DE2104175C3 - Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischer Einheit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Einheit, bei dem tine Vielzahl von Thermoelementschenkeln mit elektrisch isolierendem Material zusammengebaut wird, welches zwischen benachbarten Schenkeln eingelegt wird, und bei dem ein aushärtbares Bindemittel die Schenkel aneinander befestigt.

Ein solches Verfahren ist aus der GB-PS 10 31 565 bekannt.

Aus der GB-PS 11 30 334 ist ein Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Einheit bekannt, bei dem zwischen benachbarten Thermoelementschenkeln ein Isoliermaterial in Form einer zunächst festen Glasfritte, also eines zellartigen Materials eingelegt wird. Die Glasfritte wird durch Erwärmung unter Druck turn Schmelzen gebracht und verbindet die Schenkel lest miteinander.

Wenn man diese Technik verwendet, um die Isolierung und Bindung zwischen benachbarten Thermoelementen herzustellen, ist es unmöglich, Änderungen im Abstand zwischen den benachbarten Thermoelementen zu vermeiden. Das gleiche gilt auch für das Verfahren nach der erstgenannten GB-PS 10 31 565, da dort das Bindemittel geschmolzen wird, während beim Abbinden Druck angesetzt wird. Das Schmelzen des Bindemittels führt zu einer gewissen Flüssigkeitsströmung, die sich vom einen Thermoelement zum anderen ändert und damit Veränderungen der relativen Abstände mit sich bringt.

Die Anwendung dieser bekannten Verfahren für die Herstellung von thermoelektrischen Elementen kleiner Abmessungen, wie sie für die Energieversorgung von Herzschrittmachern erforderlich sind, bereitet jedoch Schwierigkeiten, da die für das Aufbringen der Kontaktbrücken erforderliche Maskierung eine sehr genaue Ausrichtung des Maskenmusters zu den Thermoelementen erfordert. Die Trennfuge zwischen benachbarten Thermoelementen ist nämlich notwendigerweise klein, so daß schon ein geringer Versatz der Maske dazu führen kann, daß benachbarte Elemente durch Kontaktbrücken überbrückt werden, wo keine Brücke erwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß eine feste Verbindung der Thermoelementschenkel mit zwischen jeweils benachbarten Schenkeln überall möglichst gleichgroßem Abstand erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als isolierendes Material ein zellartiges Material verwendet wird, daß vor dem Aushärten des Bindemittels und während das Bindemittel in der Lage ist, plastisch zu fließen, ein Druck von solcher Größe zur Einwirkung gebracht wird, daß der Abstand benachbarter Schenkel durch das zwischen ihnen eingelegte zellartige Material unter Vermeidung der Bildung von Zwischenfilmen des Bindemittels bestimmt ist, und daß der Druck aufrechterhalten wird, bis das Bindemittel unter Ausfüllung der Poren des zellartigen Materials ausgehärtet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Abstand zwischen benachbarten Thermoelementschenkeln durch die DicKe des zellenartigen Materials genau festgelegt, wobei das bindende Epoxydharz die Poren des zellenartigen Materials auffüllt und daher bei der Festlegung des Abstandes zwischen benachbarten Schenkeln keine Rolle spielt Auf diese Weise ist das Muster oer Enden der thermoelektrischen Schenkel bei der Fabrikation bis zu einem Gütegrad reproduzierbar, der die erforderliche genaue Ausrichtung des maskierenden Musters für die Herstellung der Kontaktbrücken durch lichtempfindliche Maskierung und Goldaufdampfen ermöglicht.

Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung wird anhand der Herstellung und Konstruktion einer thermoelektrischen Batterie für einen Herzschrittmacher unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

F i g. 1 eine schematische perspektivische Ansicht der Batterie, teilweise aufgeschnitten, um deren Einzelteile sichtbar zu machen, und die

F i g. 2 bis 7 Verfahrensstufen bei der Herstellung eines Teils der thermoelektrischen Batterie.

Nach F i g. 1 weist eine thermoelektrische Batterie 11 ein zylindrisches Außengehäuse 12 aus Edelstahl auf, welches mit einem Stopfen 13 hermetisch abgedichtet ist, wobei das Innere unter Vakuum steht oder mit einem inerten Gas gefüllt ist. Die endgültige Abdichtung erfolgt dadurch, daß der Stopfen 13 an Ort und Stelle verschweißt wird.

