МИКРОСТРУКТУРА ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ЗЕЕБЕКА, И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАКОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ
MICROCRYSTALLINE STRUCTURE FOR THERMOELECTRIC GENERATOR BASED ON SEEBECK EFFECT, AND METHOD FOR MANUFACTURING OF SUCH MICROCRYSTALLINE STRUCTURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области термоэлектрических генераторов на основе эффекта Зеебека, другими словами, к конструкциям, которые преобразуют тепловую энергию в электрическую энергию, и функциональные элементы которых меньше, чем один миллиметр.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Действие термоэлектрических генераторов на основе эффекта Зеебека состоит в преобразовании температурного градиента, воздействию которого они подвергаются, в электрический ток. Такое свойство используют, например, для генерирования электрического тока как такового, но также для охлаждения или для измерения температуры или теплового потока. Поэтому термоэлектрические генераторы обычно используют в МикроЭлектроМеханических системах, более известных под аббревиатурой MEMS (МЭМС).
Для получения электрического тока от температурного градиента создают сборку соединений при использовании материалов с различными коэффициентами Зеебека, соединенных электрически последовательно и термически параллельно, например, такими как соединенные последовательно p-n-переходы.
Какой бы тип структур не использовали для этих соединений, являются ли они планарными структурами, как в патенте US 6872879, или столбчатыми структурами, как в документе "Thermoelectric microdevice fabricated by a MEMS-like electrochemical process" ("Термоэлектрическое микроустройство, изготовленное электрохимическим способом типа МЭМС") авторов G. Jeffery Snyder и др., Nature materials, том 2, август 2003, www.nature.com/naturematerial, микроскопический характер различных элементов (проводниковых и полупроводниковых элементов, образующих переходы или соединительные элементы, например, размером менее одного миллиметра) обычно вынуждает действовать с очень высокой точностью совмещения для изготовления этих переходов таким образом, чтобы получить длинные последовательности переходов как гарантию термоэлектрической эффективности. Фактически необходимо выполнять огромное число этапов с использованием прецизионного оборудования, чтобы изготовить термоэлектрическую микроструктуру. Фактически, термоэлектрические микроструктуры предшествующего уровня техники в основном являются дорогостоящими, и их изготовление занимает много времени.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является предложение простого способа получения термоэлектрической микроструктуры, который не требует применения очень точного совмещения, в то же время обеспечивая структуре повышенную надежность в отношении неисправных переходов.
Объектом изобретения является способ получения термоэлектрической микроструктуры на основе эффекта Зеебека, содержащий этапы, на которых:
формируют изолирующую подложку, оснащенную первой и второй областями соединения;
формируют на подложке первую сборку из проводниковых или полупроводниковых элементов, проходящих параллельно и в первом направлении от первой области соединения до второй области соединения, причем элементы имеют первый коэффициент Зеебека;
формируют на подложке вторую сборку из проводниковых или полупроводниковых элементов, электрически изолированных от элементов первой сборки и проходящих параллельно и во втором направлении, отличном от первого направления, от первой области соединения до второй области соединения, причем элементы второй сборки имеют второй коэффициент Зеебека, отличный от первого коэффициента Зеебека; и,
обеспечивают в первой и второй областях соединения подложки электрические соединительные элементы, размеры которых выбирают таким образом, что каждый из соединительных элементов способен электрически соединять по меньшей мере один элемент первой сборки по меньшей мере с одним элементом второй сборки.
Согласно изобретению:
два проводниковых или полупроводниковых элемента одной сборки разделяют в предварительно заданном направлении предварительно заданным средним расстоянием в областях соединения;
средний размер соединительных элементов в предварительно заданном направлении является большим, чем максимальное значение средних расстояний между элементами одной сборки; и
расстояние в предварительно заданном направлении между краями двух соединительных элементов меньше, чем минимальное значение средних расстояний между элементами одной сборки.
