双通孔结构的微型热电能量采集器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器及其制备方法，所述采集器的制作过程中采用双通孔结构，即：环形沟槽和通孔。再在双通孔结构中分别填充第一热电层和第二热电层，形成热电偶对，并通过顶部电连接层实现热电偶对之间的串联，得到热电偶阵列，即微型热电能量采集器。本发明专利技术的热电能量采集器与传统平面结构的采集器相比，其双通孔结构热电偶臂端面与导热板之间具有较大的接触面积，可以降低接触热阻和接触电阻，提高器件的温差利用率和发电功率；同时，相比垂直结构分立的热电偶臂阵列，这种双通孔结构可以进一步提高器件的集成度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于热电转化
，涉及一种热电能量采集器及其制备方法，特别是涉及一种双通孔结构的微型热电能量采集器及其制备方法。
技术介绍
热电转换技术是一种基于材料的塞贝克效应将热能直接转化成电能的电力技术。作为一种新能源和可再生能源的利用技术，由于其体积小、质量轻、寿命长、无机械运动部件、绿色环保等优点，热电转换技术引起了国内外科研人员的广泛关注。热电转换技术能够充分利用工业余热、废热、地热等低品位能源，为解决能源危机带来新的希望。由于每个热电单元输出的电压很低，为了获得较高的电压以满足实际应用的需求，通常将很多热电偶对串联成热电堆，从而获得具有较高输出电压的热电能量采集器。根据热流流经方向的不同，热电能量采集器主要分为垂直结构和平面结构。垂直结构由于热电偶臂端面与导热衬底接触面积较大，有良好的接触，可以降低接触热阻和接触电阻，但也因较大的接触面导致器件具有较低的集成度。平面结构一般为热流方向沿热电偶臂与导热衬底平行的薄膜热电偶器件。相比垂直结构的热电能量采集器，平面结构的器件热流路径不及前者，但由于其具有较小的接触面，从而导致器件具有较高的集成度。但是由于器件内部的接触电阻和接触热阻都比较大，以及制备这种结构所使用的材料本身热电优值系数低，导致器件的温差利用率低、输出功率较小。热电能量采集器的研究工作主要集中在两方面：1、寻找易于加工的具有高优值系数的热电材料；2、优化器件结构，使温差尽可能的落在热电偶臂两端。热电能量采集器的发展目标是运用具有较高热电优值系数的材料制备易于加工和集成的具有良好热流路径的器件。因此，提供一种新型热电能量采集器及其制备方法是本领域技术人员需要解决的课题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器及其制备方法，用于解决现有技术中平面结构的热电能量采集器接触热阻和接触电阻高、垂直结构的热电能量采集器集成度低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器，所述采集器至少包括：底部键合片和顶部键合片；所述底部键合片至少包括：底部导热板，表面形成有底部绝缘层；图形化的底部电连接层，形成于所述底部绝缘层的表面；多个热电偶对，形成于所述图形化的底部电连接层表面，每一个热电偶对包括第一热电层和非接触式的包围在所述第一热电层周围的第二热电层；底部键合层，形成于所述第一热电层和第二热电层的表面；所述顶部键合片至少包括：顶部导热板，表面形成有顶部绝缘层；图形化的顶部电连接层，形成于所述顶部绝缘层的表面；顶部键合层，形成于所述顶部电连接层的表面，所述顶部键合层与所述底部键合层键合接触；绝缘层，形成于所述图形化的顶部电连接层之间以及所述顶部键合层之间，通过所述顶部电连接层将多个热电偶对串联形成热电偶阵列。可选地，所述第一热电层为圆柱形，所述第二热电层为环形。可选地，所述顶部电连接层至少包括第一电连接层和第二电连接层；所述第一电连接层的形状与第一热电层的形状相匹配，且通过所述顶部键合层和底部键合层与所述第一热电层接触电连；所述第二电连接层的形状与第二热电层的形状相匹配，且通过所述顶部键合层和底部键合层与所述第二热电层接触电连。可选地，所述方法至少包括步骤：底部键合片的制作、顶部键合片的制作以及所述底部键合片和顶部键合片的键合。