CN1836340A

CN1836340A - 小功率热电发生器

Info

Publication number: CN1836340A
Application number: CNA2004800173908A
Authority: CN
Inventors: 英戈·斯达克; 比德·周
Original assignee: Applied Digital Solutions Inc
Current assignee: Veriteq Corp
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2024-05-13
Also published as: CA2526270A1; WO2004105143A1; MXPA05012477A; US20050252543A1; US20040231714A1; JP2007500951A; AU2004241965B2; EP1625629A4; EP1625629A1; US6958443B2; JP4290197B2; CN100499192C; AU2004241965A1

Abstract

公开了一种用于热电发生器(10)的箔段，热电发生器(10)包括按照分隔关系设置在底板(12)上的顶板(14)。箔段阵列(16)以并排排列的形式垂直地设置在底板和顶板之间，并与之热接触。每一个箔段包括具有大约7.5－50微米厚度的衬底(18)，相对的前和后衬底表面，以及以并排排列的形式设置在前衬底表面上的一系列分隔的交替n型和p型热电分支。由具有大约5－100微米厚度、大约10－100微米宽度和大约100－500微米长度的基于碲化铋的热电材料形成每个n型和p型分支(32，34)。交替的n型和p型热电分支(32，34)在电学上串联连接，而在热学上并联连接，使得底板和顶板之间的温差导致产生电力。

Description

小功率热电发生器

技术领域

本发明一般地涉及热电器件，更具体地说，涉及一种自给自足的小功率热电发生器，它具有小尺寸和相对高的、特别适于与微电子器件兼容的电压输出。

背景技术

微电子器件的日益增长的小型化趋势要求开发小型化的电源。电池和太阳能电池是用于这样的微电子器件的传统电源。然而，由电池供应的电力随时间而消耗，要求周期性地更换电池。太阳能电池虽然具有有效无限的使用寿命，但是由于太阳或其它光源并不是总可以得到，所以只能提供短暂的电源。

热电发生器是自给自足的能源，它根据已建立的物理原理将热能转换为电能。塞贝克(Seebeck)效应是一种传输现象，基于这种现象，利用没有运动部件的固态电气部件从热能产生电力。塞贝克效应利用一对在一端连接的、被称为热电偶的异金属(n型和p型)。n型和p型分别代表材料内的负和正类型电荷载流子。如果热电偶的连接端受热，同时未连接端保持冷，则在未连接的两端产生一个电动势(emf，electromotive force)或电压势。根据金属的自由电子理论，作用于两种异金属的结合部的电子的力倾向于把电子从具有较高电子密度的金属拉向具有较低电子密度的金属。得到电子的金属获得负电位，而失去电子的金属获得正电位。

跨越热电偶的温度梯度可以人工地施加，也可以作为“废热”(诸如由人体恒定地排出的热量)而自然地出现。在一块手表中，一面暴露于空气处于环境温度下，而相反的一面则暴露于配戴者皮肤的较高温度下。因此，在手表的厚度上呈现一个小的温度梯度。热电发生器可以被纳入到手表中，以便利用废热，并且产生足以使手表作为独立单元运行的电源。有利的是，许多微电子器件在大小上都类似于一块典型的手表，仅需要少量的功率，并且因此兼容于由热电发生器来供电。

可以通过几种方法，从数学上来表征一个热电发生器的运行参数。例如，在热电偶的未连接端上测出的电压直接正比于两端上的温差。在保持其两端的温差T1和T2的条件下，当构成热电偶的n型热电分支和p型热电分支在电学上被串联连接，而在热学上被并联连接时，塞贝克效应下的开路电压V在数学上可以由下列公式表示：

V＝S(T₁-T₂)

式中，S为以每度微伏(μV/K)表示的塞贝克系数。

可以用一个传统上由下式给出定义的热电品质因数(Z)来表征热电发生器的效率：

Z＝S²σ/κ

式中，σ和κ分别是电传导率和热传导率。以κ的倒数表示的品质因数Z表示可用在热电发生器中的热电材料的热和电属性。提高热电发生器的效率的关键之一在于研制具有低电阻、高塞贝克系数和低热传导率的高度有效的热电膜。

