本實(shí)用新型公開(kāi)了一種薄膜熱電模塊，屬于功能薄膜材料及器件領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

氧化物基熱電材料相比傳統(tǒng)合金熱電材料，具有高溫性能穩(wěn)定、抗氧化性和無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注，氧化物薄膜熱電模塊也成為新興研究焦點(diǎn)。

目前薄膜熱電模塊的構(gòu)型主要為π型，即P、N型氧化物薄膜在同一基底上平行、交替排列，并由電極串聯(lián)聯(lián)結(jié)。根據(jù)其熱流和材料的使用方向，薄膜熱電模塊又可分為熱流方向垂直于薄膜表面(cross-plane)和熱流方向平行于薄膜表面(in-plnae)兩種。cross-plane熱電模塊的制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，集成度較高，但其沿薄膜厚度方向的熱阻小，難以產(chǎn)生較大的溫差，在很多場(chǎng)合無(wú)法應(yīng)用。in-plane模塊的熱阻大，有利于大溫度梯度的建立，且現(xiàn)有氧化物熱電材料如Ca₃Co₄O₉、Na_xCoO₂、Zn_1-xAl_xO、CaMnO₃等薄膜的生長(zhǎng)均自發(fā)沿c軸擇優(yōu)，其沿in-plane方向的熱電性能遠(yuǎn)高于cross-plane方向，因此氧化物薄膜熱電模塊多使用in-plane構(gòu)型，但其P-N熱電對(duì)集成度相對(duì)較小，單位面積上的輸出功率密度小，電極用量大，模塊制造成本高。

現(xiàn)有in-plane薄膜模塊的P、N型熱電臂均交替集成在同一襯底上，如附圖1，這要求P、N型薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)均要與襯底匹配才能獲得較高結(jié)晶質(zhì)量的薄膜陣列。但通常P、N型薄膜材料的結(jié)構(gòu)和性能差別很大，實(shí)際中很難找到同時(shí)兼顧P、N型薄膜生長(zhǎng)的襯底，使襯底的選擇十分困難。

現(xiàn)有in-plane薄膜模塊由于其P、N型熱電臂交替集成在同一襯底上，使P、N型薄膜陣列無(wú)法單獨(dú)更換，如果模塊中的某一條P、N型薄膜因氧化、分解而損壞，將導(dǎo)致模塊整體失效，增加模塊的使用和更換成本。

現(xiàn)有薄膜熱電模塊為了提高其穩(wěn)定性和使用壽命，除模塊本身外，還需額外的封裝工藝和封裝原料，增加了模塊的制造成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種薄膜熱電模塊，包括N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2、隔離層3，N型熱電臂陣列1包括一個(gè)以上的N型半導(dǎo)體薄膜11和單晶襯底Ⅰ12，N型半導(dǎo)體薄膜11傾斜生長(zhǎng)在單晶襯底Ⅰ12上；P型熱電臂陣列2包括一個(gè)以上的P型半導(dǎo)體薄膜21和單晶襯底Ⅱ22，P型半導(dǎo)體薄膜21傾斜生長(zhǎng)在單晶襯底Ⅱ22上；N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2由隔離層3隔開(kāi)，并固定在一起，N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2均是生長(zhǎng)有半導(dǎo)體薄膜的一面與隔離層3接觸；N型半導(dǎo)體薄膜11與P型半導(dǎo)體薄膜21呈X形交叉分布，N型半導(dǎo)體薄膜11與P型半導(dǎo)體薄膜21的兩端由電極5依次連接，形成兩個(gè)獨(dú)立的串聯(lián)通路，電極5位于隔離層3的兩側(cè)。

優(yōu)選的，本實(shí)用新型所述隔離層3包括腹板31、翼板32，翼板32固定在腹板31的兩邊；腹板31、單晶襯底Ⅰ12、單晶襯底Ⅱ22的長(zhǎng)度、寬度相同，翼板32高度等于腹板31、N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2的厚度之和。

優(yōu)選的，本實(shí)用新型所述電極5嵌入、貫穿在隔離層3的腹板31上，電極5的厚度大于腹板31的厚度，以保證N型半導(dǎo)體薄膜11與P型半導(dǎo)體薄膜21的串連連接。

