專利名稱：改進(jìn)的低功率熱電發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常關(guān)于熱電設(shè)備，尤其關(guān)于自給自足的、低功率的熱電發(fā)生器，
f口相對高的電壓輸
出
背景技術(shù)：
熱電設(shè)備越來越多地趨向于小型化使得微型化電源的發(fā)展成為必要。電 池和太陽能電池是這種微電子設(shè)備的傳統(tǒng)電源。但是，電池提供的功率隨著 時間消散，需要周期性地更換電池。太陽能電池雖然具有有效地?zé)o限的有用 壽命，但是只可以提供短暫的能量來源，因為太陽或者其它光源可能不總是可利用的。而且，為了保持能量轉(zhuǎn)化的效率，太陽能電池需要周期性地清潔 其表面。
熱電發(fā)生器是在確立的物理學(xué)原理下將熱能轉(zhuǎn)化為電能的自給自足的能 源。賽貝克效應(yīng)是一種主要由于導(dǎo)體內(nèi)的載劣擴散，熱差可以被轉(zhuǎn)化為電的 現(xiàn)象的。通過利用熱電偶在賽貝克效應(yīng)下可以產(chǎn)生電功率，其中熱電偶均包
括連接在一端的一對異金屬(n型和p型)。n型和p型分別指的是材料里的 電荷載流子的負(fù)類型和正類型。 ■^fj" ^ji" "^j" 1丙曰""^c^ i日j曰"<
然產(chǎn)生的"余熱"，比如不斷被人體排斥的熱。在手表中， 一邊暴露于處在環(huán) 境溫度的空氣，而對邊暴露于佩戴者皮膚的較高溫度。這樣，穿過手表的厚 度典型地存在小的溫度梯度。熱電發(fā)生器可以作為一個自持單元被結(jié)合到手 表中以利用余熱并產(chǎn)生足夠運轉(zhuǎn)手表的能量的供給。有利地是，很多在體積 上與一個典型的手表類似的微電子設(shè)備只需要少量能量，因此也兼容通過熱 電發(fā)生器供以動力。
熱電發(fā)生器的工作參數(shù)可以通過幾種途徑用數(shù)學(xué)方法描述其特性。例如， 穿過熱電偶的未連接端測量的電壓直接與穿過這兩端的溫度梯度成比例。當(dāng)
組成熱電偶的n型熱電臂和p型熱電臂串聯(lián)電氣連接但以貫穿其而保持的溫 差T,和T2并聯(lián)熱連接，在賽貝克效應(yīng)下的開路電壓V可以通過下列公式被 數(shù)學(xué)表示
V:S(T廣T2)
其中S為以微伏每度(pV/K)表示的賽貝克系數(shù)。
熱電發(fā)生器的效率可以通過熱電優(yōu)值(Z)描述其特征，傳統(tǒng)上通過下 列公式定義其中cy和K分別為導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。優(yōu)值(Z),倒數(shù)表示為K，代表可以應(yīng) 用在熱電發(fā)生器中的熱電材料的熱性和電性。提高熱電發(fā)生器的效率的關(guān)鍵 之一在于具有低電阻、高賽貝克系數(shù)和低導(dǎo)熱性的高效的熱電薄膜的發(fā)展。
提高熱電發(fā)生器的另一個關(guān)鍵在于增加熱電偶的集成密度。關(guān)于余熱來 源，總是只有小的溫差存在于熱源和冷源之間。因為這個小的溫差，大量熱 電偶必須串聯(lián)連接以產(chǎn)生足夠的熱電壓。結(jié)果，熱電偶必須具有極端的長比 寬的縱橫比的橫截面。
現(xiàn)有技術(shù)包括大量的努力改進(jìn)熱電發(fā)生器的效率和工作特性的設(shè)備。一 種現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備包括與 一低溫區(qū)相對的 一 高溫區(qū)熱連接設(shè)置的熱傳導(dǎo)基片。 熱從高溫區(qū)流到該熱傳導(dǎo)基片和大量交替的從晶體材料切割的n型和p型熱 電臂。該n型和p型熱電臂串聯(lián)電氣連接和并聯(lián)熱連接。該n型和p型熱電 臂以二維棋盤型圖案排列在基片上。因為總電壓是穿過每個n型和p型對的 各個電壓的和，以及由于n型和p型熱電臂的每個熱電偶對于一個特定的溫 差只能產(chǎn)生幾毫伏，為了包圍交替的n型和p型熱電臂的棋盤形圖案需要^艮 大的區(qū)域。這樣的大區(qū)域需求阻礙了熱電發(fā)生器的微型化。
另 一個現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備為了為許多的n型和p型熱電臂提供絕緣空間而提 供了具有無縫絕緣格片的熱電模塊。縫隙的不存在消除了兩個熱電臂之間內(nèi) 壁電短路的可能性。該熱電臂在該模塊的冷面和熱面之間為串聯(lián)電氣連接和 并聯(lián)熱連接。電氣連接包括在鉬層之上的鋁層。表面纟皮磨過以暴露除熱電臂 被互相連接的區(qū)域之外的格片壁。雖然參考文獻(xiàn)的模塊克服了相鄰的熱電臂 之間的電短路，但是參考文獻(xiàn)的設(shè)備需要許多的制造步驟并因此昂貴。
其它試圖微型化熱電發(fā)生器的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備通過微型化該熱電偶的單個
10整體結(jié)構(gòu)增加了熱電偶的集成密度。雖然這樣的設(shè)備在將這些疏松材料碲化 鉍熱電偶的橫截面減小到足夠小的尺寸上成功了 ，但是在處理和制作這些來 自于疏松物質(zhì)的碲化鉍類型的熱電偶中的巨大困難轉(zhuǎn)化為極高的生產(chǎn)成本， 其導(dǎo)致制成品的非常高的成本。
由于傳統(tǒng)熱電發(fā)生器的上述缺點，對于熱電發(fā)生器，存在與熱電設(shè)備的 需求兼容的技術(shù)需求。更具體地，存在對產(chǎn)生低功率的熱電發(fā)生器的需要， 該熱電發(fā)生器為緊湊的尺寸、特別適用于產(chǎn)生高輸出電壓并以較低成本大規(guī) 模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為具有緊湊的尺寸的改進(jìn)的、自給自足的、低功率的熱電發(fā)生器和尤 其適用于與微電子設(shè)備兼容的熱電發(fā)生器。
熱電發(fā)生器利用熱梯度以根據(jù)賽貝克效應(yīng)產(chǎn)生有用的功率。在此公開的 該熱電發(fā)生器包括一底板、 一頂板和一箔配件，該箔配件包括一單個伸長箔 段或一 系列使用橫跨每個端到端接頭的連接件被端到端連接的箔段。粘合劑 可以被用于粘結(jié)該連接件到端到端的箔段的前基片表面和基片表面的至少一 個以機械連接該箔段。更具體地，該連接件可以被粘結(jié)到至少該前基片表面 上。但是，對于更強的機械連接，連接件也可以被粘結(jié)到該后基片表面上。 具有相對高的導(dǎo)電性的電粘合劑可以用在該連接件的頂部邊緣和底部邊緣以 電氣連接該箔段。但是，該連接件可以選擇性地包括設(shè)置在該連接件的相鄰 的頂部邊緣和底部邊緣的金屬觸點以增強箔段之間的導(dǎo)電性。
該金屬觸點用于電氣連接一個箔段的末端的一個n型熱電臂到相鄰的一個蕩段的末端的一個p型熱電臂。用這種方式，每個p型熱電臂被電氣連4妄
到在該p型熱電臂的對端的相鄰n型熱電臂以便該n型和p型熱電臂串Jf關(guān)電 氣連接且并聯(lián)熱連接。
箔配件和/或箔段以螺旋狀纏繞排列的方式被插入該頂板和底板之間。該 箔配件^皮垂直地設(shè)置在該底板和頂板之間并且與該底4反和頂寺反熱4妄觸。在本 發(fā)明熱電發(fā)生器的一個實施例中， 一系列交替的n型和p型熱電臂^皮設(shè)置在 組成箔配件的每個箔段的基片上。在另一個實施例中，該n型和p型熱電臂 被設(shè)置在單個箔段的單個伸長基片上。該熱電臂一般由碲化鉍型熱電材料制 造。
該頂板以隔開的關(guān)系被設(shè)置在該底板上方。該底板和頂板可以具有大致
該頂板和底板可以由陶乾材料、金屬材料或任何其它合適的材料或其組合物 制造。該頂板和底板用于在冷源和熱源之間提供熱觸點以使溫度梯度可以穿 過交替的n型和p型熱電臂被逐漸產(chǎn)生。
每個箔段具有前基片表面和與前基片表面相對的后基片表面。該隔開交 替的n型和p型熱電臂以彼此平行排列的方式被設(shè)置在前基片表面上。每個 n型和p型熱電臂由大致具有在約IO微米(pm)到約10(Him范圍內(nèi)厚度的 熱電材料構(gòu)成，該熱電材料具有被優(yōu)選的大體上較厚結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致相應(yīng)的 更大的橫截面面積提供了穿過其的更大的電流。該前基片表面可以具有比后 基片表面更光滑的表面粗糙度以增強形成設(shè)置在前基片表面上的n型和p型 熱電臂的重復(fù)性。但是，該后基片表面可以具有設(shè)置在其上并可以在設(shè)置過 程之前被適當(dāng)?shù)仡A(yù)處理的熱電臂。
