能量转换器件
阅读：852发布：2020-10-08
专利汇可以提供能量转换器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了在隧穿、热隧穿、 二极管 、热 电子 、热电、热-光伏及其他器件中的 电极 之间保持纳米间距的改良设计。至少一个电极具有弯曲形状。与 现有技术 相比，所有的实施方式均降低了两个电极之间的热传导。一些实施方式提供了围绕小 接触 区域的大隧穿区域。另一些实施方式将接触区域完全去除。最终结果是一电子器件，该电子器件具有两个间隔紧密的处于稳定平衡状态的平行电极，以简单的结构在大面积上具有彼此之间的纳米间隙，以实现简单的工艺性，并用于将热转换为电，或由电转换为冷却。，下面是能量转换器件专利的具体信息内容。
1.包括具有对向表面的第一和第二电极或电极组件的器件，其中通过允许电子或光子隧穿的距离，所述电极或电极组件的至少一个具有一个与另一电极对向表面弯曲远离的电极对向表面。
2.如权利要求1所述的器件，其中该距离小于1.0纳米，以允许从具有高功函数的表面发生无势垒的电子隧穿。
3.如权利要求1所述的器件，其中该距离在1.0与10.0纳米之间，以允许从具有低功函数的电极表面发生电子热隧穿。
4.如权利要求1所述的器件，其中该距离在1.0与200纳米之间，以允许光子隧穿。
5.如权利要求2至4中任一项所述的器件，其中将半导体材料沉积在所述电极的对向表面上。
6.如权利要求5所述的器件，其中该半导体材料包括热电材料。
7.如权利要求6所述的器件，其中该热电材料由从由碲化铋、碲化铋锑、碲化铅、硅锗、铊、笼形化合物、硫族化合物、或交替层的超晶格所组成的群组中选取的材料形成。
8.如权利要求3所述的器件，其中该低功函数表面从由铯、钡、锶或这些中任何一种的氧化物所组成的群组中选取。
9.如权利要求4所述的器件，其中所述电极的一个是感光性的，另一个是光发射性的。
10.如权利要求9所述的器件，其中所述感光性材料是光伏材料。
11.如权利要求9所述的器件，其中所述感光性材料从由硅、锗、碲、镉和其组合物或混合物组成的群组中选取。
12.如权利要求9所述的器件，其中所述光发射材料从钨、钛和其混合物中选取。
13.如权利要求1至12中任一项所述的器件，其中所述第一和第二电极的一些部分相互接触。
14.如权利要求13所述的器件，其中所述第一和第二电极形成具有中心的接触区域，一个或两个电极弯曲远离该中心区域。
15.如权利要求13所述的器件，其中所述第一和第二电极形成圆形接触区域，一个或两个电极在形成围绕该圆形的环孔的区域中弯曲远离。
16.如权利要求13所述的器件，其中第一和第二电极以线的形式形成接触区域，一个或两个电极在围绕该线的矩形区域中弯曲远离。
17.如权利要求1至16中任一项所述的器件，其中通过在与计划工作温度不同的温度下将具有不同热膨胀系数的两个层结合在一起，来形成弯曲表面。
18.如权利要求17所述的器件，其中一个层是单晶半导体，另一层是金属或金属合金。
19.如权利要求17所述的器件，其中一个层是玻璃，另一层是金属或金属合金。
20.如权利要求18所述的器件，其中该半导体从由硅、锗、碳化硅以及砷化镓组成的群组中选取。
21.如权利要求17所述的器件，包括位于隧穿区域外部的隔离物，其用于支撑所述两个电极。
22.如权利要求21所述的器件，其中该隔离物由玻璃形成。
23.如权利要求21所述的器件，其中当达到一温度的时候，所述隔离物支撑所述两个电极，消除所述接触区域，但仍保留所述隧穿区域。
24.如权利要求23所述的器件，其中所述温度升高是通过珀耳帖效应热传递、电阻、光子吸收或其组合而导致的。
25.如权利要求23所述的器件，其中所述温度升高是通过在消除接触区域之前在该接触区域中的热量传导而导致的，所述热量源自于根据塞贝克效应、热隧穿效应或热-光伏效应来产生电的热源。
26.多个如权利要求1至25中任一项所述的器件，其中一组电极在一公共基板上成层，并且相应的对向电极在另一公共基板上成层。
27.如权利要求26所述的器件，其在真空封装中。
28.如权利要求26所述的器件，包括框架，其中一个基板被结合并被密封到该框架的内周界上，而对向基板被结合并被密封到该框架的外周界上。
29.如权利要求28所述的器件，其中该框架由低热传导率材料形成。
30.如权利要求29所述的器件，其中该框架材料由玻璃形成。
31.如权利要求30所述的器件，其中所述玻璃组分在含有的杂质方面变动，以使得它的热膨胀系数与基板材料的热膨胀系数相匹配。
32.如权利要求28所述的器件，其中在真空室中进行所述结合和密封，从而当从该室中移出时，该器件内部被抽空。
33.如权利要求26所述的器件，其中该基板由柔性玻璃形成。
35.如权利要求33所述的器件，进一步包括设置于或接近于隧穿区域并具有高热和电传导率的插入物。
36.如权利要求35所述的器件，其中该插入物具有的热膨胀系数基本上与玻璃基板的热膨胀系数匹配。
37.如权利要求36所述的器件，其中该插入物材料是钨。
38.如权利要求27所述的器件，其中该真空封装是刚性玻璃，其具有将电与热路径暴露出的孔。
39.如权利要求38所述的器件，进一步包括结合并密封到所述孔的内表面周界的硅小片基板。
40.如权利要求28所述的器件，其中所述结合和密封材料是玻璃粉。
41.如权利要求28所述的器件，其中所述结合和密封是阳极处理。
42.如权利要求28所述的器件，其中所述结合和密封是通过压缩形成的。
43.如权利要求27所述的器件，其中所述真空封装包括真空相容的或者涂覆有无孔真空相容膜层的弹性的柔性塑料。
44.如权利要求43所述的器件，其中该塑料包括聚酰亚胺。
45.如权利要求43所述的器件，其中包括金属连线，(a)用于将电极电连接到一起，(b)用于连接到外部电源或电负载，和/或(c)用作用于真空密封的焊垫，且包括这些的任一组合的焊接。
46.如权利要求26所述的器件，包括吸气剂。
47.如权利要求46所述的器件，其中该吸气剂从由钛、铯、钡、钾、钠和其中两种或更多种的组合物所组成的群组中选取。
48.用于将热转换为电能的方法，包括使权利要求1至25中任一项所述的器件承受温差。
49.如权利要求48所述的方法，其中热源从辐射源、来自于环境的热量、地热能、以及由引擎或动物新陈代谢生成的热量中选取。
50.如权利要求48所述的方法，其中所述热源是有生命的人体。
51.如权利要求48所述的方法，其中所述热源是有生命的人体，并且该器件是手持器件。
52.如权利要求48所述的方法，其中所述热源选自于电、蒸汽或内燃引擎、燃烧的燃料或它们的废气。
53.如权利要求48所述的方法，其中所述热源选自于内燃引擎或它的废气，并且该器件作为散热器被并入到引擎或排气线路中。
54.如权利要求48所述的方法，在自然温度下操作。
55.如权利要求48所述的方法，其中该器件在致冷器、空调设备、冷却垫层、冷却罩或者接触到或包括在人类或动物身体中的冷却装置。
