Тонкоплёночный термоэлектрический генератор

Полезная модель относится к области термоэлектричества и может быть использована для построения устройств прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно термоэлектрических приборов, основанных на эффекте Зеебека.
Широко известны различные конструкции термоэлектрических генераторов того же назначения.
Известен термоэлектрический модуль по патенту RU 2234765 H01L 35/32, состоящий из полупроводниковых материалов p-типа и n-типа, токосъемных контактов, места контакта с низкотемпературной средой и места контакта с высокотемпературной средой. Недостатком термоэлектрического модуля является использование множества объемных призматических полупроводниковых элементов p-типа и n-типа и металлических шин, что делает процесс контроля качества термоэлектрического модуля большой площади трудным и дорогим. Известна монолитная генераторная термоэлектрическая батарея по патенту RU 93584 H01L 35/00, H01L 35/08, состоящая из полупроводниковых материалов р-типа и n-типа, токосъемных контактов, места контакта с низкотемпературной средой и места контакта с высокотемпературной средой. Недостатком этого устройства является использование множества чередующихся полупроводниковых элементов р-типа и n-типа, что затрудняет процесс создания термоэлектрического модуля большой площади по причине необходимости обеспечения качества большого числа элементов и их взаимных контактов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату аналогом, предлагаемой полезной модели, можно отнести твердотельное термоэлектрическое устройство RU 2001122816 H01L 25/00, принятое за прототип.
Устройство прототип содержит: матрицу металлических проводниковых и/или полупроводниковых слоистых термоэлектрических элементов n-типа и р-типа, смонтированных на печатной плате и имеющую конструкцию образованную из по меньшей мере, одной пары слоистых элементов. Печатная плата состоит из слоя проводящего материала, слоистых элементов и электрически последовательно соединяет термоэлектрические элементы для образования термопар, имеющих горячую и холодную стороны, соответственно, только на одной стороне конструкции. Указанная конструкция термоэлектрического устройства имеет свернутую в спираль или круглую конфигурацию.
Недостатком представленного прототипа является сложная конструкция, его высокая стоимость, которая обусловлена низкой производительностью процесса изготовления модуля.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции, а также снижение стоимости производства термоэлектрического генератора при одновременном повышении производительности процесса его изготовления.
Для решения поставленной задачи в тонкопленочном термоэлектрическом генераторе, содержащем тонкопленочные слои полупроводниковых материалов р-типа и n-типа, изолирующего материала, термоизоляционного материала, токопроводящие и токосъемные контакты и площадки для теплового контакта с низкотемпературной и высокотемпературной средами, согласно полезной модели, между слоями тонкопленочного диэлектрического материала, контактирующими с низкотемпературной и высокотемпературной средами, расположены электрически контактирующие посредством р-n перехода полупроводниковые слои и термически, и электрически изолированные от них и их продолжения, которые электрически изолированы между собой, чередующиеся со слоями термоизоляционного диэлектрического материала и диэлектрического материала, причем слой из тонкопленочного диэлектрического материала и тонкопленочного термоизоляционного диэлектрического материала выполнены с вырезами в виде окон.
Предлагается новая конструкция термоэлектрического генератора. Существенными признаками предлагаемой конструкции являются:
1) Геометрическая форма элементов. В отличие от прототипа, предлагаемое устройство состоит не из матрицы элементов полупроводниковых материалов р-типа и n-типа, токопроводящих и токосъемных шин, а из непрерывных однородных протяженных тонкопленочных слоев полупроводника р-типа (n-типа), полупроводника n-типа (р-типа), диэлектрического материала и термоизоляционного материала.
2) Взаимное расположение элементов. В отличие от прототипа, в устройстве места контактов элементов представляют собой протяженные однородные поверхности.
