小间隙设备系统及制造方法技术方案

小间隙设备系统优选地包括两个或更多个电极和保持在两个或更多个电极之间的间隙的一个或更多个隔离物。用于小间隙设备系统的隔离物优选地包括限定网状结构的多个腿部。隔离物和/或小间隙设备的制造方法优选地包括：限定横向特征、沉积隔离物材料、选择性地去除隔离物材料、使隔离物与制造基底分离和/或组装小间隙设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】小间隙设备系统及制造方法相关申请的交叉引用本申请要求于2017年7月24日提交的美国临时申请序列号62/536,202、于2017年8月18日提交的美国临时申请序列号62/547,535和于2018年6月29日提交的美国临时申请序列号62/692,512的利益，其中的每个申请通过这个引用以其整体并入。政府支持的声明本专利技术是在政府的支持下、由高级能源研究计划署授予的ARPA-E-DE-AR00000664号奖金资助完成的。政府在本专利技术中有某些权利。
本专利技术大体上涉及小间隙设备(small-gapdevice)领域，并且更具体地涉及在小间隙设备领域中的新的且有用的隔离物系统(spacersystem)。附图简述图1A是系统的实施例的侧视图。图1B是实施例的变型的横截面侧视图。图2A-2C、图3A-3D和图4A-4C是系统的隔离物的各种示例的平面图。图5A-5P是隔离物的腿部的各种示例的横截面侧视图。图6A是隔离物的特定示例的横截面透视图。图6B是布置在两个电极之间的隔离物的特定示例的透视图。图7是包括多个堆叠的隔离物的系统的示例的横截面侧视图。图8A是制造方法的实施例的流程图表示。图8B是方法的示例的示意性表示。图9是系统的示例的横截面侧视图。图10A-10B是隔离物的腿部的各种示例的横截面侧视图。图11A-11D是隔离物的腿部的各种示例的透视图。图12A-12B是系统的各种示例的侧视图。优选实施例的描述本专利技术的优选实施例的下面的描述并不意欲将本专利技术限制到这些优选实施例，而是使本领域中的任何技术人员能够制造并且使用本专利技术。1.系统。小间隙设备系统100优选地包括两个或更多个电极110和一个或更多个隔离物120。电极110优选地由隔离物120分隔(例如，其限定小的电极间间隙，例如微米级间隙)，如图1A-1B所示。然而，系统可以另外或可选地包括任何其他合适的元件，并且系统的元件可以另外或可选地具有任何其他合适的布置。该系统可以如下面关于制造方法所描述的被制造，和/或可以以任何其他合适的方式被制造。系统100优选地包括热离子能量转换器(TEC)(或热离子能量转换器的一部分)。例如，电极110可以包括由隔离物分隔的阴极(例如，其可操作来当在高温下时发射电子)和阳极(例如，其可操作来收集由阴极发射的电子)。然而，该系统可以另外或可选地包括热光电设备、微间隙等离子设备、生物传感和/或生物操纵设备和/或任何其他合适类型的设备(例如，需要和/或可以受益于在电极之间的小间隙、热隔离和/或电隔离的设备；其他设备)(或作为热光电设备、微间隙等离子设备、生物传感和/或生物操纵设备和/或任何其他合适类型的设备的一部分)。1.1材料。系统的元件可以包括任何合适的材料和/或材料的组合(例如，由任何合适的材料和/或材料的组合制成)。材料可以包括半导体、金属、绝缘体、有机化合物(例如聚合物、有机小分子等)和/或任何其他合适的材料类型。半导体可以包括IV族半导体，例如Si、Ge、SiC和/或其合金；III-V族半导体，例如GaAs、GaSb、GaAs、GaP、GaN、AlSb、AlAs、AlP、AlN、InSb、InAs、InP、InN和/或其合金；II-VI族半导体，例如ZnTe、ZnSe、ZnS、ZnO、CdSe、CdTe、CdS、MgSe、MgTe、MgS和/或其合金；和/或任何其他合适的半导体。金属可以包括碱金属(例如，Li、Na、K、Rb、Ce、Fr)、碱土金属(例如，Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)、过渡金属(例如，Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Zr、Nb、Mo、Au、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Hg、Al、Si、In、Ga、Tl、Pb、Bi、Sb、Te、Sm、Tb、Ce、Nd)、后过渡金属(例如、Al、Zn、Ga、Ge、Cd、In、Sn、Sb、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At)、准金属(例如，B、As、Sb、Te、Po)、稀土元素(例如，镧系元素、锕系元素)、合成元素(例如，Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、Lr、Rf、Db、Sg、Bh、Hs、Mt、Ds、Rg、Cn、Nh、Fl、Mc、Lv、Ts)、任何其他合适的金属元素和/或任何合适的合金、化合物和/或金属元素的其他混合物。