每個n型和p型熱電臂對組成該熱電發(fā)生器的一個熱電偶。該熱電臂的寬度可以在約10pm到約100pm范圍內(nèi)，其長度在約100pm到約500pm的 范圍內(nèi)。該n型和p型熱電臂的優(yōu)選長度約為500pm。該n型熱電臂的優(yōu)選 寬度約為60|mi而該p型熱電臂的優(yōu)選寬度約為40[im。各個n型和p型熱電 臂的幾何形狀可以調(diào)整到某個程度，該程度取決于每個n型和p型熱電臂的 導(dǎo)電性差異。
每個p型熱電臂電通過熱端金屬橋和冷端金屬橋連接到在該p型熱電臂 的對端的相鄰n型熱電臂，以使電流可以穿過該熱電臂從p型熱電臂的底部 到p型熱電臂的頂部流動，反之亦然。數(shù)個箔段可以優(yōu)選地包括連接在一起 的、基本上平均分布在一排箔段上的總計約5000個熱電偶并形成一個熱電偶 鏈。但是，在熱電發(fā)生器中可以提供任意數(shù)量的熱電偶。
每個熱電偶包括一個n型和一個p型熱電臂。這樣，具有5000個熱電偶 鏈的熱電發(fā)生器將包括5000個n型熱電臂和5000個p型熱電臂。該熱電發(fā) 生器可以優(yōu)選地包括端到端連接以形成該箔配件的任意數(shù)量的箔段。該箔配 件此后螺旋狀纏繞以使相鄰設(shè)置的箔段的纏繞的前基片表面和后基片表面以 重疊方式設(shè)置，但是彼此非導(dǎo)電接觸?？梢栽谠撉盎砻婧秃蠡砻娴?至少 一個上提供保護(hù)層以防止箔配件的纏繞之間的導(dǎo)電性。該熱電偶鏈可以 被連接到可以依次被連接到與外部負(fù)載連接的頂板和底板。
每個熱端金屬橋和冷端金屬橋用于電氣連接一個n型熱電臂到一個p型 熱電臂。每個熱端和冷端金屬橋也用于充當(dāng)擴散勢壘以阻止無用的部件擴散 到容易地被外來材料污染的n型和p型熱電臂中。此外，每個熱端和冷端的 金屬橋用于阻止無用的部件擴散到該n型和p型熱電臂外。最后，每個熱端 金屬橋和冷端金屬橋用于最優(yōu)地將熱傳導(dǎo)進(jìn)和傳導(dǎo)出該n型和p型熱電臂。 在這一方面，該熱端金屬橋和冷端金屬橋可以由高導(dǎo)熱的材料比如鍍金鎳制
13作。
每個箔段的基片可以具有在7.5pm到50pm范圍內(nèi)的厚度，但是基片的 厚度優(yōu)選地約為25(im。由于需要減少穿過該基片的熱量以提高能量轉(zhuǎn)換效 率，需要減小被設(shè)置了熱電臂的基片的厚度。具有低導(dǎo)熱性的電絕緣材料比 如聚酰亞胺膜可以用于該基片。
組成該n型和p型熱電臂的熱電膜可以包括碲化鉍(Bi2丁e3)型的半導(dǎo)體化 合物。但是，該半導(dǎo)體化合物的具體組成可以改變以增強n型和p型熱電臂 的熱電性能。具體地，該n型熱電臂的組成可以包括元素鉍(Bi)、碲(Te)和石西 (Se)。該p型熱電臂的組成可以包括元素鉍(Bi)、銻(Te)和硒(Se)。元素碲(Te) 過剩量(excess)可以在p型材料中提供。每個這些元素的過剩量的數(shù)量可 以改變以增強其制作和功率特性。
在生產(chǎn)用于該熱電發(fā)生器的箔段的方法中，磁控濺射可以用于在該基片 上沉積相對厚的碲化鉍型熱電材料薄膜。值得注意的是，在現(xiàn)有技術(shù)中已知， 碲化鉍指的是一種具體的材料系統(tǒng)，這樣被表示是因為該n型和p型材料來 自于相同的碲化鉍類型。由于獨特的濺射目標(biāo)組成，該濺射方式和焊后退火 方法，熱電材料的功率因數(shù)(P)的相對高的值是可實現(xiàn)的。例如，在熱電發(fā)生 器的一個實施例中，在室溫下，p型Bi2Te3型熱電材料的功率因數(shù)(Pp)的平均 值約為45jiiW/(K2*cm),而n型Bi2丁e3型熱電材料的功率因數(shù)(Pn)的平均值約 為45nW/(K2*cm)。


當(dāng)引用該附圖時，本發(fā)明的這些和其它特征會變得更加明顯，其中 圖1為示出了本發(fā)明的數(shù)個箔段的排列的熱電發(fā)生器的透視圖；圖2為沿著圖1的線2-2獲取的該熱電發(fā)生器的橫截面?zhèn)纫晥D，示出了 放置在每個所述箔段的基片薄膜上的交替的n型和p型熱電臂的排列； 圖3為組成該熱電發(fā)生器的熱電偶的p型和n型熱電臂對的示意圖； 圖4a為一個可選實施例中的圓形熱電發(fā)生器的橫截面視圖，示出了 #1鎖 位在頂板和底板之間的螺旋狀纏繞的箔配件和放置在該箔配件的中空部分內(nèi) 部的填充物材料。
圖4b為圖4a的熱電發(fā)生器的頂視圖，示出了該頂板的圓形形狀；
圖5a為熱電發(fā)生器的橫截面視圖，示出了形成在該頂板里并延伸到其它
可以用于封裝該熱電發(fā)生器的電路的中空部分中的填充物中的鉆孔；
圖5b為圖5a所示的該熱電發(fā)生器的頂視圖，示出了形成在該頂板中的
位于中心的鉆孔；
圖6a為包括一對以端到端接觸的方式設(shè)置的箔段的箔配件的側(cè)視圖，所 述側(cè)視圖示出了端觸點的結(jié)構(gòu)，該端觸點與自由端在每個相鄰設(shè)置的箔段的 頂部邊緣和底部邊緣上相鄰，因此可以用于電氣連接一個箔段的末端的一對 n型和p型熱電臂到相鄰的一個箔段的末端的n型和p型熱電臂；
圖6b為一個連接件的俯視圖，為了將相鄰設(shè)置的箔段接合在一起，該連 接件可以被用在所述前基片表面和后基片表面的至少一個上；
圖6c為具有設(shè)置在連接件的頂部邊緣和底部邊緣的、用于改進(jìn)相鄰設(shè)置 的箔段之間的電氣連接的金屬接點的連接件的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的頂視圖6d為相鄰設(shè)置的一對箔段的側(cè)視圖，表示設(shè)置在每個箔段的頂部邊緣 和底部邊緣之間接近中間處的一層裝配粘合劑以及設(shè)置在相鄰設(shè)置的箔段的 各個端觸點上的電粘合劑；
圖6e為圖6d所示的箔配件的相對表面的側(cè)視圖，示出了用于將相鄰設(shè)
15置的箔段與連接件(未表示)機械連接而設(shè)置在該表面上的一層裝配粘合劑； 圖7a為一對在一個蕩段的端型熱電臂的一個末端端型熱電臂到相鄰的
一個箔段的p型熱電臂的一個末端p型熱電臂之間端到端"單"電氣連接設(shè)
置的箔段的側(cè)視圖7b為圖7a所示的箔段的側(cè)視圖，示出了可以用于機械連接和電氣連
接箔段的裝配粘合劑和電粘合劑的位置；
圖8a-8f為示出了在頂板和底板之間的變化的溫差下該熱電發(fā)生器的功
率特征的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，其中的表述是為了說明優(yōu)選實施例，而不是為了限定相 同的，圖1為熱電發(fā)生器10的一個實施例的透視圖，該熱電發(fā)生器10具有 大致方形形狀且包括垂直堆疊安排的矩形排列的箔段16。
圖1所示實施例為于2005年7月20日提交的美國專利申請?zhí)?11/185,312、發(fā)明名稱為"低功率熱電發(fā)生器"和于2003年5月19日提交的 美國專利號為6，958，443、發(fā)明名稱為"低功率熱電發(fā)生器"的主題，每個的 全部內(nèi)容作為 一個整體被清楚地通過？j用結(jié)合于此，且其每個與本申請一樣 具有相同的受讓人。圖2為圖1所示熱電發(fā)生器的橫截面?zhèn)纫晥D，示出了設(shè) 置在一系列例如可以用于此處公開的熱電發(fā)生器中的箔段的基片薄膜上的交 替的n型和p型熱電臂的排列。圖3為組成該熱電發(fā)生器的熱電偶的典型的 p型和n型熱電臂對的示意圖。
圖4a-7b示出了在另一個實施例中的熱電發(fā)生器10,其中多個箔段16 可以在一個被螺旋狀纏繞成圓形的箔配件50中被端到端地連接。重要地，這樣的熱電發(fā)生器10實現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有技術(shù)的功率輸出，部分歸因于電阻的巨 大減少，下面將更詳細(xì)地描述。如上所述，熱電發(fā)生器IO利用了熱梯度以在
賽貝克效應(yīng)下產(chǎn)生有效功率。圖8a-8f示出了由改進(jìn)的熱電發(fā)生器IO在各種 不同的溫差下提供的改進(jìn)的功率特征。
