WO2007118532A2 - Thermoelektrisches bauelement sowie herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

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WO2007118532A2
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thermoelectric
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Jan D. KÖNIG
Alexandre Jacquot
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric component and a manufacturing method for such a thermoelectric component.
  • thermoelectric device The operation of a thermoelectric device is based on the thermoelectric effect, which is also referred to as Seebeck effect or Peltier effect.
  • Seebeck effect the field of application of the present thermoelectric device relates to the field of thermoelectric.
  • the thermoelectrics deals on the one hand with the energy production (thermoelectric generator) and on the other hand with the temperature control (Peltier element).
  • thermoelectric generator In a thermoelectric generator, a voltage and thus an electric current is generated by a temperature difference.
  • thermoelectric component by applying a current flow, one side of this thermoelectric component is heated and the corresponding other side is cooled.
  • thermoelectric component is composed in principle of thermoelectric pair of legs, each having a leg 101 of a p-type conductor material and a leg 102 of a p-type conductor material, and an electrically conductive contact material 103 which electrically connects the individual legs 101, 102 together , Typically, for electrical isolation above and below the thermoelectric device support layers 100 of electrically insulating material (substrate material) are arranged.
  • the interstices between the legs 101, 102 of the thermoelectric component can be filled with an electrically and thermally non-conductive intermediate material. As shown schematically in FIG.
  • thermoelectric component 1 there is a temperature gradient between an upper side ("warm”) and a lower side ("cold") of the thermoelectric component.
  • the individual legs 101, 102 are connected in parallel in a thermal manner, that is to say that all the legs conduct the heat in parallel to one another in accordance with the temperature gradient.
  • the individual legs 101, 102 are also electrically connected in series, wherein the circuit (as indicated in Fig. 1) is closed by a conductor circuit 104,105.
  • thermoelectric device Due to this structure, it is possible, in conjunction with the temperature difference between the top and bottom of the thermoelectric device shown in Fig. 1, to generate a voltage between the conductors 104,105 and thus to achieve a current flow.
  • thermoelectric device acts as a thermoelectric generator.
  • thermoelectric thermoelectric
  • thermoelectric element In order to realize the structure of the thermoelectric element described above and shown in FIG. 1 with a series electrical connection and a thermal parallel connection of the individual legs 101, 102, contacting (electrical connection) of the legs with one another is necessary.
  • This electrical connection (contacting) of the thermoelectric legs is therefore to be considered as a limiting step in the production, since in particular due to the plurality of electrically in series and thermally parallel to be connected (to be contacted) legs 101, 102 difficulties in the production of such thermoelectric components result.
  • thermoelectric element In addition, this contact must ensure the best possible thermal and electrical coupling. Otherwise, the performance of the thermoelectric element is at least limited. To get the best possible thermal and To ensure electrical coupling, therefore, a complicated stacking of different layers is provided, as shown schematically in Fig. 2.
  • a metallization layer 201 which is followed by an outer diffusion barrier 202, is first applied to the lower carrier layer 100.
  • the contact layer 103 is applied, via which the individual n- and p-conductor legs are electrically connected to one another.
  • a middle diffusion barrier 204 follows this contact layer 103.
  • the solder layer 205 for connecting the p- and n-conductor legs 101, 102 to the respective contact layers 103 is applied to this middle diffusion barrier.
  • This solder layer is covered by an inner diffusion barrier 206.
  • an adhesive layer 207 which is connected directly to the p and n conductor legs 101, 102.
  • This layering comprises the metallization layer 402, the outer diffusion barrier 403, the contact layer 103, the middle diffusion barrier 405, the solder layer 406, the inner diffusion barrier 407, and the adhesion layer 408.
  • first prestructured contact layers 103 are first applied to thermally good, but electrically non-conductive carrier plates 100 (mostly ceramic plates). Subsequently, the individual, provided with adhesive layers and diffusion barriers legs 101, 102 are soldered to the prestructured contact material 103 frontally. After that, in a further (second) soldering process, the still free end side of the legs 101, 102 is contacted with the second carrier plate 100, on which the prestructured contact layer 103 is likewise applied. As in the second soldering process, a contact between the prestructured contact layer 103 on the support plate and the Contact surfaces of the tavern! 101,102 is necessary, all legs 101, 102 must be contacted simultaneously in the second soldering process.
  • soldering material to be used is difficult to adjust, since the soldering material must completely cover the lower and upper sides ("faces") of the legs 101, 102, respectively, for optimum electrical contact, but the soldering material must not connect the upper and lower sides of the legs 101, 102, otherwise the overall efficiency of the component is reduced.
  • thermoelectric device itself, because the soldering layer inevitably creates an additional electrical and thermal resistance, which also reduces the efficiency of the component.
  • temperature range in which the thermoelectric device is usable is further restricted by the melting temperature of this solder material. If, for example, the operating temperature of the thermoelectric component is higher than the melting temperature of this soldering material, the component itself is destroyed.
  • available solder materials at operating temperatures above 250 ° C show other defects, such as brittleness.
  • suitable brazing materials for thermoelectric applications in the range between 300 ° C and 450 0 C are not available.
  • thermoelectric components with an area> 10 cm 2
  • the individual soldering of the legs in the first soldering process, and also the simultaneous soldering of the legs (in the second soldering process due to the above-described problems considerable difficulties.
  • thermoelectric components Due to the difficulties described above, actually only planar thermoelectric components can be produced with the known production methods. For example, in tubular thermoelectric devices is a contacting of the individual legs in the interior of the tube, due to the inaccessibility of these areas, very difficult.
  • thermoelectric device and a manufacturing method for such a thermoelectric device, with which the problem of contacting the individual legs is achieved.
  • thermoelectric component with thermoelectric leg pairs of n- and p-conductors, which are connected to one another via an electrically conductive contact layer of electrodeposited material.
  • thermoelectric device In the thermoelectric device according to the invention, the difficulties in contacting are overcome by the fact that the individual n- and p-conductor legs are electrically connected by electroplating.
  • electroplating technique it is therefore possible to apply the contact material directly to the legs, which are possibly provided with adhesive layers and diffusion barriers, thereby making it possible to make contact without a soldering process.
  • Electrodeating refers to an electrochemical deposition of metal deposits on objects, an anode comprising the metal to be applied as a contact layer and an anode the object (in this case the legs) on which the metal of the anode is to be deposited,
  • the electric current dissipates metal ions from the anode and deposits them on the legs by reduction, so that the exposed contact surfaces of the legs are evenly coated with the anode metal the legs are in the electrolytic bath, the thicker the metal layer, which forms the contact layer.
  • intermediate layers of electrically non-conductive material are arranged between the individual legs.
  • the material of these intermediate layers may also be thermally at least moderately conductive.
  • the material of the intermediate layers can each consist of one or more layers of ceramic, glass, quartz, porcelain, plastic, in particular polyurethane or polystyrene, foam, synthetic resin, cement, adhesive, mortar, enamel, composite, aerosol, glass fiber, Kapton or mica or a combination of these materials exist.
  • the individual legs are electrically connected in series and thermally in parallel via the contact layers.
  • a plurality of pairs of legs the legs of which are electrically connected in series and thermally connected in parallel via the contact layers, may be provided.
  • the legs are provided at the connection points with the contact layer with a diffusion barrier and / or an adhesive layer.
  • This electrically conductive diffusion barrier or the adhesive layer can also be applied by electroplating.
  • thermoelectric device with thermoelektwitz ⁇ leg pairs of n- and p-conductors, in which touch the sections electrically connected to each other in sections, with a direct electrical contact between end portions of these legs.
  • the end regions of the legs which are in direct electrical contact with one another may be biased against one another by means of a compressive force.
  • thermoelectric device with thermoelectric leg pairs of n- and p-Leitem, between the legs intermediate layers of an electrically non-conductive intermediate material is arranged, said intermediate layers in their inner and / or outer end portions at least partially contact wear layers of an electrically conductive material, and wherein the end portions of the legs are partially connected to each other electrically via these contact layers.
  • the end regions of the legs which are in electrical contact with one another via the contact layers carried by the intermediate layers, can be biased against one another by means of a compressive force.
  • thermoelectric component may also be tubular, wherein it is preferable if the legs and / or the intermediate layers have markings for aligning and / or positioning the legs and the intermediate layers.
