RU2325731C1 - Thermoelectric module and method of its manufacturing - Google Patents
Thermoelectric module and method of its manufacturing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2325731C1 RU2325731C1 RU2006129357/28A RU2006129357A RU2325731C1 RU 2325731 C1 RU2325731 C1 RU 2325731C1 RU 2006129357/28 A RU2006129357/28 A RU 2006129357/28A RU 2006129357 A RU2006129357 A RU 2006129357A RU 2325731 C1 RU2325731 C1 RU 2325731C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thermocouples
- plates
- dielectric
- conductivity
- type
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к термоэлектрическим охлаждающим и термостатирующим устройствам, использующим эффект Пельтье, а именно к конструкции термоэлектрического модуля (ТЭМ) и способу его изготовления.The invention relates to thermoelectric cooling and thermostatic devices using the Peltier effect, namely to the design of a thermoelectric module (TEM) and a method for its manufacture.
Известна конструкция ТЭМ и способ его изготовления (Пат. РФ №2075138), в соответствии с которым ТЭМ содержит полупроводниковые элементы p и n типов проводимости, соединенные в единую цепь последовательно в чередующемся порядке таким образом, что при прохождении по цепи контакты от термоэлементов n типа проводимости к термоэлементам p типа проводимости расположены на одной грани ТЭМ, а контакты от термоэлементов p типа проводимости к термоэлементам n типа проводимости расположены на противоположной грани ТЭМ. Одна из указанных граней имеет тепловой контакт и механически связана с диэлектрической пластиной, а вторая имеет тепловой контакт и механически связана с поверхностью металла, покрытой слоем диэлектрика. На диэлектрической пластине установлены токовводы ТЭМ, соединенные с цепью элементов. Способ изготовления указанного ТЭМ заключается в том, что на диэлектрической пластине и на слое диэлектрика, покрывающего металлическую поверхность, методом вакуумного напыления и фотолитографии формируют металлические площадки, к которым припаивают коммутационные шины, осуществляют сборку ТЭМ, припаивая термоэлементы к коммутационным шинам.A known TEM design and method of its manufacture (Pat. RF No. 2075138), in accordance with which the TEM contains semiconductor elements of p and n types of conductivity, connected in a single circuit in series in alternating order so that when passing through the circuit contacts from thermocouples of n type conductivity to thermocouples of p type of conductivity are located on one face of TEM, and contacts from thermocouples of p type of conductivity to thermocouples of n type of conductivity are located on the opposite side of TEM. One of these faces has thermal contact and is mechanically connected to the dielectric plate, and the second has thermal contact and is mechanically connected to the metal surface covered with a dielectric layer. TEM current leads connected to a circuit of elements are installed on the dielectric plate. A method of manufacturing said TEM consists in the formation of metal pads to which the busbars are soldered by the method of vacuum deposition and photolithography on a dielectric plate and on a dielectric layer covering a metal surface, TEM is assembled by soldering thermocouples to the busbars.
Недостатком указанного способа является то, что изготавливают и собирают в ТЭМ отдельные элементы, что налагает существенные ограничения на возможности миниатюризации ТЭМ и делает практически невозможной сборку ТЭМ с большим, порядка тысячи, количеством термоэлементов.The disadvantage of this method is that they manufacture and assemble individual elements in the TEM, which imposes significant restrictions on the possibility of miniaturization of the TEM and makes it almost impossible to assemble the TEM with a large, about a thousand, number of thermocouples.
Известен способ изготовления термоэлементов (Пат. Японии 63020881 А), согласно которому эпоксидной смолой склеивают множество полупроводниковых пластин n и р типов проводимости в чередующемся порядке. Полученный блок разрезают в перпендикулярном слоям направлении на пластины, которые склеивают эпоксидной смолой в матрицу, содержащую несколько тысяч термоэлементов.A known method of manufacturing thermocouples (US Pat. Japan 63020881 A), according to which an epoxy resin glue many semiconductor wafers n and p types of conductivity in alternating order. The resulting block is cut in the direction perpendicular to the layers into plates, which are glued with epoxy resin into a matrix containing several thousand thermocouples.
Недостатком приведенного способа является то, что при склеивании пластин возможно касание пластин, что приведет к короткому замыканию термоэлементов, кроме того, в приведенном изобретении не решен вопрос создания токовводов ТЭМ и их коммутации с цепью термоэлементов.The disadvantage of the above method is that when gluing the plates, it is possible to touch the plates, which will lead to a short circuit of thermocouples, in addition, the invention does not solve the problem of creating TEM current leads and their switching with a thermocouple circuit.
