改进的低功率热电发生器制造技术

一种热电发生器具有以隔开关系方式设置在一底板上的一顶板。一系列箔段被电气连接和机械端到端连接以产生一箔配件，该箔配件被螺旋状缠绕并与该底板和顶板热接触。每个箔段包括具有一系列以平行排列的方式设置在前基片表面上的隔开交替的ｎ型和ｐ型热电臂的基片。每个所述ｎ型和ｐ型热电臂由基于碲化铋的热电材料形成，具有约１０－１００微米的厚度、约１０－１００微米的宽度和约１００－５００微米的长度。该交替的ｎ型和ｐ型热电臂为串联电气连接和并联热连接以使在该底板和顶板之间的温差导致功率的产生。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常关于热电设备，尤其关于自给自足的、低功率的热电发生器，f口相对高的电压输出
技术介绍
热电设备越来越多地趋向于小型化使得微型化电源的发展成为必要。电 池和太阳能电池是这种微电子设备的传统电源。但是，电池提供的功率随着 时间消散，需要周期性地更换电池。太阳能电池虽然具有有效地无限的有用 寿命，但是只可以提供短暂的能量来源，因为太阳或者其它光源可能不总是可利用的。而且，为了保持能量转化的效率，太阳能电池需要周期性地清洁 其表面。热电发生器是在确立的物理学原理下将热能转化为电能的自给自足的能 源。赛贝克效应是一种主要由于导体内的载劣扩散，热差可以被转化为电的 现象的。通过利用热电偶在赛贝克效应下可以产生电功率，其中热电偶均包括连接在一端的一对异金属(n型和p型)。n型和p型分别指的是材料里的 电荷载流子的负类型和正类型。 ■^fj ^ji ^j 1丙曰^c^ i日j曰<然产生的余热，比如不断被人体排斥的热。在手表中， 一边暴露于处在环 境温度的空气，而对边暴露于佩戴者皮肤的较高温度。这样，穿过手表的厚 度典型地存在小的温度梯度。热电发生器可以作为一个自持单元被结合到手 表中以利用余热并产生足够运转手表的能量的供给。有利地是，很多在体积 上与一个典型的手表类似的微电子设备只需要少量能量，因此也兼容通过热 电发生器供以动力。热电发生器的工作参数可以通过几种途径用数学方法描述其特性。例如， 穿过热电偶的未连接端测量的电压直接与穿过这两端的温度梯度成比例。当组成热电偶的n型热电臂和p型热电臂串联电气连接但以贯穿其而保持的温 差T,和T2并联热连接，在赛贝克效应下的开路电压V可以通过下列公式被 数学表示V:S(T广T2)其中S为以微伏每度(pV/K)表示的赛贝克系数。热电发生器的效率可以通过热电优值(Z)描述其特征，传统上通过下 列公式定义其中cy和K分别为导电性和导热性。优值(Z),倒数表示为K，代表可以应 用在热电发生器中的热电材料的热性和电性。提高热电发生器的效率的关键 之一在于具有低电阻、高赛贝克系数和低导热性的高效的热电薄膜的发展。提高热电发生器的另一个关键在于增加热电偶的集成密度。关于余热来 源，总是只有小的温差存在于热源和冷源之间。因为这个小的温差，大量热 电偶必须串联连接以产生足够的热电压。结果，热电偶必须具有极端的长比 宽的纵横比的横截面。现有技术包括大量的努力改进热电发生器的效率和工作特性的设备。一 种现有技术设备包括与 一低温区相对的 一 高温区热连接设置的热传导基片。 热从高温区流到该热传导基片和大量交替的从晶体材料切割的n型和p型热 电臂。该n型和p型热电臂串联电气连接和并联热连接。该n型和p型热电 臂以二维棋盘型图案排列在基片上。因为总电压是穿过每个n型和p型对的 各个电压的和，以及由于n型和p型热电臂的每个热电偶对于一个特定的温 差只能产生几毫伏，为了包围交替的n型和p型热电臂的棋盘形图案需要^艮 大的区域。这样的大区域需求阻碍了热电发生器的微型化。另 一个现有技术设备为了为许多的n型和p型热电臂提供绝缘空间而提 供了具有无缝绝缘格片的热电模块。缝隙的不存在消除了两个热电臂之间内 壁电短路的可能性。该热电臂在该模块的冷面和热面之间为串联电气连接和 并联热连接。电气连接包括在钼层之上的铝层。表面纟皮磨过以暴露除热电臂 被互相连接的区域之外的格片壁。虽然参考文献的模块克服了相邻的热电臂 之间的电短路，但是参考文献的设备需要许多的制造步骤并因此昂贵。其它试图微型化热电发生器的现有技术设备通过微型化该热电偶的单个10整体结构增加了热电偶的集成密度。虽然这样的设备在将这些疏松材料碲化 铋热电偶的横截面减小到足够小的尺寸上成功了 ，但是在处理和制作这些来 自于疏松物质的碲化铋类型的热电偶中的巨大困难转化为极高的生产成本， 其导致制成品的非常高的成本。由于传统热电发生器的上述缺点，对于热电发生器，存在与热电设备的 需求兼容的技术需求。更具体地，存在对产生低功率的热电发生器的需要， 该热电发生器为紧凑的尺寸、特别适用于产生高输出电压并以较低成本大规 模生产。
