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Die
Erfindung betrifft einen thermo-elektrischen Wandler, insbesondere
einen thermo-elektrischen Generator, sowie ein zugehöriges
Herstellungsverfahren gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen.
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Bei
dem Füllstandssensor gemäß
DE 10 2006 007 801 A1 werden
die einzelnen Thermoelemente auf ein flächiges Trägermaterial
aufgebracht, wobei es sich um eine Kunststoff-Folie handeln kann.
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Bei
der Thermosäule gemäß
DE 20 2006 003 595 U1 dient
dagegen ein langgestreckter Strang (z. B. ein Draht) als Trägerelement
für die einzelnen Thermoelemente.
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Die
vorstehend beschriebenen herkömmlichen Thermosäulen
eignen sich jedoch nicht für eine Mikrostrukturierung,
so dass die Herstellung dieser bekannten Thermosäulen relativ
aufwendig ist.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei Thermosäulen
den Herstellungsaufwand zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen thermoelektrischen
Wandler und ein entsprechendes Herstellungsverfahren gemäß den
nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Die
Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, dass das Trägersubstrat
für die einzelnen Thermoelemente eine dreidimensionale
Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen als Strukturelementen
aufweist.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen
die einzelnen Thermoelemente heiße Kontaktstellen und kalte
Kontaktstellen auf, wobei die heißen Kontaktstellen und
die kalten Kontaktstellen abwechselnd auf den Erhebungen und in den
Vertiefungen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur
des Trägersubstrats angeordnet sind.
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In
einer Variante der Erfindung befinden sich die heißen Kontaktstellen
also jeweils auf den Erhebungen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur, während
sich die kalten Kontaktstellen in den Vertiefungen der dreidimensionalen
Oberflächenstruktur befinden.
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Alternativ
besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass sich die heißen
Kontaktstellen der Thermoelemente jeweils in den Vertiefungen der
dreidimensionalen Oberflächenstruktur befinden, während
die kalten Kontaktstellen der einzelnen Thermoelemente jeweils auf
den Erhebungen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur
des Trägersubstrats angeordnet sind.
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Vorzugsweise
sind die Erhebungen und Vertiefungen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des
Trägersubstrats langgestreckt und bilden somit vorzugsweise
hervorstehende Rippen beziehungsweise Mulden. Die einzelnen Thermoelemente
verlaufen hierbei mit ihrer elektrischen Stromrichtung vorzugsweise jeweils
quer zu den langgestreckten Strukturelementen des Trägersubstrats.
Diese Ausrichtung der Thermoelemente relativ zu den Strukturelementen
der dreidimensionalen Oberflächenstruktur ist vorteilhaft,
weil sich auf diese Weise eine Vielzahl von Thermosäulen
bilden lässt, indem das Trägersubstrat mit den
aufgebrachten Thermoelementen in Längsrichtung der Thermosäulen
und quer zu den langgestreckten Strukturelementen aufgeteilt wird,
wie noch detailliert beschrieben wird.
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Bei
der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
mit langgestreckten Strukturelementen weisen die einzelnen Strukturelemente vorzugsweise
jeweils zwei Seitenflanken auf, wobei die beiden Leiterschichten
der einzelnen Thermoelemente jeweils auf die unmittelbar benachbarten
Seitenflanken aufgebracht werden. Bei einer Ausgestaltung der langgestreckten
Strukturelemente als Rippen mit zwei Seitenflanken kann jede der
beiden Seitenflanken der Rippe jeweils einen Schenkel desselben
Thermoelements in Form einer Leiterschicht aufnehmen.
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Bei
dieser Ausführungsform mit rippenförmigen Strukturelementen
wird das Leitermaterial vorzugsweise schräg aufgebracht,
beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern. Das schräge
Aufbringen der Leiterschichten bietet den Vorteil, dass die rippenförmigen
Strukturelemente jeweils eine ihrer beiden Seitenflanken abschatten,
so dass das Leitermaterial jeweils nur auf eine einzige Seitenflanke
aufgebracht wird. Zur Beschichtung der gegenüber liegenden
Seitenflanken muss das Leitermaterial dann in einem entsprechenden
schrägen Winkel von der anderen Seite aufgebracht werden.