Другими словами, во время первой фазы при изготовлении соответствующей изобретению микроструктуры формируют элементы, которые впоследствии будут использованы для переходов, без необходимости обеспечения их выравнивания в одной сборке и не обращая внимания на точную относительную ориентацию первой сборки относительно второй сборки. Во второй фазе эти элементы затем взаимно соединяют для получения переходов с использованием соединительных элементов, средние размеры которых более чем вдвое превышают зазор между элементами в областях соединения. Следуя этим путем, затем проверяют, что будут сформированы многочисленные переходы, которые электрически соединены последовательно. Дополнительно, ввиду значительного размера соединительных элементов, многочисленные последовательные переходы также выполняются параллельными таким образом, что, если переход прервется, тем не менее, останется параллельный путь для тока.
В то время как в предшествующем уровне техники задачей является получение одной и только одной электрической последовательности переходов, фактически требующей точного выравнивания элементов, изобретение обеспечивает преимущество в том отношении, что соединение друг с другом более чем двух смежных элементов никоим образом не является неблагоприятным, но, напротив, проявляется в большей надежности. Таким образом, в изобретении будет преимущественным стремление к максимальной плотности электрических соединений, чтобы в частности обеспечить более многочисленные параллельные пути электрического тока, и поэтому, в конечном итоге, повысить надежность структуры, но также освободиться, насколько это возможно, от любой необходимости точного позиционирования этих соединений относительно элементов, составляющих переходы. Поскольку тем самым не нужно стремиться к соединению только двух элементов, способ поэтому не нуждается в высоком уровне точности, что упрощает изготовление микроструктуры.
Согласно изобретению, первая и вторая сборки могут быть соответственно сформированы на противоположных лицевых поверхностях изолирующей подложки, с образованием соединительных элементов, включая создание электрических соединений, которые проходят сквозь подложку между двумя лицевыми поверхностями, и, в частности, формирование по меньшей мере одного отверстия, проходящего через подложку, с последующим формированием контактов проводников в этом отверстии.
Более конкретно, средний размер соединительных элементов в предварительно заданном направлении составляет больше, чем удвоенное максимальное значение средних расстояний между элементами в одной сборке.
Согласно еще одной соответствующей изобретению конфигурации, проводниковые или полупроводниковые элементы представляют собой дорожки, проволоки, нанопроволоки и/или монокристаллические волокна.
В качестве альтернативы, они могут быть выполнены из тонкой пленки, имеющей анизотропную электрическую проводимость.
Дополнительной задачей изобретения является создание микроструктуры для термоэлектрического генератора на основе эффекта Зеебека, содержащей:
изолирующую подложку, снабженную первой областью соединения и второй областью соединения;
первую сборку из проводниковых или полупроводниковых элементов, на подложке, проходящих параллельно и в первом направлении между первой областью соединения и второй областью соединения, причем элементы имеют первый коэффициент Зеебека;
вторую сборку из проводниковых или полупроводниковых элементов, на подложке, электрически изолированных от первой сборки, проходящих параллельно и во втором направлении, отличном от первого направления, от первой области соединения до второй области соединения, причем элементы второй сборки имеют второй коэффициент Зеебека, отличный от первого коэффициента Зеебека; и
в первой и второй областях соединения электрические соединительные элементы, электрически соединяющие по меньшей мере один элемент первой сборки по меньшей мере с одним элементом второй сборки.
Согласно изобретению:
два проводниковых или полупроводниковых элемента одной сборки разделены в предварительно заданном направлении на предварительно заданное среднее расстояние в областях соединения;
средний размер соединительных элементов в предварительно заданном направлении является большим, чем максимальное значение средних расстояний между элементами одной сборки; и
расстояние в предварительно заданном направлении между краями двух соединительных элементов является меньшим, чем минимальное значение средних расстояний между элементами одной сборки.
