ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
THERMOELECTRIC DEVICE

Перекрестная ссылка на родственную заявку
Настоящая заявка на патент испрашивает приоритет по заявке на патент Франции FR16/51336, которая рассматривается неотъемлемой частью настоящего описания.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящая заявка относится к термоэлектрическим устройствам и, в частности, к устройству, содержащему термоэлектрические материалы с чередующимися n- и p-типами проводимости, соединенные последовательно металлическими соединениями.
Уровень техники
На фиг.1A показано термоэлектрическое устройство 1, имеющее термоэлектрические дорожки с чередующимися n- и p-типами проводимости, соединенные последовательно металлическими соединениями. Устройство содержит n-легированную полупроводниковую полосу 3 и p-легированную полупроводниковую полосу 5. Эти полосы образуют термоэлектрические дорожки. Дорожки 3 и 5 электрически последовательно соединены металлическим соединением 7 между двумя металлическими контактами 9 и 11, снабженными выводами 13 и 15.
В одном режиме работы контакты 9 и 11 находятся при температуре TC, а металлическое соединение 7 имеет температуру TH, превышающую температуру TC. В этом случае между выводами 13 и 15 появляется напряжение V1. Потому термоэлектрическое устройство 1 может использоваться в качестве источника тока или напряжения (термобатареи) для электропитания автономной электронной схемы. Устройство может также использоваться для обнаружения разности температур между контактами и металлическим соединением.
В другом режиме работы выводы 13 и 15 подключены к источнику питания, и протекание электрического тока по дорожкам 3 и 5 создает разность температур между контактами и металлическим соединением 7. В этом случае термоэлектрическое устройство 1 может использоваться в качестве охладителя на основе эффекта Пельтье.
Напряжение, вырабатываемое устройством 1, которое используется в качестве термобатареи при заданной разности температур между TH и TC, зависит от характера материала, используемого для дорожек. Термоэлектрическая чувствительность или коэффициент Зеебека (размерностью В/°C) материала дорожки определяется напряжением, которое появляется между концами дорожки для заданной разности температур между концами. Для того, чтобы выработать вырабатываемый ток и/или напряжение, то есть увеличить производительность устройства, мы стремимся увеличить коэффициент Зеебека и уменьшить как электрическое сопротивление дорожек, так и теплопроводность между металлическим соединением 7 и контактами 9 и 11.
На фиг.1B показано термоэлектрическое устройство 20, имеющее термоэлектрические дорожки 23 и 24 с чередующимися n- и p-типами проводимости, соединенные последовательно между двумя металлическими контактами 25 и 26 металлическими соединениями 27. Контакты 25 и 26 снабжены выводами 28 и 29. Металлические соединения 27, которые чередуются между дорожками, поочередно находятся в тепловом контакте с блоком 30 при температуре TC и блоком 31 при температуре TH. Напряжение V2, связанное с количеством последовательно соединенных дорожек, вырабатывается между выводами 28 и 29 в зависимости от разности температур TH и TC.
В общем, в термоэлектрическом устройстве, имеющем термоэлектрические дорожки чередующихся типов, соединенные последовательно металлическими соединениями, цепь дорожек последовательно соединяет два металлических контакта. Каждая дорожка в цепи соединяет два металлических элемента, например, контакт и металлическое соединение, и металлические элементы поочередно находятся в тепловом контакте с двумя различными блоками.
Для термоэлектрических устройств были предложены различные конструкции. В статье A.P. Perez-Marin et al., "Micropower thermoelectric generator from thin Si membranes", published in NanoEnergy (2014) 4, 73,80 описано термоэлектрическое устройство, в котором один из двух блоков включает в свой состав подвешенную платформу. Дорожки выполнены из легированного кремния с чередующимися n- и p-типами проводимости. Эта конструкция, как и другие известные конструкции, имеет недостатки, связанные с непостоянной надежностью и рабочими характеристиками.
Имеется потребность в надежных термоэлектрических устройствах с повышенной производительностью.
Сущность изобретения
Таким образом, задача одного варианта осуществления настоящего изобретения состоит в том, чтобы преодолеть все или некоторые недостатки, описанные выше.
