TW200929629A - Thermoelectric device with thin film elements, apparatus and stacks having the same - Google Patents

Description

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7PA 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種薄膜式熱電轉換元件及其堆疊 組件，且特別是有關於一種在應用後可具有高熱電轉換效 能之薄膜式熱電轉換元件及其堆疊組件。 【先前技術】 熱電轉換元件（Thermoelectric modu 1 e/device)是 一種具有熱與電兩種能量互相轉換特性之元件，由於其熱 電轉換特性，因此具有致冷/加熱以及發電兩種應用領 域。若對熱電轉換元件通入直流電，可使元件兩端分別產 成吸熱與放熱現象，因此可應用在需致冷或加熱的技術領 域；若使熱電轉換元件兩端分別處於不同溫度，則可令熱 電轉換元件輸出直流電，因此可應用在發電技術領域。 請參照第1圖，其繪示一種傳統熱電轉換元件應用裝 置之側視圖。傳統的熱電轉換裝置一般由塊狀之P型熱電 材料101與N型熱電材料102、導電金屬層llla/lllb、 銲料及電絕緣之上下基板121a/121b所構成。其中熱電材 料101、102的特性主要決定了熱電轉換元件的性能。如 第1圖所示，P型熱電材料101與N型熱電材料102通常 為直立式，利用導電金屬層llla/lllb將P型、N型熱電 材料以串聯方式連接，而電絕緣之上下基板121a/l21b其 材料例如是陶瓷基板。以熱電致冷應用為例，輸入之直流 電在P型、N型熱電材料101/102内之流動方向（上下流動） Μ?Α 200929629 與轉換元件熱傳送方向（上不傳送）平行，熱電致冷元件在 上下方產生溫差與吸放熱。若以溫差發電為例，熱電轉換 元件溫差與熱流方向，同樣與熱電材料内產生之電流方向 平行。然而，此種傳統結構之熱電轉換元件，受限於塊狀 熱電材料熱電優值（Figure of merit，ζτ)特性瓶頸，其 效率並不高’通常熱電致冷最大致冷力（C00lingcapacity) 大約只有3〜5W/cm2，而熱電元件發電效率在冷熱端2〇〇β(： 溫度差異下約為2〜3%。欲提高熱電轉換元件效能，將高 ® ZT值熱電材料使用於熱電變換元件中是最直接而有效的 方法。 雖然過去20〜30年間已有許多研究致力於提升熱電 材料的性質以及熱電轉換元件的效能，但成效並不明顯， 主要原因是熱電材料的ZT值難以突破大約等於1的瓶 頸，限制了熱電轉換元件性能。西元1993年時美國麻省 理工學院教授Hicks與Dresselhaus等人提出將熱電材料 ©尺度減少至奈米尺度時，熱電優值ZT可能大幅提升。接 . 著於西元2001年，美國RTI研究所Venkatasubramanian 等人發現P型Bi2Te3/Sb2Te3超晶格薄膜ZT值在室溫附近 可達到2. 4左右，突破了 ZT〜1的瓶頸。西元2004年美國 Hi-Z公司研究P型BiC/BsC與N型Si/SiGe量子層（quantum well)薄膜，並實驗量測估算ZT值可能大於3。因此根據 前述研究結果顯示，薄膜型熱電材料具有高ZT值之優勢 (從根本上提升熱電轉換元件之效率），可望突破傳統塊狀 材料特性瓶頸。另外，薄膜型熱電材料耗用材料少，易製

47PA 200929629 作微小型熱電轉換元件，無論是在微電子元件冷卻 (microcool ing)或高效率熱電發電機（Thermoelectric generator)領域，其應用潛力將愈來愈高。 然而，如此具有潛力的薄膜型熱電材料，直接應用在 在傳統構型的元件時’卻難以有高性能的表現。請參照第 2圖，其繪示一種傳統具有薄膜型熱電轉換元件之裝置之 側視圖。如第2圖所示，在厚度相對較厚的上下基板 221a/221b之間（材料），係設置有p型熱電材料薄膜2〇1 ❹ 和N型熱電材料薄膜202，且熱電材料薄膜201/202和上 下基板221a/221b之間亦具有金屬柱231和導電金屬層 21 la/211b。而熱電材料薄膜201/202係藉由銲料層241 與上基板221a黏合，金屬柱231則藉由銲料層242與下 基板221b黏合。 如第2圖所示’若將薄膜型熱電材料直接應用至傳統 構型之熱電轉換裝置，雖然薄膜型熱電材料已被初步證實 具有提尚2了值之效果，但通過材料的電流與熱流仍為垂 直薄膜方向，由於薄膜材料厚度僅約數十奈米至數十微米 之間，意即熱電轉換元件的冷熱端僅有微米等級的間距， 熱端迅速散熱要求極為嚴苛，熱流易回傳而減少溫差與致 冷效果。再者，由於薄膜材料厚度甚薄，熱電材料與金屬 層接合界面電阻與熱阻影響因素劇增，焦耳發熱（J〇ule，s heating)也會減損熱電轉換元件效率。因此薄膜型熱電材 料直接導入傳統熱電轉換構型之裝置，實際上並不如 般有面性能的表現。

