專利名稱：具有三維微結(jié)構(gòu)的熱電換能器、制造該換能器的方法和該換能器的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有三維微結(jié)構(gòu)的熱電換能器以及一種用于制造該換能器的方法，和該換能器的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
基于塞貝克效應(yīng)的熱電換能器是已知的。這些換能器作為熱電傳感器來使用。 這樣的換能器的基本元件是具有兩個(gè)熱鐵心的熱電偶，所述熱鐵心由具有不同熱電動(dòng)勢(shì) (Thermo-Kraft)(塞貝克系數(shù))的不同熱鐵心材料組成。這種熱電換能器的熱電偶例如構(gòu)成為具有橫向構(gòu)造的二維結(jié)構(gòu)。熱電偶的熱鐵心在這種情況下平面地位于薄膜上。熱鐵心的熱傳感器接觸部布置在所述薄膜的中心，并且熱鐵心的冷傳感器接觸部布置在承載所述薄膜的硅框上。所述二維結(jié)構(gòu)具有大的空間需求，同時(shí)與此相比熱電活性的傳感器面積較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種具有與現(xiàn)有技術(shù)相比較小的空間需求的熱電換能器。為了解決該任務(wù)，說明一種用于利用至少一個(gè)熱元件來相互轉(zhuǎn)換熱能和電能的熱電換能器。所述換能器具有至少一個(gè)自承載(selbst-tragend)的三維微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)具有第一微柱和至少一個(gè)第二微柱，所述第一微柱具有第一微柱縱向伸展、第一微柱直徑和至少一種具有第一熱電動(dòng)勢(shì)的第一微柱材料，并且所述至少一個(gè)第二微柱具有第二微柱縱向伸展、第二微柱直徑和至少一種具有與該微柱材料相比不同的第二熱電動(dòng)勢(shì)的第二微柱材料。在此，這些微柱就縱向伸展來說基本上相互平行地布置。微柱直徑從0. Iym至 200μπι的范圍中選擇。這些微柱分別具有處于20至1000的范圍中的縱橫比。此外，這些微柱作為熱電偶相互耦合以構(gòu)造熱電壓。優(yōu)選的，從0.3μπι至200μπι的范圍中選擇微柱直徑。微柱的基本上平行的布置在此意味著，就微柱縱向伸展的取向來說可以給出至多 10°的偏差。優(yōu)選的，微結(jié)構(gòu)具有多個(gè)這樣的熱電偶。在此，多個(gè)熱電偶優(yōu)選相互串聯(lián)地耦合， 使得熱電偶的熱電壓的和基本上產(chǎn)生多個(gè)熱電偶的總熱電壓。由此在熱吸收輻射的情況下，可以實(shí)現(xiàn)每瓦特大于1000V的入射吸收輻射的極高的靈敏度。為了解決該任務(wù)，還說明一種用于制造熱電換能器的方法，具有以下方法步驟a) 提供具有模板材料的模板，其中模板具有基本上與熱電換能器的微結(jié)構(gòu)相反的三維模板結(jié)構(gòu)，所述模板結(jié)構(gòu)具有柱狀的模板空腔，b)將微柱材料布置在柱狀空腔中，使得形成微柱， 以及
c)至少部分地去除模板材料。優(yōu)選的，為了布置微柱材料執(zhí)行下面的其它方法步驟d)將至少一種微柱材料的原材料引入到空腔中，以及e)將微柱材料的原材料轉(zhuǎn)換為微柱材料。
借助微結(jié)構(gòu)來利用第三維。由此成功地使得與現(xiàn)有技術(shù)相比明顯地減小了熱電換能器的熱電偶的空間需求。利用微結(jié)構(gòu)可以將多個(gè)熱電偶布置在最小的空間上。由此產(chǎn)生具有刷子狀的、三維構(gòu)造的微結(jié)構(gòu)的熱電換能器，所述微結(jié)構(gòu)由(對(duì)稱的)矩陣狀布置的、 特別薄的微柱(纖維，針)組成。所述微結(jié)構(gòu)具有包括柵格點(diǎn)的柵格。這些柵格點(diǎn)由微柱構(gòu)成。目前還不存在用于在最多1000 μ m以及更大的纖維長(zhǎng)度的情況下制造包括小于10 μ m 的(纖維)柵格的這樣的微結(jié)構(gòu)的方法。