Наиболее близкими к предлагаемому являются конструкция ТЭМ и способ его изготовления (Пат. РФ №2171521), в соответствии с которым в бруске термоэлектрического материала p-типа проводимости и в бруске термоэлектрического материала n-типа проводимости делают серию канавок, затем названные бруски склеивают так, чтобы выступы между канавками одного бруска вошли в канавки другого бруска. После этого сошлифовывают массивные части обоих брусков до канавок, в результате чего получают блок, содержащий чередующиеся слои термоэлектрического материала n и р типов проводимости с эпоксидными прослойками между ними. Блок разрезают на пластины в направлении, перпендикулярном слоям. Полученные пластины склеивают, в результате чего получают матрицу из чередующихся элементов p и n типов проводимости. Торцы термоэлементов, выходящие на грани матрицы, оголяют. Коммутируют элементы полученной матрицы путем формования коммутационных шин методом напыления с использованием фотолитографии на гранях матрицы, на которые выходят все термоэлементы. На боковой поверхности матрицы методом вакуумного напыления формуют токовыводящие шины модуля.Closest to the proposed are the design of the TEM and the method of its manufacture (Pat. RF No. 2171521), according to which a series of grooves are made in a bar of p-type thermoelectric material and in a bar of n-type thermoelectric material, then these bars are glued together so so that the protrusions between the grooves of one bar fit into the grooves of the other bar. After that, the massive parts of both bars are ground to the grooves, resulting in a block containing alternating layers of thermoelectric material n and p of conductivity types with epoxy interlayers between them. The block is cut into plates in a direction perpendicular to the layers. The resulting plates are glued together, resulting in a matrix of alternating elements of p and n types of conductivity. The ends of thermocouples extending to the edge of the matrix are exposed. The elements of the resulting matrix are commutated by forming the busbars by spraying using photolithography on the faces of the matrix, to which all thermocouples go. On the lateral surface of the matrix by the method of vacuum spraying form current-carrying busbars of the module.
Недостатком указанного способа является большой расход полупроводникового материала при шлифовке, а также то, что при склеивании брусков возможно их соприкосновение, что приведет к возникновению электрических контактов между боковыми поверхностями термоэлементов, что существенно снизит эффективность ТЭМ. Поскольку термоэлементы получают исключительно вырезанием из массивного образца, то минимальный размер термоэлементов определяется толщиной слоя полупроводникового материала, который можно отрезать от массивного образца. Для хрупких низкопрочных термоэлектричесих материалов это существенное ограничение. В связи с тем, что токоподводящие шины расположены на боковой грани ТЭМ, по токоподводящим шинам и припаянным к ним проводам будет происходить перенос тепла от горячих спаев к холодным, что снижает эффективность ТЭМ. В связи с тем, что токоподводящие провода припаивают к токоподводящим шинам на боковой грани модуля, в процессе пайки боковые грани подвергаются термическим напряжениям, а в последующем боковые грани ТЭМ могут испытывать механические нагрузки, передаваемые через провода, что снижает надежность модуля. Схема коммутации термоэлементов сложна и нетехнологична в связи тем, что в матрице термоэлементы расположены рядами одного типа проводимости (ряд термоэлементов n типа, следующий ряд термоэлементов p типа проводимости и т.д).The disadvantage of this method is the high consumption of semiconductor material during grinding, as well as the fact that when gluing the bars they may come into contact, which will lead to electrical contacts between the side surfaces of thermocouples, which will significantly reduce the effectiveness of TEM. Since thermocouples are obtained exclusively by cutting from a massive sample, the minimum size of thermocouples is determined by the thickness of the layer of semiconductor material that can be cut from the massive sample. For fragile low-strength thermoelectric materials, this is a significant limitation. Due to the fact that the current-carrying tires are located on the side face of the TEM, heat transfer from hot junctions to cold will occur along the current-carrying buses and the wires soldered to them, which reduces the efficiency of the TEM. Due to the fact that the current-carrying wires are soldered to the current-carrying buses on the side face of the module, during the soldering process, the side faces are subjected to thermal stresses, and subsequently the side faces of the TEM can experience mechanical loads transmitted through the wires, which reduces the reliability of the module. The switching circuit of thermocouples is complex and non-technological due to the fact that in the matrix thermocouples are arranged in rows of one type of conductivity (a series of thermocouples of n type, the next row of thermocouples of p type of conductivity, etc.).
Целью настоящего изобретения является создание устройства термоэлектрического модуля и способа его изготовления, обеспечивающих высокую плотность термоэлементов, надежную электроизоляцию между боковыми гранями термоэлементов, повышение эффективности и надежности модуля, обеспечение надежной и удобной коммутации термоэлектрического модуля с источником питания.The aim of the present invention is to provide a thermoelectric module device and a method for its manufacture, providing a high density of thermocouples, reliable electrical insulation between the side faces of thermocouples, increasing the efficiency and reliability of the module, providing reliable and convenient switching of the thermoelectric module with a power source.