47PA 200929629 【發明内容】 本發明係有關於一種薄膜式熱電 二叠Γ牛件其結構可使電流以平行熱電薄膜 動而几件冷熱端的距離也可維持 方向流 膜材料充分發揮其高ζτ值之優點n =熱電薄 換效能之目的。 運引如南70件熱電轉 根據本發明之第一方面，係提出 π件，至少句妊垆业紹裡存联八热電轉換 環狀料^ 和__㈣膜材料。 =狀絕緣基板具有-環狀内緣、—環狀外緣及一第—表 °複數組熱電薄膜材料係形成於環狀絕緣基板之第一表 Ρ刑Γ電性連接’每—熱電薄騎料組包括電性連接之- Ο 之^和—Ν電薄膜’且每—熱電薄膜材料組 U專膜係與相鄰的熱電薄膜材料組之？型熱電薄 壤Γ生連接。其中，#—電流以平行該些？型和ν型熱電 二，方向依序通過該些熱電薄膜材料組，環狀絕緣基板 %狀内緣和環狀外緣之間係形成一溫度差。 根據本發明之第二方面，係提出一種薄膜式熱電轉換 ^置’至少包括：-環狀絕緣基板、複數個第一熱電薄膜 2組和-第—絕緣層。環狀絕緣基板具有—環狀内緣、 %狀外緣、-上表面及—下表面。複數個第—熱電薄膜 材料組係形成於環狀絕緣基板之上表面上並電性連接，每 二第熱電薄膜材料組包括電性連接之一 ρ塑熱電薄膜和 Ν型熱電薄膜，且每該第—熱電薄膜材料組之Ν型熱電 /膜係與相鄰的熱電薄麟料組之ρ型熱電薄膜電性連 9 200929629 接。第一絕緣層則形成於環狀絕緣基板之上表面上並覆蓋 該些第一熱電薄膜材料組。其中，當一電流以平行該些p 型和N型熱電薄膜的方向依序通過該些第一熱電薄膜材料 組’環狀絕緣基板之環狀内緣和環狀外緣之間係形成一溫 度差。

