CN102130289B - 热电器件以及热电器件阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热电器件以及热电器件阵列。该热电器件可包括在高温区与低温区之间设置为水平结构的热电物体。该热电器件阵列中，多个热电物体设置在高温区与低温区之间。

Description

热电器件以及热电器件阵列

技术领域

本公开涉及热电器件，以及更具体地，涉及热电器件和热电器件阵列，其中在设置于高温区与低温区之间的热电物体中的载流子(carrier)移动方向或热流方向与面对高温区和低温区的表面基本平行。

背景技术

热电器件是指利用塞贝克(Seebeck)效应现象的器件，在塞贝克效应现象中，在自然界与人造制品诸如机器或建筑物中存在的温度差基于热电转换产生电动势。一般地，在热电器件中，如在美国专利公开No.2009-25773中所公开的，在热电物体内的热流方向或载流子移动方向垂直于面对低温区和高温区的表面。

热电转换是指热能到电能的转换，反之亦然。当在热电材料的两端之间引起温度差时，产生电。另一方面，如果电流施加到热电材料，则在热电材料的两端之间产生温度梯度。

在计算机或汽车发动机中产生的热能可以通过利用塞贝克效应被转换为电能，可以通过利用珀耳帖(Peltier)效应实现各种冷却系统而不需要制冷剂。由于对新能源发展、废能回收、环境保护等等的兴趣正在增加，所以热电器件也引起了许多关注。

热电器件的效率通过优值(ZT)系数和无量纲(non-dimensional)性能系数的图确定，该ZT系数是热电材料的性能系数，其中ZT系数可以表示如下：

$\mathrm{ZT}=\frac{S^2\mathrm{\σ}}{k}T---\left(1\right)$

在等式(1)中，ZT系数与热电材料的塞贝克系数S(伏特/度K)和电导率σ(1/W-米)成正比，且与导热系数k(瓦特/米-度K)成反比。塞贝克系数S表示每单位温度变化的电压(dV/dT)，且T表示绝对温度。

为了实现高效率热电器件，ZT系数必须大。然而，对于相同的材料，塞贝克系数S、电导率σ和导热系数k之间具有相关性，因而不能相互独立地控制它们。因此，不容易仅通过改善热电材料实现高效率热电器件。

发明内容

提供一种能通过减小热电物体与高温区之间的电极以及热电物体与低温区之间的电极中的接触热阻并增加热电物体中的温度梯度而改善电力效率的热电器件。

其它方面将在以下的描述中部分阐述，且部分将通过该描述显而易见或者可通过对本发明实施方式的实践而了解到。

根据本公开的方面，一种热电器件包括：低温区；高温区；以及热电物体，形成在低温区与高温区之间，其中，热H或载流子在热电物体中的移动方向与低温区和高温区的面对表面基本平行。

热H或载流子在热电物体中的移动方向与低温区和高温区的每个面对表面之间的角度可以小于约45度。

热电物体可以与低温区和高温区间隔开，并包括：第一电极，形成在热电物体的第一端与低温区之间；以及第二电极，形成在热电物体的第二端与高温区之间。

热电器件还可以包括形成在热电物体的第二端与低温区之间或者热电物体的第一端与高温区之间的绝缘层。

面对表面可以是其上形成第一电极或第二电极的表面。

热电物体可以在与连接低温区与高温区的最短线垂直的方向上形成。

热电物体可以包括金属、金属间化合物、半导体、硼化物或氧化物。

热电物体可以包括N型材料或P型材料。

根据本公开的另一方面，一种热电器件阵列包括：多个第一电极，形成在低温区上；多个第二电极，形成在高温区上；热电物体，与低温区和高温区间隔开，并通过连接多个第一电极的一端与多个第二电极的另一端形成，其中热H或载流子在热电物体中的移动方向与低温区和高温区的面对表面基本平行。

