專利名稱：熱電轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱電轉(zhuǎn)換裝置，且特別是涉及一種具有堆疊結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換裝置。
背景技術(shù)：
由于能源短缺問題使得再生能源技術(shù)的發(fā)展成為重要議題，以汽車為例，引擎廢 熱約占車輛動力的三分之一，如能利用排氣廢熱提供熱電溫差發(fā)電，便可以減少燃油的消 耗。此外，工廠與家庭排放大量廢熱，如何將廢熱回收重新利用，也是非常重要的課題。然 而，目前大部分的廢熱并無適當(dāng)?shù)幕厥占夹g(shù)，因此造成能源浪費。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是近年來產(chǎn)業(yè)研發(fā)的重點技術(shù)之一，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的工作原理是將 N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成熱電對，利用N型和P型半導(dǎo)體材料兩端接觸不同 溫度，如此便能產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，在熱電對中產(chǎn)生電流，稱為塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect) 0 熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電主要是利用N型和P型半導(dǎo)體材料兩端的溫差使熱電對產(chǎn)生電流，因此熱電 轉(zhuǎn)換發(fā)電不會對環(huán)境造成污染，且熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電的反應(yīng)速率快。熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電更可結(jié)合廢 熱回收的技術(shù)，將廢熱當(dāng)作熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電的熱源，減少能源的浪費。另外，多個熱電對可電 性串聯(lián)并堆疊成熱電轉(zhuǎn)換裝置，以符合不同的發(fā)電量需求。從另一個角度來看，熱電轉(zhuǎn)換裝 置可將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，不需要透過類似引擎活塞的動件(moving part)，因此能夠提 高熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)的可靠性。熱電轉(zhuǎn)換裝置的制造可結(jié)合微機(jī)電及半導(dǎo)體工藝，大幅 縮小熱電轉(zhuǎn)換裝置的體積。然而，熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電在應(yīng)用上最大的問題是熱電轉(zhuǎn)換效率有限。為了提高熱電轉(zhuǎn) 換裝置的熱電轉(zhuǎn)換效率，可通過材料技術(shù)的研發(fā)，開發(fā)具有良好熱電性質(zhì)的熱電材料。此 夕卜，由于目前熱電轉(zhuǎn)換裝置的組裝密度有限，熱電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)電量因而受到限制，所以另 外一個提高熱電轉(zhuǎn)換效率的重要技術(shù)方向便是改良目前熱電轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并增加 熱電轉(zhuǎn)換裝置的組裝密度，以提高熱電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)電效能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具堆疊結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其結(jié)構(gòu)能夠用以提高熱電轉(zhuǎn)換裝置 的發(fā)電效能。 本發(fā)明提出一種熱電轉(zhuǎn)換裝置，包括冷端基板、熱端基板及堆疊結(jié)構(gòu)。堆疊結(jié)構(gòu)配 置于冷端基板與熱端基板之間，且堆疊結(jié)構(gòu)包括多個熱電轉(zhuǎn)換層，每一熱電轉(zhuǎn)換層分別排 列于堆疊結(jié)構(gòu)中，該熱電轉(zhuǎn)換層包括熱電對層、第一導(dǎo)電材料層與第二導(dǎo)電材料層、第一導(dǎo) 熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)及第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。該第一導(dǎo)電材料層包括多個第一導(dǎo)電材料，而該第 二導(dǎo)電材料層包括多個第二導(dǎo)電材料。該熱電對層包括多個熱電對且每一熱電對包括P型 熱電轉(zhuǎn)換元件與N型熱電轉(zhuǎn)換元件，使第一導(dǎo)電材料分別電性連接于P型熱電轉(zhuǎn)換元件與N 型熱電轉(zhuǎn)換元件的上方，而第二導(dǎo)電材料分別電性連接于N型熱電轉(zhuǎn)換元件與相鄰的P型 熱電轉(zhuǎn)換元件的下方，而兩兩熱電對便以串聯(lián)型式連接。