一種薄膜熱電模塊的制作方法
本發明公開了一種薄膜熱電模塊，屬于功能薄膜材料及器件領域。
背景技術：
氧化物基熱電材料相比傳統合金熱電材料，具有高溫性能穩定、抗氧化性和無毒性等優點，受到廣泛關注，氧化物薄膜熱電模塊也成為新興研究焦點。
目前薄膜熱電模塊的構型主要為π型，即P、N型氧化物薄膜在同一基底上平行、交替排列，并由電極串聯聯結。根據其熱流和材料的使用方向，薄膜熱電模塊又可分為熱流方向垂直于薄膜表面(cross-plane)和熱流方向平行于薄膜表面(in-plnae)兩種。cross-plane熱電模塊的制備工藝相對簡單，集成度較高，但其沿薄膜厚度方向的熱阻小，難以產生較大的溫差，在很多場合無法應用。in-plane模塊的熱阻大，有利于大溫度梯度的建立，且現有氧化物熱電材料如Ca3Co4O9、NaxCoO2、Zn1-xAlxO、CaMnO3等薄膜的生長均自發沿c軸擇優，其沿in-plane方向的熱電性能遠高于cross-plane方向，因此氧化物薄膜熱電模塊多使用in-plane構型，但其P-N熱電對集成度相對較小，單位面積上的輸出功率密度小，電極用量大，模塊制造成本高。
現有in-plane薄膜模塊的P、N型熱電臂均交替集成在同一襯底上，如附圖1，這要求P、N型薄膜材料的晶體結構、晶格常數和熱膨脹系數均要與襯底匹配才能獲得較高結晶質量的薄膜陣列。但通常P、N型薄膜材料的結構和性能差別很大，實際中很難找到同時兼顧P、N型薄膜生長的襯底，使襯底的選擇十分困難。
現有in-plane薄膜模塊由于其P、N型熱電臂交替集成在同一襯底上，使P、N型薄膜陣列無法單獨更換，如果模塊中的某一條P、N型薄膜因氧化、分解而損壞，將導致模塊整體失效，增加模塊的使用和更換成本。
現有薄膜熱電模塊為了提高其穩定性和使用壽命，除模塊本身外，還需額外的封裝工藝和封裝原料，增加了模塊的制造成本。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種薄膜熱電模塊，包括N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2、隔離層3，N型熱電臂陣列1包括一個以上的N型半導體薄膜11和單晶襯底Ⅰ12，N型半導體薄膜11傾斜生長在單晶襯底Ⅰ12上；P型熱電臂陣列2包括一個以上的P型半導體薄膜21和單晶襯底Ⅱ22，P型半導體薄膜21傾斜生長在單晶襯底Ⅱ22上；N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2由隔離層3隔開，并固定在一起，N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2均是生長有半導體薄膜的一面與隔離層3接觸；N型半導體薄膜11與P型半導體薄膜21呈X形交叉分布，N型半導體薄膜11與P型半導體薄膜21的兩端由電極5依次連接，形成兩個獨立的串聯通路，電極5位于隔離層3的兩側。
優選的，本發明所述隔離層3包括腹板31、翼板32，翼板32固定在腹板31的兩邊；腹板31、單晶襯底Ⅰ12、單晶襯底Ⅱ22的長度、寬度相同，翼板32高度等于腹板31、N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2的厚度之和。
優選的，本發明所述電極5嵌入、貫穿在隔離層3的腹板31上，電極5的厚度大于腹板31的厚度，以保證N型半導體薄膜11與P型半導體薄膜21的串連連接。
優選的，本發明所述N型熱電臂陣列1上的N型半導體薄膜11和P型熱電臂陣列2上的P型半導體薄膜21的數量相同，單個薄膜寬度、以及在單晶襯底上的相對位置相同。
優選的，本發明所述N型半導體薄膜11和單晶襯底Ⅰ12長邊的夾角與P型半導體薄膜21和單晶襯底Ⅱ22長邊的夾角相同，標記為α，且α為10~60°。
優選的，本發明所述N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2和隔離層3的相對位置由位于隔離層3側面的通孔4插銷固定。
優選的，本發明所述電極5為圓柱形，底面直徑等于N型半導體薄膜11與P型半導體薄膜21中單個薄膜的寬度。
優選的，本發明所述電極5為金電極。
本發明所述N型半導體薄膜材料是所有電子作為主要載流子的薄膜材料，可以為CaMnO3、Zn1-xAlxO、(ZnO)5In2O3等薄膜。
