DE29723309U1 - Compact low-power thermogenerator - Google Patents
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Description
Kompakter Niederleistungs-ThermogeneratorCompact low-power thermogenerator
Die Erfindung betrifft einen kompakten Niederleistungs-Thermogenerator in Dünn- oder Dickschichttechnik als autarke Energiequelle zur Versorgung mikro- und optoelektronischer Schaltkreise, Bauelemente und Sensoren sowie mikrosystemischer Applikationen.The invention relates to a compact low-power thermogenerator in thin or thick film technology as a self-sufficient energy source for supplying micro- and optoelectronic circuits, components and sensors as well as microsystem applications.
Es sind bereits verschiedene kompakte Niederleistungs-Thermogeneratoren bekannt. Gemeinsam ist den Niederleistungs-Thermogeneratoren, daß auf einer Folie oder einem anderen dünnen Isolationsmaterial eine Vielzahl von Thermoelementen in Dünn- oder Dickschichttechnik aufgetragen sind.Various compact low-power thermogenerators are already known. What the low-power thermogenerators have in common is that a large number of thermocouples are applied to a foil or other thin insulating material using thin or thick film technology.
Nach DE-OS 24 57 586 wird ein so vorbereiteter Streifen zwischen den Wärmetauscherplatten mehrfach gefaltet. Der Streifen kann nicht beliebig scharf geknickt werden, dadurch wird ab einer bestimmten Packungsdichte die Zuverlässigkeit des Thermogenerators geringer.According to DE-OS 24 57 586, a strip prepared in this way is folded several times between the heat exchanger plates. The strip cannot be bent as sharply as desired, which means that the reliability of the thermogenerator decreases above a certain packing density.
In WO 89/00152 sind die Thermoelemente mäanderförmig auf einem Folienstreifen aufgebracht. Der Folienstreifen wird aufgerollt. Ein Aufrollen mit beliebig kleinem Biegeradius ist aber nicht möglich, da der Streifen nicht beliebig stark gekrümmt werden darf, weil dadurch die thermoelektrischen Schichten einer höhen mechanischen Belastung ausgesetzt werden, was dazu führt, daß ihr elektrischer Widerstand drastisch ansteigt bzw. sie durch Mikrorisse zerstört werden.In WO 89/00152, the thermocouples are applied in a meandering shape to a foil strip. The foil strip is rolled up. However, rolling up with an arbitrarily small bending radius is not possible, as the strip cannot be bent to any extent, as this would subject the thermoelectric layers to a higher mechanical load, which would cause their electrical resistance to increase drastically or they would be destroyed by microcracks.
Weiterhin soll noch auf DE-GM 69 00 274 verwiesen werden. Entsprechend dieser Veröffentlichung wird eine Anzahl von Folien mit Thermoelementen zu einem Stapel zusammengefügt. Mit der Stapelung der Folien wird im Vergleich zu den o.g. Patentanmeldungen das Problem der Zerstörung der Thermoelemente durch Rißbildung gelöst. Wenn jedoch viele Folien (beispielsweise 100 Folien) zu einem 0,2 cm3 großen Thermogenerator zusammengefügt werden, ergibt sich ein neues Problem, nämlich das einer exakten Durchkontaktierung.Furthermore, reference should be made to DE-GM 69 00 274. According to this publication, a number of foils with thermocouples are assembled into a stack. In comparison to the above-mentioned patent applications, stacking the foils solves the problem of the thermocouples being destroyed by cracking. However, if many foils (for example 100 foils) are assembled into a 0.2 cm 3 thermogenerator, a new problem arises, namely that of precise through-plating.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ausgehend von einer hohen Packungsdichte die Zuverlässigkeit des Thermogenerators zu steigern.It is therefore the object of the invention to increase the reliability of the thermogenerator starting from a high packing density.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden Gedanken auf den Schutzanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Unteransprüchen. Bezüglich des Wesens der Erfindung wird auch auf die Ausführungsbeispiele verwiesen und auf die nachfolgenden Ausführungen.According to the invention, the problem is solved as follows, whereby reference is made to claim 1 for the basic ideas. The further development of the invention is evident from the subclaims. With regard to the essence of the invention, reference is also made to the embodiments and to the following explanations.
