微型温差电池及其制造方法
专利汇可以提供微型温差电池及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供微型温差 电池 及其制造方法。微型温差电池是由C层/B层/A层/B*层/C*层组成，其中，A层位于层状结构微型温差电池的 中间层 ；B层和B*层分别设置在A层的两边；C层和C*层又分别设置在B层和B*层的两边；A层是以具有贯穿型多孔结构的材料为模板，在该模板上的P型温差电材料微区的微孔中沉积有P型温差电材料，在N型温差电材料微区的微孔中沉积有N型温差电材料；本发明的微型温差电池的制造方法为：(1)A层制造；(2)B层和B*层制造；(3)C层和C*层制造。本发明制造出的微型温差电池可以具有很高的 输出 电压 ，同时使用材料方便，操作方法简便，它将成为微系统的最佳电源。，下面是微型温差电池及其制造方法专利的具体信息内容。
1.一种微型温差电池，它具有层状结构，是由C层/B层/A层/B*层/C*层组成，其中，A层位于层状结构微型温差电池的中间层；B层和B*层分别设置在A层的两边；C层和C*层又分别设置在B层和B*层的两边；其特征是A层是以具有贯穿型多孔结构的材料为模板，通过在该模板上划分P型和N型温差电材料微区以及位于P型和N型温差电材料微区之间的非导电微区，并且在P型温差电材料微区的微孔中沉积P型温差电材料，在N型温差电材料微区的微孔中沉积N型温差电材料而成的温差电材料层，其中，在对应于每个P型温差电材料微区的微孔中沉积的P型温差电材料之间又在此P型微区的上、下两个表面相互并联，在对应于每个N型温差电材料微区的微孔中沉积的N型温差电材料之间又在此N型微区的上、下两个表面相互并联；在A层的上、下二个外表面上制作的B层和B*层是相同的或不同的导电金属材料层，并且是按照实现A层的P型温差电材料微区和N型温差电材料微区相串联的结构刻蚀而成的导电金属层，在B层或B*层上设置有二个导电外接点；在B层和B*层的二个外表面上制作的C层和C*层是相同的或不同的具有导热性且不导电的材料层。
2.一种微型温差电池制造方法，其特征是选择具有贯穿型多孔结构、一定厚度的片状材料或者薄膜状材料作为制造温差电材料的模板；在贯穿型多孔结构模板的二个表面的其中一面沉积上导电金属层；在多孔结构模板的另一未沉积导电金属层的表面进行微区划分，在多孔结构模板的表面划分出P型温差电材料微区、N型温差电材料微区以及位于P型微区和N型微区之间的非导电微区；在位于P型温差电材料微区的众多微孔中沉积P型温差电材料，在位于N型温差电材料微区的众多微孔中沉积N型温差电材料，制造出A层；在A层的两面沉积上导电金属层，采用微加工技术，对导电金属层进行刻蚀，在A层的两面制作出实现A层的P型温差电材料微区和N型温差电材料微区间相串联结构的导电金属B层和B*层，在B层或B*层引出两个导电外接点，或在B层和B*层各引出一个导电外接点；分别在导电的B层和B*层的外表面沉积上或者涂敷上具有导热性且不导电的材料，制造出C层和C*层；或将具有导热性且不导电的片状或薄膜状材料作为C层和C*层粘贴到导电的B层和B*层的外表面，之后用绝缘的有机或无机材料进行封装。
3.如权利要求2所述的一种微型温差电池制造方法，其特征是：所述的在P型温差电材料微区和N型温差电材料微区内的众多微孔中沉积出的P型及N型温差电材料是填满整个微孔，或者沉积出的P型及N型温差电材料是覆盖微孔的内孔壁。
