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用于 能量转换、电气 开关和热控开关的设备

阅读：406发布：2020-10-01

专利汇可以提供用于能量转换、电气开关和热控开关的设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种用于在穿隧、热穿隧、二极管、热离子、热电、热光伏、电流限制、可重置熔断、继电器、断路器和其他设备中维持电极之间的纳米分离的改进的设计。至少一个电极具有弯曲形状，其曲率由温度改变。一些实施例使用纳米分离来限制或停止电流。其他实施例在与先前技术相比时，减少所述两个电极之间的热传导。最终得到一种电子设备，所述设备将两个紧密的平行电极维持在稳定的均衡，其中在用于简化制造性的简单配置中在大面积上在两个电极之间具有纳米间隙，并且所述设备用以将热转换成电力以冷却、或限制电流或中断电流。，下面是用于能量转换、电气开关和热控开关的设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种设备，其包含第一电极或电极组件和第二电极或电极组件，所述电极或电极组件具有面对的表面，其中(1)所述第一电极或电极组件具有弯曲表面和用以改变其曲率的机制，(2)所述弯曲表面的中心部分最初接触其他电极的所述面对的表面，以及(3)所述用以改变曲率的机制使得所述接触被去除并用间隙来将其替代。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述间隙距离小于1.0纳米，从而允许无势垒电子从具有高功函数的表面穿隧。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述间隙距离在1.0纳米与10.0纳米之间，从而允许电子从具有低功函数的电极表面热穿隧。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的设备，其中所述间隙距离随着温度而变化，从而将所述间隙上的电流限制于安全水平。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述温度通过一个或两个电极根据其电流或电压或电流和电压的内部加热来决定，从而作为限流器或可重置保险丝工作。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述温度通过外部热源来决定，并且所述间隙打开或限制传递到所述源的电力，从而作为过温传感器或保护器或断路器工作。
7.根据权利要求4所述的设备，其中所述温度通过外部热源来决定，并且所述间隙在一个温度集打开并在另一个温度集闭合，从而作为继电器工作。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述间隙距离在1.0纳米与200纳米之间，从而允许光子穿隧。
9.根据权利要求2、3或8中任一项所述的设备，其中在所述电极的所述面对的表面上沉积半导体材料。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述半导体材料包含热电材料。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述热电材料由选自由以下所构成的群的材料形成：碲化铋、锑、碲化铋、碲化铅、硅锗、铊、包合物、硫属化物和交替层的超晶格。
12.根据权利要求3所述的设备，其中所述低功函数表面是选自由以下所构成的群：
铯、钡、锶和这些材料中任何材料的氧化物。
13.根据权利要求8所述的设备，其中所述电极中的一个电极是光敏的并且另一个电极是发射光的。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述光敏材料是光伏材料。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述光敏材料是选自由以下所构成的群：硅、锗、碲、镉和其组合或其混合物。
16.根据权利要求13所述的设备，其中所述发射光的材料是选自钨、钛和其混合物。
17.根据权利要求1至16所述的设备，其中所述弯曲表面通过在与计划的工作温度不同的温度将具有不同热膨胀系数的两个层粘合到一起来形成。
18.根据权利要求17所述的设备，其中一个层为单晶半导体并且另一个层为金属或金属合金。
19.根据权利要求17所述的设备，其中一个层为低热膨胀金属合金并且另一个层为高热膨胀金属或金属合金。
20.根据权利要求18所述的设备，其中所述半导体是选自由以下所构成的群：硅、锗、碳化硅或砷化镓。
21.根据权利要求17所述的设备，其包括所述穿隧外部的隔板和用于支撑所述两个电极的接触区域。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所述隔板由玻璃或低导热性的其他材料形成。
23.根据权利要求21所述的设备，其中所述隔板在一个升高的温度支撑所述两个电极，从而消除所述接触但允许穿隧，并且所述隔板在另一个升高的温度消除所有电子流。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的设备，其中所述隔板被沉积有或没有诸如类金刚石碳的润滑层。
25.根据权利要求4至7或17至24中任一项所述的设备，其中所述隔板被沉积在所述金属的面对的表面上。
26.根据权利要求23所述的设备，其中所述第一升高的温度由珀尔帖效应热转移、电阻、光子吸收或者其组合来产生。
27.根据权利要求23所述的设备，其中所述升高的温度由所述接触区域在其消除之前的热传导来产生，所述热来源于根据塞贝克效应、热穿隧效应、热光伏效应产生电力的热源或者来自过温环境。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的设备，其中所述电极对包含在真空外壳内。
29.根据权利要求28所述的设备，其中所述真空外壳包括作为壁的玻璃管和两个金属盖，并且一个电极电气并热学地连接到每一个盖。
30.根据权利要求28至29中任一项所述的设备，进一步包括弹簧，以提供将所述第一电极推向所述第二电极的预载力。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的数个设备，其由两个盖阵列制成，一个阵列用于所述外壳的顶部并且另一个阵列用于所述外壳的底部，其中每一个阵列中的盖电气连接到其相邻盖。
32.根据权利要求31所述的设备，其中所述电气连接中的一些稍后被去除，以实现所需要的电气连接集。
33.根据权利要求32所述的设备，其中所述剩余的电气连接导致单独设备的串联连接，以促进热电聚集。
34.根据权利要求1至27中任一项所述的数个设备，其中一个电极集层叠于一个公共基板上，并且所述相应的面对的电极层叠于另一个公共基板上。
35.根据权利要求2、3或8中任一项所述的设备，其中所述半导体层通过将两个晶圆粘合到一起并随后使一个晶圆变薄和变平滑以变成所述半导体层来实现。
36.根据权利要求35所述的设备，其中所述晶圆通过压缩粘合、阳极粘合或共熔粘合中的一种来粘合。
37.根据权利要求35或权利要求36所述的设备，其中在一个晶圆上生长外延层，并且所述变薄和变平滑去除所有层除了所述生长层。
38.根据权利要求37所述的设备，其中所述外延层是对于n型或p型热电操作进行掺杂的硅-锗。
39.根据权利要求1至27或35至38中任一项所述的设备，其中所述表面被处理以钝化。
40.根据权利要求39所述的设备，其中所述钝化是薄金层、薄铂层或氢单层。
41.根据权利要求40所述的设备，其中所述氢单层是从暴露于氟化氢来形成。
42.根据权利要求35至41中任一项所述的设备，其中一个晶圆或所述外延层为硅，或者为铋、锑、碲、硒、铅、铟砷、锌、锗、银的晶体合金或这些材料的任何组合。
43.根据权利要求39所述的设备，其中所述钝化层为薄沉积的热电薄膜。
44.根据权利要求43所述的设备，其中所述钝化热电薄膜包含铋、碲、锑、硒或这些材料的任何组合。
45.根据权利要求44所述的设备，其中所述薄的热电薄膜被退火。
46.根据权利要求9所述的设备，其中所述热电层沉积在晶圆上，且随后所述晶圆被退火和抛光。
47.根据权利要求34至46中任一项所述的设备，其中所述得到的沉积层、变薄层和外延层或这些层的任何组合用垂直线来图案化和蚀刻，以促进将所述晶圆切割成单独芯片。
48.根据权利要求34至47中任一项所述的设备，其中所述隔板形成在所述沉积层、变薄层或外延半导体层或所述钝化层上。
49.根据权利要求48所述的设备，其中所述隔板由玻璃形成。
50.根据权利要求49所述的设备，其中所述玻璃为经沉积并随后由光刻法或其他方法图案化的二氧化硅。
51.根据权利要求26所述的设备，其在真空外壳中。
52.根据权利要求34至51中任一项所述的设备，其包括框架，其中将一个基板粘合并密封到所述框架的内周边，并且将面对的基板粘合并密封到所述框架的外周边。
53.根据权利要求52所述的设备，其中所述框架由具有低导热性的材料形成。
54.根据权利要求53所述的设备，其中所述框架材料由玻璃或玻璃熔块形成。
55.根据权利要求54所述的设备，其中所述玻璃或玻璃熔块成分随着杂质变化，以使其热膨胀系数与所述基板材料的热膨胀系数匹配。
56.根据权利要求28至55中任一项所述的设备，其中所述粘合和密封发生在真空腔室中，从而使得在从所述腔室去除时所述设备的内部被抽空。
57.根据权利要求56所述的设备，其中所述玻璃框架和所述真空密封是同样的并且沉积在所述基板中的一个基板上。
58.根据权利要求57所述的设备，其包括牺牲层，所述牺牲层稍后被去除以减少所述两个电极之间的热传导。
59.根据权利要求58所述的设备，其中在每一对电极上形成沉积的玻璃框架。
60.根据权利要求56所述的设备，其中所述粘合和密封材料是玻璃熔块。
61.根据权利要求56所述的设备，其中所述粘合和密封是阳极的。
62.根据权利要求56所述的设备，其中所述粘合和密封通过压缩来形成。
63.根据权利要求29至62中任一项所述的设备，其包括吸收剂。
64.根据权利要求63所述的设备，其中所述吸收剂是选自由以下所构成的群：钛、铯、钡、钾、钠和其中两种或两种以上的组合。
65.一种用于将热转换成电力的工艺，其包括使根据权利要求1至4、5至65中任一项所述的设备经受温度差。
66.根据权利要求65所述的工艺，其中热源是选自辐射源、来自环境的热、地热能和从引擎或从动物新陈代谢产生的热。
67.根据权利要求66所述的工艺，其中所述热源是活的人体。
68.根据权利要求67所述的工艺，其中所述热源是活的人体并且所述设备是手持式设备。
69.根据权利要求65所述的工艺，其中所述热源是选自电气、蒸汽或内部燃烧引擎、燃烧燃料或其废气。
70.根据权利要求69所述的工艺，其中所述热源是选自内部燃烧引擎或其废气，并且所述设备被合并到所述引擎或排气线中作为吸热部件。
71.根据权利要求65所述的工艺，其在自然发生的温度下工作。
72.根据权利要求65所述的工艺，其中所述设备用于冰箱、空调机、冷却毯、冷却服装、电子冷却器或者与人体或动物身体接触或人体或动物身体中所含有的冷却设备中。
73.一种设备，包含根据权利要求1至64中任一项所述的设备的多个单元，其中所述电极布置在周期间距的多个层中。
74.一种设备，包含根据权利要求1至64中任一项所述的设备的多个单元，所述多个单元是串联装配的。
75.一种设备，包含根据权利要求1至64中任一项所述的设备的多个单元，所述多个单元是并联装配的。

