【正文】 [16] 宋瑞銀 , 李偉 , 楊燦軍 , 劉宜勝 ,中國機(jī)械工程 2020年 20期 微型熱電發(fā)電器的性能測試分析 [17] 趙鎮(zhèn)南 《傳熱學(xué)》 高等教育出版社 P492 附錄 3 [18] 鐘廣學(xué) . 半導(dǎo)體制冷器件及其應(yīng)用 . 北京：科學(xué)出版社 . [19] 王為 ,張建中等 . 由一維納米線陣列結(jié)構(gòu)溫差熱電材料構(gòu)制的微溫差電池 [P]. 北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社 ,2020. 公開號 CN 1352468A. [20] 高敏 , 張景韶 , D. M. Rove. 溫差電轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用 , 北京 : 兵器工業(yè)出版社 1996（ 8） . 46 [21] 張華俊 , 陳浩 , 王俊 . 半導(dǎo)體熱電堆電臂尺寸之研究 ,太陽能學(xué)報 ,2020（ 4） . [22] 錢劍鋒 . 熱電式微電源設(shè)計及性能研究 . 碩士學(xué)位論文 .2020(1） . [23] 張大成 . 基于硅深刻蝕工藝的硅微模具制造技術(shù) .微型機(jī)電系統(tǒng)研究論文集 . 北京 : 清華大學(xué)出版社 , 2020. [24] 清華大學(xué)工程物理系技術(shù)物理研究所 , 美國能源部投資開發(fā)更小 同 位 素 微 型電池技術(shù) . 2020. [25] 高敏 . 空間探測用半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng) . 中國空間科學(xué)技術(shù) . （ 6） . [26] 王華軍 , 韓剛 . 半導(dǎo)體熱電發(fā)電技術(shù) [J], 太陽能 , 2020（ 6） : 17－ 19. [27] 王宏 . 微電子機(jī)械系統(tǒng) (MEMS) 的發(fā)展研究 . 微處理機(jī) .2020,3(3): 47. [28] 朱鍵 . MEMS 技 術(shù) 的 發(fā) 展 與 應(yīng) 用 . 半 導(dǎo) 體 技 術(shù) , 2020,28(1):2932. 47 。這次設(shè)計不僅增強(qiáng)我個人的自信，也培養(yǎng)了與他人的團(tuán)結(jié)和作精 神。一些結(jié)構(gòu)、尺寸方面還有 些地方有待樓偉同學(xué)的優(yōu)化。由于在該設(shè)計中沒有多少壓力的要求，所以可以在一定程度上降低金屬軟管的壓力要求，以減少軟管的成本。 余 熱發(fā)電器 模塊之間的連接部件 模塊之間的連接件采用外部購買的不銹鋼編織軟管，購買的單位為： 上海滬旋旋轉(zhuǎn)接頭廠 ，該單位供應(yīng)的 RL 型金屬 軟管，內(nèi)管是通水管道 電偶臂 導(dǎo)熱肋板 通氣管 道道 緊定框架 電絕緣導(dǎo)熱層、導(dǎo)流層 42 EPDM（ 三元乙丙橡膠 ）的，耐高溫高壓，外表是不繡鋼絲編織而成，材質(zhì) :銅芯銅帽 鋁絲 /不銹鋼絲 或者是 銅芯鋅帽 鋁絲 /不繡 剛絲 ，我現(xiàn)在在我的設(shè)計中選用的材質(zhì)是 : 銅芯鋅帽 、 不繡 剛絲 外套。具體的安裝手段以及自加工的螺絲螺母的詳細(xì)請看附錄上的 圖紙。 