熱電換能器基于塞貝克效應(yīng)。在這種情況下，熱能被轉(zhuǎn)換為電能。微柱是熱電偶的熱鐵心。但是熱電換能器也可以相反地在利用珀耳帖效應(yīng)的條件下來運(yùn)行。在這種情況下，熱電偶被熱電流流過。在這種情況下被釋放的熱能可以被輸出給環(huán)境。根據(jù)狀況這會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的加熱或冷卻。作為微柱材料考慮多種材料，例如金屬、金屬合金、半金屬和半導(dǎo)體化合物。尤其是，第一微柱材料和/或第二微柱材料具有從鉍、銻、碲和鉛構(gòu)成的組中選擇的元素。微柱材料可以僅分別由這些元素之一組成。還可以考慮這些元素的合金以及它們的化合物。在這種情況下，首先采用在室溫下是一種非常有效的熱鐵心材料的鉍碲化物 (Bi2Te3)0其它合適的材料是以下組成銻化鉍(BiSb)、碲化鉛(PbTe)或鍺化硅(SiGe)。用于制造所述微結(jié)構(gòu)的基本思想在于，基于模板(基體，模板)提供與所述微結(jié)構(gòu)相反的、具有模板空腔的模板結(jié)構(gòu)(基體結(jié)構(gòu))。模板空腔就其模板空腔縱向延伸來說基本上相互平行地取向，并且分別具有處于20至1000的范圍中的縱橫比，以及分別具有處于 0. 1 μ m至200 μ m的范圍中的模板空腔直徑。相鄰的模板空腔之間的距離也相應(yīng)于微結(jié)構(gòu)的微柱距離。通過該制造方法，第三維被用于實(shí)現(xiàn)熱電換能器。微柱優(yōu)選并排布置。但是也可以考慮將微柱上下疊置地布置。在這種情況下，微柱優(yōu)選相互直接接觸。因此根據(jù)特殊的設(shè)計(jì)，微柱相互上下疊加地被布置為具有總體縱向伸展的總體微柱。第一微柱和第二微柱構(gòu)成所述總體微柱的片段。優(yōu)選的，至少一個(gè)微柱的微柱縱向伸展或者總體微柱的總體微柱縱向伸展是從 50 μ m至IOmm的范圍中選擇的，并且尤其是從100 μ m至Imm的范圍中選擇的。尤其是多個(gè)微柱或所有微柱的微柱縱向伸展(纖維長(zhǎng)度)都從所述范圍中選擇。在這種情況下，這些微柱可以等長(zhǎng)。還可以考慮所述微結(jié)構(gòu)的微柱是不同長(zhǎng)度的，也就是具有不同的微柱縱向伸展。如已經(jīng)提到的，微柱上下疊置地布置。但是優(yōu)選的，微柱并排地布置。根據(jù)特殊的設(shè)計(jì)，微柱被并排布置，使得在這些微柱之間產(chǎn)生微柱間隙，其中微柱間隙具有在這些微柱之間的從0. 3 μ m至100 μ m的范圍中選擇的微柱距離。由于微柱的微柱直徑(橫向伸展)很小并且微柱之間的微柱距離很小，因此產(chǎn)生對(duì)熱電換能器的熱電偶來說極小的空間需求。在微柱距離很小的情況下，優(yōu)選在處于相鄰微柱之間的微柱間隙中布置至少一個(gè)用于將微柱相互去熱耦合的裝置。越過所述微柱間隙的橫向熱交換或橫向熱傳輸被禁止。 所述裝置可以是具有小的導(dǎo)熱性的材料。尤其是，用于去熱耦合的裝置是具有小于IO-2Hibar 的氣壓的真空。尤其是所述氣壓小于10_3mbar。具有微柱的微結(jié)構(gòu)被抽空。在一種特殊的設(shè)計(jì)中，熱電換能器的微結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)用于將熱能耦合輸入到熱電偶中和/或用于將熱能從熱電偶耦合輸出的熱耦合設(shè)備。尤其是，所述熱耦合設(shè)備具有用于以熱吸收輻射形式吸收熱能和/或用于以熱發(fā)射輻射的形式發(fā)射熱能的熱功能層。所述熱功能層吸收電磁輻射，例如可見光或紅外光。在這種情況下吸收的熱能被轉(zhuǎn)發(fā)給熱電偶。反過來，在電流流動(dòng)經(jīng)過熱電偶時(shí)被釋放的能量可以通過所述功能層作為電磁輻射 (發(fā)射輻射)而輸出給環(huán)境。還可以考慮使熱耦合設(shè)備具有化學(xué)敏感涂層。確定的化學(xué)物質(zhì)，例如確定的氣體被吸收到該化學(xué)敏感涂層上。