專利名稱：一種基于精密機械加工的微型熱電器件制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料的微加工和器件集成領(lǐng)域，具體涉及到一種基于精密機械加工的微型熱電器件制作方法。
背景技術(shù)：
熱電器件是指可以直接實現(xiàn)電能與熱能相互轉(zhuǎn)換的一類電子元件，其核心是由多組不同載流子類型的熱電材料串并聯(lián)起來組成的熱電模塊。相比傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)電機和空氣壓縮制冷機，熱電器件的主要優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單，沒有移動部件(因此也無振動噪聲)，以及易于小型化、微型化；劣勢是在大功率應用時，能量轉(zhuǎn)換效率相對較低。微型化的熱電器件不僅在換能效率上占有相對的優(yōu)勢，而且可以在光電元件、電子芯片的散熱，以及基于 MEMS (microelectromechanical systems,微機電系統(tǒng))技術(shù)的微型電源、微區(qū)精確控溫和生物醫(yī)學等方面獲得新的應用。熱電器件的基本結(jié)構(gòu)是由若干對具有正、負載流子的熱電材料(P型、N型)串聯(lián)組成的熱電臂陣列。工作時的輸出功率是P型、N型材料功率的總和。一般熱電器件的制作步驟是先將塊體熱電材料切割成熱電臂的形狀，再按照P型、N型交錯的方式排布成陣列。然而這種工藝方法在加工微型熱電器件時遇到兩個主要的困難第一，熱電材料通常強度較低，加工性能也較差，因此微型熱電臂的尺寸下限和加工精度都受到了限制；第二，即使加工出了微型的熱電臂,將其規(guī)則地排列起來也需要較高的工藝和人力成本。而本發(fā)明可以較好的解決這些問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于精密機械加工的微型熱電器件制作方法，其主要特點是通過切割-插嵌復合-再切割的方式同步實現(xiàn)熱電臂的加工和陣列的排布，節(jié)省了工藝和人力成本。同時，由于第二次切割時熱電薄片受到了環(huán)氧樹脂的支撐和保護，因此熱電臂可以獲得更高的微細化程度和加工精度。一種基于精密機械加工的微型熱電器件制作方法，該方法包括如下步驟(I)先利用精密切割法分別在P型、N型薄片狀熱電塊體材料表面上加工出一系列平行凹槽，然后在環(huán)氧樹脂的潤滑下使P型和N型薄片插嵌復合，并進行固化處理，得到復合薄片；(2)將復合薄片的其中一個表面拋光，然后在此表面上，沿與步驟(I)切割方向垂直的方向切割出一系列平行凹槽，并填入環(huán)氧樹脂，固化后形成微型熱電臂陣列；(3)制作串聯(lián)連接熱電臂陣列的電極，并封裝成微型熱電器件。所述的P型和N型薄片狀熱電塊體材料的厚度為I 2毫米。步驟(I)和⑵中采用相同的環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值為35 45。步驟(I)中凹槽的深度為O. 3 I毫米，寬度為50 200微米，相互間隔距離為凹槽寬度的80% 90%。
步驟(2)拋光時一般要將復合薄片拋光至露出P型和N型的插嵌復合部分。步驟(2)中凹槽的深度為O. 3 O. 8毫米，寬度為50 500微米，間隔為50 500微米。步驟(I)和步驟(2)中，固化時間為24小時以上。步驟(3)中電極的制作包括如下步驟將熱電臂陣列的一個表面拋光，然后利用紫外光刻的方法在此表面上制作出光刻膠的掩模，再利用等離子刻蝕的方法刻蝕掩模中露出的部分，隨后利用磁控濺射的方法制作出此表面上的電極；利用同樣的方法制作熱電臂陣列另一面的電極。電極為鎳-銅復合薄膜，其中，鎳在底層(貼近熱電臂)，厚度為O. I O. 5微米；銅在表層，厚度為3 10微米；電極的形狀為正方形，邊長等于步驟(I)中切割的凹槽相互之間的間隔。·
本制作方法中樹脂復合步驟起了關(guān)鍵的作用。首先，在切割過程中，樹脂對熱電臂起了定位和提高強度的作用這使得熱電臂的切割和數(shù)組排布可以一次同時完成，而且在步驟(2)切割時由于樹脂的填充和粘接作用，容易切出完好的高縱橫比熱電臂。其次，在器件使用中，由于樹脂是電和熱的良好絕緣體(約為熱電材料的1/6)，因此樹脂的存在基本不會影響器件的能量轉(zhuǎn)換功率和效率，反而可能提高器件的整體柔韌度和可靠性。本發(fā)明的有益效果為通過切割-插嵌復合-再切割的方式同步實現(xiàn)熱電臂的加工和陣列的排布，操作簡便，節(jié)省了工藝和人力成本；由于切割時熱電薄片受到了環(huán)氧樹脂的支撐和保護，因此熱電臂可以獲得更高的微細化程度和加工精度，可以將熱電臂截面的微型化程度達到100微米以下，加工精度誤差達到10微米以下，熱電臂的縱橫比達到3以上，器件的最高集成度達到每平方厘米10000個熱電臂以上。
