高能电子从一个导体(发射体)流向另一个导体(集电极)的现象已经 被用在很多电子器件中，并用于各种目的。例如，真空管二极管就是通过这 种方法实现的，并且该物理现象被称为热离子发射。由于受到可得到的相对 大的物理间隔的限制，这些二极管必需在非常高的温度(超过1000开尔文 (Kelvin)度)下工作。该热电极必需是非常热的以便给电子增加足够的能 量使其运行长距离到达集电极并克服高量子势垒。不管如何，真空管允许电 子二极管和后来的放大器建立。随着时间流逝，通过使用碱金属，如铯或氧 化物来涂敷电极，以便努力降低工作温度，由此来优化这些器件。尽管用于 热离子产生的温度仍然远高于室温，但是这种功率产生的方法对于从燃烧或 者从太阳集中器向电能的热量转换是有用的。
近年来，已经发现如果发射极和集电极彼此非常靠近，在例如2到20纳 米的原子距离数量级，则电子将在极低温度下、甚至在室温下流动。以这个 小间隔，两个电极的原子的电子云如此接近，以至于热电子实际上从发射极 云向集电极云流动，而没有物理传导。当电子交叉时这种类型的电流流动， 但是电极没有物理接触，这被称为遂穿效应。扫描遂穿显微镜例如使用尖的、 导电的针，该导电针非常靠近导电表面，并且随着导电针扫描穿过该表面， 通过绘制电流来对这个表面的原子轮廓进行绘图。(Binnig等人的)美国专利 4343993教导了这种适用于扫描遂穿显微镜的方法。
业内已经知道，如果这种原子分离可以保持在大面积(例如一平方厘米) 上，则相当大的热量可以通过二极管式器件转换成电能，并且这种器件在作 为冰箱或者在从各种资源回收废弃的热能方面是有用的。参见由Y.Hishinuna、 T.H.Geballe、B.Y.Moyzhes和T.W..Kenny发表在2001年4月23日第78卷 第17期“Applied Physics Letters”上的论文“Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of Nanometer Scale Design”、由Y.Hishinuna、T.H.Geballe和B.Y.Moyzhes发表在2002年11月 25日第81卷第22期“Applied Physics Letters”上的论文“Vacuum Thermionic Refrigeration with a Semiconductor Heterojunction Structure”以及由 Y.Hishinuma、T.H.Geballe、B.Y.Moyzhes和T.W.Kenny发表在2003年10月 1日第94卷第7期“Joumal of Applied Physics Letters”上的论文 “Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap”。电极之间的间隔必需足够小以允许“热”电子(具有高 于费米能级的能量的那些电子)流动，但是不能太接近以便允许正常传导(在 费米能级或以下的电子流动)。在2和20纳米之间存在可工作的间隔距离的 范围，允许从电能向制冷转换每立方厘米几千瓦。参见由Y.Hishinuna等人发 表的论文“Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of Nanometer Scale Design”。这些参考文献还建议 碱金属或其他材料在发射电极上的涂层或单层的优点，以便实现在从一个电 极向另一个电极的电子转移中的低功函。这个涂层或单层还降低了工作温度 和提高了转换效率。
Mahan揭示了一种使用具有0.7eV的功函和500K的冷温度的电极的热离 子冰箱的理论效率高于Carnot(卡诺)效率的80％。参见由G..D.Mahan发表 在1994年10月1日第76卷第7期“Journal of Applied Physics”上的论文 “Thermionic Refrigeration”。通过模拟转换，希望电子遂穿过程的效率也是 Carnot效率的一高部分。Carnot效率表现为热电子转换的可实现效率上的上 边界。
在大面积上将电极的间隔保持在原子尺寸已经是在构建器件中独立无二 的、最重要的挑战，这可以减少来自导体的热量。扫描遂穿显微镜，例如需 要是无振动、并且其操作被限制到几平方纳米的面积上的专用试验室环境。 甚至更近年来，工作设备中的所有冷却措施都已经被限制到几平方纳米的面 积上。参见由Y.Hishinuma等人发表的论文“Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap”。
大约100纳米的较大尺寸的电极间隔可以支持使用热-光生伏打方法将热 量向电能的转换。在热-光生伏打系统中，光子遂穿过间隙。热源导致光发射 电极进行辐射，并且如果第二光敏电极之间的间隔远小于辐射波长，则高达 转换功能的十倍也是可能的，相对于标准光生伏打系统。热源可以被集中太 阳光、化石燃料燃烧或者其他手段。光发射电极可以由例如钨构成。光敏电 极可以由硅、硒或砷化铟钾制成。关于热-光生伏打方法的更多信息，参见由 R.DiMatteo、P.Greiff、D.Seltzer、D.Meulenberg、E.Brown、E.Carlen、K.Kaiser、 S.Finberg、H.Nguyen、J.Azarkevich、P.Baldasaro、J.Beausang、L.Danielson、 M.Dashiell、D.DePoy、H.Ehsani、W.Topper、K.Rahner和R.Siergie在美国物 理学会(American Institute of Physics)2004年“Thermophotovoltaic Generation of Electricity Sixth Conference”会议上发表的论文“Micron-gap ThermoPhotoVotaics(MTPV)”。
用于直接能量转换和冷却的另一方法是通过热电器件来实现的。这些器 件使用展示Seebeck(塞贝克)效应的材料，其中温度差别在不相同材料的 两个结之间产生电压，或者使用相反地展示Peltier(帕尔帖)效应的材料， 其中施加的电压在这些结之间产生温度差异。来自Seebeck效应的电压一般 正比于两个结上的温度差，并且来自Peltier效应的热转移的功率正比于流过 这些结的电流。热电器件的一种持久稳固的挑战是结之间的材料为两个电极 之间的物理接触。这个接触导致电短路，限制了来自Seebeck效应的任何优 点，并且产生热短路，限制了来自Peltier效应的任何优点。在这些结之间或 结上的材料中的纳米间隙通过在器件的热侧和冷侧之间产生热隔离，应该解 决了这个顽固的问题，由此减少了限制Peltier效应的热短路的效果。这种间 隙还减少了限制Seebeck效应的电短路。如果这个间隙是合适尺寸的针孔间 隙，则可以实现甚至更大的利益。这些理论和试验工作表明这种真空间隙可 以允许这些固态器件完成用于冷却的压缩机和完成在热量象电能的转换中如 气体涡轮和气流涡轮等旋转机器。
因此，需要一种器件，它节约成本并且在包装中有效地将热能转换成电 能，这种包装便于使用热源作为输入和电路必需功率作为输出。包括废弃热 量等的丰富热源可以很容易地称为电能源。采用这种器件的例子应该有助于 环境、省钱、或即有助于环境又省钱，其包括：
(1)目前使用的比光生伏打器件更有效地将太阳的热量和光转换成电 能。很多产品介绍了通过使用这种热转换器件而采用高温热离子发射以从太 阳能收集器再循环热能。参见由G..D.Mahan等人以及由G.D.Mahan、J.A.Sofao 和M.Bartkoiwak分别发表在1998年5月1日第83卷第9期“Journal of Applied Physics”上的论文“Thermionic Refrigeration”和“Multilayer Thermionic Refrigerator”。然而，如果在正常发生的温度下实现遂穿效应，则 这种转换成本更低，并且更流行。
(2)将由内燃机、如在汽车中使用的，产生的热量回收到有用动作。被 称为混合气体-电动汽车的今天可获得的有些汽车可以使用电能或者内燃机 来产生动作。在今天的内燃机中，汽油中的能量的大约75％被转换成废弃热 量。遂穿转换器件可以将来自混合汽车的发动机的大部分热量回收并将其放 入电池用于后来使用。(Cox等人的)美国专利6651760教导一种将来自燃烧 室的热量进行转换并将能量存储或转换给动作。
(3)减少进入环境中的有害气体的需要。能量-效率混合汽车是洁净例 子，其中可以减少进入环境中的有害排放气体。转换发动机和混合发动机的 排放热量然后在混合电池中储存或产生电力的器件进一步增加混合汽车的效 率并减少排出有害气体的需要。在冰箱中使用的冷却剂是除去热量所必需的 有害气体的另些例子，并且遂穿转换器件将减少发射有害气体的需要。