在這樣的氣體分子被吸收到化學(xué)敏感涂層上的情況下，熱能被釋放，然后該熱能可通過熱電換能器檢測(cè)。優(yōu)選的，所述微結(jié)構(gòu)布置在微結(jié)構(gòu)載體(微結(jié)構(gòu)襯底)上。在這種情況下，襯底材料可以是有機(jī)或無(wú)機(jī)材料。例如，微結(jié)構(gòu)載體是硅晶片。所述襯底材料是硅。根據(jù)一種特殊的設(shè)計(jì)，具有一種用于讀取熱電偶的熱電壓的讀取設(shè)備(讀取電子裝置，讀取電路)和/或一種用于利用控制電壓控制熱電偶的控制設(shè)備(控制電子裝置，控制電路)。在這種情況下，這些設(shè)備或者其部分可以作為SMD (表面安裝設(shè)備)組件來布置在微結(jié)構(gòu)載體上。但是優(yōu)選的，這些設(shè)備或其部分集成在微結(jié)構(gòu)載體中。因此在一種特殊的設(shè)計(jì)中，讀取設(shè)備和/或控制設(shè)備集成在微結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)載體中。為此優(yōu)選使用硅晶片來作為微結(jié)構(gòu)載體。讀取設(shè)備和/或控制設(shè)備作為ASIC (專用集成電路)引入在硅晶片中。在一種對(duì)此替換的實(shí)施方式中，所述讀取設(shè)備和/或所述控制設(shè)備集成在與微結(jié)構(gòu)載體不同的電路載體(電路襯底)中。這些設(shè)備通過單獨(dú)的電路襯底實(shí)現(xiàn)。在此同樣可以設(shè)置SMD組件。但是電路載體優(yōu)選也是硅晶片。在此這些設(shè)備也可以作為ASIC集成。另外還可以考慮在微結(jié)構(gòu)載體中集成讀取電路的一部分，以及在電路載體中集成讀取電路的另一部分。在讀取設(shè)備和/或控制設(shè)備集成在單獨(dú)的電路載體的情況下，特別有利的是將微結(jié)構(gòu)載體和電路載體通過倒裝芯片技術(shù)相互連接。借助倒裝芯片技術(shù)節(jié)省空間地制造讀取或控制所需要的電接觸。產(chǎn)生緊湊的、熱電換能器構(gòu)造。就方法而言，尤其是使用具有硅作為模板材料的模板。例如，借助硅晶片來執(zhí)行所述方法。硅晶片作用為模板。硅特別好地適合于產(chǎn)生上述柱狀的、具有所需要的縱橫比的模板空腔。為此執(zhí)行PAECE (光輔助電化學(xué)蝕刻)工藝。該方法的起點(diǎn)是將“蝕刻凹陷” (etch pits)例如通過光刻法引入到硅晶片的表面中。經(jīng)過表面結(jié)構(gòu)化的硅晶片被暴露于具有氫氟酸的蝕刻溶液中。通過電場(chǎng)的作用以及通過用光進(jìn)行照射，從具有極度結(jié)構(gòu)可靠性的“蝕刻凹陷”出發(fā)形成柱狀的模板空腔。除了產(chǎn)生柱狀的模板空腔之外，另一個(gè)重要的步驟是填充模板空腔。為此，例如利用液態(tài)的微柱材料作為原材料或者利用微柱材料的其它液態(tài)原材料來填充模板空腔。接著在模板空腔中導(dǎo)致液態(tài)材料被轉(zhuǎn)換為固態(tài)微柱材料。微柱得以形成。例如，在提高溫度的情況下將液態(tài)金屬作為原材料引入到模板空腔中。接著降低溫度。液態(tài)金屬凝固并且形成相應(yīng)的由金屬構(gòu)成的微柱。還可以考慮將模板空腔作用為微反應(yīng)物。在這種情況下，將液態(tài)的原材料引入到模板空腔中。接著的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致微柱材料的形成。微柱得以形成。在形成微柱之后，至少部分地去除模板材料。這意味著微柱部分地或者完全地被顯露。如果微柱僅部分被顯露，則模板的剩余部分可以作用為微結(jié)構(gòu)載體。但是也可以考慮將具有微結(jié)構(gòu)載體的模板用于微結(jié)構(gòu)。從而在模板材料被完全去除之后，微結(jié)構(gòu)保留在微結(jié)構(gòu)載體上。