第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)連接于相鄰的兩第一導(dǎo)電材料層間及該熱端基板，并導(dǎo)熱至第一導(dǎo)電材料層，使每一層的第一導(dǎo)電材料層維持在第一操作溫度下。其中該第一操作溫度為熱端操作溫度。第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu) 則分別連接于相鄰的兩第二導(dǎo)電材料層間及該冷端基板，并導(dǎo)熱至第二導(dǎo)電材料層，使每 一層的第二導(dǎo)電材料層維持在第二操作溫度下，且第一操作溫度不等于第二操作溫度。其 中該第二操作溫度為冷端操作溫度。在本發(fā)明的實施例中，上述的第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括橫向連接結(jié)構(gòu)，該橫向連 接結(jié)構(gòu)包括多個相連的第一水平桿件，用以連接第一導(dǎo)電材料層。此外，第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié) 構(gòu)還包括縱向連接結(jié)構(gòu)，而該縱向連接結(jié)構(gòu)包括多個第一支柱，這些第一支柱垂直地連接 于這些第一水平桿件之間。在本發(fā)明的實施例中，上述的第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括水平連接結(jié)構(gòu)，該水平連 接結(jié)構(gòu)包括多個相連的第二水平桿件，用以連接第二導(dǎo)電材料層。此外，第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié) 構(gòu)還包括垂直連接結(jié)構(gòu)，該垂直連接結(jié)構(gòu)包括多個第二支柱，而這些第二支柱垂直地連接 于這些第二水平桿件之間。在本發(fā)明的實施例中，上述的這些第二水平桿件排列成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而第二導(dǎo)電材 料層配置于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上。該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可為幾何形狀。在本發(fā)明的實施例中，上述每一層的P型熱電轉(zhuǎn)換元件與N型熱電轉(zhuǎn)換元件以六 角形結(jié)構(gòu)的型態(tài)交錯排列。在本發(fā)明的另一實施例中，上述每一層的P型熱電轉(zhuǎn)換元件與N型熱電轉(zhuǎn)換元件 以四角形結(jié)構(gòu)的型態(tài)交錯排列在本發(fā)明的實施例中，上述的冷端基板的材料例如是硅基材、陶瓷基材或其他等 效基材。在本發(fā)明的實施例中，上述的熱端基板的材料例如是硅基材、陶瓷基材或其他等 效基材。在本發(fā)明的實施例中，上述的熱電對的材料例如是Bi2Te3、PbTe、Sb2Te3、SiGe或其 他等效材料?；谏鲜觯景l(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換裝置能夠透過第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)與第二導(dǎo)熱不導(dǎo) 電結(jié)構(gòu)傳遞熱量，使每一層熱電轉(zhuǎn)換層的高溫側(cè)與低溫側(cè)的溫差都能維持在相同的溫差， 并使每一層的熱電對層的溫差亦幾乎相同，以提高每一層熱電轉(zhuǎn)換層的發(fā)電量，進(jìn)而提高 熱電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)電效能。為讓本發(fā)明之上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所圖作詳 細(xì)說明如下。


圖1是本發(fā)明的實施例的熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖2為圖1的熱電轉(zhuǎn)換裝置的側(cè)視圖。圖3是本發(fā)明的另一實施例的熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖4是圖3的熱電轉(zhuǎn)換裝置的側(cè)視圖。圖5為圖3的熱電轉(zhuǎn)換裝置的簡易俯視圖。附圖標(biāo)記說明
10:熱電轉(zhuǎn)換裝置12 熱端基板14 冷端基板100 堆疊結(jié)構(gòu)100a、100b、IOOc 熱電轉(zhuǎn)換層110a、110b、110c 熱電對層114a =P型熱電轉(zhuǎn)換元件112a =N型熱電轉(zhuǎn)換元件120a、120b、120c 第一導(dǎo)電材料層130a、130b、130c 第二導(dǎo)電材料層140a、140b、140c 第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140x:橫向連接結(jié)構(gòu)140y 縱向連接結(jié)構(gòu)150a、150b、150c 第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150x 水平連接結(jié)構(gòu)150y 垂直連接結(jié)構(gòu)al:第一導(dǎo)電材料a2:第二導(dǎo)電材料