多个第一电极的所述一端与多个第二电极的所述另一端通过热电物体而轮流相反地连接，因而形成曲折结构。

热电物体可以形成使得轮流形成N型热电物体和P型热电物体。

附图说明

通过结合附图对实施方式的以下描述，这些和/或其它方面将变得清晰且更易于理解，在附图中：

图1A至图1C是示意性地示出根据本公开的实施方式的热电器件的视图；

图2A和图2B是示出根据本公开的实施方式的热电器件阵列的视图；

图3是示出根据本公开的实施方式的热电模块的视图；

图4A是示出热电器件的视图，该热电器件包括垂直于高温区和低温区的面对表面形成的热电物体；

图4B是示出根据本公开的实施方式的热电器件的视图，该热电器件包括平行于高温区和低温区的面对表面形成的热电物体；

图5是用于描述根据本公开的实施方式形成图2A中示出的热电器件阵列的方法的视图；

图6A是示出根据本公开的实施方式的热电器件的视图；以及

图6B是示出通过利用数字分析程序分析在图6A中示出的热电器件的热电物体中的温度分布的结果的曲线图。

具体实施方式

在以下文中，将参考附图详细地描述根据本公开的实施方式的热电器件。

在所公开的图中，为了方便起见，可能夸大了每个组件的宽度、长度和厚度。在整个说明书中，相似的附图标记表示相似的元件。

图1A至图1C是示意性地示出根据本公开的实施方式的热电器件的视图。图1B示出了沿图1A中的线I₁-I₂提取的截面图。

参见图1A和图1B，热电物体120形成在低温区100与高温区140之间。第一电极110形成在低温区100与热电物体120之间，第二电极130形成在热电物体120与高温区140之间。第一电极110形成在热电物体120的上表面的一端，第二电极130形成在热电物体120的下表面的另一端，使得热电物体120与低温区100和高温区140分隔开。

低温区100和高温区140可以是具有不同温度的区域，在本发明的实施方式中，高温区140可以具有比低温区100高的温度。

低温区100和高温区140可以由柔性或非柔性材料诸如硅、砷化镓(GaAs)、蓝宝石、石英、玻璃或聚酰亚胺形成。

热电物体120是热或载流子(电子、空穴或离子)由于低温区100与高温区140之间的温度差而沿其移动的路径。参见图1C，热H或载流子在热电物体120中移动的方向可以与低温区100的面对表面基本平行。热电物体120可以与高温区140的面对表面基本平行，且可以与连接低温区100和高温区140的最短线垂直。

在此，低温区100的面对表面和高温度140的面对表面分别表示低温区100的面对热电物体120的表面和高温区140的面对热电物体120的表面。在热H或载流子在热电物体120中的移动方向与低温区100的面对表面之间形成角度θ₁，在热H或载流子在热电物体120中的移动方向与高温区140的面对表面之间形成角度θ₂，其中角度θ₁和θ₂可以小于约45度。如果低温区100的面对表面和高温区140的面对表面是曲面，则低温区100和高温区140中分别形成第一电极110和第二电极130的表面可以用作低温区100和高温区140的面对表面，从而可以确定热H或载流子的移动方向与低温区100之间的角度θ₁或者热H或载流子的移动方向与高温区140之间的角度θ₂。

热电物体120可以由各种热电材料制成。例如，热电物体120可以由金属、金属间化合物、半导体、硼化物、氧化物等等形成，更具体地，可以包括BiTe化合物、PbTe化合物、SiGe化合物等等。热电物体120可以由N型材料或P型材料形成。例如，热电物体120可以包括第IV族材料和第V族材料或第IV族材料和第III族材料，或者可以掺杂有N型或P型掺杂剂。

第一电极110和第二电极130可以使用在一般的热电器件中使用的任何电极材料，且例如可以由诸如金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、镍(Ni)、钛(Ti)或铂(Pt)的金属或者导电金属氧化物形成。

热电物体120在图1A至图1C中的热电器件的低温区100与高温区140之间形成为单一结构，但是本公开不限于此，也可以形成多个热电物体120。

图2A和图2B是示出根据本公开的实施方式的热电器件阵列的视图。在此，多个热电物体13和14形成在低温区10与高温区17之间。

参见图2A和图2B，多个第一电极11a和11b形成在低温区10的表面上，多个第二电极16形成在高温区17的表面上。第一电极11a和11b以及第二电极16通过热电物体13和14连接。热电物体13和14可以形成在各电极的端部上。即，形成在低温区10上的第一电极11a和11b的端部以及形成在高温区17上的第二电极16的端部通过热电物体13和14被依次相反地(reciprocally)连接，从而形成曲折(zig-zag)结构。在图2A中，热电物体13和14彼此平行，在图2B中热电物体13和14彼此不平行。