4.如权利要求2所述的一种微型温差电池制造方法，其特征是：所述的B层和B*层的沉积和C层和C*层的沉积是采用物理气相沉积PVD法、或者熔融态材料喷射法、或者熔融态材料浸泡法，或是采用化学方法的液相电沉积方法、或者液相化学沉积法、或者化学气相沉积CVD法；或者C层和C*层采用涂敷的方法制造。
微型温差电池及其制造方法
技术领域
背景技术
近年的研究发现，降低材料维数，如采用二维纳米薄膜材料或一维纳米线材料，可获得具有很高温差电转换效率的温差电材料。用这类高效温差电材料制备出的微型温差电池具有很高的输出电压。
微型温差电池的特点主要表现在以下几方面：1)体积小，具有片状或薄膜状外形。易于采用集成化技术，将微型温差电池集成到需要电能的器件上直接为器件供电；2)微型温差电池可从环境接受各种形式的热能，包括各种辐射热、太阳能、人体体温、系统运行过程的发热以及各种废热等，并高效率地直接将其转变为电能输出。因而，微型温差电池不会对环境造成任何形式的污染，是一种真正意义上的绿色电源；3)微型温差电池是一种物理电源，其使用寿命长(超过20年)，性能高度稳定，且使用温度范围宽。它完全不同于通常意义上的各种化学电源和物理电源，属新一代自供式微型发电元件。这种新一代自供式微型高效温差电池在各种高、精、尖技术不断向小型化和微型化发展的今天，特别是在各种微系统中，如微型探测器、微型控制器、微型飞行器以及诸如心脏起搏器那样的微型生物器件中，有着广泛的应用，它将成为微系统的最佳电源。
在现有技术中，我们在2001年已经提出的专利申请号为01140414.0的发明专利名称为：“由一维纳米线阵列结构温差电材料构制的微温差电池”，它公开了一个用一维纳米线阵列结构温差电材料构制的微温差电池，但是，操作方法比较复杂，制造技术上难度大。
发明内容
本发明的微型温差电池是由C层/B层/A层/B*层/C*层组成，如图1所是。其中，A层位于层状结构微型温差电池的中间层；B层和B*层分别设置在A层的两边；C层和C*层又分别设置在B层和B*层的两边；其特征是A层是以具有贯穿型多孔结构的材料为模板，通过在该模板上划分P型和N型温差电材料微区以及位于P型和N型温差电材料微区之间的非导电微区，并且在P型温差电材料微区的微孔中沉积P型温差电材料，在N型温差电材料微区的微孔中沉积N型温差电材料而成的温差电材料层；B层和B*层是相同的或不同的导电金属材料层，并且是按照实现A层的P型温差电材料微区和N型温差电材料微区相串联的结构刻蚀而成的导电金属层，在B层或B*层上设置有二个导电外接点；C层和C*层是相同的或不同的具有导热性且不导电的材料层。
其中所述的A层模板采用的是片状材料或者薄膜状材料，厚度是在50厘米至10纳米的尺度范围。A层模板是具有贯穿型多孔结构的无机材料或有机材料，例如：多孔结构氧化硅材料、多孔结构氧化铝材料、多孔结构硅材料、多孔结构氧化镁材料、多孔结构氧化锆材料、多孔结构氧化钛材料、多孔结构氧化钨材料、多孔结构碳材料、多孔结构纤维素及其衍生物材料、多孔结构聚丙烯材料、多孔结构聚苯乙烯材料、多孔结构光刻胶等。贯穿型多孔结构模板材料的微孔形状是规则的正方形、圆形、矩形、菱形、椭圆形或是不规则的任意形状；对矩形微孔或正方形、或菱形、或者不规则形状微孔等的边长是在20毫米至1纳米的尺度范围，对圆形微孔或椭圆形、或不规则孔的孔径是在是在20毫米至1纳米的尺度范围。A层模板上的P型温差电材料微区、N型温差电材料微区以及位于P型微区和N型微区之间的非导电微区的形状是任意的，或是规则的圆形、椭圆形、矩形、正方形、菱形等、或者是不规则的形状；微区面积大小是在50平方厘米至1平方纳米的尺度范围；P型微区和N型微区以及位于P型微区和N型微区之间的非导电微区的数量可以是几个或数十个，也可以是很多，甚至超过数百万个。划分出的N型及P型微区以及位于N型及P型微区之间的非导电微区的数量可根据温差电池设计的输出电压大小以及所采用温差电材料的性能来确定。