改进热电发生器的另一个关键在于提高热电偶的集成密度。通常通过废热源，在热源和热宿之间只存在小的温差。由于这个温差很小，所以必须把大量的热电偶串联在一起，以便产生足够的热电电压。因而，热电偶的截面必须具有长度与宽度之间的极大的纵横比。

现有技术包括企图提高热电发生器的效率和运行特性的多个器件。一种现有技术器件包括一个导热衬底，它被设置成与相对低温区的高温区热接触。热量从高温区流进导热衬底并流进多个从晶体材料切割得到的交替n型和p型热电分支。n型和p型热电分支在电学上被串联连接，同时在热学上被并联连接。所述n型和p型热电分支以二维棋盘图案形成在衬底上。由于总电压是跨越每个n型和p型对的个别电压的总和，并且由于n型和p型热电分支的每个热电偶在给定的温差下仅能产生几毫伏，所以需要一个十分大的面积来包围交替的n型和p型热电分支的棋盘图案。这样一个大面积的需求妨碍了热电发生器的小型化。

另一种现有技术的器件提供具有无缝隙的绝缘蛋箱(eggcrate)的热电模块，以便为多个n型和p型热电分支提供绝缘空间。没有缝隙消除了热电分支之间的侧壁电气短路的可能性。在所述模块的冷热两侧，热电分支在电学上被串联连接，同时在热学上被并联连接。电学连接由在一层钼上面的一层铝构成。表面被碾碎，以便暴露蛋箱的侧壁，除了各热电分支相互连接的区域。虽然参考模块克服了相邻热电分支之间的电气短路问题，但是参考的器件要求大量的制造步骤，因而是成本高昂的。

其它企图使热电发生器小型化的现有技术器件已经通过使热电偶的个别的单片结构小型化，来提高热电偶的集成密度。虽然这样的器件成功地把这些体材料碲化铋热电偶的截面减小到足够小的尺寸，但是，在从体材料处理和制造这些碲化铋热电偶方面的极端困难转换为极高的生产成本，从而导致最终产品的非常高的成本。

着眼于传统的热电发生器的上述缺点，在业界中存在对一种与微电子器件的要求兼容的热电发生器的需求。更具体地说，存在对一种具有小尺寸、用于产生小功率的热电发生器的需求，这种热电发生器特别适于产生高输出电压，同时能以相对较低的成本进行批量生产。

发明内容

本发明专门地解决和缓解了以上所参照的与热电发生器有关的缺陷。更具体地说，本发明是一种用于自给自足的小功率热电发生器的改进了的箔段，它具有小尺寸，并且特别地适于与微电子器件相兼容。

本热电发生器根据塞贝克效应，利用热梯度来产生有用的电力。所述热电发生器由底板、顶板和箔段阵列构成。箔段阵列以并排排列的方式置于底板和顶板之间。每一个箔段都被垂直地置于底板和顶板之间，并且与之热接触。一系列交替的n型和p型热电分支被设置在每一个箔段的衬底上。通常用碲化铋型热电材料来制造热电分支。顶板按照分隔的关系被设置在底板的上方。

底板和顶板可以具有通常为正交的配置，并且可以用任何刚性材料(诸如陶瓷材料)来制造。底板和顶板被配置成在热宿和热源之间提供热接触，使得在交替的n型和p型热电分支上产生温度梯度。

每一个箔段具有一个前衬底表面以及与前衬底表面相对的一个后衬底表面。各箔段可以这样排列，使得箔段的后衬底表面面向一个相邻箔段的前衬底表面。被隔开的、交替的n型和p型热电分支以互相平行排列的方式设置在前衬底表面上。n型和p型热电分支中的每一个都由热电材料形成，所述热电材料通常具有处于大约5微米(μm)到大约100微米的厚度，优选的厚度约为7微米。前衬底表面可以具有比后衬底表面更为光滑的表面粗糙度，以便提高在前衬底表面上形成n型和p型热电分支的可重复性。