Das Leitermaterial wird also vorzugsweise nicht exakt rechtwinklig zur
Oberfläche des Trägersubstrats aufgebracht, sondern
mit einem bestimmten Auftreffwinkel zur Oberfläche des
Trägersubstrats.
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Der
Auftreffwinkel des Leitermaterials kann beispielsweise größer
als 40°, 50°, 60°, 70° oder
sogar größer als 80° sein, bezogen auf
die Oberfläche des Trägersubstrats. Weiterhin
kann der Auftreffwinkel des Leitermaterials – bezogen auf
die Oberfläche des Trägersubstrats – kleiner
als 85°, 80°, 70°, 60° oder
sogar kleiner als 50° sein. Vorzugsweise liegt der Auftreffwinkel
also in einem Bereich von 40° bis 85°.
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Alternativ
besteht jedoch im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit,
das Leitermaterial mittels Masken selektiv auf die Seitenflanken
der rippenförmigen Strukturelemente aufzutragen.
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Weiterhin
ist zu erwähnen, dass die langgestreckten Strukturelemente
(z. B. Rippen, Mulden) der dreidimensionalen Oberflächenstruktur
des Trägersubstrats vorzugsweise im wesentlichen parallel zueinander
und/oder im wesentlichen rechtwinklig zu den einzelnen Thermoelementen
bzw. Thermosäulen ausgerichtet sind.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Strukturelemente der dreidimensionalen
Oberflächenstruktur des Trägersubstrats mindestens
teilweise hohl sind, da auf diese Weise die thermische Leitfähigkeit
der Strukturelemente herabgesetzt wird.
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Es
besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die
einzelnen Strukturelemente (z. B. Rippen) massiv ohne Hohlräume
ausgeführt sind.
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Weiterhin
besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass das
Trägersubstrat selbst flach ist und durch seine Formgebung
die Strukturelemente (z. B. Rippen, Mulden) bildet, so dass das
Trägersubstrat beispielsweise wellblechförmig
sein kann. Das Trägersubstrat kann also an der Vorderseite und an
der Rückseite Strukturelemente aufweisen, wobei die Strukturelemente
an der Vorderseite zu den Strukturelementen an der Rückseite
invers bzw. komplementär geformt sind. Dies bedeutet beispielsweise,
dass eine Rippe an der Vorderseite des Trägersubstrats
an dessen Rückseite als Mulde in Erscheinung tritt.
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Ferner
bestehen die einzelnen Strukturelemente und/oder das Trägersubstrat
vorzugsweise nicht nur aus einem elektrisch isolierenden Material, sondern
vorzugsweise auch aus einem thermisch isolierenden Material.
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Ein
Unterschied gegenüber der eingangs erwähnten Thermosäule
gemäß
DE 20 2006 003 595 U1 besteht ferner darin,
dass das Trägersubstrat an sich flächig ist und
lediglich eine dreidimensionale Oberflächenstruktur aufweist.
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Bei
der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats
handelt es sich vorzugsweise um eine Mikrostruktur. Dies bedeutet,
dass die einzelnen Strukturelemente (z. B. Rippen, Mulden) einen
Abstand oder eine Breite haben, die im Mikrometerbereich oder zumindest
im Millimeterbereich liegen. Der Abstand und/oder die Breite der
Strukturelemente (z. B. Rippen, Mulden) kann also kleiner sein als
5 mm, 2 mm, 1 mm, 500 μm, 250 μm, 100 μm,
50 μm oder sogar kleiner als 25 μm.
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Zum
einen ist diese Mikrostrukturierung der Oberflächenstruktur
des Trägersubstrats vorteilhaft, weil sich auf diese Weise
eine große Packungsdichte der Thermoelemente erreichen
lässt.
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Beispielsweise
kann die flächenbezogene Packungsdichte der Thermoelemente
auf dem Trägersubstrat größer sein als
1 cm–2, 10 cm–2,
100 cm–2, 1.000 cm–2 oder
sogar 10.000 cm–2.
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Zum
anderen ist die Mikrostrukturierung der Oberflächenstruktur
des Trägersubstrats vorteilhaft, weil die Bearbeitung des
Trägersubstrats dadurch sehr effizient mit herkömmlichen
Strukturierungsverfahren erfolgen kann, die beispielsweise aus der Halbleitertechnologie
bekannt sind.
