RU2632729C1

RU2632729C1 - Method for manufacturing thermoelectric element for thermoelectric devices

Info

Publication number: RU2632729C1
Application number: RU2016149430A
Authority: RU
Inventors: Александр Евгеньевич Шупенев; Александр Григорьевич Григорьянц
Original assignee: Александр Евгеньевич Шупенев
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2017-10-09

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: at first the received flexible tape is wound on a drum which is located in a vacuum chamber. Vacuum deposition of the thermoelectric material on its opposite sides is carried out. The tape is successively stretched by means of deflecting and tensioning rollers through the first heating zone and pulsed laser deposition of the thermoelectric material of the p-conductivity type to the heated area of one side of the tape. The tape is turned in the turn device and the tape is stretched through the second local heating zone to a predetermined temperature and pulsed laser deposition of the thermoelectric material of the n-conductivity type to the heated area of the opposite side of the tape. Then the tape is stretched through the zone of simultaneous formation of technological pattern on both sides of the tape by laser evaporation of the thermoelectric material on each of its sides. The tape is wound with the obtained two-sided technological pattern on the second drum.

EFFECT: improvement of the method.

2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и нанотехнологиям, в частности к способу изготовления термоэлектрического элемента для термоэлектрических устройств, например термоэлектрической батареи, и может быть использовано в потребительской электронике, медицине, лабораторном оборудовании и других областях.The invention relates to electrical engineering and nanotechnology, in particular to a method for manufacturing a thermoelectric element for thermoelectric devices, for example a thermoelectric battery, and can be used in consumer electronics, medicine, laboratory equipment and other fields.

Известен способ изготовления термоэлектрического элемента для термоэлектрических устройств, при котором на подложку в виде гибкой ленты на основе полиимидного полимера осуществляют вакуумное напыление термоэлектрического материала, причем напыление выполняют на противоположные ее стороны с формированием термоэлектрических и коммутационных участков (US 3554815A, 12.01.1971). В известном способе напыление осуществляют путем испарения термоэлектрического материала, термоэлектрические участки создают из висмута и сурьмы, которые обладают низкой эффективностью. Кроме того, асимметричное расположение полупроводниковых слоев и формирование их топологии может быть создано химическим способом по методу фотолитографии.There is a known method of manufacturing a thermoelectric element for thermoelectric devices, in which a thermoelectric material is vacuum deposited on a substrate in the form of a flexible tape based on a polyimide polymer, moreover, the deposition is performed on its opposite sides with the formation of thermoelectric and switching sections (US 3554815A, 01/12/1971). In the known method, the deposition is carried out by evaporation of a thermoelectric material, the thermoelectric sections are created from bismuth and antimony, which have low efficiency. In addition, the asymmetric arrangement of semiconductor layers and the formation of their topology can be created chemically by the method of photolithography.

Недостатком известной технологии является использование материалов низкой эффективности, необходимость разрыва этапа вакуумного нанесения материала за счет включения промежуточных этапов формирования необходимой топологии с помощью фотолитографии, что приводит к большому количеству высокотехнологичных и сложных операций и низким эффективности, надежности и высокой вероятности брака.A disadvantage of the known technology is the use of materials of low efficiency, the need to break the stage of vacuum deposition of the material due to the inclusion of intermediate stages of the formation of the necessary topology using photolithography, which leads to a large number of high-tech and complex operations and low efficiency, reliability and high probability of marriage.

Задачей создания изобретения является повышение термоэлектрической эффективности термоэлектрического элемента, повышение производительности его изготовления, обеспечение возможности создания ленты с многокомпонентными термоэлектрическими пленками, снижение вероятности брака, отказ от использования биологически и экологически опасных химических реактивов для создания необходимой топологии термоэлектрического материала.The objective of the invention is to increase the thermoelectric efficiency of a thermoelectric element, increase the productivity of its manufacture, provide the ability to create tapes with multicomponent thermoelectric films, reduce the likelihood of marriage, refuse to use biologically and environmentally hazardous chemicals to create the necessary topology of thermoelectric material.

