一種熱電能量采集器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱電轉(zhuǎn)化技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種熱電能量采集器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種基于材料的塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)化成電能的電力技術(shù)。作為一種新能源和可再生能源的利用技術(shù),由于其體積小、質(zhì)量輕、壽命長、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)引起了國內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠充分利用工業(yè)余熱、廢熱、地?zé)岬鹊推肺荒茉矗瑸榻鉀Q能源危機(jī)帶來新的希望。
[0003]由于每個(gè)熱電單元輸出的電壓很低,為了獲得較高的電壓以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求,通常將很多熱電偶對串聯(lián)成熱電堆,從而獲得具有較高輸出電壓的熱電能量采集器。
[0004]根據(jù)熱流流經(jīng)方向的不同,熱電能量采集器主要分為垂直結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)。垂直結(jié)構(gòu)由于熱電偶臂端面與導(dǎo)熱襯底接觸面積較大,有良好的接觸,可以降低接觸熱阻和接觸電阻。但目前大多數(shù)垂直結(jié)構(gòu)的熱電能量采集器所采用BiTe等化合物,對人體和環(huán)境有害,且與CM0S-MEMS工藝不兼容,很難實(shí)現(xiàn)低成本的批量化生產(chǎn)。平面結(jié)構(gòu)一般為熱流方向沿?zé)犭娕急叟c導(dǎo)熱襯底平行的薄膜熱電偶器件。相比垂直結(jié)構(gòu)的熱電能量采集器,平面結(jié)構(gòu)的器件熱流路徑不及前者,但由于其具有較小的接觸面,從而導(dǎo)致器件具有較高的集成度。但是由于器件內(nèi)部的接觸電阻和接觸熱阻都比較大,以及制備這種結(jié)構(gòu)所使用的材料本身熱電優(yōu)值系數(shù)低,導(dǎo)致器件的溫差利用率低、輸出功率較小。
[0005]熱電能量采集器的研究工作主要集中在兩方面:1、尋找易于加工的具有高優(yōu)值系數(shù)的熱電材料;2、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu),使溫差盡可能的落在熱電偶臂兩端。熱電能量采集器的發(fā)展目標(biāo)是運(yùn)用具有較高熱電優(yōu)值系數(shù)的材料制備易于加工和集成的具有良好熱流路徑的器件。
[0006]因此,如何提供一種新型熱電能量采集器及其制作方法,以實(shí)現(xiàn)高性能熱電能量采集器的低成本批量化生產(chǎn),成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的一個(gè)重要技術(shù)問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),本發(fā)明的目的在于提供一種熱電能量采集器及其制作方法,用于解決現(xiàn)有技術(shù)中平面結(jié)構(gòu)的熱電能量采集器接觸熱阻和接觸電阻高、垂直結(jié)構(gòu)的熱電能量采集器不環(huán)保且難以低成本批量化生產(chǎn)的問題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的,本發(fā)明提供一種熱電能量采集器的制造方法,包括以下步驟:
[0009]S1:制作第一器件片,所述第一器件片包括第一導(dǎo)熱板,形成于所述第一導(dǎo)熱板上的若干分立的第一電連接塊、連接于所述第一電連接塊表面的第一熱電偶臂、以及連接于所述第一熱電偶臂頂端的第一鍵合層;
[0010]S2:制作第二器件片,所述第二器件片包括第二導(dǎo)熱板,形成于所述第二導(dǎo)熱板上的若干分立的第二電連接塊、連接于所述第二電連接塊表面的第二熱電偶臂、以及連接于所述第二熱電偶臂頂端的第二鍵合層;
[0011 ] S3:將所述第一器件片與第二器件片鍵合,使各個(gè)所述第一熱電偶臂與第二熱電偶臂通過所述第一電連接塊與第二電連接塊相互交替依次相連,其中,各個(gè)所述第一熱電偶臂通過其頂端的第一鍵合層與相應(yīng)的第二電連接塊鍵合,各個(gè)所述第二熱電偶臂通過其頂端的第二鍵合層與相應(yīng)的第一電連接塊鍵合。
[0012]可選地,所述步驟S1包括:
[0013]S1-1:提供第一導(dǎo)熱板,在所述第一導(dǎo)熱板上形成第一電連接層;
[0014]S1-2:在所述第一電連接層表面形成若干分立的第一熱電偶臂;
[0015]S1-3:在所述第一熱電偶臂頂端形成第一鍵合層;
[0016]S1-4:圖形化所述第一電連接層,得到若干分立的第一電連接塊,其中,每個(gè)所述第一電連接塊與一個(gè)所述第一熱電偶臂對應(yīng)連接。
