一種基于體硅加工工藝的微型熱電能量采集器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱電轉(zhuǎn)化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種熱電能量采集器及其制備方法，特別是涉及一種基于體硅微機(jī)械加工工藝的微型熱電能量采集器制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種基于材料的塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)化成電能的電力技術(shù)。作為一種新能源和可再生能源的利用技術(shù)，由于其體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠充分利用工業(yè)余熱、廢熱、地?zé)岬鹊推肺荒茉?，為解決能源危機(jī)帶來(lái)新的希望。
[0003]由于每個(gè)熱電單元輸出的電壓很低，為了獲得較高的電壓以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，通常將很多熱電偶對(duì)串聯(lián)成熱電堆，從而獲得具有較高輸出電壓的熱電能量采集器。微型熱電能量采集器可用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、可穿戴設(shè)備等電源供電，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]根據(jù)熱流流經(jīng)方向的不同，熱電能量采集器主要分為垂直結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)。垂直結(jié)構(gòu)由于熱電偶臂端面與導(dǎo)熱襯底接觸面積較大，有良好的接觸，可以降低接觸熱阻和接觸電阻，但也因較大的接觸面導(dǎo)致器件具有較低的集成度。目前垂直結(jié)構(gòu)所用的BeTi基材料，加工工藝與CM0S-MEMS工藝不兼容，且對(duì)人體和環(huán)境造成危害。平面結(jié)構(gòu)一般為熱流方向沿?zé)犭娕急叟c導(dǎo)熱襯底平行的薄膜熱電偶器件，其加工工藝與CM0S-MEMS工藝兼容。相比垂直結(jié)構(gòu)的熱電能量采集器，平面結(jié)構(gòu)的器件熱流路徑不及前者，但由于其具有較小的接觸面，從而導(dǎo)致器件具有較高的集成度。但是由于器件內(nèi)部的接觸電阻和接觸熱阻都比較大，以及制備這種結(jié)構(gòu)所使用的材料本身熱電優(yōu)值系數(shù)低，導(dǎo)致器件的溫差利用率低、輸出功率較小。
[0005]熱電能量采集器的研究工作主要集中在兩方面:1、尋找易于加工的具有高優(yōu)值系數(shù)的熱電材料；2、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，使溫差盡可能的落在熱電偶臂兩端。熱電能量采集器的發(fā)展目標(biāo)是運(yùn)用具有較高熱電優(yōu)值系數(shù)的材料制備易于加工和集成的具有良好熱流路徑的器件。
[0006]因此，提供一種新型熱電能量采集器及其制備方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于體硅微加工工藝的微型熱電能量采集器制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中平面結(jié)構(gòu)的熱電能量采集器接觸熱阻和接觸電阻高、垂直結(jié)構(gòu)的熱電能量采集器集成度低的問(wèn)題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于體硅微加工工藝的微型熱電能量采集器制備方法，所述制備方法至少包括步驟:
[0009]I)制作器件層和頂部襯底片；
[0010]其中，制作所述器件層包括步驟:
[0011]1-1A)提供一 P型硅，刻蝕所述P型硅，形成若干深孔；
[0012]1-1B)在所述P型硅和深孔表面形成第一絕緣層，并在所述深孔的側(cè)壁及底部濺射種子層，之后在所述深孔中填充熱電材料，所述熱電材料與第一絕緣層的表面齊平；
[0013]1-1C)在所述步驟1-1B)獲得的結(jié)構(gòu)表面形成第二絕緣層，刻蝕所述第一絕緣層和第二絕緣層，形成暴露所述熱電材料的第一開(kāi)口和暴露所述P型硅的第二開(kāi)口 ；
[0014]1-1D)濺射頂部電連接層，所述頂部電連接層濺射在所述第一開(kāi)口、第二開(kāi)口及第二絕緣層表面，之后圖形化所述頂部電連接層，暴露出第一開(kāi)口和第二開(kāi)口之間的第二絕緣層；
[0015]1-1E)在所述頂部電連接層及第二絕緣層表面形成第三絕緣層；
[0016]1-1F)在所述第三絕緣層表面形成第一鍵合層；
[0017]制作所述頂部襯底片包括步驟:
[0018]Ι-la)提供一頂部襯底，在所述頂部襯底表面形成第四絕緣層；
[0019]Ι-lb)在所述第四絕緣層表面形成第二鍵合層；
[0020]2)將所述器件層的第一鍵合層與頂部襯底片的第二鍵合層進(jìn)行鍵合；