说明书全文

用于能量转换、电气 开关和热控开关的设备

技术领域

[0001] 本发明涉及二极管、热离子、穿隧、限流、电流中断和设计成在电极之间具有极小间距并且在一些情况下也要求电极之间的热绝缘的其他设备。本发明结合热穿隧发生器和热泵而具有特别功用，且可以应用于使用热离子和热电方法的类似系统，并且将结合此类功用进行描述，尽管也涵盖其他功用。这些热穿隧发生器和热泵将热能转换为电能，并且可以反过来操作以提供冷却。本发明也可以应用于在两个电极之间需要紧密、平行间距的任何设备，其中在这两个电极之间施加或产生电压。本发明也可以应用于开关设备，诸如限流器、过温保护器、继电器、可重置的保险丝或断路器，其中电气行为高度取决于温度或可能影响电极温度的参数，诸如电流、电压或附近的热源。本发明也可以应用为热开关，此热开关的热传导可以变化或者可以对其进行编程。

背景技术

[0002] 已经在许多电子设备中并且为了多种目的而使用从一个导体(发射极)到另一个导体(集电极)的高能电子流现象。例如，用这种方式来实施真空管二极管，并且这种物理现象称为热离子发射。由于受到相对较大可用实体间距所强加的限制，使得这些二极管需要以非常高的温度(高于1000开氏度)工作。热电极需要电子非常热，以获得足够能量来向集电极行进大的距离，并克服高量子势垒。然而，真空管允许构建电子二极管以及随后构建放大器。随着时间的过去，通过使用碱金属、类铯或氧化物来涂覆电极，以试图降低工作温度，来使这些设备达到最佳。尽管热离子发生的温度仍然比室温高得多，但是这种发电方法对于将热从燃烧、从聚太阳能器或其他源转换成电力而言具有功用。

[0003] 随后发现，如果发射极和集电极彼此非常靠近，大约如2至20纳米的原子距离，那么电子可能以低得多的温度甚至以室温流动。以这种小间距，两个电极的原子的电子云如此靠近，使得热电子实际上是在无实体传导的情况下从发射极云流动到集电极云。在电子云相交但是电极并不实体接触时的这种类型的电流流动称为穿隧。例如，扫描穿隧显微镜使用尖的传导触针(使其非常靠近传导面)，并且可以通过绘制在使触针扫过传导面时的电流流动来绘出该传导面的原子轮廓。美国专利4343993(Binnig等人)教示了应用于扫描穿隧显微镜的这种方法。

[0004] 已经知道，在工业中，如果可以在大面积上(例如，一平方厘米甚至一平方毫米)维持这种原子间距，那么可以通过单个的类二极管设备将足够量的热转换为电力，并且这些设备将具有作为冰箱的功用或在从多种源回收浪费的热能方面具有功用。参见Y.Hishinuna、T.H.Geballe、B.Y.Moyzhes和T.W.Kenny的“Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of Nanometer Scale Design”(2001年4月23 日，Applied Physics Letters，第78卷，第17号 )；Y.Hishinuna、T.H.Geballe、B.Y.Moyzhes 的“Vacuum Thermionic Refrigeration with a Semiconductor Heterojunction Structure”(2002年11月25日，Applied Physics Letters，第81卷，第22号)；以及Y.Hishinuna、T.H.Geballe、B.Y.Moyzhes和T.W.Kenny的“Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap”(2003年10月1日，Journal of Applied Physics，第94卷，第7号)。电极之间的间距必须足够小，以允许“热”电子(这些电子具有高于费米能级的能量)流动，但是并不如此靠近以允许普通传导(以费米能级或低于费米能级的电子流动)。在一些情况下，真空间隙可能用以最小化晶格声子振动产生的热传导，并且热电子的过滤可以发生在与该间隙邻近的半导体或热电材料中，如由同一发明者在国际PCT PCT/US07/77042中进行举例说明。存在0.5纳米与20纳米之间的分离距离的可行范围，这允许从电力到冷却的每平方厘米数千瓦特的转换。参见Y.Hishinuna、T.H.Geballe、B.Y.Moyzhes和T.W.Kenny的“Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum：Use of Nanometer Scale Design”(2001年4月23日，Applied Physics Letters，第78卷，第17号)。这些参考同样提出以下优点：发射电极上碱金属或其他材料的涂层或单层，以实现在将电子从一个电极转移到另一个电极时的低功函数。这种涂层或单层进一步降低了工作温度，并增加了这些配置的转换效率，而无需用于电子过滤的分离构件。