Mehrere mit Thermoelementen, Anschlüssen und metallisierten Flächen beschichtete Folien (oder ähnlich dünne isolierende Substrate mit sehr schlechter Wärmeleitung, im folgenden als Folie bezeichnet) werden dicht übereinander gestapelt und untereinander elektrisch verbunden. Um bei einem Stapel hoher Packungsdichte bei der Vielzahl von Kontakten (abhängig davon, wieviel Folien übereinander gestapelt werden; ca. 100 Folien) eine lange Lebensdauer des Bauelementes zu erzielen, ist eine zuverlässige Durchkontaktierung von besonderer Bedeutung. Mit elektrisch leitendem Klebstoff oder Lot erfolgt eine Verbindung der Anschlußflächen, wobei Anschlußflächen mit etwa halbkreisförmigen Öffnungen, sogenannten Durchbrüchen versehen sind. Die Innenwände der Durchbrüche können mittels Sputtertechnik metallisiert sein. Ein sicheres Kontaktieren unter Verwendung von vorgenanntem Klebstoff oder Lot ist damit gewährleistet.Several films coated with thermocouples, connections and metallized surfaces (or similarly thin insulating substrates with very poor heat conduction, hereinafter referred to as films) are stacked closely on top of one another and electrically connected to one another. In order to achieve a long service life of the component in a stack with a high packing density and a large number of contacts (depending on how many films are stacked on top of one another; approx. 100 films), reliable through-plating is of particular importance. The connection surfaces are connected using electrically conductive adhesive or solder, whereby the connection surfaces are provided with approximately semicircular openings, so-called breakthroughs. The inner walls of the breakthroughs can be metallized using sputtering technology. Safe contact using the aforementioned adhesive or solder is thus guaranteed.
Die auf die Folien aufgetragenen metallisierten Flächen haben die Funktion, die geometrischen und thermischen Verhältnisse auf einer Folie symmetrisch zu gestalten, d.h. die Folien einschließlich ihrer Beschichtung besitzen an ihren beiden langen Stirnseiten die gleiche Dicke, wobei auch die metallisierten Flächen mit Klebstoff versehen werden können, was bei der Stapelung zu einer homogenen Stapelhöhe fuhrt.The metallized surfaces applied to the foils have the function of making the geometric and thermal conditions on a foil symmetrical, i.e. the foils including their coating have the same thickness on their two long front sides, whereby the metallized surfaces can also be provided with adhesive, which leads to a homogeneous stack height when stacked.
Bei Verwendung von thermoelektrisch hocheffektiven Materialien vom Bismuttellurid-Typ, die mittels Flash-Verdampfens oder Sputterns auf der Sübstratfolie abgeschieden werden, lassen sich für die p- und &eegr;-Schenkel der fotolithografisch strukturierten Thermoelemente ein Seebeck-Koeffizient von ca. 400 &mgr; V/K pro Thermoelement erreichen.'When using thermoelectrically highly effective materials of the bismuth telluride type, which are deposited on the substrate film by means of flash evaporation or sputtering, a Seebeck coefficient of approx. 400 μV/K per thermocouple can be achieved for the p- and η-legs of the photolithographically structured thermocouples.'
Bei 10 K Temperaturdifferenz können mit einem solchen ca. 0,2 cm3 großen erfindungsgemäßen Thermogenerator eine Spannung von ca. 3 V und eine Leistung von etwa 10 &mgr; W im elektrischen Anpassungsfall erzielt werden.At a temperature difference of 10 K, a voltage of approximately 3 V and a power of approximately 10 μW can be achieved in the electrical adaptation case with such a thermogenerator according to the invention with a size of approximately 0.2 cm 3 .
Mit diesen Spannungen ist der Thermogenerator elektrisch direkt oder über elektronische Koppelsysteme mit mikroelektronischen Schaltkreisen kompatibel.With these voltages, the thermogenerator is electrically compatible with microelectronic circuits either directly or via electronic coupling systems.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausfuhrungsbeispielen näher dargestellt.The invention is explained in more detail below using several exemplary embodiments.