圖I是本發(fā)明的主要制作流程圖(a)表面加工有凹槽的P型、N型薄片，(b)將P型和N型復合薄片的其中一面拋光后所得表面，(c)將微型熱電臂陣列的一面拋光后所得表面，(d)制作的A面電極，(e)制作的B面電極；圖2是用來串聯(lián)微型熱電臂陣列的電極的制作流程；圖3是制作的不同尺度的熱電臂陣列的光學顯微照片；圖4是制作的微型熱電器件的熱電臂陣列和連接電極的光學顯微照片；圖5電極局部的高倍放大微觀形貌。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅限于實施例中所涉及的內(nèi)容。本發(fā)明主要通過兩個步驟實現(xiàn)第一步先利用切割-插嵌復合-再切割的方法制作環(huán)氧樹脂復合的微型熱電臂陣列，第二步是利用紫外光刻、等離子刻蝕和磁控濺射等微加工的方法制作串聯(lián)連接熱電臂的電極。具體制備工藝如下(I)如圖I所示，利用精密劃片機在兩片厚度為I 2毫米的P型和N型薄片狀熱電塊體材料表面分別切割出深度為O. 3 I毫米，寬度為50 200微米，相互間隔為寬度的80% 90%的一系列平行凹槽，凹槽的間隔略小于凹槽的寬度，其目的是為了能夠緊密地插嵌，然后在環(huán)氧值為35 45的環(huán)氧樹脂的潤滑作用下插嵌復合起來，并固化24小時以上，得到P型和N型熱電材料的復合薄片。(2)將復合薄片其中一個表面拋光至露出P型和N型的插嵌復合部分，然后在此表面上沿與上次切割方向垂直的方向切割出深度為O. 3 O. 8毫米，寬度為50 500微米，間隔為50 500微米的一系列平行凹槽，并填入與步驟(I)中相同的環(huán)氧樹脂固化24小時以上，形成微型熱電臂陣列。(3)如圖2所示，將與樹脂復合好的熱電臂陣列(熱電堆)拋光一個表面，涂覆感 光膠，并通過曝光和顯影獲得A面電極的圖案，利用氬氣等離子轟擊清洗表面，然后磁控濺射鎳-銅復合電極，利用濕法去膠工藝去除光刻膠，并用樹脂和硅片封裝A面；利用同樣的方法制作B面的電極，并封裝，就可以制作出適用于便攜式電源或微區(qū)制冷的毫米尺度的微型熱電器件。其中，鎳-銅復合電極的鎳層與熱電材料接觸，厚度為O. I O. 5微米，作用是提高電極與材料的粘接力，以及阻止銅向熱電材料中擴散，銅的厚度為3 10微米，作用是提供高電導。實施例I(I)利用精密劃片機在厚度為2毫米的P型和N型薄片狀熱電塊體材料表面分別切割出深度為O. 6毫米，寬度為200微米，相互間隔為180微米的一系列平行凹槽，然后在環(huán)氧樹脂(環(huán)氧值為44)的潤滑作用下插嵌復合起來，并固化24小時，得到P型和N型熱電材料的復合薄片。(2)將復合薄片其中一個表面拋光至露出P型和N型的插嵌復合部分(拋光掉的厚度為1.4毫米)，然后在此表面上沿與步驟(I)中切割方向垂直的方向切割出深度為O. 6毫米，寬度為200微米，間隔為400微米的一系列平行凹槽，并填入環(huán)氧樹脂(環(huán)氧值為44)的固化24小時，形成微型熱電臂陣列，如圖3 (a)所示。(3)將與樹脂復合好的熱電臂陣列拋光一個表面，涂覆感光膠，并通過曝光和顯影獲得A面電極的圖案，利用氬氣等離子轟擊清洗表面，然后磁控濺射鎳-銅復合電極，利用濕法去膠工藝去除光刻膠，并用樹脂和硅片封裝A面；利用同樣的方法制作B面的電極，并封裝成微型熱電器件。其中，制作的鎳-銅復合串聯(lián)電極的邊長為O. 18毫米，鎳層厚度為O. 2 O. 25微米，銅層厚度為7 7. 5微米。實施例2(I)利用精密劃片機在厚度為2毫米的P型和N型薄片狀熱電塊體材料表面分別切割出深度為O. 5毫米，寬度為100微米，相互間隔為80微米的一系列平行凹槽，然后在環(huán)氧值為44的環(huán)氧樹脂的潤滑作用下插嵌復合起來，并固化24小時以上，得到P型和N型熱電材料的復合薄片。(2)將復合薄片其中一個表面拋光至露出P型和N型的插嵌復合部分，然后在此表面上沿與上次切割方向垂直的方向切割出深度為O. 4毫米，寬度為150微米，間隔為200微米的凹槽，并填入相同的環(huán)氧樹脂固化24小時以上，形成微型熱電臂陣列，如圖3(b)所示。(3)將與樹脂復合好的熱電臂陣列拋光一個表面，涂覆感光膠，并通過曝光和顯影獲得A面電極的圖案，利用氬氣等離子轟擊清洗表面，然后磁控濺射鎳-銅復合電極，利用濕法去膠工藝去除光刻膠，并用樹脂和硅片封裝A面；利用同樣的方法制作B面的電極，并封裝。其中，制作的鎳-銅復合串聯(lián)電極的邊長為O. 08毫米，鎳層厚度為O. 4 O. 45微米，銅層厚度為6 6. 5微米。實施例3(I)利用精密劃片機在厚度為I. 5毫米的P型和N型薄片狀熱電塊體材料表面分別切割出深度為O. 