根據本發明之第三方面，係提出一種薄膜式熱電轉換 堆疊組件’至少包括：一第一絕緣層、一第一熱電轉換元 件、一第二絕緣層、一第二熱電轉換元件和一第三絕緣 層。其中，第一、第二熱電轉換元件的結構如上所述。而 第一絕緣層係形成於第一熱電轉換元件之上方並覆蓋位 於對應基板之上表面的熱電薄膜材料組。第二絕緣層位於 第、第一熱電轉換元件之間。第三絕緣層則位於第二熱 電轉換元件之下方並覆蓋位於對應基板之下表面的熱電 薄膜材料組。其中，當一電流依序通過第一、二熱電轉換 ""牛的熱電薄膜材料組時（電流方向與該些熱電薄膜材料 、、、方向平行）’兩壞狀絕緣基板之環狀内緣和環狀外緣 之間係可形成一溫度差。 、’ 為讓本發明之上述内容能更明顯易懂，下文特舉較佳 實施例’並配合所附圖式，作詳細說明如下： [實施方式】 本發明係提出一種薄膜式熱電轉換元件及其堆疊組 件，其特殊的結構，可使熱電薄膜材料充分發揮其高 值之優點，不論是在致冷/加熱或發電的應用領域，均可 ^7ΡΑ 200929629 達到提高元件熱電轉換效能之目的。 本發明係提m實施例，係分別繪 示依照本發明之-㈣膜式熱電轉換元件、—種薄膜式熱 電轉換裝置和-種薄膜式熱電轉換堆疊組件。然而，實施 例所提出的細部結構和製程步驟僅為舉例說明之用，並 非對本發明欲保護之範圍做限縮。再者，實施例中之圖 示亦省略不必要之元件’以利清楚顯示本發明之技術特 點。 篇一實施例 請參照第3圖’其繪示依照本發明第一實施例之薄 膜，熱電轉換元件之示意圖。薄膜式熱電轉換元件3包括 一環狀絕緣基板31和複數組熱電薄膜材 s 〇f thermoelectric thin film material pair，TEp)。其中， 環狀絕緣基板31具有一第一表面312、—環狀内緣316及 一環狀外緣317。複數組熱電薄赌料例如是以沉積方式 形成於環狀絕緣基板31之第一表面312上，且該些埶電 薄膜材料組之間並電性連接。每—熱電薄膜材料組包括電 性連接之一 P型熱電薄膜（斜線區塊）32和一 N型埶電薄膜 33(N'ty—_—^^nlmelements、、’、TEE): 且每-熱電薄歸料組之N型熱電薄膜33係與相鄰的熱 電薄膜材料組之P型熱電薄膜32電性連接。盆中，p型教 電薄膜32和N型熱電薄膜33之厚度約為跑m至2〇_ 之間。另外’熱電_材料組之間係以導電體電性連接。 11 200929629 如第3圖所示，環狀絕緣 更包括複數個鄰近於環狀内^ 1第一表面312上 數個鄰近於環狀外緣317的 、第一導電體35和複 35係電性連接每〜熱電薄:導電體36。第-導電體 和㈣熱電薄棋33 Γ 一、；斗組中之ρ型熱電薄膜32 鄰之兩熱電薄卿料組，㈣連電體=卿以電性連接相 Ν型熱電薄膜33和相鄰熱電：熱電相材料組之 32。第一導電體35和第- 材枓組之Ρ型熱電薄膜 成於環狀絕緣基被31第 體36例如是以沉積方式形 體’包括-第〜導線37和一第4= 連接至該些導電 組…熱電薄膜3= = ::之熱電薄膜材料 熱電薄膜材料組之嶋電薄膜33 兮此薄膜;之薄膜式熱電轉換元件之結構，通過 :雷、笼膜3卩組之電流係為平行Ρ型熱電薄膜32和~ 媸、、筮"且埶的方向。當通入一電流，電流於第3圖結 、，之電薄膜材料組進入，自該第η組熱電薄嫉材 料組（η為=2之正整數）流出。可在環狀絕緣基板31之環 狀内緣316和環狀外、緣317之間形成-溫度差（例如環狀 内緣316冷，而環狀外緣317熱），而可避免傳統構件中 冷熱端距離過近（即熱電薄膜上下表面可造成的溫差距離 太短）而造成熱回流的問題。 12

17PA 200929629 值得注意的是，雖然在第3圖中係以P/N型熱電薄膜 材料同時沉積在環狀絕緣基板31的第一表面312為例作 說明，但本發明並不以此為限，也可在基板31的另一表 面同時沉積相同的熱電薄膜材料組，以增加P/N型熱電薄 骐材料對數，提高熱電轉換元件致冷力或發電量。請參照 第4A圖和第4B圖。第4A圖為第3圖之剖面示意圖，係 緣示P/N型熱電薄膜材料組僅沉積於環狀絕緣基板的—表 面。第4B圖則繪示依照本發明第一實施例之另一種薄膜 式熱電轉換元件之剖面示意圖；其中，基板的上下表面同 時沉積有P/N型熱電薄膜材料。 如第4B圖所示’環狀絕緣基板31的第二表面(和 第一表面312分別為基板31的下/上表面），係沉積之複 數個第二熱電薄膜材料組，每一第二熱電薄膜材料組亦包 括電f生連接之一 p型熱電薄膜42和一 N型熱電薄膜铛， ο 薄崎料組之嶋電薄膜43係與相鄰熱 ===型熱電薄膜州型熱電薄二 於環狀内^16性連接，且第^導電體45的位置係鄰近 之第二：：而第四導電體46則用以電性連接兩相鄰 之Ν型材料組’例如連接每第二熱電薄膜材料组 垔熱電薄膜43和相鄰第二熱 電薄膜42 m _ “ 材#組之P型熱 如。第B圖L電體 置係鄰近於環狀外緣 4B圖的熱電薄膜排列方式和導電體& μ & 係亦可參照第3圖。 ♦電體之間的連接關 200929629