  • thermoelectric component with thermoelectric leg pairs of n- and p-conductors, wherein the legs are electrically connected by electrodeposition of a contact layer of conductive material, after the legs previously in a were arranged for the thermoelectric device necessary relative arrangement to each other.
  • gaps between the legs can be designed geometrically such that only or first contacts between each leg to be joined are formed by galvanic growth.
  • inner and / or outer ends of the legs can be designed geometrically such that only or first contacts between each leg to be connected are formed by galvanic growth.
  • the surfaces of the legs which are not to be connected via the contact layer can be covered by intermediate layers before the electrodeposition
  • inner and / or outer ends of the intermediate layers can be designed geometrically such that only or first of all contacts between the legs to be joined are formed by galvanic growth.
  • a form of the intermediate layers can be transferred by pressing directly to the thermoelectric material of the legs.
  • gaps between the legs before the electrodeposition of the contact layer with an electrically non-conductive intermediate material for covering the not to be connected to the contact layer surfaces of the legs can be met.
  • the intermediate material can be at least partially removed or replaced after the galvanic contacting of the legs.
  • diffusion barriers and / or adhesive layers in particular by electrodeposition, can be applied.
  • the object of the invention is also achieved by a method for producing a particular tubular thermoelectric device with thermoelectric leg pairs of n- and p-conductors, wherein an alternating stacking of n- and p-conductors of the leg pairs is provided, and these legs by intermediate layers electrically non-conductive material are separated, and end portions of each leg to be connected via an electrically conductive contact layer of electrodeposited material are connected to each other and / or touch the respective leg to be connected, wherein a direct electrical contact between the end portions of these legs, and / or the intermediate layers in their inner and outer edge regions at least partially wear contact layers of an electrically conductive material, which electrically miteina the end regions of each leg to be connected connect.
  • the intermediate layer can be applied to the individual legs before stacking on top of one another, in particular, it can be spin-coated or vapor-deposited.
  • thermoelectric device 1 is a schematic representation of a thermoelectric device for explaining the principle of operation
  • thermoelectric device 2 is a schematic cross-sectional view of a leg pair of a thermoelectric device for explaining the layer structure of the thermoelectric element
  • Fig. 3 shows a typical arrangement of the individual legs of the thermoelectric
  • FIG. 4 shows a typical arrangement of the individual legs, surrounded or laterally covered by an intermediate material (insulation, protective or filling material),
  • 5G is a schematic representation of an embodiment of a
  • thermoelectric device Method for the electrical contacting of the individual legs by electroplating in a cross-sectional view of the thermoelectric device, wherein Figs. 5A to 5C is a contact on the top, Figs. 5D to 5F is a contact on the bottom, and Fig. 5H is a structuring of the galvanically different Represent contact material,
  • 6F is a schematic representation of another embodiment of a
  • FIGS. 6A to 6C show a contact on the upper side
  • FIGS. 6D to 6F show a contact on the lower side
  • thermoelectric component 7 a completely contacted thermoelectric component with a structured electrodeposited contact layer, wherein the intermediate material and the carrier plates have been omitted for clarity,
  • FIG. 8E are schematic representations of an embodiment of a tubular thermoelectric component, wherein the legs are electrically contactable via electroplating, and wherein in Fig. 8A is a three-dimensional representation, in Fig. 8B is an oblique section, in Fig. 8C is a plan view, in Fig. 8D a cross-section before contacting and in FIG. 8E a cross-section after contacting is shown
  • Fig. 9F further embodiments of the tubular thermoelectric
  • thermoelectric device Component in cross-sectional view with various embodiments of the legs and the intermediate material, wherein outer and inner diameter of the resulting thermoelectric device are given,
  • 12A to 12C further exemplary embodiments of the tubular thermoelectric component with a plurality of embodiments of the legs and of the intermediate element, which can be electrically connected to one another without electroplating,
  • FIGS. 13B are illustrations of a front and a back side of a further rotationally symmetrical embodiment of the intermediate material, wherein contact material layers are arranged in inner and outer edge regions of the intermediate material,
  • FIGS. 13F further exemplary embodiments of the tubular thermoelectric component with a connection of the legs via an electrically conductive contact material arranged in the end regions of the intermediate material according to FIGS. 13A and 13B,
  • FIG. 15 shows an exemplary embodiment of the legs and / or the intermediate material and / or the electrically conductive material with a possible marking on the leg or on the intermediate material.
  • the electrical contacting of the n- and p-conductor legs can take place in that the individual n- and p-conductor legs are electrically connected by electroplating.
  • the legs are cuboid-shaped and the Electrical contacting takes place via the end faces of these cuboids, ie the contact layer connects in each case the end faces of two adjacent cuboid.
  • the shape of the legs is not limited to a cuboidal structure.
  • a tubular thermoelectric component is described.
  • the shape of the upper and lower sides of the legs must not be square, but may have any conceivable form.
  • shapes such as rotationally symmetrical (in particular round) or elliptical are readily usable.
  • the electroplating technique can also be used to apply suitable electrically conductive diffusion barriers and / or adhesive layers.
  • the contact material can be applied to the limbs (for contacting), which were preferably also previously provided with adhesion layers and / or diffusion barriers via the electroplating technique. Consequently, the entire process of contacting and manufacturing the thermoelectric element can be done without a soldering process. Rather, the contacting takes place directly via the electroplating technique.
  • thermoelectric device For the electrical connection of the respective leg to be connected (contacting) by the electroplating technique, it is necessary that the n- and p-conductor legs 101, 102 are arranged in the necessary arrangement for the thermoelectric device, as shown in Fig. 3.
  • the legs 101, 102 may already have been provided with a diffusion barrier and / or an adhesive layer on their end faces 101a, 102a prior to galvanic contacting. This can also be carried out in particular via electroplating.
  • intermediate material 106 u.a.
  • ceramics, glasses, quartz, porcelain, plastics (e.g., polyurethane, polystyrene), foams, resins, cement, adhesives, mortars, composites, aerosols, glass fibers, Kapton or mica are conceivable.
  • the intermediate material 106 may also consist of a combination of such materials.
  • the intermediate material 106 (if used) must electrically insulate the legs 101, 102 from each other and should preferably have low thermal conductivity.
  • the legs are electrically contacted with each other in their later necessary relative arrangement electrically directly. It is also possible to apply one or more layers galvanically, which are then used as a diffusion barrier, adhesive layer or contact layer.
  • the following or a composition of the following elements are preferred: Al, Sb, Pb, Cd, Co, Cr, Fe, Au, In, Cu, Mn 1 Mo, Ni, Pd, Pt, Rh, Re, Ru 1 Ti, Te, Ag, Bi, W, Zn, Sn, Si and Ge.
  • a growth process of the contact layer in the electrodeposition does not proceed one-dimensionally (that is, in one direction). Rather, the space or intermediate material between the legs will eventually overgrow (i.e., undirected growth) as schematically shown in Figures 5A-5C for the top and Figures 5D-5F for the bottom.
  • thermoelectric component cold or hot side, as shown by way of example in FIG. 1
  • all the legs on each of the sides of the thermoelectric component can each be electrically connected to one another at the same time. Since the electrodeposited contact material in the exemplary embodiment of the production method illustrated in FIGS. 5A to 5F connects all legs 101, 102 together (if the distances of all the legs 101, 102 are substantially the same and the intermediate material 104 is not structured in a particular manner) , a subsequent structuring, as shown in Fig. 5G, may be required.
  • These include mechanical, chemical, thermal or optical structuring methods, such as e.g. Milling, turning, water jet spraying, plasma cutting, die sinking, spark eroding, particle beam, wet etching, dry etching, ion etching, X-ray lithography, evaporation, sandblasting, electron or ion beam lithography, sputtering, UV-LIGA technology or laser cutting.
  • mechanical, chemical, thermal or optical structuring methods such as e.g. Milling, turning, water jet spraying, plasma cutting, die sinking, spark eroding, particle beam, wet etching, dry etching, ion etching, X-ray lithography, evaporation, sandblasting, electron or ion beam lithography, sputtering, UV-LIGA technology or laser cutting.
  • a gap between the legs or the intermediate material received therein can be designed such that only or first the electrical contacts between the desired n- and p-conductor legs are formed by the galvanic growth, as for example is shown in Figs. 6A to 6F.
  • the intermediate material 106 projects beyond the limbs 101, 102 on the front side in regions where contact by means of electrodeposition should not take place. Accordingly, the contact layer 103 forms exclusively between such n- and p-type conductor legs 101, 102 where it is desired, i. E. where the intermediate material does not act as a barrier.