仍參見圖4a-7b，熱電發(fā)生器10包括大致圓形或圓盤形的底板12、大致 圓形或圓盤形的頂板14和一系列端到端連接以形成一單個伸長的箔配件50 的箔段16?？蛇x的，單一伸長的箔段16可以螺旋狀纏繞成圓形形狀，排除 端到端連接單個箔段16的需要。螺旋狀纏繞的箔配件50可以包括作為制造 過程的結(jié)果的中空部分82。中空部分82可以用于作為一個腔以容納電子線 路比如功率管理電路。熱電發(fā)生器io的圓形形狀提高了其與某些設(shè)備比如耐 磨的微電子設(shè)備的適應(yīng)性。例如，熱電發(fā)生器IO可以簡單地用在手表或大致 形狀類似手表的設(shè)備中。
對于熱電發(fā)生器IO的結(jié)構(gòu)，其中箔配件50包括一系列箔段16,箔配件 50纏繞成圓形形狀，然后被容納在底板12和頂板14之間。在這樣的情況下， 箔配件50和箔段16因此被垂直設(shè)置在底板和頂板12、 14之間并與底板和頂 板12、 14熱連接。
優(yōu)選地，每個箔段16由低導(dǎo)熱性的非導(dǎo)電基片18組成。 一系列大體上 伸長交替的n型和p型熱電臂32、 34被設(shè)置在前基片表面40、后基片表面 42或二者上。如下面將要非常詳細(xì)論述的，熱電臂32、 34由碲化鉍型熱電 材料44制作。用于基片18和熱電材料44的材料組成的獨特組合提供了 一種 具有相當(dāng)大地改進(jìn)的功率特征的熱電發(fā)生器。
從圖4b和5b中可以看到，頂板14以隔開的關(guān)系設(shè)置在底板12上方。 底板和頂板12、 14可以具有大致環(huán)形或圓形形狀。但是，可以認(rèn)為大致定義
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了熱電發(fā)生器10的總體尺寸的底板和頂板12、 14可以為任意形狀或結(jié)構(gòu)。 在這一方面，底板和頂板12、 14的大致圓形的形狀可以簡單地用于整合螺旋 狀纏繞的一系列箔段16。 一方面，箔配件50可以考慮包括大致相同設(shè)置的 箔段16,每個箔段16具有設(shè)置在其上的相同的尺寸和相同排列的p型和n 型熱電臂32。按照這樣的方式，箔配件50可以由有成本效益的相同尺寸的 箔段16的復(fù)制構(gòu)成。
底板12和頂板14可以優(yōu)選地由^艮硬的和高導(dǎo)熱的任何材料制作。例如， 金屬和/或陶瓷材料可以被考慮利用到制作底板和頂板12、 14。底板12和頂
的。底板和頂板12、 14也可以用于提供一防護(hù)箱以使箔段16免于機械接觸 和化學(xué)影響。在這一方面，密封劑70可以提供在位于頂板和底板14、 12之 間的箔配件50的最外層表面上以使箔段16被密封預(yù)防水分、碎屑和其它可 以破壞或者短路箔段16的影響。
現(xiàn)在，尤其參見圖4a到7b，示出了具有被鎖位在圓盤形的頂板和底板 14、 12之間的箔配件50的熱電發(fā)生器10。如在圖4a和5a中可以看到的， 頂板和底板14、 12可以選擇性地包括在其周圍延伸的環(huán)形凸緣78。這樣的 環(huán)形凸緣7 8可以有意地被提供或可以為制造過程的產(chǎn)物，在該制造過程中， 頂板和底板14、 12通過利用普通的沖壓和/或穿孔過程被大批(即高件數(shù)) 地制造。
這樣的頂板和底板14、 12從薄金屬材料或者金屬箔沖壓，結(jié)果可以包括 小的邊緣毛刺(即環(huán)形凸緣78)。有利地，環(huán)形凸緣78可以增加頂板和底板 14、 12的硬度和機械穩(wěn)定性。進(jìn)一步地，環(huán)形凸緣78可以在頂板和底板14、 12的圓周邊界中更好地容納箔配件50。最后，環(huán)形凸緣78可以增加在通過
18金屬橋26、 28連接的設(shè)置在箔配件50上的一對n型和p型熱電臂32、 34 位置處流入和流出該箔配件50最外部的熱流。
如更早提及的，頂板和底板14、 12優(yōu)選高導(dǎo)熱的并在這一方面因為其4氐 的熱電阻較好地減少在熱電發(fā)生器10中的熱損耗而充當(dāng)熱耦合斧反。頂板和底 板14、 12可以考慮由任意合適的高導(dǎo)熱的材料比如包括銅、鋁、不銹鋼、鍍 層鋼板和可焊的金屬合金的金屬材料或其各種不同的組合。而且，頂板和底 板14、 12可以由可選擇性地與金屬材料結(jié)合的陶瓷材料制作。在這一方面， 陶瓷可以經(jīng)歷金屬化過程，在該金屬化過程中， 一層金屬被形成在陶瓷材料 的表面上。取決于熱電發(fā)生器的應(yīng)用，需要增加所述頂板和底板的至少一個 的熱交換能力。例如，所述頂板和底板的至少一個可以具有擴大的表面積。 i^才羊的的面禾只"^T
或者轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境中。
大約50-250pm(um)的金屬薄膜由于其低熱阻優(yōu)選地適合作為頂板和底 板14、 12的材料。進(jìn)一步地，這樣的金屬薄膜材料可以通過簡單的制造過程 比如鉆孔和沖壓被簡單地轉(zhuǎn)化為頂板和底板14、 12。如圖5b所示，頂板和 底板14、 12的至少一個可以包括穿過其的鉆孔80，且鉆孔80可以位于中心 并可以用于幫助在箔配件50的螺旋狀纏繞中形成的中空部分82內(nèi)部的電路 的整合或插入。
雖然可配置任何尺寸，頂板和底板14、 12可以考慮具有在約4mm到約 80mm范圍內(nèi)的直徑，優(yōu)選地具有從約5mm到約25mm的外直徑。頂板和底 板14、 12被隔開以限定取決于基片材料18的總高度(即寬度)的約0.3mm 和約4.0mm之間的熱電發(fā)生器的總高度。更優(yōu)選地，熱電發(fā)生器10的高度 為約0.5mm到約2.0mm之間并最優(yōu)選的在高度上約為l.Omm。頂板和底板14、 12二者都可以考慮被利用作為電觸點，通過該電觸點， 熱電發(fā)生器IO可以被連接到設(shè)備上以提供功率。在這一方面， 一系列串聯(lián)連 接的n型和p型熱電臂32、 34的一端被優(yōu)選地電氣連接到頂板12,而一系 列n型和p型熱電臂32、 34的對端被連接到底板12。這樣的電氣連接可以 通過使用電粘合劑64而方便。但是，粘接和/或焊接以及其它合適的電氣連 接方法可以被利用以將頂板和底板14、 12連接到在箔配件50上的n型和p 型熱電臂32、 34的各個對端。如果頂板和底板14、 12由非導(dǎo)電的材料比如 陶瓷材料制作， 一對第一和第二電線24、 30可以以與上面提到的美國專利號 6,958,443公開的方式類似的方式被連接到熱電偶鏈的對端。但是，頂板和/ 或底板可以被配置作為金屬化的陶乾板，既用以作為熱電發(fā)生器的導(dǎo)熱體， 又作為熱電發(fā)生器的電觸點。
圖2所示為組成箔配件50的一個箔段16的至少一部分的代表示意圖， 示出了設(shè)置在基片18上的交替的n型和p型熱電臂32、 34的排列。如更早 提及到的，每個箔段16具有前基片表面40和與前基片表面40相對的后基片 表面42。當(dāng)纏繞箔配件50的時候，在箔段16的端到端的連接之后，后基片 表面42面向箔段16的相鄰纏繞的前基片表面40。
隔開交替的n型和p型熱電偶32、34被彼此平行設(shè)置在前基片表面和后 基片表面32、 34的任何一個或者二者上。為了防止短路，在設(shè)置n型和p 型熱電臂32、 34之后，標(biāo)準(zhǔn)的正性光刻膠材料的保護(hù)層72可以被設(shè)置在箔 段16上。如果被包括在基片18上，該保護(hù)層可以在用于創(chuàng)建金屬觸點和金 屬橋的金屬化過程之后被提供。雖然熱電材料44可以具有在約10微米(pm) 到約100pm范圍內(nèi)的厚度，但是n型熱電臂44的優(yōu)選厚度為約15pm。
現(xiàn)在簡略轉(zhuǎn)向圖3,所示為組成熱電發(fā)生器10的熱電偶46的n型和p型熱電臂32、 34對的圖示。如圖3所示，n型和p型熱電臂32、 34具有各 自的寬度。n型熱電臂32寬度表示為al。 P型熱電臂34寬度表示為a2。用 于n型熱電臂32和p型熱電臂34的熱電臂32、 34長度表示為b。盡管n型 和p型熱電臂32、 34可以具有大致相等的長度，熱電發(fā)生器10可以考慮被 配置其中的n型和p型熱電臂32、 34為不同長度。有利地，長度和寬度的極 限縱橫比使得在微型化的熱電發(fā)生器10中產(chǎn)生相對高的熱電壓。