.…_ 7PA 當然，具有通常知識者當知，實際應用時，可依條件 所需彈性地選擇在基板的一面、或是兩面上形成熱電薄膜 材料組（其單面結構如第3圖所示），本發明對此並不多作 限制。 另外，環狀絕緣基板31係具有絕熱和絕電之特性， 其材料例如是低熱傳導之陶瓷材料，如氧化錯系列、ί西化 鎢系列等，或是耐熱高分子材料，如聚醯亞胺系列等。然 本發明並不對實際應用材料多作限制。 | Ρ型熱電薄膜32和Ν型熱電薄膜33之材料，係為具 有高熱電優值之半導體或半金屬元素或化合物，例如是摻 入銻及硒的碲化鉍（（BiSb)2(TeSe)3)系列、碲化鉛（PbTe) 及鉛錫碲（PbSnTe)系列、矽（Si)及矽鍺（SiGe)系列、半-豪斯勒（Ha 1 f-Heus 1 er)介金屬合金系列（一種強磁性非鐵 合金）、金屬矽化物（Silicide)之化合物系列、或二硒化 鶴（WSez)系列等。再者，熱電薄膜的沉積方式可為濺鑛、 I 熱蒸鍍、電弧離子鑛膜、化學氣相蒸鍍、電鍵及化學鍍等。 然實際應用時，需依應用條件作材料與沉積方式的適當選 擇’因此本發明並不對此多作限制。 至於第一導電體35和第二導電體36的材料例如是導 電金屬’其可為低電阻之金屬或合金，例如銅（Cu)、鐵 (Fe)、鉻（cr)、鎳（Ni)、鉬（Mo)、錫（Sn)、銀（Ag)、金（Au) 等。然實際應用時，亦可應用狀況作適當選擇，本發明並 不對此多作限制。

t7PA 200929629 第二實施例 在第二實施例中，係提出一熱電轉換裝置。將第一實 施例所揭露之熱電轉換元件的上下方分別設置絕緣層，組 合後之裝置可與絕電的熱傳組件結合，而作致冷或發電的 應用。另外，在第二實施例中係以基板上下表面均有熱電 薄膜材料為例作說明。 請參照第5Α、5Β圖，係繪示依照本發明第二實施例 之薄膜式熱電轉換裝置之示意圖。其中第5Β圖係為第5Α ❿ 圖接合完成之示意圖。第5Α、5Β圖中與第4Β圖相同之元 件係沿用同樣標號。 如第5Α圖所示，先提供一熱電轉換元件4，包括一 環狀絕緣基板31和複數個第一、第二熱電薄膜材料組。 其中該些第一熱電薄膜材料組和第二熱電薄膜材料組分 別形成於環狀絕緣基板31的第一表面312和第二表面 313(即基板的上/下表面）。 每一第一熱電薄膜材料組包括電性連接之一 Ρ型熱 ® 電薄膜32和一 Ν型熱電薄膜33，且每第一熱電薄膜材料 組之Ν型熱電薄膜33係與相鄰熱電薄膜材料組之Ρ型熱 電薄膜32電性連接。而每第一熱電薄膜材料組之Ρ型熱 電薄膜32和Ν型熱電薄膜33係以第一導電體35電性連 接，且第一導電體35的位置係鄰近於環狀内緣316。而第 二導電體36則用以電性連接兩相鄰之第一熱電薄膜材料 組，例如連接每第一熱電薄膜材料組之Ν型熱電薄膜33 和相鄰第一熱電薄膜材料組之Ρ型熱電薄膜32,且第二導 15 200929629 電體=的位置係鄰近於環狀外緣317。 一 P型熱電薄膜42 ；:料組亦包括電性連接之 薄膜材料組之N型熱電薄膜4^、系=膜43 ’且每第二熱電 之P型熱電薄膜42電性連接。、二、相鄰熱電薄膜材料組 之P型熱電薄膜42和N型 2第:熱電薄膜材料组 電性連接，且第三導電^ ’、係以第三導電體45 別。而帛轉㈣鄰近於環狀内緣 ❹薄膜材料組，例如連接每第 兩相鄰之第二熱電 薄『和相鄰第二熱電 ::四導電體46的位置係鄰近於環狀外緣;Π。當二二 =平:該些P型和N型熱電薄膜的方向依序通過該此7 316、^f Γ薄膜材料組，環狀絕緣基板31之環狀内緣 316和環狀外緣317之間可形成—溫度差。 円緣 形成熱電轉換元件4後，在其上下侧分別與― 緣層51和一第二絕緣層53接合，接合後之熱電 、 係如第5B圖所示。第-絕緣層51係形成於環狀絕緣基= 31之第-表面312處並覆蓋該些第一熱電薄膜材料組二 二絕緣層53係形成於環狀絕緣基板31之第二表面31 = 並！蓋該些第二熱電薄膜材料組。其中，第二絕緣層μ 和環狀絕緣基板31之環狀内緣316係形成一通孔^❶ 另外，第一絕緣層51和第二絕緣層53較佳地為絕 絕熱之材料，例如是低熱傳導之陶瓷材料，如氧化錯 列、砸化鶴系列等，或是耐熱高分子材料，如聚酿亞胺系

