[发明专利]微型热电模块及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及热电领域，尤其涉及一种微型热电模块及其制造方法。

背景技术

热电器件是指可以直接实现电能与热能相互转换的一类电子元件，其核心是由多组不同载流子类型的热电材料串并联起来组成的热电（thermoelectric）模块。

热电器件的应用迄今已有一百多年的历史，早期主要是用来探测温度，例如热电偶。后来随着高性能热电材料的开发，又被用于电子控温、废热发电和航天电池组等领域。近20年来，热电模块的微型化技术因其独特的应用背景受到了越来越广泛的关注。美、德、日等国相继开发了多种热电模块微型化的技术方案，并将其应用于便携式电源、海底探测器、气体传感器和医疗器械等领域。

最近的理论研究表明，在利用热电技术进行工业余热或汽车尾气的温差发电时，仅靠减小热电模块的特征尺寸就可以在不改变转化效率和功率的前提下有效减少材料的使用量，从而降低成本和环境代价。因此适合于大规模生产的低成本微型热电模块制造技术将在未来显现出广阔的市场前景。

微型热电模块一般指热电臂特征尺寸在微米～毫米量级的热电器件。

目前热电模块的制作工艺流程主要包括热电材料阵列的制作和连接金属电极的制作两个核心步骤。热电材料阵列的常见制作方法是将PN型热电材料分别切割成立方形体或圆柱体的热电臂，然后再按照P、N相间的顺序排列起来。连接金属电极的制作是指在完成的热电堆上下两个表面上制作出将热电臂串联或并联起来的电极，常用的方法是先将热电臂端面金属化，然后用按照电极图案形状涂好的焊料进行焊接。

然而对于加工热电臂尺度小于1mm的微型热电模块，上述工艺会遇到技术上的困难：首先热电材料一般比较脆和软，通常的机械加工工艺很难实现亚毫米级别热电臂的切割，需要采用高精度机械加工设备才能完成，这样的设备不仅昂贵而且在国内很少见；其次，图案化焊接工艺也难以达到亚毫米的尺寸，需要采用微电子行业的光刻或丝网印刷技术才能实现，这样所需的设备和人工成本都会大大增加。

可以实现微型热电模块批量化生产的典型技术如下：

1）美国专利US6,440,212B1中提到了一种技术，利用由电脑程序精密控制的打印机喷头在衬底上喷涂P、N型热电材料的熔融态液滴，冷凝后形成热电堆。然后再利用相似的工艺制作出金属连接电极。所用设备比较昂贵，一次性投入成本高；或者设备比较特殊，部分属于专门为某种微型热电模块制作工艺而设计的设备，不易实现大批量生产。

2）美国专利US5,956,569A中提到了一种技术，在硅基或其它衬底上利用微电子技术中的刻蚀、气相沉积等技术，先在衬底上制作出凹槽模板，然后在其内制作出首尾相连的P、N型热电薄膜，形成热电堆，最后再用类似的工艺制作连接电极。其制作工艺不是以市场上可以低价买到的热电块体材料为原料，而是以粉体或元素单质为原料，利用冷凝、粉体烧结、薄膜等制备技术进行合成，这就加大了技术难度和产品的质量风险。

3）美国专利US20020069906A1中提到了一种技术，首先利用化学刻蚀或激光打孔的方法在金属或半导体薄片上制作出通孔，然后利用两个遮挡版依次填入P、N型热电粉体浆料，经烧结后形成热电堆，然后再利用光刻的工艺制作出连接电极。其工艺步骤较多，有些工艺跨越材料合成、精密机械加工和微电子等多个技术领域，产品质量管理不易进行。

4）美国专利US6,100,463A中提到了一种技术，首先将P、N型热电薄膜连带衬底一起粘接起来，然后横向切割开并叠层形成三维阵列，然后制作连接电极，最后用刻蚀的工艺去掉衬底。其部分工艺对操作人员的技术水平和熟练程度要求较高，运营成本高。

发明内容

本发明目的在于提供一种微型热电模块的制造方法，通过降低产业难度，以易于大规模批量生产。本发明还提供了一种利用该制造方法制得的微型热电模块。

本发明一方面提供了一种微型热电模块的制造方法，包括以下步骤：获得夹层结构的热电堆，其中，热电堆包括第一电极层、第二电极层、以及夹设在二者之间的交替排列的P、N型热电薄片阵列；以及在热电堆上加工隔槽以形成阵列的多个热电单元。

进一步地，上述隔槽利用切割设备加工形成。

进一步地，通过控制切割设备的刀间距以控制隔槽所在的位置。

进一步地，上述热电堆的各热电薄片通过隔槽与相邻的热电薄片隔开以形成热电单元的热电臂，并且第一电极层和第二电极层通过隔槽分隔成热电臂的连接电极。