一个p型和n型热电分支对构成热电发生器的一个热电偶。热电分支的宽度可以处于从大约10微米到大约100微米的范围内。其长度可以处于从大约100微米到大约500微米的范围内。n型和p型热电分支的优选长度约为500微米。n型热电分支的优选宽度约为60微米，而p型热电分支的优选的宽度约为40微米。可以根据每一个n型和p型热电分支的电导率的差异，将各个n型和p型热电分支的几何尺寸调整到一定程度。

p型热电分支中的每一个都通过一个热端金属桥和一个冷端金属桥，在p型热电分支的相对端电连接到相邻的n型热电分支，使得电流可以通过热电分支，从p型热电分支的底部流向顶部，并且从n型热电分支的顶部流向底部。多个箔段最好是包括总共大约5000个热电偶，它们被连接在一起，基本上均匀分布在箔段阵列上，并且形成一个热电偶链。每一个热电偶都包括一个n型和一个p型热电分支。因此，一个具有5,000个热电偶的热电发生器将包括5,000个n型热电分支和5,000个p型热电分支。虽然热电发生器可以包括任何数目的箔段，但是最好是包括大约120个箔段，每一个箔段包括大约40个热电偶。在热电偶链的每一个极端，都可以设置一个接触焊盘。

热端金属桥和冷端金属桥中的每一个都被配置成将一个n型热电分支电连接到一个p型热电分支。热端金属桥和冷端金属桥中的每一个还被配置成起到扩散壁垒的作用，以便阻止不希望的元素扩散到容易受到外来物污染的n型和p型热电分支。此外，热端金属桥和冷端金属桥中的每一个都被配置成阻止不希望的元素从n型和p型热电分支扩散出去。最后，热端金属桥和冷端金属桥中的每一个都被配置成将热量传入n型和p型热电分支，以及从n型和p型热电分支传出热量。在这一点上，可以用热的良导体(诸如镀金的镍)来制造热端和冷端金属桥。

虽然衬底的厚度最好是大约25微米，但是所述衬底可以具有处于从大约7.5微米到大约50微米范围内的厚度。由于希望减少通过衬底的热流以便提高能量转换的效率，希望减小在其上设置热电分支的衬底的厚度。一种具有低热传导率的电气绝缘材料(诸如聚亚酰胺膜)可以用作衬底。构成n型和p型热电分支的热电膜可以由碲化铋(Bi₂Te₃)型半导体化合物来构成。然而，可以改变半导体化合物的特定成分以提高n型和p型热电分支的热电性能。具体地说，n型热电分支的成分可以包括硒(Se)。p型热电分支的成分可以包括锑(Sb)。而且，可以改变在各个n型和p型热电分支中的碲(Te)过量(excess)，以便改进其制造工艺。

可以利用磁控管溅射，以大约每秒2.7纳米的最佳的溅射淀积速度，在较薄的衬底上淀积一层相对较厚的基于碲化铋的热电膜。

附图说明

通过参照附图，将使本发明的这些和其他方面的特征变得更加明显，在附图中：

图1是表示本发明的多个箔段的排列的热电发生器的透视图；

图2是沿着图1的线段2-2所取的热电发生器的侧视截面图，表示被配置在每个箔段的衬底膜上的交替n型和p型热电分支的排列；

图3是构成热电发生器的热电偶的p型和n型热电分支对的示意图。

具体实施方式

现在参照附图，其中，图示内容只是为了说明本发明的优选实施例，而不是为了限制本发明，图1是热电发生器10的透视图，在其中可以利用本发明的箔段16。如上所述，热电发生器10根据塞贝克效应，利用热梯度来产生有用的电力。热电发生器10典型地包括一块底板12、一块顶板14以及一个箔段阵列16。箔段阵列16以并排排列的方式置于底板12与顶板14之间，其中，箔段16中的每一个都被垂直地设置在底板与顶板12、14之间并与之热接触。一系列通常细长的交替n型和p型热电分支32、34被设置在每一个箔段16的衬底18上。正如将在下面详细地讨论的那样，热电分支32、34通常由碲化铋型热电材料44制成。如图1所示，顶板14按照间隔关系被设置在底板12之上。

底板与顶板12、14可以具有通常为矩形的正交配置。然而，人们将认识到，通常规定热电发生器10的整体尺寸的底板与顶板12、14可以具有任何形状或配置。在这一点上，虽然底板与顶板12、14如图1所示通常为矩形，但是也可以容易地调适为适于集成通常相同尺寸的箔段16的阵列，底板12与顶板14可以可选地具有类似于圆形的形状，以便适用于可配戴的微电子装置，诸如置入一块手表或者一个通常具有类似手表形状的装置中。