各個n型和p型熱電臂32、 34的幾何形狀可以在一定程度上被調(diào)整，該 程度取決于在每個n型和p型熱電臂32、 34的導(dǎo)電性的差異。熱電臂32、 34的寬度可以在約10pm到約100nm的范圍內(nèi)。熱電臂32、 34的長度可以 在約lOO)im到約500pm的范圍內(nèi)。n型和p型熱電臂32、 34的優(yōu)選的長度 b為約60pm，而n型熱電臂32的優(yōu)選的寬度al為約40iim,而p型熱電臂 34的優(yōu)選的寬度為約40|_im。 P型熱電臂34的熱電性典型地優(yōu)于n型熱電臂 32的熱電性。因此，P型熱電臂34的寬度能夠比n型熱電臂32的寬度窄。 雖然在圖2中所示的熱電臂32、 34具有伸長結(jié)構(gòu)，但是熱電臂32、 34可以 考慮^皮設(shè)置為許多其它的結(jié)構(gòu)比如L形或S形結(jié)構(gòu)。
n型和p型熱電臂32、 34并行熱連接和串行電氣連接。如在圖2中按照 圖示所示的，每個p型熱電臂34通過熱端金屬橋26和冷端金屬橋28被電氣 連接到在p型熱電臂34對端的相鄰的一個n型熱電臂32。用這種方式，電 流可以通過熱電臂32、34從p型熱電臂34的底部流到p型熱電臂34的頂部 以及從n型熱電臂32的頂部流到n型熱電臂32的底部。每個交替的n型和 p型熱電臂32、 34被連接到相對的傳導(dǎo)類型的相鄰的一個n型和p型熱電臂 32、 34，形成熱電偶46。
在圖3中，有代表性的n型熱電臂32在其各個上端被連接到p型熱電臂34的各個上端。在圖2中，數(shù)個n型和p型熱電臂32、 34在其對端被連接 形成數(shù)個熱電偶46并在每個箔段16的末端相對的端留下一個自由的p型熱 電臂34和一個自由的n型熱電臂32。每當(dāng)熱被熱源20通過在熱端金屬橋26 的頂板14應(yīng)用，由符號AT表示的溫度梯度，根據(jù)在底板12和冷源22的熱 電偶46的冷端金屬橋28被創(chuàng)建以使熱流48通過熱電發(fā)生器10流動。然后 電流通過在電路36中的負(fù)載向被符號A指示的方向流動。熱電發(fā)生器10還 可以包括一第一電線24和一第二電線30，在頂板和底板14、 12也不為熱電 發(fā)生器IO充當(dāng)電觸點的情況下，分別被連接到一系列n型和p型熱電臂32、 34的對端。
每個熱端金屬橋26和冷端金屬橋28用于電氣連接一個n型熱電臂32 到一個p型熱電臂34。為了防止多余的組件散布到可以容易地被外來材料污 染的n型和p型熱電臂32、 34中，每個熱端金屬橋26和冷端金屬橋28也用 于充當(dāng)擴散勢壘。而且，每個熱端金屬橋26和冷端金屬橋28用于防止多余 的組件從n型和p型熱電臂32、 34里面擴散。最后，每個熱端金屬橋26和 冷端金屬橋28用于傳導(dǎo)熱到n型和p型熱電臂32、 34中以及從n型和p型 熱電臂32、 34里導(dǎo)出熱。在這一方面，熱端金屬橋26和冷端金屬橋28可以 由高導(dǎo)熱的材料比如鍍金鎳制作。
在圖2、 6a和7a中所示的圖中，第一電線24被連接到n型熱電臂32 的自由端，而第二電線30被連接到p型熱電臂34的自由端。但是，對于具 有一排如圖1所示的以一個挨一個排列的方式設(shè)置的箔段16的熱電發(fā)生器 10，箔段16被串聯(lián)電氣連接以使在箔段16的最末端的一個自由的n型熱電 臂32被電氣連接到與箔段16相鄰的箔段16的一個自由的p型熱電臂34, 反之亦然。在這種結(jié)構(gòu)中，第一電線24被連接到該排列的最前面的箔段16的n型熱電臂32的自由端，而第二電線30被連接到該排列的最后面的箔段 16的p型熱電臂34的自由端。
雖然熱電發(fā)生器IO可以考慮包括從約1000到約20,000的任何數(shù)量的熱 電偶46，但是優(yōu)選地，箔配件50的數(shù)個箔段16可以考慮包括總計約5000 個基本上均勻分布在箔段16的排列上的熱電偶46。在如圖6a所示的實施例 中，總計5265個熱電偶46可以被提供以解釋由于箔段16之間的端到端連接 的電冗余而引起的有效的熱電偶46在數(shù)量上的減少，與下面將非常詳細(xì)地描
i^的一才羊。
在一個實施例中，熱電發(fā)生器IO可以包括約19個端到端連接的箔_敬16 以創(chuàng)建具有約1米的總長度的箔配件50?？蛇x地，但是熱電發(fā)生器10可以 包括足夠整合用于在特定的工作溫度下生產(chǎn)需要的功率而需要的熱電偶46 的總數(shù)的任何數(shù)量的箔段16。假設(shè)所有的熱電偶46為串聯(lián)電氣連接，熱電 發(fā)生器10的總電壓輸出簡單地計算成穿過每個熱電偶46產(chǎn)生的各個電壓的 和，將不起作用的熱電偶46作為如圖6a所示的電冗余連接型的部分。
在一個優(yōu)選實施例中，基片18具有在7.5)im到50pm范圍內(nèi)的厚度，雖 然基片18的厚度優(yōu)選地為約25iim。因為通過基片18減少熱流48以提高熱 轉(zhuǎn)化效率的需要，需要減少設(shè)置有熱電臂32、 33的基片18的厚度?？紤]到 可以包括基片18的材料，電絕緣材料可以被利用以使設(shè)置在基片18上的相 鄰的熱電臂32、 34可以相互絕緣。
基片18材料也可以具有低的導(dǎo)熱性并可以為聚酰亞胺膜比如DuPont制 備的Kapton薄膜。由于其低的導(dǎo)熱性，聚酰亞胺膜為熱電發(fā)生器10的卓越 的基片18。另外，在約70°F的室溫溫度范圍內(nèi)，聚酰亞胺膜具有與利用在 熱電臂32、34中的碲化鉍型材料的熱膨脹系數(shù)在相同的數(shù)量級內(nèi)的熱膨脹系
23數(shù)。因此，通過使用聚酰亞胺，可能發(fā)生在基片18或熱電材料44接口的剩 余的機械應(yīng)力可以被最小化或消除。在這一方面，熱電發(fā)生器的整體耐久力 和使用壽命可以被提高。
組成n型和p型熱電臂32、 34的熱電材料44可以包括碲化鉍、型的半導(dǎo) 體化合物，如上所述。但是，該半導(dǎo)體化合物的具體組分可以改變以提高n 型和p型熱電臂32、 34的熱電性能。在這一方面，凈皮用作沉積，比如通過濺
料
(Bi(U5Sb0.85)2Te3加上18原子％Te過剩量， 但是該過剩量可以為從約10原子％Te過剩量到30原子％Te過剩量。 在通過濺射被利用在制作n型熱電臂32中的半導(dǎo)體化合物(即原材料或 目標(biāo)材料)可以優(yōu)選地包括具有下列分子式的材料
Bi2(Teo.9Se(n)3加上22原子％ (Teo.9Se(u)過剩量， 但是該過剩量可以為在約10原子o/。(Te。.9Se(u)過剩量到約30原子％ (Teo.9Secn)過剩量的范圍內(nèi)的任何地方。需要注意的是，上述引用的適用于p 型和n型熱電臂的化合物或分子式與最初的或初始的材料有關(guān)，賊射目標(biāo)由 該材料制作。在此公開的制作方法中，適用于n型和p型熱電臂的熱電材料 44為濺射操作之前的初始材料。與在此公開的一樣的熱電材料44的理i侖配 比組分有利地導(dǎo)致相對高的熱電優(yōu)值(Z)。
雖然許多不同的微制造技術(shù)可以被應(yīng)用在沉淀熱電材料44到基片18上， 該濺射方法比如磁電管或等離子管濺射可以在高真空沉積裝置的幫助下優(yōu)選 地被利用。濺射可以用于沉積相對濃的基于碲化鉍的熱電材料44到薄基片 18上。當(dāng)與上述材料系統(tǒng)共同使用時，本發(fā)明的熱電發(fā)生器達(dá)到相當(dāng)高的功率輸出。這樣增加的功率輸入部分是由于碲化鉍型材料系統(tǒng)的使用，該碲化 鉍型材料系統(tǒng)與其它材料系統(tǒng)相比，在室溫范圍內(nèi)具有相對高的優(yōu)值(Z),
并在從約32°F到約212°F (即相當(dāng)于約0°C到約100°C的范圍)范圍內(nèi)有效 運行。
如更早所提到的，熱電發(fā)生器10的效率的特征在于熱電優(yōu)值(Z),由 公式Z=S2a/K定義，其中cj和K分別為導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率，S為以微伏每度(pV/K) 表示的賽貝克系數(shù)。在本發(fā)明公開的熱電發(fā)生器的熱電偶46排列中，通過熱 電臂的熱流的方向與通過基片18的熱流的方向平行。因此，優(yōu)選地是可以把 功率因數(shù)看作熱電材料44的有效性的估量。
由于本發(fā)明的熱電臂的獨特的材料組成與該沉積步驟相結(jié)合，相對高的 熱電材料的功率因數(shù)(P)的值被達(dá)到。例如，可以發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)排列相 比，通過濺射沉積Bi2Te3型熱電材料44到基片18上為p型和n型熱電材料 44得到了功率因數(shù)的改進(jìn)值。
