一种热电能量采集器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于热电转化技术领域，涉及一种热电能量采集器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]热电转换技术是一种基于材料的塞贝克效应将热能直接转化成电能的电力技术。作为一种新能源和可再生能源的利用技术，由于其体积小、质量轻、寿命长、无机械运动部件、绿色环保等优点，热电转换技术引起了国内外科研人员的广泛关注。热电转换技术能够充分利用工业余热、废热、地热等低品位能源，为解决能源危机带来新的希望。
[0003]由于每个热电单元输出的电压很低，为了获得较高的电压以满足实际应用的需求，通常将很多热电偶对串联成热电堆，从而获得具有较高输出电压的热电能量采集器。
[0004]根据热流流经方向的不同，热电能量采集器主要分为垂直结构和平面结构。垂直结构由于热电偶臂端面与导热衬底接触面积较大，有良好的接触，可以降低接触热阻和接触电阻。但目前大多数垂直结构的热电能量采集器所采用BiTe等化合物，对人体和环境有害，且与CM0S-MEMS工艺不兼容，很难实现低成本的批量化生产。平面结构一般为热流方向沿热电偶臂与导热衬底平行的薄膜热电偶器件。相比垂直结构的热电能量采集器，平面结构的器件热流路径不及前者，但由于其具有较小的接触面，从而导致器件具有较高的集成度。但是由于器件内部的接触电阻和接触热阻都比较大，以及制备这种结构所使用的材料本身热电优值系数低，导致器件的温差利用率低、输出功率较小。
[0005]热电能量采集器的研究工作主要集中在两方面:1、寻找易于加工的具有高优值系数的热电材料；2、优化器件结构，使温差尽可能的落在热电偶臂两端。热电能量采集器的发展目标是运用具有较高热电优值系数的材料制备易于加工和集成的具有良好热流路径的器件。
[0006]因此，如何提供一种新型热电能量采集器及其制作方法，以实现高性能热电能量采集器的低成本批量化生产，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
【发明内容】
[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热电能量采集器及其制作方法，用于解决现有技术中平面结构的热电能量采集器接触热阻和接触电阻高、垂直结构的热电能量采集器不环保且难以低成本批量化生产的问题。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种热电能量采集器的制造方法，包括以下步骤:
[0009]S1:制作第一器件片，所述第一器件片包括第一导热板，形成于所述第一导热板上的若干分立的第一电连接块、连接于所述第一电连接块表面的第一热电偶臂、以及连接于所述第一热电偶臂顶端的第一键合层；
[0010]S2:制作第二器件片，所述第二器件片包括第二导热板，形成于所述第二导热板上的若干分立的第二电连接块、连接于所述第二电连接块表面的第二热电偶臂、以及连接于所述第二热电偶臂顶端的第二键合层；
[0011 ] S3:将所述第一器件片与第二器件片键合，使各个所述第一热电偶臂与第二热电偶臂通过所述第一电连接块与第二电连接块相互交替依次相连，其中，各个所述第一热电偶臂通过其顶端的第一键合层与相应的第二电连接块键合，各个所述第二热电偶臂通过其顶端的第二键合层与相应的第一电连接块键合。
[0012]可选地，所述步骤S1包括:
[0013]S1-1:提供第一导热板，在所述第一导热板上形成第一电连接层；
[0014]S1-2:在所述第一电连接层表面形成若干分立的第一热电偶臂；
[0015]S1-3:在所述第一热电偶臂顶端形成第一键合层；
[0016]S1-4:图形化所述第一电连接层，得到若干分立的第一电连接块，其中，每个所述第一电连接块与一个所述第一热电偶臂对应连接。
[0017]可选地，于所述步骤S1-1中，通过溅射法形成所述第一电连接层。
[0018]可选地，于所述步骤S1-2中，形成所述第一热电偶臂包括:
[0019]S1-2-1:在所述第一电连接层表面形成第一光刻胶层；