技术实现思路
本专利技术为具有紧凑的尺寸的改进的、自给自足的、低功率的热电发生器和尤 其适用于与微电子设备兼容的热电发生器。热电发生器利用热梯度以根据赛贝克效应产生有用的功率。在此公开的 该热电发生器包括一底板、 一顶板和一箔配件，该箔配件包括一单个伸长箔 段或一 系列使用横跨每个端到端接头的连接件被端到端连接的箔段。粘合剂 可以被用于粘结该连接件到端到端的箔段的前基片表面和基片表面的至少一 个以机械连接该箔段。更具体地，该连接件可以被粘结到至少该前基片表面 上。但是，对于更强的机械连接，连接件也可以被粘结到该后基片表面上。 具有相对高的导电性的电粘合剂可以用在该连接件的顶部边缘和底部边缘以 电气连接该箔段。但是，该连接件可以选择性地包括设置在该连接件的相邻 的顶部边缘和底部边缘的金属触点以增强箔段之间的导电性。该金属触点用于电气连接一个箔段的末端的一个n型热电臂到相邻的一个荡段的末端的一个p型热电臂。用这种方式，每个p型热电臂被电气连4妄到在该p型热电臂的对端的相邻n型热电臂以便该n型和p型热电臂串Jf关电 气连接且并联热连接。箔配件和/或箔段以螺旋状缠绕排列的方式被插入该顶板和底板之间。该 箔配件^皮垂直地设置在该底板和顶板之间并且与该底4反和顶寺反热4妄触。在本 专利技术热电发生器的一个实施例中， 一系列交替的n型和p型热电臂^皮设置在 组成箔配件的每个箔段的基片上。在另一个实施例中，该n型和p型热电臂 被设置在单个箔段的单个伸长基片上。该热电臂一般由碲化铋型热电材料制 造。该顶板以隔开的关系被设置在该底板上方。该底板和顶板可以具有大致该顶板和底板可以由陶乾材料、金属材料或任何其它合适的材料或其组合物 制造。该顶板和底板用于在冷源和热源之间提供热触点以使温度梯度可以穿 过交替的n型和p型热电臂被逐渐产生。每个箔段具有前基片表面和与前基片表面相对的后基片表面。该隔开交 替的n型和p型热电臂以彼此平行排列的方式被设置在前基片表面上。每个 n型和p型热电臂由大致具有在约IO微米(pm)到约10(Him范围内厚度的 热电材料构成，该热电材料具有被优选的大体上较厚结构，从而导致相应的 更大的横截面面积提供了穿过其的更大的电流。该前基片表面可以具有比后 基片表面更光滑的表面粗糙度以增强形成设置在前基片表面上的n型和p型 热电臂的重复性。但是，该后基片表面可以具有设置在其上并可以在设置过 程之前被适当地预处理的热电臂。每个n型和p型热电臂对组成该热电发生器的一个热电偶。该热电臂的宽度可以在约10pm到约100pm范围内，其长度在约100pm到约500pm的 范围内。该n型和p型热电臂的优选长度约为500pm。该n型热电臂的优选 宽度约为60|mi而该p型热电臂的优选宽度约为40[im。各个n型和p型热电 臂的几何形状可以调整到某个程度，该程度取决于每个n型和p型热电臂的 导电性差异。每个p型热电臂电通过热端金属桥和冷端金属桥连接到在该p型热电臂 的对端的相邻n型热电臂，以使电流可以穿过该热电臂从p型热电臂的底部 到p型热电臂的顶部流动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电发生器，包括：　一顶板和一底板，被彼此平行隔开设置，每个所述顶板和底板为导热的并具有大致圆形的形状；　一螺旋状缠绕的箔段，其被锁位在所述顶板和底板之间并热互连所述顶板和底板，所述箔段包括：　一伸长基片，其具有顶部边缘和底部边缘以及在约７．５微米到约５０微米范围内的厚度，并包括相对的前基片表面和后基片表面，该基片由具有低导热性的电绝缘材料形成；　一系列伸长交替的ｎ型和ｐ型热电臂，以隔开并行排列的方式设置在所述前基片表面上，每个所述ｎ型和ｐ型热电臂由Ｂｉ↓［２］Ｔｅ↓［３］型热电材料形成，所述热电材料具有在约１０微米到约１００微米范围内的厚度，每个ｎ型和ｐ型热电臂具有一宽度和一长度，所述宽度在从约１０微米到约１００微米范围内，所述长度在从约１００微米到约５００微米范围内；　其中：　每个所述ｐ型热电臂被电气连接到在所述ｐ型热电臂的对端的相邻的ｎ型热电臂以使所述ｎ型和ｐ型热电臂串联电气连接且并联热连接；所述顶板和底板被电气连接到一系列交替的ｎ型和ｐ型热电臂的对端的相应端。