一種將冷端和熱端分離的新型薄膜熱電半導(dǎo)體器件制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新型熱電半導(dǎo)體器件的制造技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)熱電半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)見圖1，由N型熱電半導(dǎo)體元件(I)和P型熱電半導(dǎo)體元件(2)，通過導(dǎo)體(3)、(4)，將N型、P型熱電半導(dǎo)體元件電氣串聯(lián)連接，構(gòu)成一個常見的制冷熱電堆，通常將一對N型、P型熱電半導(dǎo)體元件構(gòu)成的熱電堆稱為一對熱電偶。
[0003]按照圖1的極性連接直流電源后，電流方向由N型熱電半導(dǎo)體元件(I)流向P型熱電半導(dǎo)體元件(2)，導(dǎo)體(3)連接的P、N元件結(jié)合面處的溫度下降并吸熱，構(gòu)成熱電堆的冷端。在同一熱電元件的另一端，電流方向是P型熱電半導(dǎo)體元件(2)經(jīng)過電源流向N型熱電半導(dǎo)體元件(1)，導(dǎo)體(4)連接的P、N元件結(jié)合面處的溫度上升并放熱，構(gòu)成熱電堆的熱端。(如果將直流電源的極性反接，則熱電堆的冷端與熱端也會調(diào)換)。借助熱交換設(shè)備等各種傳熱手段，將熱電堆的熱端不斷散熱并保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到需要降溫的工作環(huán)境中去吸熱降溫，構(gòu)成熱電制冷的基本工作原理。
[0004]采用與圖1相同的元件結(jié)構(gòu)，按照圖2所示的結(jié)構(gòu)，在熱電元件的5端散熱，在熱電元件的6、7端施加熱能，使得熱電元件的冷、熱兩端保持一定的溫度差，則熱電元件的導(dǎo)線6、7兩端就會產(chǎn)生電動勢，外接負(fù)載8就有電功率輸出，構(gòu)成溫差發(fā)電的基本工作原理。
[0005]由于一對P/N熱電半導(dǎo)體制冷熱電元件的制冷量很小，實(shí)際應(yīng)用的熱電堆是將多對P/N熱電半導(dǎo)體制冷熱電元件電氣串聯(lián)或并聯(lián)起來，封裝成一個整體，滿足不同的應(yīng)用需求，圖3是熱電半導(dǎo)體元件串聯(lián)示意圖，按照圖3中標(biāo)示的電源極性，(9)是冷端，(10)是熱端。圖4是多對熱電半導(dǎo)體元件對串聯(lián)的熱電堆封裝成產(chǎn)品的示意圖。
[0006]傳統(tǒng)熱電半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，導(dǎo)致了熱電半導(dǎo)體器件工作時，器件(A)面及(B)面的兩個工作面(見圖4)，一面制熱，一面制冷(由流過P/N串聯(lián)的熱電半導(dǎo)體元件的電流的方向決定)。由于熱電半導(dǎo)體材料固有的物理特性，例如:材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)、材料的體積電阻率，導(dǎo)致了熱電半導(dǎo)體元件內(nèi)部的熱交換機(jī)制難以克服，這些材料固有的熱傳導(dǎo)物理特性產(chǎn)生的內(nèi)部熱交換，抵消了熱電半導(dǎo)體材料自身物理效應(yīng)(帕爾貼效應(yīng))產(chǎn)生的制熱及制冷的性能，也就是說，熱電半導(dǎo)體器件顯示的外部的冷端與熱端的溫度差指標(biāo)是熱電元件材料內(nèi)部熱交換(冷、熱抵消)平衡以后的結(jié)果。
[0007]熱電半導(dǎo)體器件的熱偶元件晶粒，是用大塊的半導(dǎo)體材料經(jīng)切割、打磨成特定尺寸，然后按上述結(jié)構(gòu)順序焊接制成，成品熱電器件冷端與熱端的距離，根據(jù)功率的大小，大致在2-5毫米之間，熱電器件的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，決定了熱電半導(dǎo)體器件在制冷工況工作時，器件的上下兩個工作面(見圖4)，一面制熱，一面制冷(由流過P/N熱電半導(dǎo)體元件的電流的方向決定)，由于熱電半導(dǎo)體材料固有的物理特性，例如:材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)、材料的體積電阻率，導(dǎo)致了熱電半導(dǎo)體元件內(nèi)部的熱交換機(jī)制難以克服，這些固有的物理特性產(chǎn)生的內(nèi)部熱交換，抵消了熱電半導(dǎo)體材料自身特性產(chǎn)生的制熱及制冷的性能。