[0005] Mahan展示，使用具有0.7eV功函数和500K低温的电极的热离子冰箱的理论效率高于卡诺效率的80％。参见GD.Mahan的“Thermionic Refrigeration”(1994年10月1日，Journal of Applied Physics，第76卷，第7号)。同样，参见G.D.Mahan、J.A，Sofao和M.Bartkoiwak的“Multilayer Thermionic Refrigerator”(1998年5月1日，Journal of Applied Physics，第83卷，第9号)。通过模拟，电子穿隧过程的转换效率也预期是卡诺效率的高分数。卡诺效率呈现热能转换的可实现效率的上限。

[0006] 在大面积上以原子尺寸维持电极的分离已经成为构建可以从导体去热的设备时单一的、最显著的挑战。例如，扫描穿隧显微镜需要没有振动的特别的实验室环境，并且其工作限于几平方纳米的面积。工作装置中冷却的测量已经限于几平方纳米的面积。参见Y.Hishinuna、T.H.Geballe、B.Y.Moyzhes和T.W.Kenny的“Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap”(2003年10月1日，Journal of Applied Physics，第94卷，第7号)。

[0007] 在我早期时，在PCT/US07/77042中，我描述了使用在真空腔室中测试的一对双金属电极来实现量大得多的毫瓦特或一部分瓦特的能量转换。在我的上述专利申请中所描述的设备已经成功用以在钟罩真空装置中形成纳米间隙，使得可以探测或测量该间隙每一侧上的许多材料。此外，在此将呈现使用我的上述PCT/US07/77042的成功间隙形成方法的完全封装的设备，并且此设备可以用作真空装置外部可用的全功能能量转换产品。同样参见我早期提交的PCT/US09/33660，PCT/US09/33660描述形成间隙、实现大量热转移的方法以及用以封装这种设备的精炼方法。

[0008] 因此，存在对于完全封装的设备的需要，这种设备在封装中成本有效地且高效地将热能转换为电能，这种封装便于用于热源作为输入和需要功率的电路作为输出两者。大量热源(包括废热)可以容易地变为电力源。使用这些设备将有助于环境、省钱或两者兼备的实例包括：

[0009] (1)将太阳的热和光转换为电力比当前使用的光伏设备更加成本有效。

[0010] (2)将如同汽车中使用的内燃引擎所产生的热回收成有用的动力。如今可购得的一些汽车(称为混合动力气电汽车)可以使用电功率或内燃来产生运动。在如今的内燃引擎中，汽油中约75％的能量被转换为废热。穿隧转换设备能够回收来自混合动力汽车引擎的热能的大部分，并将其放入电池中以供稍后使用。美国专利6651760(Cox等人)教示了转换来自燃烧腔室的热并进行存储或者将能量转换成运动的方法。

[0011] (3)减少有毒气体进入大气的需要。更加能量有效的混合动力汽车是可以减少有毒废气逃离到大气中的典型实例。转换引擎和混合式引擎的废热并随后在混合式电池中存储或产生电力的设备将会进一步增加混合动力汽车的效率并减少对排出有毒气体的需要。冷却过程中使用的冷却剂是去热所必需的有毒气体的其他实例，并且穿隧转换设备可以减少对排放有毒气体的需要。

[0012] (4)在可获得热能的时间回收热能，随后将其作为化学能存储在电池中，并且随后在不可获得热能的时间对其进行重新使用。穿隧转换设备可以在白天将太阳能转换为电力并将其存储在电池中。在夜里，可以使用所存储的电池功率来产生电力。

[0013] (5)来自地热能的发电。热存在于地球表面上的许多地方，并且事实上在地球深处无限丰富。高效的穿隧转换设备可以开发此类能源。

[0014] (6)通过紧凑、安静且固定的固态设备来产生冷却，其中这种穿隧设备可以提供对空调机的降温或者冷却以取代对大型气动机械或压缩机的需要。

[0015] (7)来自体热的发电。人体产生约100瓦特的热，并且这种热被转换为用于手持式产品(如手机、无绳电话、音乐播放器、个人数字助理和手电筒)的有用电功率。本公开案中所呈现的热能转换设备可以从通过与人体部分接触所施加的热来产生足够的功率，以对这些手持式产品进行操作或对其电池进行充电。

[0016] (8)来自燃烧燃料的电功率。木材火炉产生成千上万瓦特的热。这种穿隧设备可以从此类热产生一千瓦特或两千瓦特，这足以对典型的家用电器供电。通过燃烧诸如天然气、煤和其他的其他燃料，使类似应用成为可能。因此，偏远地区的家庭可能不需要连接到电力网或嘈杂的发电机来具有现代化设施。

[0017] (9)响应热或温度的电气开关或电流限制。因为这些设备基于电极温度来调整纳米间隙的间距，所以这些设备可以被部署以响应电流流过设备所达到的温度或者来自另一个设备(有可能是由于故障事件而处于过热危险中的设备)的热来打开或限制电流流过进入电路。本文所公开的作为继电器或断路器工作的设备具有以下优点：由于真空外壳内接触材料的保护而具有小得多的尺寸，并且也具有通过提供不易于形成电弧或露天环境特有的其他损害的纳米间隙来限制电流的能力。

[0018] 在我早期提交的PCT/US07/77042和PCT/US09/33660中并且在E T Enikov和T Makansi的“Analysis of nanometer vacuum gap formation in thermo-tunneling devices”(2008年，Nanotechnology Journal)中已经描述了在使两个平行电极联合到一起处于20.0纳米分离间隙之内的工艺中的挑战和由本发明者和其他人提出的解决方案。在此，我们将关注完全封装的设备，该设备自己的真空腔室可以以低成本制造以进行大量生产，并且该设备相对于压缩机、涡轮机和发电机具有可竞争的价格。这种设备内含有我的上述PCT/US07/77042和PCT/US09/33660中所描述的间隙形成双金属电极设计。

[0019] 在大面积上将两个导体分离约1.0至2.0纳米的技术已经通过使用在这些距离上非常精确的反馈控制系统阵列来提出。控制系统包括其用于测量实际分离、将该分离与所需要的分离进行比较的反馈构件，并且控制系统随后包括用于使元件更加靠近或远离来维持所需要的分离的移动构件。反馈构件可以测量两个电极之间的电容，此电容随着减少分离而增加。在现有技术中，用于这些尺寸的移动构件是通过压电、磁致伸缩或电致伸缩现象来产生运动的致动器。美国专利6,720,704(Tavkhelidze等人)和美国专利7,253,549(Tavkhelidze等人)以及美国专利申请第2007/0033782号(Taliashvili等人)描述了包括使用一个表面来使另一个表面成形并随后使用反馈控制系统来在使用之前最终决定平行度的此类设计。因为在一个表面上使另一个表面成形的工艺中涉及复杂的处理以及使用多个反馈控制系统来维持平行度，所以这种设计方法对于以低成本制造而言具有挑战性。