本专利技术还提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器的制备方法，所述底部键合片的制作至少包括步骤：(1a)提供一底部导热板，在所述底部导热板表面依次形成底部绝缘层、底部电连接层以及光刻胶层；(1b)在所述光刻胶层中形成暴露所述底部电连接层的多个通孔以及包围在每个通孔周围的环形沟槽，所述通孔中填充有第一热电层，所述环形沟槽中填充有第二热电层，所述第一热电层和第二热电层构成多个热电偶对；(1c)在所述第一热电层和第二热电层表面形成底部键合层；(1d)去除所述环形沟槽以外的光刻胶层，暴露出所述底部电连接层，之后刻蚀去除暴露的所述底部电连接层，使整个底部电连接层图形化；(1e)去除所述第一热电层和第二热电层之间的光刻胶层；所述顶部键合片的制作至少包括步骤：(2a)提供一顶部导热板，在所述顶部导热板表面形成顶部绝缘层；(2b)在所述顶部绝缘层表面形成图形化的顶部电连接层；(2c)在顶部电连接层之间的顶部绝缘层表面以及部分顶部电连接层的表面覆盖绝缘层；(2d)在未被所述绝缘层覆盖的顶部电连接层表面形成顶部键合层；最后将所述底部键合层和顶部键合层进行键合，通过所述顶部电连接层将多个热电偶对串联形成热电偶阵列。可选地，所述步骤(1a)中底部导热板采用硅片，通过氧化工艺在所述硅片表面生长二氧化硅作为底部绝缘层。可选地，所述步骤(1a)中通过溅射工艺形成底部电连接层，所述底部电连接层选择为Ti/Au、Ti/Cu、TiW/Au或者TiW/Cu。可选地，所述步骤(1a)中光刻胶层的厚度等于后续制作的第一热电层和第二热电层的高度。可选地，所述步骤(1b)中以所述底部电连接层为种子层，通过电镀工艺分别在所述通孔和环形沟槽中形成第一热电层和第二热电层。可选地，所述步骤(1b)具体包括：先进行第一次光刻，在所述光刻胶层中形成暴露所述底部电连接层的多个通孔，接着在所述通孔中填充第一热电层；再进行第二次光刻，形成包围所述通孔的环形沟槽，在所述环形沟槽中填充第二热电层。可选地，所述步骤(1b)具体包括：先进行第一次光刻，在所述光刻胶层中形成暴露所述底部电连接层的多个环形沟槽，接着在所述环形沟槽中填充第二热电层；再进行第二次光刻，形成由所述环形沟槽包围的通孔，在所述通孔中填充第一热电层。可选地，在所述步骤(1b)和步骤(1c)之间还包括表面平坦化步骤。可选地，所述第一热电层和第二热电层为不同的材料或者为同种材料经过不同类型掺杂形成的N型热电材料和P型热电材料。可选地，所述第一热电层为Cu、Ni或Bi-Te合金，所述第二热电层为Cu、Ni或Bi-Te合金。可选地，所述步骤(1c)具体过程为：在步骤(1b)获得的结构表面旋涂光刻胶，并图形化所述光刻胶，形成暴露所述第一热电层和第二热电层的开口，之后通过电镀工艺在开口中填充底部键合层，所述底部键合层为Sn或者Au。可选地，所述步骤(2a)中顶部导热板采用硅片，通过氧化工艺在所述硅片表面生长二氧化硅作为顶部绝缘层。可选地，所述顶部电连接层为Ti/Au或TiW/Au，所述顶部键合层为Au。本专利技术再提供一种双通孔结构的微型热电能量采集器的制备方法，所述方法至少包括步骤：底部键合片的制作、顶部键合片的制作以及所述底部键合片和顶部键合片的键合；所述底部键合片的制作至少包括步骤：(1A)提供一底部导热板和一衬底，在所述底部导热板表面依次形成底部绝缘层和第一键合层，在所述衬底表面形成第二键合层；(1B)键合所述第一键合层和第二键合层，键合后的所述第一键合层和第二键合层构成底部电连接层，减薄所述衬底；(1C)在所述衬底中形成暴露所述底部电连接层的多个通孔以及包围在每个通孔周围的环形沟槽，所述通孔中填充有第一热电层，所述环形沟槽中填充有第二热电层，所述第一热电层和第二热电层构成多个热电偶对；(1D)在所述第一热电层和第二热电层表面形成底部键合层；(1E本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双通孔结构的微型热电能量采集器，其特征在于，所述采集器至少包括：底部键合片和顶部键合片；所述底部键合片至少包括：底部导热板，表面形成有底部绝缘层；图形化的底部电连接层，形成于所述底部绝缘层的表面；多个热电偶对，形成于所述图形化的底部电连接层表面，每一个热电偶对包括第一热电层和非接触式的包围在所述第一热电层周围的第二热电层；底部键合层，形成于所述第一热电层和第二热电层的表面；所述顶部键合片至少包括：顶部导热板，表面形成有顶部绝缘层；图形化的顶部电连接层，形成于所述顶部绝缘层的表面；顶部键合层，形成于所述顶部电连接层的表面，所述顶部键合层与所述底部键合层键合接触；绝缘层，形成于所述图形化的顶部电连接层之间以及所述顶部键合层之间，通过所述顶部电连接层将多个热电偶对串联形成热电偶阵列。