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Darüber
hinaus ist zu erwähnen, dass die einzelnen Strukturelemente
der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats
beispielsweise einen dreieckigen oder trapezförmigen Querschnitt
aufweisen können.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung ist bereits ersichtlich, dass auf
dem Trägersubstrat mehrere Thermosäulen angeordnet
sein können, die elektrisch hintereinander in Reihe geschaltet
sind, wobei die einzelnen Thermosäulen jeweils quer zu
den langgestreckten Strukturelementen und nebeneinander angeordnet
sein können.
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Die
einzelnen Thermosäulen können hierbei mehr als
10, 20, 50 oder sogar mehr als 100 Thermoelemente enthalten, während
auf dem Trägersubstrat insgesamt mehr als 10, 20, 50 oder
sogar mehr als 100 derartiger Thermosäulen untergebracht
werden können.
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Der
erfindungsgemäße thermo-elektrische Wandler kann
also mehr als 100, 500, 1000, 2500, 5000 oder sogar mehr als 10000
Thermoelemente aufweisen.
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Ferner
weist der erfindungsgemäße thermo-elektrische
Wandler vorzugsweise eine elektrisch isolierende Oberschicht auf,
die das Trägersubstrat mit den darauf aufgebrachten Thermoelementen
an seiner Oberseite abdeckt, während das Trägersubstrat an
seiner Unterseite vorzugsweise durch eine elektrisch isolierende
Unterschicht abgedeckt wird.
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Die
Oberschicht und/oder die Unterschicht bestehen vorzugsweise aus
einem thermisch leitfähigen Material, um die Thermosäulen
thermisch zu kontaktieren. Beispielsweise können die Oberschicht und
die Unterschicht aus einem Keramikwerkstoff oder aus einem beschichteten
Metall bestehen.
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Neben
dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen
thermoelektrischen Wandler umfasst die Erfindung auch ein entsprechendes
Herstellungsverfahren, wie sich bereits aus der vorangehenden Beschreibung
ergibt.
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Die
dreidimensionale Oberflächenstruktur des Trägersubstrats
kann hierbei beispielsweise durch (Mikro-)Spritzgießen,
Laser-Ätzen oder durch chemisches Ätzen hergestellt
werden.
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Die
Leiterschichten der einzelnen Thermoelemente können im
Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
beispielsweise auf die dreidimensionale Oberflächenstruktur
des Trägersubstrats aufgedampft, aufgesputtert, aufgedruckt,
aufgeprüft oder galvanisch aufgebracht werden, um nur einige mögliche
Herstellungsverfahren zu nennen.
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Es
wurde bereits vorstehend erwähnt, dass die einzelnen Thermosäulen
vorzugsweise rechtwinklig zu den langgestreckten Strukturelementen
(z. B. Rippen, Mulden) ausgerichtet sind, was bei der Herstellung
einer Vielzahl von Thermosäulen vorteilhaft ist. Hierzu
wird das Trägersubstrat mit den darauf aufgebrachten Thermosäulen
jeweils zwischen den unmittelbar benachbarten Thermosäulen
in Längsrichtung der Thermosäulen aufgeteilt,
so dass jedes abgetrennte Teil jeweils mindestens eine Thermosäule
enthält. Die Thermosäulen auf den einzelnen abgetrennten
Teilen werden dann vorzugsweise wieder elektrisch hintereinander
in Reihe geschaltet.
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Die
vorstehend erwähnte Aufteilung des Trägersubstrats
mit den darauf aufgebrachten Thermosäulen kann beispielsweise
durch Ätzen oder durch Laser-Bestrahlung erfolgen, wozu
beispielsweise ein Ultraviolett-Laser oder ein Pikosekunden-Laser
verwendet werden kann.
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Schließlich
wird auf die Oberseite des Trägersubstrats mit den darauf
aufgebrachten Thermosäulen vorzugsweise eine elektrisch
isolierende Oberschicht aufgebracht, um den thermoelektrischen Wandler
thermisch zu kontaktieren.
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Darüber
hinaus wird zur thermischen Kontaktierung des thermoelektrischen
Wandlers vorzugsweise auch auf die Unterseite des Trägersubstrats
eine elektrisch isolierende, aber thermisch leitfähige
Unterschicht aufgebracht.