Поэтому один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя термоэлектрический элемент, имеющий термоэлектрические дорожки чередующихся типов, соединенные последовательно металлическими соединениями, содержащими платформу, подвешенную на подложке с помощью ножек, причем платформа и ножки являются частями одного и того же тепло- и электроизоляционного слоя, и каждая ножка поддерживает термоэлектрическую дорожку.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения термоэлектрический элемент содержит первые два металлических контакта, расположенных на подложке, и по меньшей мере два набора термоэлектрических дорожек, причем каждый из наборов содержит термоэлектрические дорожки чередующихся типов, соединенные последовательно между первыми двумя металлическими контактами.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения термоэлектрические дорожки выполнены из легированного теллурида висмута чередующихся типов, соответствующих типам проводимости.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения изоляционный слой выполнен из оксида кремния, нитрида кремния или оксида алюминия.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения соотношение между длиной и шириной каждой ножки больше 5.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения платформа имеет форму прямоугольника с двумя ножками, проходящими от одной стороны прямоугольника, и двумя ножками, проходящими от противоположной стороны, и термоэлектрические дорожки одного и того же типа размещаются на ножках, расположенных на одной и той же стороне прямоугольника.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения термоэлектрический элемент также включает в себя поглощающее покрытие, нанесенное на платформу.
Один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя термоэлектрическое устройство, содержащее ряд термоэлектрических элементов, расположенных в виде матрицы и имеющих общую подложку, причем термоэлектрические элементы каждого столбца матрицы соединены последовательно между вторыми металлическими контактами.
Один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя термобатарею, содержащую термоэлектрическое устройство.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения платформы покрыты поглощающим материалом, предназначенным для захвата солнечного излучения, причем общая подложка предназначена для нахождения в тепловом контакте с источником холода.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения платформы находятся в вакууме.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения платформы находятся в контакте с окружающим воздухом, причем общая подложка предназначена для нахождения в тепловом контакте с источником тепла.
Один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя болометр, содержащий термоэлектрическое устройство, причем устройство подключено к схеме детектирования, платформы устройства покрыты покрытием, которое поглощает выбранную длину волны, и общая подложка предназначена для нахождения в тепловом контакте с источником холода.
Один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя охладитель, содержащий термоэлектрический элемент или термоэлектрическое устройство.
Один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя процесс изготовления термоэлектрического элемента из подложки, покрытой тепло- и электроизоляционным слоем, содержащий следующие этапы: a) определяют область изоляционного слоя, которая продолжается с помощью ножек; b) формируют термоэлектрические дорожки чередующихся типов, соединенные последовательно металлическими соединениями, причем каждая дорожка покрывает одну из ножек; c) травят отверстия в изоляционном слое таким образом, чтобы разграничить определенную область и ножки; и d) удаляют части подложки, расположенные под определенной областью и под ножками.
Краткое описание чертежей
Эти характеристики и преимущества, как и другие, будут подробно представлены в последующем описании конкретных вариантов осуществления изобретения, которое не ограничивает объем изобретения в связи с прилагаемыми фигурами, на которых:
на фиг.1A и 1B показаны термоэлектрические устройства, имеющие термоэлектрические дорожки чередующихся типов, соединенные последовательно металлическими соединениями;
на фиг.2А-2C схематично показан вариант осуществления термоэлектрического устройства;
на фиг.3 показан схематичный вид сверху варианта осуществления термоэлектрического устройства; и
на фиг.4А-7А, 4B-7B, 6C и 7C показаны этапы варианта осуществления процесса изготовления термоэлектрического устройства.
Подробное описание изобретения
Одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылками на различных фигурах, и, кроме того, различные фигуры изображены не в масштабе. Для ясности были представлены и детализированы только те элементы, которые полезны для понимания описанных вариантов осуществления. В нижеследующем описании термины, обозначающие относительное положение, например, термины "поверх", "на" и "под", следует понимать как относящиеся к ориентации рассматриваемого элемента на рассматриваемых видах в поперечном разрезе.
На фиг.2А-2C схематично показан вариант осуществления термоэлектрического устройства 40. Фиг.2A представляет собой вид сверху, и фиг.2B и 2C - виды в поперечных разрезах, взятых вдоль параллельных плоскостей B-B и C-C.
-1
-1
Устройство 40 содержит прямоугольную платформу 42, подвешенную с помощью четырех ножек 44А, 44B, 45А и 45B над полостью 46, расположенной на одной стороне подложки 48. Ножки 44А и 44B проходят от одной стороны платформы 42 и находятся на одном уровне с ножками 45А и 45B, которые проходят от противоположной стороны платформы. Ножки и платформа 42 представляют собой участки одного и того же изоляционного слоя 50, который также покрывает части подложки 48, окружающие полость 46. Материал изоляционного слоя 50 представляет собой теплоизоляционный материал, то есть материал, теплопроводность которого, меньше 5 Вт⋅м⋅Κ, и он также является электроизоляционным материалом.