Для этого в способе изготовления термоэлектрического элемента для термоэлектрических устройств, включающем изготовление подложки в виде гибкой ленты на основе полиимидного полимера и вакуумное напыление термоэлектрического материала на противоположные ее стороны, сначала полученную гибкую ленту наматывают на барабан, который располагают в вакуумной камере, и осуществляют вакуумное напыление термоэлектрического материала на противоположные ее стороны, при этом ленту последовательно протягивают с помощью отклоняющих и натяжных роликов через первую зону нагрева и импульсного лазерного осаждения термоэлектрического материала p-типа проводимости на нагретый участок одной стороны ленты, осуществляют переворот ленты в устройстве разворота и протягивают ленту через вторую зону локального нагрева до заданной температуры и импульсного лазерного осаждения термоэлектрического материала n-типа проводимости на нагретый участок противоположной стороны ленты, после чего протягивают ленту через зону одновременного формирования на двух сторонах ленты технологического рисунка путем лазерного испарения термоэлектрического материала на каждой из ее сторон, после чего осуществляют намотку ленты с полученным двусторонним технологическим рисунком на второй барабан.To this end, in a method for manufacturing a thermoelectric element for thermoelectric devices, including the manufacture of a substrate in the form of a flexible tape based on a polyimide polymer and vacuum deposition of a thermoelectric material on its opposite sides, first, the obtained flexible tape is wound on a drum, which is placed in a vacuum chamber, and vacuum spraying is performed thermoelectric material on its opposite sides, while the tape is successively stretched using deflecting and tension ro through the first zone of heating and pulsed laser deposition of p-type thermoelectric material on a heated portion of one side of the tape, the tape is flipped in a reversal device and the tape is pulled through the second zone of local heating to a predetermined temperature and pulsed laser deposition of n-type thermoelectric material on heated portion of the opposite side of the tape, after which the tape is pulled through the zone of simultaneous formation of technological tape on both sides of the tape a bundle by laser evaporation of thermoelectric material on each of its sides, after which the tape is wound with the obtained two-sided technological pattern onto the second drum.

На фиг. 1 представлена схема осуществления способа изготовления термоэлектрического элемента, на фиг. 2 - вид сбоку и вид сверху фиг. 1.In FIG. 1 is a flow diagram of a method for manufacturing a thermoelectric element; FIG. 2 is a side view and a top view of FIG. one.

Способ создания термоэлектрического элемента в виде гибкой ленты основан на использовании метода импульсного лазерного осаждения, который позволяет создавать пленки сложного химического состава, которые обладают большей термоэлектрической эффективностью.The method of creating a thermoelectric element in the form of a flexible tape is based on the use of pulsed laser deposition, which allows you to create films of complex chemical composition, which have greater thermoelectric figure of merit.

Подложку 1 в виде гибкой ленты на основе полиимидного полимера, намотанной на барабан 2, загружают в напылительную вакуумную камеру 24. Через отклоняющий ролик 4 и натяжной ролик 5 ленту подают на нагреватель 6, образуя с ним скользящий термический контакт и нагревают локально до заданной температуры. С помощью импульсного лазера 8 распыляют термоэлектрический материал 7 p-типа проводимости, который испаряясь в виде газоплазменного облака 9 осаждается на нагретом участке подложки. Далее ленту после натяжного ролика 10 переворачивают в устройстве разворота ленты 11 и после натяжного ролика 12 подают на нагреватель 13, образуя с ним скользящий термический контакт, и нагревают локально до заданной температуры. С помощью импульсного лазера 15 распыляют термоэлектрический материал 14 n-типа проводимости, который, испаряясь в виде газоплазменного облака 16, осаждается на нагретом участке подложки. Далее после отклоняющего ролика 18 ленту натягивают роликами 19 и 21, между которыми ленту 1 с нанесенными сплошными пленками термоэлектрического материала 7 и 14 обрабатывают лазерным лучом 20 для формирования симметричной топологии термоэлектрических участков.The substrate 1 in the form of a flexible tape based on a polyimide polymer wound on a drum 2 is loaded into a vacuum spray chamber 24. Through a deflecting roller 4 and a tension roller 5, the tape is fed to the heater 6, forming a sliding thermal contact with it and heated locally to a predetermined temperature. Using a pulsed laser 8, p-type conductivity thermoelectric material 7 is sprayed, which vaporizes in the form of a gas-plasma cloud 9 on a heated portion of the substrate. Next, the tape after the tension roller 10 is turned over in the device for turning the tape 11 and after the tension roller 12 is fed to the heater 13, forming a sliding thermal contact with it, and heated locally to a predetermined temperature. Using a pulsed laser 15, an n-type thermoelectric material 14 is sprayed, which, evaporating in the form of a gas-plasma cloud 16, is deposited on a heated portion of the substrate. Then, after the deflecting roller 18, the tape is pulled by the rollers 19 and 21, between which the tape 1 with the continuous films of thermoelectric material 7 and 14 applied is treated with a laser beam 20 to form a symmetrical topology of the thermoelectric sections.