[0017]可選地,于所述步驟S1-1中,通過濺射法形成所述第一電連接層。
[0018]可選地,于所述步驟S1-2中,形成所述第一熱電偶臂包括:
[0019]S1-2-1:在所述第一電連接層表面形成第一光刻膠層;
[0020]S1-2-2:圖形化所述第一光刻膠層,形成第一熱電偶臂圖形開口 ;
[0021]S1-2-3:在所述第一熱電偶臂圖形開口內(nèi)電鍍填充第一熱電材料,并平坦化。
[0022]可選地,于所述步驟S1-4中,通過干法刻蝕圖形化所述第一電連接層。
[0023]可選地,所述步驟S2包括:
[0024]S2-1:提供第二導(dǎo)熱板,在所述第二導(dǎo)熱板上形成第二電連接層;
[0025]S2-2:在所述第二電連接層表面形成若干分立的第二熱電偶臂;
[0026]S2-3:在所述第二熱電偶臂頂端形成第二鍵合層;
[0027]S2-4:圖形化所述第二電連接層,得到若干分立的第二電連接塊,其中,每個(gè)所述第二電連接塊與一個(gè)所述第二熱電偶臂對應(yīng)連接。
[0028]可選地,所述第一熱電偶臂的材料包括銅、銅鎳、鎳招、鎳絡(luò)、鎳絡(luò)娃、鎳娃、鐵、鈾及鈾銘中的至少一種;所述第二熱電偶臂的材料包括銅、銅鎳、鎳招、鎳絡(luò)、鎳絡(luò)娃、鎳娃、鐵、鉑及鉑銠中的至少一種。
[0029]可選地,所述第一熱電偶臂與第二熱電偶臂分別為P型碲化鉍與N型碲化鉍。
[0030]可選地,所述第一電連接塊為Ti/Au復(fù)合層或TiW/Au復(fù)合層;所述第二電連接塊為Ti/Au復(fù)合層或TiW/Au復(fù)合層。
[0031]可選地,所述第一鍵合層及第二鍵合層的材料包括Sn。
[0032]本發(fā)明還提供一種熱電能量采集器,包括第一器件片及第二器件片,其中:
[0033]所述第一器件片包括第一導(dǎo)熱板,形成于所述第一導(dǎo)熱板上的若干分立的第一電連接塊、連接于所述第一電連接塊表面的第一熱電偶臂、以及連接于所述第一熱電偶臂頂端的第一鍵合層;
[0034]所述第二器件片包括第二導(dǎo)熱板,形成于所述第二導(dǎo)熱板上的若干分立的第二電連接塊、連接于所述第二電連接塊表面的第二熱電偶臂、以及連接于所述第二熱電偶臂頂端的第二鍵合層;
[0035]所述第一器件片與第二器件片鍵合在一起構(gòu)成所述熱電能量采集器,其中,各個(gè)所述第一熱電偶臂與第二熱電偶臂通過所述第一電連接塊與第二電連接塊相互交替依次相連,其中,各個(gè)所述第一熱電偶臂通過其頂端的第一鍵合層與相應(yīng)的第二電連接塊鍵合,各個(gè)所述第二熱電偶臂通過其頂端的第二鍵合層與相應(yīng)的第一電連接塊鍵合。
[0036]可選地,所述第一熱電偶臂的材料包括銅、銅鎳、鎳招、鎳絡(luò)、鎳絡(luò)娃、鎳娃、鐵、鈾及鈾銘中的至少一種;所述第二熱電偶臂的材料包括銅、銅鎳、鎳招、鎳絡(luò)、鎳絡(luò)娃、鎳娃、鐵、鉑及鉑銠中的至少一種。
[0037]可選地,所述第一熱電偶臂與第二熱電偶臂分別為P型碲化鉍與N型碲化鉍。
[0038]可選地,所述第一電連接塊為Ti/Au復(fù)合層或TiW/Au復(fù)合層;所述第二電連接塊為Ti/Au復(fù)合層或TiW/Au復(fù)合層。
[0039]可選地,所述第一鍵合層及第二鍵合層的材料包括Sn。
[0040]如上所述,本發(fā)明的熱電能量采集器及其制作方法,具有以下有益效果:本發(fā)明的熱電能量采集器與傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的采集器相比,其垂直結(jié)構(gòu)熱電偶臂端面與導(dǎo)熱板之間具有較大的接觸面積,可以降低接觸熱阻和接觸電阻,提高器件的溫差利用率和發(fā)電功率;同時(shí),相比傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)的熱電能量采集器的制備方法,這種新型熱電能量采集器的制備方法與CMOS工藝兼容,可以實(shí)現(xiàn)環(huán)保、低成本的批量化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0041]圖1顯示為本發(fā)明的熱電能量采集器的制造方法的工藝流程圖。
[0042]圖2-圖8顯示為本發(fā)明的熱電能量采集器的制造方法制作第一器件片的示意圖。
[0043]圖9顯示為本發(fā)明的熱電能量采集器的制造方法制作得到的第二器件片的示意圖。
[0044]圖10-圖11顯示為本發(fā)明的熱電能量采集器的制造方法將所述第一器件片與第二器件片鍵合得到熱電能量采集器的示意圖。
[0045]元件標(biāo)號說明
[0046]S1 ?S3步驟
[0047]101第一導(dǎo)熱板
[0048]1011,2011硅片
[0049]1012,2012二氧化硅絕緣層
[0050]102第一電連接層
[0051]103第一光刻膠層
[0052]104第一熱電偶臂圖形開口
[0053]105第一熱電偶臂
[0054]106第二光刻膠層
[0055]107第一鍵合層
[0056]108第一電連接塊
[0057]201第二導(dǎo)熱板
[0058]202第二電連接塊
[0059]203第二熱電偶臂