На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство в поперечном разрезе (вид сбоку). Индексами Т1 и Т2 обозначены среды с температурой Т1 и Т2 соответственно. Индексами A1, А2, B1, В2 обозначены плоскости, перпендикулярные плоскости фигуры 1, при этом расположение плоскостей по отношению друг к другу не имеет точный расстояний. Цифрами 1, 4, 9, 13 обозначены тонкопленочные слои диэлектрического материала, цифрами 2, 6, 11 - тонкопленочные слои термоизоляционного диэлектрического материала, цифрами 3, 10 - тонкопленочные слои полупроводникового материала р-типа или n-типа, цифрами 5, 7 - тонкопленочные слои полупроводникового материала n-типа или р-типа (слои обратной проводимости по отношению к слоям 3, 10), цифрами 8, 12 - тонкопленочные слои, представляющие собой проводящие контакты.
На фиг. 2 изображен слой 1, перпендикулярный плоскости фигуры 1. Индексами А1, А2, B1, В2, C1, С2 обозначены плоскости, перпендикулярные плоскости фигуры 2.
На фиг. 3 изображен слой 2 поверх слоя 1.
На фиг. 4 изображен слой 3 поверх слоя 2 и слоя 1.
На фиг. 5 изображен слой 4 поверх слоев 3, 2, 1.
На фиг. 6 изображен слой 5 поверх слоев 4, 3, 2, 1.
На фиг. 7 изображен слой 6 поверх слоев 5, 4, 3, 2, 1.
На фиг. 8 изображен слой 7 поверх слоев 6, 5, 4, 3,2, 1.
На фиг. 9 изображен слой 8 поверх слоев 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1.
На фиг. 10 изображен слой 9 поверх слоев 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1.
На фиг. 11 изображен слой 10 поверх слоев 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1.
На фиг. 12 изображен слой 11 поверх слоев 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1.
На фиг. 13 изображен слой 12 поверх слоев 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3,2, 1.
На фиг. 14 изображен слой 13 поверх слоев 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1.
Изготовление предлагаемого термоэлектрического генератора начинается с создания слоя 1 (фиг. 1) из тонкопленочного диэлектрического материала, изображенного на фигуре 2 и фигуре 1. Этот и последующие слои могут быть созданы различными известными из уровня техники способами, в частности, методом напыления. Эти способы позволяют создавать слои любой геометрии и любой протяженности, в виду известной технологии тонкопленочного нанесения материалов.
На фиг. 2 изображен слой 1, имеющий обозначение 1 на фиг. 1, располагающийся перпендикулярно поперечному разрезу заявленного генератора (фиг. 1), в соприкосновении со средой с температурой Т1. Индексами А1, А2, B1, В2, C1, С2 обозначены плоскости, перпендикулярные плоскости фигуры 2. Говоря про границы слоя, далее по тексту описания считаем, что продольная граница слоя - граница, перпендикулярная плоскостям А1, А2, В1 и В2 (параллельная плоскостям С1 и С2), поперечная граница - граница, параллельная плоскостям А1, А2, В1 и В2 (перпендикулярная плоскостям С1 и С2).
После этого поверх слоя 1 наносится слой 2 из тонкопленочного термоизоляционного диэлектрического материала (фиг. 1 и фиг. 3).
Слой 2 имеет вырез в виде окна, через который будет осуществляться термический контакт пары полупроводниковых материалов со средой с температурой Т1 (фиг. 1). Слой 2 располагается в границах слоя 1, строго совпадая с ним. Слой 2 имеет внутреннюю рамку и касается везде по своей площади слоя 1, кроме того места, где располагается внутренняя рамка. Внутренняя рамка слоя 2 располагается строго справа от плоскости А2, совпадая с местом прохождения плоскости А2, но в любом месте, в пределах границ слоя 2, нигде не совпадая с ними (фиг. 1 и фиг. 3).
Затем поверх слоя 2 и слоя 1 наносится слой 3 из тонкопленочного полупроводникового материала n-типа или p-типа на фиг. 4 и фиг. 1. Слой 3 должен полностью заполнять вырез слоя 2, но не выходить за внешние границы слоя 2. На фигуре 4 слой 3 располагается в границах слоя 2, строго не совпадая с ними, но полностью перекрывая внутреннюю рамку слоя 2, не совпадая с ней, таким образом, что одна из поперечных границ слоя 3 расположена строго слева от плоскости А1, а другая поперечная граница слоя 3 расположена строго справа от правой поперечной границы внутренней рамки слоя 2, не совпадая с ней, которая располагается справа от плоскости В2. Одна из продольных границ слоя 3 расположена сверху от плоскости С1, перекрывая верхнюю продольную границу внутренней рамки слоя 2, а другая продольная граница слоя 3 расположена ниже плоскости С2, таким образом, что она располагается между нижней продольной границей внутренней рамки слоя 2 и нижней продольной границей слоя 2. Слой 3 по всей своей площади касается слоя 2, кроме той своей части, которая располагается над внутренней рамкой слоя 2. В границах внутренней рамки слоя 2, слой 3 касается слоя 1.