本发明的微型温差电池的制造方法，操作步骤如下：(1)A层制造：选择具有贯穿型多孔结构、一定厚度的片状材料或者薄膜状材料作为制造温差电材料的模板；在多孔结构模板的表面进行微区划分；划分出的微区包括P型温差电材料微区、N型温差电材料微区以及位于P型微区和N型微区之间的非导电微区；在P型温差电材料微区的微孔中沉积P型温差电材料，在N型温差电材料微区的微孔中沉积N型温差电材料；制造出A层；(2)B层和B*层制造：在A层的两面沉积上导电金属层；采用微加工技术，按照实现A层的P型温差电材料微区和N型温差电材料微区相串联的结构分别对A层两面沉积的导电金属层进行刻蚀，制造出微型温差电池的B层和B*层；在B层或B*层引出两个导电外接点，或在B层和B*层各引出一个外接点；(3)C层和C*层制造：分别在导电的B层和B*层的外表面沉积上或者涂敷上具有导热性且不导电的材料，制造出C层和C*层；也可以将具有导热性且不导电的片状或薄膜状材料作为C层和C*层粘贴到导电的B层和B*层的外表面。
在实际操作中，只要能够达到上述步骤的效果的方法都可以。本发明采用如下步骤：第一步：选择具有贯穿型多孔结构、一定厚度的片状材料或者薄膜状材料作为制造温差电材料的模板。上述片状材料或者薄膜状材料的成分可以是无机材料，也可以是有机材料。例如：多孔结构氧化硅材料、多孔结构氧化铝材料、多孔结构硅材料、多孔结构氧化镁材料、多孔结构氧化锆材料、多孔结构氧化钛材料、多孔结构氧化钨材料、多孔结构碳材料、多孔结构纤维素及其衍生物材料、多孔结构聚丙烯材料、多孔结构聚苯乙烯材料、多孔结构光刻胶等。选择的片状材料或者薄膜状材料的厚度在50厘米至10纳米的尺度范围。选择的具有贯穿型多孔结构模板材料的微孔形状可以是规则的，如正方形、圆形、矩形、菱形、椭圆形等，也可以具有不规则形状。孔径(或者微孔的边长)在20毫米至1纳米的尺度范围。
第二步：将第一步选择的贯穿型多孔结构模板的二个表面的其中一面沉积上导电金属层。导电金属层的沉积可以采用物理方法，如物理气相沉积PVD法、熔融态金属喷射法、熔融态金属浸泡法等，也可以采用化学方法，如液相金属电沉积方法、液相金属化学沉积法、化学气相沉积CVD法、气相外延生长MOCVD法等。
第三步：采用微加工技术，将第二步制备的多孔结构模板的未沉积导电金属层的另一表面进行微区划分。划分出的微区包括P型温差电材料微区、N型温差电材料微区以及位于P型微区和N型微区之间的非导电微区。上述P型温差电材料微区、N型温差电材料微区以及位于P型微区和N型微区之间的非导电微区的形状可以是任意的，例如，可以是规则的圆形、椭圆形、矩形、正方形、菱形等等，也可以是任意的不规则形状。P型温差电材料微区、N型温差电材料微区以及位于P型微区和N型微区之间的非导电微区的形状可以相同，也可以不同。P型温差电材料微区、N型温差电材料微区以及位于P型微区和N型微区之间的非导电微区的面积大小可以相同，也可以不相同。P型温差电材料微区、N型温差电材料微区以及位于P型微区和N型微区之间的非导电微区的面积大小是在50平方厘米至1平方纳米的尺度范围。上述对模板表面进行的P型温差电材料微区、N型温差电材料微区以及位于P型微区和N型微区之间的非导电微区的划分可以是同时进行，一次性完成，也可以是分步进行，或者是与第四步的制造过程交替进行，分步完成。交替进行的情况下，多孔模板表面未划分的区域应该用绝缘材料覆盖。