Поставленная цель достигается тем, что термоэлементы покрыты слоем электрически прочного диэлектрика, пространство между термоэлементами заполнено клеющим материалом, а на концах цепи термоэлементов установлены два диэлектрических элемента, две грани каждого из которых имеют металлическое покрытие, соединенное с одним из токовводов модуля и с ближайшим крайним в цепи термоэлементом.This goal is achieved in that the thermocouples are coated with a layer of electrically durable dielectric, the space between the thermocouples is filled with adhesive material, and two dielectric elements are installed at the ends of the thermocouple circuit, two faces of each of which have a metal coating connected to one of the module current leads and to the nearest extreme circuit thermocouple.
Токовводы имеют расширения на концах, удаленных от термоэлементов.Current leads have extensions at the ends remote from thermocouples.
Диэлектрическая пластина, на которой установлены токовводы, имеет большие размеры и выступает за габариты диэлектрической пластины без токовводов со стороны токовводов.The dielectric plate on which the current leads are mounted is large and stands for the dimensions of the dielectric plate without current leads from the side of the current leads.
Способ изготовления термоэлектрического модуля, в соответствии с которым склеивают термоэлектрические пластины n и р типов проводимости в чередующемся порядке, разрезают полученный блок на пластины в перпендикулярном слоям направлении, склеивают полученные пластины, шлифуют грани, на которые выходят торцы всех полученных термоэлементов, и создают на гранях коммутационные шины, используя технологии вакуумного напыления и фотолитографии, отличающийся тем, что пластины n и р типов проводимости предварительно покрывают слоем электрически прочного диэлектрика, изготавливают три блока, в первый из которых склеивают равное количество пластин n и р типов проводимости в чередующемся порядке, во второй в чередующемся порядке склеивают такое же как в первом блоке количество пластин n типа проводимости, меньшее на единицу количество пластин p типа проводимости и диэлектрический брусок, две грани которого имеют металлическое покрытие, в третьем блоке в чередующемся порядке склеивают такое же как в первом блоке количество пластин р типа проводимости, меньшее на единицу количество пластин n типа проводимости и диэлектрический брусок, две грани которого имеют металлическое покрытие, полученные блоки разрезают на пластины равной толщины в перпендикулярном слоям направлении, покрывают слоем электрически прочного диэлектрика и склеивают матрицу, включающую четное количество пластин из первого блока, половина из которых развернута и установлена через одну, на краях приклеивают по одной пластине полученной разрезанием второго и третьего блоков, шлифуют грани матрицы, на которые выходят торцы всех термоэлементов, и коммутируют термоэлементы и металлические покрытия диэлектрических элементов путем формования коммутационных шин на гранях матрицы методом напыления с использованием фотолитографии, к граням матрицы приклеивают диэлектрические пластинки, на одной из которых установлены токовводы, коммутируют металлические покрытия диэлектрических элементов с токовводами.A method of manufacturing a thermoelectric module, according to which the thermoelectric plates of n and p types of conductivity are glued in an alternating order, the resulting block is cut into plates in the direction perpendicular to the layers, the resulting plates are glued, the faces on which the ends of all the obtained thermocouples go out, and created on the faces switching buses using vacuum deposition and photolithography technologies, characterized in that the n and p conductivity plates are pre-coated with an electric layer and a durable dielectric, three blocks are made, in the first of which an equal number of plates of n and p types of conductivity are glued in alternating order, in the second in an alternating order, the same number of plates of n type of conductivity is glued in the first block, the number of p type plates is less by one conductivity and a dielectric bar, the two faces of which are coated with metal, in the third block in the alternating order glue the same number of plates of the p type of conductivity in the first block, less by a unit of quantities n conductivity type plates and a dielectric bar, the two faces of which are coated with metal, the blocks obtained are cut into plates of equal thickness in the direction perpendicular to the layers, coated with a layer of electrically strong dielectric, and the matrix is glued, including an even number of plates from the first block, half of which are turned and installed through one, glued on the edges of one plate obtained by cutting the second and third blocks, grind the edges of the matrix, which go to the ends of all thermocouples, and thermocouples and metal coatings of dielectric elements are switched by molding busbars on the faces of the matrix by spraying using photolithography, dielectric plates are glued to the faces of the matrix, current leads are installed on one of them, metal coatings of dielectric elements with current leads are switched.
Покрытие боковых граней термоэлементов слоем электрически прочного диэлектрика гарантирует отсутствие электрических контактов между боковыми гранями термоэлементов.Coating the side faces of the thermocouples with a layer of electrically durable dielectric ensures the absence of electrical contacts between the side faces of the thermocouples.