Im Behälter 12 befinden sich eine Wärmequelle 14, eine modulare thermoelektrische Einheit 15, eine metallische Kühlscheibe 16 sowie elektrische Adern 17, 18, die sich über Dichtungen 19, 20 in einem Aluminiumoxidstopfen 21 nach außen erstrecken.

Die Wärmequelle 14 weist eine Ladung 22 aus Plutonium-238 auf, welches in einer kleinen zylindrischen Hülse 23 aus Stahl enthalten ist, die mit einer Innenauskleidung 24 dargestellt ist. Die Auskleidung 24 kann jedoch auch fehlen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Wärmequelle 14 an die eine Endfläche der thermoelektrischen Einheit 15 gebunden.
Das kalte Ende der thermoelektrischen Einheit 15 ist mit einem Klebemittel an die metallische Kühlscheibe 16 gebunden, welche die Wärme an den Behälter 12 weitergibt. Die Scheibe 16 sitzt fest an der Aluminiumoxid-Abdichtungsbauteilgruppe, die den Aluminiumoxidstopfen 21 sowie einen zusammengesetzten Metallzylinder 26a/26i> aufweist. Der Aluminiumoxidstopfen 21 dient sowohl als elektrischer Isolator als auch als Vakuum-Abdichtungsstopfen und ist mit dem zusammengesetzten Metallzylinder 26a/26ö hartverlötet. Die

Abdichtung wird dadurch vervollständigt, daß bei 25 der zusammengesetzte Metallzylinder 26a/26£> mit dem Behälter 12 verschweißt wird. Die elektrischen Adern 17 und 18 werden ebenfalls in einer ähnlichen Weise abgedichtet und gegen die Metallscheibe 16 durch kleine Aluminiumoxid-Ringeinsätze (nicht dargestellt) isoliert

Die Herstellung einer thermoelektrischen Einheit 15 beginnt mit zwei Blöcken, wie beispielsweise 26 in Fig.2, aus einem Halbleitermaterial auf der Basis von Wismutte-'iirid. Im einen Block ist das Wismuttellurid so dotiert, daß das Halbleitermaterial vom n-Leitfähigkeitstyp ist Im anderen Block ist das Wismuttellurid so dotiert, daß das Halbleitermaterial vom p-Leitfähigkeitstyp ist Die Blöcke 26 werden anfänglich durch eine Pulver-Preßtechnik gebildet bzw. geformt, wobei die eine Dimension, die in Fig.2 mit »D« markierte Dimension, gleich der gewünschten Höhe der endgültigen thermoelektrischen Einheit 15 ist

Die Blöcke 26 werden dann in dünn^; rechteckige Platten 27 zerschnitten bzw. aufgespalten, deren eine Seite der Dimension D entspricht. Die schließlich gebildete thermoelektrische Einheit 15 wird aus einer Vielzahl von Rechteckstäben aus thermoelektrischem Material zusammengesetzt welches einen Querschnitt von 3.8 mm im Quadrat hat Die Dicke der Scheiben 27 beträgt somit 3,8 mm. Acht Scheiben aus Halbleitermaterial, abwechselnd vom n-Leitfähigkeitstyp und p-Leitfähigkeitstyp, werden, wie in F i g. 3 gezeigt, aufgebaut bzw. aufeinandergelegt, wobei ein dünnes Blatt aus zelligem Material 28 zwischen je zwei der Scheiben aus Halbleitermaterial eingefügt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das zellige Material aus Zigarettenpapier. Die Papierblättchen 28 werden mit Epoxydharz imprägniert und die Bauteilgruppe aus Scheiben von Halbleitermaterial und Papierblättchen wird zusammengepreßt, um einen sandwichartigen Block 29 zu bilden, wie er in Fi g. 4 angedeutet ist. Während das Epoxydharz noch plastisch zu fließen vermag, wird der Druck auf den Block 29 zur Einwirkung gebracht, wie durch die Pfeile 31, 32 angedeutet. Der angewandte Druck reicht aus, um die Trennung benachbarter Scheiben aus Halbleitermaterial dirch die zwischengelegten Papierblättchen zu bestimmen, und zwar ohne Ungewisse bzw. unbestimmbare Änderung infolge der Bildung von dazwischen liegenden Filmen aus Epoxydharz. In der Praxis wird der erforderliche Druck dadurch erzielt, daß der Druck erhöht wird, bis weitere Erhöhungen des Drucks die Dicke des Sandwich-Blokkes 29 nicht wesentlich reduziert. Im typischen Fall kann bei diesem Ausführungsbeispiel ein derartiger Druck durch Einklemmen in einen kleinen Schraubstock bzw. eine kleine Schraubzwinge erzielt werden. Unter diesen Bedingungen füllt das Epoxydharz die Poren im Papier, so daß der Abstand zwischen benachbarten Halbleiterscheiben genau durch die Dicke der Papierblättchen 28 eingestellt wird. Der aufgebrachte Druck wird aufrechterhalten, bis das Epoxydharz ausgehärtet ist.

