小功率热电发生器制造技术

公开了一种用于热电发生器（１０）的箔段，热电发生器（１０）包括按照分隔关系设置在底板（１２）上的顶板（１４）。箔段阵列（１６）以并排排列的形式垂直地设置在底板和顶板之间，并与之热接触。每一个箔段包括具有大约７．５－５０微米厚度的衬底（１８），相对的前和后衬底表面，以及以并排排列的形式设置在前衬底表面上的一系列分隔的交替ｎ型和ｐ型热电分支。由具有大约５－１００微米厚度、大约１０－１００微米宽度和大约１００－５００微米长度的基于碲化铋的热电材料形成每个ｎ型和ｐ型分支（３２，３４）。交替的ｎ型和ｐ型热电分支（３２，３４）在电学上串联连接，而在热学上并联连接，使得底板和顶板之间的温差导致产生电力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及热电器件，更具体地说，涉及一种自给自足的小功率热电发生器，它具有小尺寸和相对高的、特别适于与微电子器件兼容的电压输出。
技术介绍
微电子器件的日益增长的小型化趋势要求开发小型化的电源。电池和太阳能电池是用于这样的微电子器件的传统电源。然而，由电池供应的电力随时间而消耗，要求周期性地更换电池。太阳能电池虽然具有有效无限的使用寿命，但是由于太阳或其它光源并不是总可以得到，所以只能提供短暂的电源。热电发生器是自给自足的能源，它根据已建立的物理原理将热能转换为电能。塞贝克(Seebeck)效应是一种传输现象，基于这种现象，利用没有运动部件的固态电气部件从热能产生电力。塞贝克效应利用一对在一端连接的、被称为热电偶的异金属(n型和p型)。n型和p型分别代表材料内的负和正类型电荷载流子。如果热电偶的连接端受热，同时未连接端保持冷，则在未连接的两端产生一个电动势(emf，electromotive force)或电压势。根据金属的自由电子理论，作用于两种异金属的结合部的电子的力倾向于把电子从具有较高电子密度的金属拉向具有较低电子密度的金属。得到电子的金属获得负电位，而失去电子的金属获得正电位。跨越热电偶的温度梯度可以人工地施加，也可以作为“废热”(诸如由人体恒定地排出的热量)而自然地出现。在一块手表中，一面暴露于空气处于环境温度下，而相反的一面则暴露于配戴者皮肤的较高温度下。因此，在手表的厚度上呈现一个小的温度梯度。热电发生器可以被纳入到手表中，以便利用废热，并且产生足以使手表作为独立单元运行的电源。有利的是，许多微电子器件在大小上都类似于一块典型的手表，仅需要少量的功率，并且因此兼容于由热电发生器来供电。可以通过几种方法，从数学上来表征一个热电发生器的运行参数。例如，在热电偶的未连接端上测出的电压直接正比于两端上的温差。在保持其两端的温差T1和T2的条件下，当构成热电偶的n型热电分支和p型热电分支在电学上被串联连接，而在热学上被并联连接时，塞贝克效应下的开路电压V在数学上可以由下列公式表示V＝S(T1-T2)式中，S为以每度微伏(μV/K)表示的塞贝克系数。可以用一个传统上由下式给出定义的热电品质因数(Z)来表征热电发生器的效率Z＝S2σ/κ式中，σ和κ分别是电传导率和热传导率。以κ的倒数表示的品质因数Z表示可用在热电发生器中的热电材料的热和电属性。提高热电发生器的效率的关键之一在于研制具有低电阻、高塞贝克系数和低热传导率的高度有效的热电膜。改进热电发生器的另一个关键在于提高热电偶的集成密度。通常通过废热源，在热源和热宿之间只存在小的温差。由于这个温差很小，所以必须把大量的热电偶串联在一起，以便产生足够的热电电压。因而，热电偶的截面必须具有长度与宽度之间的极大的纵横比。现有技术包括企图提高热电发生器的效率和运行特性的多个器件。一种现有技术器件包括一个导热衬底，它被设置成与相对低温区的高温区热接触。热量从高温区流进导热衬底并流进多个从晶体材料切割得到的交替n型和p型热电分支。n型和p型热电分支在电学上被串联连接，同时在热学上被并联连接。所述n型和p型热电分支以二维棋盘图案形成在衬底上。由于总电压是跨越每个n型和p型对的个别电压的总和，并且由于n型和p型热电分支的每个热电偶在给定的温差下仅能产生几毫伏，所以需要一个十分大的面积来包围交替的n型和p型热电分支的棋盘图案。这样一个大面积的需求妨碍了热电发生器的小型化。另一种现有技术的器件提供具有无缝隙的绝缘蛋箱(eggcrate)的热电模块，以便为多个n型和p型热电分支提供绝缘空间。没有缝隙消除了热电分支之间的侧壁电气短路的可能性。在所述模块的冷热两侧，热电分支在电学上被串联连接，同时在热学上被并联连接。