(4)在可接受的时刻回收热能，然后将其作为化学能量储存在电池中， 然后在不可接受的时刻再利用它。遂穿转换器件在白天期间将太阳能转换成 电能，然后将其储存在电池中。在夜晚期间，被储存的电池能量将被用于产 生电力。
(5)从地热能量产生的能量。热存在于地球表面上的很多地方，并且在 地球里面实质上是无限足够深的。有效遂穿转换器将开发这种能量供给。
(6)通过紧凑的、安静的和稳定的固态器件进行制冷，其中这种遂穿器 件能够提供用于空调或冰箱的冷却，从而代替大量风力机器和压缩机的需要。
(7)由体热产生的能量。热体产生大约100瓦热量，并且这个热量可以 被转换成有用的电能用于手持产品，例如移动电话、无线电话、音乐播放器、 个人数字辅助系统和手电筒。如在本公开中提及的热转换器件从通过于人体 部分接触而施加的热量可以产生足够的能量来操作用于这些手持产品的电池 或给其充电。
(8)来自燃烧燃料的电能。树木炉子产生好几万瓦的热量。这种遂穿器 件能够根据足以给典型的家庭电器供电的热量产生一或二千瓦的电能。相同 的应用还可以通过燃烧其他燃料如天然气、媒、和其他类似材料来实现。然 后在遥远区域的家庭可以不需要连接到功率网栅或吵杂的电发生器以具有现 代器具。
在两个并行电极一起在小于20.0纳米间隔间隙的挑战需要关注两个参 数。一个参数是表面粗糙度，另一个参数是表面平坦度。表面粗糙度区别于 小的、局部面积上的平滑度。孔和擦伤是影响表面粗糙度的偏差的例子。表 面平坦度区别于大面积上的平行性。翘曲、弯曲、蔓延是影响表面平坦度的 偏差的例子。
当使用用于集成电路的当今能获得的最好技术抛光两种刚性材料，这代 表在一旦实现的保持均匀分离种的进一步挑战。使用今天的技术抛光的金属 或半导体表面可以很容易实现小于0.5纳米的粗糙度。
遂穿能量转换器件的现有技术的状态存在一个或多个以下限制：(1)对 于遂穿效应来说间隔太大，(2)对于足够的能量转换来说面积太小，(3)不 能热绝缘导致低转换效率的固体材料的层，和(4)对于有效地制造成本来说， 设计太复杂。
通过很多热离子系统已经实现了10微米或更大的间隔，但是这些系统只 在非常高的温度下操作，对于安全性来说需要高成本设计，并且被限制到实 现这个温度的环境。
在扫描遂穿显微镜的设计中，通过在(Binnig等人的)美国专利4343993 中教导的方法已经实现了大约2.0到20.0纳米的间隔，但是有效面积为几平 方纳米的数量级。这个面积太小(与大约一平方厘米或以上的所需面积相比)， 以至于不能允许足够电流流过，甚至在最佳材料中，也不能转换足够能量。
半导体工业教导并采用很多方法用于控制物理参数，如膜厚，在几纳米 数量级。热电器件是利用叠层材料转换能量的集成电路的例子。参见由Chris LaBounty、Ali Shakouri和John E.Bowers发表在2001年4月1日第89卷第 7期“Journal of Applied Physics”上的论文“Design and Characterization of Thin film Microcoolers”。然而，这些方法都需要固体材料在层中彼此接触。热量 很容易从一层流到另一层，限制温差和转换效率。由于两个电极接触，因此 设计受到可得到的热电敏感材料的支配，并且用于电子穿过的能量势垒不能 任意构成，可能通过设置真空间隙的宽度来实现。具有所需性能的材料是外 来的和昂贵的元件，如铋和碲化物。由于这些原因，热电器件被限于每瓦冷 却能量的高成本和大约百分之7的低效率。
在一平方厘米面积上分离两个导体大约2.0到20.0纳米的技术已经通过 使用反馈控制系统的阵列而实现了，其中反馈控制系统在这些距离上是非常 精确的。控制系统包括用于测量实际间隔、将其于所希望的间隔相比较的反 馈装置，以及用于使元件靠近或远离以便保持所希望的间隔的移动装置。反 馈装置可以测量两个电极之间的电容，该电容随着间隔减小而增加。在现有 技术状态中，用于这些尺寸的移动装置是通过压电、电磁或电致伸缩现象产 生动作的激励器。(Tavkhelidze等人的)美国专利6720704和(Taliashvili等 人的)美国专利申请2007/0033782介绍了这种设计，其包括在使用之前，使 用另一个表面对一个表面进行成形，然后使用反馈控制系统完成平行性。由 于在相对于另一个表面对一个表面进行成形时包括的精心制作工艺和使用多 个反馈控制系统来保持平行性，这种设计方案是以低成本进行制造的挑战。
在(Tavkhelidze等人的)美国专利6774003和(Tavkhelidze等人的)美 国专利申请2002/0170172、(Tavkhelidze等人的)美国专利申请2006/0038290 和(Tavkhelidze等人的)美国专利申请2001/0046749中公开了其他方法，这 些美国专利包括在制造过程中在电极之间插入“牺牲层”。然后蒸发牺牲层以 便在电极之间产生间隙，使电极靠近到所希望的2～20纳米的间隔。这三种 方法容易受到因翘曲或电极之间的热膨胀差而导致的后制造波动的影响，或 者需要激励器的阵列来补偿这些波动，如在(Tavkhelidze等人的)美国专利 申请2005/0189871和(Tavkhelidze等人的)美国专利申请2007/0056623中所 描述的。
随着时间流逝而实现和保持所希望的间隔的另一种方法在(Martinovsky 等人的)美国专利6876123和(Tavkhelidze等人的)美国专利申请 2004/0050415、2006/0192196、(Martinovsky等人的)美国专利申请 2003/0042819、(Weaver等人的)美国专利申请2006/0207643和(Weaver等 人的)美国专利申请2007/0069357中公开了，他们是通过使用绝缘间隔器， 保持柔性电极的间隔更大。这些绝缘间隔器的一个缺点是他们从一个电极向 另一个电极传导热量，减少转换过程的效率。这种方法的另一个缺点是因为 存在大静电力而使柔性金属电极随着时间的流逝可能在间隔器之间蔓延或变 形，并且缓慢地向允许传导而不是遂穿或热离子发射的间隔迁移。
用于实现电极之间的所希望真空间隔的另一种方法在(Tanielian的)美 国专利申请2004/0195934、(Tanielian的)美国专利申请2006/0162761、 (Tanielian的)美国专利申请2007/0023077和(Tanielian的)美国专利申请 2007/0137687中公开了，其中在两个键合晶片的界面上产生小空隙。这些空 隙很小足以允许电子穿过几纳米间隙进行热-遂穿。尽管这些间隙可以支持热 -遂穿，但在间隙周围产生不希望的热传导，并且电极间隔的非均匀性难以控 制。
用于实现热-遂穿间隙的另一种方法是通过具有接触的两个晶片的面向 表面，然后使用激励器上拉他们使他们隔开几纳米，如在美国专利申请 2006/0000226中所述的。尽管这种方法可产生热-遂穿间隙，但这种方法存在 多个激励器的成本和在间隙区域以外的晶片之间的热传导的问题。
在满足用于实现和保持电极间隔在小于20.0纳米间隔间隙方面以及在批 量生产低成本热-遂穿器件方面仍保持持续的和困难的挑战，不管付出多少努 力。
用于能移动电子穿过真空间隙(除了直接提供冷却之外)的器件的附加 利用是在热电堆栈的顶部放置这个间隙。在这个组合中，热电间隙的热侧和 冷侧变为热绝缘，因此更有效。具有热电材料和真空间隙的器件可经过热电 方法、热-遂穿方法、热离子方法或这些方法的组合，提供冷却或热转换。
因此仍需要一种用于在遂穿、二极管和铋已有设计更有效和更低成本的 其他器件中保持电极之间的真空间隔的改进设计。特别是，需要一种具有均 匀真空间隙的近间隔的电极的设计。更特别是，需要一种具有带自定位和自 对准的一对电极的设计，其中在这一对电极之间具有近间隔间隙以使电子通 过遂穿效应、热离子或其他发射、或者可能的话，与热电元件组合，而穿过 间隙转移。
在我的前述母专利申请中，介绍并保护一种器件和工艺，采用通过由现 有技术不能完成的方式的电子流。在先前设计中，遂穿器件中的电子流用于 两个目的：(1)作为热动态流以便从一个导体向另一个导体传输热量，(2) 直接向或从电池或电路移动被转换能量。在我的前述专利申请中，介绍了一 种器件结构和工艺，其中电子流也用于在所希望的电极间隔产生平行静电的 回复力和其他吸引力。
被公开的器件和工艺提供具有均匀间隙的近间隔的电极。特别是，本公 开涉及一对电极，在它们之间的近间隔间隙自定位和自对准，从而使电子通 过遂穿效应、热离子或其他发射，可能的话，与热电或热-光生伏打元件组合， 而穿过该间隙。