OTA 200929629 列等。然本發明並不對實際應用材料多作限制。 在應用如第5B圖所示之熱電轉換裝置5時，其上下 (冷熱端）可分別與絕電之熱傳導組件相接合。第6A、6B 圖係繪示依照第5B圖之薄膜式熱電轉換裝置與一種熱傳 導組件組合之示意圖。其中，第6B圖係為第6A圖組合完 成之示意圖。 如第6A、6B圖所示，第一熱傳組件61係藉由熱電轉 換裝置5之通孔55而與環狀絕緣基板31之環狀内緣 ❹ 316(例如是冷端）接觸；一第二熱傳組件62則與環狀絕緣 基板31之環狀外緣317(例如是熱端）接觸。 第7A、7B圖係繪示依照第5B圖之薄膜式熱電轉換裝 置與另一種熱傳導組件組合之示意圖。其中，第7B圖係 為第7A圖組合完成之示意圖。如第7A、7B圖所示之第二 熱傳組件63(與熱端接觸）的外表面上可具有多個散熱鰭 片632，以增加散熱效率。 不論是第6A、6B圖或第7A、7B圖所示之熱傳組件， ® 和熱電轉換裝置5(第5B圖）組合後，當電流以平行P型和 N型熱電薄膜的方向依序通過環狀絕緣基板31上的該些第 一、第二熱電薄膜材料組，第一熱傳組件61和第二熱傳 組件62/63所形成之一熱流方向（裝置5的上下方向）係與 電流之流動方向垂直。 另外，本發明可應用在致冷/加熱和發電等領域，十 分多樣化。以致冷應用來說，如第6B和7B圖所示之結構， 可將第一熱傳組件61貼在一熱源（例如CPU)65上，通電 17

•7PA 200929629 後由於第一熱傳組件61與基板31之環狀内緣31δ(冷端） 接觸，可用以冷卻熱源65的溫度。在發電應用來說，若 將一熱源（例如一排氣管）放入裝置5的通孔55而造成基 板31之環狀内緣316和環狀外緣317的溫差，即可透^ 熱電薄膜材料作熱電轉換而輸出直流電。 第三實施例 除了如第一、二實施例中所述之使用單層環狀絕緣基 © 板作為薄膜式熱電轉換元件外，在實際應用時也可使用多 層基板形成熱電轉換堆疊組件，以增加熱電轉換之效果。 當然，每一層基板可以是單一表面、或上下表面都具有如 第3圖所示之多個熱電薄膜材料組。本發明對此並不多作 限制。 請參照第8A、8B圖，係繪禾依照本發明第三實施例 之薄膜式熱電轉換堆疊組件之示意圖。其中第8B圖係為 第8A圖組件完成組合之示意圖。在第三實施例中，係以 兩層枝狀絕緣基板為例作說明。 在第三實施例中，薄膜式熱電轉換堆疊組件8包括一 第一絕緣層81、一第一熱電轉換元件4a、一第二絕緣層 83、一弟一熱電轉換元件4b和一第三絕緣層85。組合後， 第二絕緣層83、第三絕緣層85和兩環狀絕緣基板之環狀 内緣亦形成一通孔87。另外，第〆、二熱電轉換元件4a/4b 的結構係與第4B圖所示之熱電轉換元件4結構相同，其 基板之上下表面皆具有熱電薄膜材料組，在此不再多作贅

\7?A 200929629 述。 如第8A、8B圖所示’第一絕緣層81係形成於第一熱 電轉換元件4a之上方並覆蓋位於對應基板之上表面的熱 電薄膜材料組。第二絕緣層83位於第一熱電轉換元件4a 和第二熱電轉換元件4b之間。第三絕緣層85則位於第二 熱電轉換元件4b之下方並覆蓋位於對應基板之下表面的 熱電薄膜材料組。其中，當一電流依序通過第一、二熱電 轉換元件4a/4b的熱電薄膜材料組時（電流方向與該些熱 ❹ 電薄膜材料組的方向平行），兩環狀絕緣基板之環狀内緣 和環狀外緣之間係可形成一溫度差。 ❹ 綜合上述，依照本發明之實施例，通過熱電薄膜材料 組之電流係為平行Ρ型熱電薄獏32和Ν型熱電薄膜33的 方向，而環狀絕緣基板31之環狀内緣316和環狀外緣31了 之間所形成的溫度差，並沒有傳統構件中冷熱端距離過近 的問題。再者’熱電薄膜材料可同時沉積在基板的上表面 和下表面’增加Ρ/Ν型熱電薄騎料對數，以提高熱電轉 換元件致冷力或發電量。因此本發明之賴式熱電轉換元 件之結構，可以紐發揮薄騎料高ζτ值之優點， 應用裝置之效能。 稣上所逃 m“、，π 匕以較佳實施例揭露如上，麫 其並Γ;=Γ。本發明所屬技術領域中具有通常 知識者，在不麟本發明之精神和範_，當可作各^