更具體地，可以發(fā)現(xiàn)，為p型Bi2Te3型熱電材料44使用最優(yōu)化的濺射步 驟，對在室溫范圍內(nèi)的約35pW/(K、cm)的功率因子(Pp)而言，賽貝克系數(shù)(Sp) 約為210(iV/K，而導(dǎo)電率(cjp)約為800 l/OQ*cm)。對于n型Bi2Te3型熱電材料 44，對在室溫范圍內(nèi)的約23nW/(K^cm)的功率因子(Pn)而言，該賽貝克系數(shù) (Sn)約為180pV/K，而導(dǎo)電率(O約為700 l/(!Q*cm)。
對于具有上述機械和電特性的熱電發(fā)生器10而言，在功率輸出方面的改 進(jìn)被實現(xiàn)并記錄在圖8a-8f中。例如，對頂板和底板14、 12之間的約5K的 溫差而言，開路電壓輸出可以在約4.0V和約6.5V范圍內(nèi)，并具有5.2V的可 測量值。類似地，短路電流輸出可以在約60|aA和約100|iA范圍內(nèi)，具有76pA 的可測值。對于熱電發(fā)生器10的一個優(yōu)選實施例而言，在頂板和底板14、
2512之間的約5K的溫差、具有約2.6V的可測值的在約2.0V到約3.5V范圍內(nèi) 的電壓條件下，在匹配負(fù)載情況下，電功率輸出考慮在約70liW到約130pW 范圍內(nèi)。
尤其地，在圖8a-8f中可以看出，適用于熱電發(fā)生器IO的功率特征和電 氣參數(shù)根據(jù)頂板和底板14、 12之間的溫差變化。例如，圖8a和8d為給頂板 和底板14、 12之間的各種不同的溫差的熱電發(fā)生器的電參數(shù)的曲線圖。更具 體地，圖8a和8d為按伏特的電壓比按微安測量的電流的曲線圖。從圖8a 可以看出，熱電發(fā)生器10在5K的溫度梯度下提供了 5.2V的開路電壓和76.5 微安OA)的短路電流輸出。
圖8b和8e為在匹配負(fù)載情況下的功率輸出的曲線圖，該匹配負(fù)載在該 曲線圖上表示為負(fù)載的阻抗與熱電發(fā)生器IO的阻抗的比。在圖8b中可以看 出，對于該負(fù)載的阻抗與熱電發(fā)生器IO的阻抗的比約為1的情況下，在穿過 頂板和底板14、 12的5K的溫差下，電功率輸出為將近IOO微瓦(nW)。參 見圖8c和8f，所示(即負(fù)載的阻抗比熱電發(fā)生器IO的阻抗等于1)為在與 穿過頂板和底板14、 12的溫差匹配的負(fù)載下，熱電發(fā)生器IO的功率輸出的 曲線圖。從圖8c中可以看出，熱電發(fā)生器IO在5K的溫度梯度下，提供了 2.6伏特的電壓輸出，在這樣的匹配負(fù)載下，提供了 100jTW的功率輸出。如 圖8a和8f中引用的這樣的測量為在30。C的基本溫度下獲取的。進(jìn)一步地， 通過參見8c可以看出，熱電發(fā)生器IO的功率輸出和電壓輸出都隨著穿過頂 板和底板14、 12的溫度梯度的增加而大致增加。
現(xiàn)在尤其參見圖6a到7b，所示為幾個實施例，通過這些實施例端到端 的箔段16可以被機械連接和電氣連接。如更早所提及的，箔配件50可以包 括的彼此端到端機械連接和電氣連接設(shè)置的數(shù)個箔段16。雖然熱電臂可以沉
26積在前基片表面或后基片表面40、 42的任意一個上或兩個基片18表面上， 只沉積在前基片表面40上為有利的，因為當(dāng)螺旋狀纏繞時，熱電臂可以向內(nèi) 側(cè)方向被設(shè)置，在基片18系統(tǒng)的內(nèi)側(cè)上導(dǎo)致低的熱機械應(yīng)力。
相反地，因為當(dāng)基片18處于平的或平面的方向然后基片18隨后纏繞成 圓纏繞時，熱電臂被設(shè)置在基片18上，依靠纏繞，與箔段16的內(nèi)側(cè)(即前 基片表面)上的機械應(yīng)力相反，相對高的機械應(yīng)力產(chǎn)生在外側(cè)(即后基片表 面)。在熱電臂的沉淀之后，通過在該帶的兩個側(cè)面都提供保護(hù)層72防止在 箔配件50的纏繞之間的短路，下面將非常詳細(xì)地描述。
箔配件50的纏繞可以包括在其中央的中空部分82的創(chuàng)建。為了箔配件 50的纏繞，與中空部分82的內(nèi)直徑相等的小直徑考慮約為lmm。但是，熱 電發(fā)生器應(yīng)該用于容納或者圈起某些組件，比如電路，然后中空部分82可以 被擴大以提供達(dá)到約80mm (例如手表或類似設(shè)備的尺寸)以便于箔配件50 具有更多的環(huán)形形狀或炸面圈形狀。
仍參見圖6a到7b，相鄰的箔段16的端到端的連接可以在位于箔配件50 中的數(shù)個連接件52的使用之中便利化。每個連接件52可以充當(dāng)穿過位于相 鄰的箔段16之間的接頭的接合，并在這一方面可以被設(shè)置在貼著前基片表面 和后基片表面40、 42的至少一個。如更早所提及的，這樣的附加的機械穩(wěn)定 性通過粘結(jié)一個連接件到前基片表面和后基片表面提供。連接件52用于至少 機械連接相鄰的箔段16的自由端。
從圖6b可以看出，用于純粹地機械連接端到端的箔段16的后基片表面 和前基片表面的連接件52如圖16所示。雖然基片18在前基片表面和后基片 表面40、 42上都可以包括熱電臂，如果后基片表面42沒有熱電臂，通過采 用裝配粘合劑62,如圖6b所示的連接件52的粘合被便利化，裝配粘合劑62優(yōu)選地為非導(dǎo)電的并具有低的導(dǎo)熱性。這樣的裝配粘合劑62優(yōu)選地為UV或 可見光固化膠粘劑比如環(huán)氧樹脂或丙烯酸脂膠。但是，任何合適的具有低導(dǎo) 熱性的非導(dǎo)電的粘合劑和適當(dāng)?shù)臋C械參數(shù)可以被利用。
連接件52考慮由聚酯箔或其它適合的具有低的導(dǎo)熱性并也是非導(dǎo)電的 材料制作，連接件52可以由UV -透明的聚酯箔制作。連接件52的尺寸為 優(yōu)選地以使連接件52具有相對小的長度，該長度被從如圖6b和6c所示的邊 到邊測量。在該連接件中需要這么小的長度是為了減少寄生的熱流48。但是， 通過加長連接件52使得箔段之間的機械穩(wěn)定性提高。雖然連接件52可以具 有任何長度，但是一個為了粘合到后基片表面42的連接件52的典型的長度 約為1500|am。連接件52可以由聚酯箔材料制備，該材料具有優(yōu)選地少于基 片18的厚度并更優(yōu)選地約為12pm。
為了既提高連接件52與配件的粘合和電粘合又提高金屬觸點54和連接 件52之間的粘合，通過裝配粘合劑62的連接件52的粘合可以通過連接件 52的至少一側(cè)的預(yù)處理被便利化。這樣的金屬觸點54適用于電氣連接箔段 16，下面將非常詳細(xì)地描述。為了便利箔段16之間的互連，優(yōu)選地，連接件 52為高度大致與基片的高度相等。從圖6b可以看出，金屬觸點54可以從優(yōu) 選地安裝在沒有熱電臂的基片18的一個側(cè)面上的連接件52中省略。圖6c 說明金屬觸點54的結(jié)構(gòu)和位置，該金屬觸點54便利了熱電臂的電氣連接。
參考圖6c,所示為具有設(shè)置在其上的金屬觸點54的連接件52。這樣的 金屬觸點54優(yōu)選地具有在約lpm到約5拜范圍內(nèi)的厚度的4臬，并可以被一 個約100納米(nm)的薄金層覆蓋，該金層可以通過適當(dāng)?shù)谋∧?例如，濺 射、熱蒸發(fā)等)方法或通過厚膜方法沉積。
現(xiàn)在參考圖6a和7a,所示為要被連接的箔段16的相鄰設(shè)置的自由端。
28除設(shè)置在基片18上的交替n型和p型熱電臂32、 34之外，為了提供一種用 于連接在每個箔段16中的末端的n型和p型熱電臂32、 34的方法，端觸點 76優(yōu)選地凈皮包括沿著基片18的頂部邊纟彖和底部邊纟彖58、 60。在這一方面， 端觸點76提供了一種用于電氣連接沉積在每個箔段16的相鄰的自由端的n 型和p型熱電臂32、 34的n型和p型熱電臂32、 34的至少一個的方法。
連接件52然后可以用于提供穿過鄰接的箔段16的鄰接的端觸點76的導(dǎo) 電通路。在這一方面，金屬觸點54可以在尺寸方面與熱端和冷端的用于沿著 箔段16互聯(lián)n型和p型熱電臂32、 34的金屬橋26、 28相似。金屬觸點54 被依一定尺寸制造并用于電氣連接一個箔段16的末端的n型熱電臂32到相 鄰的一個箔段16的末端的p型熱電臂34。這樣的排列被在圖7中說明，其 中最左端的箔段16包括在被連接到一個p型熱電臂上的上部邊緣58上的金 屬橋。