[0020] 在美国专利6,774,003(Tavkhelidze等人)和美国专利7,140,102(Taliashvili等人)以及美国专利申请2002/0170172(Tavkhelidze 等人)、美国专利申请2006/0038290(Tavkhelidze等人)和美国专利申请2001/0046749(Tavkhelidze等人)中已经记载了其他方法，这些方法涉及在制造期间在两个电极之间插入“牺牲层”。随后使“牺牲层”蒸发以在电极之间产生接近于所需要的1至20纳米间距的间隙。这三种方法由于翘曲或电极之间的热膨胀差而易受制造后波动的影响，或者需要致动器阵列来补偿这些波动，如美国专利申请第2005/0189871号(Tavkhelidze等人)和美国专利申请第
2007/0056623号(Tavkhelidze等人)中所描述。

[0021] 实现并随时间维持所需要的间距的另一种方法在美国专利6,876,123(Martinovsky等人) 和美国专利 7,305,839(Weaver) 和美国专利
6,946,596(Kucherov等人)以及美国专利申请第2004/0050415号、第2006/0192196号(Tavkhelidze等人)、美国专利申请第2003/0042819号(Martinovsky等人)、美国专利申请第2006/0207643号(Weaver等人)、美国专利申请第2007/0069357号(Weaver等人)和美国专利申请第2008/0042163号(Weaver)中有所记载，这种方法通过使用保持柔软电极间距的介电质隔片，很像杆支撑帐篷的方式。这些介电质隔片的一个缺点在于，其从一个电极到另一个电极传导热，从而减少转换过程的效率。这种方法的另一个缺点在于，在存在大静电力的情况下，柔软电极可能在隔片之间随着时间伸展或变形，并且朝向允许传导而不是穿隧或热离子发射的间距缓慢迁移。用这些方法形成纳米间隙的一些挑战在Marco Aimi、Mehmet Arik、James Bray、Thomas Gorczyca、Darryl Michael和Stan Weaver的“Thermotunneling Based Cooling Systems for High Efficiency Buildings”(2007年，通用电气全球研究中心，DOE Report Identifier DE-FC26-04NT42324)中进行了概述。

[0022] 用于在电极之间实现所需要的真空间距的另一种方法在美国专利申请第2004/0195934号(Tanielian)、美国专利申请第2006/0162761号(Tanielian)、美国专利申请第2007/0023077(Tanielian)、美国专利申请第2007/0137687号(Tanielian)和美国专利申请第2008/0155981号(Tanielian)中进行了披露，其中在两个已粘接晶圆的表面上产生小的空隙。这些空隙足够小，以允许电子穿过几纳米间隙的热穿隧。尽管这些间隙可以支持热穿隧，但是在间隙周围发生非想要的热传导，并且电极间距的一致性难以控制。

[0023] 用于实现热穿隧间隙的又一种方法是通过使两个晶圆的面对的表面接触，随后使用致动器将其拉开几纳米，如美国专利申请第2006/0000226号(Weaver)中所描述。尽管这种方法可以产生热穿隧间隙，但是这种方法遭受多个致动器的成本以及间隙面积外部的晶圆之间的热传导。

发明内容

[0024] 本公开案提供对封装、制造的改良以及我的上述PCT/US07/77042和PCT/US09/33660中所描述的间隙形成设计的更具体实施细节。在此公开用于制造芯片对的两种新方法和用于将这些芯片对封装到真空封装中的三种新方法。

[0025] 这两种新的芯片制造方法解决了先前技术的两个限制。一种新方法允许在将晶圆切成单独芯片之前在晶圆层对沉积的热电薄膜进行退火和抛光。另一种新方法允许使单晶或多晶的晶圆变细并对其抛光，且随后将其用作热电层。许多以前的文章描述了通过对沉积的热电薄膜进行退火来产生表面粗糙度，诸如H.Noro、K.Sato和H.Kagechika的“The thermoelectric properties and crystallography of Bi-Sb-Te-Se thin films grown by ion beam sputtering”(1993年2月1日，Journal of Applied Physics，73(3))。此外，许多文章声称单晶比多晶或非晶形式的类似材料提供更高的热电性能，诸如I.Yonenaga等人的“Thermal and electrical properties of Czochralski grown GeSi single crystals”(2001年，Journal of Physics and Chemistry of Solids)。

[0026] 此外，呈现三种新的封装设计方法，每一种方法独特地权衡了成本与可靠性。第一种且优选的封装设计将单独的真空管用于每一个间隙形成芯片对。第二种封装设计允许将多个间隙形成芯片对安装在单个真空腔中。第三种封装设计在用以制造芯片对的相同晶圆上产生真空腔。

[0027] 小于1.0纳米的表面粗糙度可以通过工业已知的几种技术中的任一种来实现。即使将硅和玻璃晶圆常规地抛光到次纳米粗糙度，金属薄膜的沉积也从成核和晶粒形成产生额外的粗糙度。此表面粗糙度可以随后通过以下步骤来去除：(1)使用后抛光处理，诸如化学机械抛光(称为CMP)，(2)在沉积期间冷却基板以防止或最小化晶粒形成，或(3)将所述表面压在已知平滑表面(诸如原始晶圆的表面)上。这些和其他抛光技术在工业中可以容易地获得，以在金属、半导体和其他材料上实现小于1.0纳米的表面粗糙度。在用于实现平滑表面的所有这些情况下，工业中可容易地获得的制造装备和处理技术指出，使整个晶圆的表面平滑相对于在芯片层使表面平滑的强优先。本文公开的方法关注合并到芯片制造工艺中的晶圆层平滑。

[0028] 其他系统、设备、所公开的设备和工艺的特征和优点对于本领域技术人员而言，在检查了以下图式和详细描述之后将为或变为显而易见。所有额外的系统、设备、特征和优点是打算包括在该描述内、包括在本发明的范畴内，并且由随附的权利要求书保护。

[0029] 所公开的设备和工艺的许多方面可以参考随附图式图1至图10来更好地理解。图式中的组件并非必须按比例绘制，相反重点在于清楚地图示本发明的原理。此外，在图式中，相似的元件符号在几个图中并不需要相应的部分。虽然结合图式公开了示例性实施例，但是并不打算将所公开内容限于本文公开的实施例。相反，打算涵盖所有替代、修改和均等物。

附图说明

[0030] 图1a和图1b图示本发明一个弯曲电极和一个平坦电极与转角上的玻璃支柱的单个接合。图1a展示如何可以将这个芯片对用于降温或冷却。图1b展示如何可以将这个同样的芯片对用于将热转换为电力或者用于响应温度进行电流限制或响应温度进行电流中断；

[0031] 图2a和图2b图示用于制造图1的芯片对的示例性工序，其中活性热电层是这个工序可用的以晶圆形式的单晶或其他结晶化的材料。图2a展示到达图2b所示的芯片对的处理顺序；

[0032] 图3a和图3b图示用于制造图1的芯片对的示例性工序，其中活性热电层被沉积作为非晶薄膜，随后在晶圆层对其进行退火和抛光。图3a图示到达图3b所示的芯片对的处理顺序；

[0033] 图4a和图4b图示如何可以将图1、图2和图3的芯片对封装到具有圆柱形玻璃壁以及金属顶和金属底的真空腔室中。图4a展示如何将这些和其他部分堆叠起来以实现图4b所示的成品；