【技术特征摘要】
1.一种双通孔结构的微型热电能量采集器，其特征在于，所述采集器至少包括：底部键合片和顶部键合片；所述底部键合片至少包括：底部导热板，表面形成有底部绝缘层；图形化的底部电连接层，形成于所述底部绝缘层的表面；多个热电偶对，形成于所述图形化的底部电连接层表面，每一个热电偶对包括第一热电层和非接触式的包围在所述第一热电层周围的第二热电层；底部键合层，形成于所述第一热电层和第二热电层的表面；所述顶部键合片至少包括：顶部导热板，表面形成有顶部绝缘层；图形化的顶部电连接层，形成于所述顶部绝缘层的表面；顶部键合层，形成于所述顶部电连接层的表面，所述顶部键合层与所述底部键合层键合接触；绝缘层，形成于所述图形化的顶部电连接层之间以及所述顶部键合层之间，通过所述顶部电连接层将多个热电偶对串联形成热电偶阵列。2.根据权利要求1所述的双通孔结构的微型热电能量采集器，其特征在于：所述第一热电层为圆柱形，所述第二热电层为环形。3.根据权利要求1所述的双通孔结构的微型热电能量采集器，其特征在于：所述顶部电连接层至少包括第一电连接层和第二电连接层；所述第一电连接层的形状与第一热电层的形状相匹配，且通过所述顶部键合层和底部键合层与所述第一热电层接触电连；所述第二电连接层的形状与第二热电层的形状相匹配，且通过所述顶部键合层和底部键合层与所述第二热电层接触电连。4.一种双通孔结构的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括步骤：底部键合片的制作、顶部键合片的制作以及所述底部键合片和顶部键合片的键合。所述底部键合片的制作至少包括步骤：(1a)提供一底部导热板，在所述底部导热板表面依次形成底部绝缘层、底部电连接层以及光刻胶层；(1b)在所述光刻胶层中形成暴露所述底部电连接层的多个通孔以及包围在每个通孔
\t周围的环形沟槽，所述通孔中填充有第一热电层，所述环形沟槽中填充有第二热电层，所述第一热电层和第二热电层构成多个热电偶对；(1c)在所述第一热电层和第二热电层表面形成底部键合层；(1d)去除所述环形沟槽以外的光刻胶层，暴露出所述底部电连接层，之后刻蚀去除暴露的所述底部电连接层，使整个底部电连接层图形化；(1e)去除所述第一热电层和第二热电层之间的光刻胶层；所述顶部键合片的制作至少包括步骤：(2a)提供一顶部导热板，在所述顶部导热板表面形成顶部绝缘层；(2b)在所述顶部绝缘层表面形成图形化的顶部电连接层；(2c)在顶部电连接层之间的顶部绝缘层表面以及部分顶部电连接层的表面覆盖绝缘层；(2d)在未被所述绝缘层覆盖的顶部电连接层表面形成顶部键合层；最后将所述底部键合层和顶部键合层进行键合，通过所述顶部电连接层将多个热电偶对串联形成热电偶阵列。5.根据权利要求4所述的双通孔结构的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1a)中底部导热板采用硅片，通过氧化工艺在所述硅片表面生长二氧化硅作为底部绝缘层。6.根据权利要求4所述的双通孔结构的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1a)中通过溅射工艺形成底部电连接层，所述底部电连接层选择为Ti/Au、Ti/Cu、TiW/Au或者TiW/Cu。7.根据权利要求4所述的双通孔结构的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1a)中光刻胶层的厚度等于后续制作的第一热电层和第二热电层的高度。8.根据权利要求4所述的双通孔结构的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1b)中以所述底部电连接层为种子层，通过电镀工艺分别在所述通孔和环形沟槽中形成第一热电层和第二热电层。9.根据权利要求4所述的双通孔结构的微型热电能量采集器的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐德辉，吴利青，熊斌，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31