[发明专利]微型热电器件、制作方法及包括其的温差发电机

说明书

技术领域

本发明涉及温差发电机制作技术领域，更具体地，涉及一种微型热电器件及其制作方法。

背景技术

温差发电技术是一种利用半导体热电材料中微观粒子（电子或空穴）的迁移，将温差产生的热流直接转变为电能的技术。温差发电机仅由固体结构组成，不含气、液循环工质，而且没有移动部件，因此可以被制成任意大小和形状，安装于各种需要的场合，可广泛应用于电厂的余热回收，以及地热、海洋能、太阳能等可再生能源的利用。

温差发电机的核心是热电器件，即由高度集成的半导体热电材料组成的阵列。与传统的发电技术和制冷、制热技术相比，热电器件具有以下优点：无运动部件、结构简单、可靠性高、寿命长、噪音小、污染少、适应温度范围广（200‐1400K）等。目前，工业中广泛应用的常规尺度（毫米级）热电器件通常由许多P型和N型的半导体热电元件组成。这些热电元件之间通过金属线连接，形成电串联，然后用绝缘的导热陶瓷板夹住，形成热并联。

近年来，热电器件的集成技术向着高集成度和低成本化的趋势发展，热电器件也逐步向微型化发展。但是在热电器件微型化的过程中，热电元件金属化问题成为了工艺中的难点，制约了微型热电器件（微米级）效率和可靠性的提高。所谓热电元件金属化是指在热电元件两端制备金属电极，其难点在于一方面需要在热电材料与金属电极之间形成良好的欧姆接触，另一方面需要阻止金属电极材料向热电材料中扩散。研究人员曾试图将毫米级热电器件使用的阻挡层材料应用到微米级热电器件，但阻挡效果都不理想，而且现有热电器件的制作工艺不能满足微米级热电器件对精度的要求，只能完成毫米级热电器件的制备。

例如，在公开号为CN102412366A的中国专利发明中提出了一种碲化铋基热电元件金属化的方法，电极材料选用铝、铜、镍等金属或其合金，阻挡层材料选择锑、锑化铝、锑化镍或锑化铜等，按照碲化铋基热电层材料、阻挡层材料、电极层材料的顺序依次装入石墨模具中，在真空中进行热压烧结，最终获得机械可靠性较好的毫米级热电器件。在公开号为CN101409324A的中国专利发明中提出了一种利用电弧喷涂的方法来实现铝电极、钼阻挡层的金属化工艺，同样可以实现毫米级热电器件的金属化。然而，现有热电器件在结构上不适于大规模精密加工工艺，制得的热电器件仅为毫米级，无法满足微型热电器件的精度要求；另外，现有热电器件中阻挡层的阻挡作用也无法满足微米级热电器件的需求。

发明内容

为了解决目前微米级热电器件产业化中存在的大规模精密加工的问题，本发明提供了一种微型热电器件。该微型热电器件在结构设置上非常适于微型加工工艺，使得热电器件的大规模精密加工得以实现。

本发明的一方面在于提供了一种微型热电器件，该微型热电器件包括：第一基板，设置有图案化的第一电极层；第一阻挡层，设置在第一电极层上；二氧化硅层，设置在第一基板和第一阻挡层上；热电元件，设置在二氧化硅层中；图案化的第二阻挡层，设置在二氧化硅层和热电元件上；第二电极层，设置在图案化的第二阻挡层上；以及第二基板，设置在第二电极层上。

优选地，上述热电元件包括N型热电元件和P型热电元件，N型热电元件形成第一热电元件组，P型热电元件形成第二热电元件组，第一热电元件组与第二热电元件组交替设置；或者热电元件排列成由多行和多列形成的矩阵，矩阵中任意多行和多列中的N型热电元件及P型热电元件交替设置。

优选地，在本发明所提供的一个具体实施方式中，在图案化的第一电极层中设置有第一二氧化硅隔离件，通过第一二氧化硅隔离件形成图案化的第一电极层；在图案化的第二电极层中设置有第二二氧化硅隔离件，通过第二二氧化硅隔离件形成所述图案化的第二阻挡层。更有选地，二氧化硅层被热电元件分隔成多个第一热电元件隔离件和多个第二热电元件隔离件，第一热电元件隔离件与第一二氧化硅隔离件连接，第二热电元件隔离件与第二二氧化硅隔离件连接。

优选地，本发明提供的热电器件的热电元件的高度为5至200微米。

优选地，上述热电元件为圆柱体或六面体。并且，当上述热电元件为圆柱体时，圆柱体的直径为1至40微米；当热电元件为六面体时，六面体的长度和宽度为1至40微米。

优选地，本发明提供的热电器件中的第一阻挡层和第二阻挡层的厚度为2至300纳米。

优选地，本发明提供的热电器件中的第一电极和第二电极的厚度为0.3至72微米。