7PA 200929629 更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專 利範圍所界定者為準。 鲁

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47PA 200929629 【圖式簡單說明】 第1圖繪示一種傳統熱電轉換元件應用裝置之側視 圖。 第2圖繪示一種傳統具有薄膜型熱電轉換元件之裝 置之侧視圖。 第3圖繪示依照本發明第一實施例之薄膜式熱電轉 換元件之示意圖。 第4A圖為第3圖之剖面示意圖，係繪示P/N型熱電 Ο 薄膜材料組僅沉積於環狀絕緣基板的一表面。 第4B圖繪示依照本發明第一實施例之另一種薄膜式 熱電轉換元件之剖面示意圖，其基板的上下表面同時沉積 P/N型熱電薄膜材料。 第5A、5B圖係繪示依照本發明第二實施例之薄膜式 熱電轉換裝置之示意圖。其中，第5B圖係為第5A圖接合 完成之示意圖。 第6A、6B圖係繪示依照第5B圖之薄膜式熱電轉換裝 ® 置與一種熱傳導組件組合之示意圖。其中，第6B圖係為 第6A圖組合完成之示意圖。 第7A、7B圖係繪示依照第5B圖之薄膜式熱電轉換裝 置與另一種熱傳導組件組合之示意圖。其中，第7B圖係 為第7A圖組合完成之示意圖。 第8A、8B圖係繪示依照本發明第三實施例之薄膜式 熱電轉換堆疊組件之示意圖。其中，第8B圖係為第8A圖 組件完成組合之示意圖。 21 200929629 【主要元件符號說明】 101 : Ρ型熱電材料 201 : Ρ型熱電材料薄膜 102 : Ν型熱電材料 202 : Ν型熱電材料薄膜 llla/lllb、211a/211b :導電金屬層 121a/121b、221a/221b ··上下基板 231 :金屬柱 © 241、242 :銲料層 3、4 :薄膜式熱電轉換元件 31 :環狀絕緣基板 312 :第一表面 313 :第二表面 316 :環狀内緣 317 :環狀外緣 32、42 : P型熱電薄膜 ® 33、43 : N型熱電薄膜 35 第一導電體 36 第二導電體 37 第一導線 38 第二導線 45 第三導電體 46 第四導電體 4a :第一熱電轉換元件 22

t7PA 200929629 4b :第二熱電轉換元件 5:熱電轉換裝置 5卜81 :第一絕緣層 53、83 :第二絕緣層 8 5 :第三絕緣層 55、87 :通孔 61 :第一熱傳組件 62、63 :第二熱傳組件 ❹ 632 :散熱鰭片 65 :熱源

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Claims (1)

1. 200929629 V7PA 十、申請專利範圍： 1· 一種薄膜式熱電轉換元件，至少包括. 第-表一面職ί縣板，科—魏⑽、—環料緣及- 第一表面上並電:::科每係:=該環狀絕緣基板之該 接之一Ρ型熱電薄㈣膜材料組包括電性連 材料組之該Ν型執電薄電薄膜，且每—熱電薄膜 該p型熱電薄膜電=與相鄰的該熱電薄膜材料組之 其中田一電流以平行該些p型和N型埶 向依序通過該些熱電薄膜 匕2膜的方 狀内緣和該環狀外緣之間二絕緣基板之該環 包括：t Μ專利範圍第1項所述之熱電轉換元件，更 表面賴’形成於該環狀絕絲板之該第-型熱電薄每-熱電薄膜材料組之該ρ 於該環狀内緣：和該些第—導電體係鄰近 複個第二導龍，形成於該雜絕緣基板之該 录面 9每一^教齋拉 ★(、、、冤溥膜材料組之該Ν型熱電薄膜係與相鄰的 “:、、、電㈣材科組之該ρ·電賴藉由該第二導電體電 改連接I該些第二導電體係鄰近於該環狀外緣。 ’如申凊專利範圍第1項所述之熱電轉換元件，更 包括： 24 47PA 200929629 -第-導線，係與排列於首位 該P型熱電薄膜電性連接；# 〜⑽’組之 -第二導線’係與排列於最末 之該N型熱電薄膜電性連接。 “”、、電錢材料缸 4. 如申請專利範圍第丨項所 _ 中該環狀絕緣基板係為一陶究材料a之熱電轉換疋件’其 >八工闹无材枓、一絕熱絕電材料、或 一耐熱高分子材料。 ^ 5. 如申請專利範圍第4項所 :狀絕緣基板之材料係包括氣:二熱=元:聚: 、、、勺為 l〇nm 至 200μηι 之 間。 7·如申請專利範圍第！項所述之熱電轉換元件，1 中該些P型和N型熱電薄膜係包括（銻化鉍）2(硒化 ❹ 碲）3((BiSb)2(TeSe)3)、碲化鉛（PbTe)、鉛錫蹄 (PbSnTe)、矽（Si)、矽鍺（SiGe)、半-豪斯勒介金屬合金 (Half-Heusler alloy)、金屬矽化物（Siiiclde)4二硒化 鎢（WSe2)。 8. —種薄膜式熱電轉換裝置，至少包括： -環狀絕緣基板，具有-環㈣緣、1狀外緣、一 上表面及一下表面； 複數個第一熱電薄膜材料組，係形虑於 板之該上表面上並電性連接，每該第—_^%狀絕緣基 喷電缚膜材料組包 25 200929629 括電性連接之一P型熱電薄膜和— * 第一熱電薄膜材料欧該N料 ;^桃’且每該 薄膜材料組之該P型熱電薄膜電性連接糸广鄰的該熱電 上並覆二一=弋係形成於該環狀絕緣魏之該上表面 上並覆盍該些第一熱電薄膜材料組， 向佑π，#—電流以平行該0型和_熱電薄膜的方