In den Zeichnungen zeigenIn the drawings show
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen kompakten Niederleistungs-ThermogeneratorFig. 1 shows a compact low-power thermogenerator according to the invention
Fig. 2 eine einseitig mit Thermoelementen versehene Folie A Fig. 3 eine Folie C Fig. 4 eine Folie DFig. 2 a film A with thermocouples on one side Fig. 3 a film C Fig. 4 a film D
Fig. 5 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Thermogenerators aus Folien, wie sie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt sind (die Thermoelemente sind hier nicht gezeichnet)Fig. 5 the structure of a thermogenerator according to the invention made of foils as shown in Figures 2 to 4 (the thermocouples are not shown here)
Fig. 6 die Vorderseiten dreier einfach mit Thermoelementen beschichteter Folien aus einem Thermogenerator gemäß Fig.Fig. 6 the front sides of three films simply coated with thermocouples from a thermogenerator according to Fig.
Fig. 7 die Vorder- und Rückseiten dreier aufeinanderfolgender einseitig mit Thermoelementen beschichteter Folien für einen erfindungsgemäßen ThermogeneratorFig. 7 the front and back sides of three consecutive films coated on one side with thermocouples for a thermogenerator according to the invention
Fig. 8 die Vorder- und Rückseiten dreier aufeinanderfolgender beidseitig mit Thermoelementen beschichteter Folien für einen erfindungsgemäßen ThermogeneratorFig. 8 the front and back sides of three consecutive films coated on both sides with thermocouples for a thermogenerator according to the invention
Die verwendeten Bezugszeichen bedeuten:The reference symbols used mean:
1 Polyimidfolie - als allgemeine Bezeichnung1 Polyimide film - as a general term
2 Wärmetauscherplatten2 heat exchanger plates
3 Anschlußdrähte3 connecting wires
4 Thermoelement4 Thermocouple
4' p-leitender Schenkel des Thermoelements4' p-conductive leg of the thermocouple
4" &eegr;-leitender Schenkel des Thermoelements4" η-conductive leg of the thermocouple
4m Metallbrücke4 m metal bridge
5,5' Anschlußflächen5.5' connection surfaces
6,6' Anschlußflächen6.6' connection surfaces
7,7' metallisierte Flächen7.7' metallized surfaces
-A--A-
8 Leiterbahn von Folie C8 Conductor track of foil C
9 Leiterbahn der Vorderseite VS der Folie D9 Conductor track of the front side VS of the foil D
10 Leiterbahn der Rückseite RS der Folie D10 Conductor track of the back RS of the foil D
11 Durchbrüche11 breakthroughs
Als spezielle Folientypen des Thermogenerators werden die Folientypen A, B, C, D bezeichnet, wobei die Typenbezeichnungen nicht im Sinne von Bezugszeichen zu verstehen sind. Bei den Folien C, D handelt es sich um außen befindliche Folien des Thermogenerators, während die Folien A, B im Thermogenerator zwischen den Folien C, D angeordnet sind.The foil types A, B, C, D are designated as special foil types of the thermogenerator, whereby the type designations are not to be understood as reference symbols. The foils C, D are the foils on the outside of the thermogenerator, while the foils A, B are arranged between the foils C, D in the thermogenerator.
Auf einer Polyimidfolie (1) werden Strukturen analog zu den Figuren 2 bis 4 in Dünnschichttechnik abgeschieden: Thermoelemente (4), Anschlußflächen (5, 5', 6, 6'), metallisierte Flächen (7, T) und Leiterbahnen (8, 9,10). Ein Thermoelement besteht jeweils aus dem p-leitenden Schenkel A\ dem &eegr;-leitenden Schenkel 4" und der Metallbrücke 4'".Structures analogous to Figures 2 to 4 are deposited on a polyimide film (1) using thin film technology: thermocouples (4), connection surfaces (5, 5', 6, 6'), metallized surfaces (7, T) and conductor tracks (8, 9, 10). A thermocouple consists of the p-conductive leg A\, the η-conductive leg 4" and the metal bridge 4'".