热电物体13和14可以由N型或P型材料形成，且N型的热电物体13和P型的热电物体14可以依次形成在第一电极11a与第二电极16之间以及第一电极11b与第二电极16之间。

热电物体13和14的端部可通过第一电极11a和11b与低温区10连接，热电物体13和14的另一端可以通过第二电极16与高温区17连接。绝缘层12可以形成在热电物体13的端部与低温区10之间，且绝缘层15可以形成在热电物体14的端部与高温区17之间。例如，N型热电物体13与低温区10间隔开，第一电极11a形成在低温区10与N型热电物体13的第一端之间，绝缘层12形成在低温区10与N型热电物体13的第二端之间。P型热电物体14与高温区17间隔开，第二电极16形成在高温区17与P型热电物体14的第二端之间，绝缘层15形成在高温区17与P型热电物体14的第一端之间。

绝缘层12和15可以由绝缘材料诸如氧化物、氮化物、有机材料等形成。当热电器件形成时，绝缘层12和15可以支持热电物体13和14使得热电物体13和14不直接接触低温区10或高温区17。绝缘层12和15可以由具有低导热系数的材料形成，从而防止热被传输到绝缘层12和15。

图3是示出根据本公开的实施方式的热电模块的视图。如在图3中所示，第一电极11和第二电极16以及第一电极11与第二电极16之间的热电物体13和14的多个图案形成在低温区10与高温区17之间。在热电物体13和14中产生的载流子可以通过第一电极11和第二电极16与热电模块的外部连接。

根据本公开的当前实施方式的热电模块可以连接到供热源，热电模块的第一电极11和第二电极16可以与外部电子器件(例如，耗电器件或储电器件)连接。

在下文中，将描述在热电器件中，热电物体中的热或载流子移动方向垂直地以及平行地形成在低温区与高温区之间的情形。

热电器件中的热阻可以包括热电物体中的热阻R_TEG、热电物体与低温区之间的接触热阻R以及热电物体与高温区之间的接触热阻R。在此，假设热电物体与低温区之间的接触热阻R以及热电物体与高温区之间的接触热阻R相同。热电器件的温度梯度可以包括在高温区与低温区之间的温度差ΔT_TOTAL以及在热电物体的两端之间的温度差ΔT_TEG。如果在高温区与低温区之间存在温度差ΔT_TOTAL，则热电物体的两端之间的温度差ΔT_TEG可以通过以下方程式给出：

ΔT_TEG＝(ΔT_TOTAL×R_TEG)/(2R+R_TEG)

可以从该方程式看出，随着接触热阻R减小以及热电物体中的热阻R_TEG增加，热电物体两端之间的温度差ΔT_TEG增加，导致热电器件的电力产生效率增加。

在根据本公开的实施方式的热电器件中，热电物体中的热H或载流子移动方向与低温区和高温区的面对表面基本平行，从而增加了热电物体中的热阻(R_TEG)，减小了热电物体与电极之间的接触热阻R，提供了优良的性能，如将参考图4A和图4B更详细地描述的。

图4A是示出包括垂直于高温区32和低温区30的面对表面形成的热电物体31的热电器件的视图。参见图4A，热电物体31形成在低温区30与高温区32之间。

一般地，在连接低温区和高温区的热电物体中的热阻与热电物体的长度成正比，与热电物体的横截面积成反比。因而，在图4A中，随着热电物体31的横截面积A1减小以及热电物体31的长度H1增加，热电物体31中的热阻增加，因而性能效率在某程度上减小。随着热电物体31的横截面积A1减小，热电物体31中的热阻增加，热电物体31与低温区30之间的接触热阻以及热电物体31与高温区32之间的接触热阻也增加。

因为热电器件通过低温区30与高温区32之间的温度差产生载流子，所以在高接触热阻的情形下难以在热电物体31中获得足够的温度梯度。热电物体31的横截面积A1和长度H1可以根据制造工艺确定。随着长度H1与横截面积A1的比率，即，H1/A1增加，众所周知，制造工艺将变得更复杂。因此，在图4A中示出的结构在增加热电物体的热阻方面受到限制。