具體實施例方式圖1為本發(fā)明的實施例的熱電轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)圖，而圖2為圖1的熱電轉(zhuǎn)換元件 的側(cè)視圖。請參照圖1及圖2，本實施例的熱電轉(zhuǎn)換裝置10，該熱電轉(zhuǎn)換裝置10包括熱端 基板12、冷端基板14及堆疊結(jié)構(gòu)100。堆疊結(jié)構(gòu)100配置于熱端基板12與冷端基板14之 間，且堆疊結(jié)構(gòu)100包括多個熱電轉(zhuǎn)換層100a、100b。其中，熱電轉(zhuǎn)換層IOOa包括熱電對 層110a、第一導(dǎo)電材料層120a與第二導(dǎo)電材料層130a、第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a及第二 導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a。熱電轉(zhuǎn)換層IOOb包括熱電對層110b、第一導(dǎo)電材料層120b與第二 導(dǎo)電材料層130b、第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140b及第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150b。每一熱電轉(zhuǎn)換 層IOOaUOOb排列于堆疊結(jié)構(gòu)100中，本實施例僅以最上層的熱電轉(zhuǎn)換層IOOa說明如下， 至于熱電轉(zhuǎn)換層IOOb的說明如同熱電轉(zhuǎn)換層100a，故省略未提，不再贅述。如圖1、2所示，本實施例的每一熱電對層IlOa排列于熱電轉(zhuǎn)換層IOOa中，該熱電對層1 IOa包括多個熱電對且每一熱電對包括N型熱電轉(zhuǎn)換元件112a與P型熱電轉(zhuǎn)換元件 114a。該熱電對層IlOa的材料可包括例如Bi2Te3、PbTe、Sb2Te3或SiGe等半導(dǎo)體材料或是 納米結(jié)構(gòu)的熱電材料。第一導(dǎo)電材料層120a包括有多個第一導(dǎo)電材料al，第一導(dǎo)電材料al 分別電性連接于熱電轉(zhuǎn)換層IOOa的熱電對層IlOa的N型熱電轉(zhuǎn)換元件112a與P型熱電 轉(zhuǎn)換元件114a的上方。第二導(dǎo)電材料層130a包括有多個第二導(dǎo)電材料a2，第二導(dǎo)電材料 a2分別電性連接于熱電轉(zhuǎn)換層IOOa的熱電對層IlOa的N型熱電轉(zhuǎn)換元件112a與相鄰的 P型熱電轉(zhuǎn)換元件114a的下方。兩兩熱電對便以串聯(lián)型式連接。在上述的串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，當(dāng) 每一熱電對處于溫差狀態(tài)時，P型熱電轉(zhuǎn)換元件114a中帶有正電荷的空穴向下經(jīng)由第二導(dǎo) 電材料層130a朝向N型熱電轉(zhuǎn)換元件112a移動，之后經(jīng)由N型熱電轉(zhuǎn)換元件112a向上朝第一導(dǎo)電材料層120a移動，而到達(dá)另一個P型熱電轉(zhuǎn)換元件114a，依此類推，以產(chǎn)生電流。此外，第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a可連接熱電轉(zhuǎn)換層IOOa的第一導(dǎo)電材料層120a，主要作用是導(dǎo)熱至熱電轉(zhuǎn)換層IOOa的第一導(dǎo)電材料層120a，使第一導(dǎo)電材料層120a幾乎 可維持在第一操作溫度(例如是熱端操作溫度)之下，進(jìn)而將熱電轉(zhuǎn)換層IOOa中的第一導(dǎo) 電材料層120a與相鄰的熱電轉(zhuǎn)換層IOOb中的第一導(dǎo)電材料層120b的溫差降至最小。第二 導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a用以連接熱電轉(zhuǎn)換層IOOa的第二導(dǎo)電材料層130a，并導(dǎo)熱至熱電轉(zhuǎn) 換層IOOa的第二導(dǎo)電材料層130a，使第二導(dǎo)電材料層130a可以維持在第二操作溫度(例 如是冷端操作溫度)之下，進(jìn)而將熱電對轉(zhuǎn)換層IOOa中的第二導(dǎo)電材料層130a與相鄰的 熱電轉(zhuǎn)換層IOOb中的第二導(dǎo)電材料層130b的溫差降至最小，而且第一操作溫度不等于第 二操作溫度，以保持熱端與冷端的溫差。第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a與第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu) 150a其材料可為導(dǎo)熱性良好且不具導(dǎo)電性的材料，如此可以將熱量分別有效地傳遞至第一 導(dǎo)電材料層120a與第二導(dǎo)電材料層130a，而不會影響每個熱電對的發(fā)電效果。請繼續(xù)參考圖1，本實施例的第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a包括水平連接結(jié)構(gòu)150x， 水平連接結(jié)構(gòu)150x包括多個相連的水平桿件。此外，相鄰的水平連接結(jié)構(gòu)150x之間還有 垂直連接結(jié)構(gòu)150y，其包括多個支柱。這些支柱垂直地連接于水平桿件之間，以維持在預(yù) 定高度內(nèi)。值得一提的是，水平連接結(jié)構(gòu)150x皆不與第一導(dǎo)電材料層120a、120b接觸，僅 與第二導(dǎo)電材料層130a接觸。