[發明專利]具有三維微結構的熱電換能器和制造該換能器的方法

有效

• 申請號: 201080043511.1
• 申請日: 2010-09-20
• 公開（公告）號: CN102576721B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: H.黑德勒;J.扎普夫
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: H01L27/16
• 分類號: H01L27/16;H01L35/32;G01J5/12;H01L35/34
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李少丹;李家麟

技術領域

本發明涉及一種具有三維微結構的熱電換能器以及一種用于制造該換能器的方法，和該換能器的應用。

背景技術

基于塞貝克效應的熱電換能器是已知的。這些換能器作為熱電傳感器來使用。這樣的換能器的基本元件是具有兩個熱鐵心的熱電偶，所述熱鐵心由具有不同熱電動勢（Thermo-Kraft）（塞貝克系數）的不同熱鐵心材料組成。

這種熱電換能器的熱電偶例如構成為具有橫向構造的二維結構。熱電偶的熱鐵心在這種情況下平面地位于薄膜上。熱鐵心的熱傳感器接觸部布置在所述薄膜的中心，并且熱鐵心的冷傳感器接觸部布置在承載所述薄膜的硅框上。

所述二維結構具有大的空間需求，同時與此相比熱電活性的傳感器面積較小。

發明內容

本發明的任務是提供一種具有與現有技術相比較小的空間需求的熱電換能器。

為了解決該任務，說明一種用于利用至少一個熱元件來相互轉換熱能和電能的熱電換能器。所述換能器具有至少一個自承載（selbst-tragend）的三維微結構，所述微結構具有第一微柱和至少一個第二微柱，所述第一微柱具有第一微柱縱向伸展、第一微柱直徑和至少一種具有第一熱電動勢的第一微柱材料，并且所述至少一個第二微柱具有第二微柱縱向伸展、第二微柱直徑和至少一種具有與該微柱材料相比不同的第二熱電動勢的第二微柱材料。在此，這些微柱就縱向伸展來說基本上相互平行地布置。微柱直徑從0.1μm至200μm的范圍中選擇。這些微柱分別具有處于20至1000的范圍中的縱橫比。此外，這些微柱作為熱電偶相互耦合以構造熱電壓。優選的，從0.3μm至200μm的范圍中選擇微柱直徑。

微柱的基本上平行的布置在此意味著，就微柱縱向伸展的取向來說可以給出至多10°的偏差。

優選的，微結構具有多個這樣的熱電偶。在此，多個熱電偶優選相互串聯地耦合，使得熱電偶的熱電壓的和基本上產生多個熱電偶的總熱電壓。由此在熱吸收輻射的情況下，可以實現每瓦特大于1000V的入射吸收輻射的極高的靈敏度。

為了解決該任務，還說明一種用于制造熱電換能器的方法，具有以下方法步驟：a)提供具有模板材料的模板，其中模板具有基本上與熱電換能器的微結構相反的三維模板結構，所述模板結構具有柱狀的模板空腔，b)將微柱材料布置在柱狀空腔中，使得形成微柱，以及

c)至少部分地去除模板材料。

優選的，為了布置微柱材料執行下面的其它方法步驟：d)將至少一種微柱材料的原材料引入到空腔中，以及e)將微柱材料的原材料轉換為微柱材料。

借助微結構來利用第三維。由此成功地使得與現有技術相比明顯地減小了熱電換能器的熱電偶的空間需求。利用微結構可以將多個熱電偶布置在最小的空間上。由此產生具有刷子狀的、三維構造的微結構的熱電換能器，所述微結構由（對稱的）矩陣狀布置的、特別薄的微柱（纖維，針）組成。所述微結構具有包括柵格點的柵格。這些柵格點由微柱構成。目前還不存在用于在最多1000μm以及更大的纖維長度的情況下制造包括小于10μm的（纖維）柵格的這樣的微結構的方法。

熱電換能器基于塞貝克效應。在這種情況下，熱能被轉換為電能。微柱是熱電偶的熱鐵心。但是熱電換能器也可以相反地在利用珀耳帖效應的條件下來運行。在這種情況下，熱電偶被熱電流流過。在這種情況下被釋放的熱能可以被輸出給環境。根據狀況這會導致環境的加熱或冷卻。作為微柱材料考慮多種材料，例如金屬、金屬合金、半金屬和半導體化合物。尤其是，第一微柱材料和/或第二微柱材料具有從鉍、銻、碲和鉛構成的組中選擇的元素。微柱材料可以僅分別由這些元素之一組成。還可以考慮這些元素的合金以及它們的化合物。在這種情況下，首先采用在室溫下是一種非常有效的熱鐵心材料的鉍碲化物（Bi₂Te₃）。其它合適的材料是以下組成：銻化鉍（BiSb）、碲化鉛（PbTe）或鍺化硅（SiGe）。

用于制造所述微結構的基本思想在于，基于模板（基體，模板）提供與所述微結構相反的、具有模板空腔的模板結構（基體結構）。模板空腔就其模板空腔縱向延伸來說基本上相互平行地取向，并且分別具有處于20至1000的范圍中的縱橫比，以及分別具有處于0.1μm至200μm的范圍中的模板空腔直徑。相鄰的模板空腔之間的距離也相應于微結構的微柱距離。通過該制造方法，第三維被用于實現熱電換能器。

微柱優選并排布置。但是也可以考慮將微柱上下疊置地布置。在這種情況下，微柱優選相互直接接觸。因此根據特殊的設計，微柱相互上下疊加地被布置為具有總體縱向伸展的總體微柱。第一微柱和第二微柱構成所述總體微柱的片段。