如在我的前述母专利申请中所述的，柔性材料用于电极中的一个，并包 括使自然地和同时地作用于柔性电极上的静电或其他吸引力与静磁排斥力平 衡的磁场，从而在大面积上在相对于另一个电极表面为所希望的间隔距离定 位、对准和保持其在稳定的平衡位置，并且适于在每个电极中连续的空间偏 离平坦度。
通过在组装之前对电极的面向表面进行抛光，实现了小于0.5纳米的表 面粗糙度。在用于在金属、半导体和其他材料上实现小于0.5纳米表面粗糙 度的工业中很容易实现抛光技术。
为了在一平方厘米或以上的大面积上实现小于20.0纳米的间隔，产生非 接触力的组合以使电极材料保持在预定间隔。在稳定的平衡条件下，已经存 在于这些二极管器件中的一个力是发射极和集电极之间的静电力。由于施加 电压，相反电荷聚集在每个电极上，并且这些电荷的存在导致电极之间的吸 引力。尽管静电力被认为是近间隔电极中的占优势的吸引力，但是其他吸引 力也存在，如重力、表面张力、范德华(Van der Waals)力，卡西米(Casimir) 力和静摩擦力。
如在我的母专利申请中所述的，产生第二相等的但相反的力，它作用于 柔性电极上以便在所有点上平衡吸引静电力和其他吸引力，使得柔性电极保 持所希望的间隔和对准。这种第二力可能是由于一种物理现象产生的：其中 当存在磁场并且电流在导体中流动时产生力。这种力作用于在垂直于由电流 的方向和磁场的方向限定的平面。

本发明提供一种对我的专利申请的器件和工艺的改进。在一种方案中， 这种第二力可能是由于具有不同热膨胀系数的键合在一起的两种材料即“双 金属”的组件的弯曲产生的。这种弯曲力是由双金属响应热操作中移动的热 量而导致温度增加或降低产生的，或者是通过电操作中的电产生的，或者由 这两种原因组合产生的。磁力或双金属力可以被设计到单独地或同时地实现 以下两个目标的0.5到200nm间隙的本发明的实施例中：(1)扫描大面积和 (2)自动实现均匀性而没有损失间隔器或激励器阵列和控制系统。
通过具有靠近电极或在电极内部的永久磁铁，可以将所需磁场添加到本 发明的第一实施例中。永久磁铁材料如铁、钴和镍以及它们的合金也是高导 电和导热的金属。因此，这些磁性材料可与电极的导热和导电特性相容。即 使希望使用非传导磁场材料来提供磁场，这种磁铁可以通过导体来涂敷或简 单地具有安装到其上的平坦导体，以便构成发射电极。
设置永久磁铁的表面的温度可能影响其操作参数，因为磁性材料在居里 温度水平损失它们的磁性，该距离温度水平通常在600和1400开尔文度之间。 然而，在本发明中，磁铁可以放置在转换器件的冷侧或热侧，发现这种结构 可以防止磁铁达到其距离温度。
本发明通过一种新的、非显而易见的方式提供一种用于在一起的电极材 料，以便产生简单的和便宜的热-遂穿、热-光生伏打或热离子器件，其具有以 下优点：(1)通过消除现有技术所需的激励器和控制系统而简化性，(2)采 用在电灯泡和半导体工业中已经研制的技术和制造工艺来实现低成本和批量 生产，(3)不用间隔器就实现了电极之间的窄间隙，从而允许热电子从一个 电极遂穿到另一个电极，由此冷却第一电极，和(4)在大电极面积如一平方 厘米上保持均匀的间隙。
被公开器件和工艺的其他系统、器件、特征和优点通过下面的附图和详 细说明使本领域技术人员更清楚。意图使所有附加系统、器件、特征和优点 都被包括在本说明书中、在本发明的范围内、并且受到所附权利要求书的保 护。

参照附图1—23可以更好地理解被公开的器件和工艺的很多方案。附图 中的部件不是按比例绘制的，重点在于清楚地表示本发明的原理。而且，在 附图中，相同的参考标记在所有附图中不必是相应附件。结合附图公开了典 型的实施例，但本公开不打算限制到这里所公开的实施例。相反，本公开意 图覆盖所有替代方式、修改方式和等效方式。
图1表示本公开的自定位电极器件的一个实施例；
图1a表示图1的器件中的电流、磁场和静磁力的方向性状态；
图1b表示图1的器件中的电极2的替换实施例；
图2是图1的器件的电极1的示意顶部平面图；
图2a是表示图2的电极的实施例的切除部分的透视底部图；
图3表示图1的器件的替换实施例；
图4表示图1的器件的另一实施例；
图5是定性地表示图1-4的器件中的相互作用力的曲线；
图6是定性地表示使用被抛光金属电极的图1、3和4的器件中的相互作 用力的曲线；
图7是定性地表示使用被抛光硅电极的图1、3和4的器件中的相互作用 力的曲线；
图8是表示电极如何可以由硅晶片材料制成的示意图；
图9a表示适合于热-光生伏打应用的具有较大间隙的替换实施例；
图9b是表示图9a的器件中的相互作用力的类似于图5的曲线；
图10a-10c表示使用在半导体工业中公用的工艺技术如何将图8的多个 电极对同时组装用于批量生产的示意图；
图11a-10b表示如何可以将图8、9a或10c的多个电极对封装到大热交换 机中以实现器件功能的更高密度和容量；
图12a-12b表示使用在工业中公用的硅、玻璃、玻璃粉真空密封和其他 标准微电子机械(MEM)封装技术如何封装图8的电极对；
图13表示为了由图8、9a、10c、11a或12b的较小器件制成较大器件而 附着于磁性可渗透格栅的永久磁铁的阵列；
图14是可用于在对产生电力的实施例实际热能之前在形成图8、10c、11a 或12b的器件中的间隙的启动电子电路的一个例子；
图15a-15b表示其中通过双金属结构弯曲电极并且在中心产生小接触面 积的第二实施例；
图16表示图15的双金属实施例如何放置在与用于控制间隙宽度的移动 激励器组合的硅MEM封装的内部；
图17表示具有移动能力从而使用磁性洛伦兹(Lorentz)力激励器分离接 触中心-点并实现中心-点间隙的根据图15-16的双金属实施例的电极器件；
图18a-18c表示具有使用边缘支持分离接触中心-点的移动能力的根据图 15-16的双金属实施例的电极器件；图18a表示无源状态下的器件，图18b表 示正常的、有源状态下的器件，图18c表示过温度状态下的器件；
图19a-19c分别表示放在真空室或其他外壳中和除了外部容器之外防止 热接触的图18a-18c的器件；
图20表示根据第二实施例的电极器件的简化设计，其中通过具有为其自 身真空腔的间隙空间来消除分离真空室；
图21表示代替图20中所示的设计的电极器件，其中减少或消除了间隙 表面的物理接触以防止在操作期间损伤它们；
图22表示根据第二实施例的多个器件如何电气串联和热并联连接以提 供器件的定制集成，其中电连接和真空外壳是用弯曲电缆材料实现的；和
图23表示使用硅晶片衬底作为真空外壳的类似于图22的设计。

下面更详细地参照附图，其中相同的参考标记在所有附图中表示相同的 元件，本公开的器件和工艺的典型实施例示于图1-24中。
一般情况下，公开了一种器件和工艺，采用面向电极并包括两个力分布。 在电极之间的主要静电吸引力分布由电极内部的电荷产生。相等但相反的排 斥力分布由电极内部的电流分布结合施加的磁场分布产生。这两个力分布同 时作用从而横过电极的面向表面建立电极的稳定的平衡间隔。
在下面的详细说明中，图1-8与我的前述专利申请的图1-8相似。
图1表示本公开的一个实施例。电极1是安装在塑料膜或衬底如聚酰亚 胺上的柔性金属箔或金属箔。塑料衬底有助于防止箔在由静电和电磁力产生 的重复运动之后发生裂化、弯折、或碎裂。塑料衬底或电极1的电性质还可 用作在平衡期间防止其移动的振动或不稳定性。电极2是由导电材料构成或 涂敷的永久磁铁。在典型例中，电极2是矩形块。对两个电极在互相面对的 表面上被抛光。如果该器件用于热能转换，则存在热源30，或者如果该器件 用作冰箱，则是被冷却的物体。如果该器件用作冰箱则存在电源10，如果该 器件用作热转换发生器，则附加地是电负载。存在绝缘层4，用于当该器件 在不操作(即，当该器件被关闭时)时，允许电极1的尖端6存在非导电停 留点。另外，电极之一可具有比电极孩子建的预定平衡间隔薄的非导电材料 的涂层，其中当器件不工作时，所述电极的另一个休息。电极2的顶部的层 或涂层5是被设计成具有低功函的材料，以便于电子在电极2和电极1之间 进行遂穿。连接器9a和9b和电线8a和8b完成电路。腔室20用真空或惰性 气体密封面向电极1和2之间的区域，以使从一个电极向另一个电极的热传 导最小。合适的气体包括氩和氦。柔性电极1的较宽端部牢固地安装到腔室 20中的支架结构上，当切断电源时，电极1停留在绝缘层或膜4上的尖端6 上。
图1a表示在电极1中流动的电流(I)、由于在电极2内部存在永久磁铁 而产生的磁场(B)、以及由I和B的相互作用产生的力F的方向性状态。力 F在垂直向上方向作用在电极上的每个点上，下拉电极1的相反和平衡的静 电吸引力向下指向电极2.