绝缘体可以包括任何合适的绝缘(和/或宽带隙半导体)材料。例如，绝缘体可以包括绝缘金属和/或半导体化合物，例如氧化物、氮化物、氮氧化物、氟化物、硼化物和/或任何其他合适的化合物。系统的元素可以包括在任何合适的布置(例如，多层；超晶格；具有微结构元素，例如夹杂物、枝晶、薄片等)中的任何合适的合金、化合物和/或材料(例如，上述材料、其他合适的材料等)的其他混合物。1.2电极。每个电极110优选地包括一个或更多个内表面111(例如，其中第一电极110a限定第一内表面111a，以及第二电极110b限定第二内表面111b)。内电极表面优选地实质上是光滑和平坦的(例如，电极是平坦的、抛光的晶片)，但可以另外或可选地限定任何合适的形状(例如，非平坦的，例如弯曲的、成阶梯状的等)和/或表面光洁度(例如有纹理的)。内表面优选地是宏观的(例如，限定晶片级长度标度和/或表面积)，例如具有等于和/或大于阈值长度(例如，1mm、5mm、10mm、20mm、25mm、51mm、76mm、100mm、125mm、130mm、150mm、175mm、200mm、300mm、450mm等)的横向尺寸(例如，直径、半径、边长、对角线长度等)。每个内表面优选地面向另一电极的内表面(例如，从而限定电极间间隙)。电极优选地通过电路(优选地包括(例如，由来自TEC的电能驱动的)电负载)电气地连接(或可操作来通过电路连接)。然而，电极可以另外或可选地以任何其他合适的方式电气地(和/或以其他方式在功能上)被耦合(或者不能被耦合)。尽管电极优选地包括电导体，但本领域中的技术人员将理解，系统的变型可以另外或可选地包括具有任何合适的特性的任何其他合适的设备元件(例如，平坦和/或平面元件)，其连同电极一起和/或代替电极被布置。例如，系统的实施例(例如，热光电设备实施例)可以包括由隔离物分隔的光学发射元件和光伏电池(例如，代替电极)。1.3隔离物。隔离物120(或多个隔离物)优选地起作用来保持电极间间隙(例如，防止在电极的内表面之间的接触)，更优选地不提供在电极之间的显著的热传导和/或电传导(例如，使第一电极与第二电极电气地和/或热学地隔离)。例如，在电极之间的热传导率(例如，总传导率、归因于隔离物的传导率等)可以小于阈值传导率(例如，1、5、10、15、20、25、35、50、75、100、250、500、1000、1500、2000、5000、0-1、1-10、10-100、100-1000或1000-10,0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热离子能量转换器系统，包括：/n·第一电极，其包括第一表面；/n·第二电极，其包括第二表面；以及/n·网状隔离物，其保持所述第一表面和所述第二表面之间的间隙；/n其中：/n·所述第一表面和所述第二表面越过所述间隙面向彼此布置；/n·所述网状隔离物将所述第一电极与所述第二电极电气地且热学地隔离；/n·所述网状隔离物限定网状结构，所述网状结构包括一组顶点和被连接在所述组的顶点之间的一组路径，所述一组路径包括第一路径和第二路径，其中所述第一路径实质上是非线性的；/n·所述网状隔离物包括实质上沿着所述一组路径延伸的一组腿部，所述一组腿部包括：/no第一有管腿部，其沿着所述第一路径限定第一内腔，其中所述第一有管腿部接触所述第一表面；以及/no第二有管腿部，其沿着所述第二路径限定第二内腔，所述第二有管腿部经由所述一组腿部连接到所述第一有管腿部，其中所述第二有管腿部接触所述第二表面；以及/n·所述网状隔离物在所述一组腿部中的腿部之间限定多个孔缝，其中对于所述多个孔缝中的每个孔缝，从所述第一表面到所述第二表面的相应的第一表面法向向量穿过所述孔缝并且不与所述网状隔离物相交。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170724 US 62/536,202;20170818 US 62/547,535;20181.一种热离子能量转换器系统，包括：
·第一电极，其包括第一表面；
·第二电极，其包括第二表面；以及
·网状隔离物，其保持所述第一表面和所述第二表面之间的间隙；
其中：
·所述第一表面和所述第二表面越过所述间隙面向彼此布置；
·所述网状隔离物将所述第一电极与所述第二电极电气地且热学地隔离；
·所述网状隔离物限定网状结构，所述网状结构包括一组顶点和被连接在所述组的顶点之间的一组路径，所述一组路径包括第一路径和第二路径，其中所述第一路径实质上是非线性的；
·所述网状隔离物包括实质上沿着所述一组路径延伸的一组腿部，所述一组腿部包括：
o第一有管腿部，其沿着所述第一路径限定第一内腔，其中所述第一有管腿部接触所述第一表面；以及
o第二有管腿部，其沿着所述第二路径限定第二内腔，所述第二有管腿部经由所述一组腿部连接到所述第一有管腿部，其中所述第二有管腿部接触所述第二表面；以及
·所述网状隔离物在所述一组腿部中的腿部之间限定多个孔缝，其中对于所述多个孔缝中的每个孔缝，从所述第一表面到所述第二表面的相应的第一表面法向向量穿过所述孔缝并且不与所述网状隔离物相交。