56.包括权利要求1至25中任一项所述的器件的多个单元的装置，其中所述电极被布置在具有周期性间隔的多个层中。
57.包括权利要求1至25中任一项所述的器件的多个单元的装置，其被串联组装。
58.包括权利要求1至25中任一项所述的器件的多个单元的装置，其被并联组装。
能量转换器件
[0001] 本申请要求于2008年2月15日提交的美国临时申请序号为61/065915的优先权，在此引入该申请内容作为参考。
技术领域
[0002] 本发明关于二极管、热电子、隧穿、以及被设计为在电极之间具有非常小的间距以及在一些情况下也要求电极之间的热隔离的其他器件。本发明可以应用到热隧穿发生器和热泵中，并且可以应用到使用热电子和热电方法的类似系统中。这些热隧穿发生器和热泵将热能转换成为电能，并且可以反向操作以提供致冷。本发明还可以应用到需要两个电极具有紧密、平行间隔且在它们之间施加或产生电压的任何器件中。
背景技术
[0003] 已经将从一个导体(发射极)到另一个导体(集电极)的高能电子流动的现象应用在了许多电子器件中，并且用于多种目的。例如，真空管二极管就是采用的这种方式，并且该物理现象被称为热电子发射。因为由相对较大的可用物理间隔所施加的限制，这些二极管需要在很高的温度下工作(大于1000开氏度)。为了使电子获得穿过到达集电极的大距离并克服高量子势垒的足够能量，热电极需要非常热。然而，真空管允许构建电子二极管和随后的放大器。随着时间的过去，通过使用诸如铯等碱金属、或氧化物涂覆电极，致力于降低工作温度，这些器件得到优化。尽管热电子发生的温度仍然大大高于室温，但是这种功率产生方法已经在将燃烧或太阳能集中器得到的热转换为电的转换过程方面产生效用。
[0004] 随后，已经发现，如果发射极和集电极彼此之间非常接近，在如2至20纳米的原子间距的量级，那么电子可以在非常低的温度，甚至在室温下流动。在这种小间距下，两个电极的原子的电子云如此接近以致于在没有物理传导的情况下就可以实际上使热电子从发射极团流动到集电极团。在电子云相交但是电极并不物理接触时，这种类型的电流被称为隧道效应。例如，扫描隧道显微镜使用了尖锐的、被设置为与导电表面非常接近的导电触针，并且随着触针在该表面上进行扫描，可以通过标绘电流的流动，来绘制此表面的原子轮廓。美国专利4343993(Binning等人)示教了应用于扫描隧道显微镜的这种方法。
[0005] 在本行业已知，如果可以在大面积(例如1平方厘米乃至1平方毫米)上保持这种原子间距，那么通过单个二极管之类的器件能够将大量的热转换为电，并且这些器件将在作为致冷器或在从各种来源中回收废热能方面产生效用。参见由Y.Hishinuna，T.H.Geballe，B.Y.Moyzhes 以 及 T.W.Kenny 所 著 的 Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of Nanometer Scale Design(Applied Physics Letters，第78卷，第17期，2001年4月23日)；由Y.Hishinuna，T.H.Geballe，B.Y.Moyzhes所著的Vacuum Thermionic Refrigeration with a Semiconductor Heterojunction Structure(Applied Physics Letters，第81卷，第22期，2002年11月25日)；以及由Y.Hishinuma，T.H.Geballe，B.Y.Moyzhes以及T.W.Kenny所著的Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap(Journal of Applied Physics，第94卷，第7期，2003年10月1日)。电极之间的间距必须足够小以允许“热”电子(具有大于费米能级的能量的电子)流动，但并不会紧密到允许常态传导(等于或小于费米能级的电子的流动)。在一些情况下，可以使用真空间隙最小化由晶格声子振动引起的热导率，并且热电子的过滤可以在与该间隙邻近的半导体或热电材料中发生，如在由相同发明者提出的国际PCT申请PCT/US07/77042中所示例的。存在在0.5和20纳米之间的间隔距离的可工作范围，其允许从电能到致冷的每平方厘米数千瓦特的转换。参见由Y.Hishinuna，T.H.Geballe，B.Y.Moyzhes以及T.W.Kenny所著的Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of Nanometer Scale Design(Applied Physics Letters，第78卷，第17期，2001年4月23日)。这些参考文献还提出在发射电极上提供碱金属或其他材质的涂层或单层以便获得在从一个电极到另一电极的电子传输中的低功函数的优越性。此涂层或者单层进一步降低了工作温度并为那些结构提高了转换效率，而无需设置电子过滤的单独手段。
[0006] Mahan证实了采用具有0.7eV的功函数及500K冷却温度的电子，热电子致冷器的理论效率高于卡诺效率的80％。参见由G.D.Mahan所著的Thermionic Refrigeration(Journal of Applied Physics，第76卷，第7期，1994年10月1日)。此外，参见由G.D.Mahan，J.A.Sofao以及M.Bartkoiwak所著的Multilayer Thermionic Refrigerator(Journal of Applied Physics，第83卷，第9期，1998年5月1日)。通过类比，电子隧穿过程的转换效率被预期为同样是高比例的卡诺效率。卡诺效率表示热能转换的可实现效率的上限。
[0007] 在大面积上将电极间距保持在原子尺寸上已经成为构建可从导体移除热量的器件时的唯一的、最重要的问题。例如，扫描隧道显微镜需要不存在振动的特殊实验室环境，并且它的操作局限在几平方纳米的区域。在一运作设备中冷却的测量被局限在几平方纳米的面积上。参见由Y.Hishinuma，T.H.Geballe，B.Y.Moyzhes以及T.W.Kenny所著的Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap(Journal of Applied Physics，第94卷，第7期，2003年10月1日)。
[0008] 更近期地，在PCT/US07/77042中，利用在真空室中测试的一对双金属电极，构建了实现毫瓦或几分之一瓦的更大的能量转换量的器件。在由相同发明人提出的此专利申请中所描述的器件已经成功地用于在一钟罩真空设备中形成纳米间隙，从而使得在该间隙任一侧的许多材料可以被探测或测量。此外，采用PCT/US07/77042的该成功间隙形成方法的全封装器件也将在此提出，并且此器件可用作在真空设备外部可用的全功能能量转换产品。