[0034] 图5a、图5b和图5c图示一种弹簧的示例性设计，这种弹簧可以添加到图4b的堆叠中以提供将芯片对中的两个芯片保持在一起同时仍允许间隙形成的所需弹簧力。这个弹簧被设计成使得热从中心流到周边，并且这种设计最大化热传导和电传导同时维持间隙形成所需的顺度；

[0035] 图6a至图6c展示如何可以将成倍的图4b的设备制造到一起并同时提供将一个封装链接到一个相邻封装的串联或并联电连接；

[0036] 图7a和图7b展示用于将图1a、图1b、图2a、图2b或图3a、图3b中所示的许多芯片对一起封装到一个真空腔中从而减少单独部分的数量和处理的另一种方法。图7a展示真空腔的顶部、底部和壁，并且图7b展示如何将芯片对安装在腔内部；

[0037] 图8a和图8b展示用于在用以制造芯片对的相同晶圆上制造真空封装的方法。将用于单独芯片对的玻璃壁沉积在一个晶圆上并粘结到另一个晶圆，而不是如图4b和图7b中将单独部分用于玻璃壁；

[0038] 图9a和图9b展示本发明制造的设备热电性能(如由工业标准品质因数ZT所测量出)。图9a展示在形成间隙时p型设备的ZT如何增加。图9b展示在形成间隙时n型设备的ZT如何增加。

[0039] 图10展示如本发明中所描述地制造的设备的电流对电压行为，其中用金属层替代热电层。所展现出的电流-电压行为类似于电力电子工业中所使用的其他设备的电流限制和可重置的保险丝行为。

具体实施方式

[0040] 更详细地参考图式，其中贯穿几个图中相似的元件符号指代相似的元件，在几个图式中图示了本公开案的设备和工序的示例性实施例。

[0041] 在图1a中，展示两个电极，一个电极弯曲且另一个电极基本上平坦。一片单晶硅100用作基板，且此基板被高度掺杂到0.001至0.01ohm-em的水平，以允许从顶部到底部的导电性。并非限制，可以将其他金属或半导体用于基板100，诸如碳化硅、锗、砷化镓和诸如可伐的低热膨胀金属合金。硅基板100的每一侧上的金属层101和金属层102用以散开电流，从而允许此电流流过硅基板100的整个面积，因此减少从每个基板顶部流到底部的电流的电阻。上部基板顶上的金属层101与基板100上的另一个金属层102相比而言较厚，或者横向较大，或者沉积否则在较高温度粘附，或者是这些的任何组合。最内层103是热电活性材料。将金属层101沉积在硅基板100上否则在升高的温度将其粘附到硅基板100，形成弯曲的上部电极。随着这对层100和层101在沉积或粘附之后冷却到室温，金属101相对于硅100的较大热收缩引入了机械应力，这导致了所示的弯曲形状。此弯曲发生在两个横向尺寸，从而使弯曲形状成为穹顶，尽管图1a和图1b仅展示剖面图。并非限制，包括用于实现弯曲表面的其他布置，诸如内部真空腔的微机械加工或拉力。

[0042] 在操作中，对图1a和图1b中的两个电极进行弹簧加载，以将其推向彼此，并且该图中的装置位于真空腔室中。为了启动图1a所图示的用于冷却的设备，在最顶金属层101和最底金属层102之间通过电线110施加电压109。此电压导致电流流过热电活性层101，并且如果材料103为p型，那么此电流沿与电流相同的方向移动热，或者如果材料103为n型材料，那么此电流沿与电流相反的方向移动热。

[0043] 优选实施例中的热电材料103为碲化铋Bi2Te3或者其合金衍生物。并非限制，其他或更复杂的热电材料可以替代Bi2Te3。本发明的特征在于，纳米间隙减少从热侧到冷侧的热传导，从而使设备性能更少地如先前技术中一样取决于特殊材料。复杂热电材料的一个实例为超晶格，其为包含多个非常薄的薄膜的热电薄膜，这些薄膜的边缘减少晶格热传导。复杂热电材料的其他实例包括包合物和硫属化物。在G.Jeffrey Snyder和Eric S.Toberer的“Complex Thermoelectric Materials”(2008年2月，Nature Materials，第7卷)中提供了复杂热电材料的综述评论。包括具有大或较大晶格导热性的那些材料可以扩大本发明设备的候选材料的范围。这些新材料可能性鉴于许多原因而非常重要。元素周期表中具有低晶格导热性的元素为具有相对大原子量的那些元素。具有相对大原子量的半导体和金属趋向于具有不合需要的性质，包括：(1)毒性，(2)放射性，(3)高成本，(4)以自然或人造形式的稀缺和/或(5)无承受较高温度的能力。例如，毒性是对于传统热电材料而言最主要的担忧。用于传统设备中的碲和如锑的类似元素是有毒性的。硅和锗是非毒性、丰富且廉价的半导体。然而，硅和锗并未用于传统热电设备中，因为其晶格导热性比碲和锑高几倍。硅和锗将会在图1a和图1b的实施例中工作得一切顺利，因为真空间隙最小化了晶格导热。

[0044] 同样，为了将热电设备用于发电中，优选的是使其在高温下工作。热力学定律表明，引擎中温度变动(delta)越高，该引擎的效率越高。需要非常高的温度(接近1000开)来维持高效率的发电机，并且这些温度常规地用于由煤、气或核能供以燃料的发电厂引擎中。热电设备需要保持这些相同的温度，以与现有的发电厂竞争。铋、碲和锑分别具有544K、723K和904K的熔点。由于这些低熔点，使得传统热电设备的工作温度限于500K。如果设备的热侧为500K且冷侧被冷却到室温或300K，那么理论上的最大效率为40％，并且这假定无限ZT。然而，硅和锗具有1683K和1211K的熔点，并且因此可以保持与现有发电厂在热力学效率方面进行竞争所需要的高达1000K的温度。关于硅-锗的热电性能的细节，参见I.Yonenaga等人的“Thermal and electrical properties of Czochralski grown GeSi single crystals”(2001年，Journal of Physics and Chemistry of Solids)。对于关于这些材料的表面行为的细节，参见H.Choi、J.Bae、D.Soh和S.Hong的“Selective Epitaxial Growth of SiGe on a SOI Substrate by Using Ultra-High-Vacuum Chemical Vapor Deposition”(2006年4月，Journal of the Korean Physical Society，第48卷，第4号，第648页至第652页)和H.Yin等人的“Strain relaxation of SiGe islands on compliant oxide”(2002年6月15日，Journal of Applied Physics，第91卷，第12号)。

[0045] 为了启动如图1b中所示的用于发电的设备，将热源111应用于下部电极，从而导致下部电极与上部电极之间的温度梯度，并且此梯度在顶部电极与底部电极之间产生电压112，称为塞贝克电压。介电隔板108位于基板的每个转角上，以提供具有从热侧到冷侧的最小导热的实体支撑。在优选实施例中，这些隔板由二氧化硅制成。图1a和图1b中隔板
108的高度被选择成使得随着上部电极变热，硅和金属的热膨胀差导致上部电极变平，从而最终在中心中形成间隙，因为转角隔板变为支撑。