優(yōu)選的，本實(shí)用新型所述N型熱電臂陣列1上的N型半導(dǎo)體薄膜11和P型熱電臂陣列2上的P型半導(dǎo)體薄膜21的數(shù)量相同，單個(gè)薄膜寬度、以及在單晶襯底上的相對(duì)位置相同。

優(yōu)選的，本實(shí)用新型所述N型半導(dǎo)體薄膜11和單晶襯底Ⅰ12長(zhǎng)邊的夾角與P型半導(dǎo)體薄膜21和單晶襯底Ⅱ22長(zhǎng)邊的夾角相同，標(biāo)記為α，且α為10~60°。

優(yōu)選的，本實(shí)用新型所述N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2和隔離層3的相對(duì)位置由位于隔離層3側(cè)面的通孔4插銷(xiāo)固定。

優(yōu)選的，本實(shí)用新型所述電極5為圓柱形，底面直徑等于N型半導(dǎo)體薄膜11與P型半導(dǎo)體薄膜21中單個(gè)薄膜的寬度。

優(yōu)選的，本實(shí)用新型所述電極5為金電極。

本實(shí)用新型所述N型半導(dǎo)體薄膜材料是所有電子作為主要載流子的薄膜材料，可以為CaMnO₃、Zn_1-xAl_xO、(ZnO)₅In₂O₃等薄膜。

本實(shí)用新型所述P型半導(dǎo)體薄膜材料是所有空穴作為主要載流子的薄膜材料，可以為Ca_xCoO₂、Ca₃Co₄O₉、CuCrO₂等薄膜。

本實(shí)用新型所述單晶襯底Ⅰ和單晶襯底Ⅱ可根據(jù)N、P型半導(dǎo)體薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)等匹配因素選擇相同或不同的襯底材料，如Al₂O₃(0001)、LaAlO₃(001)、SrTiO₃(001)、(La_xSr_1-x)(Al_yTa_1-y)O₃(001)等。

本實(shí)用新型的有益效果是：模塊集成度提高，單位面積上的輸出功率密度顯著增大，在相同工作條件下，達(dá)到相同的輸出電壓或輸出功率所需占用的空間減小；襯底材料可根據(jù)P、N型半導(dǎo)體薄膜材料的結(jié)構(gòu)和性能特征分別選擇，襯底的可選范圍廣，可同時(shí)保證P、N型薄膜的結(jié)晶質(zhì)量；模塊構(gòu)型靈活，P、N型熱電臂失效時(shí)可單獨(dú)更換，而非將模塊整個(gè)廢棄，顯著減少了模塊的維護(hù)成本；襯底即作為薄膜材料必不可少的物理支撐，又對(duì)模塊整體起封裝作用，省去了封裝工藝和封裝原料，制造成本降低。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有π型in-plane薄膜熱電模塊的構(gòu)型。

圖2為本實(shí)用新型薄膜熱電模塊的各部件圖。

圖3為本實(shí)用新型薄膜熱電模塊的組裝圖。

圖中：1- N型熱電臂陣列；11-N型半導(dǎo)體薄膜；12-單晶襯底Ⅰ；2-P型熱電臂陣列；21-P型半導(dǎo)體薄膜；22-單晶襯底Ⅱ；3-隔離層；31-腹板；32-翼板；4-通孔；5-電極。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。

實(shí)施例1

一種薄膜熱電模塊，包括N型熱電臂陣列1，由N型半導(dǎo)體薄膜11在單晶襯底Ⅰ12的下表面傾斜布置，N型半導(dǎo)體薄膜11和單晶襯底Ⅰ12長(zhǎng)邊的夾角α=10°；

P型熱電臂陣列2，由P型半導(dǎo)體薄膜21在單晶襯底Ⅱ22的上表面傾斜布置，P型半導(dǎo)體薄膜21和單晶襯底Ⅱ22邊緣的夾角α=10°，P型半導(dǎo)體薄膜21的薄膜數(shù)量、單個(gè)薄膜寬度及在單晶襯底Ⅱ22上的相對(duì)位置與N型半導(dǎo)體薄膜11的薄膜數(shù)量、單個(gè)薄膜寬度及在單晶襯底Ⅰ12上的相對(duì)位置相同。

