoelektrischen Materialien aufweisen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, ferner mit dem Bilden einer Unterdruck-Umgebung während des Verbindens.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 16 oder 17, ferner mit den Schritten: Bilden einer Mehrzahl von Ritzlinien oder Kerben (690) auf einer zweiten Seite des ersten Substrats (630), und Entfernen von Material von der ersten Seite des ersten Substrats, bis die Ritzlinien oder Kerben freigelegt sind.