第四步：将第三步划分了P型温差电材料微区、N型温差电材料微区以及位于P型微区和N型微区之间的非导电微区的模板，在P型温差电材料微区的微孔中沉积P型温差电材料，在N型温差电材料微区的微孔中沉积N型温差电材料。实现P型温差电材料以及N型温差电材料分别在P型温差电材料微区以及N型温差电材料微区的微孔内沉积的方法，可以采用化学方法，如采用电化学液相电沉积技术，或者液相化学沉积技术，或者化学气相沉积CVD技术，或者气相外延生长MOCVD技术等等，也可以采用物理方法，如采用物理气相沉积PVD技术，熔融态温差电材料高压注入法、熔融态温差电材料浸泡注入法等等。在P型温差电材料微区以及N型温差电材料微区的微孔内沉积的温差电材料可以选择Bi2Te3、Sb2Te3、HgTe、Bi2Se3、Sb2Se3、ZnSb、的PbTe、SbTe、Bi(SiSb2)、Bi2(GeSe)3、GrSi2、MnSi1.7、FeSi2、CoSi、Ge0.3Si0.7、BiTe0.8Se0.2、BiTe0.6Se0.4、BiTe0.4Se0.6、BiTe0.2Se0.8、Bi1Se1、Bi0.8Sb0.2Te0.8Se0.2、Bi0.8Sb0.2Te0.8Se0.4、Bi0.8Sb0.2Te0.8aSe0.5、Bi0.8Sb0.2Te0.8Se0.8、Bi0.8Sb0.2Se、Bi0.6Sb0.4Te0.8Se0.2、Bi0.6Sb0.4Te0.6Se0.4、Bi0.6Sb0.4Te0.4Se0.6、Bi0.6Sb0.4Te0.2Se0.8、Bi0.6Sb0.4Se、Bi4Te5、Bi4Se5、Bi4Te3Se2、PbTe+0.5wt％PbI2、Bi、Bi0.4Sb0.6Te0.8Se0.2、Bi2Te1、Bi1.2Sb0.8Te1、Sb2Te1、Bi2Te0.8Se0.2、Bi2Te0.4Se0.6、Bi2Se1、Bi1.4Sb0.6Te0.8Se0.2、Bi3.2Sb0.8Te5、Bi2Sb2Te5、Bi2Sb2Te3Se2、Bi3.2Sb0.8Te4Se1、Sb4Te5、Pb0.75Sn0.25Te等。
第四步的P型及N型温差电材料在P型及N型微区沉积的过程可以是同时进行，也可以是第三步与第四步交替进行。在第三步与第四步交替进行的情况下，贯穿型多孔结构模板的P型温差电材料微区的微孔中沉积出P型温差电材料以及在贯穿型多孔结构模板的N型温差电材料微区的微孔中沉积出N型温差电材料的过程是先后进行的，该过程中，应该将不沉积温差电材料的微区用绝缘材料覆盖。
在P型温差电材料微区和N型温差电材料微区的微孔内沉积出的P型及N型温差电材料应填满整个微孔，或者沉积出的P型及N型温差电材料应覆盖微孔的内孔壁，或者沉积出的P型及N型温差电材料不仅填满整个微孔，而且由微孔内部一直延伸出微孔至多孔模板的表面，或者沉积出的P型及N型温差电材料不仅覆盖微孔的内孔壁，而且由微孔内部一直延伸出微孔至多孔模板的表面。
经第四步制造出的由P型温差电材料微区和N型温差电材料微区以及位于P型温差电材料微区和N型温差电材料微区之间的非导电区域构成的片状或者薄膜状材料即是微型温差电池的A层。
第五步：采用微加工技术，将第二步在多孔模板的一个表面沉积的导电金属层按照实现A层的P型温差电材料微区和N型温差电材料微区相串联的结构进行刻蚀，制造出微型温差电池的一个B层。