因此，水平連接結(jié)構(gòu)150x的溫度不會影響第一導(dǎo)電材料層 120a、120b的溫度，使熱電轉(zhuǎn)換層IOOa的第一導(dǎo)電材料層120a、第二導(dǎo)電材料層130a的溫 差與熱電轉(zhuǎn)換層IOOb的第一導(dǎo)電材料層120b、第二導(dǎo)電材料層130b的溫差可維持在相同 的溫差。另外，在本實施例中，第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a包括橫向連接結(jié)構(gòu)140x以及多個 連接于橫向連接結(jié)構(gòu)140x之間的縱向連接結(jié)構(gòu)140y。橫向連接結(jié)構(gòu)140x用以水平地連接 第一導(dǎo)電材料層120a，而縱向連接結(jié)構(gòu)140y則可分別垂直地排列于四角形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之 中。橫向連接結(jié)構(gòu)140x包括多個水平桿件，而縱向連接結(jié)構(gòu)140y包括多個支柱。這些支 柱垂直地連接于水平桿件之間，以維持預(yù)定的高度。如圖1所繪示，熱電轉(zhuǎn)換裝置10具有熱端基板12與冷端基板14。其中，熱端基板 12連接于立體化的第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a、140b，冷端基板14則連接于立體化的第二導(dǎo) 熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a、150b。熱端基板12的溫度經(jīng)由第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a、140b分別傳 遞到第一導(dǎo)電材料層120a、120b上，以維持在第一操作溫度(例如是熱端操作溫度)，而冷 端基板14則是將溫度經(jīng)第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a、150b分別傳遞至第二導(dǎo)電材料層130a、 130b上，以維持在第二操作溫度(例如是冷端操作溫度)。熱端基板12與冷端基板14的 材料例如是硅基材或陶瓷基材等高導(dǎo)熱材料。圖3為本發(fā)明的另一實施例的熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)圖，而圖4為圖3的熱電轉(zhuǎn)換 裝置的側(cè)視圖，圖5為圖3的熱電轉(zhuǎn)換裝置的簡易俯視圖。本實施例的熱電轉(zhuǎn)換裝置10包 括熱端基板12、冷端基板14及堆疊結(jié)構(gòu)100。堆疊結(jié)構(gòu)100配置于熱端基板12與冷端基 板14之間，且堆疊結(jié)構(gòu)100包括多個熱電轉(zhuǎn)換層100a、100b、100c。其中，熱電轉(zhuǎn)換層IOOa 包括熱電對層110a、第一導(dǎo)電材料層120a與第二導(dǎo)電材料層130a、第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu) 140a及第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a。熱電轉(zhuǎn)換層IOOb包括熱電對層110b、第一導(dǎo)電材料層 120b與第二導(dǎo)電材料層130b、第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140b及第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150b。熱電轉(zhuǎn)換層IOOc包括熱電對層110c、第一導(dǎo)電材料層120c與第二導(dǎo)電材料層130c、第一導(dǎo) 熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140c及第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150c。本實施例將針對三層熱電轉(zhuǎn)換層100a、 100b、100c、三層熱電對層110a、110b、110c、三層第一導(dǎo)電材料層120a、120b、120c、三層第 二導(dǎo)電材料層130a、130b、130c、三層第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a、140b、140c、三層第二導(dǎo)熱 不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a、150b、150c做說明。每一熱電轉(zhuǎn)換層100a、100b與IOOc排列于堆疊結(jié)構(gòu) 100中，本實施例僅以最上層的熱電轉(zhuǎn)換層IOOa說明如下，至于熱電轉(zhuǎn)換層100b、100c的說 明如同熱電轉(zhuǎn)換層100a，故省略未提，不再贅述。熱電對層IlOa排列于熱電轉(zhuǎn)換層IOOa中，熱電對層IlOa包括多個熱電對，每一 熱電對包括P型熱電轉(zhuǎn)換元件114a與N型熱電轉(zhuǎn)換元件112a。熱電對層IlOa的材料可包 括例如Bi2Te3、PbTe, Sb2Te3或SiGe等半導(dǎo)體材料或是納米結(jié)構(gòu)的熱電材料。第一導(dǎo)電材 料層120a包括有多個第一導(dǎo)電材料al，第一導(dǎo)電材料al分別電性連接于熱電對的P型熱 電轉(zhuǎn)換元件114a與N型熱電轉(zhuǎn)換元件112a的上方。