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Im
Rahmen der Erfindung kann die Oberschicht und/oder die Unterschicht
aufgeklebt werden, jedoch sind im Rahmen der Erfindung auch andere Befestigungsmöglichkeiten
denkbar.
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Als
Material für die Oberschicht und die Unterschicht eignet
sich beispielsweise ein Keramikwerkstoff oder beschichtetes Metall.
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Andere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1A–1E verschiedene
aufeinanderfolgende Fertigungsstadien eines erfindungsgemäßen
thermoelektrischen Wandlers,
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2 eine
Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen thermo-elektrischen
Wandlers ohne das Trägersubstrat, sowie
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3 das
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren in Form
eines Flussdiagramms.
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Im
folgenden wird nun unter Bezugnahme auf das in 3 dargestellte
Flussdiagramm sowie auf die 1A bis 1E das
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beschrieben.
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In
einem ersten Schritt S1 wird zunächst ein Trägersubstrat 1 bereitgestellt,
das aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material besteht und
im einfachsten Fall plattenförmig sein kann.
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In
einem zweiten Schritt S2 erfolgt dann eine Mikrostrukturierung des
Trägersubstrats 1 zur Bildung einer dreidimensionalen
Oberflächenstruktur in dem Trägersubstrat 1,
wobei die dreidimensionale Oberflächenstruktur mehrere
langgestreckte Strukturelemente 2 in Form von Rippen aufweist.
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Die
Mikrostrukturierung des Trägersubstrats 1 kann
beispielsweise durch Heißprägen, Mikro-Spritzgießen,
Laser-Ätzen oder durch chemisches Ätzen erfolgen.
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Hierbei
ist zu erwähnen, dass die rippenförmigen Strukturelemente 2 jeweils
einen durchgehenden Hohlraum 3 aufweisen können,
um die Wärmeleitfähigkeit der rippenförmigen
Struktur elemente 2 zu verringern und dadurch die Funktionsfähigkeit
von darauf aufgebrachten Thermoelemente zu verbessern.
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Nach
der Mikrostrukturierung des Trägersubstrats 1 in
dem Schritt S2 liegt dann das in 1A dargestellte
Fertigungsstadium vor.
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Aus
den 1A sowie aus der Querschnittsansicht in 1B ist
ersichtlich, dass die rippenförmigen Strukturelemente 2 jeweils
zwei Seitenflanken 4, 5 aufweisen.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird dann eine Leiterschicht 6 auf
die Seitenflanke 5 der einzelnen rippenförmigen
Strukturelemente 2 aufgebracht. Dieses Auftragen der Leiterschicht 6 kann beispielsweise
durch Aufdampfen oder Aufsputtern erfolgen, wie in 1B durch
die Blockpfeile schematisch angedeutet wird.
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Das
Leitermaterial für die Leiterschicht 6 wird hierbei
mit einem Auftreffwinkel α ≈ 70° schräg
auf die Seitenflanken 5 aufgebracht, beispielsweise durch
Aufsputtern oder Aufdampfen. Dieses schräge Aufbringen
des Leitermaterials ist vorteilhaft, weil die einzelnen rippenförmigen
Strukturelemente 2 dabei die anderen Seitenflanken 4 abschatten,
so dass die Seitenflanken 4 in diesem Verfahrensschritt
nicht mit dem Leitermaterial beschichtet wird.
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Am
Ende des Verfahrensschrittes S3 liegt dann das in 1B gezeigte
Fertigungsstadium vor.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt S4 wird dann auch auf die gegenüberliegende
Seitenflanke 4 der rippenförmigen Strukturelemente 2 eine
Leiterschicht 7 aufgebracht, was durch Auf sputtern oder Aufdampfen
erfolgen kann, wie in 1C durch die Blockpfeile angedeutet
ist.
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Auch
das Leitermaterial für die Leiterschicht 7 wird
hierbei mit einem Auftreffwinkel α ≈ 70° schräg auf
die Seitenflanken 4 aufgebracht. Dieses schräge Aufbringen
des Leitermaterials ist wiederum vorteilhaft, weil die einzelnen
rippenförmigen Strukturelemente 2 dabei die bereits
mit der Leiterschicht 6 beschichteten Seitenflanken 5 abschatten,
so dass die Seitenflanken 5 in diesem Verfahrensschritt
nicht mit dem Leitermaterial beschichtet werden.