底板12与顶板14可以由同时具备刚性和高导热性的任何材料制成。在这一点上，打算利用陶瓷材料来制造底板与顶板12、14。如图1所示，底板12与顶板14可以被这样配置，使之基本上能分别地提供热宿22和热源20之间的热接触。底板与顶板12、14也可以被这样配置，以便为热电器件10提供一个保护外壳，使得保护箔段16避免可能使箔段16受损的机械接触或化学影响。

图2是沿着图1的线段2-2所取的热电发生器10的侧视截面图，表示被设置在每一个箔段16的衬底膜18上的交替n型和p型热电分支32、34的排列。每个箔段16都具有一个前衬底表面40以及与前衬底表面40相对的一个后衬底表面42(未示出)。箔段16可以这样排列，使得箔段16的后衬底表面42面向相邻箔段16的前衬底表面40。被隔开的交替n型和p型热电分支32、34以互相平行的方式被设置在前衬底表面40上。n型和p型热电分支32、34中的每一个都由热电材料44形成。虽然热电材料44可以具有处于从大约5微米(μm)到大约100μm的范围内的厚度，但是热电材料44的优选厚度约为7微米。

现在简单地转到图3，图中所示的是构成热电发生器10的热电偶46的n型和p型热电分支对32、34的示意图。如图3所示，n型和p型热电分支32、34具有各自的宽度。n型热电分支32的宽度被表示为a₁。p型热电分支34的宽度被表示为a₂。n型热电分支32和p型热电分支34二者的长度被表示为b。虽然n型和p型热电分支32、34可以具有基本上相等的长度，但是打算将热电发生器10配置成这样，其中，n型和p型热电分支32、34具有不同的长度。有利的是，长度对宽度的极大纵横比允许在小型化的热电发生器10中产生相对高的热电电压。

可以根据n型和p型热电分支32、34中的每一个的电传导率的差异，将n型和p型热电分支32、34各自的几何形状调整到一定程度。热电分支32、34的宽度可以处于从大约10微米到大约100微米的范围内。热电分支32、34的长度可以处于从大约100微米到大约500微米的范围内。n型和p型热电分支的优选长度b大约为500微米。n型热电分支32的优选宽度a₁约为60微米，同时p型热电分支34的优选宽度a₂约为40微米。p型热电分支34的热电属性典型地优于n型热电分支32的热电属性。因此，p型热电分支34的宽度可以窄于n型热电分支32的宽度。虽然示于图2的热电分支32、34具有细长的配置，但是打算令热电分支32、34被配置成具有多种其它配置，诸如，L形或S形配置。

n型和p型热电分支32、34在热学上被并联连接，在电学上被串联连接。如图1所示以及在图2中简明地表示，p型热电分支34的每一个都通过热端金属桥26和冷端金属桥28，在p型热电分支34的相对端电连接到一个相邻的n型热电分支32。以此方式，电流可以通过热电分支32、34，从p型热电分支34的底部流向顶部，并且从n型热电分支32的顶部流向底部。每一个交替的热电分支32、34都被连接到形成热电偶46的、相反导电类型的相邻热电分支32、34中的一个。

在图3中，代表性的n型热电分支32在其各自的上端被连接到p型热电分支34的各自的上端。在图2中，多个n型和p型热电分支32、34在其相对端上被连接，形成多个热电偶46，在所述系列的各自的相对极端上留下一个自由的p型热电分支34和一个自由的n型热电分支32。当由热源20通过位于热端金属桥26的顶板14施加热量时，就生成由符号T表示的、相对于位于底板12和热宿22的热电偶46的冷端金属桥28的温度梯度，使得热流48流过热电发生器10。然后，电流按照符号A所指示的方向流过电路36中的负载。热电发生器10还可以包括第一导线24和第二导线30，它们分别地被连接到位于接触焊盘38上的n型和p型热电分支32、34系列的各个相对端。