Термоэлементы имеют покрытие из электрически прочного диэлектрика, благодаря этому толщина слоя клеющего материала между термоэлементами может быть минимально возможной, обеспечивающей только склеивание термоэлементов, а не электроизоляцию, как в прототипе. Все это позволяет сделать диэлектрические прослойки между термоэлементами малой толщины и обеспечить высокую плотность термоэлементов. Уменьшение диэлектрических прослоек между термоэлементами снижает тепловые потери за счет переноса тепла через диэлектрический слой, что повышает эффективность модуля. Предложенная конструкция модуля и способ ее реализации обеспечивают сборку модуля, состоящего из большого количества (несколько тысяч) термоэлементов. Термоэлементы могут быть малого сечения (вполне реально изготовление модулей с сечением термоэлементов 0,1×0,1 мм и расстояниями между термоэлементами 0,02 мм).The thermocouples are coated with an electrically durable dielectric, due to this the thickness of the layer of adhesive material between the thermocouples can be as small as possible, providing only bonding of the thermocouples, and not electrical insulation, as in the prototype. All this makes it possible to make dielectric layers between thermocouples of small thickness and to provide a high density of thermocouples. Reducing the dielectric interlayers between thermocouples reduces heat loss due to heat transfer through the dielectric layer, which increases the efficiency of the module. The proposed module design and method of its implementation provide assembly of a module consisting of a large number (several thousand) of thermocouples. Thermocouples can be of small cross-section (it is quite realistic to manufacture modules with a cross-section of thermocouples of 0.1 × 0.1 mm and distances between thermocouples of 0.02 mm).
В предложенном изобретении токовводы представляют собой металлические пластины, закрепленные на диэлектрической пластине. При такой конструкции токовводов случайные механические нагрузки от токоподводящих проводов воспринимает диэлектрическая пластинка, а не боковая грань матрицы термоэлементов, как в прототипе. Коммутация токовводов с цепью термоэлементов осуществляется через металлические покрытия на диэлектрических элементах, каждое из которых с одной стороны соединено коммутирующей шиной с ближайшим крайним термоэлементом в цепи термоэлементов, а с другой стороны электрически соединено с токовводом. Благодаря такой конструкции тепловые и механические нагрузки при монтировании модуля к цепи питания воспринимаются диэлектрической пластиной. Устранение механических нагрузок на модуль через токоподводящие провода повышает надежность модуля.In the proposed invention, the current leads are metal plates mounted on a dielectric plate. With this design of current leads, a random mechanical load from the current-carrying wires is perceived by the dielectric plate, and not the lateral face of the matrix of thermoelements, as in the prototype. The current leads are connected to the thermocouple circuit through metal coatings on dielectric elements, each of which is connected on one side by a switching bus to the nearest extreme thermoelement in the thermocouple circuit, and on the other hand, is electrically connected to the current lead. Thanks to this design, thermal and mechanical loads when mounting the module to the power circuit are perceived by the dielectric plate. Elimination of mechanical loads on the module through current-carrying wires increases the reliability of the module.
На концах токовводов, предназначенных для пайки токоподводящих проводов, токовводы имеют расширения. Диэлектрическая пластина с токовводами имеет больший габаритный размер, чем диэлектрическая пластинка без токовводов. Это обеспечивает легкий доступ к токовводам и удобство подключения модуля к электропитающей цепи.At the ends of current leads intended for soldering current-carrying wires, current leads have extensions. A dielectric plate with current leads has a larger overall dimension than a dielectric plate without current leads. This provides easy access to current leads and the convenience of connecting the module to the power supply circuit.
Для изготовления модуля используются полупроводниковые пластины n и р типов проводимости. Такие пластины кристаллизуют из расплава в специальной оснастке, пластины могут иметь малую толщину менее 0,1 мм, что позволяет изготавливать термоэлементы меньшей, чем вырезанием из массива, толщины без затрат на разрезание массивного образца.For the manufacture of the module, semiconductor wafers of n and p conductivity types are used. Such plates are crystallized from the melt in a special tool, the plates can have a small thickness of less than 0.1 mm, which allows thermoelements to be made smaller than by cutting from the array, the thickness without the cost of cutting a massive sample.
Полупроводниковые пластины покрывают тонким слоем (толщиной 5-10 мкм) электрически прочного диэлектрика. Благодаря этому при склеивании пластин в блок пластины можно сжимать для удаления излишков клеющего материала. При сжатии набора пластин и отверждении клеющего материала исключено возникновение электрических контактов между соседними пластинами благодаря наличию двух диэлектрических электрически прочных слоев между каждой парой пластин.Semiconductor wafers are coated with a thin layer (5-10 microns thick) of an electrically durable dielectric. Due to this, when gluing the plates into the block, the plates can be compressed to remove excess adhesive material. When compressing a set of plates and curing the adhesive material, the occurrence of electrical contacts between adjacent plates is excluded due to the presence of two dielectric electrically strong layers between each pair of plates.