在一般的热电器件阵列中，多个热电器件布置在低温区与高温区之间，其中该低温区和高温区是两个基板，因而不容易增加热电物体31的长度H1。因此，当热电物体31中的热H或载流子的移动方向垂直于低温区30和高温区32的面对表面时，热电物体31的热阻增加存在限制。

图4B是示出包括平行于低温区300和高温区302的面对表面形成的热电物体301的热电器件的视图。参见图4B，热电物体301形成在低温区300与高温区302之间。

热电物体301的横截面积A2通过两个因素(即，热电物体301的厚度和宽度)可改变。因此，可通过控制这两个因素将热电物体301的横截面积A2减小较大量。热电物体301的横截面积A2可以独立于热电物体301与低温区300之间的接触面积以及热电物体301与高温区302之间的接触面积而改变。也可以减小热电物体301的横截面积A2同时增加接触面积。

与图4A中通过可处理的厚度来确定热电物体31的长度H1不同，在图4B中，热电物体301的长度H2可以使用光掩模而容易地改变，与可处理的厚度无关。因此，在图4B中，确定热电物体301的热阻的热电物体301的长度H2和横截面积A2可以彼此独立地设计，因而长度H2与横截面积A2的比率H2/A2可以较大。

因此，与图4A中示出的热电器件相比，在图4B中示出的热电器件可以容易地改善电力产生效率。

根据本公开的实施方式的热电器件可以以各种方式形成，其尺寸不受限制。图5是用于描述根据本公开的实施方式形成图2A中示出的热电器件阵列的方法的视图。

参见图5，第一电极41和绝缘层42形成在第一基板40上的预定区域中。第一电极41和绝缘层42可以形成为具有相同的高度。牺牲层(未示出)形成在第一基板40上，且平坦化至与第一电极41和绝缘层42相同的高度，之后形成热电物体43。热电物体43被图案化以连接到第一电极41的端部和绝缘层42。之后，在通过蚀刻工艺去除牺牲层时，第一基板40和热电物体43可以间隔开预定间距。为了快速蚀刻存在于热电物体43下面的牺牲层，可以在热电物体43中形成蚀刻孔h。

对于第二基板400，可以使用与第一基板40相同的工艺以形成第二电极401、绝缘层402和热电物体403。通过接合第一基板40和第二基板400，可以形成在图2A中示出的热电器件阵列。

在该工艺中，利用N型材料在第一基板40上形成热电物体43以及利用P型材料在第二基板400上形成热电物体403可以分离地进行。在该情形下，与其中N型热电物体和P型热电物体必须依次形成在单一基板上的现有的垂直型热电器件相比，热电器件可以更容易地制造。当热电物体垂直于两个基板的面对表面形成时，在接合两个基板的工艺中不容易施加高压力。然而，在图5中，可以施加高压力，因而减小了在接合表面上产生的电阻或接触热阻。

图6A是示出根据本公开的实施方式的热电器件的视图，图6B是示出通过使用数字分析程序分析在图6A中示出的热电器件的热电物体53中的温度分布的结果的曲线图。

参见图6A，热电物体53平行于高温区50和低温区55的面对表面形成在高温区50与低温区55之间。第一电极51和绝缘层52形成在热电物体53与高温区50之间，第二电极54在形成绝缘层52的区域中形成在低温区55与热电物体53之间。

在此，热电物体53的厚度是大约2μm，且在该热电物体53的产生温度梯度的区域的长度是大约140μm。高温区50和低温区55使用硅晶片形成，其厚度是大约300μm。假设热电物体53与高温区50或低温区55之间的间距是2μm，则高温区50的温度是大约35℃，低温区55的温度是大约25℃。使用大约100W/m²K的对流传热系数(convective heat transfer coefficient)。铜(Cu)用作第一电极51和第二电极54的材料，二氧化硅(SiO₂)用于绝缘层52。多晶硅锗(SiGe)用于热电物体53。

在高温区50与低温区55之间的温度差是大约10℃的条件下，分析热电物体53在纵向的温度分布，该分析结果在图6B的曲线图中示出。在图6B中，X轴表示热电物体53的d方向长度，Y轴表示摄氏温度。