Такая структура, выполненная согласно вышеупомянутому способу, является надежной и простой в изготовлении.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схематический вид спереди термоэлектрической микроструктуры согласно изобретению;
фиг.2 изображает схематический вид поперечного сечения вдоль оси II-II в микроструктуре на фиг.1;
фиг.3 и 4 изображают схематические виды, показывающие компоновки проводниковых и полупроводниковых элементов в соответствующей изобретению микроструктуре;
фиг.5 изображает схематический вид спереди изолирующей подложки, снабженной контактными отверстиями, предназначенными для комбинирования с компоновками с фиг.3 и 4; и
фиг.6 изображает схематический вид пакета соответствующих изобретению микроструктур.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Приведенные здесь ниже выражения "верхний", "нижний", "правый" и "левый" определяются относительно фиг.1.
На фиг.1 и 2 первый вариант выполнения термоэлектрической микроструктуры 10 на основе эффекта Зеебека, выполненной, например, с использованием тонкослойной технологии, применяемой в микроэлектронике, согласно изобретению включает в себя:
тонкую подложку 12 из изолирующего материала, например подложку или тонкую пленку;
сборку дорожек 14, выполненных из проводящего или полупроводящего материала, исполненную на первой лицевой поверхности изолирующей подложки 12. Дорожки 14, сформированные, по существу, параллельными относительно друг друга и равномерно отстоящими друг от друга, проходят от первого участка 18 подложки 12, расположенного на ее верхнем краю, до второго участка 20 подложки 12, расположенного на ее нижнем краю;
сборку дорожек 22, выполненных из проводящего или полупроводящего материала (показанного пунктирными линиями), выполненную на второй лицевой поверхности подложки 12, противоположной первой лицевой поверхности. Дорожки 22, также сформированные, по существу, параллельными относительно друг друга и равномерно отстоящими друг от друга, проходят от первого участка 18 до второго участка 20. Кроме того, дорожки 22 имеют направление, отличное от направления дорожек 14;
сборку из металлических соединительных контактов 24, проходящих через изолирующую подложку 12 и выполненных в областях 18 и 20. Металлические контакты 24, например, с эллиптической формой поперечного сечения, равномерно отстоят друг от друга и электрически соединяют вместе дорожки 14, 22 первой и второй сборок; и
металлические коллекторные контакты 26, 28, сформированные вдоль левого и правого краев подложки 12, причем металлический коллекторный контакт 26 находится в контакте только с дорожками 14, и металлический коллекторный контакт 28 находится в контакте только с дорожками 22.
3
3
2
3
2
3
2
2
2
x
1-x
Материалы дорожек 14 и 22 различаются так, чтобы иметь различные коэффициенты Зеебека. Например, дорожки 14 изготавливают из полупроводникового материала Р-типа, который имеет положительный коэффициент Зеебека, и дорожки 22 выполняют из полупроводникового материала N-типа, который имеет отрицательный коэффициент Зеебека. Полупроводниковые материалы дорожек 14, 22 выбирают, например, среди твердых растворов BiTe, BiSe и SbTe, материалов на основе Si или SiGe, силицидов, германидов, твердых растворов на основе MgSi, MgGe или MgSn, или также прочих материалов, таких как PbTe или PbSeTe.
Материалы дорожек 14, 22 предпочтительно выбирают имеющими разность коэффициентов Зеебека, в абсолютном значении превышающую 200 μВ/К. Тем самым эти материалы имеют широкий диапазон ZT-коэффициента, и более конкретно, ZT-коэффициент, который превышает или равен 1. Как известно, ZT-коэффициент характеризует термоэлектрическое свойство материала и традиционно обозначается как "добротность" материала.
Дорожки 14, 22 формируют, например, процарапыванием подложки, при этом имеющей проводящие или полупроводящие слои, покрытые изолирующим материалом, насечкой или удалением длинных полос тонкой пленки, как известно из уровня техники.
