薄膜温差电材料的电沉积机理研究及微型温差电池的制造技术

随着微电子技术以及MEMS技术的快速发展,微型处理器、微型传感器、微型控制器以及各种形式的微结构已大量出现。微型化的电子装置必然要求微型电源与之相配。微型化的电子装置对电源的需求特点是高的输出电压和低的输出功率。目前,微电池技术的发展已经明显落后于微电子技术以及MEMS技术的发展,已经成为制约微电子技术以及MEMS技术发展的瓶颈。微型温差电池的最大特点,在于它可从环境接受各种形式的热能,并高效率地直接将其转变为电能输出,且使用温度范围宽(200～500K),寿命长(超过20年),性能高度稳定。由于微型温差电池的外形具有薄膜结构,这种电池非常适合于集成化到相应的器件上直接供电,实现电能的分散储存,安全性高。目前,Bi_2Te_3及其掺杂化合物被认为是在200～500K温度范围内最适用于制备微型温差电池的温差电材料,其中Bi_2Te_3掺杂p型和n型化合物的性能更优。微型温差电池在很小的温度梯度下的开路电压可达到几十伏。这样高的输出电压是目前各种通过线切割块体温差电材料制备出的微型温差电池难以达到的。基于薄膜温差电材料的微型温差电池的制造过程包括微米尺度的p型和n型薄膜温差电材料微区的制造以及微电池的制造。微米尺度的p型和n型薄膜温差电材料微区的制造方法,是在利用微系统加工技术的基础上结合温差电材料的物理的或者化学合成法。微电池的制造过程则完全依赖于微系统加工技术。电化学沉积技术制备薄膜温差电材料的过程,是借助于电场作用下溶液中相关离子的电化学还原而实现的。基于电化学沉积薄膜温差电材料,提出了一种新的微型温差电池的结构。这种新型微型温差电池是一种由大量薄膜结构单体温差电池形成的电串连集合体。这种新型微温差电池的制造技术是通过将电化学沉积技术与微系统技术相结合,在光刻蚀微区内电化学沉积Bi_2Te_3掺杂p型及n型薄膜温差电材料,以及大量p型及n型微区温差电材料之间的电串联和随后大量薄膜结构单体温差电池的高度集成化而实现。这种微型温差电池的外形尺寸为20mm×4mm×0.5mm,在室温、20℃的温差条件下的输出电压为450mV。