图1b表示电极2的替换设置。这里，材料的表面用尖顶5的阵列构图。 这些尖顶的几何形状允许增强从电极2的电子发射，这是因为尖顶的区域中 的磁化电场。在抛光之后，由于电极2的表面的有意的或非有意的粗糙度， 也可能产生这些尖顶。
图1的器件还具有附加力，这些附加力在关闭电源、平衡或从关闭电源 向平衡过渡或从平衡向关闭电源过渡期间，产生或改变机构或系统以帮助其 操作。例如，这些机构可以抑制系统以防止电极1在其平衡停留位置周围振 动或振荡。这些附加力还可能机械地、磁性地、电机械地、电磁性地、或通 过其他方式产生，以便弥补或抵消主要静电和磁性对峙平衡力的大小上的不 足或过量。
用于柔性电极1的材料可以是导电金属、半导体材料、多层玻璃/金属或 多层金属/塑料。典型的导电金属包括金、银、铝和铜。典型的半导体材料包 括硅、锗、和砷化镓。如果金属自身的柔性不足，导电金属或半导体材料可 任选地安装在具有给金属增加柔性的材料的层上或与其组合，如玻璃、酰胺、 聚酯、聚酰亚胺、聚丙烯或聚烯烃。
电极2的永久磁铁可以被包含在电极的内部或成为电极的一部分。在典 型实施例中，永久磁铁可以包含铁、钴、镍、钕或铝的任何组合形式的导电 铁磁体材料。或者，永久磁铁可包含用导电材料涂敷的一种或多种非导电铁 磁体材料。典型的非导电铁磁体材料包括被密封在粘合剂中的铁氧体、钡铁 氧体和氧化铁颗粒。
电极2上的层或涂层5可以是低功函材料、热电敏感材料、谐振遂穿材 料、电场增强质地、或这些材料的组合。低功函材料的典型实施例包括任何 多层碱金属或其他组合、碱金属的合金、氧化物、或金刚石，如金刚石膜或 纳米管。由表面粗糙度或构图(例如，如图1b所示)产生的峰顶和谷底的聚 集可以增强电场，因此提高了从电极2的电子发射。最后，设置成用于实现 谐振遂穿的半导体层也可提高电子发射。典型半导体材料包括硅、锗和砷化 镓。典型的热电敏感材料包括各种掺杂的碲化物铋。
图1的层5中的低功函材料或图1b中的增强材料5’可以例如是铯(Cs)、 钡(Ba)、锶(Sr)、铷(Rb)、锗(Ge)、钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)、锂 (Li)、以及它们的组合和氧化物。示出的这些材料将发射电极2的功函从4-5 eV减小到1.1eV。附加的低功函材料包括钍(Th)、涂敷金属的氧化物和硅。 这里未提及的其他材料也可以实现低功函，这种材料层的添加是本发明的显 而易见的扩展范围。例如，由Korotkov建议了便于电子遂穿的不同类型的层、 宽间隙半导体层。参见由A.N.Korotkov和K.K.Likharev发表在1999年8月 23日第75卷第16期“Applied Physics Letters”上的论文“Possible Cooling by Resonant Fowler-Nordheim Emission”。这里，其厚度被小心地控制的薄氧化物 层将电子激励到谐振条件，由此帮助热电子溢出到真空。而且，图1的层5 和图1b的5’可以是碳纳米管阵列或类似设置，以使发射最大化和功函最小 化。绝缘层4的材料可包括玻璃、聚酰亚胺或其他塑料。
图1中的电子的流和本发明的独特性如下所述。自由电子从电源或电负 载10流向发射电极2。从电极2向电极1发射的自由电子被这个设计选择， 从而成为能从电极2除去热量的热电子。本发明的一种方案是：在存在图1a 中方向性地所示的磁场B的情况下，自由电子在电极1内部在图1中从左向 右流动。这个自由电子流动方向于施加的磁场组合产生在图1a中方向性地所 示的排斥力，该排斥力平衡了吸引静电力并实现了在大面积上电极1和电极 2之间的恒定的和预定的间隔。
图2是图1的电极1的典型实施例的顶部示意图，表示具有指向电子流 方向的箭头的横截面7。横截面7具有等于集合遂穿电流的电流密度，所述 集合遂穿电流由所有电极的表面向由横截面7的长度7分割的的左侧拾取。 由于希望遂穿电流正比于到达7的左侧的遂穿活动性的面积，则横截面7的 长度将正比于电极表面的面积的增加向其左侧最佳地增加。因此电极1的边 界3描绘出指数函数。这样，柔性电极1的表面的宽度从其尖端6向其相反 端呈指数地生长。指数函数在数学上等于由它和X轴直到其集成点所围城的 面积。由边界3描绘出的函数还可补偿电流密度的其他变化，如由于电极1 内部的路径长度而导致电阻的变化。而且，在有些情况下，该设计可以用三 角形电极1进行子最佳化，为了容易制造。
图2a是图2所示的电极1的切除部分的底部的示意图。其表示在面向电 极2的其底表面上如何对电极1进行构图。该图形允许遂穿面积(由抬高的 表面x的总面积X限定的)不同于电流流动可获得的总面积Y。在这种方式 中的构图电极1允许用于较大总面积Y，因此允许用于集合电流流动的较低 电阻损失和热产生损失。同时，使接近于电极2的面积最小化，这减小了静 电力，这必需被克服以将电极放置在它们的所希望的位置上。电极1的构图 的相同效果也可以通过抛光之后的有意或非有意的表面粗糙度来实现。间歇 地抬高的部分4是可以支持电极1和放置电短路的绝缘层，因为当器件被导 通时电极1的箔材料向电极2覆盖。
图3是表示可以实现更紧凑封装的本公开的另一实施例的示意图。这里， 电极2是磁化方向从中心向外径向散射的圆筒状永久磁铁。现在电极1采用 指数螺旋的形状，其宽度随着每匝而增加。或者，电极1可以具有线性增加 的螺旋形状，如简单地接近指数螺旋形状，这是为了容易制造。由于电极1 具有螺旋形状，电流在切线方向中。代年级1上的力作用在垂直方向，提供 使静电吸引力平衡的排斥力，类似于图1中所实现的。电极1的螺旋形状使 本实施例具有更紧凑的设计，因为总遂穿面积不需要穿过一个长尺寸漫步， 如图1中所示。具有京西那个磁化(相对于器件的中心在径向方向测量磁场) 的圆筒状磁铁在工业中是常规可接受的，因为它们对于建立扩音器中很流行。
除了图1和3中的实施例之外，本发明还有很多其他明显的实施例，其 使用一个电极的特殊形状来实现均匀的排斥力。图4是表示另一典型实施例 的示意图。其使用改变磁场而不是改变宽度的电极。例如，在图4中，随着 更多电流从遂穿面积可接受地形成，电极1中的电流密度从左向右增加。为 了实现电极1上的均匀力，使磁场从左向右减小，因为产生了更多的电流密 度而需要较小的场强。这样，磁场的强度于柔性电极1中的电流密度成反比 地改变，以便实现恒定力。用于使磁场从左向右减小的方式是改变电极2中 包含的永久磁铁材料23的深度和增加非磁化材料24的量，如铜或铝。
图5是表示图1到图4中的力如何相互作用从而在遂穿面积上在两个电 极之间产生恒定间隔的曲线图。Y轴40是力，X轴41是电极之间的间隙宽 度或分离距离。曲线43表示电极1和电极2之间的吸引力、静电力。曲线 43中所示的力于间隙41的平方呈反比。曲线46表示在存在磁场时遂穿电流 流动产生的在两个电极之间的排斥力。这个电流接近零，直到该间隔变窄到 足以发生遂穿为止。然后，随着间隔进一步减小，它非常快速地增加。用于 遂穿的开始间隔点42和用于全传导的间隔点44的位置取决于使用的工艺条 件。例如，根据Hishinuma，对于具有0.1-2.0V的施加电位的器件，用于遂穿 的开始间隔点42为20纳米左右，并且本质上全传导的点44为1纳米左右。 参见由Y.Hishinuna等人发表的论文“Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of Nanometer Scale Design”和由Y.Hishinuna等人发表的论文“Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap”。吸引力和排斥力在 点45上相等。这是器件停留在其稳定平衡位置上的间隔。如果对器件的任何 干扰使间隔大于点45，则由曲线43表示的吸引力压制由曲线46表示的排斥 力，产生反向移动到平衡点45的趋势。同样，使间隔小于点45的任何干扰、 由曲线46表示的排斥力压制由曲线43表示的吸引力，并再次使器件回复到 其平衡点45。
除了前述电极设置之外，电极还可以设置成周期间隔的多层。另外，器 件的多个单元可以串联、并联、或者并联和串联组装，以便实现能量转换的 更高水平。
