[发明专利]具有三维微结构的热电换能器和制造该换能器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有三维微结构的热电换能器以及一种用于制造该换能器的方法，和该换能器的应用。

背景技术

基于塞贝克效应的热电换能器是已知的。这些换能器作为热电传感器来使用。这样的换能器的基本元件是具有两个热铁心的热电偶，所述热铁心由具有不同热电动势（Thermo-Kraft）（塞贝克系数）的不同热铁心材料组成。

这种热电换能器的热电偶例如构成为具有横向构造的二维结构。热电偶的热铁心在这种情况下平面地位于薄膜上。热铁心的热传感器接触部布置在所述薄膜的中心，并且热铁心的冷传感器接触部布置在承载所述薄膜的硅框上。

所述二维结构具有大的空间需求，同时与此相比热电活性的传感器面积较小。

发明内容

本发明的任务是提供一种具有与现有技术相比较小的空间需求的热电换能器。

为了解决该任务，说明一种用于利用至少一个热元件来相互转换热能和电能的热电换能器。所述换能器具有至少一个自承载（selbst-tragend）的三维微结构，所述微结构具有第一微柱和至少一个第二微柱，所述第一微柱具有第一微柱纵向伸展、第一微柱直径和至少一种具有第一热电动势的第一微柱材料，并且所述至少一个第二微柱具有第二微柱纵向伸展、第二微柱直径和至少一种具有与该微柱材料相比不同的第二热电动势的第二微柱材料。在此，这些微柱就纵向伸展来说基本上相互平行地布置。微柱直径从0.1μm至200μm的范围中选择。这些微柱分别具有处于20至1000的范围中的纵横比。此外，这些微柱作为热电偶相互耦合以构造热电压。优选的，从0.3μm至200μm的范围中选择微柱直径。

微柱的基本上平行的布置在此意味着，就微柱纵向伸展的取向来说可以给出至多10°的偏差。

优选的，微结构具有多个这样的热电偶。在此，多个热电偶优选相互串联地耦合，使得热电偶的热电压的和基本上产生多个热电偶的总热电压。由此在热吸收辐射的情况下，可以实现每瓦特大于1000V的入射吸收辐射的极高的灵敏度。

为了解决该任务，还说明一种用于制造热电换能器的方法，具有以下方法步骤：a)提供具有模板材料的模板，其中模板具有基本上与热电换能器的微结构相反的三维模板结构，所述模板结构具有柱状的模板空腔，b)将微柱材料布置在柱状空腔中，使得形成微柱，以及

c)至少部分地去除模板材料。

优选的，为了布置微柱材料执行下面的其它方法步骤：d)将至少一种微柱材料的原材料引入到空腔中，以及e)将微柱材料的原材料转换为微柱材料。

借助微结构来利用第三维。由此成功地使得与现有技术相比明显地减小了热电换能器的热电偶的空间需求。利用微结构可以将多个热电偶布置在最小的空间上。由此产生具有刷子状的、三维构造的微结构的热电换能器，所述微结构由（对称的）矩阵状布置的、特别薄的微柱（纤维，针）组成。所述微结构具有包括栅格点的栅格。这些栅格点由微柱构成。目前还不存在用于在最多1000μm以及更大的纤维长度的情况下制造包括小于10μm的（纤维）栅格的这样的微结构的方法。

热电换能器基于塞贝克效应。在这种情况下，热能被转换为电能。微柱是热电偶的热铁心。但是热电换能器也可以相反地在利用珀耳帖效应的条件下来运行。在这种情况下，热电偶被热电流流过。在这种情况下被释放的热能可以被输出给环境。根据状况这会导致环境的加热或冷却。作为微柱材料考虑多种材料，例如金属、金属合金、半金属和半导体化合物。尤其是，第一微柱材料和/或第二微柱材料具有从铋、锑、碲和铅构成的组中选择的元素。微柱材料可以仅分别由这些元素之一组成。还可以考虑这些元素的合金以及它们的化合物。在这种情况下，首先采用在室温下是一种非常有效的热铁心材料的铋碲化物（Bi₂Te₃）。其它合适的材料是以下组成：锑化铋（BiSb）、碲化铅（PbTe）或锗化硅（SiGe）。

用于制造所述微结构的基本思想在于，基于模板（基体，模板）提供与所述微结构相反的、具有模板空腔的模板结构（基体结构）。模板空腔就其模板空腔纵向延伸来说基本上相互平行地取向，并且分别具有处于20至1000的范围中的纵横比，以及分别具有处于0.1μm至200μm的范围中的模板空腔直径。相邻的模板空腔之间的距离也相应于微结构的微柱距离。通过该制造方法，第三维被用于实现热电换能器。

微柱优选并排布置。但是也可以考虑将微柱上下叠置地布置。在这种情况下，微柱优选相互直接接触。因此根据特殊的设计，微柱相互上下叠加地被布置为具有总体纵向伸展的总体微柱。第一微柱和第二微柱构成所述总体微柱的片段。