  • a finished-contacted therrn ⁇ elektharis device is shown, wherein the intermediate material 106 is not visible or removed and wherein, depending on the application, additionally an isolation of the contacts (especially on substrate plates) above and below the thermoelectric device is necessary.
  • This insulation should have good thermal conductivity.
  • thermoelectric components e.g. thermoelectric tubes
  • FIGS. 8A to 8E show an exemplary embodiment of such a thermoelectric tube which, as can be seen from the cross-sectional illustration according to FIG. 8E, has been contacted with the electroplating technique. It consists of a plurality of annular and alternately arranged n- and p-type conductor legs 101, 102 and these conductor legs electrically insulating annular spacers (which, for clarity, however, is not shown). This results in a stacking arrangement of the legs 101, 102 and the intermediate discs.
  • the legs 101, 102 and the intermediate disks are rotationally symmetrical (here: annular), without the present invention being limited thereto.
  • thermoelectric tube A distance between the alternately arranged n- and p-type conductor legs changes in the radial direction of the thermoelectric tube, i. the conductor legs are not formed planar, but include areas that protrude over a base. If these ladder limbs are stacked on top of one another or arranged next to one another, then places are created where the thermoelectric limbs are close together and where the limbs are farther apart from one another. At the adjacent areas of adjacent legs, the fastest possible electrical connection is made by the electrodeposition as at more widely spaced locations, as can be seen in particular from Fig. 8E.
  • thermoelectric material the leg
  • intermediate material the intermediate material
  • FIGS. 8A to 8E a possible design for such a simplified production is illustrated.
  • Other designs are Figs. 9 to 15 can be removed.
  • a contact by electroplating technology is applicable.
  • these forms and structures of the thermoelectric material, in particular for the formation of the thermoelectric tubes can also be used independently of the contacting by the electroplating technique in an advantageous manner.
  • thermoelectric material ie, the leg
  • intermediate material one or more layers of one or more materials, which will hereinafter be referred to simply as "intermediate material” therefore also allow an independent solution of the invention Task, in particular for the formation of a thermoelectric tubular component.
  • FIGS 9A-9F Shown in Figures 9A-9F are various shapes for the legs and intermediate material which may then be contacted by electroplating (but are not limited thereto). In the current flow direction, there is consequently an alternating pattern of nearest points on the outer circumference and on the inner circumference.
  • the outer diameter and the inner diameter of the thus formed thermoelectric tube of alternately arranged n- and p-conductor legs and intermediate plates is determined by the outer and inner diameter of the legs.
  • FIG. 9A shows flat n-type conductor legs 102 and conically shaped p-type conductor legs 101 with correspondingly shaped intermediate material 106, i. the intermediate material has a flat side and a conical side to mediate between the differently shaped n- and p-conductor legs.
  • FIG. 9B shows oppositely conically shaped n and p conductor legs 101, 102 with a correspondingly doubly conically shaped intermediate material 106.
  • FIGS. 9C and 9D show flat p and n-conductor legs 101, 102 having the same inner and outer diameters and discs of intermediate material, each having alternating inner and outer diameters.
  • Fig. 9E shows shallow n- and p- conductor legs 101, 102 having different inner and outer diameters and discs of intermediate material alternately having different inner and outer diameters.
  • Fig. 9F shows oppositely shaped lamellar legs 101, 102 with correspondingly shaped intermediate material.
  • FIG. 10A rectangular end form
  • FIG. 10B pointed end form
  • FIG. 1OC round end form
  • FIGS. 11A to 11C show, in cross-section, such shapes of the ends of the intermediate material 106 by way of example for the oppositely conical leg shape (as already presented in FIG. 9B).
  • a flat or rectangular end shape has already been used in FIGS. 9A to 9F.
  • Fig. 11A shows a round end shape.
  • Fig. 11B shows a pointed end shape and
  • Fig. 11C shows a rectangular end shape.
  • FIGS. 12A to 12C show, in cross-section, various shapes for the legs 101, 102 and the intermediate material 106, which are also electrically contacted with one another without electroplating technology.
  • the desired legs directly contact each other so that there is electrical contact between the legs at the desired locations. The points of contact are marked with an "X".
  • Figure 12A shows shallow n-conductor legs in conjunction with conically shaped p-type conductor legs contacting each other in their end portions, with correspondingly shaped intermediate material and flat end shapes.
  • Figure 12B shows opposing conically shaped p and n conductor legs 101, 102 whose end portions are in contact with correspondingly shaped intermediate material 106 and flat end shapes.
  • Fig. 12C shows oppositely-shaped lamellar p- and n- conductor legs contacting each other at their end portions with correspondingly shaped intermediate material.
  • FIGS. 13A to 13F Further shapes for the legs and combinations of intermediate material and an electrically conductive material are shown in FIGS. 13A to 13F.
  • FIGS. 13A and 13B show a plan view of an annular disc 106 of intermediate material which has annular contact layers 107, 108 of electrically conductive material in its inner and outer edge regions, an intermediate plate 106 having an electrically conductive material 107 in FIG. 13A is shown at the inner edge, and wherein in Fig. 13B, a second intermediate plate 106 is shown with an electrically conductive material 108 at the outer edge.
  • Fig. 13C shows flat n-conductor legs, conically shaped p-type conductor legs with correspondingly shaped intermediate disks (combinations of intermediate material and an electrically conductive material).
  • Fig. 13D shows oppositely conically shaped p and n conductor legs with correspondingly shaped intermediate disks (combinations of intermediate material and an electrically conductive material).
  • Fig. 13E shows flat legs with the same inner and outer diameter with correspondingly shaped intermediate discs (combinations of intermediate material and an electrically conductive material).
  • Fig. 13F shows oppositely-shaped lamellar p and n-conductor legs with correspondingly shaped intermediate disks (combinations of intermediate material and an electrically conductive material).
  • FIGS. 14A to 14H Various shapes for the legs and / or the intermediate material and / or the electrically conductive material are shown in plan view in FIGS. 14A to 14H. It can be seen that the inner and outer shape of the legs and the gap do not have to be identical. Rather, the inner and outer shape of the particular application can be adjusted. Possible shapes for inner and outer diameter are round, oval, rectangular, n-shaped (with "n", for example, between 3 to 1000), star-shaped and cross-shaped. Various combinations of the shapes are shown by way of example in FIGS. 14A to 14F. These shapes are useful for thermal coupling to specific applications. For example, as shown in Fig. 14e, a star-shaped geometry has a large surface area which improves heat dissipation by convection.
  • Fig. 14A shows circular inner and outer edges.
  • Fig. 14B shows rectangular inside and outside edges.
  • Fig. 14C shows a round inner edge and a rectangular outer edge.
  • Fig. 14D shows a polygonal inner edge and an oval outer edge.
  • Fig. 14E shows star-shaped inner and outer edges with different numbers of teeth.
  • Fig. 14F shows cross-shaped inner and outer edges.
  • Fig. 14G shows semicircular inner and outer edges.
  • Fig. 14H shows inner and outer edges formed corresponding to a half rectangle.
  • a marker such as a notch 111, 112 or tabs 109,110, as shown in Fig. 15 by way of example have.
  • Fig. 15 shows a plan view of a possible marking on the legs or on the intermediate materials.
  • the intermediate material can be omitted or subsequently removed, even with the galvanically contacted legs, the intermediate material can be subsequently removed or replaced.
  • thermoelectric material described above can be used in the production of the disks by pressing, pressing, casting, stamping, sintering, beading, rolling, bar pressing, honing or one of the structuring methods mentioned above (milling, turning, water jet cutting, plasma cutting, die sinking, Spark erosion, particle beam, wet etching, dry etching, ion etching, X-ray lithography, evaporation, UV-LIGA technique or laser cutting).
  • the intermediate material has a certain shape.
  • the intermediate material (the intermediate layer) is located between the individual legs and ensures that no current flows through the side walls of the legs and thus an unwanted short circuit would result in the tavern / s. This intermediate material also prevents galvanic deposition from taking place at undesirable locations. By pressing, the shape of the intermediate material can be transferred directly to the thermoelectric material during the production of the tube.
  • the preparation of the above-described tubular thermoelectric components can also be done by stacking prestructured legs and intermediate materials.