第六步：将第四步制造出的微型温差电池A层的未沉积导电金属层的另一表面沉积上导电金属层。导电金属层的沉积可以采用物理方法，如物理气相沉积PVD法、熔融态金属喷射法、熔融态金属浸泡法等，也可以采用化学方法，如液相金属电沉积方法、液相金属化学沉积法、化学气相沉积CVD法、气相外延生长积MOCVD法等。
第七步：采用微加工技术，将第六步沉积在微型温差电池A层表面的导电金属层按照实现A层的P型温差电材料微区和N型温差电材料微区相串联的结构进行刻蚀，制造出微型温差电池的一个B*层。
第八步：在第五步、第七步分别在微型温差电池A层的两面各制造出一层导电B层和B*层后，分别在二个导电B层和B*层的外表面用具有良好导热性且不导电的材料制造C层和C*层，并从B层或B*层延伸出二个导电外接点，用绝缘的有机或无机材料进行封装。可以采用物理的或化学的方法直接在B层的外表面沉积上或者涂敷上一层具有良好导热性且不到电的材料以形成C层和C*层。也可以将具有良好导热性且不导电的片状或薄膜状材料作为C层C*层，用有机或者无机材料将其粘附到B层和B*层的外表面。
根据所采用的沉积P型及N型温差电材料的方式不同，上述第二步与第三步的先后顺序可更换，或者第二步与第四步的先后顺序可更换。第五步与第六步的先后顺序可换。
B层和B*层的结构可以相同，也可以不同，厚度可以相同，也可以不同。构成上述B层和B*层的导电材料的成分可以相同，也可以不相同。制造出B层和B*层后，A层的P型及N型温差电材料微区之间即实现了串联。构成上述C层和C*层的导热材料可以相同，也可以不相同。C层和C*层的形状可以相同，也可以不同，厚度可以相同，也可以不同。正极和负极导电外接点可以制造在微温差电池的同一侧，也可以制造在微温差电池的两端。
需要说明的是，上述有关N型及P型微区以及位于N型及P型微区之间的非导电微区的划分可以根据需要划分得极为精细，划分出的N型及P型微区以及位于N型及P型微区之间的非导电微区的数量可根据温差电池设计的输出电压大小以及所采用温差电材料的性能来确定。划分出的N型及P型微区的面积可以在50平方厘米至1平方纳米的尺度范围。
本发明制造出的微型温差电池可以具有很高的输出电压，同时使用材料方便，操作方法简便，它将成为微系统的最佳电源。
附图说明
图1：本发明微型温差电池的结构示意图；图2：本发明微型温差电池的制造流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，上述有关N型及P型微区的划分实际上极为精细，为获得高的输出电压，划分出的N型及P型微区的面积极小。在本实施例中，表面积为1cm2、厚度为50微米的多孔氧化铝模板表面可分别划分出2万个N型及P型微区。采用本实施例制造出的微型温差电池可以产生40伏的输出电压。
实施例2：与实施例1所不同的是以具有贯穿型多孔结构的高分子材料薄膜作为模板。采用液相电沉积技术在N型微区沉积N型BiTe0.4Se0.6温差电材料，在P型微区沉积P型Bi1.2Sb0.8Te1温差电材料。采用物理气相沉积PVD的方法，在沉积了N型及P型温差电材料微区的A层的两面分别沉积上导电金属钴，并采用微加工技术将A层两面沉积的导电金属钴层分别刻蚀出实现A层P型微区和N型微区串联的B层和B*层。之后，分别在B层和B*层的外表面涂敷导热硅胶，制造出C层和C*层。在本实施例中，表面积为1cm2、厚度为100微米的多孔结构高分子材料模板表面分别划分出1万个N型及P型微区。采用本实施例制造出的微型温差电池可以产生30伏的输出电压。
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