在操作时，调整柔性电极1中的电流分布或密度以及面向电极2的磁场， 从而将电极放置在稳定、间隔开的平衡位置上。在一个典型实施例中，当本 发明的器件用在将热量向电能转换或者使用电子遂穿或热离子电子转移进行 冷却时，或者电子遂穿和热离子运力的组合时，使用柔性金属薄作为一个电 极，可以调整电极1中的电流密度或分布以及电极2的磁场，以便将面向电 极放置在1纳米到20纳米的范围内的稳定的、间隔开的平衡位置上。在另一 典型实施例中，当本发明的器件用在从热向冷转换或者通过热离子电子转移 产生能量时，可以使用硅晶片作为一个或两个电极的衬底，调整电极1中的 电流密度或分布的强度以及电极2的磁场，以便将面向电极放在1纳米到20 纳米的范围内的稳定的、间隔开的、平衡位置中。
本发明的器件可以用在将热量转换成冷或转换成电能的工艺中。热源可 以是辐射源，如太阳辐射，来自环境的热量、地热、或由发动机或动物新陈 代谢产生的热量，如但不限于来自活人体的热量。热源也可以是来自运动电 的、蒸气、或内部内燃机，或通过燃烧燃料在炉子中，如树木炉子或煤炉或 其他类型，或者它们的废气。当热源例如是来自运动内部内燃机或其废气时， 本发明器件可以组装在发动机或气体排放管道中作为热沉。用于燃烧的燃料 可以是木头、天然气、煤或其他易燃的燃料。被转换的能量可以存储在如电 池中或直接给手持电器如移动电话、无线电话或其他前述产品供电。
现在解释当其作为电冰箱时本发明的器件的操作。再次参见图1，由电 源10将从零增加的电压施加在电极1和电极2之间。这个电压产生静电力， 将电极1的尖端向电极2的表面上拉。由于该电压逐渐增加，因此柔性电极 1向下朝向电极2的表面按照从尖端6开始的滚动方式弯曲。这种弯曲持续， 直到电极1靠近电极2且遂穿电流开始从电极2向电极1流动为止。一旦到 达电极1，这个遂穿电流就向连接器9a和9b在电极1内向右侧流动。由于这 个电流在图1a的I方向流动，并且由在附近电极2中的永久磁铁产生的磁场 在B方向，则力将起作用向上推动电极1。只要来自电源10的电压继续增加， 电极1将整平并使轮廓与电极2的表面匹配。静电力起作用从而朝向彼此拉 动两个电极表面，并且来自电极1中的电流的相反力防止两个电极靠近得小 于预定间隔。
本发明的器件作为发生器器件的操作也类似，除了热源30产生从在电极 2中热的高能状态向电极1中的冷的较低能状态移动的“热电子”。这是电子 从一个能量状态向另一个能量状态的运动，在电极之间产生电流。电负载10 变为用于如此产生的电能的热沉。
在电冰箱操作中，使用来自电源的电能，拉动热电子原理电极2，由此 冷却它。当作为电发生器操作时，热源30用于将电子向电源推动。
本发明将通过下面的例子进一步表示，这些例子基于物理的基本定律， 并结合了通过本发明人获得的试验数据和测量数据以及这里所述的理论科 学。这些例子表示：(1)本发明的器件可以使用在工业中公用的尺寸和工艺 来设计和构建，(2)产生的量化力将导致所希望的电极间隔，和(3)本发明 器件的电性能可以有效地承载和传输被转换的电能。这些例子证明了本发明 器件的上述三个特征，用于其中电极间隔小于20纳米的热-遂穿转换器，和 用于其中电极间隔为大约100纳米的热-光生伏打转换器。
例1
对于热-遂穿转换器，考虑图1、2和3中的以下尺寸：
面向电极的总覆盖遂穿面积是1平方厘米或10-4平方米。柔性电极1的 长度L为2厘米，，最大宽度W是1厘米。长度L和宽度W与图3相同地被 限定，但是与图1的线性形状相比，电极1弯曲成螺旋形状。电极1的面向 表面被表面构图或具有表面粗糙度，以至于总遂穿面积X(所有x的总和) 是总表面面积Y的十分之一或10-5平方米。电极2中使用的永久磁铁材料具 有1.2泰斯拉(Tesla)的场强B。电极之间的电压V是0.15V。电极1和2 之间的真空或稀薄的惰性气体的介电常数ε等于8.8×10-12法拉(farads)/每 米。假设柔性电极1的电阻率γ接近于铜的电阻率，或为1.7×10-8欧姆-米 (ohm-meter)。假设从上部连接器9a到另一个下部连接器9b的电子的路径 的电阻为全部集中在电极1中，这是因为与电路的其余部件相比，它必需是 薄的和柔性的。柔性电极1的厚度t为20微米，因此是箔材料。
用于吸引静电力Fe的公式是1/2εXV2/d2，其中d是电极之间的间隔。用 于排斥磁力Fm的公式为ILB，其中I是电流，L是在电极1中的电流的有效 平均长度。
遂穿电流I作为间隔的函数从Hishinuma的曲线得到，并且假设图1的 涂层5的功函为1.0eV，操作温度为300开尔文度。参见由Y.Hishinuna等人 发表的论文“Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of Nanometer Scale Design”和由Y.Hishinuma等人 发表的论文“Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap”。
在图6中，对于前面所列的值，利用在Y轴的对数尺度相对在X轴上的 算术尺度的电极间隙d对力函数Fm和Fe绘制曲线。这个曲线传输如图5所 示的曲线，现在只有全部量化。根据Hishinuma，稳定的平衡点45靠近2.0 纳米，这在所希望间隔范围内得以实现20安培遂穿电流。参见由Y.Hishinuma 等人发表的论文“Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap”。随着干扰试着在某一个方向远离稳定平衡 偏移间隙，回复力大于0.2牛顿，这足以克服柔性电极的弯曲电阻并将其往 回推到器平衡位置。
利用在室温下、20安培的电流以及0.15V的电压的发射电极，该器件可 以实现16瓦的电功率产生容量或制冷容量，这可以作为电流(I)乘以在本 例中使用的0.8的Peltier系数来计算，如在由Y.Hishinuma等人发表的论文 “Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap”中所述的。在这个电流流过柔性电极1中的电阻功率损失为 I2γL/tw。利用前述的值，在1.0瓦计算欧姆功率损失，这假设作为功率损失 和作为加热电极1的源而容易管理的。从电极2向电极1传导的热量也可以 用辐射、对流和传导来代替，但是当本发明器件的腔室被排放到氩气体的 0.06mm Hg的水平时，估计不大于1.3瓦。最后，存在在电极2中产生的电 热量，如在由Y.Hishinuma等人发表的论文“Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap”中所述的，这等于 电压V乘以电流I，或者在本例中为大约3.0瓦。从被转换能量的16瓦可获 得的剩余能量为10.7瓦。这对应67％的计算效率。
因此，我们看到本器件的系统水平特性，基于被建立的电磁理论，支持 可工作的设计和用于还原的装置，以实现高效率的热-遂穿转换器。
例2
本发明的多功能性的另一例子是在材料的选择上。如在例1中所述的， 优选实施例包括金属薄作为电极之一。另一实施例可采用单晶体硅作为柔性 电极。尽管硅不常被认为是柔性材料，但是它通常在工业上可以在一平方厘 米表面上以0.5纳米的粗糙度和1微米的平坦度进行制造。尽管硅比金属薄 更硬，如通过杨氏模量(Young’s Modulus)测量的，其平坦度表示需要非常 小的弯曲以接近理想平坦度。由本发明产生的力将表明能使硅晶片弯曲一个 微米来完全整平它。总之，使用硅作为柔性或两个电极的基础材料具有几个 优点：(1)硅晶片容易在低成本获得，(2)硅晶片具有所希望的粗糙度和平 坦度特性，(3)在硅上添加低功函材料或材料的图形在工业上可以很容易地 和经常地实现，(4)硅的电阻率防止柔性电极在接触或近接触本发明的另一 电极过程中反应太快，和(5)硅的所希望的电阻率可以通过掺杂来任意控制， 这也是工业上常用的。总之，本发明的设计可以用在半导体工业中通常可获 得的材料和工艺来实现。