Полупроводниковые пластины склеивают в три блока для того, чтобы после разрезания этих блоков изготовить три типа пластин, из которых можно скомпоновать модуль с эффективной традиционной схемой коммутации термоэлементов. Если рассмотреть порядок следования термоэлементов в слоях в традиционном модуле, например Пат. РФ №2075138, то получим следующие четыре последовательности: 1. Токоввод -n-p-n-p-n-p-n, 2. n-p-n-p-n-p-n-p, 3. p-n-p-n-p-n-p-n, 4. Токоввод -p-n-p-n-p-n-p. Изготовление трех блоков и разрезание блоков на пластины, состоящие из термоэлементов, согласно предлагаемому изобретению направлено на изготовление пластин с приведенными выше последовательностями термоэлементов. Пластина с последовательностью 3 получается разворотом пластины с последовательностью 2, поэтому для изготовления пластин с четырьмя последовательностями термоэлементов достаточно изготовить три блока.Semiconductor wafers are glued into three blocks in order to make three types of wafers after cutting these blocks, from which the module can be combined with an effective traditional switching circuit of thermocouples. If we consider the sequence of thermocouples in layers in a traditional module, for example Pat. RF №2075138, then we get the following four sequences: 1. Current lead -n-p-n-p-n-p-n, 2. n-p-n-p-n-p-n-p, 3. p-n-p-n-p-n-p-n, 4. Current lead -p-n-p-n-p-n-p. The manufacture of three blocks and cutting blocks into plates consisting of thermocouples, according to the invention is directed to the manufacture of plates with the above sequences of thermocouples. A plate with
Пластины, полученные разрезанием трех блоков, покрывают тонким слоем электрически прочного диэлектрика и склеивают. Наличие электрически прочного слоя на пластинах гарантирует отсутствие электрических контактов боковых граней термоэлементов и позволяет склеивать пластины с минимальной толщиной клеющего материала, так как этот слой выполняет только функцию склеивания и не выполняет функцию электроизоляции, как в прототипе. Наличие покрытий из электрически прочного материала позволяет сжимать набор пластин при склеивании для удаления излишков клеющего материала.The plates obtained by cutting three blocks are coated with a thin layer of an electrically strong dielectric and glued. The presence of an electrically strong layer on the plates ensures the absence of electrical contacts of the side faces of the thermocouples and allows the plates to be glued with a minimum thickness of adhesive material, since this layer performs only the bonding function and does not perform the function of electrical insulation, as in the prototype. The presence of coatings of electrically durable material allows you to compress a set of plates during gluing to remove excess adhesive material.
Для коммутации крайних в цепи термоэлементов с токовводами используется металлическое покрытие диэлектрических элементов. Диэлектрические элементы имеют металлическое покрытие на торцах, находящихся в плоскости торцов термоэлементов, и соединены с ближайшими крайними в цепи термоэлементами шинами, изготовленными напылением и фотолитографией в процессе коммутации термоэлементов. Металлическое покрытие также имеется на части боковой грани диэлектрического элемента, обращенной к токовводу, что позволяет создать электрический контакт между металлическим покрытием и токовводом пайкой или приклеиванием электопроводящим клеем. Таким образом, с помощью металлических покрытий диэлектрических элементов осуществляется надежная коммутация токовводов с цепью термоэлементов.A metal coating of dielectric elements is used to switch the extreme in the circuit of thermocouples with current leads. The dielectric elements have a metal coating on the ends located in the plane of the ends of the thermocouples, and are connected to the busbars closest to the thermocouples in the circuit, made by sputtering and photolithography in the process of switching thermocouples. A metal coating is also present on the part of the side face of the dielectric element facing the current lead, which allows you to create electrical contact between the metal coating and the current lead by soldering or gluing with electrically conductive adhesive. Thus, with the help of metal coatings of dielectric elements, reliable switching of current leads with a chain of thermocouples is carried out.