[0009] 因此，还有对于全封装器件的需求，其在封装件中成本有效地且有效率地将热能转换为电能，该封装件方便用于作为输入的热源、以及作为输出的需要电力的电路这两者。充裕的热源，包括废热，可以容易地变成电来源。采用这种器件的实例将有利于环境、节约资金或两者兼备，包括：
[0010] (1)比当前使用的光伏器件更成本有效地将太阳的热和光转换成为电。
[0011] (2)将如在汽车中所使用的内燃机所产生的热量回收回来，成为有用的动力。一些现今可用的称之为油电混合汽车的汽车可以使用电能或内部燃烧来产生动力。在现今的内燃机中，汽油中的大约75％的能量被转换成为废热。隧穿转换器件可以从混合汽车的发动机中回收大量的这种热能，并将它送到电池中以供随后使用。美国专利6651760(Cox等人)示教了对来自燃烧室的热量进行转换并储存能量或将能量转换为动力的一种方法。
[0012] (3)降低了向大气中排放有害气体的需求。较高能量效率的混合汽车是可以降低逸入大气的有害废气的一显明实例。对混合引擎的引擎废热进行转换并随后在混合电池中储存或产生电能的器件可以进一步提高混合汽车的效率，并降低有害气体排放需求。在致冷机中所使用的冷冻剂是移除热量所必需的有害气体的其他实例，而隧穿转换器件可以降低对有害气体排放的这种需求。
[0013] (4)在可得到时对热能进行回收，然后将它作为化学能储存在电池中，以及然后在不能得到时将它重新使用。隧穿转换器件在白天期间可以将太阳能转换为电能，然后将其储存在电池中。在夜间，所储存的电池电力可以用于产生电能。
[0014] (5)通过地热能发电。热存在于地球表面的许多地方，并且在地球内部深处实质上是无限充裕的。高效率的隧穿转换器件可以利用这种能量供应。
[0016] (7)通过体温发电。人体产生大约100瓦特的热量，这种热量可被转换成为对于如手机、无绳电话、音乐播放器、个人数字助理和手电筒等手持产品有用的电源。在本公开中提出的一种热转换器件可以从通过与人体局部接触所施加的热中，为这些手持产品生成进行工作或对电池充电的足够电力。
[0017] (8)来自燃烧燃料的电能。木材炉产生数万瓦特的热量。这种隧穿器件可以通过这些热量产生1或2千瓦的电力，其足够为一普通家庭的电器供以动力。类似应用可能通过燃烧其他燃料，如天然气、煤以及其他来实现。于是在偏远地区的家庭可以不必连接到电力输送网或有噪音的发电机来获取现代化的便利。
[0018] 在PCT/US07/77042以及在由E T Enikov和T Makansi所著的“Analysis of nanometer vacuum gap formation in thermo-tunneling devices”(Nanotechnology Journal，2008年)中，充分描述了在小于20.0纳米的间隔间隙内将两个平行电极设置在一起时的问题以及由此发明者和其他人提出的解决方案。在这里，我们将集中关注具有其自己的真空室的全封装器件，其可以以低成本大规模生产，并且相对于压缩机、涡轮以及发电机在价格上具有竞争力。此器件在其内包括了在PCT/US07/77042中所概述的形成间隙的双金属电极设计。
[0019] 已经通过使用在这些距离上非常精确的反馈控制系统的排列，提高了这种在1平方厘米的面积上将两个导体分隔开大约2.0至20.0纳米的技术。控制系统包括用于测量实际间隔的反馈装置，将该实际间隔与预想间隔相比较，还包括为了保持该预想间隔而使各元件靠近或者远离的移动装置。该反馈装置可以测量两个电极之间的电容，该电容随着间隔的减小而增大。在技术发展水平下，用于这些尺寸的移动装置是通过压电、磁致伸缩或者电致伸缩现象而产生移动的致动器。美国专利6720704(Tavkhelidze等人)和7253549(Tavkhelidze等人)以及美国专利申请号2007/0033782(Tavkhelidze等人)均描述了这样一种设计，其包括使用另一表面来形成一个表面的形状，然后使用反馈控制系统在使用前完成平行性。由于在相对于另一表面形成一个表面的形状以及为了保持平行性而使用多个反馈控制系统时涉及复杂的处理，因此该设计方法在低成本制造方面存在问题。
[0020] 在美国专利6774003(Tavkhelidze等人)和7140102(Taliashvili等人)以及美国专利申请2002/0170172(Tavkhelidze等 人)、2006/0038290(Tavkhelidze等人)和2001/0046749(Tavkhelidze等人)中记录了其他方法，这些方法涉及在制造期间在电极之间插入“牺牲层”。然后将该牺牲层蒸发，以在电极之间制造出接近2到20纳米的预想间距的间隙。如在美国专利申请号2005/0189871(Tavkhelidze等人)和2007/0056623(Tavkhelidze等人)中所描述的，这三种方法或者由于电极之间的翘曲或热膨胀差异而容易发生制造后波动，或者需要致动器的排列以补偿这种波动。
[0021] 随 着 时 间 的 过 去，在 美 国 专 利 6876123(Martinovsky 等 人 )、7305839(Weaver)和6946596(Kucherov等人)以及在美国专利申请号2004/0050415、
2006/0192196(Tavkhelidze 等 人 )、2003/0042819(Martinovsky 等 人 )、
2006/0207643(Weaver等人)、2007/0069357(Weaver等人)以及2008/0042163(Weaver)中记录了实现并保持预想间隔的其他方法，其通过使用介电衬垫，以非常类似于支柱支撑起帐篷的方式，保持柔性电极的间距。这些介电衬垫的一个缺点是它们从一个电极向另一个传递热，这降低了转换过程的效率。此方法的另一个缺点是随着时间的过去，在大静电力的存在下，该柔性电极可能在衬垫之间伸展或变形，并且该柔性电极可能缓慢地向着允许传导而非隧穿或热电子发射的间距迁移。在由Marco Aimi，Mehmet Arik，James Bray，Thomas Gorczyca，Darryl Michael，和Stan Weaver所著的“Thermotunneling Based Cooling Systems for High Efficiency Buildings”(General Electric Global Research Center，DOE Report Identifier DE-FC26-04NT42324，2007年)中概述了利用这些方法形成纳米间隙的一些难题。
2006/0192196(Tavkhelidze 等 人 )、2003/0042819(Martinovsky 等 人 )、