Gemäß Fig. 5 sind die Folien vom Typ A und vom Typ B (B ist spiegelbildlich zu A strukturiert) abwechselnd aufeinandergelegt und außen mit einer Folie vom Typ C bzw. D abgeschlossen. Dieses Folienpaket wird gemäß Fig. 1 mit Wärmetauscherplatten 2 und Anschlußdrähten 3, die mit den Leitbahnen 8, 9 und 10 in elektrischem Kontakt stehen, konfektioniert. Die Wärmetauscherplatten sind mit einem nicht dargestellten gut wärmeleitfähigen Klebstoff mit den langen Stirnseiten der Folien 1 verbunden.According to Fig. 5, the films of type A and type B (B is structured as a mirror image of A) are laid alternately on top of each other and closed on the outside with a film of type C or D. This film package is assembled according to Fig. 1 with heat exchanger plates 2 and connecting wires 3, which are in electrical contact with the conductor tracks 8, 9 and 10. The heat exchanger plates are connected to the long end faces of the films 1 with a good thermally conductive adhesive (not shown).
In einer ersten Ausführung (Figuren 2 bis 6) sind die Folien 1 nur einseitig auf der Vorderseite mit Thermoelementen 4 beschichtet. Jeder Streifen aus diesen Thermoelementen 4 hat jeweils zwei Anschlußflächen 5 und 6, ebenfalls auf der Vorderseite. Die Thermoelemente 4 sind zwischen den Anschlüssen 5 und 6 in Reihe geschaltet. Die Anschlußflächen 6 und die dahinter befindliche Folie sind durchbrochen. Zum oberen Folienrand hin befindet sich eine etwa halbkreisförmige Öffnung, als Durchbruch 11 bezeichnet.In a first embodiment (Figures 2 to 6), the foils 1 are coated with thermocouples 4 on only one side on the front. Each strip of these thermocouples 4 has two connection surfaces 5 and 6, also on the front. The thermocouples 4 are connected in series between the connections 5 and 6. The connection surfaces 6 and the foil behind them are perforated. Towards the upper edge of the foil there is an approximately semicircular opening, referred to as perforation 11.
Die Innenwände der Durchbrüche 11 können mittels Sputtertechnik metallisiert sein. Mit elektrisch leitfähigem Klebstoff oder Lot sind die Anschlußflächen 6 der Folien A, 5 der Folien B bzw. 6 der Folien B, 5 der Folien A durchkontaktiert. Auf der Vorderseite der Folien (1) sind metallisierte Flächen (7) aufgebracht.The inner walls of the openings 11 can be metallized using sputtering technology. The connection surfaces 6 of the foils A, 5 of the foils B or 6 of the foils B, 5 of the foils A are plated through using electrically conductive adhesive or solder. Metallized surfaces (7) are applied to the front of the foils (1).
Das Schema der Reihenschaltung mit der Anordnung der Folien 1 im Wechsel A-B-A-B zeigtThe diagram of the series connection with the arrangement of the foils 1 in alternation A-B-A-B shows
Figur 5.Figure 5.
-5--5-
Eine zweite Ausfuhrungsform gemäß Figur 7 unterscheidet sich von der ersten dadurch, daß sich auf den Rückseiten der Folien 1 auch Anschlußflächen 6' und metallisierte Flächen T befinden. In der Figur 7 sind die Vorder- und Rückseiten VS bzw. RS dreier aufeinanderfolgender Folien A-B-A dargestellt. Die Vorderseiten sind jeweils im unteren Teil dargestellt, und zwar jeweils in der Draufsicht. Die Rückseiten sind nach oben in die Bildebene aufgeklappt, und zwar so, daß die Oberkanten von Vorder- und Rückseiten aneinanderstoßen. (Eine analoge Darstellung wurde auch für Figur 4 gewählt.)A second embodiment according to Figure 7 differs from the first in that the backs of the foils 1 also have connecting surfaces 6' and metallized surfaces T. Figure 7 shows the front and back sides VS and RS of three consecutive foils ABA. The front sides are shown in the lower part, in a top view. The back sides are folded upwards into the image plane, in such a way that the upper edges of the front and back sides abut one another. (An analogous representation was also chosen for Figure 4.)