为了表示使用硅作为柔性电极的本发明的例子，考虑图8。这里，电极1 由箔背衬62和硅衬底65构成。图8中的电极1的形状是三角形，接近例1 中所述的最佳指数形状。硅衬底65可以从标准晶片上切割下来，然后使用导 电粘合剂粘接到电极1的箔背衬62上。图8中的电极2’与图1中的电极2 相同地构成，只是未示出磁铁并假设分开地设置。通过将磁铁与电极2’分开， 可以使用与图8中的电极1相同的材料和工艺构成电极2’。箭头61表示电子 的流动方向。由于箔背衬具有比硅更高的导电率，因此电子将流动最小电阻 的路径。因此，电子从右向左经过传导流过电极2’的箔背衬，然后垂直流过 电极2’的硅衬底，如箭头67的部分所示的，然后电子经过遂穿或热离子发射 从电极2’的表面64在真空中流向电极1，如箭头66的部分所示。一旦电子 到达电极1，它们再次垂直地流过硅衬底，如箭头68的部分所示，并最后到 达电极1的箔背衬62。然后，它们从左向右经过电极1的箔背衬62流过非 常低的电阻路径。由箭头61方向性地表示的电子流与附近的永久磁铁的磁场 相互作用，在图8中未示出。
在本例中，硅的总厚度ts为每晶片0.5毫米或0.25毫米，这是工业标准 厚度。掺杂硅材料以具有0.02欧姆-厘米的电阻率rs，这也是常用的。用于硅 的杨氏模量Es公知为47千兆帕斯卡(Pascals)或4.7×1010Pascals。对于一 厘米的横向尺寸的晶片，对硅晶片进行在工业上常规抛光到表面粗糙度的0.5 纳米，并实现1.0微米的表面平坦度dx。
图7表示与图6对比的硅对力的影响。静磁力被限制到0.6牛顿，因为 间隙变得非常小。硅的电阻限制电流，因此限制静磁排斥力。而且，非常窄 间隙将导致所有供给电压在硅电阻中下降，并且在整个间隙上接近于零电压， 这意味着对于非常小间隙间隔，静电吸引力为零。
为了量化这些效果，考虑能在本系统中流动的最大电流，这是由规电阻 分割的供给电压V，等于rsts/Lw。对于在例1中的施加的电压、电极的长度 和宽度，当存在硅时，最大电流大约为50安培。此外，当电流接近这个50 安培水平时，供给电压将在整个硅中都下降，并且在电极的相对表面之间没 有实现电压差。
图7中的回复差分力相当大。根据该图，偏移所希望的间隔0.1纳米产 生大于0.05牛顿的回复力。这个回复力远大于整平电极1所需的弯曲力，并 且远大于实现与电极2的平行所需的弯曲力，如现在计算的。
为了整平电极1中的一微米褶皱，需要40dxEswts 3/12L3的力。这个力计 算到0.003牛顿。如果电极1和电极2具有相反的褶皱，则所需的力是这个 量的两倍或为0.006牛顿，这远小于为了在所希望间隙的0.1纳米范围内保持 间隙而可获得的回复力的0.05牛顿。
具有硅电极材料的图7中的力特性比具有金属箔材料的图6中的更好， 因为：(1)具有硅的力不太大以至于导致振动或意外运动，这将会损伤或动 摇该系统，如在纯金属电极的情况下那样，(2)硅晶片的较大的平坦度与金 属箔允许该系统更接近于所希望的操作点而启动，(3)硅的电阻防止在小局 部区域中形成大电流，这个大电流将在高温下产生并蒸发损害电极材料，(4) 硅的硬度减少了材料的运动量，从而随着时间流逝而维持间隙，因此减少了 疲劳、破裂或变形的风险，和(5)硅的较高硬度和平坦度确保在存在局部变 化的情况下可以保持间隙，这将减少指数形状、电极厚度的均匀性、以及材 料和设计其他参数变化中精度的需要。
例3
图9a表示本器件如何可用于所谓热-光生伏打的不同类型的能量转换的 另一例子。在本例中，热源71使光电发射材料73穿过间隙74开始向光敏材 料75辐射光，如由72所示的，间隙74小于光的波长，进而产生由箭头76 所示的电流。在本例中，光电发射材料73可以是钨或其他光电发射金属。光 敏材料75可以是硅、硒、镓、砷、铟或一些组合或者这些材料的合金。间隙 74的所需长度通常小于由光电发射材料73发射的最小波长，或者大约为100 纳米，以便实现近场光学条件。在这种情况下，光电发射电极73是刚性的、 平坦的并在间隙一侧被抛光。光敏电极75具有足够的柔性以便整平到大约 100纳米的大均匀间隙。
图9b表示在本发明的热光生伏打实现中产生稳定间隙的力的曲线。由于 在这些距离之下静电力太小而无影响、弹簧力或类似外部力可以被替代从而 在两个电极之间产生吸引。弹簧力具有作为间隙间隔的函数的线性数量。通 过由于存在磁场而产生由箭头76表示的电流产生平衡排斥力，如在前面的例 子中那样，在图9中未示出。这个电流是通过光敏材料从电极73的发射接收 光子而产生的，但是用于产生和保持均匀间隙间隔，如在前面例子中所述的。 图9b中的排斥力46’正比于热光生伏打电流，该力的表现相对于间隔由 R.DiMatteo等人在“Micron-gap ThermoPhotoVoltaics(MTPV)”中导出。
例4
图10a-10c表示如何组装图8或图9中的设计，其中多个器件电气串联 和热并联连接在一起。此外，图10a-10c表示如何使用在半导体工业中广泛 使用的制造技术按比例增加多个这些器件。图10a表示固定多个器件的一侧 的基底衬底82。当该器件作为热-遂穿冷却器工作时，冷却这个衬底82，或 者当作为电力转换器的加热器操作时加热它，或者当该器件作为热-光生伏打 转换器操作时辐射。图10b表示膜叠置体的侧视图，其中该叠置体可以在一 个衬底82上制造多个器件。衬底82由硅、碳化硅、铝、砷化镓或在工业中 常用的类似衬底材料制成。层88是氧化物或类似膜，其将第一金属层83与 衬底层82电绝缘但是仍然允许热传导。第一金属层83是高度导电的，并且 是相对厚的层，用于热-遂穿操作而运载电流或者用于热-光生伏打操作而运载 热量。层83可以例如是铜或者是便宜的金属，如铝。间隙层84是金属或最 好适合于到间隙的界面的其他膜。在热-遂穿的情况下，这个层84可以是金， 从而保护它不被氧化和污染，因为金是惰性金属。在热-光生伏打操作的情况 下，间隙层84可以是钨或高度光电辐射的材料，以便最大化地将热量转换给 横穿间隙的光子。层85是牺牲层，后来在制造层83、84、84’和83’的膜叠置 体之后去掉它。这个牺牲层提供结构以放弃包括第二电极的附加膜。除去牺 牲层85之后，通过图5、6、7或9b的先前所述的力平衡，在层84和84’之 间形成间隙。层84’被最佳化以从该间隙接收能量，并保护层83’不受污染或 氧化。在热-遂穿操作的情况下，层84’可以由金构成。在热-光生伏打操作的 情况下，层84’可以是如在图9a中的材料75所述的光敏材料。层83’是将电 流运载出器件的电流运载层，并且其材料可以是铜或铝。一旦使用半导体工 艺制造了图10b中所示的膜叠置体，进行串联电连接，如图10c所示。在这 种情况下，使用线与线键合86从顶部电极向相邻衬底电极进行电连接。电线 89表示多个器件的电输入和输出。牺牲层85可以由能利用处理液体、气体 或通过金属化或用热量蒸发它而可以除去的任何材料构成。
一旦制成图8、9a或10c所示的一对器件，则可以将它们插入热交换器 封装中，例如，如图11a所示。这里，电极对或电极对阵列92从一个鳍部93 向相应鳍部93’热运动。鳍部93都物理地连接到第一热板90上，并且相应鳍 部93’都物理地连接到第二热板90’。热板90和90’分别表示通过将较小热侧 93和较小冷侧93’聚集在一起而用于热-遂穿或热-光生伏打操作的热侧和冷 侧。热板90和90’由具有高热传导率的材料制成，如铜、铝或硅。矩形管91 提供用于可密封的容器的壁，并且由具有低热传导率的材料制成，如玻璃、 (特富龙)Teflon、聚酰亚胺或具有足够压缩强度的类似材料。低热传导率允 许热板90和冷板90’的热绝缘，增强系统的效率。如果板90和90’相对于管 壁91具有失配的热膨胀特性，则界面材料95可以由软真空兼容橡胶构成， 如氟橡胶(Viton)或Teflon、聚酰亚胺、或在用于这些类型密封的工业中的 用于制造O形环的类似材料。如果r热板材料90和90’以及管壁材料91的热 膨胀特性大致相等，则界面材料95可以是硬的键合材料，如玻璃粉、环氧树 脂、焊料或焊接料。图11b表示如何建立磁铁结构，该磁铁结构包围图11a 的热交换器封装并提供形成图11a的电极对92中的间隙所需的磁场。永久磁 铁101固定在可磁性渗透材料100的矩形环中。永久磁铁101可以由用于磁 铁的标准材料构成，如铁、钴、镍、钕、硼和铝的合金。通常，这种合金被 烧结成小颗粒，然后用粘合剂材料重装成所希望的形状，以便当被磁化时实 现高保持磁化。矩形环100可以由在变压器中使用的相同钢构成，以使永久 磁铁101产生的磁导率和磁场最大化。这种材料可以是铁-富裕钢，或者例如 是铁、钴、镍、铬和铂的一些其他合金。
图13表示如何将磁铁组件按比例增加以容纳热交换器阵列。磁性可渗透 材料110设置成格栅结构，其中有空隙阵列，以便插入图8、9a、10c或11a 中所示的器件。永久磁铁101插入在每个单元中，从而在磁铁之间产生磁场。