  • the insulating intermediate material or a part thereof may also be vapor-deposited on the individual legs or the tube material prior to the production of the tube, e.g. by spin coating or vapor deposition.
  • leg materials and the intermediate materials are also possible to make this stacking of the leg materials and the intermediate materials during a multi-layer growth process.
  • thermoelectric device with galvanic deposited contacts, whereby the legs of the thermoelectric device can be electrically connected to each other.
  • a contacting of the legs can be avoided by a soldering process.
  • solder layers and necessary for the soldering process adhesive layers and the resulting disadvantages of additional electrical and thermal resistance can be avoided.
  • galvanic deposition all thermoelectric contact surfaces of the legs can be provided with a diffusion barrier at the same time.
  • thermoelectric component can be electrically connected to one another at the same time by the galvanic deposition.
  • galvanic deposition in particular large-area thermoelectric components (even larger than 1 m 2 ) are possible.
  • thermoelectric components can also be manufactured, since the electrodeposited material deposits equally on all legs, regardless of the component shape.
  • thermoelectric material legss
  • intermediate material tubular thermoelectric components.
  • planar thermoelectric components produced in this way can be used, inter alia, for cooling, heating, temperature stabilization and for generating energy.
  • thermoelectric, non-planar (e.g., tubular) components so produced can be used for power generation, e.g. by using waste heat, use. It is independent in which direction the temperature gradient acts (i.e., from inside to outside or vice versa), that is, whether it is warmer inside a pipe than outside or vice versa.
  • a vacuum, a gas, a liquid or a solid may also be present in the interior of the tube. Outside the tube may also be arranged a vacuum, a gas, a liquid or a solid.
  • thermoelectric, non-planar (e.g., tubular) components may also be used for cooling, heating, and thus temperature stabilization. This applies regardless of whether the interior or the exterior of the tube is cooled or heated.
  • a vacuum, a gas, a liquid or a solid may be present inside the tube.
  • a vacuum, a gas, a liquid or a solid may be present outside of the tube.
  • thermoelectric, non-planar (e.g., tubular) components may also be used for measurement purposes.
  • a direct measurand is e.g. the temperature and indirect measurands are e.g. specific heat, thermal conductivity, heat capacity, pressure, flow and reaction energies.
  • thermoelectric components can also be used directly or indirectly for the storage of data.
  • thermoelectric device composed of thermoelectric leg pairs (n- and p-type conductive materials) and an electrically conductive contact material electrically connecting the individual legs with each other.
  • the individual legs (n and p conductors) are preferably connected electrically in series and thermally in parallel.
  • the electroplating technique can be used.
  • application-specific thermoelectric devices such as tubular thermoelectric devices, can be manufactured.

Landscapes

  • Electroplating Methods And Accessories (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Bauelement mit thermoelektrischen Schenkelpaaren aus n- und p- Leitern, die jeweils über eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht aus galvanisch abgeschiedenem Material miteinander verbunden sind und ein Herstellverfahren hierfür.

Description

Thermoelektrisches Bauelement sowie Herstellungsverfahren hierfür
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Bauelement sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches thermoelektrisches Bauelement.
Die Funktionsweise eines thermoelektrischen Bauelementes beruht auf dem thermoelektrischen Effekt, der auch als Seebeck-Effekt bzw. Peltier-Effekt bezeichnet wird. Somit betrifft das Anwendungsgebiet des vorliegenden thermoelektrischen Bauelementes den Bereich der Thermoelektrik. Die Thermoelektrik beschäftigt sich einerseits mit der Energieerzeugung (thermoelektrischer Generator) und andererseits mit der Temperaturregelung (Peltier-Element).
Bei einem thermoelektrischen Generator wird durch einen Temperaturunterschied eine Spannung und somit ein elektrischer Strom erzeugt.
Umgekehrt wird bei einem Peltier-Element durch Anlegen eines Stromflusses eine Seite dieses thermoelektrischen Bauelementes erwärmt und die entsprechend andere Seite gekühlt.
Der grundsätzliche Aufbau eines thermoelektrischen Bauelementes ist in Fig. 1 gezeigt. Ein derartiges thermoelektrisches Bauelement setzt sich prinzipiell aus thermoelektrischen Schenkelpaaren, die jeweils einen Schenkel 101 aus einem p-Leitermaterial und einen Schenkel 102 aus einem p-Leitermaterial aufweisen, und einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial 103 zusammen, das die einzelnen Schenkel 101 ,102 miteinander elektrisch verbindet. Üblicherweise werden zur elektrischen Isolation oberhalb und unterhalb des thermoelektrischen Bauteils Trägerschichten 100 aus elektrisch isolierendem Material (Substratmaterial) angeordnet. Obwohl in Fig.1 nicht dargestellt, können die Zwischenräume zwischen den Schenkeln 101 ,102 des thermoelektrischen Bauelementes mit einem elektrisch und thermisch nichtleitenden Zwischenmaterial gefüllt werden. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, herrscht ein Temperaturgefälle zwischen einer Oberseite („warm") und einer Unterseite („kalt") des thermoelektrischen Bauelementes. Wie aus Fig. 1 entnehmbar, sind die einzelnen Schenkel 101 ,102 thermisch parallel geschaltet, d.h. alle Schenkel leiten parallel zueinander die Wärme entsprechend dem Temperaturgradienten weiter.
Wie aus Fig. 1 entnehmbar, sind die einzelnen Schenkel 101 ,102 zudem elektrisch in Reihe geschaltet, wobei der Stromkreis (wie in Fig. 1 angedeutet) durch einen Leiterkreis 104,105 geschlossen wird.
Aufgrund dieses Aufbaus ist es möglich, in Verbindung mit dem in Fig. 1 dargestellten Temperaturunterschied zwischen Ober- und Unterseite des thermoelektrischen Bauelementes eine Spannung zwischen den Leitern 104,105 zu erzeugen und damit einen Stromfluß zu erzielen.
Folglich wirkt das thermoelektrische Bauelement als thermoelektrischer Generator.
Andererseits ist es aber auch möglich, mit dem gleichen Aufbau bei Anlegen eines externen Stromflusses eine „Heiß"-Seite und eine „Kalt"-seite zu erzeugen, d.h. es kann in Richtung der Schenkel ein Temperaturgefälle im thermoelektrischen eingestellt werden.
Um den vorstehend beschriebenen und in Fig. 1 gezeigten Aufbau des thermoelektrischen Elementes mit einer elektrischen Reihenschaltung und einer thermischen Parallelschaltung der einzelnen Schenkel 101 ,102 zu realisieren, ist eine Kontaktierung (elektrische Verbindung) der Schenkel untereinander notwendig. Diese elektrische Verbindung (Kontaktierung) der thermoelektrischen Schenkel ist daher bei der Fertigung als limitierender Schritt anzusehen, da sich insbesondere aufgrund der Vielzahl von elektrisch in Reihe und thermisch parallel miteinander zu verbindenden (zu kontaktierenden) Schenkeln 101 ,102 Schwierigkeiten bei der Fertigung derartiger thermoelektrischer Bauteile ergeben.
Zudem muß diese Kontaktierung eine möglichst gute thermische und elektrische Ankopplung gewährleisten. Ansonsten ist die Leistungsfähigkeit des thermoelektrischen Elementes zumindest eingeschränkt. Um eine- möglichst gute thermische und elektrische Ankopplung zu gewährleisten, wird daher eine komplizierte Stapelung verschiedener Schichten vorgesehen, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist.
Diese Stapel bestehen aus verschiedenen Diffusionsbarrieren und Haftschichten, welche für die elektrische Verbindung (Kontaktierung) mittels eines Lötmaterials in einem Lötprozeß notwendig sind. So wird auf die untere Trägerschicht 100 zunächst eine Metallisierungsschicht 201 aufgebracht, auf welche eine äußere Diffusionsbarriere 202 folgt. Anschließend wird die Kontaktschicht 103 aufgebracht, über welche die einzelnen n- und p-Leiterschenkel miteinander elektrisch verbunden werden. Auf diese Kontaktschicht 103 folgt eine mittlere Diffusionsbarriere 204. Auf diese mittlere Diffusionsbarriere wird die Lötschicht 205 zum Verbinden der p- und n-Leiterschenkel 101,102 mit den jeweiligen Kontaktschichten 103 aufgebracht. Diese Lötschicht wird über eine innere Diffusionsbarriere 206 abgedeckt. Auf diese folgt eine Haftschicht 207, welche unmittelbar mit den p- und n-Leiterschenkeln 101 ,102 verbunden ist.
