[发明专利]由薄膜温差电材料制造的叠层结构微型温差电器件及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于温差电技术领域，特别涉及一种由薄膜温差电材料制造的叠层结构微型温差电器件。

背景技术

基于温差电效应制备的温差电器件主要有：1)温差电池；2)温差电制冷器；3)温差电红外探测器；4)温差电测温仪。温差电池是将温差转换为电能的温差电器件，它能够利用各种热能进行发电，尤其在低品质热能利用方面优势显著。温差电池的特点是清洁、无噪音、无有害排放、高效可靠、使用寿命长，是一种绿色、环保的物理电源。温差电制冷器则是将电能转换为温差的温差电器件。温差电制冷器的特点是清洁、无噪音、无有害物质排放、高效可靠、使用寿命长。温差电红外探测器以及温差电测温仪则是利用温差电元件的热-电效应进行红外成像以及温度测试的仪器。

高性能的温差电器件，在结构上不仅要求器件在单位体积内能够容纳尽可能多的温差电腿，而且温差电腿的高度应能保证在器件的两端建立起显著的温差。传统的温差电材料制造方法是烧结法和冶金方法。用这类方法制造的温差电材料块体需经线切割等机械方法加工成一定尺寸的温差电腿。这些温差电腿被随后组装成温差电器件。由于温差电材料的脆性很大，由线切割等机械方法切割而成的温差电腿的尺寸最小也在毫米尺度。由这样大尺寸的温差电腿组装而成的温差电器件的尺寸也大，这类温差电器件单位体积内组装的温差电腿的数量极其有限。因此，由烧结或者冶金这类方法制造的块体温差电材料制成的温差电池的电能输出功率密度低，输出电压也低；制成的温差电制冷器的制冷效率低；制成的温差电红外探测器的探测灵敏度低；制成的温差电测温仪的测温精度也低。

近年，由薄膜温差电材料制造微型温差电器件的研究得到广泛关注。这类薄膜温差电材料的厚度在微米量级。采用这种厚度在微米尺度的薄膜温差电材料制造的温差电器件，其单位体积内可以集成大量温差电腿，这不仅大大减小了温差电器件的体积，而且有利于温差电器件获得高性能。但由于薄膜温差电材料的厚度在微米量级，这大大限制了温差电腿的高度，成为由薄膜温差电材料制造的温差器件性能提高的瓶颈。

目前，薄膜温差电材料的制造方法主要有物理气相沉积(PVD)、电化学沉积、化学气相沉积(CVD)、溅射法等。由这类薄膜温差电材料制造的温差电器件体积小，实现了温差电器件的微型化。但由于上述方法制造的薄膜温差电材料的厚度在微米尺度，不利于由其制造的微型温差电器件获得高性能。2003年SNYDER等人[SNYDER GJ，LIM JR，HUANG CK，et al.Thermoelectric microdevice fabricated by a MEMS-like electrochemical process.Nat Mater，2003，2：528-531]采用在光刻蚀微区内分别电化学沉积Bi₂Te₃掺杂n型和p型温差电材料以及导电金属的方法，制备出了一个由126个n型和p型温差电腿(高20μm，直径60μm)构成的微型温差电池。该微型温差电池在红外灯泡照射下的最大功率密度仅为40μW/cm²。

本专利提出了一种由薄膜温差电材料制造的叠层结构微型温差电器件。这种微型温差电器件结构的特点主要有：1)微型温差电器件内的温差电腿具有多层结构，它由一层一层的薄膜温差电材料堆砌而成；2)微型温差电器件内温差电腿的成分以及结构，可以随着一层一层的薄膜温差电材料而变化，亦即构成多层结构温差电腿的薄膜温差电材料的成分或者结构可以按照一定的规律变化，也可以不变；3)构成多层结构温差电腿的薄膜温差电材料之间可以直接相连，也可以在层与层之间设置过渡层；4)微型温差电器件内部的多层结构温差电腿，镶嵌于绝缘材料之中或者独立存在。

上述叠层结构微型温差电器件在结构方面的特点，使得依据本专利制造的微型温差电器件主要体现出以下两方面优势：1)有利于不同温差电性能材料间的相互匹配，发挥不同温差电材料层的优势；2)可有效增加微型温差电器件中温差电腿的高度，有利于建立起更大的温差。上述两方面的优势均有利于提高微型温差电器件的性能，具体表现在：由薄膜温差电材料制成的微型温差电池的输出功率密度高，输出电压也高；制成的温差电制冷器的制冷效率高；制成的温差电红外探测器的探测灵敏度高；制成的温差电测温仪的测温精度也高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种由薄膜温差电材料制造的叠层结构微型温差电器件，其中温差电腿是由薄膜温差电材料一层一层堆砌而成。通过各温差电腿之间的电串联或者电并联，形成微型温差电池。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：