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-2-10 11/352,1131、一种热电发生器，包括一顶板和一底板，被彼此平行隔开设置，每个所述顶板和底板为导热的并具有大致圆形的形状；一螺旋状缠绕的箔段，其被锁位在所述顶板和底板之间并热互连所述顶板和底板，所述箔段包括一伸长基片，其具有顶部边缘和底部边缘以及在约7.5微米到约50微米范围内的厚度，并包括相对的前基片表面和后基片表面，该基片由具有低导热性的电绝缘材料形成；一系列伸长交替的n型和p型热电臂，以隔开并行排列的方式设置在所述前基片表面上，每个所述n型和p型热电臂由Bi2Te3型热电材料形成，所述热电材料具有在约10微米到约100微米范围内的厚度，每个n型和p型热电臂具有一宽度和一长度，所述宽度在从约10微米到约100微米范围内，所述长度在从约100微米到约500微米范围内；其中每个所述p型热电臂被电气连接到在所述p型热电臂的对端的相邻的n型热电臂以使所述n型和p型热电臂串联电气连接且并联热连接；所述顶板和底板被电气连接到一系列交替的n型和p型热电臂的对端的相应端。2、 根据权利要求1所述的热电发生器，其中所述p型热电臂的所述热电 材料为具有下列分子式的半导体化合物(Bi0.15SbQ.85)2Te3加上约10原子o/。Te过剩量(excess)到约30原子。/。Te 过剩量。3、 根据权利要求2所述的热电发生器，其中所述p型Bi2Te3型热电材料 在约20摄氏度下具有达到约45pW/(Kcm)的功率因数(Pp)。4、 根据权利要求1所述的热电发生器，其中所述n型热电臂的热电材料 为具有下列分子式的半导体化合物Bi2(Te。.9Se(u)3加上约10原子。/。(Teo.9Se(u)过剩量到约30原子。/。(Teo.9Seo.0 过剩量。5、 根据权利要求4所述的热电发生器，其中所述n型Bi2Te3型热电材料 在约20摄氏度下具有达到约45nW/(Kcm)的功率因数(Pn)。6、 根据权利要求1所述的热电发生器，其中 开路电压输出在约4，0V和约6.5V之间；在约为5K的所述顶板和底^反之间的温差下，短;咯电流输出在约60pA 和约100jiA之间。7、 根据权利要求1所述的热电发生器，其中在约为5K的所述顶板和底板之间的温差和在约2.5V和约3V之间的电 压下，电功率输出在约70)iW和约130pW之间。8、 根据权利要求l所述的热电发生器，其中 所述顶板和底板具有在约4mm到约80mm范围内的直径； 所述顶板和底板被隔开以限定所述热电发生器的总高度在约0.3mm和约4.0mm之间。9、 一种热电发生器，包括一顶板和一底板，被彼此平行隔开设置并具有大致圆形的形状； 一螺旋状缠绕的箔配件，其被锁位在所述底板和顶板之间并热相连所述 顶板和底板，所述箔配件包括一系列以彼此端到端的关系设置并且串联电气连接的箔段，每个所述箔段包括一基片，其具有顶部边缘和底部边缘以及在7.5微米到50微米范围 内的厚度，并包括相对的前基片表面和后基片表面，该基片由具有低导 热性的电绝缘材料形成；一系列伸长交替的n型和p型热电臂，以隔开并行排列方式设置在 所述前基片表面和后基片表面的至少一个上，每个所述n型和p型热电 臂由Bi2Te3型热电材料形成，所述热电材料具有在约IO微米到约100 微米范围内的厚度，每个n型和p型热电臂具有在约IO微米到约100 微米范围内的宽度和在约100微米到约500微米范围内的长度； 其中每个所述p型热电臂被电气连接到在所述p型热电臂的对端的相邻的n型热电臂以使所述n型和p型热电臂串联电气连接且并联热连接。10、 根据权利要求9所述的热电发生器，其中 每个所述箔段具有相对的自由端；所述箔配件还包括数个连接件；每个所述连接件被设置为贴着所述前基片表面和后基片表面的至少一 个，并被按一定尺寸制造且用于机械连接相邻箔段的自由端。11、 根据权利要求IO所述的热电发生器...

【专利技术属性】
技术研发人员：英戈斯达克，
申请(专利权)人：数字安吉尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]