專利名稱：利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種快速成型方法，尤其是一種熱電器件的組裝方法，應用于將熱電材料印刷在基片上成膜或制成器件領域。
背景技術：
熱電器件是一種利用半導體材料賽貝殼效應實現(xiàn)熱能和電能直接轉換的技術，具有長壽命、高可靠及環(huán)境安全等特點，在太陽能光電-熱電復合發(fā)電及工業(yè)余廢熱熱電發(fā)電等方面有著廣闊的應用前景和潛在社會、經(jīng)濟效益。而熱電材料的組裝研究取得的進展極大地促進了對高性能微熱電器件的開發(fā)研制；反過來，制作各種優(yōu)化結構的微熱電器件又是另一種提高熱電效率的途徑。在熱電材料的組裝中，人們通常利用MEMS微機械加工技術實現(xiàn)熱電材料的組裝。然后這種工藝技術難度大，成品率低，導致器件成本偏高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)?！?br> 絲網(wǎng)印刷是，利用絲網(wǎng)印版圖文部分網(wǎng)孔透油墨，非圖文部分網(wǎng)孔不透墨的基本原理進行印刷。印刷時在絲網(wǎng)印版一端上倒入漿料，用刮印刮板在絲網(wǎng)印版上的油墨部位施加一定壓力，同時朝絲網(wǎng)印版另一端移動。漿料在移動中被刮板從圖文部分的網(wǎng)孔中擠壓到承印物上。由于漿料的粘性作用而使印跡固著在一定范圍之內(nèi)，印刷過程中刮板始終與絲網(wǎng)印版和承印物呈線接觸，接觸線隨刮板移動而移動，由于絲網(wǎng)印版與承印物之間保持一定的間隙，使得印刷時的絲網(wǎng)印版通過自身的張力而產(chǎn)生對刮板的反作用力，這個反作用力稱為回彈力。由于回彈力的作用，使絲網(wǎng)印版與承印物只呈移動式線接觸，而絲網(wǎng)印版其它部分與承印物為脫離狀態(tài)。使?jié){料與絲網(wǎng)發(fā)生斷裂運動，保證了印刷尺寸精度，其精度可達到I μ m，并避免蹭臟承印物。當刮板刮過整個版面后抬起，同時絲網(wǎng)印版也抬起，并將漿料輕刮回初始位置。至此為一個印刷行程。此外，還可以待承印物干燥后的進行再次印刷，實現(xiàn)多層結構，印刷復雜的電子結構，但目前暫未有人將印刷的方法運用與組裝熱電器件中。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術存在的缺陷，提供一種利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，不僅可以在剛性基地上組裝，還可以在薄鋁片等柔性基板上組裝，選擇具有多樣性，方法簡單、操作方便、成本低，且易于批量生產(chǎn)。為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述技術方案
一種利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，包括如下步驟
a.將熱電材料粉末與有機載體混合制成熱電材料漿料；
b.使基片形成具有底電極的基片；所述基片的材料優(yōu)選為金屬，通過刻蝕的方法除去所述基片表面的金屬氧化物，暴露在外面的所述基片的金屬材料部分即形成底電極；所述基片還優(yōu)選為玻璃片、硅片或聚合材料片；用焊接的方法制備所述底電極時，所述底電極的材料為Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al ;用絲網(wǎng)印刷的方法制備所述底電極時，所述底電極的材料分別為金屬合金或復合材料，所述金屬合金最好為鑰銅合金或鎢銅合金；
C.再通過印刷電子制造工藝將所述熱電材料漿料印刷在具有底電極的所述基片上形成熱電材料薄膜，所述熱電材料薄膜為一個η型熱電器件的熱電材料薄膜，或者為一個P型熱電器件的熱電材料薄膜，或者為由一個η型熱電材料薄膜和一個P型熱電材料薄膜共同組裝一個U型熱電器件的熱電材料薄膜；所述印刷電子制造工藝為絲網(wǎng)印刷的方法，通過所述絲網(wǎng)印刷的方法所印刷的熱電材料薄膜的厚度范圍為O. f 50mm，壓力為O. 4^0. 6Mpa，絲網(wǎng)印刷的印刷精度可到I μ m ;所述η型熱電器件的熱電材料薄膜的材料優(yōu)選為n_CoSb3、n-PbTe> n_Ti2Be3、n-GeSi> n_Zn4Sb3、n_Sb2Te3、n-GaAs> n-PbSnSeTe、n_Ba0.8Yb0.09Co4Sb12、n-Yb14MnSbu> n-Ti0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01 > n-PbSeJe^^ H-Si1^yGexCy> n-Al.Gai^As^Ii-InxGa1^As> Ii-AlyInzGa1^zAs或n_Ca3Co409 ;所述p型熱電器件的熱電材料薄膜的材料優(yōu)選為 p-CoSb3、p-PbTe、p_Ti2Be3、p-GeSi、p_Zn4Sb3、p_Sb2Te3、p-GaAs、p-PbSnSeTe、P-Ba0 8Yb0 Q9Co4Sb12 > P-Yb14MnSb11 > p_Ti0. Q5Hfll05NiSn0.99Sb0.01、P-PbSexTe1^-, p—Si^x-JrGexGy、P-AlxGa1^As> P-InxGa1^As> P-AlyInzGa1^zAs 或 p_Ca3Co409O