Каждая ножка поддерживает термоэлектрическую дорожку. Ножки 44А и 44B поддерживают термоэлектрические дорожки 52А и 52B первого типа. Ножки 45А и 45B поддерживают термоэлектрические дорожки 53А и 53B второго типа. Дорожки 52А и 53А совмещены друг с другом и соединены металлическим соединением 54А, расположенным на платформе. Дорожки 52B и 53B соединены металлическим соединением 54B, расположенным на платформе. Металлические контакты 56 и 57 расположены на подложке, покрытой изоляционным слоем 50 с обеих сторон полости 46, при этом контакт 56 находиться в контакте с дорожками 52А и 52B, и контакт 57 находиться в контакте с дорожками 53А и 53B. Таким образом, дорожки 52А и 53А представляют собой чередующиеся типы и соединены последовательно с контактами 56 и 57 металлическим соединением 54А. Дорожки 52B и 53B соединены последовательно аналогичным образом между металлическими контактами 56 и 57. Изоляционный слой 50 электрически изолирует контакты от подложки, но является достаточно тонким для размещения контактов и подложки в тепловом контакте.
В одном режиме работы устройства 40 температура подложки 48 устройства поддерживается на уровне температуры TC. Платформа доводится до температуры TH, которая отличается от температуры TC. Металлические контакты 56 и 57 соединены посредством контактов 58 и 59 с цепью нагрузки тока I1, протекающего от контактов 56 и 57 и выработанного устройством 40.
В устройстве 40 каждая дорожка 52А, 52B, 53А и 53B механически поддерживается ножкой. Механическая прочность конструкции обеспечивается ножками, так как механических характеристик дорожек в чистом виде может быть недостаточно для поддержки платформы надежным способом.
Таким образом, выбор материала для дорожек может быть предпочтительно выполнен независимо от механических свойств этого материала. Например, можно выбрать, чтобы дорожки материала, типа теллурида висмута, электропроводность, удельное тепловое сопротивление и термоэлектрическая чувствительность этого материала были оптимальными при температуре окружающей среды. В случае дорожек, выполненных из теллурида висмута, дорожки первого типа являются n-легированными, например, селеном, и дорожки второго типа являются p-легированными, например, сурьмой. В общем, для дорожек можно использовать любой материал, если электропроводность, удельное тепловое сопротивление и коэффициент Зеебека подходят для рабочих температур устройства.
В случае, когда платформа 42 подвешена, утечки тепла между платформой и подложкой 48 по существу связаны с ножками и дорожками. Ножки выполнены из теплоизоляционного материала, и дорожки являются очень тонкими. В результате, разность температур между TH и TC почти полностью совпадает с разностью между концами дорожек, что позволяет устройству 40 достичь особенно высокой производительности.
Следует отметить, что устройство 40 содержит две цепи термоэлектрических дорожек 52А и 53А на одной стороне и 52B и 53B на другой стороне. Контакты соединены параллельно с помощью двух цепей, и, в результате, сопротивление, которое имеет место при протекании тока, является низким, что позволяет получить большой ток. Кроме того, в случае повреждения дорожки в одной из цепей другая цепь дорожек остается работоспособной, и устройство все еще может обеспечивать подачу тока.
В качестве примера, подложка 48 выполнена из кремния. Дорожки могут иметь толщину от 50 до 500 нм. Например, изоляционный слой 50 можно выполнить из нитрида кремния, диоксида кремния или оксида алюминия. Изоляционный слой 50 может иметь толщину от 100 до 300 нм. В качестве примера, стороны платформы имеют размеры от 5 до 200 мкм. В качестве примера, маленькая сторона каждой ножки или ширина каждой ножки может находиться в диапазоне 0,5-3 мкм. Соотношение большой стороны каждой ножки или длины каждой ножки и ширины каждой ножки может быть больше 5. В качестве примера, металлические соединения 54А и 54B и металлические контакты 56 и 57 выполнены из сплава никеля, палладия или титана с золотом. В качестве примера, металлические соединения и металлические контакты имеют толщину от 50 до 500 нм. Эта толщина зависит от толщины термоэлектрических слоев.