Eine identische Schichtung ist, ausgehend von der gegenüberliegenden Trägerschicht 100 auf der gegenüberliegenden Seite der p- und n-Leiterschenkel 101 ,102 vorgesehen. Diese Schichtung weist die Metallisierungsschicht 402, die äußere Diffusionsbarriere 403, die Kontaktschicht 103, die mittlere Diffusionsbarriere 405, die Lötschicht 406, die innerer Diffusionsbarriere 407 und die Haftschicht 408 auf.
Diese vorstehend beschriebenen Schichten sollen außerdem die thermischen und elektrischen Übergangswiderstände oder andere störende Effekte, wie z.B. unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, reduzieren.
Zur Herstellung derartiger thermoelektrischer Bauteile werden typischerweise zunächst auf thermisch gut, jedoch elektrisch nicht leitende Trägerplatten 100 (meistens Keramikplatten) vorstrukturierte Kontaktschichten 103 aufgebracht. Anschließend werden die einzelnen, mit Haftschichten und Diffusionsbarrieren versehenen Schenkel 101 ,102 auf das vorstrukturierte Kontaktmaterial 103 stirnseitig aufgelötet. Hiernach wird in einem weiteren (zweiten) Lötprozeß die noch freie Stirnseite der Schenkel 101 ,102 mit der zweiten Trägerplatte 100 kontaktiert, auf dem ebenfalls die vorstrukturierte Kontaktschicht 103 aufgebracht ist. Da auch beim zweiten Lötprozeß eine Kontaktierung zwischen der vorstrukturierten Kontaktschicht 103 auf der Trägerplatte und den Kontaktflächen der Schenke! 101,102 notwendig ist, müssen bei dem zweiten Lötprozeß alle Schenkel 101 ,102 gleichzeitig kontaktiert werden.
Jeden Schenkel 101 ,102 einzeln aufzulöten, wie es bei dem ersten Lötprozeß vorgesehen wird, ist bei der Vielzahl an Schenkeln 101 ,102 aber sehr aufwendig und damit zeit- und kostenintensiv. Werden, wie im zweiten Lötprozeß, alle Schenkel 101,102 gleichzeitig aufgelötet, so kommt es sehr häufig zu schlechten Kontaktstellen, insbesondere aufgrund unterschiedlicher Höhen der einzelnen Schenkel 101 ,102 bzw. aufgrund unterschiedlicher Mengen an aufgebrachtem Lötmaterial. Zudem ist die zu verwendende Menge an Lötmaterial schwierig einzustellen, da das Lötmaterial zwar die Unter- bzw. die Oberseiten („Stirnseiten") der Schenkel 101 ,102 komplett bedecken muß, um einen optimalen elektrischen Kontakt zu erzielen. Das Lötmaterial darf aber andererseits nicht die Ober- und Unterseiten der Schenkel 101,102 verbinden, da sonst die Effizienz des Bauteils insgesamt reduziert wird.
Ein weiteres Problem ist das Lötmaterial an sich, da durch die Lötschicht unweigerlich ein zusätzlicher elektrischer und thermischer Widerstand entsteht, welcher die Effizienz des Bauteils ebenfalls reduziert. Außerdem wird der Temperaturbereich, in dem das thermoelektrische Bauteil verwendbar ist, durch die Schmelztemperatur dieses Lötmaterials zusätzlich eingeschränkt. Ist beispielsweise die Betriebstemperatur des thermoelektrischen Bauteils höher als die Schmelztemperatur dieses Lötmaterials, so wird das Bauteil selbst zerstört. Überdies zeigen die zur Verfügung stehenden Lötmaterialien bei Betriebstemperaturen über 250° C weitere Mängel, wie z.B. Sprödigkeit. Ferner sind geeignete Lötmaterialien für thermoelektrische Anwendungen im Bereich zwischen 300° C und 4500C nicht verfügbar.
Besteht die Notwendigkeit, industriell interessante großflächige thermoelektrische Bauteile (mit einer Fläche > 10 cm2) herstellen, bereitet das einzelne Auflöten der Schenkel im ersten Lötprozeß, und auch das gleichzeitige Auflöten der Schenkel (im zweiten Lötprozeß aufgrund der vorstehend geschilderten Probleme erhebliche Schwierigkeiten.
Zwar ist auch bekannt, zur elektrischen Verbindung (Kontaktierung) der einzelnen Schenkelpaare gepreßte oder angedrückte Kontaktierungen zu verwenden, jedoch ist bei diesen Kontaktierungsmethoden der elektrische und technische Übergangswiderstand deutlich höher als beim Kontaktieren über Löten.
Auf Grund der vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten können mit den bekannten Fertigungsmethoden eigentlich nur planare thermoelektrische Bauelemente gefertigt werden. Beispielsweise bei rohrförmigen thermoelektrischen Bauelementen ist eine Kontaktierung der einzelnen Schenkel im Inneren des Rohres, aufgrund der Unzugänglichkeit dieser Bereiche, nur sehr schwer möglich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermoelektrisches Bauelement und ein Herstellverfahren für ein derartiges thermoelektrisches Bauelement anzugeben, mit denen das Problem der Kontaktierung der einzelnen Schenkel gelöst wird.
Erfindungsgemäß wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch ein thermoelektrisches Bauelement mit thermoelektrischen Schenkelpaaren aus n- und p-Leitern, die über eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht aus galvanisch abgeschiedenem Material miteinander verbunden sind.
Bei dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Bauelement werden die Schwierigkeiten bei der Kontaktierung dadurch überwunden, daß die einzelnen n- und p- Leiterschenkel durch Galvanotechnik elektrisch verbunden werden. Über die Galvanotechnik kann man also das Kontaktmaterial unmittelbar auf die Schenkel, welche möglicherweise mit Haftschichten und Diffusionsbarrieren versehen sind, aufbringen, wodurch eine Kontaktierung ohne einen Lötprozeß ermöglicht ist.
Unter „Galvanotechnik" ist eine elektrochemische Abscheidung von metallischen Niederschlägen auf Gegenständen zu verstehen. An einer Anode findet sich das als Kontaktschicht aufzubringende Metall und an einer Anode der Gegenstand (im vorliegenden Fall die Schenkel), auf der das Metall der Anode abgeschieden werden soll, wobei diese in ein elektrolytisches Bad eintauen. Durch das elektrolytische Bad wird Strom geleitet. Der elektrische Strom löst Metallionen von der Anode ab und lagert sie durch Reduktion auf den Schenkeln ab. Dementsprechend werden die freiliegenden Kontaktflächen der Schenkel gleichmäßig mit dem Anodenmetall beschichtet. Je länger sich die Schenkel im elektrolytischen Bad befinden, um so dicker wird die Metallschicht, welche die Kontaktschicht bildet.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden zwischen den einzelnen Schenkeln Zwischenschichten aus elektrisch nicht leitendem Material angeordnet. Hierbei kann das Material dieser Zwischenschichten auch thermisch zumindest geringleitend sein. Weiterhin kann das Material der Zwischenschichten jeweils aus einer oder mehrerer Schichten aus Keramik, Glas, Quarz, Porzellan, Kunststoff, insbesondere Polyurethan oder Polystyrol, Schaum, Kunstharz, Zement, Klebstoff, Mörtel, Emaille, Verbundstoff, Aerosol, Glasfaser, Kapton oder Glimmer oder eine Kombination dieser Werkstoffe bestehen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Schenkel über die Kontaktschichten elektrisch in Reihe und thermisch parallel verbunden. Hierbei kann eine Vielzahl an Schenkelpaaren, deren Schenkel über die Kontaktschichten elektrisch in Reihe und thermisch parallel miteinander verbunden sind, vorgesehen sein.
Bevorzugterweise sind die Schenkel an den Verbindungsstellen mit der Kontaktschicht mit einer Diffusionsbarriere und/oder einer Haftschicht versehen. Auch diese elektrisch leitfähige Diffusionsbarriere bzw. die Haftschicht können über die Galvanotechnik aufgebracht werden.
Die vorgenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein thermoelektrisches Bauelement mit thermoelektrischeπ Schenkelpaaren aus n- und p-Leitern, bei denen sich die miteinander elektrisch verbundenen Schenkel abschnittsweise berühren, wobei ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen Endbereichen dieser Schenkel besteht. Dabei können die miteinander in unmittelbarem elektrischen Kontakt stehenden Endbereiche der Schenkel mittels einer Druckkraft gegeneinander vorbelastet sein.