d.對所述熱電材料薄膜進行燒結；
e.然后在所述熱電材料薄膜上增加頂電極；用焊接的方法制備所述頂電極時，所述頂電極的材料分別為Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al ;用絲網(wǎng)印刷的方法制備所述頂電極時，所述頂電極的材料分別為金屬合金或復合材料，所述金屬合金最好為鑰銅合金或鶴銅合金；
f.分別從一個η型熱電器件的所述底電極和所述頂電極中引線形成一個熱電偶，或者從一個P型熱電器件的所述底電極和所述頂電極中弓丨線也形成一個熱電偶，或者在兩端電極引線出來，形成一個U型熱電器件的兩個頂電極中同時引線也形成一個熱電偶，將至少兩個U型熱電器件串聯(lián)或并聯(lián)起來，即組成一個大面積的熱電器件。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點
1.本發(fā)明不僅可以在剛性基地上組裝熱電器件，還可以在薄鋁片等柔性基板上組裝熱電器件，選擇具有多樣性，方法簡單，操作方便，成本低；
2.本發(fā)明與傳統(tǒng)的光刻工藝比較，它具有充分的生產(chǎn)效率，尤其適合大規(guī)模生產(chǎn)；
3.本發(fā)明采用印刷電子制造工藝，即適應今后市場需要，又具有沒有浪費的柔性生產(chǎn)的特點，采用小規(guī)模投資就可以實現(xiàn)的制造工藝是有效的；
4.本發(fā)明可以根據(jù)不同的產(chǎn)品需求，通過圖版的合理設計壓印出不同的器件結構；
5.本發(fā)明所涉及的壓印機具有精確度高、適用范圍廣且可控性強的特點，因此本發(fā)明為熱電器件的組裝提供了一種條件簡單、操作方便、靈活快速、成本低、精確可控，且易于規(guī)?；可a(chǎn)的新方法。


圖I是本發(fā)明實施例一組裝熱電器件的方法在硅片上組裝n- Te2Bi3熱電偶的結構圖。圖2是本發(fā)明實施例一組裝熱電器件的方法在硅片上組裝P- Te2Bi3熱電偶的結構圖。
圖3是本發(fā)明實施例二組裝熱電器件的方法在鋁片上組裝n- Te2Bi3熱電偶的結構圖。圖4是本發(fā)明實施例二組裝熱電器件的方法在鋁片上組裝P- Te2Bi3熱電偶的結構圖。圖5是本發(fā)明實施例三組裝熱電器件的方法在硅片上組裝U型Te2Bi3熱電器件的結構圖。圖6是本發(fā)明實施例四組裝熱電器件的方法在鋁片上組裝U型Te2Bi3熱電器件的結構圖。圖7是本發(fā)明實施例五組裝熱電器件的方法組裝一組Te2Bi 3熱電器件的結構圖。
具體實施例方式結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下
實施例一
參見圖I和圖2，在本實施例中，以Te2Bi3作為熱電材料，但本領域的技術人員可以理解，其它已知的熱電材料均可替代下述實施例中的Te2Bi3而實現(xiàn)本實施例技術方案。本實施例利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，包括如下步驟
首先，在硅片16和硅片20上鍍上一層底電極；
其中，硅片16和硅片20面積為20 X 20mm2，厚度為O. 5 O. 7mm ；
在硅片鍍上一層電極材料，其中電極材料可為Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al，本實例中選用Cu作為底電極17和底電極21材料；
其次，在鍍有底電極的硅片16和硅片20上印刷n- Te2Bi3 18或P- Te2Bi3 22熱電材料組裝一個熱偶再用通過絲網(wǎng)印刷的方法分別在鍍有底電極的硅片上印上H-Te2Bi3 18或P-Te2Bi3 22，其中壓力為 O. 4 O. 6MPa ；
經(jīng)過燒結后，在熱電材料上焊接頂電極，其中電極材料可為Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al，本實例中選用Cu作為頂電極19和頂電極23材料；
其中，n-Te2Bi3 18或P-Te2Bi3 22漿料面積為15X 15mm2，厚度為5 IOmm ;頂電極19和頂電極23面積為15X15mm2，厚度為5 10 μ m ;
在兩端電極引線出來，形成一個熱電偶。再接上一個電壓為5V的直流電，則可以測得在電極兩端一端吸熱一端放熱。實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于
參見圖3和圖4，本實施例利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，包括如下步
驟
首先，對鋁片濕法刻蝕；
其中鋁片6和鋁片9厚度為I 2mm，面積為20 X 20mm2 ；
選用刻蝕深度在l(T20nm，刻蝕面積為15 X 15mm2 ；