На фиг.3 показан схематичный вид сверху одного варианта осуществления термоэлектрического устройства 70, еще более прочного по сравнению с описанным ранее и имеющего еще большую производительность.
Термоэлектрическое устройство 70 содержит ряд термоэлектрических элементов 40, каждый из которых является устройством типа, описанного со ссылкой на фиг.2А-2C. Термоэлектрические элементы 40 сформированы на общей подложке 72 и размещаются в виде матрицы между двумя удлиненными металлическими контактами 74 и 76. Термоэлектрические элементы 40 сориентированы таким образом, чтобы дорожки 52А и 52B каждого термоэлектрического элемента проходили от платформы 42 в направлении удлиненного контакта 74. Термоэлектрические элементы каждого столбца соединены последовательно контактами 78. Столбцы электрически соединяют параллельно контакты 74 и 76.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения контакты 74 и 76 устройства подсоединяются к схеме 82 регулятора с помощью контактов 79 и 80. Платформы 42 и подложка 72 подвергаются воздействию различных температур TC и TH.
В случае резкого ухудшения работоспособности одного из термоэлектрических элементов устройства 70, всего лишь один столбец, содержащий дефектный термоэлектрический элемент, больше не сможет вырабатывать ток. Остальные столбцы продолжают нормально функционировать. Таким образом, устройство 70 является отказоустойчивым.
В одном варианте, контакты 78, принадлежащие различным столбцам и расположенные на одинаковом расстоянии от удлиненных контактов 74 и 76, соединены друг с другом. Таким образом, в случае резкого ухудшения работоспособности одного из термоэлектрических элементов устройства согласно этому варианту, остальные столбцы продолжают нормально функционировать, и таким образом, устройство является особенно отказоустойчивым.
Во время работы токи, вырабатываемые столбцами, складываются вместе. В результате, устройство 70 вырабатывает большой ток. В каждом столбце напряжения, вырабатываемые термоэлектрическими элементами, складываются вместе. Таким образом, в соответствии с важным преимуществом, напряжение, вырабатываемое устройством 70, можно регулировать путем выбора количества термоэлектрических элементов в каждом столбце, и ток, вырабатываемый устройством, можно регулировать путем выбора количества столбцов. Таким образом, импеданс устройства можно регулировать гораздо легче, по сравнению с традиционной конструкцией.
2
В качестве примера, матрица, занимающая площадь поверхности 1 см, может содержать от 20 до 500 столбцов, например, 300 столбцов. Каждый столбец может содержать от 10 до 300 термоэлектрических элементов, например, 20 термоэлектрических элементов.
В одном режиме работы устройства 70 платформы 42 покрыты материалом, таким как черная смола, способная поглощать излучение, например, солнечное излучение. Подложка 72 размещается на основании, поддерживаемом при температуре TC источником холода. В качестве примера, авторы изобретения подключили аккумуляторную батарею автономного электронного устройства к схеме 82 регулятора. Сторона устройства 70, где расположены платформы 42, расположена на солнце. Повышение температуры платформ 42 относительно температуры основания вызывает протекание тока. Таким образом, устройство представляет собой термобатарею, которая позволяет заряжать аккумуляторную батарею. Оптические концентраторы могут быть размещены над платформами для того, чтобы увеличить нагрев платформ и получить более сильный ток. В дополнение к этому, платформы могут быть размещены в вакууме, то есть размещены в среде, в которой остаточные газы имеют пониженное давление, что позволяет уменьшить теплопередачу.
В другом режиме работы устройство 70 размещается на основании, поддерживаемом при температуре TH источником тепла, и схема 82 регулятора подключена к аккумуляторной батарее. Платформы 42 находятся в контакте с потоком окружающего воздуха, например, вызываемого за счет естественной конвекции. Снижение температуры платформ 42 относительно температуры основания вызывает ток, который позволяет заряжать аккумуляторную батарею.
В другом режиме работы устройство 70 размещается на основании, поддерживаемом при температуре TC источником холода, и схема 82 регулятора заменена схемой обнаружения тока, вырабатываемого устройством. Платформы 42 покрыты материалом, который поглощает  выбранную длину волны, например, инфракрасное излучение. В результате сборки получается болометр. Когда платформы подвергаются воздействию инфракрасного излучения, излучение поглощается материалом, и температура платформы повышается. Следует отметить, что одного термоэлектрического элемента 40 может быть достаточным для получения болометра, и такие термоэлектрические элементы 40, расположенные в виде матрицы, можно в дальнейшем использовать в качестве детектора инфракрасного излучения, имеющего пространственное разрешение.