Die vorgenannte erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein thermoelektrisches Bauelement mit thermoelektrischen Schenkelpaaren aus n- und p- Leitem, wobei zwischen den Schenkeln Zwischenschichten aus einem elektrisch nichtleitfähigen Zwischenmaterial angeordnet ist, wobei diese Zwischenschichten in ihren inneren und/oder äußeren Endbereichen zumindest abschnittsweise Kontakt- schichten aus einem elektrisch leitfähigen Material tragen, und wobei über diese Kontaktschichten die Endbereiche der Schenkel abschnittsweise elektrisch miteinander verbunden sind. Dabei können die miteinander über die von den Zwischenschichten getragenen Kontaktschichten in elektrischem Kontakt stehenden Endbereiche der Schenkel mittels einer Druckkraft gegeneinander vorbelastet sein.
Das thermoelektrische Bauelement kann zudem rohrförmig ausgebildet sein, wobei es zu bevorzugen ist, wenn die Schenkel und/oder die Zwischenschichten Markierungen zur Ausrichtung und/oder Positionierung der Schenkel und der Zwischenschichten aufweisen.
Der Verfahrensaspekt der vorgenannten erfindungsgemäßen Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes mit thermoelektri- schen Schenkelpaaren aus n- und p-Leitern, wobei die Schenkel durch galvanisches Abscheiden einer Kontaktschicht aus leitfähigem Material elektrisch verbunden werden, nachdem die Schenkel zuvor in einer für das thermoelektrische Bauelement notwendigen relativen Anordnung zueinander angeordnet wurden.
Dabei kann eine, insbesondere mechanische, chemische, thermische oder optische Strukturierung der zuvor durch galvanisches Abscheiden erzeugten Kontaktschicht vorgenommen werden.
Weiterhin können Zwischenräume zwischen den Schenkeln geometrisch derart gestaltet werden, daß nur oder zuerst Kontakte zwischen den jeweils zu verbindenden Schenkeln durch galvanisches Wachstum ausgebildet werden.
Zudem können innere und/oder äußere Enden der Schenkel geometrisch derart gestaltet werden, daß nur oder zuerst Kontakte zwischen den jeweils zu verbindenden Schenkeln durch galvanisches Wachstum ausgebildet werden.
Die nicht über die Kontaktschicht zu verbindenden Flächen der Schenkel können vor dem galvanischen Abscheiden durch Zwischenschichten abgedeckt werden Zudem können innere und/oder äußere Enden der Zwischenschichten geometrisch derart gestaltet werden, daß nur oder zuerst Kontakte zwischen den jeweils zu verbindenden Schenkeln durch galvanisches Wachstum ausgebildet werden.
Zudem kann ein Form der Zwischenschichten durch Pressen unmittelbar auf das thermoelektrische Material der Schenkel übertragen werden.
Außerdem können Zwischenräume zwischen den Schenkeln vor dem galvanischen Abscheiden der Kontaktschicht mit einem elektrisch nichtleitenden Zwischenmaterial zum Abdecken der nicht mit der Kontaktschicht zu verbindenden Flächen der Schenkel erfüllt werden.
Das Zwischenmaterial kann nach erfolgter galvanischer Kontaktierung der Schenkel zumindest teilweise entfernt oder ersetzt werden.
Vor dem galvanischen Abscheiden der Kontaktschicht an den Kontaktflächen der jeweils zu verbindenden Schenkeln können Diffusionsbarrieren und/oder Haftschichten, insbesondere durch galvanisches Abscheiden, aufgebracht werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines insbesondere rohrförmigen thermoelektrischen Bauelementes mit thermoelektrischen Schenkelpaaren aus n- und p-Leitern, wobei ein alternierendes Übereinanderstapeln von n- und p-Leitern der Schenkelpaare vorgesehen ist, und wobei diese Schenkel durch Zwischenschichten aus elektrisch nicht leitfähigem Material getrennt werden, und Endbereiche der jeweils zu verbindenden Schenkel über eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht aus galvanisch abgeschiedenem Material miteinander verbunden werden und/oder sich die jeweils zu verbindenden Schenkel berühren, wobei ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen den Endbereichen dieser Schenkel besteht, und/oder die Zwischenschichten in ihren inneren und äußeren Randbereichen zumindest abschnittsweise Kontaktschichten aus einem elektrisch leitfähigen Material tragen, welche die Endbereiche der jeweils zu verbindenden Schenkel elektrisch miteinander verbinden. Dabei kann die Zwischenschicht auf die einzelnen Schenkel vor dem Übereinandersta- peln aufgebracht werden, insbesondere kann diese aufgeschleudert oder aufgedampft werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines thermoelektrischen Bauelementes zur Erläuterungen des Funktionsprinzips,
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Schenkelpaares eines thermoelektrisches Bauelement zur Erläuterung des Schichtenaufbaues des thermoelektrischen Elementes,
Fig. 3 eine typische Anordnung der einzelnen Schenkel des thermoelektrischen
Bauelementes,
Fig. 4 eine typische Anordnung der einzelnen Schenkel, umgeben bzw. seitlich abgedeckt von einem Zwischenmaterial (Isolations-, Schutz- bzw. Füllmaterial),
Fig. 5A bis
Fig. 5G eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Verfahrens zur elektrischen Kontaktierung der einzelnen Schenkel durch Galvanotechnik in einer Querschnittsdarstellung des thermoelektrischen Bauelementes, wobei die Fig. 5A bis 5C eine Kontaktierung an der Oberseite, die Fig. 5D bis 5F eine Kontaktierung an der Unterseite, und Fig. 5H eine Strukturierung des galvanisch abgesschiedenen Kontaktmaterials darstellen,
Fig. 6A bis
Fig. 6F eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines
Verfahrens zur elektrischen Kontaktierung der Schenkel durch Galvanotechnik mit einem speziell geformten Zwischenmaterial in einer Quer- schnittsdarstellung, wodurch eine nachträgliche Strukturierung wie in Fig. 5H entfällt, wobei die Fig. 6A bis 6C eine Kontaktierung an der Oberseite und die Fig. 6D bis 6F eine Kontaktierung an der Unterseite zeigen,
Fig. 7 ein fertig kontaktiertes thermoelektrisches Bauelement mit einer strukturierten galvanisch abgeschiedenen Kontaktschicht, wobei das Zwischenmaterial und die Trägerplatten zur klareren Darstellung weggelassen sind,
Fig. 8A bis
Fig. 8E schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines rohrförmigen thermoelektrischen Bauelementes, wobei die Schenkel über Galvanotechnik elektrisch kontaktierbar sind, und wobei in Fig. 8A eine dreidimensionale Darstellung, in Fig. 8B ein schräger Schnitt, in Fig. 8C eine Aufsicht, in Fig. 8D ein Querschnitt vor dem Kontaktieren und in Fig. 8E ein Querschnitt nach dem Kontaktieren gezeigt ist,
Fig. 9A bis
Fig. 9F weitere Ausführungsbeispiele des rohrförmigen thermoelektrischen
Bauelements in Querschnittsdarstellung mit verschiedenen Ausführungsformen der Schenkel und des Zwischenmaterials, wobei Außen- und Innendurchmesser des sich ergebenden thermoelektrischen Bauelementes angegeben sind,
Fig.10A bis
Fig. 10C weitere Ausführungsbeispiele des rohrförmigen thermoelektrischen Bauelementes mit mehreren Ausführungsformen der Schenkelenden,
Fig. 11A bts
Fig. 11 C weitere Ausführungsbeispiefe des rohrförmigen thermoelektrischen Elementes mit mehreren Ausführungsformen der Enden des Zwischenmaterials,
Fig.12A bis Fig. 12C weitere Ausführungsbeispiele des rohrförmigen thermoelektrischen Bauelementes mit mehreren Ausführungsformen der Schenkel und des Zwischenelementes, die auch ohne Galvanotechnik elektrisch miteinander verbindbar sind,
Fig.13A und
Fig. 13B Darstellungen einer Vorder- und Rückseite eines weiteren rotationssymmetrischen Ausführungsbeispiels für das Zwischenmaterial, wobei in inneren und äußeren Randbereichen des Zwischenmaterials Kontaktmaterialschichten angeordnet sind,
Fig. 13C bis
Fig. 13F weitere Ausführungsbeispiele des rohrförmigen thermoelektrischen Bauelementes mit einer Verbindung der Schenkel über ein in den Endbereichen des Zwischenmaterials nach Fig. 13A und Fig. 13B angeordnetes elektrisch leitfähiges Kontaktmaterial,
Fig. 14A bis
Fig. 14H mehrere Ausführungsformen für die Schenkel und/oder das Zwischenmaterial und/oder ein elektrisch leitfähiges Material in Aufsicht, und
Fig. 15 ein Ausführungsbeispiel für die Schenkel und/oder das Zwischenmaterial und/oder das elektrisch leitfähige Material mit einer möglichen Markierung am Schenkel bzw. am Zwischenmaterial.