第二導(dǎo)電材料層130a包括有多個第 二導(dǎo)電材料a2，第二導(dǎo)電材料a2分別電性連接于熱電對的P型熱電轉(zhuǎn)換元件114a與N型 熱電轉(zhuǎn)換元件112a的下方，且為N型熱電轉(zhuǎn)換元件接P型熱電轉(zhuǎn)換元件，P型熱電轉(zhuǎn)換元 件接另一個N型熱電轉(zhuǎn)換元件，兩兩熱電對便可以串聯(lián)型式連接。在上述的串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，當(dāng) 每一熱電對處于溫差狀態(tài)時，P型熱電轉(zhuǎn)換元件114a中帶有正電荷的空穴向下經(jīng)由第二導(dǎo) 電材料層130a朝向N型熱電轉(zhuǎn)換元件112a移動，之后經(jīng)由N型熱電轉(zhuǎn)換元件112a向上朝 第一導(dǎo)電材料層120a移動，而到達(dá)另一個P型熱電轉(zhuǎn)換元件114a，依此類推，以產(chǎn)生電流。此外，第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a可連接熱電轉(zhuǎn)換層IOOa的第一導(dǎo)電材料層120a， 主要作用是導(dǎo)熱至熱電轉(zhuǎn)換層IOOa的第一導(dǎo)電材料層120a，使第一導(dǎo)電材料層120a幾乎 可維持在第一操作溫度(例如是熱端操作溫度)之下，進(jìn)而將熱電轉(zhuǎn)換層IOOa中的第一導(dǎo) 電材料層120a與相鄰的熱電轉(zhuǎn)換層IOOb中的第一導(dǎo)電材料層120b的溫差降至最小。第二 導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a用以連接熱電轉(zhuǎn)換層IOOa的第二導(dǎo)電材料層130a，并導(dǎo)熱至熱電轉(zhuǎn) 換層IOOa的第二導(dǎo)電材料層130a，使第二導(dǎo)電材料層130a可以維持在第二操作溫度(例 如是冷端操作溫度)之下，進(jìn)而將熱電對轉(zhuǎn)換層IOOa中的第二導(dǎo)電材料層130a與相鄰的 熱電轉(zhuǎn)換層IOOb中的第二導(dǎo)電材料層130b的溫差降至最小，而且第一操作溫度不等于第 二操作溫度，以保持熱端與冷端的溫差。第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a與第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu) 150a其材料可為導(dǎo)熱性良好且不具導(dǎo)電性的材料，如此可以將熱量分別有效地傳遞至第一 導(dǎo)電材料層120a與第二導(dǎo)電材料層130a，而不會影響每個熱電對的發(fā)電效果。請繼續(xù)參考圖3，本實施例的第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a包括水平連接結(jié)構(gòu)150x， 水平連接結(jié)構(gòu)150x包括多個相連的水平桿件。此外，相鄰的水平連接結(jié)構(gòu)150x之間還有 垂直連接結(jié)構(gòu)150y，其包括多個支柱。這些支柱垂直地連接于水平桿件之間，以維持在預(yù)定 高度內(nèi)。值得一提的是，水平連接結(jié)構(gòu)150x皆不與第一導(dǎo)電材料層120a、120b、120c接觸， 僅與第二導(dǎo)電材料層130a接觸。因此，水平連接結(jié)構(gòu)150x的溫度不會影響第一導(dǎo)電材料 層120a、120b、120c的溫度，使熱電轉(zhuǎn)換層IOOa的第一導(dǎo)電材料層120a、第二導(dǎo)電材料層 130a的溫差、熱電轉(zhuǎn)換層IOOb的第一導(dǎo)電材料層120b、第二導(dǎo)電材料層130b的溫差以及 熱電轉(zhuǎn)換層IOOc的第一導(dǎo)電材料層120c、第二導(dǎo)電材料層130c的溫差可維持在相同的溫 差。
不管是矩形或六角形結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的精神尚包括其它幾何形狀，其均為本發(fā)明的創(chuàng)作精神范圍內(nèi)所包括。如圖3所示，第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a包括橫向連接結(jié)構(gòu)140x以及多個連接于橫向連接結(jié)構(gòu)140x之間的縱向連接結(jié)構(gòu)140y。橫向連接結(jié)構(gòu)140x包括多個水平桿件，而 縱向連接結(jié)構(gòu)140y包括多個支柱。這些支柱垂直地連接于相鄰的水平桿件之間，以維持預(yù) 定的高度。每一橫向連接結(jié)構(gòu)140x水平地連接相鄰的第一導(dǎo)電材料層120a，縱向連接結(jié)構(gòu) 140y則分別垂直地配置于三角形或近似三角形的結(jié)構(gòu)中，連接相鄰的橫向連接結(jié)構(gòu)140x。 透過立體化的第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a的熱傳遞，能使第一導(dǎo)電材料層120a的溫度幾乎 可維持在第一操作溫度，即熱端操作溫度。如圖5所示，第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a的水平連接結(jié)構(gòu)150x可排列成六角形的 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(由六個三角形或近似三角形結(jié)構(gòu)連接而成)，熱電對層IlOa的P型熱電轉(zhuǎn)換元 件114a與N型熱電轉(zhuǎn)換元件112a是以六角形結(jié)構(gòu)的型態(tài)交錯排列在水平連接結(jié)構(gòu)150x 上。