[0046] 图1a和图1b中所图示的本发明的最内热电层103的中心部分类似于传统热电设备，除了一个唯一异处(其为本发明的特征)。在标准热电设备中，中心部分中的活性层103将从顶部到底部连续。在本发明的设备中，活性层103由高达几纳米的间隙中断。此间隙足够短以允许电子穿隧穿过并移动热，如同不具有间隙的先前技术材料中一样。此间隙也足够长以防止声子流动或晶格振动，从而减少热传导并提高性能和效率。

[0047] 本发明的另一个优点在于在一些范围的温度下工作的能力。对于传统热电设备而言，在低温使用Bi2Te3和类似材料(较低晶格导热性，但是较低熔点)，并且在较高温度使用如SiGe的其他材料(较高晶格导热性但是较高熔点)。本发明允许在全范围的温度下使用诸如SiGe的材料，因为晶格导热由图1a和图1b所图示的真空间隙部分或全部地消除。

[0048] 热电设备通常是可逆的，这意味着电流流过设备将产生冷却，并且相反地，向一侧施加热将产生电压。本发明的设备也是可逆的，并且图1a和图1b展示两种工作模式的每一个模式的优选配置。图1a图示用于冷却的优选配置，且图1b展示用于从热发电的优选配置。

[0049] 在图1a中，具有厚铜层的弯曲的双金属电极113是热侧。电压源109通过电线110向设备的顶部和底部供应电压。此电压产生流过设备中心的热电材料的电流，并且假定所使用的热电材料为n型，那么此电流将热从底部电极移动到顶部电极。并非限制，可以通过使所施加的电压109反向来使电流相反地流动以制出类似的图，并且在p型材料的情况下，热将仍然从底部电极流动到顶部电极。

[0050] 当关闭图1a的设备时，电压109为零，并且中心接触存在于两个电极之间。电流流动将热移动到顶部电极，从而增加其温度。此增加的温度导致顶部电极变平，这最终在中心中产生间隙，并且顶部电极现在使用转角隔板108以供支撑。转角隔板108可能具有润滑薄膜，诸如沉积在隔板顶部上或面对的表面113上或两者兼备以促进微移动并减少摩擦影响的类金刚石碳(DLC)。中心中的间隙的大小将增加，直到其达到均衡值为止。如果干扰导致间隙变得比均衡值大，那么较少电流将流动，因为间隙打开两个电极之间的电路。较少电流意味着较少热被移动到上部电极，从而降低其温度，并且朝向底部电极弯曲回去直到重新建立均衡为止。相反，如果干扰导致间隙小于其均衡值，那么较多电流将流动，从而移动较多热，进而增加顶部电极的温度，并使其弯曲远离底部电极直到再次重新建立均衡为止。

[0051] 图1a的设备可以通过将活性层103选择为热电敏感材料来应用于热电冷却方法，也称为珀尔帖效应。并非限制，碲化铋、碲化锑铋、碲化铅、硅锗和许多其他材料是呈现热电效应所已知的。在将热电方法应用于图1a的设备的情况下，间隙可以无势垒，这意味着电子不需要高于平均能量来穿过间隙。热电材料103的带隙的量子势垒已经过滤了较高能量电子，这使得热能够被移动。因此，在这种情况下，两个活性层103之间的纳米间隙仅需要中断晶格热传导。图1a的设备也可以通过将活性层103选择为低功函数材料来应用于热穿隧冷却方法。低功函数材料的实例为铯、钡、锶或其氧化物。层103可以采用单层、亚单层、多个单层或沉积薄膜的形式。在将热穿隧方法应用于图1a的设备的情况下，间隙长度不引入仅较高能量电子可以穿过的势垒。在热穿隧应用中，纳米间隙不仅用作量子势垒以过滤电子，而且用作晶格热传导的中断。

[0052] 在图1b中用于发电的优选配置中，注意到，弯曲的双金属电极现在为冷侧。将热从热源111施加到平坦电极。因为热源的温度可能在工作期间变化，如同在例如集中太阳能应用中，所以优选的是将热施加到不会将间隙从其最佳值改变的侧。如同在热电设备中典型的，热源111在热电敏感材料中产生温度梯度，这又会产生可以通过电线110带入电路或需要功率的存储单元的电压112。

[0053] 当在热源111处不施加热时，中心接触存在于两个电极之间。在开启热源时，此热中的一些将流过中心触点，从而增加顶部电极113的温度。增加的温度导致顶部电极113变平，最终在中心中产生间隙，因为顶部电极随后停留在转角隔板108上。如同在用于冷却的情况下一样，形成均衡间隙。如果干扰导致间隙变得比均衡值大，那么顶部电极将冷却，因为较少的热穿过间隙，这导致顶部电极113朝向底部电极弯曲，并重新建立均衡。如果干扰导致间隙变得比均衡值小，那么中心中增加的热传导将增加顶部电极的温度，从而导致顶部电极弯曲远离中心直到重新建立均衡间隙为止。

[0054] 图1b的设备可以通过将活性层材料103选择为热电敏感材料来应用于热电发电效应，也称为塞贝克效应。此外，并非限制，与先前提及的呈现珀尔帖效应相同的材料也呈现塞贝克效应。图1b的设备也可以通过将活性层103选择为低功函数材料来应用于热穿隧发电。并非限制，与可用于热穿隧冷却相同的材料也可用于热穿隧发电。图1b的设备也可以通过将下活性层材料103选择为发射光的并且将上层103选择为光敏的来应用于热光伏方法。发射光的材料响应热的施加来发射光子。光敏材料在接收到光子之后产生电力。光子也能够穿隧穿过真空间隙(诸如图1b中所图示的真空间隙)，从而将热转换为电力同时保持热绝缘。光子穿隧所需要的间隙长度通常比波长小得多。对于可见光而言，波长为400至700纳米，因此1nm至200nm的间隙长度对于有效光子穿隧而言足够小。并非限制，发射光的材料的实例为钨和钛。同样并非限制，光敏材料的实例包括光伏材料，诸如硅、锗、碲、镉和这些材料的组合。关于热光伏方法的概述，参见R.DiMatteo等人的“Micron-gap ThermoPhoto Voltaics(MTPV)”(2004年，Thermophotovoltaic Generation of Electricity，American Institute of Physics)。

[0055] 图1a和图1b中所图示的设备也可以应用于电气开关。在这种情况下，活性层103将是可以容忍许多接触循环并进行释放而不会降级的优良导体。金是用于这种目的的示例性材料，但是并非限制，也可以使用其他金属和合金，诸如金-锡、金-铟、金-银和黄铜。

[0056] 图1b的设备可以串联地电气放置于电源与电负载之间。负载中的故障所导致的过电流将加热设备中的电极，并导致在中心中形成间隙。此间隙随后将用于将电流限于安全水平的目的，这防止了过热或损坏或过热与损坏的组合。在此实施例中，该设备作为可重置保险丝来工作。此保险丝与普通的先前技术保险丝相比的一个优点在于，一旦故障得到修复则本发明的设备完全恢复，并且并不像普通的保险丝烧坏时一样需要更换。

[0057] 类似地，图1b的设备的热源可以触发设备的电气打开，从而用作断路器。该热源可以是在过温情形发生时切断自己的电源的加热元件。该热源可以是火、烟或其他危险的高温情形的提示，并且设备可以切断电源或向警报器提供逻辑信号。

[0058] 并非限制，在其他实施例中，图1a和图1b的设备可以被布置成提供可重置保险丝、断路器、过温保护器的等效功能，或者仅作为电接触在真空腔室中得到保护的大电流开关。此外，图1a和图1b的设备可以提供与继电器等效的功能，其中继电器通过向安装在设备上的加热元件提供电功率来触发。