在圖7a中，最右端的箔段16包括一個在連接n型熱電臂32的箔段16 的頂部邊緣58上的金屬橋。此外，每個箔段16的底部邊緣60包括不與任何 n型或p型熱電臂32、 34連接的但是用于平衡機械力并在箔配件50的頂部 邊緣和底部邊緣58、 60創(chuàng)建與在箔接合處56的箔段厚度均衡的一個冷端金 屬橋28。這樣的均衡厚度便利了連接件52粘合到在箔接合處56的箔段。
現(xiàn)在筒略參見圖7b，所示為粘合連接件52到箔段16以提供其間的機械 連接和電氣連接的一個優(yōu)選的實施例。更具體地，圖7b示出了分別設(shè)置在頂 部和底部邊緣58、 60的端節(jié)點76之間的一層裝配粘合劑62。這樣的裝配粘 合劑62優(yōu)選地為低導(dǎo)熱率和非導(dǎo)電的并用于粘合連接件52的中間部分到前 基片表面和后基片表面40、 42的至少一個以便機械連接相鄰的蕩段16的自 由端。沿著端觸點76的頂部邊緣和底部邊緣58、 60有一層電粘合劑64該電
29粘合劑64優(yōu)選地為低導(dǎo)熱率并用于粘合在連接件52的頂部邊緣和底部邊緣 58、 60的金屬觸點54到鄰接的箔段16的各個端觸點76。這樣的電粘合劑 64優(yōu)選地為UV或可見光固化膠粘劑比如環(huán)氧樹脂或丙烯酸鹽膠。但是，任 何合適的導(dǎo)電的粘合劑帶有適當(dāng)?shù)臋C械參數(shù)可以被利用。
如圖7b所示的結(jié)構(gòu)提供了用于簡單地將n型或p型熱電臂32、 34的末 端串聯(lián)電氣連接的方法。但是，為了提供余量以防止在兩個箔段之間的不良 電連接發(fā)生的熱電設(shè)備的故障， 一個可選的接頭形狀如圖6a和6d所示，其 增加了相鄰的箔段16之間的電觸點的余量。更具體地，圖6a所示的該接頭 形狀規(guī)定端觸點76沿著與箔段16的自由端相鄰的頂部邊緣和底部邊緣58、 60的至少一個延伸。
端觸點76優(yōu)選地電氣連接到設(shè)置在離箔段16的自由端最近的一個n型 和一個p型熱電臂32、 34。在應(yīng)用圖6c所示的連接件52結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采 用上述應(yīng)用的裝配粘合劑和電粘合劑64，至少一個金屬觸點54用于電氣連 接最左端的箔段16的末端的n型和p型熱電臂32、 34對到右側(cè)的箔段16 的末端的n型和p型熱電臂32、 34對。簡略參見圖6d,所示為裝配粘合劑 和電粘合劑64被應(yīng)用的模式與如圖7b所示的用于箔接頭56的單個到多個的 模式相似。
簡略參見圖6d和7b，其中所示為在保護(hù)層72中的開口或窗口 74。如更 早所述，保護(hù)層72在沉淀過程之后被應(yīng)用在熱電臂和基片18上。這樣的窗 口 74可以通過適當(dāng)?shù)难谀せ蚱渌线m的制造步驟被創(chuàng)建以局部地消除非導(dǎo) 電的保護(hù)層72。保護(hù)層72主要為了防止當(dāng)被螺旋狀纏繞時箔配件59的接連 纏繞之間的電接觸。而且，保護(hù)層72提供了熱電臂的機械穩(wěn)定性，保護(hù)免受 氧化和腐蝕，限制化學(xué)接觸等。從圖6d和7b中可以看出，這樣的窗口 74可以被設(shè)置為比端觸點76電粘合到的連接件52的金屬觸點54的尺寸略小。 例如，如果端觸點76和/或金屬觸點54具有約150pm的高度，在端觸 點76上的保護(hù)層72中的窗口 74在高度上考慮約為120pm。在相同方面， 窗口 74可以具有約220|im的長度，該長度與連接件52的金屬觸點54的長 度兼容?？紤]到連接件52的長度，在其上設(shè)置有金屬觸點54的連接件可以 為任何合適的尺寸但是可以優(yōu)選地約為500)im。如更早提及的，安裝在后基 片表面42 (即可以沒有熱電臂)的連接件52的長度可以大致更長并可以大 約為1500(im。
返回參見圖4a和5a，所示為熱電發(fā)生器的橫截面視圖，示出了壓縮在 頂板和底板14、 12之間的箔段16的纏繞。如更早所提及的，箔配件50纏繞 成圓形纏繞使得產(chǎn)生了中空部分82，其中優(yōu)選地添加非導(dǎo)電低導(dǎo)熱的填充物 68。這樣的添充物68可以起到防止由于中空部分82的內(nèi)側(cè)以及頂板和底板 14、 12的外側(cè)之間的壓差而產(chǎn)生的機械應(yīng)力?？蛇x地，圖5a顯示了形成在 頂板和底板14、 12的至少一個里的鉆孔80以方便電路或其它合適的部件的 插入。
在圖5a所示的結(jié)構(gòu)中，電路可以首先插入到中空部分82中，然后被填 充物68填充。密封劑70也可以4皮提供中空部分82的周邊以防止向箔配件 50導(dǎo)電和導(dǎo)熱。填充物68可以包括任何合適的材料并優(yōu)選具有低導(dǎo)熱性的 材料比如橡皮圏、或包括粘合劑和/或泡沫材料、空心玻璃球(例如微空心球) 的非橡膠材料或其任何混合物或組合物。
關(guān)于該電路，這樣的電路可以被集成到熱電發(fā)生器10中，而且也可以由 此4皮提供動力以表示為熱電發(fā)生器10的最終電子應(yīng)用的電子功率管理系統(tǒng) 的一部分或完整的方案。螺旋狀纏繞的箔配件50可以進(jìn)一步考慮形成圍繞電
31路的一個環(huán)。用這種方式，電路的總尺寸由中空部分82的最小內(nèi)部直徑限定。 但是，可以考慮形成部分電路但不設(shè)置在中空部分82中的附加電子部件能作 為單獨的單元被代替設(shè)置且排列在熱電發(fā)生器10的外部，并可以安裝到頂板 和/或底板14上。此外，薄膜電池可以被沉積設(shè)置在頂板和底板14、 12的至 少一個的內(nèi)側(cè)。用這種方式，頂板和底板14、 12可以為薄膜電池充當(dāng)基片， 該薄膜電池可以用于安裝在中空部分82內(nèi)部?？蛇x地，該薄膜電池可以用于 穿過頂板和底板14、 12的至少一個的任何一部分或全部進(jìn)行延伸。
這樣的電路可以包括電子低功率管理系統(tǒng)和/或最終的電子應(yīng)用并可以 包括各種設(shè)備比如手表、脈搏/血壓表和其它醫(yī)療設(shè)備、RFID設(shè)備，也包括 也可以以RF技術(shù)格式提供的傳感器設(shè)備。以功率管理系統(tǒng)形式的電路可以 被集成以處理熱電發(fā)生器10產(chǎn)生的功率并也為最終的電子應(yīng)用提供穩(wěn)定的 緩沖的電源。理想地，該功率管理系統(tǒng)本身應(yīng)該盡可能不消耗功率且可以包 括下列特征過壓保護(hù)、能量存儲、保護(hù)預(yù)防反向熱電壓和反向電流、轉(zhuǎn)化 反向電壓的整流器、電子應(yīng)用的低電壓保護(hù)和電子應(yīng)用(如手表)的能量存 儲管理。
過壓保護(hù)可以通過二極管或一系列以正向并與最終電子應(yīng)用并聯(lián)連接的 二極管的方法被便利化。通過包括電容器(低漏電、高容量型和超電容型) 或可充電薄膜電池或兩種設(shè)備的組合的各種不同的電子部件的方法，能量存 儲可以被便利化。通過使用具有低正向電壓的二極管，比如肖特基二極管， 以正向并與熱電發(fā)生器10串聯(lián)的方式連接，保護(hù)預(yù)防方向電壓可以被便利 化。
可以提供該整流器以轉(zhuǎn)化反向電壓，且該整流器可以通過使用各種部件 如Gmetz橋(比如四個二極管的排列)被便利化以使反向的熱電壓可以用于為某種電子設(shè)備提供動力。此外，該整流器可以便利由電子低功率管理系統(tǒng) 和/或最終電子應(yīng)用產(chǎn)生的反向電流的阻斷。
最終電子應(yīng)用的低壓保護(hù)可以通過使用比較電路被便利化。如果最終電 子應(yīng)用的工作電壓降到臨界電壓以下，這樣的比較電路可以用于切斷由熱電 發(fā)生器生產(chǎn)的功率，能量存儲管理對熱電發(fā)生器IO的優(yōu)化使用是關(guān)鍵的。在 這一方面，需要配置這樣一個能量存儲管理系統(tǒng)，以便當(dāng)需要的時候，能量
可以由熱電發(fā)生器IO提供，但是能量也可以被存儲以防止多余能量的浪費。
這樣的能量存儲管理可以考慮使用取決于電壓電平需求的存儲電容的方式提 供能量的電路來實現(xiàn)。為了增加集成密度和功能并為了減少功率消耗，電子
低功率管理系統(tǒng)的部分或全部電路可以被便利為ASIC (即應(yīng)用型專用集成 電路)。
