[发明专利]一种便携式高纵横比层间连接的微型垂直结构热电器件及其制备方法

说明书

本发明公开一种便携式高纵横比层间连接的微型垂直结构热电器件及其制备方法，自下而上由背面散热层、底部绝缘基底层、底部导电电极层、N型半导体热电层或者P型半导体热电层、层间连接结构、顶部导电电极层、顶部基底层、高导热层和正面热释放胶层组成，层间连接结构自下而上依次由层间连接结构阻碍/连接层、层间连接结构中间层、层间连接结构阻碍/连接层组成，层间连接结构是N型半导体热电层或者P型半导体热电层的连接层，根据微型垂直结构热电器件所需长度，将N型半导体热电层或者P型半导体热电层靠层间连接结构多层叠加，N型半导体热电层和P型半导体热电层之间填充绝缘绝热支撑材料。本发明具有高热电转换效率，提升整体输出性能。

技术领域：

本发明涉及微型温差电池技术领域，特别涉及一种便携式高纵横比层间连接的微型垂直结构热电器件及其制备方法。

背景技术：

随着科技发展，自动化微型电子系统应用越来越广泛，微型红外传感器，微热量计，加速计，加速计，真空计，光电冷却设备等等。然而随着电子设备的小型化，微电子系统相应的能源问题越来越突出，传统的化学燃料电池，体积受限，使用寿命受限制，需定期更换，限制了其在偏远地区传感器以及深海探测等方面的应用，太阳能电池则受限于必须在阳光充足的地方使用。

现有的解决微机电系统的微型能源供能问题，一个解决方法就是微型温差发电器件(μTEG)，利用塞贝克效应直接将低品位的废热转换为电能。这种发电原理使得热电器件结构简单，无移动部件，非常适合作为微能源供能。热电器件将大量热电偶通过电串联和热并联集成在基底上，当基底两端产生温差时，就会在热电腿的两端引入塞贝克电压，器件工作时的输出电压是单个热电偶塞贝克电压的总和。在应用微米尺度温差发电器件时，单个热电腿的长度越长，产生的温差也就越大，器件总体输出电压也就越高，从而单位温度梯度内可获得较高输出功率密度。但是其制备过程较为复杂，现有的制备技术难以制备出高纵横比热电臂的微米尺度微型垂直结构热电器件。

为了在单位面积内集成足够多的热电腿，获得较大的输出功率，从而在任何有温度梯度的地方进行废热回收或者为低功率器件供能。美国喷气动力实验室Synder等人使用传统微电子制造技术，其过程相当的复杂，在单片2×2mm的范围内，集成了126 个直径60μm，高度20μm的热电腿，其热电腿的纵横比仅仅为1/3，形态为圆片型(Snyder G J,Lim J R,Huang C K,et al.Thermoelectric microdevice fabricated by a MEMS-likeelectrochemical process[J].Nature Materials,2003,2(8):528.)。韩国Hongik大学Kim等人利用倒装工艺，在5×5mm²的芯片上沉积了242对高20μm直径100μm的热电腿，集成密度很高，但是其纵横比仅仅为1/5(Min-Young K,Tae-Sung O H.Thermoelectric Thin FilmDevice of Cross-Plane Configuration Processed by Electrodeposition and Flip-Chip Bonding[J].Materials Transactions,2012,53(12):2160-2165.)。形态也是为圆片型。

目前已知的高纵横比微型热电器件均为横向结构热电器件，其热电材料以基底作为支撑材料，增加了热电器件的接触电阻以及热阻。其热损失较大，尺寸也较纵向结构热电器件大很多，该电池输出与实际尺寸在高集成密度的微电子系统供能方面并不适合。而采用微纳加工工艺制备的纵向结构微米尺度热电臂的热电器件，其热电腿集成密度高，能够利用较小的温差发电或者小电流制冷，是非常合适的选择。

但是现有的微型温差发电器件由于制备工艺的不足，想要制备出微型微米量级的热电腿，常用的溅射工艺或者沉积工艺存在限制，制备出的热电腿高度有限，纵横比往往比较低，产生的温差较小，不利于微型温差发电器件在微电子设备供能领域的广泛应用。例如现有实际制备出的热电腿微观形态多为片状，与大型块体热电器件的柱状还相差甚远，纵横比不高。电池输出性能无法提升。