2006/0207643(Weaver等人)、2007/0069357(Weaver等人)以及2008/0042163(Weaver)中记录了实现并保持预想间隔的其他方法，其通过使用介电衬垫，以非常类似于支柱支撑起帐篷的方式，保持柔性电极的间距。这些介电衬垫的一个缺点是它们从一个电极向另一个传递热，这降低了转换过程的效率。此方法的另一个缺点是随着时间的过去，在大静电力的存在下，该柔性电极可能在衬垫之间伸展或变形，并且该柔性电极可能缓慢地向着允许传导而非隧穿或热电子发射的间距迁移。在由Marco Aimi，Mehmet Arik，James Bray，Thomas Gorczyca，Darryl Michael，和Stan Weaver所著的“Thermotunneling Based Cooling Systems for High Efficiency Buildings”(General Electric Global Research Center，DOE Report Identifier DE-FC26-04NT42324，2007年)中概述了利用这些方法形成纳米间隙的一些难题。
[0022] 在美国专利申请 号2004/0195934(Tanielian)、2006/0162761(Tanielian)、2007/0023077(Tanielian)、2007/0137687(Tanielian)和2008/0155981(Tanielian)中透露了用于获得电极之间的预想真空间距的另一方法，在该方法中，在两个接合晶片的界面处产生小空隙。这些空隙小到足以允许电子热隧穿越过几个纳米的间隙。尽管这些间隙可以支持热隧穿，但在该些间隙周围发生了不需要的热传导，并且难以控制电极间距的一致性。
[0023] 另外，如在美国专利申请2006/0000226中所述，用于实现热隧穿间隙的另一方法是通过促使两个晶片的对向表面相接触，然后使用致动器以将它们牵引分离开几个纳米。尽管此方法可以产生热隧穿间隙，但是此方法受到数个致动器的成本以及在间隙区域外部的晶片之间的热传导的不利影响。
发明内容
[0024] 本公开内容在封装、制造方面提供了改进，并提供了在PCT/US07/77042中描述的间隙形成设计的更详细的实施细节。提供了四种封装设计方法，每种设计方法在成本上折衷，并具有独特的可靠性。第一种且优选的封装设计采用柔性玻璃和柔性硅以同时作为真空壁、电极基板，和可选地用作用于互连的电路。第二种封装设计完全采用具有金属插入物的玻璃基板。第三种封装设计采用了柔性塑料材料，该材料是真空相容的，其具有低成本，但是也具有由于塑料逸气性(out-gassing)而引起的低可靠性、以及低壁面刚性和某些多孔性。第四种封装设计采用非柔性的厚玻璃壁，并且因此该间隙形成机制较少受到外部振动或冲击的干扰。然而，此设计制造起来更为昂贵。
[0025] 对于该四种设计中的每一种，均可以有两种实施方式。在一种实施方式中，每一隧穿结具有其自己的真空室，并且需要单独的连接器来提供多个结的互连。在第二种实施方式中，多个结共享真空室，在其中也包含互连结构。附图中将示出多个结的实施方式，但不是做出限制，其中单个结的实施方式是一个子集。
[0026] 可以通过行业已知的多种技术中的任一种，实现小于1.0纳米的表面粗糙度。即使硅和玻璃晶片通常是被抛光至亚纳米粗糙度，但是金属膜的沉积会因成核和颗粒形成而产生额外的粗糙度。然后，此表面粗糙度可以通过如下方式来消除：(1)利用后抛光工艺，例如称为CMP的化学机械抛光(2)在沉积期间冷却基板，以防止颗粒形成或使其最小化，或(3)将该表面压向已知光滑表面，如未加工晶片的表面。为了在金属、半导体和其他材料上获得小于1.0纳米的表面粗糙度，可在本行业中容易地获得这些及其他抛光技术。
[0027] 经研究下面的附图和详细说明书，其他系统、器件、所公开器件和方法的特征和益处对于本领域技术人员而言将是或将变得显而易见。意图是所有额外的系统、器件、特征以及益处应包括在本说明书内，属于本发明的范围内，并通过所附权利要求来保护。
附图说明
[0028] 参考附图，可以更好的理解所公开的器件和方法的许多方面。附图中的部件不一定按照比例，而是重点放在了清楚阐明本发明的原理。而且，在附图中，相同的附图标记无需在所有这些附图中具有对应部件。在结合附图公开示例性实施方式的同时，并不意图将公开内容限制在此处公开的各实施方式。正相反，其意图是覆盖所有的替换方案、改进方案和等效方案。
[0029] 图1a和图1b图示了本发明的单一结，一个弯曲电极和一个平板电极在中心区域相接触；图1a是剖面图，以及图1b图示了内部表面的各区域；
[0030] 图2a和图2b图示了单一结，但是为了在特定工作条件下将中心接触替换为纳米间隙而加入了角柱。图2a是剖面图，以及图2b图示了内部表面的各区域；
[0031] 图3a示出了图1a和1b或者图2a和2b的结在电激发时可如何用于提供致冷，以及图3b替代地示出了这些相同器件可如何用于将热转换为电；
[0032] 图4a至图4d示出了电气串联连接的多个结可如何聚集在单一的真空封装内，在这里硅用作柔性基板又用作部真空壁，以及柔性玻璃用作热隔离物还用作其余的真空壁；
[0033] 图5a和图5b以包括用于产生热电结并将它们连接到一起的膜叠层的剖面图形式示出了图4器件的更多细节；
[0034] 图6示出了图5a和图5b的替代实施方式，其采用柔性玻璃作为基板和真空壁，并且在玻璃中具有金属插入物以改善远离结的热传导；
[0035] 图7示出了图5a和图5b的另一替代实施方式，其采用柔性的、真空相容的塑料作为真空壁，并采用分立的硅小片作为基板；
[0036] 图8a和图8b示出了图5a和图5b的另一替代实施方式，其采用刚性玻璃作为真空壁并采用柔性硅作为基板；
[0037] 图9a图示了通过移除某种材料以降低双金属结构的中心的曲率的布局(这进而增大了隧穿的活性区)，其可以应用在图1至图8的任何或所有实施方式中；
[0038] 图9b绘制了曲率半径和孔半径的图表；
[0039] 图10a和图10b示出了在提供与用于电子流动的较大隧穿区域组合的小的接触区域时，与图1a和图1b以及图2a和图2b可类比的其他几何结构；
[0040] 图11图示了与图2a所示出的相似的器件；以及
[0041] 图12是珀耳帖系数相对于芯片温度的图表。
具体实施方式
[0042] 热电器件的品质因数是
[0043] ZT＝α2T/KR
[0045] R＝ρL/Ae
[0046] ρ是热电材料的电阻率，L是在此材料中电子必须行进的长度，以及Ae是电子流的横截面积。热导率K可以进一步表示成
[0047] K＝(κeAe+κ1A1)/L
[0048] L还是该材料的该长度。对于金属或半导体中的热传导，存在两种机制，一种归因于电子流动，而另一种归因于声子流动。归因于声子流动的热传导也可以被称为晶格热传导。在此等式中，κe是归因于电子的热导率分量，以及如前所述，Ae是电子可以流动穿过的横截面积。κ1是归因于声子的热导率分量，以及A1是声子可以流动穿过的横截面积。将R与K的表达式代入到ZT的公式中，得到如下等式：
[0049] ZT＝α2TAe/[ρ(κeAe+κ1A1)]
[0050] 在热电材料中并且对于传统的热电器件，Ae＝A1，那么因此KR＝κρ。