Der Block 29 wird dann entlang Ebenen senkrecht zu den Ebenen der Halbleiterscheiben, welche den Block 29 bilden, und parallel zur Dimension D zerschnitten. Schnittlinie und -richtung sind durch Pfeile 33 in F i g. 4 angedeutet.

Der Block 29 wird somit in eine Vielzahl von Scheiben zerschnitten, von denen zwei bei 34 und 35 in F i g. 5 dargestellt sind. Diese Scheiben 34 und 35 werden bei diesem Ausführungsbeispiel mit einer Dicke von 3,8 mm eeschnitten und weisen somit eine Reihe von acht Stäben aus Halbleitermaterial von abwechselnd n- und p-Leitfähigkeitstyp auf, die aneinander befestigt sind, aber durch isolierende Streifen aus Papier voneinander auf Abstand gehalten werden, die eine genaue und gleichmäßige Trennung zwischen benachbarten Stäben bilden.

Acht Scheiben aus dem Block 29 werden mit zwischengelegten Blättchen aus Zigarettenpapier 36 zusammengebaut und zwar in der Weise, wie dies für zwei Scheiben in F i g. 5 veranschaulicht ist Benachbarte Scheiben werden so angeordnet daß ein Halbleiterstab des n-Leitfähigkeitstyps in der einen Scheibe einem Halbleiterstab des p-Leitfähigkeitstyps in der angrenzenden Scheibe benachbart ist Die Papierblättchen 36 werden mit Epoxydharz imprägniert die Bauteilgruppe wird in einen Block gepreßt wie in F i g. 6 dargestellt und wiederum wird ein Druck zur Einwirkung gebracht, um sicherzustellen, daß die Trennung benachbarter Scheiben, wie beispielsweise 34 und 35, durch das Papier bestimmt wird, und zwar ohne unbestimmte bzw. unbestimmbare Änderung infolge der Bildung von dazwischen liegenden Filmen aus Epoxydharz.

Um eine elektrische Verbindung für die Thermosäule herzustellen, welche durch den in F i g. 6 dargestellten Block gebildet werden soll, werden zwei Streifen aus Nickel an der einen Seite des Blocks befestigt, wobei jeder Nickelstreifen eine Endfläche aufweist, die im wesentlichen mit der Endfläche des Blocks bündig abschneidet, welche das kalte Ende der durch den Block zu bildenden Thermosäule sein soll. Diese Nickelstreifen sind bei 37 und 38 in F i g. 7 dargestellt, die eine Draufsicht auf den Block nach F i g. 6 ist. Zwischen den Nickelstreifen 37 und 38 und dem Block befindet sich ein Papierblättchen, um die Nickelstreife.i gegenüber dem Block elektrisch zu isolieren. Das Papier wird mit Epoxydharz imprägniert so daß die Befestigung der Nickelstreifen am Block die gleiche ist wie die Befestigung der Scheiben des Blocks untereinander. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Nickelstreifen in der gleichen Verfahrensstufe wie beim Zusammenbau der Scheiben in den endgültigen Block nach F i g. 5 und Fig.6 befestigt. Durch dieses Vorgehen wird die Anzahl von Druckanwendungen reduziert doch können gegebenenfalls die Nickelstreifen 37 und 38 auch in einem nachfolgenden Arbeitsgang an den Block gebunden werden.

Beide Enden des Blocks werden dann eben geläppt, wobei am kalten Ende darauf geachtet wird, daß die Endflächen der Nickelstreifen 37 und 38 sicher und genau mit den Endflächen der thermoelektrischen Stäbe bündig abschneiden.