В режиме работы обнаружения наличия газа, идентичные первое и второе устройства 70 размещаются на охлаждаемой платформе, обращенной к источнику оптического излучения. Платформы первого устройства 70 покрыты покрытием, позволяющим избирательно поглощать оптическое излучение, и платформы второго устройства поглощают меньше оптического излучения. Длина волны оптического излучения соответствует линии поглощения газа. Контакты устройств подключены к схеме, которая сравнивает напряжения или токи, вырабатываемые этими двумя устройствами. Таким образом, схема компаратора обнаруживает наличие газа.
Фиг.4А-7А, 4B-7B, 6C и 7C иллюстрируют этапы процесса изготовления термоэлектрического элемента 40 согласно варианту осуществления. На фиг.4А-7А показаны схематичные виды сверху, на фиг.4B-7B - схематичные виды в поперечном разрезе, взятом вдоль плоскости B-B, и на фиг.6C и 7C - схематичные виды в поперечном разрезе, взятом вдоль плоскости C-C.
На этапе, показанном на фиг.4А и 4B, четыре дорожки 52А, 52B, 53А и 53B были сформированы в идентичной компоновке и из идентичных материалов, как и четыре дорожки устройства 40. Дорожки проходят по поверхности изоляционного слоя 50 нитрида кремния, покрывающего кремниевую подложку 48. В качестве примера, дорожки изготавливаются по технологии, известной как технология "взрывной литографии". При необходимости вся конструкция подвергается отжигу.
На этапе, показанном на фиг.5А и 5B, формируют металлические соединения 54А и 54B, которые последовательно соединяют дорожки в два набора двух дорожек. На конце дорожек 52А и 52B образуется металлический контакт 56, и другой металлический контакт 57 размещается на концах дорожек 53А и 53B.
На этапе, показанном на фиг.6А-6C, протравливают отверстия 90 в изоляционном слое 50. Отверстия 90 ограничивают платформу 42 и ножки 44А, 44B, 45А и 45B от изоляционного слоя 50, расположенного под дорожками 52А, 52B, 53А и 53B и подключенного к платформе. В качестве примера, травление отверстий 90 выполняют с помощью плазмы гексафторида серы через маску (не показана).
На этапе, показанном на фиг.7А-7C, участки подложки, расположенной под ножками и под платформой 42, удаляются, начиная с отверстий 90 для формирования полости 46. Эти участки подложки можно удалять с помощью газофазного изотропного травления. В качестве примера, травление кремниевой подложки выполняется с помощью дифторида ксенона.
Выше были описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники будет понятны многочисленные варианты и модификации. В частности, хотя в описанных выше вариантах осуществления настоящего изобретения каждая платформа подвешена на четырех ножках, каждая платформа может быть подвешена на любое четное количество ножек. Важно то, что каждая ножка поддерживает дорожку, и что дорожки чередующихся типов соединены последовательно между двумя металлическими контактами металлическими соединениями. Таким образом, каждая дорожка соединяет два металлических элемента, при этом один из них расположен на платформе, а другой на подложке. Таким образом, металлические элементы поочередно располагаются на платформе и на подложке.
Хотя в описанных вариантах осуществления настоящего изобретения термоэлектрический элемент 40 включает в себя две цепи дорожек, соединенных последовательно между металлическими контактами, другие варианты осуществления настоящего изобретения могут содержать любое другое различное количество цепей дорожек, соединенных последовательно между контактами.
Хотя в описанных вариантах осуществления настоящего изобретения платформа термоэлектрического элемента 40 имеет форму прямоугольника, возможны также и другие формы, например, круглая форма.
Хотя в описанных вариантах осуществления настоящего изобретения платформа и ножки термоэлектрических элементов 40 выполнены из нитрида кремния, диоксида кремния или оксида алюминия, платформа и ножки могут быть выполнены из любого другого тепло- и электроизоляционного материала.
Хотя в описанных вариантах осуществления настоящего изобретения термоэлектрический элемент 40 сформирован на кремниевой подложке, подложка может быть выполнена из любого другого материала, имеющего теплопроводность, достаточную для обеспечения того, чтобы в случае, когда платформа и подложка имеют различную температуру, разность между этими температурами равнялась бы почти полностью разности температур между платформой и металлическими элементами, расположенными на подложке.