[0021]3)減薄所述P型硅的底部，直至暴露所述第一絕緣層；
[0022]4)在所述P型硅的底部形成第五絕緣層，刻蝕所述第五絕緣層和第一絕緣層，形成暴露所述種子層和P型硅的第三開(kāi)口 ；
[0023]5)在所述第三開(kāi)口中形成與所述種子層及熱電材料電連的底部電連接層；
[0024]6)形成第六絕緣層，刻蝕所述第五絕緣層和第六絕緣以及P型硅，暴露第一絕緣層，剩余的P型硅和熱電材料通過(guò)頂部電連接層形成串聯(lián)的熱電偶對(duì)；
[0025]7)在所述第六絕緣層上粘附一底部襯底片，從而形成熱電能量采集器。
[0026]可選地，所述步驟1-1B)的過(guò)程為:在所述P型硅和深孔表面依次形成第一絕緣層和種子層，之后通過(guò)電鍍工藝在所述深孔中填充熱電材料，接著利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝使表面平坦化，并使所述熱電材料與第一絕緣層的表面齊平，最后退火。
[0027]可選地，所述步驟1-1F)中第一鍵合層為TiW/Au或Ti/Au，步驟Ι-lb)中第二鍵合層包括依次形成在所述第四絕緣層表面的非晶硅層和Ti/Au層，步驟2)中第一鍵合層和第二鍵合層的鍵合方式為Au-Si共晶鍵合。
[0028]可選地，所述步驟1-1F)中第一鍵合層為TiW/Au或Ti/Au，步驟Ι-lb)中第二鍵合層為TiW/Au或Ti/Au，步驟2)中第一鍵合層和第二鍵合層的鍵合方式為Au-Au熱壓鍵合。
[0029]可選地，所述步驟3)采用先濕法腐蝕后化學(xué)機(jī)械拋光的方式減薄所述P型硅的底部或直接采用化學(xué)機(jī)械拋光減薄所述P型硅的底部。
[0030]可選地，所述步驟6)中，形成第六絕緣層后，先旋涂光刻膠，然后進(jìn)行光刻以及干法刻蝕工藝刻蝕所述第五絕緣層和第六絕緣層釋放孔，去除所述光刻膠，再利用干法腐蝕工藝釋放P型硅，從而暴露出所述第一絕緣層，形成熱電偶對(duì)。
[0031]可選地，所述步驟6)中熱電偶對(duì)包括熱電材料和環(huán)繞在所述熱電材料周圍的P型娃。
[0032]可選地，所述步驟7)中，所述底部襯底片通過(guò)絕緣導(dǎo)熱硅膠與所述第六絕緣層粘貼。
[0033]可選地，所述步驟7)中，所述底部襯底片為硅蓋板、Al片或者陶瓷蓋板。
[0034]如上所述，本發(fā)明的基于體硅加工工藝的微型熱電能量采集器的制備方法，所述制備方法包括:器件層的制備，先將在P型硅上刻蝕深孔，再在深孔中填充熱電材料，并通過(guò)頂部電連接層實(shí)現(xiàn)熱電偶對(duì)之間的串聯(lián)，之后通過(guò)鍵合將器件層轉(zhuǎn)移到頂部襯底片，減薄器件層底部的P型硅，制作底部互聯(lián)，釋放器件層P型硅，得到熱電偶陣列，最后黏附底部襯底片，即得到微型熱電能量采集器。本發(fā)明的熱電能量采集器與傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的采集器相比，其垂直結(jié)構(gòu)的熱電偶臂端面與導(dǎo)熱板之間具有較大的接觸面積，可以降低接觸熱阻和接觸電阻，提高器件的溫差利用率和發(fā)電功率；同時(shí)，相比垂直結(jié)構(gòu)分立的熱電偶臂陣列，這種柱與環(huán)的嵌套結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高器件的集成度。本發(fā)明的制備方法可以實(shí)現(xiàn)微型熱電能量采集器的低成本、批量化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1?圖9為本發(fā)明步驟I)中制作器件層的結(jié)構(gòu)流程示意圖。
[0036]圖10?圖11為本發(fā)明步驟I)中制作頂部襯底片的結(jié)構(gòu)流程示意圖。
[0037]圖12為本發(fā)明基于體硅加工工藝的微型熱電能量采集器的制備方法步驟2)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖13為本發(fā)明基于體硅加工工藝的微型熱電能量采集器的制備方法步驟3)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖14?圖15為本發(fā)明基于體硅加工工藝的微型熱電能量采集器的制備方法步驟4)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖16為本發(fā)明基于體硅加工工藝的微型熱電能量采集器的制備方法步驟5)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖17?圖19為本發(fā)明基于體硅加工工藝的微型熱電能量采集器的制備方法步驟6)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖20為本發(fā)明基于體硅加工工藝的微型熱電能量采集器的制備方法步驟7)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
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