隔離層3，包括腹板31和翼板32，翼板32固定在腹板31的兩邊，腹板31、單晶襯底Ⅰ12、單晶襯底Ⅱ22的長(zhǎng)度、寬度相同，翼板32的高度等于腹板31、N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2的厚度之和。

圓柱形金電極5位于隔離層3的兩側(cè)，且嵌入、貫穿在隔離層3的腹板31上，底面直徑等于N、P型半導(dǎo)體薄膜11、21中單個(gè)薄膜的寬度，金電極5的厚度大于腹板31的厚度。

N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2由隔離層3隔開(kāi)，N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2和隔離層3的相對(duì)位置由位于隔離層3側(cè)面的通孔4插銷(xiāo)固定，N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2均是生長(zhǎng)有半導(dǎo)體薄膜的一面與隔離層3接觸，N型半導(dǎo)體薄膜11與P型半導(dǎo)體薄膜21呈X形交叉分布，并由金電極5依次連接，形成兩個(gè)獨(dú)立的串聯(lián)通路。

本實(shí)施例中N型半導(dǎo)體薄膜11選用CaMnO₃，P型號(hào)半導(dǎo)體薄膜21選用Ca_xCoO₂，單晶襯底Ⅰ12和單晶襯底Ⅱ22均選用LaAlO₃(001)。

本實(shí)施例提供的薄膜熱電模塊與現(xiàn)有薄膜熱電模塊相比集成度提高，單位面積上的輸出功率密度大，在相同工作條件下，達(dá)到相同的輸出電壓或輸出功率所需占用的空間減??；襯底材料可根據(jù)P、N型薄膜材料的結(jié)構(gòu)和性能特征分別選擇，襯底的可選范圍廣，可同時(shí)保證P、N型薄膜的結(jié)晶質(zhì)量；模塊構(gòu)型靈活，P、N型熱電臂失效可單獨(dú)更換，顯著減少了模塊的維護(hù)成本；襯底即作為薄膜材料必不可少的物理支撐，又對(duì)模塊整體起封裝作用，省去了封裝工藝和封裝原料，制造成本降低。

實(shí)施例2

一種薄膜熱電模塊，包括N型熱電臂陣列1，由N型半導(dǎo)體薄膜11在單晶襯底Ⅰ12的下表面傾斜布置，N型半導(dǎo)體薄膜11和單晶襯底Ⅰ12長(zhǎng)邊的夾角α=30°。

P型熱電臂陣列2，由P型半導(dǎo)體薄膜21在單晶襯底Ⅱ22的上表面傾斜布置，P型半導(dǎo)體薄膜21和單晶襯底Ⅱ22邊緣的夾角α=30°，P型半導(dǎo)體薄膜21的薄膜數(shù)量、單個(gè)薄膜寬度及在單晶襯底Ⅱ22上的相對(duì)位置與N型半導(dǎo)體薄膜11的薄膜數(shù)量、單個(gè)薄膜寬度及在單晶襯底Ⅰ12上的相對(duì)位置相同。

隔離層3，包括腹板31和翼板32，翼板32固定在腹板31的兩邊，腹板31、單晶襯底Ⅰ12、單晶襯底Ⅱ22的長(zhǎng)度、寬度相同，翼板32的高度等于腹板31、N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2的厚度之和。

圓柱形金電極5位于隔離層3的兩側(cè)，且嵌入、貫穿在隔離層3的腹板31上，底面直徑等于N、P型半導(dǎo)體薄膜11、21中單個(gè)薄膜的寬度，金電極5的厚度大于腹板31的厚度。

N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2由隔離層3隔開(kāi)，N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2和隔離層3的相對(duì)位置由位于隔離層3側(cè)面的通孔4插銷(xiāo)固定，N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2均是生長(zhǎng)有半導(dǎo)體薄膜的一面與隔離層3接觸，N型半導(dǎo)體薄膜11與P型半導(dǎo)體薄膜21呈X形交叉分布，并由金電極5依次連接，形成兩個(gè)獨(dú)立的串聯(lián)通路。