在除去模板材料之后，將具有相應(yīng)功能材料的上述熱功能層布置在微柱的端部處。負(fù)責(zé)這一點(diǎn)的是在至少一部分微柱的端部處布置具有功能材料的功能層。第一微柱和第二微柱可以上下疊置地布置為總體微柱?？傮w微柱具有兩個(gè)沿著總體微柱縱向伸展布置的、具有相互不同的微柱材料的片段。總體微柱由兩個(gè)具有不同微柱材料的片段(子片段)組成。這例如通過以下方式來實(shí)現(xiàn)首先用第一微柱材料部分地填充模板空腔。在形成了第一微柱之后用第二微柱材料來填充模板空腔的留空的區(qū)域。接著轉(zhuǎn)換為第二微柱材料導(dǎo)致形成具有包括第一微柱的第一片段和具有包括第二微柱的第二片段的總體微柱。還可以考慮用兩種微柱材料從不同側(cè)開始填充模板空腔并且在唯一的一個(gè)共同工藝中轉(zhuǎn)變?yōu)楦髯缘奈⒅牧?。?yōu)選的，第一和第二微柱不是上下疊置的、而是并排地布置。產(chǎn)生異質(zhì)的、由不同的微柱材料構(gòu)造的微結(jié)構(gòu)。該微結(jié)構(gòu)例如可以通過以下方式來制造在布置一種微柱材料期間覆蓋模板空腔的一部分。接著用另一種微柱材料填充被覆蓋的模板空腔。微柱材料又可以同時(shí)在共同的工藝中被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的微柱。產(chǎn)生具有由不同微柱材料構(gòu)成的微柱的微結(jié)構(gòu)。但是也可以考慮串聯(lián)地制造這些微柱。這意味著，在將第二微柱材料填充到事先被覆蓋的模板空腔中并接著轉(zhuǎn)換該第二微柱材料之前，首先轉(zhuǎn)換第一微柱材料。也可以在制造第二微柱空腔并且用第二微柱材料填充第二微柱空腔之前，首先制造第一微柱空腔并且用第一微柱材料填充第一微柱空腔。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，說明所述熱電換能器在熱能和電能的相互轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用，其中通過熱電偶中的熱能產(chǎn)生熱電壓并由此轉(zhuǎn)換為電能，或者通過電控制熱電偶而將電能轉(zhuǎn)換為熱能。優(yōu)選的，熱電換能器用于從電能中探測(cè)熱能，而該電能是從所述熱能獲得的。在吸收氣體分子時(shí)釋放的吸收熱(見上)可以通過這種方式被用于探測(cè)氣體分子。由此熱電換能器適合于在氣體分析中的應(yīng)用。優(yōu)選的，以熱吸收輻射(熱輻射，紅外輻射)的形式使用熱能。這意味著，熱電換能器被用于探測(cè)熱輻射。熱電換能器作用為紅外傳感器。在此，在相互串行耦合的多個(gè)熱電偶的情況下這里可以實(shí)現(xiàn)每瓦特大于1000V的入射吸收輻射的極高的靈敏度。此外，由于小的空間需求可以實(shí)現(xiàn)高的像素?cái)?shù)量(每個(gè)面積單位的圖像點(diǎn)數(shù)量)以及由此實(shí)現(xiàn)熱輻射的高的位置分辨率。在這種情況下，像素由一個(gè)或多個(gè)熱電偶形成。由高位置分辨率產(chǎn)生熱電換能器的最不同的應(yīng)用可能，例如在高分辨率的紅外相機(jī)或紅外可視設(shè)備中、在醫(yī)學(xué)技術(shù)和工業(yè)中用于溫度記錄或者用于分析的紅外掃描儀中?？傊?，利用本發(fā)明產(chǎn)生以下優(yōu)點(diǎn)
-利用三維微結(jié)構(gòu)可以對(duì)每個(gè)面積單位實(shí)現(xiàn)大量的熱電偶。-利用每個(gè)面積單位的大量的熱電偶，可以獲得具有高位置分辨率的、針對(duì)熱能的傳感器。-借助本發(fā)明可以制造具有橫向伸展的傳感器面的熱電換能器。因此可以實(shí)現(xiàn)具有高分辨率的大面積熱檢測(cè)器。-極其薄的(直到微米的分?jǐn)?shù)的范圍中)和極其長(zhǎng)的(直到多個(gè)毫米的范圍中)微柱導(dǎo)致高的靈敏度。-微結(jié)構(gòu)具有自承載的微柱。因此微結(jié)構(gòu)無(wú)需要用于支撐微結(jié)構(gòu)的支承面。