在高度小型化的制造工艺中，图13的磁铁阵列可以构建在图10c的衬底 的顶部上并且设置成使得图10c的电极对被包含在图13的磁铁阵列的空隙 中。在小型化的情况下，永久磁铁101和可渗透材料110可以使用标准工艺 如蒸发、溅射、或直接镀覆到衬底上而作为所述材料的金属膜生长，类似于 图10b中的电极膜的结构。
图14表示在图8、10c、11a的器件作为热量向电力的热-遂穿转换器操作 时所需的附加电路。由于本发明的器件120需要流动的电流，以便实现间隙 形成，因此在电流流动之前不存在该间隙。在图14中，外部电源122提供可 用于形成器件120中的间隙的电流。一旦间隙形成和热量施加于一个电极， 则相对于另一个电极产生温差。一旦这个温差存在，则热电子的热-遂穿将开 始流动，产生附加电流。一旦热-遂穿电流流动，则它单独地保持器件120中 的间隙，如前所述。现在，不再需要外部电源122，因此可以通过开关123 关闭它。因此，图14的电路是电负载126的电源的用于热量的热-遂穿转换 的启动电路。再除去热源并且后来重建时，开关123可再申请外部电源122。
例5
图12a表示用于封装本器件的电极的另一例子，类似于当需要真空环境 时如何分装微电气机械系统(MEM)。顶部和底部热板130可以由硅制成， 并且可以从标准硅晶片上切下来。硅具有高热传导率，因此非常适合于本器 件的热路径。封装132的壁由玻璃构成，其具有低热传导率单具有接近于硅 热板130的热膨胀系数。由于玻璃和硅具有相似的热膨胀特性，因此可以再 130和131之间使用公知的玻璃粉键合方法。玻璃粉键合通常用于将两个玻 璃件键合在一起，但是也可以将玻璃键合到硅上，因为再暴露于空气的硅表 面上自然形成玻璃二氧化硅层。结果是再玻璃和硅之间形成非常硬和紧密密 封，很容易承受真空的压力。在MEM工业中使用类似的真空封装用于加速 计、振荡器和高频开关。底座层131也由硅制成，并且可以键合到热板134 上。顶部和底部热板130上的金属层134用于在封装内部对电极形成电连接， 不需要通孔或其他机构，这些通孔或其他机构将限制灯泡和其他真空产品的 寿命。
图12b表示电极如何可以包含在图12a的真空封装内。电极对145对应 图8、9a、10c。热界面材料141将热量向或从每个电极向封装的外部传导， 并给电极提供软层，用于在操作过程中再次运动。热界面材料141的例子是 来自Bergquist公司的间隙焊盘、来自Apiezon或Dow化学公司的真空油脂、 来自MER公司的碳纳米管化合物、或者与热传导颗粒混合的其他软材料。 键合材料143将玻璃壁键合到硅热板上，这种材料的例子是环氧树脂和玻璃 粉。导线连接电极的底部到顶板和底板。用于该导线的示例材料是由铜、铝 或其他导电材料构成的平板箔或圆柱线。铜层134允许电流很宽地流过有电 阻硅板130.硅板可以用泵、砷或类似元素掺杂，以便增加其导电性和使流进 封装的电流的电阻损失最小。当电压施加于其铜焊盘134时获得的灯丝140 热起来了，就像灯泡中的灯丝。合适的材料如铬酸铯涂敷在灯丝140上，从 而允许铯蒸气释放到真空封装中。铯蒸气一旦释放就实现了以下功能：(1) 通过与这些气体反应产生固体，在密封之后排放封装内部的其余空气和其他 气体，(2)通过类似反应除去随着时间流逝而泄漏到腔室中的气体，和(3) 在电极145的面向间隙表面上自然地形成铯单层或子单层，由此产生低功函 层，以便促进电子穿过间隙进行发射。
使用磁力分布的其他例子
前面的基础性例子表示如何设计工作的热-遂穿系统以实现冷却或功率 转换。通过改变前述例1和例2中使用的一个或多个参数，很容易设计其他 例子。可以通过以下改变中的一个或多个来增加间隙距离：(1)增加磁场， (2)减小电压，(3)增加电流，(4)增加柔性电极的长度，或(5)减小柔 性电极的面积。通过进行相反的改变，可以减小间隙距离。
应该注意的是，这里所述的几个特征不是必需的，或者不用附加制造复 杂性就可以实现。由于工业不能制造大于纳米尺寸的工作热-遂穿转换器，因 此在较大尺寸的实际行为害不知道。例如，再次参照图1a-1b，如果间隙稍微 小一些，则不需要低功函层5。增强材料5’恰好是通过抛光之后的表面粗糙 度很容易实现的，这自然产生峰和谷，这在增强电子发射上是公知的。如果 选择电极1或2的电阻性材料，也可以不需要支撑尖端6。图2a中构图的电 极，也提供峰和谷以减少静电力，也可以通过抛光之后的自然表面粗糙度来 实现。最后，如果已经试验证明了在空气间隙中的遂穿过程，则也可以不需 要真空腔室20。此外，电极1的指数形状可以更容易接近，以便制造三角形 状。所有这些复杂特征(尖端6、层5、增强材料5’、图2a中的构图、电极 1的弯曲形状以及真空腔室20)都被包含在本公开中，用于完成介绍在最终 制造中所需的东西。
这里公开的器件在需要电极之间的均匀间隙的电子工业中在构建各种类 型的电子结时是通用的。例如，具有热侧和冷侧之间的不良热绝缘的热电器 件可以采用本公开。热电叠置体的顶部上的真空间隔可以提供较好的热绝缘， 并且本公开提供用于实现这个间隙的手段，且独立于热离子或热-遂穿方法或 与其组合。
关于这里公开的器件的制造容易性的最后评论涉及其他自然力的讨论并 且在两个非常平滑的表面在一起时会出现。公知用于将平滑表面保持在一起 的两个吸引力是Casimir力和Van Der Waals力。这些力足够强以在施加电压 之前保持本发明的两个电极在一起，但是希望它们不要强到在本发明操作期 间影响前述静电力和静磁力的所希望的相互作用和支配。然而，这些Casimir 力和Van Der Waals力可以确保通过施加电压来接通该器件之前两个电极处 于完全表面接触中。在这种情况下，本发明的操作只需要通过将两个电极分 离几纳米。这些Casimir力和Van Der Waals力还有助于消除图1的绝缘层4 的需要，进一步简化了本发明的设计。
本器件的多个单元可以并联和串联连接在一起，以便实现能量转换的更 高水平或者使电压与电源匹配或实现这两者。
用于磁力实施例的实验室和模拟结果
利用铜作为箔背衬在微电子实验室中组装图8的电极结构组装，并且这 个电极对放置在磁铁结构的内部，如图11b所示。热电偶固定到每个电极上， 以便产生正比于温度的电压，并且将整个装置放在真空腔室中，该真空腔室 被抽真空到1E-3乇的真空压力。当通过外部电源以1.1安培激活电极对时， 在两个电极之间产生3.0度的相对温度差，较冷侧是发射电子的一侧。当采 取以下行为中的任何一个时则看作除去这个相对温度差：(1)用大气压的氮 代替真空，(2)通过断开外部电源来敦化该芯片，或(3)使电流反向流动以 增加电极之间的吸引接触力，代替形成间隙。假设这三个行为的每个除去了 热-遂穿效应。本装置的电子机械系统的计算机模拟以及所观察到的电极的电 特性也负荷这个设计，成功地产生热-遂穿间隙。
例7—弯曲的电极设计
图15a表示可实现用于热-遂穿、热-光生伏打或热电子应用的大遂穿面积 的另一设计。在这个设计中，电极之一157被成形为具有稍微凸起曲率，并 且另一个电极158可以是平坦的或凸起的。这种曲率很容易通过具有键合在 一起的材料层的组合来实现，其具有不同的热膨胀系数，还称为“双金属” 结构。当将两种材料在不同于操作温度的温度下键合在一起时，这些材料的 热膨胀差异导致叠置体的曲率。不限制本发明的范围，图15a表示使用焊料 膏151将厚双金属层150键合到铜膜152上的例子。铜膜152可以通过蒸发 或溅射而淀积在钛粘合剂层153的顶部上，该粘合剂层153同样淀积在硅衬 底154的顶部。在硅衬底的间隙侧是另一钛粘合剂层155，然后将可以是金 的最后间隙面向层156与铯单层或用于热-遂穿应用的类似材料、具有用于热 -电应用的高Seebeck或Peltier系数的材料或者用于热-光生伏打应用的光敏或 光电材料组合起来。