仍參見圖4a和5a，熱電發(fā)生器10可以包括圍繞頂板和底板14、 12之 間的箔段16的外圍電路部分延伸的一層密封劑70。密封劑70優(yōu)選地為非導(dǎo) 電的并具有低導(dǎo)熱性。密封劑70優(yōu)選地用于增加熱電發(fā)生器10的保護(hù)預(yù)防 水分吸收、腐蝕、液體污染、碎屑，也用于密封抵抗其它不需要的成分。密 封劑70可以用于箔配件50的外部區(qū)域還有中空部分82區(qū)域中以填充在任何 頂板和底板14、 12里的鉆孔80。
在制造本發(fā)明的熱電發(fā)生器10中，起始步驟可以包括基片18預(yù)制備并 可以包括將基片18切割成適當(dāng)尺寸的片，接著是一個退火處理過程并將基片 18粘結(jié)到其上用于支撐的架上。這樣的基片18可以為任何合適的材料并優(yōu) 選卡普頓膠帶?；?8的粘結(jié)后并在退火過程后，p型熱電臂44被沉積在 基片18上。
這樣的沉淀步驟包括真空室和等離子蝕刻機的準(zhǔn)備和將目標(biāo)和圓片保持器插入到該真空室中。如更早提及的，這樣的p型熱電臂44優(yōu)選地為具有上 述量的過剩量Te的碲化鉍型。在p型熱電臂44的氧電漿蝕刻法之后，冷濺 射在室溫下執(zhí)行。然后執(zhí)行熱濺射以增加p型熱電臂44的晶體成長。該熱濺 射和冷賊射方法可以被庫侖換任意次數(shù)(優(yōu)選地每個三次)以為沉積的熱電臂
44提供最佳的功率因數(shù)。p型熱電臂44的沉積之后，同一熱電臂的光刻法通 過光致抗蝕劑的應(yīng)用和構(gòu)造執(zhí)行。p型熱電臂44然后通過光致抗蝕劑的蝕刻 然后剝離被構(gòu)造。
然后在真空室內(nèi)用等離子蝕刻機使用適當(dāng)?shù)捻诨G材料執(zhí)行n型熱電臂 44的沉積。如更早所提及的，這樣的n型熱電臂44優(yōu)選地為碲化鉍型具有 上述量的過剩量Te和Se。也可以執(zhí)行交替的熱'減射和冷'減射以便提供最佳 的n型熱電材料44層。在通過n型熱電材料44的蝕刻光刻法和構(gòu)造之后， 然后執(zhí)行剝脫光刻法然后為熱金屬橋和冷金屬橋26、 28、箔段16的端觸點 76和連接件52的金屬觸點54沉積鎳金層。在剝脫構(gòu)造之后，光刻法以產(chǎn)生 保護(hù)層72、密封劑，并將圓片切割成箔段16，箔段16可以被端到端組合。
箔段組裝方法可以從在圖6e所示的位置處使用裝配粘合劑62將與圖6b 所示的連接件類似的連接件52粘合到前基片表面和后基片表面40、 42的至 少一個開始。然后可以通過粘合如圖6c所示配置的連接件52到前基片表面 40來執(zhí)行箔段16的機械連接和電氣連接，其中電粘合劑64被用于在相鄰設(shè) 置的箔段的末端的n型和p型熱電臂之間的跨越?？蛇x地，如果端觸點76 和金屬觸點54以圖6d和7b所示的樣式被提供在箔段上，電粘合劑64可以 被用于粘結(jié)該金屬觸點到一個箔段的至少一個端節(jié)點上以改進(jìn)該電氣連接。 這樣的電粘合劑64可以通過合適的方法比如在烤箱中一皮凝固。
在一系列箔段16的互連之后，箔配件50可以被螺旋狀纏繞成圓形，然
34后可以通過使用熱粘合劑66被附著到頂板和底板14、 12，熱粘合劑66可以 通過任何合適的方法比如在對流烘箱中被凝固。如果頂板或底板14、 12由 UV或可見光透明材料比如陶瓷組成，這樣的熱粘合劑66可以為UV或者可 見光固化膠粘劑比如環(huán)氧樹脂或丙烯酸脂膠。但是，任何合適的非導(dǎo)電的具 有高導(dǎo)熱率的粘合劑可以在具有適當(dāng)?shù)臋C械參數(shù)下被利用。在箔配件50的極
端相對端的末端的金屬端觸點然后可以被連接到各個頂板和底板14、 12以使 頂板和底板14、 12可以為需要被提供動力的設(shè)備充當(dāng)電觸點。這樣的觸點可 以在功能上和結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)手表電池的觸點類似。然后執(zhí)行設(shè)備的密封以保 護(hù)熱電發(fā)生器IO預(yù)防水分、化學(xué)制品、機械影響和任何其它對其運行起相反 作用的碎屑。
在可選的制造過程中，可以考慮使用巻繞式處理技術(shù)為熱電發(fā)生器制作 伸長的箔段以沉積一排基片材料的n型和p型熱電臂到前基片表面和后基片 表面的至少一個上。這樣的巻繞式處理可以與在2005年8月23曰向 Chan-Park等人發(fā)行的美國專利號6,933,098、發(fā)明名稱為"PROCESS FOR ROLL-TO-ROLL MANUFACTURE OF A DISPLAY BY SYNCHRONIZED PHOTOLITHOGRAPHIC EXPOSURE ON A SUBSTRATE WEB"中公開的處 理相似，其全部內(nèi)容通過引用清楚地結(jié)合于此。金屬橋和端觸點可以使用類 似的巻繞式處理技術(shù)被類似地沉積在前基片表面和后基片表面的至少一個 上。類似地，可以包括或省略金屬觸點的連接件的制作也可以在這樣的巻繞 式處理中被制作。
本發(fā)明其它修改和改進(jìn)對本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以是顯然的。這樣，在此 說明和描述的部分的特殊的組合只用于表示本發(fā)明的某些實施例，并不用于 限制本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的可選設(shè)備。
權(quán)利要求
1、一種熱電發(fā)生器，包括一頂板和一底板，被彼此平行隔開設(shè)置，每個所述頂板和底板為導(dǎo)熱的并具有大致圓形的形狀；一螺旋狀纏繞的箔段，其被鎖位在所述頂板和底板之間并熱互連所述頂板和底板，所述箔段包括一伸長基片，其具有頂部邊緣和底部邊緣以及在約7.5微米到約50微米范圍內(nèi)的厚度，并包括相對的前基片表面和后基片表面，該基片由具有低導(dǎo)熱性的電絕緣材料形成；一系列伸長交替的n型和p型熱電臂，以隔開并行排列的方式設(shè)置在所述前基片表面上，每個所述n型和p型熱電臂由Bi2Te3型熱電材料形成，所述熱電材料具有在約10微米到約100微米范圍內(nèi)的厚度，每個n型和p型熱電臂具有一寬度和一長度，所述寬度在從約10微米到約100微米范圍內(nèi)，所述長度在從約100微米到約500微米范圍內(nèi)；其中每個所述p型熱電臂被電氣連接到在所述p型熱電臂的對端的相鄰的n型熱電臂以使所述n型和p型熱電臂串聯(lián)電氣連接且并聯(lián)熱連接；所述頂板和底板被電氣連接到一系列交替的n型和p型熱電臂的對端的相應(yīng)端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)生器，其中所述p型熱電臂的所述熱電 材料為具有下列分子式的半導(dǎo)體化合物(Bi0.15SbQ.85)2Te3加上約10原子o/。Te過剩量(excess)到約30原子。/。Te 過剩量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電發(fā)生器，其中所述p型Bi2Te3型熱電材料 在約20攝氏度下具有達(dá)到約45pW/(K"cm)的功率因數(shù)(Pp)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)生器，其中所述n型熱電臂的熱電材料 為具有下列分子式的半導(dǎo)體化合物Bi2(Te。.9Se(u)3加上約10原子。/。(Teo.9Se(u)過剩量到約30原子。/。(Teo.9Seo.0 過剩量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電發(fā)生器，其中所述n型Bi2Te3型熱電材料 在約20攝氏度下具有達(dá)到約45nW/(K"cm)的功率因數(shù)(Pn)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)生器，其中 開路電壓輸出在約4，0V和約6.5V之間；在約為5K的所述頂板和底^反之間的溫差下，短;咯電流輸出在約60pA 和約100jiA之間。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電發(fā)生器，其中在約為5K的所述頂板和底板之間的溫差和在約2.5V和約3V之間的電 壓下，電功率輸出在約70)iW和約130pW之間。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電發(fā)生器，其中 所述頂板和底板具有在約4mm到約80mm范圍內(nèi)的直徑； 所述頂板和底板被隔開以限定所述熱電發(fā)生器的總高度在約0.3mm和約4.0mm之間。