-在相鄰的像素之間導(dǎo)致小的熱傳輸，尤其是在使用保護(hù)氣體或真空的情況下。這附加地導(dǎo)致靈敏度的提高和位置分辨率的提高。-可以確定地和可再生產(chǎn)地產(chǎn)生微柱。-對(duì)于微柱材料，由于簡(jiǎn)單的、用于填充模板空腔的工藝技術(shù)而存在大的材料選擇。-在使用具有集成的讀取或控制電子裝置的電路載體的情況下(該電路載體通過倒裝芯片技術(shù)與微結(jié)構(gòu)載體連接)，產(chǎn)生整個(gè)熱電換能器的、不明顯大于通過微結(jié)構(gòu)確定的面積的橫向伸展。熱電換能器的厚度通過電路載體和布置在微結(jié)構(gòu)載體上的微結(jié)構(gòu)來確定。因此，換能器的厚度相應(yīng)于兩個(gè)堆疊芯片的厚度。


下面借助多個(gè)實(shí)施例和所屬的附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。附圖是示意性的，并且不是按比例的映射。圖1以側(cè)橫截面示出熱電換能器的三維微結(jié)構(gòu)。圖2以透視的圖示示出微結(jié)構(gòu)。圖3示出用于制造微結(jié)構(gòu)的基本方法。圖4示出用于填充模板的模板空腔的方法。圖5A和5B示出用于制造熱電換能器的方法。圖6A和6B示出用于制造另一個(gè)熱電換能器的方法。圖7A和7B示出用于將微結(jié)構(gòu)載體和電路載體與讀取電子裝置接觸的方法。圖8示出并排布置的微柱的熱電偶的片段。圖9示出具有上下疊置地布置的微柱的熱電偶的片段。
具體實(shí)施例方式下面示例的主題分別是用于轉(zhuǎn)換熱能和電能的熱電換能器1。換能器的作用原理基于塞貝克效應(yīng)。熱電換能器被設(shè)計(jì)為用于檢測(cè)熱輻射18的紅外傳感器。換能器具有至少一個(gè)自承載的、三維微結(jié)構(gòu)10。微結(jié)構(gòu)10具有多個(gè)用于構(gòu)造熱電壓的熱電偶15。這些熱電偶串聯(lián)地連接，使得各個(gè)熱電偶的熱電壓累加。每個(gè)熱電偶都具有至少一個(gè)自承載的第一微柱11，所述第一微柱具有第一微柱縱向伸展111、第一微柱直徑112和至少一個(gè)具有第一熱電動(dòng)勢(shì)的第一微柱材料110 (圖8)。 第一微柱材料是鉍碲化物(Bi2Ti53)tj每個(gè)熱電偶也具有至少一個(gè)自承載的第二微柱12，所述第二微柱具有第二微柱縱向伸展121、第二微柱直徑122和至少一種具有與第一微柱材料不同的第二熱電動(dòng)勢(shì)的第二微柱材料120。第二微柱材料是元素鉬。微柱在微柱縱向伸展方面基本上相互平行地布置。微柱直徑大約是0. 3 μ m，微柱縱向伸展是120 μ m。由此每個(gè)微柱的縱橫比大約是400。在相鄰的微柱之間存在微柱間隙14。所述微柱間隙具有相鄰微柱之間的、處于大約0.3μπι范圍的微柱距離141。在一種實(shí)施方式中，在微柱間隙中布置了保護(hù)氣體。在對(duì)此可替換的實(shí)施方式中，
8微柱間隙被抽空。微柱間隙中的保護(hù)氣體或真空作用為用于將微柱相互去熱耦合的裝置 142。微結(jié)構(gòu)與微柱載體16連接，微柱載體16通過部分地去除模板材料201而來自于所使用的模板20(圖3)。微柱載體的載體材料161是模板的模板材料。在替換的實(shí)施方式中，微結(jié)構(gòu)留在在制造方法的過程中與模板連接的微柱載體上。模板材料被完全去除。此外，微結(jié)構(gòu)留在載體上。為了制造三維微結(jié)構(gòu)而執(zhí)行以下方法步驟a)提供具有模板材料的模板，其中該模板具有基本上與熱電換能器的微結(jié)構(gòu)相反的、三維模板結(jié)構(gòu)，該模板結(jié)構(gòu)具有柱狀的模板空腔，b)將微柱材料布置在柱狀的空腔中，使得形成微柱，以及C)至少部分地去除模板材料(圖3)。為了布置微柱材料而執(zhí)行以下進(jìn)一步的方法步驟d)將至少一種微柱材料的原材料引入到空腔中，以及e)將微柱材料的原材料轉(zhuǎn)換為微柱材料。