不管是矩形或六角形結(jié)構(gòu)，本發(fā)明精神尚包括其它幾何形狀，均為本發(fā)明的創(chuàng)作精神范 圍內(nèi)所包括。如圖3所繪示，熱電轉(zhuǎn)換裝置10具有熱端基板12與冷端基板14。其中，熱端基板 12連接于立體化的第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a、140b、140c，冷端基板14則連接于立體化的 第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a、150b、150c。熱端基板12的溫度經(jīng)由第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)140a、 140b、140c分別傳遞到第一導(dǎo)電材料層120a、120b、120c上，以維持在第一操作溫度(例如 是熱端操作溫度)，而冷端基板14則是將溫度經(jīng)第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)150a、150b、150c分 別傳遞至第二導(dǎo)電材料層130a、130b、130c上，以維持在第二操作溫度(例如是冷端操作溫 度)。熱端基板12與冷端基板14的材料例如是硅基材或陶瓷基材等高導(dǎo)熱材料。舉例來說， 冷端基板14的溫度在45°C，則每一層的水平連接結(jié)構(gòu)150a、150b、150c的溫度為45_48°C 時，每一層的第二導(dǎo)電材料層130a、130b、130c的溫度也維持在45-48°C左右。而熱端基板 12的溫度在80°C，每一層的第一導(dǎo)電材料層120a、120b、120c的溫度保持在70 80°C，因 第一導(dǎo)電材料層120a與第二導(dǎo)電材料層130a的溫差，亦即任一 P型及N型熱電轉(zhuǎn)換元件 的上方與下方的溫差是維持在30°C左右，每一層幾乎維持在相同的溫差。反之，已知的堆疊 結(jié)構(gòu)因上、下層的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)相互接觸而呈現(xiàn)明顯的梯度變化，例如80度、65度、55度、45度 等，故無法維持已知各層的第一導(dǎo)電材料層與第二導(dǎo)電材料層在相同的溫差，且每一層溫 差維持在10-15°C之間，效果較差。綜上所述，本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換裝置利用第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)使每一層第一導(dǎo)電材 料層的熱量可相互傳遞降低溫度梯度，并利用第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)使每一層的第二導(dǎo)電材 料層的熱量相互傳遞降低溫度梯度，如此便能夠讓熱電轉(zhuǎn)換層上方及下方的第一導(dǎo)電材料 層與第二導(dǎo)電材料層幾乎可保持相同的溫度差，提高熱電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)電效能。雖然本發(fā)明已以實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域 中普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明的 保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求界定為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種熱電轉(zhuǎn)換裝置，包括冷端基板；熱端基板；以及堆疊結(jié)構(gòu)，配置于該冷端基板與該熱端基板之間，該堆疊結(jié)構(gòu)包括多個熱電轉(zhuǎn)換層，而該些熱電轉(zhuǎn)換層分別包括熱電對層，設(shè)置于該熱電轉(zhuǎn)換層中，該熱電對層包括多個熱電對，且每一熱電對包括P型熱電轉(zhuǎn)換元件與N型熱電轉(zhuǎn)換元件；第一導(dǎo)電材料層，包括多個第一導(dǎo)電材料，每一第一導(dǎo)電材料分別連接該熱電對的P型熱電轉(zhuǎn)換元件與N型熱電轉(zhuǎn)換元件的上方；第二導(dǎo)電材料層，包括多個第二導(dǎo)電材料，每一第二導(dǎo)電材料分別連接于該熱電對的P型熱電轉(zhuǎn)換元件與N型熱電轉(zhuǎn)換元件的下方，以使兩兩熱電對以串聯(lián)型式連接；第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，連接于相鄰的第一導(dǎo)電材料層間及該熱端基板；以及第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，連接于相鄰的第二導(dǎo)電材料層間及該冷端基板。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中該第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱至該第一導(dǎo)電 材料層，以使每一層的第一導(dǎo)電材料層維持在第一操作溫度下；以及該第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié) 構(gòu)導(dǎo)熱至該第二導(dǎo)電材料層，以使每一層的第二導(dǎo)電材料層維持在第二操作溫度下，且該 第一操作溫度不等于該第二操作溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中該第一操作溫度為熱端操作溫度，該第二 操作溫度為冷端操作溫度。
