[發明專利]微型熱電器件、制作方法及包括其的溫差發電機

有效

• 申請號: 201310232020.7
• 申請日: 2013-06-09
• 公開（公告）號: CN103311262A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 金安君;彭文博;劉大為
• 申請（專利權）人: 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司
• 主分類號: H01L27/16
• 分類號: H01L27/16;H01L21/77;H01L35/02;H01L35/28;H01L35/34
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 吳貴明;張永明

技術領域

本發明涉及溫差發電機制作技術領域，更具體地，涉及一種微型熱電器件及其制作方法。

背景技術

溫差發電技術是一種利用半導體熱電材料中微觀粒子（電子或空穴）的遷移，將溫差產生的熱流直接轉變為電能的技術。溫差發電機僅由固體結構組成，不含氣、液循環工質，而且沒有移動部件，因此可以被制成任意大小和形狀，安裝于各種需要的場合，可廣泛應用于電廠的余熱回收，以及地熱、海洋能、太陽能等可再生能源的利用。

溫差發電機的核心是熱電器件，即由高度集成的半導體熱電材料組成的陣列。與傳統的發電技術和制冷、制熱技術相比，熱電器件具有以下優點：無運動部件、結構簡單、可靠性高、壽命長、噪音小、污染少、適應溫度范圍廣（200‐1400K）等。目前，工業中廣泛應用的常規尺度（毫米級）熱電器件通常由許多P型和N型的半導體熱電元件組成。這些熱電元件之間通過金屬線連接，形成電串聯，然后用絕緣的導熱陶瓷板夾住，形成熱并聯。

近年來，熱電器件的集成技術向著高集成度和低成本化的趨勢發展，熱電器件也逐步向微型化發展。但是在熱電器件微型化的過程中，熱電元件金屬化問題成為了工藝中的難點，制約了微型熱電器件（微米級）效率和可靠性的提高。所謂熱電元件金屬化是指在熱電元件兩端制備金屬電極，其難點在于一方面需要在熱電材料與金屬電極之間形成良好的歐姆接觸，另一方面需要阻止金屬電極材料向熱電材料中擴散。研究人員曾試圖將毫米級熱電器件使用的阻擋層材料應用到微米級熱電器件，但阻擋效果都不理想，而且現有熱電器件的制作工藝不能滿足微米級熱電器件對精度的要求，只能完成毫米級熱電器件的制備。

例如，在公開號為CN102412366A的中國專利發明中提出了一種碲化鉍基熱電元件金屬化的方法，電極材料選用鋁、銅、鎳等金屬或其合金，阻擋層材料選擇銻、銻化鋁、銻化鎳或銻化銅等，按照碲化鉍基熱電層材料、阻擋層材料、電極層材料的順序依次裝入石墨模具中，在真空中進行熱壓燒結，最終獲得機械可靠性較好的毫米級熱電器件。在公開號為CN101409324A的中國專利發明中提出了一種利用電弧噴涂的方法來實現鋁電極、鉬阻擋層的金屬化工藝，同樣可以實現毫米級熱電器件的金屬化。然而，現有熱電器件在結構上不適于大規模精密加工工藝，制得的熱電器件僅為毫米級，無法滿足微型熱電器件的精度要求；另外，現有熱電器件中阻擋層的阻擋作用也無法滿足微米級熱電器件的需求。

發明內容

為了解決目前微米級熱電器件產業化中存在的大規模精密加工的問題，本發明提供了一種微型熱電器件。該微型熱電器件在結構設置上非常適于微型加工工藝，使得熱電器件的大規模精密加工得以實現。

本發明的一方面在于提供了一種微型熱電器件，該微型熱電器件包括：第一基板，設置有圖案化的第一電極層；第一阻擋層，設置在第一電極層上；二氧化硅層，設置在第一基板和第一阻擋層上；熱電元件，設置在二氧化硅層中；圖案化的第二阻擋層，設置在二氧化硅層和熱電元件上；第二電極層，設置在圖案化的第二阻擋層上；以及第二基板，設置在第二電極層上。

優選地，上述熱電元件包括N型熱電元件和P型熱電元件，N型熱電元件形成第一熱電元件組，P型熱電元件形成第二熱電元件組，第一熱電元件組與第二熱電元件組交替設置；或者熱電元件排列成由多行和多列形成的矩陣，矩陣中任意多行和多列中的N型熱電元件及P型熱電元件交替設置。

優選地，在本發明所提供的一個具體實施方式中，在圖案化的第一電極層中設置有第一二氧化硅隔離件，通過第一二氧化硅隔離件形成圖案化的第一電極層；在圖案化的第二電極層中設置有第二二氧化硅隔離件，通過第二二氧化硅隔離件形成所述圖案化的第二阻擋層。更有選地，二氧化硅層被熱電元件分隔成多個第一熱電元件隔離件和多個第二熱電元件隔離件，第一熱電元件隔離件與第一二氧化硅隔離件連接，第二熱電元件隔離件與第二二氧化硅隔離件連接。

優選地，本發明提供的熱電器件的熱電元件的高度為5至200微米。

優選地，上述熱電元件為圓柱體或六面體。并且，當上述熱電元件為圓柱體時，圓柱體的直徑為1至40微米；當熱電元件為六面體時，六面體的長度和寬度為1至40微米。

優選地，本發明提供的熱電器件中的第一阻擋層和第二阻擋層的厚度為2至300納米。

優選地，本發明提供的熱電器件中的第一電極和第二電極的厚度為0.3至72微米。