[0059] 图1b的设备也可以提供热控开关或用作热二极管。随着热源111温度升高并形成间隙，从设备底部转移到顶部的热的量将改变。热控开关可以应用于调节火炉、烤箱、太阳能热水器和许多其他设备的温度。此外，已经提议将这种类型的热控开关用作热二极管，以通过在来自热侧的热能够向回流动到冷侧之前解开冷侧来增加传统热电设备的效率。参见b Ghoshal和Guha的“Efficient Switched Thermoelectric Refrigerators for Cold Storage Applications”(2009年，Journal of Electronic Materials，第38卷，第7号)。

[0060] 图2a图示用于制作图1中所图示的芯片(chip)对的一个工序。因为本发明的纳米间隙特征允许使用其他半导体材料，诸如硅、锗或硅-锗，并且因为这些半导体可以容易地以圆形晶圆的形式获得，所以图2a的工序展示如何将这些晶圆用作图1中的热电层103的材料。图2a的工序的进一步目的在于使用可以在半导体和微电子机械系统(MEMs)工业中容易地获得的标准装备和处理。

[0061] 图2a的基板晶圆201提供用于图1中的芯片基板100的材料，并且此晶圆被重掺杂到0.001ohm-cm电阻率以用于低电阻。图2a中的另一个晶圆203提供用于图1中的热电层103的材料。如果热电材料需要为与晶圆203材料不同的材料，那么在这种情况下，晶体层202可以生长为晶圆203(其随后变成载体晶圆)上的外延(EPI)层。并非限制，EPI层可以是晶体硅锗层、使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)来生长的晶体碲化铋层或者可以在基板晶圆201上生长的其他晶体层。材料202或材料203中无论哪个变为热电层都可以根据需要对于电阻率和类型(n或p)两者来最佳地掺杂。为了图1中层102所图示的目的，将内部金属204和内部金属205沉积到两个晶圆201和203的表面上。这些金属层204和金属层205的表面也涂覆有促进晶圆201到晶圆203的金属至金属晶圆粘结的最后一层。这种金属涂层可以是金，以实现在MEMs工业中常见的金至金压缩粘接。或者，金属涂层可以是金-铟或其他合金，以实现在工业中同样常见的低熔点粘接。并非限制，其他金属至金属晶圆粘结技术也是可能的。一旦通过内部金属将晶圆201和晶圆203粘结在一起，晶圆203的外表面就被压至所需要的厚度，从而变成下至EPI层的适合的热电层。因为对于本发明而言面对间隙的表面必须平滑，所以也将晶圆203的外表面抛光至原子级的平滑度。现在，制备热电层并呈现底层金属。可以图案化并蚀刻切割道207，以界定单独芯片(dies)并提供用于晶圆锯切的路径。例如，用反应离子蚀刻来蚀刻硅并随后用如光刻法所定义的湿式或干式处理来蚀刻金属，可以制造出这些切割道207。并非限制，可以使用其他方法来完成切割道207。一旦制备出晶圆的面对间隙的侧面，则可以沉积背部金属210，并图案化并蚀刻对准的切割道208。在升高的温度对图2a中的这些背部金属210进行沉积，以实现具有弯曲的双金属芯片的晶圆211。类似地，可以在室温对背部金属进行沉积，以实现产生平坦芯片的晶圆212。最后，在晶圆212上的每个芯片的转角上沉积隔板209作为二氧化硅或其他材料(并非限制)。随后将这些晶圆211和晶圆212进行切片，以产生图2b中所图示的芯片对，这些芯片对随后可以如图1中所示地部署。

[0062] 图2a中的晶圆211和晶圆212或者从这些晶圆上切下的等效芯片的面对间隙的表面可能需要一些表面处理，以按照关于本发明所描述的方式来高效地起作用。例如，如果热电层是硅或硅-锗，那么这些材料在暴露于空气中时非常快速地氧化。然而，沉积钝化层(诸如5nm的金)将防止这种不合需要的氧化。非常薄的金属层在其厚度比行进穿过材料的电子的平均自由程小得多时，并不预期该层影响设备的热电性能。通过将表面暴露于氟化氢液体或蒸气中来完成另一个钝化层，该暴露用以去除任何存在的氧化物并随后提供氢原子的单层，这样防止在允许将芯片对密封在真空腔室中的时间段内的重新氧化。在一些情况下，可能需要使用具有与底层硅或硅锗层类似的载子浓度但是也防止氧化和其他表面反应的钝化层。薄的5nm的合金或类似材料的碲化铋型层具有所需要的载子浓度，并且也是抗表面反应所已知的。并非限制，可以使用其他钝化层。

[0063] 图3a展示对于对热电层进行沉积、退火以使其变成晶体并随后对其进行抛光以去除在退火期间引入的任何粗糙度的情况的类似工序。在这个工序中，在金属表面上形成热电层。沉积的碲化铋是在退火时变粗糙所已知的，因为碲化铋在多个方向呈多晶形式，其中一些从表面突出。参见H.Noro、K.Sato和H.Kagechika的“The thermoelectric properties and crystallography of Bi-Sb-Te-Se thin films grown by ion beam sputtering”(1993年2月1日，Journal of Applied Physics，73(3))。

[0064] 将硅晶圆再次用作图3a中所图示的工序的基板。间隙侧薄膜堆叠302被沉积，并且可以包括(并非限制)诸如钛的金属层和粘附层以及最后热电层303。并非限制，热电层可以为铋、碲、锑、硒、铅或者这些的任何组合，或者是具有所需要的热电性质的任何其他半导体材料，可能包括具有高导热性的材料。随后通过将整个晶圆放置到受加热的腔室(优选地具有惰性气体)中并对其加热处理许多小时，来对整个晶圆进行退火。碲化物合金的加热处理温度通常在200摄氏度与300摄氏度之间。加热处理导致薄膜从非晶到多晶的形式改变，并且也导致层303的表面变得粗糙。该工序中的下一个步骤是使用化学机械平坦化(CMP)来对晶圆的热电侧进行抛光。一旦表面平滑，则可以图案化并蚀刻切割道304。现在可以将所得到的具有这些间隙侧薄膜的晶圆用来制造弯曲的双金属结构或具有二氧化硅隔板的平坦结构。将从晶圆307上切下双金属芯片，其中在升高的温度沉积背部金属。将从晶圆308上切下平坦芯片，其中在室温沉积背部金属，并在每个芯片的转角上沉积二氧化硅隔板。随后对双金属晶圆307进行切片，以产生图3b中的上部芯片。随后对平坦晶圆308进行切片，以产生图3b中的下部芯片。表面处理可能是防止氧化所必需的。随后可以如图1中所图示地部署来自图3B的芯片。

[0065] 图4a和图4b图示如何可以将图1a、图1b、图2b或图3b的芯片对安装在小真空封装中。盖401提供顶部和底部，并且由与壁407热膨胀匹配(根据需要)的材料制成。电力和热流过顶部和底部，并且因此盖401优选地由金属制成。壁406将热侧与冷侧分离开，并且因此优选地由二氧化硅或玻璃制成。如果用于盖401的金属是可伐，那么盖和玻璃将具有类似的热膨胀系数，并且防止温度梯度和热循环破坏封装。铜涂布器403将芯片405和芯片406电气并热学地连接到盖401。焊剂、金属粘附剂或其他适合的连接材料402(并非限制)将芯片和盖连接到一起。真空密封材料406用真空紧密密封来密封金属和玻璃，并且可以由玻璃熔块、金铟或其他适合的材料(并非限制)构成。一旦全部装配好，封装的芯片对就在图4b中图示。