本發明所述P型半導體薄膜材料是所有空穴作為主要載流子的薄膜材料，可以為CaxCoO2、Ca3Co4O9、CuCrO2等薄膜。
本發明所述單晶襯底Ⅰ和單晶襯底Ⅱ可根據N、P型半導體薄膜材料的晶體結構、晶格常數、熱膨脹系數等匹配因素選擇相同或不同的襯底材料，如Al2O3(0001)、LaAlO3(001)、SrTiO3(001)、(LaxSr1-x)(AlyTa1-y)O3(001)等。
本發明的有益效果是：模塊集成度提高，單位面積上的輸出功率密度顯著增大，在相同工作條件下，達到相同的輸出電壓或輸出功率所需占用的空間減小；襯底材料可根據P、N型半導體薄膜材料的結構和性能特征分別選擇，襯底的可選范圍廣，可同時保證P、N型薄膜的結晶質量；模塊構型靈活，P、N型熱電臂失效時可單獨更換，而非將模塊整個廢棄，顯著減少了模塊的維護成本；襯底即作為薄膜材料必不可少的物理支撐，又對模塊整體起封裝作用，省去了封裝工藝和封裝原料，制造成本降低。
附圖說明
圖1為現有π型in-plane薄膜熱電模塊的構型。
圖2為本發明薄膜熱電模塊的各部件圖。
圖3為本發明薄膜熱電模塊的組裝圖。
圖中：1- N型熱電臂陣列；11-N型半導體薄膜；12-單晶襯底Ⅰ；2-P型熱電臂陣列；21-P型半導體薄膜；22-單晶襯底Ⅱ；3-隔離層；31-腹板；32-翼板；4-通孔；5-電極。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明的保護范圍并不限于所述內容。
實施例1
一種薄膜熱電模塊，包括N型熱電臂陣列1，由N型半導體薄膜11在單晶襯底Ⅰ12的下表面傾斜布置，N型半導體薄膜11和單晶襯底Ⅰ12長邊的夾角α=10°；
P型熱電臂陣列2，由P型半導體薄膜21在單晶襯底Ⅱ22的上表面傾斜布置，P型半導體薄膜21和單晶襯底Ⅱ22長邊的夾角α=10°，P型半導體薄膜21的薄膜數量、單個薄膜寬度及在單晶襯底Ⅱ22上的相對位置與N型半導體薄膜11的薄膜數量、單個薄膜寬度及在單晶襯底Ⅰ12上的相對位置相同。
隔離層3，包括腹板31和翼板32，翼板32固定在腹板31的兩邊，腹板31、單晶襯底Ⅰ12、單晶襯底Ⅱ22的長度、寬度相同，翼板32的高度等于腹板31、N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2的厚度之和。
圓柱形金電極5位于隔離層3的兩側，且嵌入、貫穿在隔離層3的腹板31上，底面直徑等于N、P型半導體薄膜11、21中單個薄膜的寬度，金電極5的厚度大于腹板31的厚度。
N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2由隔離層3隔開，N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2和隔離層3的相對位置由位于隔離層3側面的通孔4插銷固定，N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2均是生長有半導體薄膜的一面與隔離層3接觸，N型半導體薄膜11與P型半導體薄膜21呈X形交叉分布，并由金電極5依次連接，形成兩個獨立的串聯通路。
本實施例中N型半導體薄膜11選用CaMnO3，P型號半導體薄膜21選用CaxCoO2，單晶襯底Ⅰ12和單晶襯底Ⅱ22均選用LaAlO3(001)。
本實施例提供的薄膜熱電模塊與現有薄膜熱電模塊相比集成度提高，單位面積上的輸出功率密度大，在相同工作條件下，達到相同的輸出電壓或輸出功率所需占用的空間減小；襯底材料可根據P、N型薄膜材料的結構和性能特征分別選擇，襯底的可選范圍廣，可同時保證P、N型薄膜的結晶質量；模塊構型靈活，P、N型熱電臂失效可單獨更換，顯著減少了模塊的維護成本；襯底即作為薄膜材料必不可少的物理支撐，又對模塊整體起封裝作用，省去了封裝工藝和封裝原料，制造成本降低。
實施例2
一種薄膜熱電模塊，包括N型熱電臂陣列1，由N型半導體薄膜11在單晶襯底Ⅰ12的下表面傾斜布置，N型半導體薄膜11和單晶襯底Ⅰ12長邊的夾角α=30°。
P型熱電臂陣列2，由P型半導體薄膜21在單晶襯底Ⅱ22的上表面傾斜布置，P型半導體薄膜21和單晶襯底Ⅱ22長邊的夾角α=30°，P型半導體薄膜21的薄膜數量、單個薄膜寬度及在單晶襯底Ⅱ22上的相對位置與N型半導體薄膜11的薄膜數量、單個薄膜寬度及在單晶襯底Ⅰ12上的相對位置相同。
