[发明专利]单片热电模块

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求保护发明人Matthew L.Scullin在2009年11月13日提交的名称为“THERMOELECTRIC MODULES MADE FROM A SINGLE WAFER OF MATERIAL”的美国临时专利申请No.61/261,174的优先权，其以引用的方式结合到本文中用于所有目的。本申请还要求保护发明人Matthew L.Scullin在2010年11月10日提交的美国非临时申请No.12/943,134的优先权，该申请共同转让且结合于本发明中用于所有目的。

技术领域

本发明大体而言涉及热电装置。更特定而言，本发明提供单片热电装置和其制造方法。仅出于举例说明目的，本发明的实施例提供实现工艺复杂性、步骤数量和热电模块组装成本的显著减少的方法，其将需要将单片材料转变为整个热电装置，但认为本发明可具有其它装置配置。

背景技术

热电材料为下面这样的材料：为固态且无移动部分，能例如将明显量的热能转变为所施加热梯度中的电(例如，塞贝克效应）或者抽走所施加电场中的热（例如，珀尔贴效应）。固态热机有多种可能的应用，包括从各种热源（无论是主热源还是废热源）发电，以及冷却空间或诸如微芯片和传感器的物体。近年来，对包括热电材料的热电装置的使用的关注不断增加，部分是由于纳米结构化材料具有提高的热电性能（例如，效率，功率密度或者“热电优值”ZT，其中ZT等于S²σ/k且S为热电材料的塞贝克系数，σ为热电材料的热导率，且k为热电材料的热导率）且也由于对于回收废热为电来改进能量效率或冷却集成电路以改进其性能的迫切的需要。

迄今，热电技术具有有限的商业应用性，这归因于与实现能量发生或再生的类似手段的其它技术相比，这些装置较差的成本性能。尽管并无其它技术像热电技术那样适合于轻质量和低占据面积应用，热电技术仍受到其过高的成本限制。为了实现热电技术在商业应用中利用，重要的是包括高性能热电材料（例如，模块）的装置的可制造性。优选地生产这些模块使得确保例如以最小成本的最高性能。在目前可用的商业热电模块中的热电材料大体上包括碲化铋或碲化铅，其为有毒的，难以制造且生产和加工起来较为昂贵。目前迫切需要可选的能量产生和微型冷却能力，对于高度可制造性、低成本、高性能的热电技术的推动力不断增长。

某些常规热电模块包括半导体热电材料，诸如碲化铋(Bi₂Te₃)、碲化铅(PbTe)和硅锗(SiGe)。此外，制造其它常规模块，其包括诸如硫属化合物、方钴矿和笼形包合物。这些材料在创建具有成本效益的热电系统方面带来困难，这归因于与这些化合物合成和与其随后制造为热电模块相关联的困难，其中包括将金属接触层钎焊且粘附到热电半导体上。经过数十年的研发，存在有限的基础设施来以此方式加工此性质的材料，且对其可扩展性的基本限制也能限制这种基础设施的发展。

热电装置或模块需要两种热电材料：一种为n型半导体，另一种为p型半导体。大部分情况下，这两种半导体可能为完全不同的材料，而不是相同半导体的两种互补掺杂的形式。因此，在此情况下，需要建立两种材料系统而非一种材料系统的合成、钎焊、金属化、组装和其它制造技术。

热电n型和p型半导体通常在分割为热电柱，电接触且组装为制冷（例如，珀尔帖）装置和能量转换（例如，塞贝克）装置之前，生长为晶锭。这常常涉及以下面这样的配置将热电柱粘结到金属接触件：允许电串联同时保持热并联以便同时在所有柱上形成温度梯度。为了进行能量转换，这些装置或模块通常放置于温度梯度中以便发电，且对于珀尔帖冷却而言，常常在它们中感应电流以抽走热。

紧凑、固态发生器或冷却器提供优于实现类似任务的较大热力学系统的许多益处。但是，由于上述考虑，其适用性是有限的。与加工和组装诸如Bi₂Te₃和PbTe的材料相关联的成本常常限制了热电技术在除了少量应用中之外的所有应用中的使用。照此，需要简化从热电材料生产热电模块的方法。排除了将热电模块的所有构件组装和集成到加工步骤的单个集合能简化热电模块的生产且使之成本降低超过80%。

从上文可看出需要改进热电模块和制造该改进的热电模块的方法。

发明内容