4.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中該第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括橫向連接結(jié) 構(gòu)，該橫向連接結(jié)構(gòu)包括多個相連的第一水平桿件，用以連接該第一導(dǎo)電材料層。
5.如權(quán)利要求4所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中該第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)還包括縱向連接結(jié) 構(gòu)，而該縱向連接結(jié)構(gòu)包括多個第一支柱，該些第一支柱垂直地連接于該些第一水平桿件 之間。
6.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中該第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括水平連接結(jié) 構(gòu)，而該水平連接結(jié)構(gòu)包括多個相連的第二水平桿件，用以連接該第二導(dǎo)電材料層。
7.如權(quán)利要求6所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中該第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)還包括垂直連接結(jié) 構(gòu)，而該垂直連接結(jié)構(gòu)包括多個第二支柱，該些第二支柱垂直地連接于該些第二水平桿件 之間。
8.如權(quán)利要求6所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中該些第二水平桿件排列成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而該 第二導(dǎo)電材料層配置于該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上。
9.如權(quán)利要求8所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為幾何形狀。
10.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中每一層的P型熱電轉(zhuǎn)換元件與N型熱電轉(zhuǎn) 換元件以六角形結(jié)構(gòu)的型態(tài)交錯排列。
11.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中每一層的P型熱電轉(zhuǎn)換元件與N型熱電轉(zhuǎn) 換元件以四角形結(jié)構(gòu)的型態(tài)交錯排列。
12.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中該冷端基板的材料包括硅基材或陶瓷基材。
13.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中該熱端基板的材料包括硅基材或陶瓷基材。
14.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換裝置，其中該些熱電對的材料包括Bi2Te3、PbTe, Sb2Te3 或 SiGe0
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱電轉(zhuǎn)換裝置，其包括冷端基板、熱端基板及堆疊結(jié)構(gòu)，堆疊結(jié)構(gòu)配置于冷端基板與熱端基板之間。堆疊結(jié)構(gòu)包括多個熱電轉(zhuǎn)換層，每一熱電轉(zhuǎn)換層包括熱電對層、第一導(dǎo)電材料層與第二導(dǎo)電材料層、第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)及第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。每一熱電轉(zhuǎn)換層分別排列于堆疊結(jié)構(gòu)中。第一導(dǎo)電材料層包括有多個第一導(dǎo)電材料，第一導(dǎo)電材料設(shè)置于P型與N型熱電轉(zhuǎn)換元件的上方。第二導(dǎo)電材料層包括有多個第二導(dǎo)電材料，第二導(dǎo)電材料設(shè)置于P型與N型熱電轉(zhuǎn)換元件的下方。第一導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)分別連接于相鄰的兩第一導(dǎo)電材料層間，而第二導(dǎo)熱不導(dǎo)電結(jié)構(gòu)分別連接于相鄰的兩第二導(dǎo)電材料層間。
文檔編號H01L35/02GK101840989SQ20091012822
公開日2010年9月22日 申請日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者余致廣, 馮樹勻, 劉君愷, 謝明哲 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院