隔離層3，包括腹板31和翼板32，翼板32固定在腹板31的兩邊，腹板31、單晶襯底Ⅰ12、單晶襯底Ⅱ22的長度、寬度相同，翼板32的高度等于腹板31、N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2的厚度之和。
圓柱形金電極5位于隔離層3的兩側，且嵌入、貫穿在隔離層3的腹板31上，底面直徑等于N、P型半導體薄膜11、21中單個薄膜的寬度，金電極5的厚度大于腹板31的厚度。
N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2由隔離層3隔開，N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2和隔離層3的相對位置由位于隔離層3側面的通孔4插銷固定，N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2均是生長有半導體薄膜的一面與隔離層3接觸，N型半導體薄膜11與P型半導體薄膜21呈X形交叉分布，并由金電極5依次連接，形成兩個獨立的串聯通路。
本實施例中N型半導體薄膜11選用Zn1-xAlxO，P型號半導體薄膜21選用Ca3Co4O9，單晶襯底Ⅰ12選用Al2O3(0001)，單晶襯底Ⅱ22選用SrTiO3(001)。
本實施例提供的薄膜熱電模塊與現有薄膜熱電模塊相比集成度提高，單位面積上的輸出功率密度大，在相同工作條件下，達到相同的輸出電壓或輸出功率所需占用的空間減小；襯底材料可根據P、N型薄膜材料的結構和性能特征分別選擇，襯底的可選范圍廣，可同時保證P、N型薄膜的結晶質量；模塊構型靈活，P、N型熱電臂失效可單獨更換，顯著減少了模塊的維護成本；襯底即作為薄膜材料必不可少的物理支撐，又對模塊整體起封裝作用，省去了封裝工藝和封裝原料，制造成本降低。
實施例3
一種薄膜熱電模塊，包括N型熱電臂陣列1，由N型半導體薄膜11在單晶襯底Ⅰ12的下表面傾斜布置，N型半導體薄膜11和單晶襯底Ⅰ12長邊的夾角α=60°。
P型熱電臂陣列2，由P型半導體薄膜21在單晶襯底Ⅱ22的上表面傾斜布置，P型半導體薄膜21和單晶襯底Ⅱ22長邊的夾角α=60°，P型半導體薄膜21的薄膜數量、單個薄膜寬度及在單晶襯底Ⅱ22上的相對位置與N型半導體薄膜11的薄膜數量、單個薄膜寬度及在單晶襯底Ⅰ12上的相對位置相同。
隔離層3，包括腹板31和翼板32，翼板32固定在腹板31的兩邊，腹板31、單晶襯底Ⅰ12、單晶襯底Ⅱ22的長度、寬度相同，翼板32的高度等于腹板31、N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2的厚度之和。
圓柱形金電極5位于隔離層3的兩側，且嵌入、貫穿在隔離層3的腹板31上，底面直徑等于N、P型半導體薄膜11、21中單個薄膜的寬度，金電極5的厚度大于腹板31的厚度。
N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2由隔離層3隔開，N型熱電臂陣列1、P型熱電臂陣列2和隔離層3的相對位置由位于隔離層3側面的通孔4插銷固定，N型熱電臂陣列1和P型熱電臂陣列2均是生長有半導體薄膜的一面與隔離層3接觸，N型半導體薄膜11與P型半導體薄膜21呈X形交叉分布，并由金電極5依次連接，形成兩個獨立的串聯通路。
本實施例中N型半導體薄膜11選用(ZnO)5In2O3，P型號半導體薄膜21選用CuCrO2，單晶襯底Ⅰ12選用(LaxSr1-x)(AlyTa1-y)O3(001)，單晶襯底Ⅱ22選用Al2O3(0001)。
本實施例提供的薄膜熱電模塊與現有薄膜熱電模塊相比集成度提高，單位面積上的輸出功率密度大，在相同工作條件下，達到相同的輸出電壓或輸出功率所需占用的空間減小；襯底材料可根據P、N型薄膜材料的結構和性能特征分別選擇，襯底的可選范圍廣，可同時保證P、N型薄膜的結晶質量；模塊構型靈活，P、N型熱電臂失效可單獨更換，顯著減少了模塊的維護成本；襯底即作為薄膜材料必不可少的物理支撐，又對模塊整體起封裝作用，省去了封裝工藝和封裝原料，制造成本降低。
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