F i g. 7 zeigt die Relativanordnungen der Halbleiterstäbe vom n- und p-Leitfähigkeitstyp im Block, und eine Maske wird dann beiden Endflächen des Blocks durch eine Foto-Masken-Technik erzeugt. F i g. 7 zeigt das kalte Ende, und die Maske ist so ausgebildet, daß die Bereiche innerhalb der gestrichelten Rechtecke 39 unbedeckt bleiben.

Diese unbedeckten Bereiche 39 markieren die Stelle und die Ausdehnung von elektrisch leitenden Brücken, die herzustellen sind, um die thermoelektrischen Stäbe im Block so miteinander zu verbinden, daß eine Reihenschaltung von Thermoelementen gebildet wird. Dazu sei darauf hingewiesen, daß das Muster von unuedeckten Bereichen auf dem entgegengesetzten Ende des Blocks, d. h. dem Ende, welches im Betrieb das heiße Ende sein soll, ähnlich demjenigen am kalten Ende ist, wie in F i g. 7 dargestellt, jedoch so versetzt, daß

beispielsweise der Stab 41 mit dem Stab 42 am heißen Ende und der Stab 43 mit dem Stab 44 verbunden ist usw.

Der Block wird dann in einem Vakuumofen in der Nähe eines Schiffchens angeordnet, welches reines Gold enthält, und nach dem Evakuieren wird das Gold erhitzt, so daß Gold verdampft und einen Niederschlag in den unbedeckten Bereichen auf den Enden des Blockes bildet. Auf diese Weise werden dünne Gold-Brücken gebildet, um die erforderliche elektrische Verbindung zwischen den Halbleiterstäben herzustellen, welche die thermoelektrischen Schenkel des Blocks bilden. Überraschenderweise haben die auf diese Weise direkt auf der Wismuttellurid-Legierung gebildeten dünnen Goldbrücken eine zufriedenstellende Adhäsion, verursachen kein ernsthaftes Einbrennen des Wismuttellurids und reichen aus, den elektrischen Strom in einer Einheit der kleinen Abmessung dieses Ausführungsbeispiel zu führen. Die maximale Größeneinheit, bei welcher diese Technik dor Bildung der elektrisch leitenden Brücken angewandt wird, kann als ein maximaler Brückenstrom spezifiziert werden, und dieser wird als in der Größenordnung von 0,1 Ampere liegend veranschlagt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die notwendige genaue Lokalisierung der Brücken, die abhängig ist von der Bildung der Maske, durch das genaue und gleichmäßige Beabstanden der thermoelektrischen Stäbe erleichtert wird, welches durch die oben beschriebene Technik zur Herstellung des Blocks erzielt wird. Es sei außerdem darauf hingewiesen, daß die Verbindung der elektrischen Adern mit den beiden Enden der Reihenschaltung von Thermoelementen weitgehend durch die Technik des Befestigens der Nickelstreifen an der Seite des Blocks und Hersteilens einer Goldbrückenverbindung von diesen nach den End-Thermoelementen zur gleichen Zeit, wie die anderen leitenden Brücken gebildet werden, vereinfacht wird.

Das zwischen benachbarte thermoelektrische Schenkel eingelegte Isoliermaterial braucht nicht unbedingt Papier zu sein, sondern kann beispielsweise auch aus gewebtem Stoff oder gewebter Glasfaser bestehen. Für bestimmte Anwendungsarten eignet sich eine Glasfritte.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Einheit, bei dem eine Vielzahl von Thermoelementschenkeln mit elektrisch isolierendem Material zusammengebaut wird, welches zwischen benachbarten Schenkeln eingelegt wird, und bei dem ein aushärtbares Bindemittel die Schenkel aneinander befestigt, dadurch gekennzeichnet, daß als isolierendes Material (28, 36) ein zellartiges Material verwendet wird, daß vor dem Aushärten des Bindemittels und während das Bindemittel in der Lage ist, plastisch zu fließen, ein Druck von solcher Größe zur Einwirkung gebracht wird, daß der Abstand benachbarter Schenkel (41,42,43,44) durch das zwischen ihnen eingelegte zellartige Material (28, 36) unter Vermeidung der Bildung von Zwischenfilmen des Bindemittels bestimmt ist, und daß der Druck aufrechterhalten wird, bis das Bindemittel unter Ausfüllung der Poren des zellartigen Materials (28,36) ausgehärtet ist.