Таким образом, следует отметить, что микроструктура 10 имеет сборку из переходов материалов, имеющих различные коэффициенты Зеебека, например PN-переходов, выполненных с помощью металлических контактов 24, причем переходы скомпонованы, будучи соединенными электрически последовательно и термически параллельно, между металлическими коллекторными контактами 26, 28.
Металлический соединительный контакт 24 преимущественно соединяет многочисленные дорожки 14 первой сборки с многочисленными дорожками 22 второй сборки. Поэтому имеются многочисленные параллельные и независимые пути для электрического тока между металлическими коллекторными контактами 26 и 28.
h
c
Таким образом, при подвергании верхнего и нижнего краев микроструктуры 10 воздействию различных температур T и T и присоединении коллекторных контактов 26, 28 к нагрузке 30 для создания замкнутой электрической цепи, в результате эффекта Зеебека электрический ток генерируется и протекает по электрическим путям, сформированным последовательно соединенными переходами, например, таким как путь, показанный жирной линией на фиг.1.
Металлические соединительные контакты 24 предпочтительно соединяют более чем две смежные дорожки одной и той же сборки в плоскости подложки 12, и, например, три или четыре соседние дорожки, так что создаются многочисленные компоновки соединенных параллельно переходов. Поэтому для пути электрического тока между коллекторными контактами 26, 28 имеются разветвления, составленные многочисленными переходами, соединенными параллельно между областями 18, 20 соединения. Если переход или составляющий его элемент оказывается неисправным, то всегда имеется еще один действующий переход для тока.
В предпочтительном варианте исполнения плотность дорожек на единицу площади является высокой настолько, чтобы получить высокую плотность переходов на единицу объема, что повышает напряжение на клеммах коллекторных контактов 26, 28, тем самым образуя термоэлектрическую микроструктуру, которая может быть использована в вариантах применения, требующих больших уровней электрической мощности.
Хотя были описаны прямолинейные дорожки, возможны другие формы дорожек. Например, на фиг.3 показана альтернативная форма компоновки дорожек 14. Дорожки 14 тем самым могут иметь любую форму, например, такую как S-образная. Хотя прямолинейные компоновки предпочтительны из соображений простоты и производственных затрат, непрямолинейные формы могут быть предпочтительными, чтобы, например, обходить функционализированную область изолирующей подложки 12, такую как соединение, область соединения или тому подобные.
Таким образом, были описаны параллельные, равномерно отстоящие друг от друга дорожки. Как можно видеть в фиг.3 и 4, дорожки 14 (фиг.3) и дорожки 22 (фиг.4) могут иметь переменные параметры расстояний между ними или их параллельности до такой степени, что они могут пересекаться между собой.
Более того, различия в направлении между дорожками 14 первой сборки и дорожками 22 второй сборки могут быть очень изменяющимися. Если определять смещение дорожки как расстояние вдоль оси х-координат ("х"-оси), отделяющее ее конец в области 18 соединения от ее конца в области 20 соединения, то смещение D1 дорожек 14 первой сборки имеет такой же знак или знак, отличный от смещения D2 дорожек 22 второй сборки, но все же иной. Например, смещения D1 и D2 выбирают таким образом, чтобы на расстоянии между областями 18, 20 соединения дорожки 14 первой сборки пересекали дорожки 22 второй сборки.
В качестве альтернативы, приемлемым является любой другой тип протяженных проводниковых или полупроводниковых элементов. Например, используют проволоки, нанопроволоки или монокристаллические волокна. В этом альтернативном варианте проволоки, нанопроволоки или монокристаллические волокна распределяют на подложке 12 и затем выравнивают с помощью электрического поля, например, с привлечением технологии электрофореза. В качестве альтернативы, на каждой лицевой поверхности изолирующей подложки может быть использована тонкая пленка, имеющая анизотропную электрическую проводимость, причем каждая пленка имеет ось максимальной электрической проводимости в соответствующем направлении.