[0051] 在热电器件中，为了降低电损耗，将电阻最小化是所期望的，其对效率产生影响。将热传导最小化也是所期望的，从而使得由于从热的一侧到冷的一侧的热逆流而导致的损耗被最小化。传统的热电器件仅允许电子传导穿过热电活性材料。在图1a和图1b图示出的本发明的一个实施方式中，电子和声子传导通过横截面积的一部分，但是仅电子可以隧穿通过大得多的面积。由于电子流动的面积大于声子流动的面积，因此可以明显地提升该器件的性能。本发明的一个重要部分是其中A1可以小于Ae的器件，并且此差值导致更大的ZT以及更高的效率和性能。
[0052] 在图2所图示的本发明的另一个实施方式中，声子传输是不可能的，但是电子仍旧可以隧穿通过整个横截面积，甚至比图1a和图1b所图示的更进一步地提高了性能和效率。在这种情形下，A1是零，从而导致了甚至更大的ZT、效率和性能。
[0053] 更具体地参考附图，在其中相同附图标记在所有这些视图中表示相同部件，在图1-12中图示出本公开的器件和方法的示例性实施方式。
[0054] 在图1a中示出了两个电极，一个是弯曲的而另一个基本是平坦的。一片单晶硅100用作基板，并且此基板被重掺杂到0.001至0.01ohm-cm的程度，以得到从顶部到底部的电传导性。不限于此，其他半导体也可以用于基板100，比如碳化硅、锗以及砷化镓。两种类型的金属层101和102都用于传播电流，以允许该电流流动通过硅基板100的全部面积，从而降低了从器件的顶部到底部的电流的电阻。与金属层102相比，金属层101较厚，或者横向较大，或者既厚又在横向上较大。层103是热电活性材料。在升高的温度下将金属层101沉积或者粘附到硅基板100上，形成了弯曲的上部电极。当沉积或粘附之后将这一对层100和101冷却至室温时，金属层101相对于硅层100的较大热收缩引入了机械应力，从而引起了所示的弯曲形状。这种弯曲在两个横向维度上都发生，形成圆顶弯曲形状，不过图1a仅示出了剖面图。不限于此，可包括能够实现弯曲表面的其他布局，比如微机械加工，或内部真空空腔的牵引力。
[0055] 在操作中，图1a中的两个电极被弹簧支承，以向彼此推动，并且将此图中的装置安置在真空室中。为了致使器件冷却，在最顶部101和最底部金属层102之间施加电压。此电压使得电流流动通过热电活性层103，并且如果材料103是p-型，则该电流在与电流相同的方向上传送热量，或者如果材料103是n-型，则该电流在与电流相反的方向上传送热量。为了致使器件产生电力，热量施加到下部电极，从而在下部和上部电极之间产生温度梯度，并且此梯度在顶部和底部电极之间产生被称为塞贝克电压的电压。
[0056] 图1a所图示的本发明的中心部分107除一个独特的例外之外与传统热电器件相似，该例外是本发明的关键之处。在标准热电器件中，位于中心部分107中的活性层103从顶部至底部是连续的。而在该发明的器件中，如图1b所图示，活性层103具有垂直贯穿接触区域104的某种连续性。在此接触区域104中，电子和声子均可以传导热，并且电子可以传导电。包围接触区域104的区域105具有特殊的目的。该器件的几何形状被设计为使得电子可以在非接触真空间隙区域105中隧穿，但是由于真空层导致的晶格断裂，声子完全不能流动。因此电子流动区域105大于声子流动区域104。区域106是硅基板的全部区域，其可以包括由于真空间隙过大以致电子无法隧穿而导致电子和声子均不能流动的区域。
[0057] 为了估算出图1a的器件的品质因数ZT的改善，将活化层材料103假定为最广泛使用的热电材料Bi2Te3。此外，将工作温度T假定为室温或300K。对于这种材料充分公布了下面的参数值：α＝260微伏每开氏度，ρ＝0.001欧姆-厘米，κe＝0.4瓦/米-开氏度，κ1＝1.6瓦/米-开氏度。对于传统的热电器件，Ae＝A1。将这些数值代入到ZT的公式中
[0058] ZT＝α2TAe/[ρ(κeAe+κ1A1)]
[0059] ZT的公式计算得到数值1.04，该数值是当Ae＝A1时对于Bi2Te3器件被公布和被普遍引用的ZT性能。如果我们现在参考图1a和图1b，并且假定声子流动区域104具有的半径是电子流动区域105的半径的四分之一，那么A1/Ae是1/16，其可以由该等式得到ZT＝4.06。因此我们看到，对于图1a和图1b所图示出的实施方式，用于热电性能的品质因数ZT可以大约是传统器件的四倍。不限于此，更复杂的热电材料可以替换Bi2Te3。复杂热电材料的一个实例是超晶格，其是包括多个非常薄的膜层的热电膜，其边界降低了晶格热传导。复杂热电材料的其他实例包括笼形化合物(Clathrates)和硫族化合物(Chalcogenides)。在由G.Jeffery Snyder和Eric S.Tober所著的Complex Thermoelectric Materials(Nature Materials，第7卷，2008年2月)中提供了复杂热电材料的全面评论。
[0060] 图2a和图2b示出了图1a和图1b中的实施方式的一种变型，其中在四个角落中的每一个中的电极之间设置了四个隔离物108。由于图2a是剖面图，因此仅示出了这些隔离物中的两个。这些隔离物可以由玻璃或者其他介电材料制成，优选是具有低的热和电传导率。隔离物108的高度被选择为使得在上部电极加热时，硅与金属的热膨胀差异促使上部电极变平，由于角落隔离物成为支撑物，最终在中心形成一间隙。如果图2a的间隙被控制为在两个电极之间产生1nm或更小的真空层，那么在图1b中所图示的接触区域104被消除，所有的声子流动被阻塞。然而，电子可以在区域105中隧穿。在此情况下，A1＝0，并且ZT的公式
[0061] ZT＝α2TAe/[ρ(κeAe+κ1A1)]
[0062] 对于Bi2Te3以及在室温下对于上面所定量的材料参数得到5.07的ZT。
[0063] 迄今所提出的本发明的ZT计算采用了现今广泛使用在传统热电器件中的热电材料Bi2Te3的特性。在图2a和图2b所图示的实施方式的情况中，由于真空间隙区域105阻止了所有声子流动，因此热电材料的晶格热传导率是不相关的。图1a和图1b所图示的中心接触方法阻止了大多数的声子流动。由于这些原因，用于该发明的最佳热电材料可能不是对于传统器件来说已经成为最佳选择的Bi2Te3。包括具有大或者更大晶格热传导率的那些材料可以增大用于本发明器件的候选材料的空间。由于许多原因，这些新材料可能性是很重要的。在周期表中具有低晶格热传导率的元素是那些具有相对大的原子量的元素。具有相对大的原子量的半导体和金属趋向于具有下列的非期望属性：(1)毒性，(2)放射性，(3)高成本，(4)在自然界或人造方式下稀缺，以及(5)没有耐受更高温度的能力。
[0064] 例如，对于传统热电材料，毒性是大问题。用在传统器件中的碲和例如锑的类似元素是有毒性的。硅和锗是没有毒性、丰富并且廉价的半导体。然而，硅和锗并不用在传统热电器件中，因为它们的晶格热传导率是碲和锑的几倍。硅和锗仅在图2a和图2b的实施方式中工作良好，这是因为通过真空间隙将晶格热传导最小化。