   奸壯力Ϊ該些第-熱電薄騎料組’該環狀絕緣基板之 U衣狀内緣和該環狀外緣之間係形成一溫度差。 9· Μ請專利範圍第8項所述之熱電轉換裝置，更 包括· ，數個第-導電體’形成於該環狀絕緣基板之該上表 f每該第|電體係連接每該第一熱電薄膜材料組之該 型熱電薄膜和該N型熱電薄膜，且該些第—導電體係鄰 近於該環狀内緣；和 複數個第二導電體’形成於該環狀絕緣基板之該上表 面’每該第-熱電薄膜材料組之該N型熱電薄膜係與相鄰 的該熱電薄膜材料組之該p型熱電薄膜藉由該第二導電體 電性連接’且該些第二導電體係鄰近於該環狀外緣。 10.如申請專利範圍第9項所述之熱電轉換装置， 包括： 一第一導線，係與排列於首位之該第一熱電薄膜材料 組之該P型熱電薄膜連接；和 一第二導線，係與排列於最末位之該第一熱電薄膜材 料組之該N型熱電薄膜連接。 26 200929629 47PA 11. 如申請專利範圍第9項所述之熱電轉換 包括： 又 複數個第二熱電薄膜材料組，係形成於該環狀絕緣基 板之該下表面上並電性連接，每該第二熱電薄膜材料組二 包括電性連接之一 P型熱電薄膜和一 N型熱電薄獏，且每 該第二熱電薄膜材料組之該N型熱電薄膜係與相鄰的該熱 電薄膜材料組之該P型熱電薄膜電性連接；和 夂、、、 ❹ 、一 +第二絕緣層，係形成於該環狀絕緣基板之該下表面 上並覆蓋該些第二熱電薄膜材料組。 12. 如申請專利範圍第11項所述之熱電轉換裝置， 更包括： 複數個第三導電體，形成於該環狀絕緣基板之該下表 面，每該第三導電體係連接每該第二熱電薄膜材料組之該 P型熱電薄膜和該N型熱電薄膜，且該些第三導電體係鄰 近於該環狀内緣；和 ❿ 複數個第四導電體，形成於該環狀絕緣基板之該下表 面’每該第二熱電薄膜材料組之該N型熱電薄膜係與相鄰 的該熱電薄膜材料組之該P型熱電薄膜藉由該第四導電體 電性連接’且該些第四導電體係鄰近於該環狀外緣。 1 3.如申請專利範圍第U項所述之熱電轉換裝置， 其中該第二絕緣層和該環狀絕緣基板之該環狀内緣係形 成一通孔。 14.如申請專利範圍第11項所述之熱電轉換裝置， 其中一第一熱傳纽件係藉由該通孔與該環狀絕緣基板之 27 200929629 •7PA :嗲接觸’而一第二熱傳組件係與該環狀絕緣基板 <及環狀外緣接觸。 其中^如中晴專利範11第14項所述之熱電轉換裝置， 、二熱傳組件之—外表面係具有複數侧片。 ❹ ❹ 其中當該項所敎熱電轉換裝置’ 通過該此型和N型熱電賴的方向依序 經件开、第二熱電薄膜材料組，該第―、第二熱傳 一熱流方向係與該電流之流動方向垂直。 中該此專利範圍第8項所述之熱電轉換裝置，其 間。—、型熱電薄膜之厚度約為10nm至200μιη之 =· -種薄膜式熱電轉換堆疊組件，至少包括： 一第一熱電轉換元件，包括： —第—環狀絕緣基板，具有一環狀内緣、-衣狀外緣、-上表面及-下表面；和 複數個第一熱電薄膜材料組，係形成於該環 赦^基板之該上表面上並電性連接，每該第一 知一1膜材料組包括電性連接之—P型熱電薄膜 二型熱電薄臈，且每該第一熱電薄膜材料組 ~型熱電薄膜係與相鄰的該熱電薄膜材料组 一之該P型熱電薄膜電性連接； 表面係形成於該第—環狀絕緣基板之該上 