8毫米，寬度為200微米，相互間隔為170微米的一系列平行凹槽，然后在環(huán)氧值為36的環(huán)氧樹脂的潤滑作用下插嵌復合起來，并固化24小時以上，得到P型和N型熱電材料的復合薄片。(2)將復合薄片其中一個表面拋光至露出P型和N型的插嵌復合部分，然后在此 表面上沿與上次切割方向垂直的方向切割出深度為O. 7毫米，寬度為200微米，間隔為400微米的凹槽，并填入環(huán)氧值為36的環(huán)氧樹脂固化24小時以上，形成微型熱電臂陣列(圖4(a), (b))。(3)將與樹脂復合好的熱電臂陣列(熱電堆)拋光一個表面，涂覆感光膠，并通過曝光和顯影獲得A面電極的圖案，利用氬氣等離子轟擊清洗表面，然后濺射鎳-銅復合電極，利用濕法去膠工藝去除光刻膠，并用樹脂和硅片封裝A面；利用同樣的方法制作B面的電極，并封裝成微型熱電器件。制作的鎳-銅復合串聯(lián)電極(圖4(c)、(d))的邊長為170微米，鎳層厚度為O. 35 O. 4微米，銅層厚度為4 4. 5微米。每根熱電臂的截面積為O. 07平方毫米，長度為O. 6毫米。如圖5所示為單個電極的局部高倍放大微觀形貌。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種基于精密機械加工的微型熱電器件制作方法，其特征在于該方法包括如下步驟 (1)先利用精密切割法分別在P型、N型薄片狀熱電塊體材料表面上加工出一系列平行凹槽，然后在環(huán)氧樹脂的潤滑下使P型和N型薄片插嵌復合，并進行固化處理，得到復合薄片; (2)將復合薄片的其中一個表面拋光，然后在此表面上，沿與步驟(I)切割方向垂直的方向切割出一系列平行凹槽，并填入環(huán)氧樹脂，固化后形成微型熱電臂陣列； (3)制作串聯(lián)連接熱電臂的電極，并封裝成微型熱電器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的P型和N型薄片狀熱電塊體材料的厚度為I 2毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(I)所述的凹槽的深度為0.3 I毫米，寬度為50 200微米，相互間隔距離為凹槽寬度的80% 90%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(2)中拋光時要將復合薄片拋光至露出P型和N型的插嵌復合部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(2)所述的凹槽的深度為0.3 0. 8毫米，寬度為50 500微米，間隔為50 500微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(I)和步驟(2)中采用相同的環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值為35 45。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(I)和步驟(2)中，固化時間為24小時以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟(3)中所述電極的制作包括如下步驟將熱電臂陣列的其中一面表面拋光，然后利用紫外光刻的方法在此表面上制作出光刻膠的掩模，再利用等離子刻蝕的方法刻蝕掩模中露出的部分，隨后利用磁控濺射的方法制作出此表面上的電極；利用同樣的方法制作熱電臂陣列另一面的電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于電極為鎳-銅復合薄膜，鎳在底層，厚度為0. I 0. 5微米，銅在表層，厚度為3 10微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、8或9所述的方法，其特征在于電極的形狀為正方形，邊長等于步驟(I)中切割的凹槽相互之間的間隔。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于功能材料的微加工和器件集成領(lǐng)域的一種基于精密機械加工的微型熱電器件制作方法。該工藝的核心是熱電堆(熱電臂陣列)的制作，具體步驟為先利用精密切割法分別在P、N型熱電塊體薄片上加工出一系列平行凹槽，然后在環(huán)氧樹脂的潤滑下插嵌復合，待固化后再沿垂直于這些溝槽的方向切割出一系列平行凹槽并填入環(huán)氧樹脂，待再固化后經(jīng)過拋光就可以制作出二維排布的熱電臂陣列。通過后續(xù)的電極制作和封裝工藝，就可以制作出適用于便攜式電源或微區(qū)制冷的毫米尺度的微型熱電器件。
文檔編號B81C1/00GK102810626SQ20111014961
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者李敬鋒, 劉大為 申請人:清華大學