图15b表示当将两个电极组装在一起时从该曲率得到的圆环。第一内部 区域149是物理接触区，在热传输应用中，为了防止热量从热侧向冷侧流动， 通常必需将第一内部区域149最小化或消除.第二内部区域148表示电子遂穿 区域，其中在费米能级以下的电子响应施加的电压或热激励而能够横穿该间 隙。对于热-遂穿和热-光生伏打应用，这个区域通常必需被最小化，但是，如 果间隙面向层156是由于光子运动而通常呈现低电子热传导性但高晶格热传 导性的半导体，则它仍然可以用于减少由于光子导致的热传导。第三内部区 域147表示用于高于费米能级的电子的电子遂穿区域。这些电子通常利于所 希望的热传输以便用于热-遂穿应用，并且除了由Seebeck和Peltier效应产生 的之外，通过提供热传输机理还有助于热电应用。外部区域146表示电子基 本不传输的、但是光子经过辐射而传输的区域。只有光子传输的这个外部区 域利于热-光生伏打效应，但是对于热电和热-遂穿效应是有害的，因为它允许 从热侧向冷侧辐射热量传输，特别是在高温应用如功率产生期间。
在下面的讨论中，我们将示出通过添加分离力如何改进这个通用的弯曲 电极发明，其中所述分离力减小或消除接触区域149，接触区域149的存在 对于所有热应用都是有害的。然而，还应该注意和要求保护的是，甚至没有 分离接触区域，图15的设计也具有大利用性。例如，在热电应用中，需要很 大努力来使穿过结的电子流最大化和使光子流最小化。在大多数热电器件的 现有技术设计中，所有结区域允许热量以及电力流动。在图15的改进设计中， 只有接触区域149允许由于光子和电子产生的总热流，第二内部区域148只 允许电子热流，第二内部区域147利用一些热-遂穿效应改善了热电效应。注 意在这种结构中，整个区域149、148和147可用于电力流动。因此，图15 表示相对于大于热流的区域在具有电力流方面的相当大的改进，从而改善了 热电设计。
对于热-光生伏打和热-遂穿应用，还可以希望保持接触区域149用于较低 的成本设计，这不需要动态间隙控制或甚至真空。
图15的弯曲电极系统可以设置在具有任何间隙形成激励器160的真空腔 室中，如图16所示。这里，另一电极也可以有或没有激励器161。该真空腔 室构成为类似于具有玻璃壁142和硅顶部和底部130的图12b。铜膜或板134 用于将功率施加于该器件或从该器件除去功率，这取决于操作模式。铜线163 和焊料162将电极连接到内板或膜上。
例8—具有Lorentz力分离的弯曲电极设计
图17表示在存在施加磁场(未示出)的情况下如何使用作用在延伸板 159中流动的电流上的Lorentz力来构成图15中的间隙形成激励器160。由于 两个延伸板159中的电流在相反方向流动，因此在两个电极之间产生排斥力， 这可以利用Van der Waals、静电力、弹力和其他吸引力来平衡，如在前面的 实施例中所述的。
例9—具有热膨胀力的弯曲电极设计
图18a、18b和18c表示用于热激励器的操作的不同状态，其中热激励器 用作图15中的160所示的间隙形成激励器。在本例中，双金属材料150和 154具有不同的热膨胀系数。支架164放置在电极的边缘上以提供接触点， 通过该接触点，双金属力可以推动以在中心形成间隙。
最初，该器件处于图18a所示的状态。这里两个电极的中心-点彼此接触， 与图15的设计相似。当接通该器件时，则将在一个或两个电极上产生热量， 这将导致至少一个电极变平。用于这个过程的热量可来自于电阻或来自于热 电、热-遂穿或热-光生伏打效应的任何一种的热传输，或者可以是这些热量的 组合。图18b表示电极变平到形成所希望的间隙所需的程度的状态。这里， 在中心形成该间隙。如果任何干扰导致这个变平过程形成大于所希望的间隙。 如图18c所示，则遂穿电流将消失或停止，降低电极温度和增加其曲率，并 且自然地回复到图18b的状态。如前所述，本器件将自动地形成和保持所希 望的间隙，具有不需要阵列或激励器、多个控制系统、损失间隔器或使表面 变形的先前实施例的优点。
图18中的支架164被构成为它们可以是从热侧到冷侧的不希望的热量传 输的足够的源。图19表示改进的结构，其中支架164不产生从一侧到另一侧 的短热路径，并且热路径被延长一直通到真空腔室20的壁。
图20表示为了低成本和容易制造而如何简化与热激励器分离装置组合 的弯曲电极。在本设计中，真空腔室20具有实际电极作为顶部和底部，壁 164完成封装。在本设计中，来自腔室20的真空压力增加了总吸引力，该总 吸引力必需通过由层150和154的不同材料形成的热膨胀双金属的排斥力来 平衡。层156提供用于热电、热-遂穿或热-光生伏打效应的合适材料。在本图 中，电极158被定为是冷侧，并且移动到热侧电极157的热量提供用于整平 电极157和在中心-点形成所希望的间隙的热膨胀。图20的设计实现了与参 照图18所述相同的自动间隙形成。
当没有形成或完全形成间隙时，图20和图18的设计具有中心-点接触。 对于热-遂穿系统，在间隙形成之后，这个接触可能损害表面的原子平滑度， 减少遂穿。为了防止这个问题，图21示出了使用具有外部热源167的替换设 计朝向另一电极157弯曲电极158。一旦形成所希望的间隙，则可以将向热 源167的供给电力减小到只用于保持的水平。在这个过程中，应该注意如何 消除电极157和158的物理接触以防止对面向间隙表面的损害。
例10—弯曲电极设计的集合
图22示出了如何将来自图15-21的设计的多个器件集合到较大衬底和较 大真空封装上。代替构成单一器件，每个具有它们自身的真空腔室，这个设 计可以将图15-21的多个顶部电极集合到一个衬底173上，将多个底部电极 集合到另一衬底174上。用于电极对的支架(图22中未示出)可以建立到整 个顶部或底部电极170上。用于集合衬底的材料171可以是真空兼容的材料， 如聚酰亚胺，并且通过在174的顶部堆叠173，然后用真空兼容粘合剂密封 它们的外部边缘，可以构成真空封装。图22中用于电极的表示符“M”、“P” 和“N”被用来指分别用于热电子应用的金属、p型、和n型。173上的所有 p型和174上的所有n型的设置也可以产生集合热电子设计。对于热-遂穿， 一侧将是发射极，另一侧是集电极。对于热-光生伏打，一侧将是光发射的， 另一侧是光敏的。电连接165和166提供电连接到电负载或电源上的装置。 导线连接172提供电极对的串联或并联的单独连接或者串联和并联的组合连 接，这最好地与该负载或电源匹配。如图22所示，所有电极对串联连接。
由于硅晶片是当今批量生产的用于电子电路的流行衬底，图23表示如何 将独立器件集合到硅晶片上。为了允许单独电极弯曲而与周围电极无关，虚 线176表示在晶片的背面切割沟槽。这些沟槽被定为是用于热膨胀运动的弯 曲点，但是仍然保持足够的刚性便于晶片用作真空腔室的顶部或底部。该沟 槽还减少对相邻电极的点干扰，因为可以在虚线176附近选择性地不掺杂硅。 在这种方式中使用硅晶片还允许在图23中的晶片上构成图15中所示的膜叠 置体。
例11—有或没有热弯曲力的用于弯曲设计的测试
冷却器件建立成具有1.0平方厘米的电极157和158，如图15a所示，并 且其行为示于图18中。金属层150是黄铜，其厚度为0.25mm；半导体层154 是厚度为0.27mm的硅，并且它被掺杂以实现0.003欧姆-厘米(ohm-cm)的 电阻率；粘合剂层151是在400℃金属化和流动的焊料膏；硅-金属粘合剂层 155和153是厚度为20nm的钛；间隙面向层156是一侧上的20nm金膜，该 20nm金膜具有面向该间隙的30nm铋热电敏感层。已知铋具有90微伏/℃的 Seebeck系数。图18中的支架164由杜邦KaptonTM聚酰亚胺构成，其厚度为 25微米，并且在图15a中的矩形电极157和158之间的四个角的每个上，其 横截面面积为大约0.25mm。然后将这个组件放在真空腔室中的弹簧-装载固 定器之间，其中真空腔室被抽真空到0.001乇。在电极之间施加0.245V的电 压，将该组件加热到环境以上27℃，并产生0.8安培的电流。假定纳米间隙 已经形成，因为只需要0.014V就很容易形成0.8安培，而电极公知为在环境 温度下接触。相信附加电压是纳米真空间隙之间的电压。将热电偶放在两个 电极的每个背面，每次电压和电流的极性反转，观察到9.6℃的温度摆动。当 电极接触时，只观察到0.13℃的温度摆动。因此，间隙的存在使温度摆动增 加74倍。
应该强调的是，本发明器件和工艺的上述实施例，特别是“优选”实施 例只是实施的例子，只用于清楚理解本发明的原理。在不脱离本发明的精神 和范围的情况下，可以设计和/或制造这里所述的自定位电极器件的很多不同 的实施例。意图使所有这些修改和改变都落入本公开的范围内并由所附权利 要求书保护。因此本发明的范围应当由所附权利要求中所示内容来限定。