表面上並覆纽些第—熱電_材料組； 一第二熱電轉換元件，包括： 28 200929629 _________ 17PA 衣狀粑緣基板，具有一環狀内緣 環狀外緣、一上表面及一下表面；和 ❹ ❹ 旭複數個第二熱電薄騎料組，係形成於該第 ★裒狀絕緣基板之該上表面上並電性連接，每該 第二熱電薄膜材料組包括電性連接之一 ρ型熱電 薄膜和~Ν型熱電薄膜，且每該第二熱電薄膜材 料組之該Ν型熱電薄膜係與相鄰的該熱電薄膜材 一料組之該Ρ型熱電薄膜電性連接； 雷鏟垃第Γ絕緣層’位於該第—熱轉換元件和該第二熱 電轉換兀件之間；和 三絕緣層’位於該第二熱電轉換元件之該第二環 狀繞緣基板之該下表面處， 的古虽—電流以平行該些第―、二熱電薄膜材料組 緣和^上通過時’該第―、二環狀絕緣基板之該環狀内 緣和該綠外緣之_形成-溫度差。 件，如巾請專職_18項所述之熱電轉換堆疊組 “中該第一熱電轉換元件更包括： 上表個第—導電體，形成於該第—環狀絕緣基板之該 第一執雷③近於該環狀内緣，每該第—導電體係連接每該 膜；^ m组之該？型熱電㈣和該μ熱電薄 上表ίίΓί"導形纽該第—環狀祕基板之該 該N型敎電薄緣’每該第一熱電薄膜材料組之 、/#膜係與相鄰的該熱電薄膜材料組之該P型熱 29 47PA 200929629 電薄膜藉由該第二導電體電性連接。 件Γφ::請專利範圍第18項所述之熱電轉換堆· 件，/、中該第一熱電轉換元件更包括： 、 複數個第三熱電薄臈材料組 緣基板之該下表面上並電性連接，每絕 組=包括電性連接之—ρ型熱電薄膜和—薄^科 且每該第三熱崎·之該㈣’ Ο ❹ 該=膜材料組之該Ρ型熱電薄膜電=係= 蓋二第係第一環狀絕緣基板之該下表面處並覆 蓋邊二第二熱電薄膜材料組。 件，Γ中二申請專利範圍第20項所述之熱電轉換堆疊組 〃中該第一熱電轉換元件更包括： 複數個第四熱電薄膜材料組，卿成於料二環狀絕 ft之該下表面上並電性連接，每該第四熱電薄膜材料 、且二匕括電性連接之一 P型熱電薄膜和一 N型熱電薄臈， 且每該第四熱電薄膜材料組之該N型熱電薄膜係與相鄰的 該熱電薄膜材料組之該P型熱電薄膜電性連接，其中該第 =絕緣層係位於該第二環狀絕緣基板之該下表面處並覆 蓋該些第四熱電薄膜材料組。 22. 如申請專利範圍第18項所述之熱電轉換堆疊紐 件’其中該第二絕緣層、該第三絕緣層和該第一、二環狀 絕緣基板之該些環狀内緣係形成一通孔。 23. 如申請專利範圍第22項所述之熱電轉換堆叠叙 件’其中一第一熱傳組件係藉由該通孔與該第一、二環狀 30 Π?Α 200929629 絕緣基板之該些環狀内緣接觸，而一第二熱傳組件係與該 第一、二環狀絕緣基板之該些環狀外緣接觸。 24. 如申請專利範圍第23項所述之熱電轉換堆疊組 件，其中該第二熱傳組件之一外表面係具有複數個鰭片。 25. 如申請專利範圍第23項所述之熱電轉換堆疊組 件，其中當該電流以平行該些Ρ型和Ν型熱電薄膜的方向 依序通過該些第一、第二熱電薄膜材料組，該第一、第二 熱傳組件形成之一熱流方向係與該電流之流動方向垂直。 ❹ 26.如申請專利範圍第18項所述之熱電轉換堆疊組 件，其中該些Ρ型、Ν型熱電薄膜之厚度約為l〇nm至200μιη 之間。 〇 31