参见图6B，热根据高温区50与低温区55之间的温度差移动。能看出，热电物体53与第一电极51接合的区域的温度是大约34.134℃，热电物体53的内部温度朝第二电极54线性降低。在图6B中示出的结果证明由于高温区50与低温区55之间的温度差而在热电物体53中在纵向方向(即，平行于高温区50和低温区55的面对表面)产生温度梯度。

还可以看出，从高温区50通过绝缘层52到低温区55的热转移量小，且热电物体53与高温区50之间的空白空间中以及热电物体53与低温区55之间的空白空间中的热对流转移受限。

根据本公开的实施方式，通过引导热H或载流子在热电器件的热电物体中基本平行于高温区和低温区的面对表面移动，能增加热电物体中的热阻。通过热电物体与电极之间的大接触面积能减小接触热阻，从而改善电力产生效率。

虽然以上已经详细描述了多个内容，但是它们应该理解为实施方式的实例而不是本公开的范围的限制。因此，本公开的范围应该由权利要求书的技术精神限制，而不是前述的实施方式。

Claims (17)

1.一种热电器件，包括：

低温区；

高温区；以及

热电物体，形成在所述低温区与所述高温区之间，

其中，热或载流子在所述热电物体中的移动方向与所述低温区和所述高温区的面对表面基本平行，

其中，第一电极形成在所述低温区与所述热电物体之间，第二电极形成在所述热电物体与所述高温区之间，使得所述热电物体与所述低温区和所述高温区间隔开。

2.根据权利要求1所述的热电器件，其中热或载流子在所述热电物体中的所述移动方向与所述低温区和所述高温区的每个所述面对表面之间的角度小于45度。

3.根据权利要求1所述的热电器件，其中所述第一电极形成在所述热电物体的第一端，所述第二电极形成在所述热电物体的第二端。

4.根据权利要求3所述的热电器件，还包括形成在所述热电物体的所述第二端与所述低温区之间或者所述热电物体的所述第一端与所述高温区之间的绝缘层。

5.根据权利要求3所述的热电器件，其中所述面对表面是其上形成所述第一电极或所述第二电极的表面。

6.根据权利要求1所述的热电器件，其中所述热电物体沿与连接所述低温区与所述高温区的最短线垂直的方向形成。

7.根据权利要求1所述的热电器件，其中所述热电物体包括金属、金属间化合物、半导体、硼化物或氧化物。

8.根据权利要求7所述的热电器件，其中所述热电物体包括N型材料或P型材料。

9.一种热电器件阵列，包括：

多个第一电极，形成在低温区上；

多个第二电极，形成在高温区上；

热电物体，与所述低温区和所述高温区间隔开，并通过连接所述多个第一电极的一端与所述多个第二电极的另一端而形成，

其中热或载流子在所述热电物体中的移动方向与所述低温区和所述高温区的面对表面基本平行，

其中所述第一电极形成在所述低温区与所述热电物体之间，所述第二电极形成在所述热电物体与所述高温区之间，使得所述热电物体与所述低温区和所述高温区间隔开。

10.根据权利要求9所述的热电器件阵列，其中所述热或载流子在所述热电物体中的移动方向与所述低温区和所述高温区的每个所述面对表面之间的角度小于45度。

11.根据权利要求9所述的热电器件阵列，其中所述面对表面是其上形成所述第一电极或所述第二电极的表面。

12.根据权利要求9所述的热电器件阵列，其中所述热电物体沿与连接所述低温区与所述高温区的最短线垂直的方向形成。

13.根据权利要求9所述的热电器件阵列，其中所述多个第一电极的所述一端与所述多个第二电极的所述另一端通过所述热电物体而轮流相反地连接，因而形成曲折结构。

14.根据权利要求13所述的热电器件阵列，其中所述热电物体形成为N型热电物体和P型热电物体轮流形成。

15.根据权利要求9所述的热电器件阵列，其中所述热电物体包括金属、金属间化合物、半导体、硼化物或氧化物。

16.根据权利要求15所述的热电器件阵列，其中所述热电物体包括N型材料或P型材料。

17.根据权利要求9所述的热电器件阵列，还包括形成在所述热电物体的一端或另一端与所述低温区或所述高温区之间的绝缘层。