[0065] 并且，为了将热电器件应用在发电上，非常期望在高温下操作它们。热力学状态的定律是，引擎中的温度δ越高，该引擎的效率就越高。维持高效率发电机要求接近于1000K的非常高的温度，并且这些温度通常是在靠煤、燃气或核能提供燃料的发电厂中使用。为了与现有的发电厂竞争，热电器件需要维持同样的这些温度。铋、碲和锑分别具有555K、723K和904K的熔点。由于这些低熔点，传统热电器件的工作温度被限制在500K。如果该器件的热侧面是500K而冷侧面被冷却到室温或300K，那么理论最大效率是40％，并且其假定了一个无限大的ZT。然而，硅和锗具有1693K和1211K的熔点，因此可以承受在热力学效率方面与现有的发电厂竞争所需要的高达1000K的温度。关于硅-锗的热电性能的细节，参见由I.Yonenaga等人所著的Thermal and electrical properties of Czochralski grown GeSi single crystals(Journal of Physics and Chemical of Solids 2001)。对于关于这些材料的表面行为的详情，参见由H.Choi，J.Bae，D.Soh以及S.HONG所著的“Selective Epitaxial Growth of SiGe on a SOI Substrate by Using Ultra-High-Vacuum Chemical Vapor Deposition”(Journal of the Korean Physical Society，第48卷，第4期，2006年4月，第648-652页)以及由H.Yin等人所著的“Strain relaxation of SiGe islands on compliant oxide”(Journal of Applied Physics，第91卷，第12期，2002年6月15日)。
[0066] 本发明的另一优点是能够在一温度范围上操作。对于传统热电器件，Bi2Te3和类似的材料是在低温下使用的(较低的晶格热传导率，但是较低的熔点)，而其他材料如SiGe是在较高温度下使用的(较高的晶格热传导率但是较高的熔点)。由于晶格热传导被图1a和图1b以及图2a和图2b所图示出的真空间隙部分地或全部的消除，因此本发明允许在完全温度范围上使用诸如SiGe等材料。
[0067] 热电器件通常是可逆式的，这意味着电流流动通过该器件将会导致致冷，而相反地，将热施加在一侧将会产生电压。本发明的器件也是可逆式的，并且图3a和图3b示出用于这两种工作模式中的每一种的优选结构。图3a示出了用于致冷的优选结构，以及图3b示出了用于通过热量发电的优选结构。
[0068] 在图3a中，具有厚铜层的弯曲双金属电极113是热侧面。电压源109通过电线110将电压供给到器件的顶部和底部。在该器件的中心，此电压产生通过热电材料的电流，并且当假定所采用的热电材料是n-型时，此电流将热从底部电极迁移到顶部电极。不限于此，通过使施加的电压109反向，并且采用p-型材料，可以得到类似的图表，不过电流反向流动，热量将仍然从底部电极流动到顶部电极。
[0069] 当图3a的器件被关掉时，电压109是零，并在两个电极之间存在中心接触。电流的流动使热迁移到顶部电极，从而升高它的温度。该升高的温度导致顶部电极变平，其在中心最终产生间隙，并且顶部电极现在采用角落隔离物用于支撑。中心处的间隙将在尺寸上增大，直到它达到一平衡值。如果干扰导致间隙变得大于平衡值，那么由于该间隙断开了两个电极之间的电路，因此较小电流流动。较小电流意味着较少热量迁移到上部电极，使得它的温度降低，并且朝着底部电极背向弯曲直到平衡重新建立。相反地，如果干扰导致间隙小于平衡值，那么较大电流流动，使得更多热量迁移，升高顶部电极的温度，并使其弯曲远离底部电极直到平衡再次重新建立。
[0070] 通过将活性层103选择为热电敏感材料，图3a的器件可以应用到热电冷却方法中，其也被称为珀耳帖效应。不限于此，已知碲化铋、碲化铋锑、碲化铅、硅锗以及许多其他材料都呈现热电效应。在将热电方法应用到图3a的器件的情况下，该间隙可以是无势垒的，这意味着电子不必为了横穿间隙而高于平均能量。热电材料103的带隙的量子势垒已经过滤了能够使热迁移的较高能量电子。因而，在这种情况下，在两个活性层103之间的纳米间隙仅仅需要中断晶格热传导。通过将活性层103选择为低功函数材料，图3a的器件还可以应用到热隧穿冷却方法中。低功函数材料的实例是铯、钡、锶以及它们的氧化物。层103可以采用单层、亚单层、多个单层或沉积膜层的形式。在应用到图3a器件中的热隧穿方法的情况下，间隙长度引入仅更高能量的电子可以越过的势垒。在热隧穿应用中，纳米间隙用作过滤电子的量子势垒，还用作晶格热传导的障碍。
[0071] 在图3b中的用于发电的优选结构中，注意到弯曲的、双金属电极现在是冷侧面。来自于热源111的热被施加到平板电极。由于在工作期间热源的温度可能是变化的，例如在聚光型太阳能应用中，优选的是将热施加到不会将间隙自它的最佳数值改变的侧面。正如在热电器件中所常见的，热源111在热电敏感材料中产生温度梯度，这随后产生可以通过配线110传递到需要电力的电路112中的电压。
[0072] 当在热源111处没有施加热量时，在两个电极之间存在中心接触。由于热源是开启的，该热量中一些将流动通过该中心接触，升高顶部电极113的温度。升高的温度导致顶部电极113变平，因为顶部电极随后被支撑在角落隔离物108上，因此最终在中心产生间隙。类似于在致冷的情况中，形成平衡间隙。如果干扰导致间隙变得大于平衡值，则因为较少热量横穿该间隙，因此顶部电极冷却下来，这导致顶部电极113朝向底部电极弯曲，并且重新建立了平衡。如果干扰导致间隙变得小于平衡值，则在中心增大的热传导将升高顶部电极的温度，从而导致它弯曲远离中心，直到平衡间隙被重新建立。
[0073] 通过将活性层材料103选择为热电敏感材料，图3b的器件可以应用到热电发电效应中，其也可以称为塞贝克效应。同样，不限于此，先前提到的呈现珀耳帖效应的相同材料也呈现该热电效应。通过将活性层103选择为低功函数材料，图3b的器件还可以应用于热隧穿发电。不限于此，对于热隧穿冷却有用的相同材料也对热隧穿发电有效。通过将下部的活性层材料103选择为光发射性的，并将上部的层103选择为感光性的，图3b的器件还可以应用到热-光伏方法中。光发射材料响应于热的施加而发射光子。感光性材料在接收到光子时产生电。光子也能够隧穿跨越真空间隙，如图3b所图示的真空间隙，因此在保持热隔离的同时，将热转换为电。光子隧穿所必需的间隙长度通常远远小于波长。对于可见光，波长是400至700纳米，因此1nm到200nm的间隙长度对于有效的电子隧穿是足够小的。不限于此，光发射材料的实例是钨和钛。同样，不限于此，感光性材料的实例包括诸如硅、锗、碲、镉及其组合之类的光伏材料。对于热-光伏方法的概述，参见由R.DiMatteo等人所著的Micron-gap ThermoPhotoVoltaics(MTPV)(Thermophotovoltaic Generation of Electricity，American Institute of Physics，2004)。