Затем поверх слоя 2 и слоя 3 наносится слой 4 с внутренней рамкой из тонкопленочного диэлектрического материала в общем располагается поверх слоев 3, 2 и 1 (фиг. 5). Границы слоя 4 (фиг. 5) располагается строго в границах слоя 2, не совпадая с ними, но, строго вне продольных границ слоя 3, перекрывая их, при этом левая поперечная граница слоя 4 располагается между левой поперечной границей слоя 3 и плоскостью А1, не совпадая с ними, а правая поперечная граница слоя 4 строго перекрывает правую поперечную границу слоя 3. Внутренняя рамка слоя 4 располагается строго справа от поперечной плоскости А2, но в любом месте слоя 4, в пределах границ слоя 4, не совпадая с ними Слой 4 по всей своей площади касается слоев 2 и 3, как показано на фиг. 5, но не касается слоя 3 в границах своей внутренней рамки и в зазоре между левой поперечной границей слоя 3 и плоскостью А1. Внутреннюю рамку слоя 4 заполняет полупроводник из слоя 3.
После этого поверх слоя 4 и слоя 3 наносится слой 5 из тонкопленочного полупроводникового материала противоположного типа проводимости по отношению к полупроводнику слоя 3 на фиг. 5. Слой 5 и слой 3 посредством выреза в слое 4 образуют р-n переход. Слой 5 в общем располагается поверх слоев 4, 3, 2, 1. Слой 5 располагается строго в границах слоя 4, не совпадая с ними, полностью перекрывая рамку слоя 4, таким образом, что левая поперечная граница слоя 5 расположена слева от плоскости А1, правая поперечная граница слоя 5, две продольные границы слоя 5 (одна из которых выше плоскости С1, а другая ниже плоскости С2) полностью перекрывают рамку слоя 4. Слой 5 по всей своей площади касается слоя 4, кроме той своей части, которая располагается над внутренней рамкой слоя 4.
После этого поверх слоя 2, слоя 4 и слоя 5 наносится слой 6 из тонкопленочного термоизоляционного диэлектрического материала. Слой 6 в общем располагается поверх слоев 5, 4, 3, 2, 1. Границы слоя 6 строго совпадают со всеми границами слоя 2, за исключением левой поперечной границы слоя 6, которая строго совпадает с плоскостью А1 (фиг. 1 и фиг. 7).
Затем поверх слоя 6 и слоя 5 наносится слой 7 из тонкопленочного полупроводникового материала, однотипного с материалом слоя 5. Слой 7 в общем располагается поверх слоев 6, 5, 4, 3, 2, 1. Слой 7 располагается строго в границах слоя 6 и слоя 4, не совпадая с ними. Левая поперечная граница слоя 7 совпадает с левой поперечной границей слоя 5, слева от плоскости А1. Слой 7 касается слоя 5, слева от плоскости А1, и слоя 6 справа от плоскости А1 (фиг. 1 и фиг. 8).
Затем поверх слоя 7 наносится слой 8, представляющий собой токосъемный контакт, изображенный на фигуре 1 и фигуре 9. Слой 8 (токосъемный контакт) в общем располагается поверх слоев 7,6, 5, 4, 3, 2, 1. Слой 8 располагается строго в границах слоя 6, не совпадая с ним, а также перекрывая часть слоя 7. Продольные границы слоя 8 совпадают с продольными границами слоя 7. Левая поперечная граница слоя 8 располагается строго слева от правой поперечной границы слоя 7, но строго справа от плоскости В2, правая поперечная граница слоя 8 расположена строго между правой поперечной границей слоя 7 и правой поперечной границей слоя 6, не совпадая с ними (фиг. 1 и фиг. 9).