Hinsichtlich der Bezugszeichen in den Figuren sei angemerkt, daß diese aus Gründen der klareren Darstellung nicht für alle gleichartigen Bauelemente (z.B. für alle Schenkel) jeweils angegeben sind, sondern vielmehr jeweils eines exemplarisch mit dem entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet ist.
Vorliegend kann die elektrische Kontaktierung der n- und p-Leiterschenkel dadurch erfolgen, daß die einzelnen n- und p-Leiterschenkel durch Galvanotechnik elektrisch verbunden werden. Gemäß dem in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel des thermoelektrischen Bauelementes sind die Schenkel quaderförmig geformt und die elektrische Kontaktierung erfolgt über die Stirnseiten dieser Quader, d.h. die Kontaktschicht verbindet jeweils die Stirnseiten zweier benachbarter Quader.
Die Form der Schenkel ist jedoch nicht auf einen quaderförmigen Aufbau beschränkt. Beispielsweise ist vorliegend auch ein rohrförmiges thermoelektrisches Bauelement beschrieben. Auch die Form der Ober- und Unterseiten der Schenkel muß nicht quadratisch sein, sondern kann jede erdenkliche Form besitzen. Wie aus den übrigen Ausführungsbeispielen ersichtlich sind beispielsweise auch Formen wie rotationssymmetrisch (insbesondere rund) oder elliptisch ohne weiteres verwendbar.
Neben der elektrischen Verbindung (Kontaktierung) der Schenkel, kann die Galvanotechnik ebenfalls zum Aufbringen geeigneter elektrisch leitfähiger Diffusionsbarrieren und/oder Haftschichten verwendet werden.
Mit der Galvanotechnik kann also das Kontaktmaterial auf die Schenkel (zur Kontaktierung) aufgebracht werden, die bevorzugterweise vorher ebenfalls über die Galvanotechnik mit Haftschichten und/oder Diffusionsbarrieren versehen wurden. Folglich kann der gesamte Vorgang der Kontaktierung und Herstellung des thermoelektrischen Elementes ohne einen Lötprozeß erfolgen. Vielmehr erfolgt die Kontaktierung direkt über die Galvanotechnik.
Für die elektrische Verbindung der jeweilig zu verbindenden Schenkel (Kontaktierung) durch die Galvanotechnik ist es erforderlich, daß die n- und p-Leiterschenkel 101 , 102 in der für das thermoelektrische Bauelement notwendigen Anordnung arrangiert werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
Dabei können die Schenkel 101, 102 an ihren Stirnflächen 101a, 102a bereits vor dem galvanischen Kontaktieren mit einer Diffusionsbarriere und/oder einer Haftschicht versehen worden sein. Dies kann insbesondere ebenfalls über Galvanotechnik durchgeführt werden.
Für eine elektrische Kontaktierung der Schenkel ist es weiterhin wünschenswert, daß die seitlichen Wände 101b, 102b der Schenkel 101 , 102 bedeckt sind. Eine vorteilhafte Möglichkeit hierzu besteht darin, die kompletten Zwischenräume zwischen den Schenkeln 101 , 102 mit einem thermisch und elektrisch nichtleitenden Zwischenmaterial 106 zu erfüllen, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Für dieses Zwischenmaterial 106 sind u.a. beispielsweise Keramiken, Gläser, Quarze, Porzellan, Kunststoffe (z.B. Polyurethan, Polystyrol), Schäume, Kunstharze, Zement, Klebstoffe, Mörtel, Verbundstoffe, Aerosole, Glasfasern, Kapton oder Glimmer denkbar. Das Zwischenmaterial 106 kann auch aus einer Kombination derartiger Materialien bestehen.
Jedenfalls muß das Zwischenmaterial 106 (so es denn verwendet wird), die Schenkel 101, 102 voneinander elektrisch isolieren und sollte vorzugsweise eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens werden die Schenkel in ihrer später notwendigen relativen Anordnung galvanisch direkt miteinander elektrisch kontaktiert. Es ist dabei zudem möglich, eine oder mehrere Schichten galvanisch aufzubringen, die dann als Diffusionsbarriere, Haftschicht bzw. Kontaktschicht verwendet werden.
Für die galvanische Abscheidung sind die folgenden bzw. eine Zusammensetzung der folgenden Elemente bevorzugt: AI, Sb, Pb, Cd, Co, Cr, Fe, Au, In, Cu, Mn1 Mo, Ni, Pd, Pt, Rh, Re, Ru1 Ti, Te, Ag, Bi, W, Zn, Sn, Si und Ge.
Ein Wachstumsprozeß der Kontaktschicht bei der galvanischen Abscheidung verläuft allerdings nicht nur eindimensional (d.h. in eine Richtung). Vielmehr wird der Zwischenraum bzw. das Zwischenmaterial zwischen den Schenkeln nach einiger Zeit überwachsen (d.h. ungerichtetes Wachstum), wie dies in den Fig. 5A bis 5C für die Oberseite und den Fig. 5D bis 5F für die Unterseite schematisch dargestellt ist.
Mit der Galvanotechnik können somit alle Schenkel auf jeder der Seiten des thermoelektrischen Bauelementes (Kalt- oder Warmseite, wie in Fig. 1 exemplarisch dargestellt) jeweils gleichzeitig miteinander elektrisch verbunden werden. Da das galvanisch abgeschiedene Kontaktmaterial in dem in Fig. 5A bis Fig. 5F dargestellten Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens alle Schenkel 101 , 102 miteinander verbindet (falls die Abstände aller Schenkel 101 , 102 im wesentlichen gleich und auch das Zwischenmaterial 104 nicht in besonderer Weise strukturiert ist), kann eine nachträgliche Strukturierung, wie in Fig. 5G dargestellt, erforderlich sein.
Hierzu stehen mechanische, chemische, thermische oder optische Strukturierungsme- thoden, wie z.B. Fräsen, Drehen, Wasserstrahlspritzen, Plasmaschneiden, Senkerodieren, Funkerodieren, Partikelstrahlen, Nassätzen, Trockenätzen, Ionen-Ätzen, Röntgenlithographie, Verdampfen, Sandstrahlen, Elektronen- bzw. lonenstrahl- Lithographie, Sputtem, UV-LIGA-Technik oder Laserschneiden zur Verfügung.
Soll eine nachträgliche Strukturierung vermieden werden, kann insbesondere ein Zwischenraum zwischen den Schenkeln bzw. das darin aufgenommene Zwischenmaterial derart gestaltet, daß nur bzw. zuerst die elektrischen Kontakte zwischen den gewünschten n- und p-Leiterschenkeln durch das galvanische Wachstum ausgebildet werden, wie dies beispielsweise in den Fig. 6A bis 6F dargestellt ist.
Wie aus den Fig. 6A bis 6F ersichtlich, überragt das Zwischenmaterial 106 die stirnseitig die Schenkel 101 , 102 in Bereichen, an denen eine Kontaktierung durch galvanisches Abscheiden nicht stattfinden soll. Dementsprechend bildet sich die Kontaktschicht 103 ausschließlich zwischen solchen n- und p-Leiterschenkeln 101, 102 aus, an denen dieses gewünscht ist, d.h. an denen das Zwischenmaterial nicht als Barriere wirkt.
Nach erfolgter galvanischer Kontaktierung der Schenkel in den gewünschten Bereichen, wie beispielsweise in den Fig. 5A bis Fig. 5F und den Fig. 6A bis Fig. 6F dargestellt, ist es möglich, das Zwischenmaterial 106 teilweise oder ganz zu entfernen oder zu ersetzen.