[0020]S1-2-2:图形化所述第一光刻胶层，形成第一热电偶臂图形开口 ；
[0021]S1-2-3:在所述第一热电偶臂图形开口内电镀填充第一热电材料，并平坦化。
[0022]可选地，于所述步骤S1-4中，通过干法刻蚀图形化所述第一电连接层。
[0023]可选地，所述步骤S2包括:
[0024]S2-1:提供第二导热板，在所述第二导热板上形成第二电连接层；
[0025]S2-2:在所述第二电连接层表面形成若干分立的第二热电偶臂；
[0026]S2-3:在所述第二热电偶臂顶端形成第二键合层；
[0027]S2-4:图形化所述第二电连接层，得到若干分立的第二电连接块，其中，每个所述第二电连接块与一个所述第二热电偶臂对应连接。
[0028]可选地，所述第一热电偶臂的材料包括铜、铜镍、镍招、镍络、镍络娃、镍娃、铁、铀及铀铭中的至少一种；所述第二热电偶臂的材料包括铜、铜镍、镍招、镍络、镍络娃、镍娃、铁、铂及铂铑中的至少一种。
[0029]可选地，所述第一热电偶臂与第二热电偶臂分别为P型碲化铋与N型碲化铋。
[0030]可选地，所述第一电连接块为Ti/Au复合层或TiW/Au复合层；所述第二电连接块为Ti/Au复合层或TiW/Au复合层。
[0031]可选地，所述第一键合层及第二键合层的材料包括Sn。
[0032]本发明还提供一种热电能量采集器，包括第一器件片及第二器件片，其中:
[0033]所述第一器件片包括第一导热板，形成于所述第一导热板上的若干分立的第一电连接块、连接于所述第一电连接块表面的第一热电偶臂、以及连接于所述第一热电偶臂顶端的第一键合层；
[0034]所述第二器件片包括第二导热板，形成于所述第二导热板上的若干分立的第二电连接块、连接于所述第二电连接块表面的第二热电偶臂、以及连接于所述第二热电偶臂顶端的第二键合层；
[0035]所述第一器件片与第二器件片键合在一起构成所述热电能量采集器，其中，各个所述第一热电偶臂与第二热电偶臂通过所述第一电连接块与第二电连接块相互交替依次相连，其中，各个所述第一热电偶臂通过其顶端的第一键合层与相应的第二电连接块键合，各个所述第二热电偶臂通过其顶端的第二键合层与相应的第一电连接块键合。
[0036]可选地，所述第一热电偶臂的材料包括铜、铜镍、镍招、镍络、镍络娃、镍娃、铁、铀及铀铭中的至少一种；所述第二热电偶臂的材料包括铜、铜镍、镍招、镍络、镍络娃、镍娃、铁、铂及铂铑中的至少一种。
[0037]可选地，所述第一热电偶臂与第二热电偶臂分别为P型碲化铋与N型碲化铋。
[0038]可选地，所述第一电连接块为Ti/Au复合层或TiW/Au复合层；所述第二电连接块为Ti/Au复合层或TiW/Au复合层。
[0039]可选地，所述第一键合层及第二键合层的材料包括Sn。
[0040]如上所述，本发明的热电能量采集器及其制作方法，具有以下有益效果:本发明的热电能量采集器与传统平面结构的采集器相比，其垂直结构热电偶臂端面与导热板之间具有较大的接触面积，可以降低接触热阻和接触电阻，提高器件的温差利用率和发电功率；同时，相比传统垂直结构的热电能量采集器的制备方法，这种新型热电能量采集器的制备方法与CMOS工艺兼容，可以实现环保、低成本的批量化生产。
【附图说明】
[0041]图1显示为本发明的热电能量采集器的制造方法的工艺流程图。
[0042]图2-图8显示为本发明的热电能量采集器的制造方法制作第一器件片的示意图。
[0043]图9显示为本发明的热电能量采集器的制造方法制作得到的第二器件片的示意图。
[0044]图10-图11显示为本发明的热电能量采集器的制造方法将所述第一器件片与第二器件片键合得到热电能量采集器的示意图。
[0045]元件标号说明
[0046]S1 ?S3步骤
[0047]101第一导热板
[0048]1011，2011硅片
[0049]1012，2012二氧化硅绝缘层
[0050]102第一电连接层
[0051]103第一光刻胶层
[0052]104第一热电偶臂图形开口
[0053]105第一热电偶臂
[0054]106第二光刻胶层
[0055]107第一键合层
[0056]108第一电连接块
[0057]201第二导热板
[0058]202第二电连接块
[0059]203第二热电偶臂