固定框的 形狀 是將內(nèi)部的元件包緊在一起，固定框的兩端用自加工的螺絲螺母加以固定，并施加一定的鎖緊力，使得內(nèi)部的元件不能移動，保證整個機(jī)構(gòu)能正常的工作。整個工藝主要包括涂膠、曝光顯影、光刻、鑄模以及鍵合封裝等工藝，主要反應(yīng)了硅模和電偶臂的制作工藝。經(jīng)過電偶臂與焊料層的鍵合、發(fā)電器的切割封裝后，就得到需要的熱電發(fā)電器。再次待硅模冷卻，熱電材料固化。然后將 P 型熱電材料注入到硅模一面的方形槽 中。這就制成了我們需要的硅模。翻轉(zhuǎn)硅片，在另外一面涂上光刻膠，重復(fù)曝光顯影、光刻、清洗等工作，在另一面形成方形槽陣列。經(jīng)過曝光顯影，光刻膠在硅片表面形成方孔陣列，然后通過深度光刻，使硅片形成方孔陣列，該方孔陣列不是通孔而是一個方形槽陣列。然后放在涂膠機(jī)上 涂一層光刻膠 PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）。選擇拋光硅片，其厚度為 ~，尺寸為 8” 。由于電偶臂尺寸小，材料脆性較大，故這里采用了硅模工藝，即首先制作好一種帶方孔陣列的硅模，然后注入熔融的熱電材料，和發(fā)電器覆蓋基板焊合后，再去除原有的硅模，留下熱電電偶臂。具體流程圖如圖 3－ 21。 37 余 熱發(fā)電器的工藝設(shè)計 熱電發(fā)電器電偶臂的截面尺寸一般在 1mm2 及以上，顆粒尺寸相對較大，熱電材料的切割相對比較容易。這樣，熱電發(fā)電器的制作就完成。在高溫爐中靜置一段時間后，將發(fā)電器取出，用電阻儀初步測試引線兩端的電阻，如電阻不是無窮大（一般在 1～ 10 歐姆的范圍），說明焊合正常。等導(dǎo)電膠凝固后，將發(fā)電器置于高溫恒溫爐中靜置 10 小時以上， 讓焊料充分和電偶臂導(dǎo)流層充分焊合。然后再用焊料將導(dǎo)出引線與導(dǎo)流層出口粘接在一起。采用專門定制的模具，見圖 3－ 20，將 P 型電偶臂顆粒和 N 型電偶臂顆粒間隔排列模具的方槽中。然后在方形槽內(nèi)注入高溫導(dǎo)電銀膠，從而形成需要的焊料層。導(dǎo)流層陣列見圖 3－ 18，圖左和圖右分別覆蓋基板導(dǎo)流層陣列圖形以及半導(dǎo)體電偶臂陣列結(jié)構(gòu)圖。其加工工藝如圖 3－ 17。 圖 313 電絕緣導(dǎo)熱覆蓋片 31 圖 314 導(dǎo)流層 32 圖 315 電偶臂 33 電偶臂中的電流 流向如下圖所示： 圖 316 電偶臂中 電流的流向 余 熱發(fā)電器的結(jié)構(gòu)制作 全套圖紙及更多設(shè)計請 聯(lián)系 ： 360702501普通熱電堆式熱電發(fā)電器主要包括氧化鋁陶瓷片制作加工，熱電材料的配制、 PN半導(dǎo)體材料的制作，熱電發(fā)電器的裝配等幾部分工藝，其制作工藝也呈規(guī)?；⒓苫攸c。 電偶臂材料是 Bi2Se3，熱電發(fā)電器電偶臂截面尺寸為 3mm 3mm，高度為 ，電偶臂對數(shù) 199對。當(dāng)電偶臂兩端存在溫差時， P、 N 結(jié)兩種不同熱電材料將產(chǎn)生塞貝克（ Seebeck）效應(yīng)，故而在回路中產(chǎn)生電流。設(shè)計流道是以熱量的最大利用為目標(biāo)的，所以我考慮 28 到了“雙管形熱電發(fā)電器”和“方形熱電發(fā)電器”，雙管形熱電發(fā)電器的熱量利用率雖然比方形熱電發(fā)電器要高，但其應(yīng)用于實際當(dāng)中制作方面要求較高而且維修不方便，方形熱電發(fā)電器不但具有較高的熱利用率而且后期用于實際中制作方便，維修簡單，所以最后在我和老師的討論下決定設(shè)計方形熱電發(fā)電器模塊。