Ленту с полученным технологическим рисунком отклоняющим роликом 22 наматывают на второй барабан 3. Технологические участки обработки ленты разделены заслонками 17 и 23. При формировании технологического рисунка на сторонах ленты лазерный луч 20 фокусируют на поверхности ленты 1 и с помощью сканатора обрабатывают ленту в зоне обработки 25. Лазерное излучение испаряет одновременно термоэлектрические материалы 7 и 14, проникая через ленту 1 и не разрушая ее, т.к. подложка хорошо прозрачна для длины волны лазерного луча 20. В результате получают ленту с зеркальными участками термоэлектрического материала разного типа проводимости по разные стороны ленты. Шаблон обработки лазером 20 создают заранее на ПК. В случае многорядного производства термоэлектрической ленты далее следует этап разделения ленты на единичные ленты.The tape with the technological pattern obtained by the deflecting roller 22 is wound on the second drum 3. The technological sections of the tape processing are separated by the shutters 17 and 23. When forming the technological pattern on the sides of the tape, the laser beam 20 is focused on the surface of the tape 1 and the tape is processed in the processing zone 25 using a scanner. Laser radiation simultaneously evaporates thermoelectric materials 7 and 14, penetrating through tape 1 and without destroying it, because the substrate is well transparent for the wavelength of the laser beam 20. The result is a tape with mirror portions of thermoelectric material of different types of conductivity on opposite sides of the tape. The laser processing template 20 is created in advance on a PC. In the case of multi-row production of thermoelectric tape, the next step is the separation of the tape into single tapes.

Техническим результатом является использование более эффективных термоэлектрических материалов за счет использования метода импульсного лазерного осаждения, который позволяет создавать многокомпонентные термоэлектрические пленки, отличающиеся высокой термоэлектрической эффективностью; отсутствие необходимости использования процесса фотолитографии, который обладает низкой производительностью и необходимостью использования перечня опасных и дорогих химических реактивов, что приводит к высокой производительности производства термоэлектрической ленты и низкой стоимости; возможность напыления и формирования топологии сразу нескольких лент на единой подложке, обеспечивая высокую производительность процесса и снижение себестоимости.The technical result is the use of more efficient thermoelectric materials through the use of pulsed laser deposition, which allows you to create multicomponent thermoelectric films, characterized by high thermoelectric figure of merit; the absence of the need to use the photolithography process, which has low productivity and the need to use a list of dangerous and expensive chemicals, which leads to high production performance of thermoelectric tape and low cost; the possibility of spraying and forming the topology of several tapes at once on a single substrate, providing high process performance and cost reduction.

Claims

A method of manufacturing a thermoelectric element for thermoelectric devices, including the manufacture of a substrate in the form of a flexible tape based on a polyimide polymer and vacuum deposition of thermoelectric material on its opposite sides, characterized in that the flexible tape is first wound on a drum that is placed in a vacuum chamber, and vacuum spraying is performed thermoelectric material on its opposite sides, while the tape is successively stretched using deflecting and tensioning roles s through the first heating zone, in which pulsed laser deposition of p-type thermoelectric material is carried out on a heated section of one side of the tape, then the tape is flipped in a reversal device and the tape is pulled through the second local heating zone to a predetermined temperature, in which pulsed laser deposition is carried out n-type thermoelectric material on the heated portion of the opposite side of the tape, after which the tape is pulled through the zone of simultaneous formation of n the two sides of the process of drawing the tape by laser ablation of the thermoelectric material at each of its sides, whereupon winding is performed with the obtained double-sided tape Technological pattern on the second drum.