[0074] 以前的图1至图3示出了用于单一热电结的优选实施方式。图4a到图4d示出了如何能够具有沉积金属膜层的标准硅基板制造多个结，其中使用标准晶片结合工艺及设备将热和冷侧面真空密封在一起。
[0075] 图4a示出了如何将顶部基板115与底部基板116接合在一起，而其间设置有玻璃框架114。这三个组件115、116和114还包括真空室的各壁。利用玻璃粉或其他真空密封粘合剂沿着重叠周界，将顶层115以及底层116各自粘附到玻璃框架114。为了暴露出电连接120，底部基板116延伸出玻璃框架并超过真空封条。这些电连接使得器件能够连接到电源以进行致冷，或者连接到电气负载以进行发电。图4d中的底部硅基板116用作热电叠层118和203以及关联的互连电路117的载体。现在注意到，与图1a和图1b以及图2a和图
2b对比，在图4a和图4b中的电流不必流动通过硅基板。为了防止硅变得短路，在图4a和图4b的这个实施方式中所采用的硅基板是未掺杂的或轻微掺杂的。图4d的此基板116还用作真空封装的底部。图4c中的顶部硅基板115具有厚金属垫101。这些垫在高温下被沉积或粘附到硅基板115，从而在室温以及在工作温度下，在厚金属101与硅基板115之间存在由双金属应力引起的局部曲率。顶部基板还具有热电叠层，其面对着图4d中的底部基板
103和118的热电叠层。在图4c中，用于顶部基板的该热电叠层是不可见的。因为玻璃具有大大低于硅的热传导率，因此图4b中的玻璃框架114的主要作用是使热侧面和冷侧面之间的热传导最小化。顶部和底部硅基板的直接面对面的周边结合将具有高的热传导，从而降低了性能。图4b中的玻璃框架114的侧面宽度可被选择为获得热隔离的期望量。
2b对比，在图4a和图4b中的电流不必流动通过硅基板。为了防止硅变得短路，在图4a和图4b的这个实施方式中所采用的硅基板是未掺杂的或轻微掺杂的。图4d的此基板116还用作真空封装的底部。图4c中的顶部硅基板115具有厚金属垫101。这些垫在高温下被沉积或粘附到硅基板115，从而在室温以及在工作温度下，在厚金属101与硅基板115之间存在由双金属应力引起的局部曲率。顶部基板还具有热电叠层，其面对着图4d中的底部基板
103和118的热电叠层。在图4c中，用于顶部基板的该热电叠层是不可见的。因为玻璃具有大大低于硅的热传导率，因此图4b中的玻璃框架114的主要作用是使热侧面和冷侧面之间的热传导最小化。顶部和底部硅基板的直接面对面的周边结合将具有高的热传导，从而降低了性能。图4b中的玻璃框架114的侧面宽度可被选择为获得热隔离的期望量。
[0076] 图5a示出了图4中的器件的剖面图，包括有关膜层叠层的细节。图5b中的插图是图5a的放大图。利用周边密封剂121将玻璃框架114结合并真空密封到顶部基板115，该周边密封剂121可以是玻璃粉、焊料、压力粘结剂或其他合适的材料。类似的周边密封剂121将玻璃框架114结合到底部基板。为了电连接的目的，将垫120暴露在外。吸气剂122安置在真空腔中，以在器件寿命周期期间与任何残留的、逸气的或泄漏进去的气体进行反应，以帮助保持接近于理想真空条件。电连线117将热电垫彼此连接，以及连接到外部垫。
当在形成间隙时的操作期间，可选的玻璃柱108用作每一个热电叠层的角落隔离物。当该器件被关掉时，热电叠层的中心接触提供了对抗将顶部与底部电极牵引到一起的真空压力的支撑。膜层101是具有高于基板115的热膨胀系数的厚膜。因为之前所描述的原因，该膜层101在升高的温度下沉积或结合到基板115。铜、铝、锡以及许多其他金属和合金均适用于膜层101。膜层119是其他金属的薄层，比如钛、钨或在厚膜101与基板115之间提供良好粘着的其他合金。不限于此，其他粘附层是本领域已知的。
当在形成间隙时的操作期间，可选的玻璃柱108用作每一个热电叠层的角落隔离物。当该器件被关掉时，热电叠层的中心接触提供了对抗将顶部与底部电极牵引到一起的真空压力的支撑。膜层101是具有高于基板115的热膨胀系数的厚膜。因为之前所描述的原因，该膜层101在升高的温度下沉积或结合到基板115。铜、铝、锡以及许多其他金属和合金均适用于膜层101。膜层119是其他金属的薄层，比如钛、钨或在厚膜101与基板115之间提供良好粘着的其他合金。不限于此，其他粘附层是本领域已知的。
[0077] 现在将描述沉积在器件内部的膜层。粘附层102在基板115或116与膜层102之间提供了优良的粘着，其具有高的电传导率。膜层102承载了从一个热电叠层到下一个热电叠层以及到外部连接的电流中的大多数。膜层118是热电活性层，如前所述，其可以是半导体、氧化物、或者低功函数材料、感光性或光发射性的层。
[0078] 由于低电压和高电流是热电结的特点，因此大多数热电器件内部串联连接到各结。通过具有许多串联连接的结，因此可用的供电或负载电压可以更好地与各个结电压的总体相匹配。这些串联连接意味着热必须在p-型结中随着电流一起流动，或在n-型结中逆着电流流动。
[0079] 对于图4d的热电膜层103的优选材料，在冷却结构中，对于n-型叠层是碲化铋，对于p-型叠层是碲化铋锑。图4d和图5b中的膜层118显示了与n-型材料103对比的如何使用p-型材料的实例。对于发电操作，用于膜层103和118的优选材料是硅锗，它们各自具有不同组分。不限于此，用于膜层103的材料还可以是超晶格热电材料、量子阱、适当掺杂的半导体或者其他热电材料。
[0080] 图6示出了图4a和图4b以及图5a和图5b的器件的替换实施方式。玻璃124用作顶部和底部基板两者。因为与硅(150瓦特/米-度)相比，玻璃具有低得多的热传导率(1瓦特/米-度)，另一种手段对于将热从热电结传导到外部是有益的。玻璃基板124中的金属插入物123提供了这种手段，并且现在存在从热电结到外部的高度热传导路径。通过使用金属连线117，金属插入物123也可选地提供了将热电结连接到一起的电路径。这些金属连线可以被设置在由基板顶部与底部限定的真空腔的内部或外部上。如前所述，厚金属垫101提供了双金属结构，并且产生了弯曲。根据图4a和图4b以及图5a和图5b中的非常相似的图示，可清楚获知图6的器件的各部件和操作的其余部分。
[0081] 图7示出了采用柔性塑料真空壁127的图4a和图4b以及图5a和图5b的器件的另一替换实施方式。已知类似聚酰亚胺(polyimide)和卡普顿(Kapton)的柔性塑料材料的逸气性非常低，因此适宜用于真空环境。在图7中，如前所述，采用了硅基板100、可选的玻璃柱108以及双金属结构。聚酰亚胺真空壁127具有电连线117，其使用通孔126和焊料垫125提供了在热电叠层之间的连接以及到外部连接的连接，以实现与配线的简单电连接。围绕周界提供了真空密封125。实现此周界真空密封的一种方式是放置铜或者类似的金属连线128，并采用焊料125作为密封剂。不限于此，还可以应用其他密封技术。已知聚酰亚胺是多孔的，并且可能需要无孔材质的薄层(未示出)，比如金属膜层或二氧化硅或其他膜层。