热端金属桥26和冷端金属桥28中的每一个都被配置成将一个n型热电分支32连接到一个p型热电分支34。热端金属桥26和冷端金属桥28中的每一个也被配置成起到一个扩散壁垒的作用，以便阻止不希望的元素扩散到容易受到外来物污染的n型和p型热电分支32、34中。而且，热端金属桥26和冷端金属桥28中的每一个都被配置成阻止不希望的元素从n型和p型热电分支32、34向外扩散。最后，热端金属桥26和冷端金属桥28中的每一个都被配置成将热量传入p型和n型热电分支32、34，并且从上述热电分支传出热量。在这一点上，热端金属桥26和冷端金属桥28可以由诸如镀金的镍的高导热性材料制成。

在图2所示的示例中，第一导线24被连接到n型热电分支32的自由端，而第二导线30被连接到p型热电分支34的自由端。然而，对如图1所示具有以并排排列方式设置的箔段阵列16的热电发生器10来说，各箔段16都以串联方式电连接，使得位于箔段16的一个极端上的一个自由n型热电分支32被电连接到一个相邻箔段16的一个自由p型热电分支34，反之亦然。以这样一种配置，第一导线24被连接到所述阵列的一个最前面的箔段16的n型热电分支32的一个自由端，而第二导线30被连接到所述阵列的一个最后面的箔段16的p型热电分支34的一个自由端。

虽然打算热电发生器10可以包括从大约1,000到大约20,000之间的任何数目的热电偶46，打算多个箔段16最好是包括总共大约5000个热电偶46，它们基本上均匀分布在箔段的阵列16上。热电发生器10最好是包括大约120个箔段16，箔段16中的每一个都包括大约40个热电偶46。然而，可替代地，热电发生器10可以包括足以集成在给定的工作温度下为产生所要求的功率所需的热电偶46的总数的任何数目的箔段16。假定所有的热电偶46都以串联方式电连接，则热电发生器10的总的输出电压可以简单地被计算为在每一个热电偶46上产生的个别电压的总和。

参照图2，图中所示的是本发明的一个典型的箔段16的衬底18。虽然衬底18的厚度最好是大约25微米，衬底18的厚度处于大约7.5微米到大约50微米的范围内。由于希望减少通过衬底18的热流48以便提高能量转换的效率，希望减小在其上设置热电分支32、34的衬底18的厚度。考虑到所述材料可以包含衬底18，可以利用电绝缘材料，使得被设置在衬底18上的相邻热电分支32、34可以从电气上互相绝缘。

衬底18的材料还可以具有低的热传导率，并且可以是一种聚酰亚胺膜，诸如由DuPont公司生产的Kapton膜。由于它的低热传导率，聚酰亚胺膜成为用于热电发生器10的优质衬底18。此外，聚酰亚胺膜的热膨胀系数在大约70华氏度(°F)室温范围下在数量级上相同于用于热电分支32、34的碲化铋型材料。因此，通过利用聚酰亚胺膜，就能使衬底18/热电材料44接口处发生的残留机械应力最小化或者被消除。在这一点上，就能增加热电发生器10的整体耐用性和使用寿命。

构成n型和p型热电分支32、34的热电材料44可以由如上所述的碲化铋(Bi₂Te₃)型半导体化合物来形成。然而，可以改变半导体化合物的特定成分来提高n型和p型热电分支32、34的热电性能。在这一点上，虽然过量可以处于从大约10at.％Te过量到大约30at.％Te过量的范围内，但是，在制造p型热电分支32的过程中所使用的半导体化合物可以包括具有下列表达式的材料：

(Bi_0.15Sb_0.85)₂Te₃加上18at.％Te过量

作为半导体化合物的一个单独的实施例，热电发生器10可以包括多个n型和p型热电分支32、34，其中，由具有表达式(Bi_0.15Sb_0.85)₂Te₃加上大约10at.％Te过量至大约30at.％Te过量的半导体化合物来形成每一个p型热电分支34。

尽管在把热电材料44淀积到衬底18上的过程中，可以利用多种微制造技术，但是，可以借助于高真空淀积设备，使用诸如磁控管溅射的溅射方法。溅射方法可以被用来把相对较厚的基于碲化铋的热电材料44淀积到薄衬底18上。