本實(shí)施例中N型半導(dǎo)體薄膜11選用Zn_1-xAl_xO，P型號(hào)半導(dǎo)體薄膜21選用Ca₃Co₄O₉，單晶襯底Ⅰ12選用Al₂O₃(0001)，單晶襯底Ⅱ22選用SrTiO₃(001)。

本實(shí)施例提供的薄膜熱電模塊與現(xiàn)有薄膜熱電模塊相比集成度提高，單位面積上的輸出功率密度大，在相同工作條件下，達(dá)到相同的輸出電壓或輸出功率所需占用的空間減??；襯底材料可根據(jù)P、N型薄膜材料的結(jié)構(gòu)和性能特征分別選擇，襯底的可選范圍廣，可同時(shí)保證P、N型薄膜的結(jié)晶質(zhì)量；模塊構(gòu)型靈活，P、N型熱電臂失效可單獨(dú)更換，顯著減少了模塊的維護(hù)成本；襯底即作為薄膜材料必不可少的物理支撐，又對(duì)模塊整體起封裝作用，省去了封裝工藝和封裝原料，制造成本降低。

實(shí)施例3

一種薄膜熱電模塊，包括N型熱電臂陣列1，由N型半導(dǎo)體薄膜11在單晶襯底Ⅰ12的下表面傾斜布置，N型半導(dǎo)體薄膜11和單晶襯底Ⅰ12長(zhǎng)邊的夾角α=60°。

P型熱電臂陣列2，由P型半導(dǎo)體薄膜21在單晶襯底Ⅱ22的上表面傾斜布置，P型半導(dǎo)體薄膜21和單晶襯底Ⅱ22邊緣的夾角α=60°，P型半導(dǎo)體薄膜21的薄膜數(shù)量、單個(gè)薄膜寬度及在單晶襯底Ⅱ22上的相對(duì)位置與N型半導(dǎo)體薄膜11的薄膜數(shù)量、單個(gè)薄膜寬度及在單晶襯底Ⅰ12上的相對(duì)位置相同。

隔離層3，包括腹板31和翼板32，翼板32固定在腹板31的兩邊，腹板31、單晶襯底Ⅰ12、單晶襯底Ⅱ22的長(zhǎng)度、寬度相同，翼板32的高度等于腹板31、N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2的厚度之和。

圓柱形金電極5位于隔離層3的兩側(cè)，且嵌入、貫穿在隔離層3的腹板31上，底面直徑等于N、P型半導(dǎo)體薄膜11、21中單個(gè)薄膜的寬度，金電極5的厚度大于腹板31的厚度。

N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2由隔離層3隔開(kāi)，N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2和隔離層3的相對(duì)位置由位于隔離層3側(cè)面的通孔4插銷(xiāo)固定，N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2均是生長(zhǎng)有半導(dǎo)體薄膜的一面與隔離層3接觸，N型半導(dǎo)體薄膜11與P型半導(dǎo)體薄膜21呈X形交叉分布，并由金電極5依次連接，形成兩個(gè)獨(dú)立的串聯(lián)通路。

本實(shí)施例中N型半導(dǎo)體薄膜11選用(ZnO)₅In₂O₃，P型號(hào)半導(dǎo)體薄膜21選用CuCrO₂，單晶襯底Ⅰ12選用(La_xSr_1-x)(Al_yTa_1-y)O₃(001)，單晶襯底Ⅱ22選用Al₂O₃(0001)。

本實(shí)施例提供的薄膜熱電模塊與現(xiàn)有薄膜熱電模塊相比集成度提高，單位面積上的輸出功率密度大，在相同工作條件下，達(dá)到相同的輸出電壓或輸出功率所需占用的空間減小；襯底材料可根據(jù)P、N型薄膜材料的結(jié)構(gòu)和性能特征分別選擇，襯底的可選范圍廣，可同時(shí)保證P、N型薄膜的結(jié)晶質(zhì)量；模塊構(gòu)型靈活，P、N型熱電臂失效可單獨(dú)更換，顯著減少了模塊的維護(hù)成本；襯底即作為薄膜材料必不可少的物理支撐，又對(duì)模塊整體起封裝作用，省去了封裝工藝和封裝原料，制造成本降低。