由資料可知：薄膜式熱電發(fā)電方案從微加工技術(shù)方面來說是比較成熟的，其體積尺寸也比較小，但其產(chǎn)生的功率普遍較低，一般只有微瓦級，所以在設(shè)計中也沒有予以采用。 我考慮過的形狀有：微卷式（ SwissRoll）、熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器 。 熱電 發(fā)電器模塊 的設(shè)計主要包括水流道、氣流道和熱電發(fā)電偶臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 余 熱 發(fā)電器模塊 的設(shè)計 全套圖紙及更多設(shè)計請聯(lián)系 ： 360702501 熱電堆式微小型熱電發(fā)電器主要包括上下導(dǎo)熱覆蓋片、導(dǎo)流片、焊料層、 PN 結(jié)電偶臂和輸出導(dǎo)線等部分。薄膜式熱電發(fā)電方案從微加工技術(shù)方面來說是比較成熟的，其體積尺寸也比較小．但其產(chǎn)生的功率普通較低，一般只有微瓦級熱電堆的 PN 結(jié)相對于溫度場是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每一對 PN 結(jié)均有相同的溫差，故每一對 PN結(jié)串聯(lián)后，產(chǎn)生的功率相對較大另外，其熱源腔可以設(shè)計得相對較大，燃料的燃燒，溫控等相對容易，但 27 其熱損失比微卷式發(fā)電器要大。另外這種 CrossPlane 結(jié)構(gòu)固有的缺點就是，熱電偶臂之間的金屬導(dǎo)流層不容易制造。目前， JPL 正在研究用 P 型和 N 型 Bi2T3, 納米線代替厚膜合金，便用類似的方法實現(xiàn)更小尺寸的半導(dǎo)體電偶臂。實際的測試器件由 2300 個熱電偶連成，熱電臂的長度為 50μm, 直徑為 6μm, 在 溫差下，可以以 的電壓提供 22mw 的功率。他們擯棄了體技術(shù)，而采用了厚膜Bi2Te3 合金材料，在保持熱電臂截面積與長度之比不變的條件下，縮小熱電臂，提高了熱電功率單位體積內(nèi)的密度。兩層襯底為發(fā)電器的冷端和熱端中間夾著連 接在一起的熱電偶。 熱電堆式熱電發(fā)電器 它是由美國噴氣動力實驗室（ JPL）研制的 CrossPlane。這種結(jié)構(gòu)用襯底的垂直側(cè)面提供溫差，因而襯底內(nèi)部與熱電臂平行的熱流損失得到了 降 25 低。使用熱導(dǎo)率較低的石英時，由于襯底熱泄露大大降低，器件能量轉(zhuǎn)換效率可提高 50 倍 ,德國斯圖加特大學(xué)用晶體硅微加工技術(shù)，制造了橋結(jié)構(gòu)的 InPlane 型微熱電發(fā)電器件。其測試器件大小為 ： 5mm*10mm*，為了測試的目的，內(nèi)含不同數(shù)量和尺寸的熱電臂。 圖 33 Swiss Roll溫度分布仿真 實驗研究還表明，三維的 Swiss Roll 結(jié)構(gòu)能減少熱量的損失 美國普林斯頓大學(xué)研究的方案 這是由德 國斯圖加特大學(xué)研制的 InPlane 微型熱電發(fā)生器，如下圖 24 圖 34 InPlane 微型熱電發(fā)生器 InPlane 型微熱電發(fā)電器件的結(jié)構(gòu)可以用 IC 的薄膜工藝，方便地形成半導(dǎo)體電偶臂之間的金屬電連接導(dǎo)流層