[发明专利]一种薄膜热电模块

说明书

本发明公开了一种薄膜热电模块，属于功能薄膜材料及器件领域。包括：上部N型热电臂阵列，由N型半导体薄膜在单晶衬底Ⅰ的下表面倾斜布置；下部P型热电臂阵列，由P型半导体薄膜在单晶衬底Ⅱ的上表面倾斜布置；隔离层，包括工字形绝缘隔层和金电极阵列。所述上部N型热电臂阵列和下部P型热电臂阵列由所述隔离层隔开，并由金电极连接成两个独立的串联通路；所述上部N型热电臂阵列、下部P型热电臂阵列和隔离层的相对位置由位于其侧面的通孔、插销固定。本发明相比现有薄膜热电模块单位面积上的输出功率密度显著提高，P、N型热电臂可单独更换，构型灵活，且衬底作为薄膜物理支撑的同时起到封装作用，制造成本低。

技术领域

本发明公开了一种薄膜热电模块，属于功能薄膜材料及器件领域。

背景技术

氧化物基热电材料相比传统合金热电材料，具有高温性能稳定、抗氧化性和无毒性等优点，受到广泛关注，氧化物薄膜热电模块也成为新兴研究焦点。

目前薄膜热电模块的构型主要为π型，即P、N型氧化物薄膜在同一基底上平行、交替排列，并由电极串联联结。根据其热流和材料的使用方向，薄膜热电模块又可分为热流方向垂直于薄膜表面(cross-plane)和热流方向平行于薄膜表面(in-plnae)两种。cross-plane热电模块的制备工艺相对简单，集成度较高，但其沿薄膜厚度方向的热阻小，难以产生较大的温差，在很多场合无法应用。in-plane模块的热阻大，有利于大温度梯度的建立，且现有氧化物热电材料如Ca₃Co₄O₉、Na_xCoO₂、Zn_1-xAl_xO、CaMnO₃等薄膜的生长均自发沿c轴择优，其沿in-plane方向的热电性能远高于cross-plane方向，因此氧化物薄膜热电模块多使用in-plane构型，但其P-N热电对集成度相对较小，单位面积上的输出功率密度小，电极用量大，模块制造成本高。

现有in-plane薄膜模块的P、N型热电臂均交替集成在同一衬底上，如附图1，这要求P、N型薄膜材料的晶体结构、晶格常数和热膨胀系数均要与衬底匹配才能获得较高结晶质量的薄膜阵列。但通常P、N型薄膜材料的结构和性能差别很大，实际中很难找到同时兼顾P、N型薄膜生长的衬底，使衬底的选择十分困难。

现有in-plane薄膜模块由于其P、N型热电臂交替集成在同一衬底上，使P、N型薄膜阵列无法单独更换，如果模块中的某一条P、N型薄膜因氧化、分解而损坏，将导致模块整体失效，增加模块的使用和更换成本。

现有薄膜热电模块为了提高其稳定性和使用寿命，除模块本身外，还需额外的封装工艺和封装原料，增加了模块的制造成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄膜热电模块，包括N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2、隔离层3，N型热电臂阵列1包括一个以上的N型半导体薄膜11和单晶衬底Ⅰ12，N型半导体薄膜11倾斜生长在单晶衬底Ⅰ12上；P型热电臂阵列2包括一个以上的P型半导体薄膜21和单晶衬底Ⅱ22，P型半导体薄膜21倾斜生长在单晶衬底Ⅱ22上；N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2由隔离层3隔开，并固定在一起，N型热电臂阵列1和P型热电臂阵列2均是生长有半导体薄膜的一面与隔离层3接触；N型半导体薄膜11与P型半导体薄膜21呈X形交叉分布，N型半导体薄膜11与P型半导体薄膜21的两端由电极5依次连接，形成两个独立的串联通路，电极5位于隔离层3的两侧。

优选的，本发明所述隔离层3包括腹板31、翼板32，翼板32固定在腹板31的两边；腹板31、单晶衬底Ⅰ12、单晶衬底Ⅱ22的长度、宽度相同，翼板32高度等于腹板31、N型热电臂阵列1、P型热电臂阵列2的厚度之和。

优选的，本发明所述电极5嵌入、贯穿在隔离层3的腹板31上，电极5的厚度大于腹板31的厚度，以保证N型半导体薄膜11与P型半导体薄膜21的串连连接。