其次，在鋁片6和鋁片9上印刷n- Te2Bi3 7或P- Te2Bi3 10熱電材料組裝一個熱偶；刻蝕后的鋁片6和鋁片9可作為熱電器件的底電極，再用通過絲網(wǎng)印刷的方法分別在鋁片上印上n-Te2Bi3 7或P-Te2Bi3 10，其中壓力為O. 4 O. 6MPa ;經(jīng)過燒結后，在熱電材料上焊接頂電極，其中電極材料可為Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al，本實例中選用Cu金屬8和Cu金屬11作為電極材料；
其中，Ii-Te2Bi3 7或P-Te2Bi3 10漿料面積為15X 15mm2，厚度為5 IOmm ;頂電極面積為15 X 15mm2,厚度為 5 10 μ m ；
在兩端電極引線出來，形成一個熱電偶。再接上一個電壓為5V的直流電，則可以測得在電極兩端一端吸熱一端放熱。實施例三
本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于 參見圖5，本實施例利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，包括如下步驟 首先，在硅片24上鍍上一層底電極；
其中，硅片24面積為20 X 40mm2，厚度為O. 5 O. 7mm ；
在硅片鍍上一層電極材料，其中電極材料可為Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al，本實例中選用Cu作為底電極25材料；
其次，在鋁片上印刷n- Te2Bi3 26和P- Te2Bi3 27熱電材料組裝一個U型熱電器件；刻蝕后的鋁片可作為熱電器件的底電極，再用通過絲網(wǎng)印刷的方法分別在鋁片上印上n-Te2Bi3 26 和 P-Te2Bi3 27，其中壓力為 O. 4 O. 6MPa ;
經(jīng)過燒結后，分別在兩種熱電材料上焊接兩個頂電極28，其中電極材料可為Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al，本實例中選用Cu作為電極材料；
其中，Ii-Te2Bi3和P-Te2Bi3漿料面積都是15 X 15mm2，厚度為5 IOmm ;兩個頂電極面積為15 X 15mm2,厚度為5 10 μ m ；
在兩端電極引線出來，形成一個U型熱電器件。再接上一個電壓為5V的直流電，則可以測得在電極兩端一端吸熱一端放熱。實施例四
本實施例與實施例三基本相同，特別之處在于
參見圖6，本實施例利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，包括如下步驟
首先，對鋁片濕法刻蝕；
其中鋁片12厚度為I 2mm，面積為20 X 40mm2 ；
選用刻蝕深度在l(T20nm，刻蝕面積為15 X 30mm2 ；
其次，在鋁片12上印刷n- Te2Bi3 13和P- Te2Bi3 14熱電材料組裝一個U型熱電器
件；
刻蝕后的鋁片可作為熱電器件的底電極，再用通過絲網(wǎng)印刷的方法分別在鋁片上印上n-Te2Bi313 和 P-Te2Bi3 14，其中壓力為 O. 4 O. 6MPa ；
經(jīng)過燒結后，分別在兩種熱電材料上焊接兩個頂電極15，其中電極材料可為Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al，本實例中選用Cu作為頂電極材料；
其中，n-Te2Bi3 13和P-Te2Bi3 14漿料面積都是15X 15mm2，厚度為5 10mm ;兩個頂電極面積為15 X 15mm2,厚度為5 10 μ m ；
在兩端電極引線出來，形成一個U型熱電器件。再接上一個電壓為5V的直流電，則可以測得在電極兩端一端吸熱一端放熱。實施例五本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于
參見圖7，在實施例三和實施例四中，在其步驟f中，將4個U型熱電器件串聯(lián)起來，組成一個大面積的熱電器件。在本實施例中，在底電極上用絲網(wǎng)印刷的方法直接將由熱電漿料，烘干后，再在上面印刷或者焊接一層頂電極，最后在底電極和頂電極上引線，從而組裝成一個U型熱電偶單元，將多個U型熱電偶單元串聯(lián)起來可以形成一個大面積的熱電器件。上面結合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法的技術原理和發(fā)明構思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。例如，上述實施例中均以Te2BiJt為熱電材料予以描述，但本領域的技術人員可以理解，其它已知的熱電材料均可替代下述實施例中的Te2Bi3而實現(xiàn)本發(fā)明。基底的選擇也不僅局限于上述述實施例中的鋁片和硅片。因此，本發(fā)明并不限于上述述實施例中所記載的任何待定材料。
權利要求
