專利名稱：一種高效集成半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，尤其是節(jié)省半導(dǎo)體材料、提高發(fā)電效 率、集成化的半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊。
背景技術(shù)：
目前，半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊主要用于油田、野外、軍事、太陽能、地?zé)?、工業(yè) 廢能等領(lǐng)域，它的工作原理是在兩塊不同性質(zhì)的半導(dǎo)體兩端設(shè)置一個溫差，于是在半導(dǎo) 體上就產(chǎn)生了直流電壓。溫差半導(dǎo)體發(fā)電有著無噪音、壽命長、性能穩(wěn)定等特點。可在 零下40攝氏度的寒冷環(huán)境中迅速啟動，因此在實際中得到越來越廣泛的應(yīng)用。溫差發(fā)電 是一種新型的發(fā)電方式，利用塞貝爾效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，一般是用P型半導(dǎo)體 和N型半導(dǎo)體材料制成，實際應(yīng)用中，從熱電材料切割下來的大量P型、N型顆粒，采用 電氣上串聯(lián)，熱學(xué)上并聯(lián)形成一個模塊。這種裝置很早就用于航空航天領(lǐng)域中的發(fā)電， 以及儀表、通訊和其他大量專業(yè)應(yīng)用中的冷卻和溫度控制。以半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊制造 的半導(dǎo)體發(fā)電機(jī)，只要有溫差存在即能發(fā)電。工作時無噪音、無污染，使用壽命超過十 年，免維護(hù)，因而是一種應(yīng)用廣泛的便攜電源。其優(yōu)點是體積小，重量輕，便于攜帶， 其缺點是普遍效率低、易損壞且體積大。傳統(tǒng)熱電模塊的大尺寸和離散特性嚴(yán)重制約了 它們的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊效率低、材料用量大的缺點，本發(fā)明提供了 一種發(fā)電效率高、節(jié)省半導(dǎo)體材料、可以集成的溫差發(fā)電模塊。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明采用普通半導(dǎo)體制作工藝，在薄型絕緣基帶(襯底)上形成金屬薄膜線 路，再將半導(dǎo)體材料成長在金屬薄膜上形成線路上生成等效的PN結(jié)，由此形成溫差發(fā)電 薄片，基帶通過層疊或纏繞在一起形成模塊，當(dāng)溫差一定時，模塊的功率、電壓由層疊 或纏繞基帶所含P、N半導(dǎo)體數(shù)量決定。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)參考原理示意圖。圖中1.熱端金屬連接片，2.冷端金屬連接片，3.P型半導(dǎo)體，4.N型半導(dǎo)體， 5.電壓表，6.負(fù)極引線，8.正極引線。在圖1中，P型半導(dǎo)體3 (圓柱或方柱型)與N型半導(dǎo)體4 (圓柱或方柱型)兩端 分別連接熱端金屬連接片1、冷端金屬連接片2，通過金屬片的連接形成等效的PN結(jié)(一 般PN是半導(dǎo)體直接接觸產(chǎn)生)，當(dāng)在熱端金屬連接片1上加高溫?zé)嵩?，在冷端金屬連接 片2上加低溫?zé)嵩磿r，在半導(dǎo)體兩端的等效的PN結(jié)處于不同的溫度環(huán)境中，PN結(jié)的溫度越高，電勢越大，溫度越低，電勢越小，由于PN結(jié)溫度不同，其電勢大小不同，因而 具有溫差的PN結(jié)會出現(xiàn)溫差電勢，由多個PN結(jié)組成電學(xué)上的串聯(lián)，熱學(xué)上的并聯(lián)形成 模塊，在負(fù)極引線7，正極引線8兩端接上電壓表5，從電壓表的讀數(shù)就知道有溫差電勢產(chǎn)生。圖2是本發(fā)明原 理示意圖。圖中1.熱端金屬連接片，2.冷端金屬連接片，3.P型半導(dǎo)體，4.N型半導(dǎo)體， 5.電壓表，6.負(fù)極引線，7.正極引線，8.金屬連接線。在圖2中，P型半導(dǎo)體3與N型半導(dǎo)體4兩端分別連接熱端金屬連接片1、冷端 金屬連接片2，P型半導(dǎo)體中間用金屬線8連接、N半導(dǎo)體的中間也通過金屬線8連接，通 過這樣的連接，使原來模塊的柱型半導(dǎo)體可以變?yōu)楸∑?，大大?jié)省了半導(dǎo)體材料用量， 在熱端金屬連接片1加入高溫?zé)嵩?，在冷端金屬連接片2上加低溫?zé)嵩磿r，熱量必須通過 金屬線8，由于金屬線細(xì)小，熱傳遞慢，但導(dǎo)電能力強(qiáng)，對電流影響不大，所以提高了發(fā) 電效率。圖3是本發(fā)明實施示意圖。圖中1.熱端金屬連接片，2.冷端金屬連接片，3.P型半導(dǎo)體，4.N型半導(dǎo)體， 5.電壓表，6.負(fù)極引線，7.正極引線，8.金屬連接線，9.同型半導(dǎo)體連接片，10.絕緣基
