4.2.3.1几种研究方案
提高热电材料性能是提高温差发电器热电转换效率和功率密度的一个重要途径，而制作各种优化结构的微热电器件又是另一种提高热电效率的方法。现有微小型温差发电器按结构形式分，主要有微卷式、薄膜式和热电堆式。
1．微卷式温差发电方案
普林斯顿大学和南加州大学成功研制了微卷式温差发电器。普林斯顿大学研究方案如图4 -11所示。
图4 - 11 普林斯顿大学温差发电方案
l-引火导线；2一反应层；3-废气出口；4-空气入口；5-燃料入口。
其尺寸为12. 5mm×12. 5mm×5mm，管道宽度为0.075mm，材料为氧化铝陶瓷，热电材料沿管道侧壁分布。燃料和空气由泵泵入进气通道，在微卷式发电器燃烧中心经过催化点燃而持续燃烧。燃烧后的废气通过螺旋管道排出，在管道中心和外围产生温差，从而使串联的热电材料产生电流。普林斯顿大学还进行了包括氢、甲烷、甲醇和乙醇等燃料作为热源的研究。当在300℃时，氢气和空气的混合气可以在较大范围的比例下反应，反应产生的热量为2W - 12W，经过热电转换，能‘点亮l00mW的灯泡。美国南加州大学开发的Micro - Fire微型电源系统用电化学微机械加工技术( EFAB)将微燃烧室、微热电发电器和热交换器集成在一个微器件中。方案有微型和中型两种，微型和中型的管径分别为0. 13mm和3mm，每种方案有二维和三维结构。通过控制气体燃料的流入，研究了不同流速和温度情况下的发电工作状况。对比研究发现，三维结构能减少热量的损失。
2．薄膜式温差发电方案
薄膜式温差发电器的主要特点是热电材料呈薄膜状，P、N电偶臂多呈串联形式，且体积比较小。美、英、德先后研制成功了In - Plane型温差发电器。
图4 - 12为密歇根大学研制的发电器，燃烧室为一长方体，尺寸为2mm×8mm x0. 5mm。底为耐高温玻璃，侧壁材料为硅，燃烧室里面串联排列多条热电臂。通过氢气和空气在燃烧室中催化燃烧产生热能，每一对热电偶能输出1μW的电能。斯图加特大学采用体硅微加工技术，制造了桥结构的In - Plane型微热电发电器件，结构示意图如图4 -13所示。器件由硅材料构成，P型和N型的电偶臂长宽分别为500 μm和7μm，通过在中间10μm厚的硅薄膜上掺杂形成，掺杂深度为1μm，热电偶连接的数量有10个。这种结构利用衬底的垂直侧面提供温差，因而衬底内部与热电臂平行的热流损失得到了降低。衬底垂直侧面温差为10K时，热电功率达到1.5μW。In - Plane型微热电发电器件的结构可以用IC的薄膜工艺，方便地形成热电臂之间的导流层，与标准IC工艺兼容。这种发电器能产生μW级的功率，可以为微小功率器件供电。
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