电学连接由在一层钼上面的一层铝构成。表面被碾碎，以便暴露蛋箱的侧壁，除了各热电分支相互连接的区域。虽然参考模块克服了相邻热电分支之间的电气短路问题，但是参考的器件要求大量的制造步骤，因而是成本高昂的。其它企图使热电发生器小型化的现有技术器件已经通过使热电偶的个别的单片结构小型化，来提高热电偶的集成密度。虽然这样的器件成功地把这些体材料碲化铋热电偶的截面减小到足够小的尺寸，但是，在从体材料处理和制造这些碲化铋热电偶方面的极端困难转换为极高的生产成本，从而导致最终产品的非常高的成本。着眼于传统的热电发生器的上述缺点，在业界中存在对一种与微电子器件的要求兼容的热电发生器的需求。更具体地说，存在对一种具有小尺寸、用于产生小功率的热电发生器的需求，这种热电发生器特别适于产生高输出电压，同时能以相对较低的成本进行批量生产。
技术实现思路
本专利技术专门地解决和缓解了以上所参照的与热电发生器有关的缺陷。更具体地说，本专利技术是一种用于自给自足的小功率热电发生器的改进了的箔段，它具有小尺寸，并且特别地适于与微电子器件相兼容。本热电发生器根据塞贝克效应，利用热梯度来产生有用的电力。所述热电发生器由底板、顶板和箔段阵列构成。箔段阵列以并排排列的方式置于底板和顶板之间。每一个箔段都被垂直地置于底板和顶板之间，并且与之热接触。一系列交替的n型和p型热电分支被设置在每一个箔段的衬底上。通常用碲化铋型热电材料来制造热电分支。顶板按照分隔的关系被设置在底板的上方。底板和顶板可以具有通常为正交的配置，并且可以用任何刚性材料(诸如陶瓷材料)来制造。底板和顶板被配置成在热宿和热源之间提供热接触，使得在交替的n型和p型热电分支上产生温度梯度。每一个箔段具有一个前衬底表面以及与前衬底表面相对的一个后衬底表面。各箔段可以这样排列，使得箔段的后衬底表面面向一个相邻箔段的前衬底表面。被隔开的、交替的n型和p型热电分支以互相平行排列的方式设置在前衬底表面上。n型和p型热电分支中的每一个都由热电材料形成，所述热电材料通常具有处于大约5微米(μm)到大约100微米的厚度，优选的厚度约为7微米。前衬底表面可以具有比后衬底表面更为光滑的表面粗糙度，以便提高在前衬底表面上形成n型和p型热电分支的可重复性。一个p型和n型热电分支对构成热电发生器的一个热电偶。热电分支的宽度可以处于从大约10微米到大约100微米的范围内。其长度可以处于从大约100微米到大约500微米的范围内。n型和p型热电分支的优选长度约为500微米。n型热电分支的优选宽度约为60微米，而p型热电分支的优选的宽度约为40微米。可以根据每一个n型和p型热电分支的电导率的差异，将各个n型和p型热电分支的几何尺寸调整到一定程度。p型热电分支中的每一个都通过一个热端金属桥和一个冷端金属桥，在p型热电分支的相对端电连接到相邻的n型热电分支，使得电流可以通过热电分支，从p型热电分支的底部流向顶部，并且从n型热电分支的顶部流向底部。多个箔段最好是包括总共大约5000个热电偶，它们被连接在一起，基本上均匀分布在箔段阵列上，并且形成一个热电偶链。每一个热电偶都包括一个n型和一个p型热电分支。因此，一个具有5,000个热电偶的热电发生器将包括5,000个n型热电分支和5,000个p型热电分支。虽然热电发生器可以包括任何数目的箔段，但是最好是包括大约120个箔段，每一个箔段包括大约40个热电偶。在热电偶链的每一个极端，都可以设置一个接触焊盘。热端金属桥和冷端金属桥中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于热电发生器的箔段，所述箔段包括：具有相对的前和后衬底表面的衬底；以及按照分隔的平行排列方式配置在前衬底表面上的一系列细长的交替ｎ型和ｐ型热电分支，每一个ｎ型和ｐ型热电分支都由具有处于从大约５微米到大约１００微米范围内 的厚度的热电材料形成，每一个ｎ型和ｐ型热电分支都有宽度和长度，宽度处于从大约１０微米到大约１００微米范围内，长度从大约１００微米到大约５００微米范围内；其中，每一个ｐ型热电分支在ｐ型热电分支的相对端电连接到一个相邻的ｎ型热电分支，使 得ｎ型和ｐ型热电分支系列在电学上串联连接，而在热学上并联连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：英戈斯达克，比德周，
申请(专利权)人：应用数字解决方案公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]