[0066] 如所提及的，图1a、图1b、图2b或图3b的芯片对需要一些吸引力将其推到一起，以使得接触发生在中心并且弯曲的芯片的双金属力可以与该力相抵以在中心中形成间隙。吸引力可以由图4b的封装设备的真空压力来提供，其中盖向内稍微变形以提供该力。尽管此方法对于一些情况提供所需要的力，但是对于其他情况可能需要独立的动力机制。例如，真空力随着大气压力和高度而改变。此外，如同超灵敏相机的设备的一些使用可能更愿意使该设备处于另一个真空腔室内，在这种情况下将不能获得任何吸引力。对于想要或需要分离的、独立的弹簧力的那些情况，图5a至图5c展示可能使用的三种不同类型的弹簧。除了提供适当的吸引力之外，弹簧也必须符合电传导和热传导的要求。优选的材料是铜或银，因为这些金属在电气和热学方面都具有最高的传导性。如果必须进行成本权衡，那么可以使用诸如铝的其他材料。并非限制，弹簧可以由其他金属或金属合金制成。在图5a至图5c的示例性弹簧中，用焊剂或银粘附剂将图4a中的铜涂布器403安装在弹簧中心，并且再次用焊剂或银粘附剂将弹簧的周边附着到盖。在其他实施例中，弹簧可以替代铜涂布器。图
5a中的弹簧实例501具有一个皱纹和许多径向缝隙，以增加顺度同时最大化热可以流过的面积。图5b的弹簧实例502为类似的设计，但是没有皱纹，并且更易于制造，因为不需要垂直成型。图5c的弹簧实例503具有螺旋缝隙，这进一步增加了顺度。并非限制，许多其他弹簧设计和材料可能适用于本发明。

[0067] 图6a至图6c展示如何可以同时装配图4b的设备的阵列603并对其进行电气连接，以促进大量生产和定制。用突出片601将盖401的阵列连接到一起。将玻璃管的阵列黏到底部盖的阵列。随后，使用电子装配工业常见的捡-放型机器人机器来将图4a中图示的其他物品(包括铜涂布器、芯片对和粘附剂)堆叠在玻璃管内部。随后，将顶部盖阵列密封到真空腔室中的玻璃管。一旦得以从真空腔室去除，每个封装就在内部保持真空压力。此阵列的大小和形状可以被选择成与硅晶圆的直径匹配，以使得可以使用标准真空晶圆粘结机器，诸如SUSS Microtec所制造的那些机器。沿切割线602切割突出片601随后可以容易地从大阵列603上切下定制大小的较小阵列604。最后得到较小阵列604，其中所有顶部盖和底部盖由突出片601电气连接至其相邻盖。最后，切下单独设备的串联电气连接所不需要的突出片，并且将电线606和电线607附着到第一电气连接和最后的电气连接，以产生符合特定产品规格的要求或特定客户的要求的最终产品605。

[0068] 图4a至图4b和图6a至图6c中的封装方法需要每个芯片对具有分离的真空封装。这种装配涉及许多操作和许多小零件的处理。如图7a至图7b中所图示的另一个封装允许将多个芯片对安装在一个真空外壳中。由真空相容材料(诸如氧化铝或氮化铝)制成的电路板701和电路板704具有包铜迹线706，包铜迹线706将芯片对404和芯片对405电气串联连接在一起。使端部连接705在封装的外部，以连接到电源以进行冷却，或者连接到电负载以进行发电。玻璃框架702将两个侧面分离开并提供穿过该框架宽度的热绝缘。顶部电路板701和底部电路板704与玻璃框架702之间的密封材料可以再次为玻璃熔块、金-铟或者真空相容的其他适合的密封剂。

[0069] 图8a至图8b中展示需要甚至更少零件的封装方法。在此，硅晶圆801和硅晶圆802变成图8b中单独封装803和单独封装804的顶部和底部。现在沉积真空封装的图8a中的玻璃壁807连同玻璃隔板和晶圆的间隙侧上的其他特征结构。在此，玻璃壁为水平部件，但是再次使用玻璃熔块或类似的密封剂805将其粘合到上部基板。在玻璃壁层807之前沉积牺牲层808，以提供晶圆801和晶圆802的充足的刚性，以忍受晶圆锯中芯片的切片。
一旦沿真空粘合线805将晶圆801和晶圆802粘合到一起，那么可以对封装的芯片对的整个阵列进行切片，以产生图8b中所示的结构。可以类似于当今工业中使用的碲化铋颗粒来处理和装配这些单独封装。此方法的另一个优点在于可以基于性能或缺陷来分离和聚集各个芯片对。如果芯片对中一个芯片对有缺陷，那么图7a至图7b的方法要求折中的性能或全部丢弃。

[0070] 根据图3b的尺寸和规格来制造芯片对。随后将此芯片对安装在两个负载有弹簧的电极之间的钟罩真空腔室中。真空压力为0.05mTorr。施加电压，并且逐渐增大此电压。同样将小型热电偶安装到每个芯片，以测量每个电极的温度。从两个温度、电压和电流读数，计算出工业标准品质因数ZT。较高ZT对应于较高效率。图9a至图9b中展示ZT对弯曲侧温度的两个曲线图。图9a展示对于p型设备所测量出的ZT，且图9b展示对于n型设备所测量出的ZT。清楚的是，ZT随着弯曲芯片的较高温度产生间隙而增加。对于图9a的p型设备而言，热电层的p型行为由于纳米真空间隙的n型行为而最终降级，因为设备的主导行为从热电转变为热穿隧。

[0071] 根据图3b的尺寸和规格来制造另一个芯片对，其中区别在于用热电层替代金层。随后将此芯片对安装在两个负载有弹簧的电极之间的钟罩真空腔室中。施加电压，并且逐渐增大此电压。图10展示电流对所施加电压的曲线图(IV曲线)。电流增大直到间隙形成为止，并且随后间隙变成电子流的势垒，从而增加电阻，并使IV曲线平整。IV曲线的形状类似于电流限制和可重置保险丝设备，如Tyco Electronics所制造的聚合开关设备系列。因此，可以使用本发明的间隙形成装置来建立这些设备。

[0072] 因为低电压和高电流特征在于热电接点，所以大部分热电模块将接点内部串联连接。通过具有许多串联连接的接点，可用供电电压或负载电压可以更好地匹配单独接点电压的和。这些串联连接意味着热必须与p型接点中的电流一起流动并且与n型接点中的电流相对流动。

[0073] 应强调的是，本发明的设备和工序的上述实施例以及“优选”实施例仅是实施的可能实例并且仅阐述以用于清除理解本发明的原理。本文描述的穿隧和自定位电极设备的许多不同实施例可以在不脱离本发明的精神和范畴的前提下进行设计和/或制造。所有这些修改和变化打算在本文包括在本揭示案的范畴内并且受到随后权利要求书的保护。因此，本发明的范畴并不打算受到限制，除非在随附权利要求书中进行指示。

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