На фиг.1 представлен термоэлектрический модуль, вид сверху. На фиг.2 представлено сечение крайнего ряда термоэлементов термоэлектрического модуля. На фиг.3 в увеличенном масштабе представлено соединение термоэлементов, токопроводящих шин и диэлектрической пластинки. На фиг.4 представлен блок №1, полученный склеиванием равного количества N пластин n типа проводимости и N пластин p типа проводимости, покрытых слоем диэлектрика. На фиг.5 представлен блок №2, полученный склеиванием N пластин n типа проводимости, N-1 пластины p типа проводимости и диэлектрического бруска. На фиг.6 представлен блок №3, полученный склеиванием N-1 пластины n типа проводимости, N пластин p типа проводимости и диэлектрического бруска. На фиг.7 представлены пластины, полученные разрезанием блока №1. На фиг.8 представлены пластины, полученные разрезанием блока №2. На фиг.9 представлены пластины, полученные разрезанием блока №3. На фиг.10 представлена матрица из термоэлементов и двух диэлектрических элементов. На фиг.11 представлена матрица с коммутирующими шинами. На фиг.12 представлен термоэлектрический модуль.Figure 1 presents the thermoelectric module, a top view. Figure 2 presents the cross section of the extreme row of thermocouples thermoelectric module. Figure 3 on an enlarged scale shows the connection of thermocouples, conductive busbars and a dielectric plate. Figure 4 presents the block No. 1, obtained by gluing an equal number of N plates of n type conductivity and N plates of p type conductivity, coated with a dielectric layer. Figure 5 presents the block No. 2, obtained by gluing N plates of n type conductivity, N-1 plate p type of conductivity and dielectric bar. Figure 6 presents the block No. 3, obtained by gluing N-1 plates of n type conductivity, N plates of p type conductivity and dielectric bar. Figure 7 presents the plate obtained by cutting the block No. 1. On Fig presents the plate obtained by cutting the block No. 2. Figure 9 presents the plate obtained by cutting the block No. 3. Figure 10 presents a matrix of thermocouples and two dielectric elements. 11 shows a matrix with switching buses. 12 shows a thermoelectric module.
Термоэлектрический модуль состоит из матрицы 1, фиг.2, включающей в себя термоэлементы n типа проводимости 2, термоэлементы p типа проводимости 3, соединенные в единую электрическую цепь коммутирующими шинами 4. Коммутирующие шины установлены таким образом, что при прохождении по цепи термоэлементов, например в направлении справа налево на фиг.2, переходы от термоэлементов n типа проводимости к термоэлементам p типа проводимости осуществляются через коммутирующие шины, расположенные на верхней грани матрицы, а переходы от термоэлементов p типа проводимости к термоэлементам n типа проводимости осуществляются через коммутирующие шины, расположенные на нижней грани матрицы. Благодаря этому при прохождении тока по цепи термоэлементов на одной грани поглощается теплота Пельтье, а на другой грани выделяется теплота Пельтье. Верхняя грань матрицы соединена с диэлектрической пластиной 5 с помощью диэлектрического клеющего материала 6 с высокой теплопроводностью, например Эластосил 187. Нижняя грань матрицы соединена аналогичным образом с диэлектрической пластиной 7, на которой установлены токовводы 8, фиг.1. Нижняя диэлектрическая пластина имеет больший габарит, чем верхняя диэлектрическая пластина для того, чтобы обеспечить удобный доступ к токовводам. Каждый токоввод имеет электрический контакт 9 с металлическим покрытием 10 диэлектрического элемента 11. Металлическое покрытие диэлектрического элемента представляет собой цельный слой металла, покрывающий всю торцевую поверхность диэлектрического элемента, обращенную к диэлектрической пластине с токовводами, и часть наружной грани, обращенной к токовводу. Часть металлического покрытия, расположенная на наружной грани, соединена с токовводом. На части металлического покрытия, расположенного на грани матрицы, установлена коммутирующая шина 12, связывающая металлическое покрытие с ближайшим термоэлементом, который является крайним в цепи термоэлементов. Таким образом, с помощью металлического покрытия диэлектрических элементов осуществляется коммутация цепи термоэлементов с токовводами. Диэлектрический элемент изготовлен из материала с низкой теплопроводностью, например стеклотекстолит с металлизацией, его высота может быть меньше высоты термоэлементов для уменьшения переноса тепла через него. Боковые грани термоэлементов покрыты тонким слоем (5-10 мкм) электрически прочного диэлектрика 13, фиг.3, например полиимида. Термоэлементы связаны между собой и с диэлектрическими элементами прослойками клеющего материала 14, имеющего низкую теплопроводность, например эпоксидным клеем.The thermoelectric module consists of a
Электрическая прочность полиимида равна 100 кВ/мм, поэтому слой полиимида толщиной 5 мкм выдерживает напряжение 500 В. В термоэлектрических модулях используется напряжение порядка 10 В. Таким образом, полиимидное покрытие термоэлементов гарантирует электрическую изоляцию боковых граней термоэлементов, благодаря чему на слой клеющего материала возлагается роль функции склеивания термоэлементов и диэлектрических элементов в единую матрицу, что позволяет делать этот слой малой толщины, обеспечивающей только склеивание термоэлементов. Толщина слоя клеющего материала может быть равна 0,01-0,02 мм, при этом расстояние между термоэлементами будет равно 0,02-0,03 мм. Малая толщина диэлектрических слоев между термоэлементами снижает перенос тепла по этим слоям и тем самым повышает эффективность термоэлектрического модуля. Предлагаемое устройство и способ его изготовления обеспечивают изготовление термоэлектрического модуля с плотностью установки термоэлементов сечением 0,1×0,1 мм, равной 6400 термоэлементов на квадратный сантиметр.The electrical strength of the polyimide is 100 kV / mm, therefore a 5-μm thick polyimide layer withstands a voltage of 500 V. Thermoelectric modules use a voltage of the order of 10 V. Thus, the polyimide coating of thermoelements ensures electrical insulation of the side faces of the thermoelements, which makes the adhesive layer bonding functions of thermocouples and dielectric elements into a single matrix, which allows this layer to be made of small thickness, providing only bonding of thermocouples. The thickness of the layer of adhesive material can be equal to 0.01-0.02 mm, while the distance between the thermocouples will be 0.02-0.03 mm. The small thickness of the dielectric layers between the thermocouples reduces the heat transfer through these layers and thereby increases the efficiency of the thermoelectric module. The proposed device and its manufacturing method provide the manufacture of a thermoelectric module with an installation density of thermocouples with a cross section of 0.1 × 0.1 mm, equal to 6400 thermocouples per square centimeter.