9、 一種熱電發(fā)生器，包括一頂板和一底板，被彼此平行隔開設(shè)置并具有大致圓形的形狀； 一螺旋狀纏繞的箔配件，其被鎖位在所述底板和頂板之間并熱相連所述 頂板和底板，所述箔配件包括一系列以彼此端到端的關(guān)系設(shè)置并且串聯(lián)電氣連接的箔段，每個所述箔段包括一基片，其具有頂部邊緣和底部邊緣以及在7.5微米到50微米范圍 內(nèi)的厚度，并包括相對的前基片表面和后基片表面，該基片由具有低導(dǎo) 熱性的電絕緣材料形成；一系列伸長交替的n型和p型熱電臂，以隔開并行排列方式設(shè)置在 所述前基片表面和后基片表面的至少一個上，每個所述n型和p型熱電 臂由Bi2Te3型熱電材料形成，所述熱電材料具有在約IO微米到約100 微米范圍內(nèi)的厚度，每個n型和p型熱電臂具有在約IO微米到約100 微米范圍內(nèi)的寬度和在約100微米到約500微米范圍內(nèi)的長度； 其中每個所述p型熱電臂被電氣連接到在所述p型熱電臂的對端的相鄰的n型熱電臂以使所述n型和p型熱電臂串聯(lián)電氣連接且并聯(lián)熱連接。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱電發(fā)生器，其中 每個所述箔段具有相對的自由端；所述箔配件還包括數(shù)個連接件；每個所述連接件被設(shè)置為貼著所述前基片表面和后基片表面的至少一 個，并被按一定尺寸制造且用于機械連接相鄰箔段的自由端。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的熱電發(fā)生器，其中所述箔配件還包括一層低導(dǎo)熱且非導(dǎo)電的裝配粘合劑將所述連接件粘結(jié) 到相鄰的箔段的自由端。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱電發(fā)生器，其中還包括一層導(dǎo)電的電粘合劑，所述電粘合劑在一個所述箔段的末端的一個n型 熱電臂到相鄰的一個箔段的末端的一個p型熱電臂之間延伸以電氣連接所述 箔段。
13、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的熱電發(fā)生器，其中每個所述連接件具有頂部邊緣和底部邊緣以及沿著所述頂部邊纟彖和底部 邊緣的至少 一個設(shè)置的 一金屬觸點；所述金屬觸點被依一定尺寸制造并用于電氣連接一個所述箔段的末端的 一個n型熱電臂到相鄰的一個箔段的末端的一個p型熱電臂。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱電發(fā)生器，其中所述金屬觸點被依一定尺寸制造并用于電氣連接一個所述箔段的末端的 一對n型和p型熱電臂到相鄰的一個箔^:的末端的一對n型和p型熱電臂以 在所述箔段之間提供電氣冗余連接。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱電發(fā)生器，其中每個所述箔段包括沿著與至少一個所述相對的自由端相鄰的所述頂部邊 緣和底部邊緣的至少 一個延伸的 一端觸點；所述端觸點被電氣連接到與一個所述自由端相鄰^:置的所述n型和p型 熱電臂的至少一個；所述箔配件還包括在所述連接件和一對所述箔段的端觸點之間的一層導(dǎo) 電的電粘合劑。
16、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱電發(fā)生器，其中所述螺旋狀纏繞的箔配件 用非導(dǎo)電的熱粘合劑被互連到所述頂板和底板。
17、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱電發(fā)生器，其中所述螺旋狀纏繞的箔配件 包括一中空部分。
18、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱電發(fā)生器，其中所述中空部分至少部分地 用具有低導(dǎo)熱性的非導(dǎo)電的填充料填充。
19、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱電發(fā)生器，其中所述中空部分被依一定尺寸制造并用于容納電子線路。
20、 一種生產(chǎn)熱電發(fā)生器的箔配件的方法，包括步驟 提供具有前基片表面和后基片表面的基片材料； 在所述前基片表面上沉積一排n型和p型熱電臂；沿著所述前基片表面的頂部邊緣和底部邊緣的至少 一個沉積金屬橋； 切割具有所述n型和p型熱電臂的其上沉積有金屬橋的基片材料，以這樣的方式形成數(shù)個箔段；以避免所述n型和p型熱電臂的方式切割所述基片材料用以形成數(shù)個連接件；以端到端的關(guān)系排列 一對箔段以形成一 箔接頭；通過用非導(dǎo)電且低導(dǎo)熱的裝配粘合劑將穿過所述箔接頭的一對連接件粘 合在至少所述前基片表面上，機械互連所述箔段；以及通過將導(dǎo)電粘合劑從一個所述箔段的末端的一個所述n型熱電臂延伸到 與該對箔段的相鄰一個箔段的末端的一個所述p型熱電臂，在所述前基片表 面上電氣互連所述箔段。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中還包括步驟 螺旋狀纏繞所述箔配件成大致圓形的形狀以使所述箔段的前基片表面面向徑向向內(nèi)。
22、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中采用 一系列交替的熱濺射和冷濺射步驟使所述n型和p型熱電臂沉積在 基片上；所述冷賊射步驟在約IO攝氏度到約IOO攝氏度范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行； 所述熱賊射步驟在約200攝氏度到約400攝氏度范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行。
23、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中還包括步驟 通過在所述前基片表面上'踐射一層鎳，然后在該4臬層上蒸發(fā)一層金，沿著所述連接件的頂部邊緣和底部邊緣的至少 一個沉積金屬觸點。
24、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中還包括步驟 沿著所述箔段的所述前基片表面的所述頂部邊緣和底部邊緣的至少一個在其相對的自由端沉積端觸點。
25、 一種生產(chǎn)熱電發(fā)生器的伸長箔段的方法，包括步驟 提供具有前基片表面和后基片表面的基片材料；使用巻繞式處理在所述前基片表面上沉積一排n型和p型熱電臂； 使用巻繞式處理沿著所述前基片表面的所述頂部邊緣和底部邊緣的至少 一個沉積金屬橋以使每個所述p型熱電臂被電氣連接到在所述p型熱電臂的 對端的相鄰的n型熱電臂，以使所述p型和n型熱電臂串聯(lián)電氣連接。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中還包括步驟 螺旋狀纏繞所述箔段成一個大致圓形的形狀以使所述前基片表面面向徑向向內(nèi)。
全文摘要
一種熱電發(fā)生器具有以隔開關(guān)系方式設(shè)置在一底板上的一頂板。一系列箔段被電氣連接和機械端到端連接以產(chǎn)生一箔配件，該箔配件被螺旋狀纏繞并與該底板和頂板熱接觸。每個箔段包括具有一系列以平行排列的方式設(shè)置在前基片表面上的隔開交替的n型和p型熱電臂的基片。每個所述n型和p型熱電臂由基于碲化鉍的熱電材料形成，具有約10-100微米的厚度、約10-100微米的寬度和約100-500微米的長度。該交替的n型和p型熱電臂為串聯(lián)電氣連接和并聯(lián)熱連接以使在該底板和頂板之間的溫差導(dǎo)致功率的產(chǎn)生。
文檔編號H01L35/30GK101449402SQ200780012565
公開日2009年6月3日 申請日期2007年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月10日
發(fā)明者英戈·斯達(dá)克 申請人:數(shù)字安吉爾公司