[0008]對于工作于發(fā)電工況的熱電半導(dǎo)體器件，其端口的輸出電壓與熱電器件的冷、熱端之間的溫差成正比，熱電器件內(nèi)部的熱交換，同樣制約了熱電器件的溫差發(fā)電性能。
[0009]換句話說，傳統(tǒng)熱電半導(dǎo)體器件顯示的外部的冷端與熱端(通常有2-5毫米的距離)的溫度差指標(biāo)是熱電元件材料內(nèi)部熱交換(冷、熱抵消)平衡以后的結(jié)果，這也是制約熱電器件整體性能的主要原因，設(shè)法降低內(nèi)部熱交換對熱電器件性能指標(biāo)的影響，是整個熱電半導(dǎo)體行業(yè)對熱電材料研究的重點(diǎn)方向，例如，改變熱電材料的晶粒尺寸、改變熱電材料的聲子散射機(jī)制、利用納米技術(shù)改變材料的維度、限定材料的量子隧道效應(yīng)以及制作納米薄膜等等，都是為減少材料內(nèi)部的熱導(dǎo)率，以此來提升熱電材料的優(yōu)值系數(shù)，但是，受制于傳統(tǒng)熱電半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)特征，上述努力收效甚微，制約了熱電技術(shù)的普及性應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的，是提供一種用采用薄膜制造技術(shù)將傳統(tǒng)熱電半導(dǎo)體器件的冷端和熱端分離的全新的熱電半導(dǎo)體器件。
[0011]本發(fā)明的解決方案是，在構(gòu)成熱電半導(dǎo)體器件基本特征的熱端與冷端之間，增加一段電氣通路同時也是冷、熱溫度交互的過渡段，將熱電器件單元的冷端與熱端分隔，實(shí)現(xiàn)熱電器件冷、熱端分離的目的。
[0012]具體制作過程是采用薄膜或者厚膜電路生產(chǎn)工藝技術(shù)，在耐高溫薄膜上制作構(gòu)成熱電半導(dǎo)體器件的熱端與冷端的物理結(jié)構(gòu)、內(nèi)部電氣連接結(jié)構(gòu)，冷端與熱端的相對距離在物理結(jié)構(gòu)上可以任意調(diào)整的過渡段以及薄膜導(dǎo)電引線的薄膜(或者厚膜)熱電半導(dǎo)體器件單元，將這些薄膜熱電半導(dǎo)體單元按照一定的規(guī)律串聯(lián)(電氣及物理結(jié)構(gòu))連接構(gòu)成薄膜熱電半導(dǎo)體器件部件單元，然后在真空或保護(hù)氣氛環(huán)境下的加壓燒結(jié)固化，制成冷、熱端分離的薄膜熱電半導(dǎo)體器件的組件模塊，安裝保護(hù)外殼及導(dǎo)熱部件后構(gòu)成完整的新型熱電半導(dǎo)體器件。
[0013]本發(fā)明的解決方案示意圖見圖5，在耐高溫薄膜(11)上按照設(shè)定的結(jié)構(gòu)(冷端、熱端及過渡段)，先在薄膜上印制將冷、熱端分離的導(dǎo)電薄膜(12)及(17)，然后在特定位置分別涂覆P型熱電半導(dǎo)體材料(13)，以及N型熱電半導(dǎo)體材料(14)，在熱電半導(dǎo)體薄膜與導(dǎo)電薄膜重疊的部分，分別構(gòu)成熱電半導(dǎo)體器件的冷端和熱端，導(dǎo)電薄膜(12)及(17)之間的間隔構(gòu)成冷、熱端的過渡段，相對距離可以按應(yīng)用需求調(diào)整，(15)與(16)是熱電半導(dǎo)體薄膜器件的電源引出端。
[0014]熱電薄膜的生產(chǎn)工藝，可以采用磁控濺射、化學(xué)沉積、分子外延等可以生成薄膜的應(yīng)用技術(shù)，在薄膜基材上生成熱電材料薄膜；
采用厚膜電路生產(chǎn)工藝技術(shù)，可以采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)、或者噴涂技術(shù)，將熱電半導(dǎo)體材料粉末按設(shè)定的結(jié)構(gòu)印制到薄膜基材上。
[0015]為了獲得更好的實(shí)際應(yīng)用指標(biāo)(更大的輸出功率、更高的端口電壓等)，上述熱電半導(dǎo)體材料薄膜構(gòu)成的薄膜器件單元可以在一個完整的薄膜上用合適的生產(chǎn)過程以串聯(lián)的形式連續(xù)生產(chǎn)數(shù)百或數(shù)千個薄膜器件單元，構(gòu)成一個有較大端口電動勢的完整的薄膜熱電器件單元部件，然后按照一定的設(shè)計(jì)規(guī)格折疊成合適大小的結(jié)構(gòu)尺寸，折疊方法示意圖見圖6，