市ο在圖3中，P型半導(dǎo)體3與N型半導(dǎo)體4兩端分別連接熱端金屬連接片1、冷端 金屬連接片2，同型半導(dǎo)體連接片9，金屬連接線8連接在同型半導(dǎo)體連接片9之間，通 過這樣的連接，使原來模塊的柱型半導(dǎo)體可以變?yōu)楸∑?，大大?jié)省了半導(dǎo)體材料用量， 可以使用普通集成電路制造技術(shù)大規(guī)模集成、大批量大生產(chǎn)。
具體實施例方式在圖3的實施例中，我們以實施一個高效率集成半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊為例對本 發(fā)明進(jìn)一步說明材料選擇及制造工藝絕緣基帶選擇絕緣的塑料類材料或其他材料，要求絕緣效果好，光滑平整， 柔軟可卷曲，寬度由熱端與冷端PN結(jié)的距離確定，基帶寬度基本決定了模塊的厚度，基 帶長度根據(jù)需要串聯(lián)的PN結(jié)個數(shù)確定，理論上可以無限長，也就是不受限制，實際應(yīng)用 中可以先確定模塊熱端與冷端的溫差，再根據(jù)需要得到的電壓大小來確定PN結(jié)的個數(shù)， 基帶越長，能夠串聯(lián)的PN結(jié)就越多，在溫度差一定的情況下，發(fā)出的電壓就越高，熱電 功率就越大。金屬線路在制造過程中，先在基帶上制造出金屬線路，也就是連接半導(dǎo)體的 金屬薄片或細(xì)線，薄片、細(xì)線與基帶緊密結(jié)合，金屬線路如何能在絕緣的基帶上高速、 大量形成，這在現(xiàn)代的半導(dǎo)體制造技術(shù)中已經(jīng)有非常成熟的技術(shù)，在此不再累述。常用 金屬以銅為主，因為銅由良好的導(dǎo)電性，價格適中。P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體基帶上的金屬電路形成后，再在金屬電路上形成半 導(dǎo)體，當(dāng)然半導(dǎo)體也不厚，半導(dǎo)體如何能在金屬電路上形成，并與金屬電路緊密結(jié)合， 這也是非常成熟的技術(shù)，在此不再累述。
模塊的形成將 制造有PN結(jié)及線路加入絕緣層，帶有PN結(jié)及線路的基帶就可 以折疊形成方形模塊，如果將基帶卷曲纏繞，就可以形成圓柱型模塊，這是最好的一種 方法，它利用了基帶背面作為線路與PN結(jié)之間的絕緣。
權(quán)利要求
1. 一種高效集成半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊及制造方法，其特征是由柔性絕緣基帶、金 屬線路、P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體組成，先在絕緣基帶上制造出線路，再在線路上生成 P、N型半導(dǎo)體，半導(dǎo)體通過金屬電路連接形成等效的PN結(jié)，P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體 之間、P型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體之間、N型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體之間皆通過基帶上的金 屬線路連接成串聯(lián)電路，基帶通過折疊或卷曲纏繞形成模塊。
全文摘要
一種高效集成半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊及制造方法，由柔性絕緣基帶、金屬線路、P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體組成，在絕緣基帶上制造有線路，在線路上生成等效的PN結(jié)，P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體之間、P型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體之間、N型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體之間皆通過基帶上的金屬線路連接成串聯(lián)電路，基帶通過折疊或卷曲纏繞以形成模塊，實現(xiàn)了一種節(jié)省半導(dǎo)體材料、熱電轉(zhuǎn)換效率有所提高、可以大規(guī)模集成的半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊。
文檔編號H02N11/00GK102025295SQ20091025095
公開日2011年4月20日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者任永斌 申請人:任永斌