In dem zweiten Ausfuhrungsbeispiel ist die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierung noch dadurch
erhöht, daß die Anschlußflächen 6' als Rückseitenmetallisierungen der Folien A und B gleichfalls
mit den im Stapel dahinter liegenden Anschlußflächen 5 mit elektrisch leitfähigem Klebstoff oder
Lot verbunden sind.
Außerdem können auch hier die Innenwände der Durchbrüche 11 metallisiert sein.In the second embodiment, the reliability of the through-plating is further increased by the fact that the connection surfaces 6' as rear-side metallizations of the films A and B are also connected to the connection surfaces 5 located behind them in the stack with electrically conductive adhesive or solder.
In addition, the inner walls of the openings 11 can also be metallized.
Eine dritte Ausfuhrungsform unterscheidet sich von den vorangegangenen dadurch, daß sich Thermoelemente 4 auf der Vorder- und auf der Rückseite der Folien 1 befinden und zwar so angeordnet, daß mit den Anschlußflächen 5 und 5' bzw. 6 und 6' jeweils Thermoelementschenkel unterschiedlichen Leitungstyps verbunden sind. Siehe dazu Figur 8.A third embodiment differs from the previous ones in that thermocouples 4 are located on the front and back of the foils 1 and are arranged in such a way that thermocouple legs of different conductor types are connected to the connection surfaces 5 and 5' or 6 and 6'. See Figure 8.
Eine Stapelung und Kontaktierung erfolgt zunächst wie bei der zweiten Ausführungsform beschrieben und wird hier ergänzt durch eine zusätzliche elektrisch leitende Verbindung, die ebenfalls mittels elektrisch leitenden Klebstoffs oder Lotes realisiert wird, zwischen den Anschlußflächen 5' der Folien A und 6 der Folien B sowie zwischen 5' der Folien B und 6 der Folien A. Das führt dazu, daß die Thermoelementketten von Rückseite und Vorderseite benachbarter Folien in der Stapelsequenz A-B-A elektrisch parallel geschaltet sind, während die Folien untereinander elektrisch in Reihe miteinander verbunden sind.Stacking and contacting is initially carried out as described in the second embodiment and is supplemented here by an additional electrically conductive connection, which is also implemented using electrically conductive adhesive or solder, between the connection surfaces 5' of foils A and 6 of foils B and between 5' of foils B and 6 of foils A. This leads to the thermocouple chains from the back and front of adjacent foils being electrically connected in parallel in the stacking sequence A-B-A, while the foils are electrically connected to one another in series.
Funktionsbedingt müssen in diesem Ausführungsbeispiel die Folien mit einer Isolationsschicht wie z. B. Lack oder hochgetempertem Fotoresist versehen sein, davon ausgenommen sind die elektrischen Anschlußflächen 5, 5', 6, 61 For functional reasons, in this embodiment the foils must be provided with an insulating layer such as lacquer or high-tempered photoresist, with the exception of the electrical connection surfaces 5, 5', 6, 6 1
Gegenüber den ersten beiden Ausführungsbeispielen wird mit dieser Anordnung der elektrische Widerstand geringer, und die Leistungsabgabe eines solchen Thermogenerators wird unter sonst gleichen Bedingungen noch erhöht, wobei sich auch die Packungsdichte steigern läßt. Ein Niederleistungs-Thermogenerator dieser Ausführungsform besitzt eine hohe Zuverlässigkeit, weil die Unterbrechung eines Thermoelementschenkels durch die existierende Redundanz nicht zum Ausfall des Bauelementes führt.Compared to the first two embodiments, the electrical resistance is lower with this arrangement and the power output of such a thermogenerator is increased under otherwise identical conditions, whereby the packing density can also be increased. A low-power thermogenerator of this embodiment has a high level of reliability because the interruption of a thermocouple leg does not lead to the failure of the component due to the existing redundancy.
Claims (9)
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