Способ изготовления описанного выше термоэлектрического модуля иллюстрируют фиг.4-12. Для изготовления термоэлектрического модуля используют тонкие (толщиной порядка 0,1 мм) полупроводниковые пластины n и p типов проводимости. Предварительно пластины покрывают тонким слоем (толщиной 5-10 мкм) электрически прочного диэлектрика 15, Фиг 4, например, полиимида. Заготавливают бруски из диэлектрического материала с малой теплопроводностью, у которых покрыты единым слоем металла торцевая грань и часть боковой грани. Из описанных выше компонентов склеивают три типа блоков для того, чтобы в последующем обеспечить удобную и эффективную коммутацию термоэлементов в единую цепь и коммутацию цепи термоэлементов с токовводами. В первом блоке, представленном на фиг.4, склеивают равное количество пластин N пластин n типа проводимости 16 и N пластин p типа проводимости 17, расположенных в чередующемся порядке. Между пластинами расположены слои клеющего материала 18. Во втором блоке, представленном фиг 5, склеивают такое же как в первом блоке количество N пластин n типа проводимости и на единицу меньшее количество N-1 пластину p типа проводимости и диэлектрический брусок 19 с металлическим покрытием 20. В третьем блоке, представленном на фиг.6, склеивают такое же как в первом блоке количество N пластин p типа проводимости и на единицу меньшее N-1 пластину n типа проводимости и диэлектрический брусок. Диэлектрические бруски устанавливают параллельно пластинам таким образом, чтобы торцевая грань, полностью покрытая металлическим покрытием, лежала в плоскости одной из граней блока, на которую выходят торцы всех пластин, грань, частично покрытая слоем металла, была на периферии блока. Склеенные блоки разрезают на пластины равной толщины в направлении, перпендикулярном слоям, в результате чего получают три типа пластин, состоящих из термоэлементов и диэлектрических элементов, различающихся составом и последовательностью элементов: Пластина первого типа 21, представленная на фиг.7, включает N термоэлементов n типа проводимости 2 и N термоэлементов p типа проводимости 3, установленных в чередующемся порядке n-p-n-p-...n-p-n-p; Пластина второго типа 22, представленная на фиг.8, включает N термоэлементов n типа проводимости и N-1 термоэлемент p типа проводимости и диэлектрический элемент 11; Пластина третьего типа 23, представленная на фиг.9, включает N-1 термоэлемент n типа проводимости, N термоэлементов p типа проводимости и один диэлектрический элемент. Полученные пластины покрывают тонким (5-10 мкм) слоем электрически прочного диэлектрика и склеивают в матрицу 1, фиг.10. Матрица состоит из четного числа пластин первого типа, половина которых развернута и установлены через одну. Такая установка пластин обеспечивает то, что в любом ряду термоэлементов матрицы чередуются термоэлементы n и р типов проводимости. На краях приклеивают по одной пластине второго и третьего типа, причем пластину второго типа устанавливают на той стороне, где ближайшим к диэлектрическому элементу будет термоэлемент n типа проводимости. Пластину третьего типа устанавливают на противоположной грани матрицы так, чтобы оба диэлектрических элемента располагались бы на одной грани матрицы. Шлифуют грани матрицы, на которые выходят торцы всех термоэлементов. Для создания коммутирующих шин 4, фиг.11 на грани матрицы, подвергшиеся шлифовке, методом вакуумного напыления наносят слой металла, например титана, затем наносят фоточувствительную пленку из позитивного фоторезиста. Фоточувствительную пленку засвечивают через фотомаску, проявляют и удаляют растворением экспонированные участки пленки фоторезиста, в результате чего фоточувствительная пленка сохраняется в местах нахождения коммутационных шин. Открытые участки металлического покрытия удаляют химическим растворением, например в растворе 0,5% фтористоводородной кислоты, смывают фоторезист с коммутационных шин. К грани матрицы, на которую выходят металлические покрытия диэлектрических элементов, приклеивают, например Эластосилом 187, диэлектрическую пластину 7, фиг.12, из материала с высокой теплопроводностью, например из Al2О3. На пластине имеются токовводы 8. Ко второй грани матрицы приклеивают диэлектрическую пластину 5 из такого же материала, но меньшего размера так, чтобы был свободный доступ к токовводам. Соединяют металлические покрытия диэлектрических элементов с токовводами, например, пайкой.A method of manufacturing the thermoelectric module described above is illustrated in FIGS. 4-12. For the manufacture of the thermoelectric module, thin (about 0.1 mm thick) semiconductor wafers of n and p conductivity types are used. Previously, the plates are coated with a thin layer (5-10 μm thick) of an electrically