有利的是，把热电材料44淀积到衬底18上的速度已经被增加，导致热电发生器10的较低整体成本。在形成热电材料44的过程中，最佳的溅射淀积速度可以是大约每秒2.7纳米。然而，由于溅射淀积速度依赖于待淀积的特定成分以及预期的热电材料44的各项属性，溅射淀积速度可以处于大约每秒2纳米到大约每秒10纳米的范围内。

对本领域的技术人员来说，本发明的附加的修改和改进也是显而易见的。因此，在这里所描述和图示的各部件的特定组合仅被用来表示本发明的某些实施例，并且不打算用来限制处于本发明的精神实质和范围内的可替代的各种器件。

Claims

1.一种用于热电发生器的箔段，所述箔段包括：

具有相对的前和后衬底表面的衬底；以及

按照分隔的平行排列方式配置在前衬底表面上的一系列细长的交替n型和p型热电分支，每一个n型和p型热电分支都由具有处于从大约5微米到大约100微米范围内的厚度的热电材料形成，每一个n型和p型热电分支都有宽度和长度，宽度处于从大约10微米到大约100微米范围内，长度从大约100微米到大约500微米范围内；

其中，每一个p型热电分支在p型热电分支的相对端电连接到一个相邻的n型热电分支，使得n型和p型热电分支系列在电学上串联连接，而在热学上并联连接。

2.如权利要求1所述的箔段，其中，所述衬底具有处于从大约7.5微米到大约50微米范围内的厚度。

3.如权利要求1所述的箔段，其中，所述衬底具有大约25微米的厚度。

4.如权利要求1所述的箔段，其中，所述热电材料的厚度约为7微米。

5.如权利要求1所述的箔段，其中，用于p型热电分支的热电材料是具有下列表达式的半导体化合物：

(Bi_0.15Sb_0.85)₂Te₃加上大约10at.％Te过量至大约30at.％Te过量。

6.如权利要求5所述的箔段，其中，所述半导体化合物具有大约18at.％过量。

7.如权利要求5所述的箔段，其中，每一个p型热电分支都具有大约40微米的宽度。

8.如权利要求1所述的箔段，其中，每一个n型热电分支都具有大约60微米的宽度。

9.如权利要求1所述的箔段，其中，所述n型和p型热电分支的长度约为500微米。

10.如权利要求1所述的箔段，其中，通过溅射将所述半导体化合物淀积在衬底上。

11.如权利要求10所述的箔段，其中，所述溅射淀积速度处于从大约每秒2纳米到大约每秒10纳米的范围内。

12.如权利要求11所述的箔段，其中，所述溅射淀积速度约为每秒2.7纳米。

13.一种用于热电发生器的箔段阵列，每一个箔段都被配置成如权利要求1所定义的，其中：

每一个p型热电分支和相邻的一个n型热电分支共同定义一个热电偶；以及

箔段阵列包括在箔段阵列上基本上均匀分布的总共从大约1,000到大约20,000个热电偶。

14.一种用于热电发生器的箔段，所述箔段包括多个n型和p型热电分支，由具有下列表达式的半导体化合物形成每一个p型热电分支：

15.如权利要求14所述的箔段，其中，所述半导体化合物具有大约18at.％过量。

16.一种用于热电发生器的箔段，所述箔段包括：

具有处于从大约7.5微米到大约50微米范围内的厚度、并且包括相对的前和后衬底表面的衬底，所述衬底由具有低热传导率的电绝缘材料形成；以及

按照平行排列的方式配置在每一个前衬底表面上的一系列分隔的交替n型和p型热电分支，每一个n型和p型分支都由热电材料形成并具有处于从大约5微米到大约100微米范围内的厚度，每一个n型和p型热电分支都有宽度和长度，宽度处于从大约10微米到大约100微米范围内，长度处于从大约100微米到大约500微米范围内；

其中，每一个p型热电分支在p型热电分支的相对端电连接到的相邻的n型热电分支，使得n型和p型热电分支系列在电学上被串联连接，而在热学上并联连接。

17.如权利要求16所述的箔段，其中，由具有下列表达式的半导体化合物形成每一个p型热电分支：

(Bi_0.15Sb_0.85)₂Te₃加上大约18at.％过量。