起點(diǎn)是硅晶片。該硅晶片用作模板。模板材料201是硅。借助PAECE工藝將模板空腔203引入到硅晶片中。模板空腔是以與待制造的微柱相應(yīng)的空腔縱向伸展204和空腔直徑205來引入的。模板空腔之間的距離也選擇為相應(yīng)于微柱的距離。模板結(jié)構(gòu)202得以形成。接著用液態(tài)的微結(jié)構(gòu)材料填充柱狀的模板空腔。該過程示例性地在圖4中示出 具有模板空腔的模板借助加熱元件401被加熱并且浸入具有液態(tài)金屬403的容器402中。 通過改變外部壓力，負(fù)責(zé)使液態(tài)金屬侵入模板空腔中。接著將具有被填充的模板空腔的模板從所述容器中去除。模板冷卻。因此其結(jié)果是在模板空腔中的金屬凝固。形成由金屬制成的微柱。液態(tài)金屬用作微結(jié)構(gòu)材料的原材料。該液態(tài)金屬通過冷卻而被轉(zhuǎn)化為微結(jié)構(gòu)材料(固態(tài)金屬)。示例 1
在鈍化和PAECE工藝之后產(chǎn)生熱電偶的“冷接觸” 151 (圖5A和5B)。下面將第一微柱材料的液態(tài)原材料引入模板空腔的一部分中(步驟501)。第一微柱材料具有比第二微柱材料更高的熔化溫度。第一微柱形成。在模板的另一側(cè)上去除模板材料以及平面化之后(步驟502)，將第二微柱布置在剩余的模板空腔中(步驟503)。此外，產(chǎn)生熱電偶的熱接觸152。此外還分別施加針對(duì)待檢測(cè)的熱輻射的吸收層 171 (步驟 504)。在接下來的步驟505中，將間隔元件500布置在微結(jié)構(gòu)上?？蛇x地還布置微結(jié)構(gòu)載體16或終止層(步驟506)。然后在蝕刻步驟中去除模板的模板材料(步驟507)。用作模板的硅晶片的硅被去除。最后還施加對(duì)于待檢測(cè)的熱輻射來說可穿透的紅外窗510。此外對(duì)由此產(chǎn)生的內(nèi)空間520進(jìn)行抽空。該內(nèi)空間由微結(jié)構(gòu)、間隔元件和紅外窗形成邊界。抽空的結(jié)果是微結(jié)構(gòu)的微柱間隙被抽空。示例2
示例2的步驟601-606以及608 (圖6A和6B)與示例1的相應(yīng)步驟501-506以及508 相同。與示例1的區(qū)別是，在布置了第一微柱之后在步驟6021中施加框架503。通過框架覆蓋還未被填充的模板空腔的一部分。這些模板空腔在該方法的進(jìn)一步過程中是被留空的，也就是未被填充。另一個(gè)區(qū)別在步驟607中給出框架503的未被間隔元件覆蓋的部分在硅蝕刻工藝中一起被去除。產(chǎn)生較大的、在進(jìn)一步的過程中還要被抽空的內(nèi)空間。微結(jié)構(gòu)載體與電路載體19的連接或微結(jié)構(gòu)的熱電偶與作為ASIC集成在電路載體中的讀取設(shè)備191的電接觸形成了結(jié)束。這在圖7A和7B中示出。微結(jié)構(gòu)載體和電路載體借助倒裝芯片技術(shù)相互連接。在這種情況下，所述接觸從熱電換能器的背面開始進(jìn)行。這不會(huì)導(dǎo)致對(duì)換能器的熱敏元件的遮蔽。示例 3
與前面的示例相反，熱電偶的第一和第二微柱不是并排地、而是上下疊置地布置成具有總體微柱縱向伸展131的總體微柱13 (圖9)。總體微柱直徑相應(yīng)于第一和第二微柱的微柱直徑。熱電換能器具有多個(gè)這種總體微柱。
權(quán)利要求
1.一種用于利用至少一個(gè)熱元件來相互轉(zhuǎn)換熱能和電能的熱電換能器(1)，該熱電換能器具有至少一個(gè)自承載的三維微結(jié)構(gòu)(10)，所述至少一個(gè)微結(jié)構(gòu)包括-至少一個(gè)第一微柱(11)，所述至少一個(gè)第一微柱具有第一微柱縱向伸展(111)、第一微柱直徑(112)和至少一種具有第一熱電動(dòng)勢(shì)的第一微柱材料(110)，和-至少一個(gè)第二微柱(12)，所述至少一個(gè)第二微柱具有第二微柱縱向伸展(121)、第二微柱直徑(122)和至少一種具有與第一微柱材料相比不同的第二熱電動(dòng)勢(shì)的第二微柱材料 (120)， 其中-這些微柱在縱向伸展(111，121)方面基本上相互平行地布置， -微柱直徑(112，122)從0. Iym至200 ym的范圍中選擇， -這些微柱(11，12)分別具有處于20至1000的范圍中的縱橫比，以及 -這些微柱作為熱電偶(15)相互耦合以構(gòu)造熱電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的熱電換能器，其中第一微柱材料和/或第二微柱材料從鉍、銻、碲和鉛以及它們的化合物構(gòu)成的組中選擇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的熱電換能器，其中從0.3 μ m至200 μ m的范圍中選擇微柱直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的熱電換能器，其中微柱相互上下疊置地被布置為具有總體縱向伸展(131)的總體微柱(13)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的熱電換能器，其中至少一個(gè)微柱的微柱縱向伸展或者總體微柱的總體微柱縱向伸展是從50 μ m至IOmm的范圍中選擇的，并且尤其是從100 μ m至 Imm的范圍中選擇的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的熱電換能器，其中微柱被并排布置，使得在這些微柱之間產(chǎn)生微柱間隙(14)，其中微柱間隙(14)具有在這些微柱之間的從0. 3 μ m至100 μ m的范圍中選擇的微柱距離(141)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的熱電換能器，其中在處于相鄰微柱之間的微柱間隙中布置有至少一個(gè)用于將微柱相互去熱耦合的裝置(142)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的熱電換能器，其中用于去熱耦合的裝置是具有小于IO-2Hibar的氣壓的真空。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一的熱電換能器，其中所述微結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)用于將熱能耦合輸入到熱電偶中和/或用于將熱能從熱電偶耦合輸出的熱耦合設(shè)備(17)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的熱電換能器，其中所述熱耦合設(shè)備具有用于以熱吸收輻射(18) 形式吸收熱能和/或用于以熱發(fā)射輻射的形式發(fā)射熱能的熱功能層(171)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一的熱電換能器，其中所述微結(jié)構(gòu)布置在微結(jié)構(gòu)載體(16)上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一的熱電換能器，其中具有用于讀取熱電偶的熱電壓的讀取設(shè)備(191)，和/或用于利用熱控制電壓控制熱電偶的控制設(shè)備。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的熱電換能器，其中所述讀取設(shè)備和/或所述控制設(shè)備集成在微結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)載體中。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的熱電換能器，其中所述讀取設(shè)備和/或所述控制設(shè)備集成在與微結(jié)構(gòu)載體不同的電路載體(19)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的熱電換能器，其中所述微結(jié)構(gòu)載體和電路載體通過倒裝芯片技術(shù)相互連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15之一的熱電換能器，其中所述微結(jié)構(gòu)具有多個(gè)熱電偶并且多個(gè)熱電偶串聯(lián)地相互耦合，使得熱電偶的熱電壓之和基本上產(chǎn)生多個(gè)熱電偶的總體熱電壓。