2.根据权利要求1所述的系统，其中：
·所述网状隔离物沿着垂直于所述第一表面的向量到所述第一表面上的投影限定隔离物投影面积；
·所述网状隔离物的凸壳沿着所述向量到所述第一表面上的投影限定凸壳投影面积；以及
·所述隔离物投影面积与所述凸壳投影面积之比定义填充分数，其中所述填充分数小于10％。


3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述间隙限定在所述第一表面和第二表面之间的小于25μm的间隙宽度。


4.根据权利要求1所述的系统，其中：
·所述第一有管腿部限定小于300nm的第一壁厚度；以及
·所述第二有管腿部限定小于300nm的第二壁厚度。


5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述网状隔离物包括与所述第一表面和所述第二表面接触的多层氧化物结构。


6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述多层氧化物结构包括：
·第一氧化物层，其与所述第一表面接触，所述第一氧化物层包括铪；
·第二氧化物层，其与所述第二表面接触，所述第二氧化物层包括铪；以及
·中间氧化物层，其实质上被封装在所述第一氧化物层和第二氧化物层之间，所述中间氧化物层包括铝。


7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一有管腿部包括：
·第一构件，其与所述第一表面接触；
·第二构件，其布置成靠近所述第二表面；以及
·侧壁，其将所述第一构件连接到所述第二构件，其中在垂直于所述第一路径的平面上限定的所述侧壁的横截面在所述第一构件和所述第二构件之间实质上是非线性的；
其中，所述侧壁和所述第二构件协作地限定所述第一内腔，其中所述第二构件布置在所述第一内腔和所述第二表面之间。


8.根据权利要求1所述的系统，其中：
·所述第一路径连接在所述一组顶点中的第一顶点和第二顶点之间，其中所述系统限定从所述第一顶点到所述第二顶点的段；
·所述系统限定平面，其中所述平面包括所述段和垂直于所述第一表面的向量；以及
·所述第一路径到所述平面上的投影实质上是非线性的。


9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一路径在所述第一顶点和第二顶点之间的路径长度比所述段的段长度大了多于10％。


10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一路径限定多个弧。


11.一种热离子能量转换器系统，包括：
·第一电极，其包括第一表面；
·第二电极，其包...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾瑞德·威廉·施韦德，伊戈尔·巴尔加汀，塞缪尔·M·尼凯斯，林晨，约翰·普罗文，
申请(专利权)人：火花热离子学公司，宾夕法尼亚大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国;US