温差发电器理论及其结构_电工基础

温差发电器理论及其结构

点击数：7377 次录入时间：03-04 11:58:09 整理：http://www.55dianzi.com 电工基础

es New Roman">IC加工的方法连接起来。目前，微温差发电器的结构可以分为横向结构和纵向结构。在横向结构中，如图4-9所示，N型和P型单体附着在绝缘的基片上，这两种单体呈长条状，平行排列，中间用导电层材料连接实现串连。这种结构比较简单，没有焊接层，导电层材料直接气相沉积在N型和P型单体之间实现了连接。而且也只有一个基片，所有的热电单元位于基材的同一面，热电单元两端温度梯度的方向与基材的表面平行。这种结构可以使每一个单元做得很长，沿着温度梯度的方向上建立较大的温差，但由于热量容易穿过较薄的基材而散失，所以效率一般较低。纵向结构中所有的单元都竖直地排列在基材上，所以热电单元两端温度梯度的方向与基材的表面也垂直。这种结构目前研究中被较多地采用，图4 -10是为JPL设计的结构。在两个基片之间布满了N型和P型单体，单体之间通过导电层来连接。优点是温度梯度建立的区域较大，发电器效率相对较高。但是，在温差方向上每个单体的长度较小，一般都在几十微米，很难建立起较大的温差，所以单个单体的输出电压很低。为了实现高电压输出，通常将大量的单体通过IC工艺串联起来，实现电压串连达到高电压。

垂直型结构是当前微型温差发电器件采用的主要结构之一。它的原理与传统的温差发电器件非常类似，只不过热电偶臂采用了特殊的半导体材料，或是对热电偶臂进行了特殊的工艺加工，使其尺寸减小。由于在这种结构的发电器件中，热流的方向与衬底表面垂直，因而称为Cross - Plane型。

图4-9 横向结构微型温差发电器示意图

图4 -10 纵向结构微型温差发电器示意图

水平型称为In - Plane型，与垂直型热电发电器件不同，其热电偶臂通常用微电子工艺中的光刻技术加工在衬底沉积的热电薄膜而得到，热电薄膜采用的半导体材料也多是与微电子工艺兼容的硅或多晶硅。因此，它比垂直型热电发电器件更容易由微电子工艺线批量生产。不过，由于在这种结构的发电器件中，热流的方向与衬底表面平行，因而必须要面临支撑层和衬底热漏带来的性能损失问题。

新型水平型双层微温差发电器设计构想是，基于MEMS加工的微温差发电器件采用薄膜半导体作为热电偶臂。由于量子物理和经典物理中的电子声子尺度效应使材料热导率有明显的下降，能够比半导体热电器件具有更高的效率和性能。利用MEMS的微机械加工工艺可以在微尺度结构上制作出微温差发电器件需要的各种立体形状和各种优化结构，这是除改善热电材料性能之外的另一种提高热电效率的途径。

现在的主要研究方向是设计并利用MEMS微机械加工手段实现一系列微结构，使热电器件的效率得到很大提高。一种新的可利用MEMS微机械加工工艺实现的水平型双层大截面积热电臂微温差发电器件，可以提高发电效率。在水平型双层大截面积温差臂微热电发电器件的设计和制作中，为了在薄膜热电堆中增加更多的热电偶数量，提高薄膜热电堆的输出量，在热电臂排列方式上采用了一种双层立体排列热电臂的结构。采用分层立体设计，串联的热电偶元件数量更多，而且有效地提高了输出量和性能。在此基础上进行的改进，采用了相对简单的MEMS加工和KOH腐蚀技术，实现具有较大截面积的热电臂，从而降低器件电阻，使热电发电性能提高。