17.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至16之一的熱電換能器的方法，具有以下方法步驟a)提供具有模板材料(201)的模板(20)，其中模板具有基本上與熱電換能器的微結(jié)構(gòu)相反的三維模板結(jié)構(gòu)(202)，所述模板結(jié)構(gòu)具有柱狀的模板空腔(203)，b)將微柱材料布置在柱狀空腔中，使得形成微柱，以及c)至少部分地去除模板材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中為了布置微柱材料執(zhí)行下面的進(jìn)一步方法步驟d)將至少一種微結(jié)構(gòu)材料的原材料引入到空腔中，以及e)將微結(jié)構(gòu)材料的原材料轉(zhuǎn)換為微結(jié)構(gòu)材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18的方法，其中使用具有硅作為模板材料的模板。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19之一的方法，其中使用具有微結(jié)構(gòu)載體的模板，所述微結(jié)構(gòu)載體具有用于微結(jié)構(gòu)的載體材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至16之一所述的熱電換能器在熱能和電能的相互轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用，其中通過熱電偶中的熱能產(chǎn)生熱電壓并由此轉(zhuǎn)換為電能，或者通過電控制熱電偶而將電能轉(zhuǎn)換為熱能。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的應(yīng)用，其中從熱能中獲得的電能被用于探測(cè)熱能。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的應(yīng)用，其中以熱吸收輻射(18)的形式使用熱能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于利用至少一個(gè)熱元件來相互轉(zhuǎn)換熱能和電能的熱電換能器。所述換能器具有至少一個(gè)由具有不同微柱材料的微柱組成的三維微結(jié)構(gòu)。微柱材料具有不同的塞貝克系數(shù)(熱電動(dòng)勢(shì))。相互平行布置的微柱的微柱直徑從0.1μm至200μm的范圍中選擇。這些微柱分別具有處于20至1000的范圍中的縱橫比。此外，這些微柱作為熱電偶相互耦合以構(gòu)造熱電壓。為了制造所述微結(jié)構(gòu)如下進(jìn)行a)提供具有模板材料的模板，其中模板具有基本上與熱電換能器的微結(jié)構(gòu)相反的三維模板結(jié)構(gòu)，所述模板結(jié)構(gòu)包括柱狀的模板空腔，b)將微柱材料布置在柱狀空腔中，使得形成微柱，以及c)至少部分地去除模板材料。作為模板優(yōu)選采用硅晶片。為了提供模板采用PAECE(光輔助電化學(xué)蝕刻)方法。利用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)熱輻射的高靈敏的檢測(cè)器。
文檔編號(hào)H01L27/16GK102576721SQ201080043511
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者H.黑德勒, J.扎普夫 申請(qǐng)人:西門子公司