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Die
beiden Leiterschichten 6, 7 bilden jeweils einen
Schenkel eines Thermoelements, so dass die Leiterschichten 6, 7 an
der Oberseite der rippenförmigen Strukturelemente 2 überlappen
und eine Kontaktstelle bilden. In gleicher Weise überlappen
die benachbarten Leiterschichten 6, 7 auch in
der Mulde zwischen den benachbarten rippenförmigen Strukturelementen 2 und
bilden dort eine weitere Kontaktstelle.
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Wichtig
ist hierbei, dass die beiden Leiterschichten 6, 7 aus
Materialien mit unterschiedlichen Thermokräften bestehen,
damit die unmittelbar benachbarten Leiterschichten 6, 7 jeweils
ein Thermoelement bilden.
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Nach
dem Schritt S4 liegt dann das Fertigungsstadium gemäß 1C vor.
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In
einem weiteren Schritt S5 wird das Trägersubstrat 1 mit
den darauf aufgebrachten Thermoelementen dann rechtwinklig zu den
langgestreckten rippenförmigen Strukturelementen 2 entlang
vorgegebener Trennlinien 8 in Längsrichtung von
Thermosäulen 9 aufgeteilt. Die auf diese Weise
gebildeten Teile enthalten jeweils eine der Thermosäulen 9.
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Nach
der Aufteilung des Trägersubstrats 1 mit den darauf
befindlichen Thermosäulen 9 werden die vereinzelten
Thermosäulen 9 dann elektrisch miteinander zu
einer Reihenschaltung verbunden. Hierzu können auf der
Oberlage 10 oder auf der Unterlage 11 entsprechende
Leiterbahnen angeordnet sein.
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Schließlich
wird dann in einem Schritt S6 eine elektrisch und thermisch isolierende
Oberlage 10 sowie eine elektrisch und thermisch isolierende Unterlage 11 aufgeklebt,
wobei die Oberlage 10 das Trägersubstrat 1 mit
den darauf aufgebrachten Thermoelementen an seiner Oberseite abdeckt,
während die Unterlage 11 das Trägersubstrat 1 mit
den darauf aufgebrachten Thermoelementen an seiner Unterseite abdeckt.
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Nach
dem Schritt S6 liegt dann das vorläufig endgültige
Fertigungsstadium gemäß 1E vor, wobei
im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
weitere Endbearbeitungsschritte folgen können.
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Das
Fertigungsstadium gemäß 1E zeigt jedoch
einen thermo-elektrischen Wandler 12 mit allen erforderlichen
Funktionselementen.
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2 zeigt
eine Perspektivansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels
eines thermo-elektrischen Wandlers 13 in einem Zwischenstadium
der Herstellung ohne das zugrundeliegende Trägersubstrat.
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Hierbei
ist erkennbar, dass mehrere Leiterschichten 14, 15 auf
die Seitenflanken der rippenförmigen Strukturelemente des
Trägersubstrats aufgebracht sind.
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Darüber
hinaus ist erkennbar, dass das Trägersubstrat mit darauf
aufgebrachten Thermosäulen 16 entlang bestimmter
Trennlinien 17 in mehrere Teile aufgeteilt wird, wobei
die einzelnen Teile jeweils eine der Thermosäulen 16 enthalten.
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Alternativ
besteht die Möglichkeit, dass 2 ein Zwischenstadium
der Herstellung zeigt, in dem das Trägersubstrat flächig
ist und wellblechartig geformt ist, um die rippenförmigen
Strukturelemente zu bilden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und
Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken
Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.
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- 1
- Trägersubstrat
- 2
- Strukturelemente
- 3
- Hohlraum
- 4
- Seitenflanke
- 5
- Seitenflanke
- 6
- Leiterschicht
- 7
- Leiterschicht
- 8
- Trennlinie
- 9
- Thermosäule
- 10
- Oberlage
- 11
- Unterlage
- 12
- Thermo-elektrischer
Wandler
- 13
- Thermo-elektrischer
Wandler
- 14
- Leiterschicht
- 15
- Leiterschicht
- 16
- Thermosäule
- 17
- Trennlinie
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007009221
A1 [0002]
- - DE 202006003595 U1 [0002, 0004, 0022]
- - DE 102006007801 A1 [0002, 0003]