1.一種利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，其特征在于，包括如下步驟 a.將熱電材料粉末與有機載體混合制成熱電材料漿料； b.使基片形成具有底電極的基片； c.再通過印刷電子制造工藝將所述熱電材料漿料印刷在具有底電極的所述基片上形成熱電材料薄膜，所述熱電材料薄膜為一個η型熱電器件的熱電材料薄膜，或者為一個P型熱電器件的熱電材料薄膜，或者為由一個η型熱電材料薄膜和一個P型熱電材料薄膜共同組裝一個U型熱電器件的熱電材料薄膜； d.對所述熱電材料薄膜進行燒結； e.然后在所述熱電材料薄膜上增加頂電極； f.分別從一個η型熱電器件的所述底電極和所述頂電極中引線形成一個熱電偶，或者從一個P型熱電器件的所述底電極和所述頂電極中引線也形成一個熱電偶，或者在兩端電極引線出來，形成一個U型熱電器件的兩個頂電極中同時引線也形成一個熱電偶。
2.根據(jù)權利要求I所述的利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，其特征在于在所述步驟f中，將至少兩個U型熱電器件串聯(lián)或并聯(lián)起來，組成一個大面積的熱電器件。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，其特征在于在所述步驟b中，所述基片的材料為金屬，通過刻蝕的方法除去所述基片表面的金屬氧化物，暴露在外面的所述基片的金屬材料部分即形成底電極。
4.根據(jù)權利要求I或2所述的利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，其特征在于在所述步驟b中，所述基片為玻璃片、硅片或聚合材料片。
5.根據(jù)權利要求I或2所述的利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，其特征在于在所述步驟b和步驟e中，用焊接的方法制備所述底電極和所述頂電極時，所述底電極和所述頂電極的材料分別為Au、Ag、Cu、Zn、Fe、Ni、Pt、Ru、Rh、Pd、Mn或Al。
6.根據(jù)權利要求I或2所述的利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，其特征在于在所述步驟b和步驟e中，用絲網(wǎng)印刷的方法制備所述底電極和所述頂電極時，所述底電極和所述頂電極的材料分別為金屬合金或復合材料。
7.根據(jù)權利要求6所述的利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，其特征在于所述金屬合金為鑰銅合金或鎢銅合金。
8.根據(jù)權利要求I或2所述的利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，其特征在于在所述步驟c中，所述印刷電子制造工藝為絲網(wǎng)印刷的方法，通過所述絲網(wǎng)印刷的方法所印刷的熱電材料薄膜的厚度范圍為O. f 50mm，壓力為O. 4^0. 6Mpa。
9.根據(jù)權利要求I或2所述的利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，其特征在于在所述步驟c中，所述η型熱電器件的熱電材料薄膜的材料為n-CoSb3、n-PbTe> n_Ti2Be3、n-GeSi> n_Zn4Sb3、n_Sb2Te3、n-GaAs> n-PbSnSeTe、n_Ba0.8Yb0.09Co4Sb12、n-Yb14MnSbu> n-Ti0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01 > n-PbSeJe^^ H-Si1^yGexCy> n-Al.Gai^As^Ii-InxGa1^As> Ii-AlyInzGa1^zAs或n_Ca3Co409,所述p型熱電器件的熱電材料薄膜的材料為 p_CoSb3、p-PbTe、p_Ti2Be3、p-GeSi、p_Zn4Sb3、p_Sb2Te3、p-GaAs、p-PbSnSeTe、P-Ba0 8Yb0 Q9Co4Sb12 > P-Yb14MnSb11 > p_Ti0. Q5Hfll05NiSn0.99Sb0.01、P-PbSexTe1^-, p—Si^x-JrGexGy、P-AlxGa1^As> P-InxGa1^As> P-AlyInzGa1^zAs 或 p_Ca3Co409O
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用印刷電子制造工藝組裝熱電器件的方法，在底電極上用絲網(wǎng)印刷的方法直接制備熱電漿料，將制備得到的熱電漿料裝入壓印機中，在基片上經(jīng)過壓印、燒結等步驟壓制成膜，烘干后，再在上面印刷或者焊接一層頂電極，最后在底電極和頂電極上引線，從而組裝成一個熱電偶，將若干個熱電偶串聯(lián)起來可以形成一個大面積的熱電器件。本發(fā)明不僅可以在剛性基地上組裝熱電器件，還可以在薄鋁片等柔性基板上組裝熱電器件，選擇具有多樣性，方法簡單，操作方便，成本低，與傳統(tǒng)熱電器件制備工藝比較，它具有充分的生產(chǎn)效率，尤其適合大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號H01L35/34GK102903840SQ201210390848
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權日2012年10月16日
發(fā)明者胡志宇, 嚴曉霞, 肖丹萍 申請人:上海大學