[0082] 图4至图7中所示的所有实施方式均使用柔性材料作为真空壁。对于一些实施方式，特别是在苛刻环境中，可能期望或需要刚性封装。图8a和图8b示出替换实施方式，其中真空壁是刚性玻璃基板129。刚性硅基板100通过玻璃中的孔131暴露出，以提供到外部的电和热连接。在制造图8a和图8b的器件时，上部和下部基板129由具有孔131的玻璃晶片开始。这些基板用作真空腔的顶部和底部，但除了孔131中，在所述孔131中，围绕这些孔的周界真空密封该硅基板100。玻璃栅格130被插入到上部与下部基板之间，并且被真空密封周边粘合。所述双金属结构是通过中间硅小片100与它的厚金属层101组合实现的，并且通过金属凸块134与刚性硅小片电连接。柔性热界面层132被设置在柔性硅小片与刚性硅小片之间，从而在挠曲期间在允许顺从性的同时允许热量流动。不限于此，热界面层132可以是石墨。可选的玻璃柱108起到与之前所述相同的作用。在图8a中的虚线是切割线，其示出了在何处使用晶片锯、超声波锯、激光烧蚀器或类似的机器切割出单个器件。图8b示出了一旦切割完毕后的一个最终封装件。除去通过通孔131暴露出的金属之外，该封装件的整个外部均是刚性玻璃。这些金属被沉积在刚性硅基板上。注意，图8b的顶部和底部源自图8a的顶部与底部硅基板晶片129，并且图8b的侧墙是在这些相同的玻璃基板晶片之间插入的玻璃栅格130的一半。
[0083] 根据在前的讨论，以下是品质因数ZT的公式
[0084] ZT＝α2TAe/[ρ(κeAe+κ1A1)]
[0085] 显然，相对于声子隧穿或接触面积A1更高的电子隧穿面积Ae有益于得到更高的ZT，并提高器件性能。在图1至图8中示出的之前的实施方式中，面积Ae和A1由双金属的曲率决定，而双金属的曲率又是用于基板和厚金属膜层的材料属性以及几何形状(厚度和宽度)的函数。图9a图示出了在不改变所使用的材料或电极尺寸的同时进一步减小曲率的结构。在双金属厚膜层135中心区域的金属层或者被移除，或者不被沉积，或者在基板136上沉积小得多的厚度，从而留下位于137处的空隙。最终结果是器件在中心具有较小曲率，或等效地，在中心具有更高的曲率半径。图9b示出了Y轴138为曲率半径以及X轴139为孔137的半径的曲线图。在该曲线图中的数值140是使用ANSYS软件通过计算机模拟而生成的。如通过该曲线图所表明的，随着孔直径的增大，在中心的双金属的曲率半径增大。在此模拟中，在图9a中的方形双金属结构的横向尺寸是10毫米。随着孔半径向双金属的宽度的一半增大，中心的曲率半径141无限增大，这表明采用此方法可以实现非常低的中心曲率。
[0086] 图10a和图10b示出了用于实现被隧穿区域包围的局部接触区域的其他类似几何结构。在图10a，隧穿区域是围绕所接触的较薄环孔的环孔。在图10b，隧穿区域是围绕所接触的较薄带的线状带。应用图1a和图1b以及图2a和图2b所图示出的相同原理，可以存在更多其他类似的几何结构。
[0087] 图11图示出了与图2a非常相似的装置，该装置被构造为用以检验本发明的原理。每个电极为1平方厘米。双金属结构由125微米厚的且被焊接到270微米厚的硅小片204上的黄铜板200组成。角落隔离物208由厚度为60微米的纸制成，并且每一个角落隔离物
208均由大约1平方毫米的角落接触面积构成。通过重复地沉积10纳米的铋以及随后沉积
15纳米的碲，直到获得1微米的总厚度，来形成热电层。铜膜层202和206为3.0微米厚，并且用作电流传播器，以允许电流传导通过硅小片204的整个面积。钛粘着层203和205在硅小片204的顶部和底部两者上均被布置在铜层和硅层之间。在保持在高真空压力的电子束蒸发系统中，利用从纯净元素源的热蒸发，按顺序沉积在硅小片204上的所有层。在制造之后，完成的电极在200摄氏度下烘焙大约1小时，以将Bi2Te3膜层退火。底部电极在制造上与顶部电极相同，仅是如图11所示的进行颠倒放置。
208均由大约1平方毫米的角落接触面积构成。通过重复地沉积10纳米的铋以及随后沉积
15纳米的碲，直到获得1微米的总厚度，来形成热电层。铜膜层202和206为3.0微米厚，并且用作电流传播器，以允许电流传导通过硅小片204的整个面积。钛粘着层203和205在硅小片204的顶部和底部两者上均被布置在铜层和硅层之间。在保持在高真空压力的电子束蒸发系统中，利用从纯净元素源的热蒸发，按顺序沉积在硅小片204上的所有层。在制造之后，完成的电极在200摄氏度下烘焙大约1小时，以将Bi2Te3膜层退火。底部电极在制造上与顶部电极相同，仅是如图11所示的进行颠倒放置。
[0088] 图11所图示的整个电极被放置在真空钟罩中的弹簧式电连接器之间。将来自DC电源的电压施加在弹簧式连接器上。伏特计能够读出黄铜板上的电压值，以及两个小的热耦合能够读出在每一黄铜板上的温度。可以从电源上的仪表上读出流动通过该器件的电流。
[0089] 在实验期间，所施加的电压是逐渐增大的，并且在多个数据点处测量每一电极的电压、电流和温度。随着供应电压的增大，电流增大，并且器件的电阻导致两个电极均升温。随着电极对升温至大约50摄氏度，纳米间隙开始形成。
[0090] 图12图示出所形成的纳米间隙以及通过纳米真空间隙的形成而增强的热电效应。在图12中，珀耳帖系数轴211被表示为相对于平均电极温度轴212的几个读数。珀耳帖系数与塞贝克系数成比例。当器件升温到大约57摄氏度时，开始形成间隙，并且珀耳帖系数迅速升高，这提供了本发明的间隙形成方法具有优越性的证据。圆形数据点213表明沿着与方形数据点214相反的方向的电流。此实验的ZT被估算为0.2。
[0091] 在用于这些测量的仪器中所存在的许多局限性阻碍了证实ZT优于现有技术的1.04的ZT。膜层沉积工艺中的不均匀化学计量法在间隙形成前导致了低劣的珀耳帖和热电系数。对于Bi2Te3的期望的珀耳帖系数值为大约0.06瓦特/安培。在此实验中，在不具有间隙的情况下测得的数值为大约0.015瓦特/安培。该较低的测量数值可能归因于来自交替层的不均匀计量法，因为珀耳帖系数强烈地依赖于对于这种材料的正确的化学计量法。表面粗糙度远远大于所需要的1纳米。焊接到硅小片上的黄铜板的曲率远远大于在半导体车间中采用热基板沉积所能获得的曲率。最后，与优选实施方式中的玻璃隔离物相比，纸质间隔物引入了大的多的热回流。可以利用半导体工艺，将玻璃间隔物制造成横向为25微米，而不是在此实验中采用的纸质隔离物的1000微米。在不具有这些局限性的情况下，能够预期将相对于现有技术的ZT具有明显提高。
[0092] 为了实现更高级别的能量转换或者为了使电压与电源或电负载相匹配，可以将此器件的多个单元并联或串联连接在一起。
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