В качестве альтернативы, элементы первой сборки выполнены из тонкой пленки, и элементы второй сборки являются дорожками. Однако дорожки являются предпочтительными, поскольку направления их анизотропии ясны. С другой стороны, пленка может быть предпочтительной ввиду простоты ее применения.
Кроме того, были описаны дорожки с их концами, выровненными так, чтобы области 18 и 20 соединения были прямолинейными. В качестве альтернативы, концы дорожек могут следовать извилистым компоновкам, чтобы, например, избегать конкретных участков подложки.
Кроме того, была описана двухсторонняя микроструктура, в которой дорожки 14, сделанные из материала первого типа, отделены изолирующей подложкой от дорожек 22, сделанных из материала второго типа. Применение указанной подложки позволяет, в частности, создать изоляцию дорожек 14 относительно дорожек 22, которая является эффективной и простой в исполнении. В качестве альтернативы, дорожки 14 и 22 выполняют на одной лицевой поверхности изолирующей подложки 22, обеспечивая при этом, чтобы дорожки 14 были электрически изолированы от дорожек 22 во время их формирования, чтобы избежать любого короткого замыкания. Например, дорожки представляют собой элементы типа нанопроволок, включающих сердцевину, сделанную из проводящего или полупроводящего материала, покрытого изолирующим материалом. Затем делают контакты 24, например, сверлением с последующим этапом металлизации (с заполнением или облицовкой отверстий металлом) созданных таким образом отверстий. При этом сверление обнажает сердцевину нанопроволок, тем самым обеспечивая формирование переходов.
В целом же предпочтительный способ получения микроструктуры согласно изобретению содержит этапы, на которых:
1
2
1
2
формируют параллельные дорожки 14, 22 между областями 18 и 20 соединения со средним относительным промежутком d и d (Фиг.3 и 4) так, чтобы d≤|D1-D2|, и d≤|D1-D2|; и
<mrow><mover accent="true"><mi>P</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
1
2
формируют металлические контакты 24, ширина которых P (фиг.5) имеет среднее значение
больше, чем max(d,d), и такую изменчивость ΔP, что:
<mrow><mover accent="true"><mi>P</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
1
2
-ΔP>max(d,d)
1
2
1
2
<mrow><mover accent="true"><mi>P</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
и промежуток между ними Е, то есть расстояние, разделяющее два смежных края двух контактов 24, предпочтительно является меньшим, чем min(d,d), и преимущественно настолько малым, насколько возможно, без соприкосновения металлических контактов 24. Преимущественно
>max(2d,2d), так чтобы соединять друг с другом многочисленные дорожки одной сборки.
1
2
При таких действиях есть уверенность в получении по меньшей мере одного пути электрического тока, и если ширина Р контактов 24 увеличивается и/или промежуток d и d между дорожками 14, 22 сокращается, получаются многочисленные параллельные пути электрического тока.
Будет отмечено более конкретно, что нет необходимости точно позиционировать дорожки 14, 22 относительно друг друга или относительно металлических контактов 24. Таким образом, будет отмечено, что способ изготовления является надежным в том смысле, что он позволяет варьировать размеры или положение различных элементов, формирующих части, составляющие переходы. Тем самым могут быть использованы материалы с неограниченными допусками и/или достигнуты высокие уровни производительности, не опасаясь за изменчивые условия производства.
Контакты 24, например, получают сверлением изолирующей подложки 12 с последующим заполнением или облицовкой созданных таким образом отверстий металлом. В качестве альтернативы, создают два продольных отверстия. Затем в них вставляют отдельные металлические контакты, или отверстия заполняют металлом, и полученный тем самым продольный металлический контакт разделяют на отдельные элементы, например, травлением.
Кроме того, металлические коллекторные контакты 26, 28 могут проходить по всей высоте подложки 12 или только ее части и/или включать в себя углы подложки 12. Коллекторные контакты 26, 28 предпочтительно проходят по большей части расстояния между областями 18 и 20 соединения так, чтобы контактировать с многочисленными дорожками.