После этого поверх незакрытой части слоя 4, всего слоя 7, части слоя 8 и части слоя 6 наносится слой 9 из тонкопленочного диэлектрического материала, изображенного на фигуре 10 и фигуре 1. Границы слоя 9 не должны выходить за границы слоя 6 и слоя 2.
После этого наносится слой 9 (фиг. 10), который расположен в общем поверх слоев 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1. Слой 9 располагается в границах слоев 2 и 6, не совпадая с ними. Слой 9 соприкасается со слоями 4, 6, 7, 8. Слой 9 совпадает своими границами строго по границам слоя 4, полностью его перекрывая, слева от плоскости А1. Правая поперечная граница слоя 9 расположена между поперечными границами слоя 8, частично перекрывая слой 8.
После этого поверх незакрытой части слоя 3 и слоя 9 наносится слой 10 из тонкопленочного полупроводникового материала, однотипного с материалом слоя 3. На фиг. 11 изображен слой 10 поверх слоев 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1. Слой 10 соприкасается со слоем 9, и слоем 3 слева от плоскости А1, совпадая со слоем 3 строго по его границам слева от левой поперечной границы слоя 9. Слой 10 не перекрывает полностью слой 9 по всей площади соприкосновения слоя 10 и слоя 9 и располагается строго в границах слоя 9, не совпадая с ними.
Затем наносится слой 11. Слой 11 располагается в общем поверх слоев 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1. Слой 11 расположен в границах слоя 2 и поперечной плоскости А2, строго совпадая с их границами. Слой 11 соприкасается со слоями 2, 6, 9, 10. (На фиг. 12).
Затем поверх слоя 10 и слоя 9 наносится слой 12, представляющий собой токосъемный контакт, изображенный на фигуре 1 и фигуре 13. Слой 12 в общем располагается поверх слоев 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1. Слой 12 располагается строго в границах слоя 9, не совпадая с ними, а также перекрывая часть слоя 10, продольные границы слоя 12 совпадают с продольными границами слоя 10. Левая поперечная граница слоя 12 располагается строго слева от правой поперечной границы слоя 10, но строго справа от плоскости В2, правая поперечная граница слоя 12 расположена строго между правой поперечной границей слоя 10 и правой поперечной границей слоя 9, не совпадая с ними (фиг. 13).
Далее наносится слой 13 из тонкопленочного диэлектрического материала (на фиг. 1 и фиг. 14). Слой 13 в общем располагается поверх всех слоев 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1. Слой 13 соприкасается непосредственно со слоями 12, 11, 10, 9. Продольные границы слоя 13 совпадают с продольными границами слоя 9, левая поперечная граница слоя 13 строго совпадает с левой поперечной границей слоя 11, а правая поперечная граница слоя 13 расположена между левой поперечной границей слоя 12 и правой поперечной границей слоя 12, тем самым слой 13 частично перекрывает слой 12 (фиг. 14).
В результате, в предлагаемом устройстве, электрически контактирующие посредством p-n перехода слои 3 и 5 термически контактируют со средой с температурой Т1. В то же время, электрически изолированные слои 7 и 10, являющиеся продолжением слоев 5 и 3, термически контактируют со средой с температурой Т2. Создание температурного градиента Т1-Т2 между парами слоев 3, 5 и 7, 10 происходит с помощью термозатвора, образованного частями слоев 2, 6, 11, лежащими между плоскостями А1 и А2, чем больше расстояние между поперечными плоскостями А1 и А2, тем больше будет разность потенциалов, создаваемая предлагаемым устройством. В предлагаемом устройстве размеры термозатвора, как и всего предлагаемого устройства не регламентируются. В результате, между токосъемными контактами слоев 8 и 12 появляется разность потенциалов, создаваемая в предлагаемом устройстве.
Все слои могут иметь произвольную геометрию и размер.
Техническим результатом предлагаемого устройства является значительное упрощение конструкции термоэлектрического элемента, при известных способах изготовления, приводящих к возможности создания изделий произвольной площади, одновременно с уменьшением времени его изготовления и стоимости.