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006129357/28A RU2325731C1 (en) | 2006-08-14 | 2006-08-14 | Thermoelectric module and method of its manufacturing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006129357/28A RU2325731C1 (en) | 2006-08-14 | 2006-08-14 | Thermoelectric module and method of its manufacturing |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2325731C1 true RU2325731C1 (en) | 2008-05-27 |
Family
ID=39586711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006129357/28A RU2325731C1 (en) | 2006-08-14 | 2006-08-14 | Thermoelectric module and method of its manufacturing |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2325731C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2461095C1 (en) * | 2011-06-20 | 2012-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ЯК-44" | Thermoelectric generator manufacturing method |
| WO2013129967A1 (en) * | 2012-03-02 | 2013-09-06 | Shulyatev Valerij Vasil Evich | Thermoelectric module |
| RU2704568C1 (en) * | 2019-01-09 | 2019-10-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Installation method of thermoelectric modules |
-
2006
- 2006-08-14 RU RU2006129357/28A patent/RU2325731C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2461095C1 (en) * | 2011-06-20 | 2012-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ЯК-44" | Thermoelectric generator manufacturing method |
| WO2013129967A1 (en) * | 2012-03-02 | 2013-09-06 | Shulyatev Valerij Vasil Evich | Thermoelectric module |
| RU2704568C1 (en) * | 2019-01-09 | 2019-10-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Installation method of thermoelectric modules |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6043423A (en) | Thermoelectric device and thermoelectric module | |
| RU2546830C2 (en) | Thermoelectric element | |
| US7871847B2 (en) | System and method for high temperature compact thermoelectric generator (TEG) device construction | |
| WO2011065185A1 (en) | Thermoelectric conversion module and method for manufacturing same | |
| JP5598152B2 (en) | Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof | |
| US20100263701A1 (en) | Thermoelectric device, manufacturing method for manufacturing thermoelectric device, control system for controlling thermoelectric device, and electronic appliance | |
| EP0122121A2 (en) | Improved substrateless thermoelectric device and method of making same | |
| US4687879A (en) | Tiered thermoelectric unit and method of fabricating same | |
| US9899588B2 (en) | Thermoelectric element | |
| RU2325731C1 (en) | Thermoelectric module and method of its manufacturing | |
| US4049469A (en) | Film thermoelement | |
| US7365264B2 (en) | Thermoelectric converter and manufacturing method thereof | |
| JP3554861B2 (en) | Thin film thermocouple integrated thermoelectric conversion device | |
| US20140246067A1 (en) | Thermocouple and method of production | |
| KR20160126805A (en) | Thermoelectric device moudule and device using the same | |
| RU2538066C2 (en) | Module with several thermoelectric elements | |
| JPH01208876A (en) | Thermoelectric device and manufacture thereof | |
| WO2012140652A1 (en) | Anodized aluminum substrate | |
| JP2000022224A (en) | Manufacture of thermoelectric element and manufacture thereof | |
| JP2003282970A (en) | Thermoelectric converter and thermoelectric conversion element and their manufacturing method | |
| RU2364803C2 (en) | Thermoelectric module | |
| RU2312428C2 (en) | Thermoelectric battery | |
| KR102456680B1 (en) | Thermoelectric element | |
| RU2611562C1 (en) | Spatially oriented thermoelectric module and method of its manufacturing | |
| JPH07176796A (en) | Thermoelectric converter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080815 |