Многочисленные соответствующие изобретению термоэлектрические микроструктуры преимущественно могут быть скомбинированы для получения конечной двумерной или трехмерной структуры соединением многочисленных структур одинакового типа, как это описано в отношении фиг.1.
Например, Фиг.6 показывает пример трехмерной структуры, полученной объединением четырех микроструктур 10а, 10b, 10с, 10d согласно изобретению и, например, микроструктур, идентичных показанным в фиг.1 и 2.
Таким образом, трехмерную структуру получают простым путем электрического соединения, с одной стороны, левых электрических коллекторных контактов 26а, 26b, 26с, 26d, и, с другой стороны, правых электрических коллекторных контактов 28а, 28b, 28с, 28d. Микроструктуры 10а, 10b, 10с, 10d тем самым выстраиваются параллельно, что увеличивает прочность сборки и повышает доступную электрическую мощность.
Теперь будет описан численный пример формирования микроструктуры согласно изобретению.
Изготовлена микроструктура, которая имеет:
изолирующую подложку размером 1,4 мм на 1,4 мм и с толщиной, равной 0,01 мм;
2
2,7
0,3
на одной лицевой поверхности подложки выполнены полупроводниковые проволоки n-типа, из BiTeSe, со средним диаметром, равным 0,002 мм, и размещенные с плотностью 400 проволок на мм;
0,5
1,5
3
на другой лицевой поверхности подложки выполнены полупроводниковые проволоки р-типа, из BiSbTe, также со средним диаметром 0,002 мм, и размещенные с плотностью 400 проволок на мм;
-9
-2
электрические соединительные контакты со средней шириной 0,016 мм, со средним зазором между двумя контактами, равным 0,004 мм. Контакты выполнены из плакированного никелем теллурида висмута и поэтому имеют поверхностное сопротивление 10 Ом*м. Таким образом, с одним контактом соединяют в среднем 7 проволок.
Проволоки р-типа являются, по существу, прямолинейными и имеют средний угол с вертикальной осью подложки 0,163 рад со стандартным отклонением 0,1 рад. Подобным образом, проволоки n-типа являются, главным образом, прямолинейными и имеют средний угол - 0,163 рад со стандартным отклонением 0,1 рад.
Нижеследующая таблица сравнивает электрические характеристики примера такой микроструктуры с характеристиками так называемой микроструктуры "Thermolife", представленной в документе "Thermoelectric microdevice fabricated by a MEMS-like electrochemical process" ("Термоэлектрическое микроустройство, изготовленное электрохимическим способом типа МЭМС") авторов G. Jeffery Snyder и др., Nature materials, том 2, август 2003, электрические параметры которой можно найти на веб-сайте http://www.poweredbythermolife.com/.
Максимальная полезная мощность (мкВт/мм<sup>2</sup>)
Рабочее напряжение (В/мм<sup>2</sup>)
Рабочий ток (мкА)
Напряжение разомкнутой цепи (В/мм<sup>2</sup>)
Изобретение
0,68
0,171
5,75
0,228
0,442
0,0442
10,00
0,0884
Таким образом, с помощью изобретения получены:
способ изготовления, не требующий точного совмещения, тем самым позволяющий достигнуть высокой производительности с меньшими затратами;
способ изготовления, который позволяет учитывать специфичность подложки и окружающей ее среды с использованием, где это уместно, непрямолинейных проводниковых элементов, чтобы, например, обходить некоторые участки подложки;
способ изготовления двухсторонней или односторонней микроструктуры, в зависимости от предполагаемого применения;
надежная термоэлектрическая микроструктура путем размещения многочисленных параллельных путей электрического тока;
высоковольтная термоэлектрическая микроструктура благодаря высокой плотности переходов; и
термоэлектрическая микроструктура, которую можно простым путем комбинировать с другими микроструктурами.