In Fig. 7 ist ein fertig kontakiertes therrnσelektrisches Bauelement dargestellt, wobei das Zwischenmaterial 106 nicht sichtbar bzw. entfernt ist und wobei, je nach Anwendung, zusätzlich noch eine Isolierung der Kontakte (insbesondere über Substratplatten) oberhalb und unterhalb des thermoelektrischen Bauelementes notwendig ist. Diese Isolation sollte eine gute thermische Leitfähigkeit besitzen. Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Kontaktierung der Schenkel durch die Galvanotechnik ist sowohl auf mikro- als auf makroskopische thermoelektrische Bauteile anwendbar und ermöglicht eine direkte Verbindung der Schenkel durch die Galvanotechnik ohne die Verwendung von Löttechniken.
Mit dem vorstehend vorgestellten Verfahren ist es ebenfalls möglich, auch nicht-planare thermoelektrische Bauteile, wie z.B. thermoelektrische Rohre, auf einfache und kostengünstige Weise herzustellen.
In den Fig. 8A bis 8E ist ein Ausführungsbeispiel eines derartigen thermoelektrischen Rohres dargestellt, das, wie aus der Querschnittsdarstellung nach Fig. 8E ersichtlich, mit der Galvanotechnik kontaktiert wurde. Es besteht aus mehreren ringförmigen und alternierend angeordneten n- und p-Leiterschenkeln 101, 102 und diese Leiterschenkel elektrisch voneinander isolierende ringförmigen Zwischenscheiben (die aus Klarheitsgründen allerdings nicht abgebildet ist). Es entsteht folglich eine Stapelanordnung der Schenkel 101 ,102 und der Zwischenscheiben.
Vorliegend sind die Schenkel 101 ,102 und die Zwischenscheiben rotationssymmetrisch (hier: kreisringförmig) ausgebildet, ohne daß die vorliegende Erfindung hierauf beschränkt wäre.
Ein Abstand zwischen den alternierend angeordneten n- und p-Leiterschenkeln ändert sich in radialer Richtung des thermoelektrischen Rohres, d.h. die Leiterschenkel sind nicht planar ausgebildet, sondern beinhalten Bereiche, die über eine Grundfläche vorstehen. Werden diese Leiterschenkel übereinander gestapelt bzw. aneinander gereiht, so entsteht Stellen, an denen die thermoelektrischen Schenkel eng beieinander sind sowie Stellen an denen die Schenkel weiter voneinander entfernt sind. An den einander nächstliegenden Bereichen benachbarter Schenkel wird durch das galvanische Abscheiden am schnellsten eine elektrische Verbindung hergestellt als bei weiter auseinanderliegenden Stellen, wie dies insbesondere aus Fig. 8E ersichtlich ist.
Folglich sind spezielle Formen und Strukturen des thermoelektrischen Materials (der Schenkel) und des Zwischenmaterials hilfreich, um den Herstellungsprozeß zu vereinfachen, wobei in den Fig. 8A bis Fig. 8E eine mögliche Bauform für eine derartige vereinfachte Herstellung abgebildet ist. Weitere Bauformen sind den Fig. 9 bis 15 entnehmbar. Für sämtliche dieser Bauformen ist eine Kontaktierung durch die Galvanotechnik anwendbar. Allerdings können diese Formen und Strukturen des thermoelektrischen Materials insbesondere zur Bildung der thermoelektrischen Rohre auch unabhängig von der Kontaktierung durch die Galvanotechnik in vorteilhafter Weise verwendet werden. Folglich stellen diese Formen und Strukturen des thermoelektrischen Materials (d.h. der Schenkel) und des Zwischenmaterials (einer oder mehrerer Schichten aus einem oder mehreren Materialien, die im weiteren vereinfachend nur noch als „Zwischenmaterial" bezeichnet werden), ermöglichen daher eine auch eigenständige Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe, insbesondere zur Bildung eines thermoelektrischen rohrförmigen Bauelementes.
In den Fig. 9A bis Fig. 9F sind verschiedene Formen für die Schenkel und das Zwischenmaterial abgebildet, die dann mit der Galvanotechnik kontaktiert werden können (ohne hierauf beschränkt zu sein). In Stromflussrichtung ergibt sich folglich ein alternierendes Muster von nächstkommenden Stellen am Außenumfang und am Innenumfang. Der Außendurchmesser und der Innendurchmesser des so gebildeten thermoelektrischen Rohres aus alternierend angeordneten n- und p- Leiterschenkeln und Zwischenplatten wird durch die Außen- und Innendurchmesser der Schenkel festgelegt.
Dabei zeigt Fig. 9A flache n-Leiterschenkel 102 und konisch geformte p-Leiterschenkel 101 mit entsprechend geformtem Zwischenmaterial 106, d.h. das Zwischenmaterial hat eine flache Seite und eine konische Seite, um zwischen den unterschiedlich geformten n- und p-Leiterschenkeln zu vermitteln.
Fig. 9B zeigt gegensätzlich konisch geformte n- und p- Leiterschenkel 101,102 mit entsprechend doppelt konisch geformtem Zwischenmaterial 106.
Fig. 9C und Fig. 9D zeigen flache p- und n- Leiterschenkel 101,102 mit gleichen Innen- und Außendurchmessem und Scheiben aus Zwischenmaterial, die jeweils abwechselnd unterschiedliche Innen- und Außendurchmesser aufweisen. Fig. 9E zeigt flache n- und p- Leiterschenkel 101,102 mit unterschiedlichen Innen- und Außendurchmessern und Scheiben aus Zwischenmaterial, die abwechselnd unterschiedliche Innen- und Außendurchmesser aufweisen.
Fig. 9F zeigt gegensätzlich geformte lamellenförmige Schenkel 101 ,102 mit entsprechend geformtem Zwischenmaterial.
Neben der bzw. zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Ausbildung der Schenkel und der Zwischenmaterials, kann auch durch eine spezielle Gestaltung der inneren und äußeren Enden (Kanten) der Schenkel vorgegeben werden, zwischen welchen Schenkeln sich zuerst die elektrische Verbindung durch galvanisches Kontaktieren ausbildet.
Mögliche Formen der Enden sind flach, spitz, rund oder eckig. Die flache Endform wurde bereits in den Fig. 9A bis Fig. 9F benutzt. Weitere mögliche Gestaltungen der Enden der Schenkel zur Vorgabe, zwischen welchen Schenkeln sich zuerst die elektrische Verbindung durch Galvanotechnik ausbildet, sind in Fig. 10A (rechteckige Endform), Fig. 1OB (spitze Endform) und Fig. 1OC (runde Endform) angegeben.
Neben der bzw. zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Ausbildung der Schenkel und der Zwischenmaterials, kann auch durch eine spezielle Gestaltung der inneren und äußeren Enden des Zwischenmaterials vorgegeben werden, zwischen welchen Schenkeln sich zuerst die elektrische Verbindung ausbildet. Mögliche Formen der Enden sind flach, spitz, rund oder vieleckig. In den Fig. 11A bis Fig. 11C sind im Querschnitt derartige Formen der Enden des Zwischenmaterials 106 beispielhaft für die gegensätzlich konische Schenkelform (wie bereits in Fig. 9B vorgestellt) dargestellt. Eine flache bzw. rechteckig Endform wurde bereits in den Fig. 9A bis 9F benutzt. Fig. 11A zeigt eine runde Endform. Fig. 11 B zeigt eine spitze Endform und Fig. 11C zeigt eine rechteckig Endform.
Bei manchen Bauformen der thermoelektrischen Bauelemente ist die vorstehend beschriebene galvanische Verbindung der Schenkel jedoch nicht unbedingt notwendig. In den Fig. 12A bis 12C sind im Querschnitt verschiedene Formen für die Schenkel 101 ,102 und das Zwischenmaterial 106 abgebildet, die auch ohne Galvanotechnik elektrisch miteinander kontaktiert sind. Bei diesen Formen der Schenkel 101 ,102 und des Zwischenmaterials 106 berühren sich die gewünschten Schenkel direkt, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen den Schenkeln an den gewünschten Stellen besteht. Die Berührungsstellen sind mit einem „X" gekennzeichnet.
Es kann nötig sein, daß diese Formen aneinandergedrückt werden müssen, um einen guten elektrischen Kontakt zu erzielen. Der ggf. notwendige Anpreßdruck ist über entsprechende Richtungspfeile in den Fig. 12 A bis 12C angedeutet.
Fig. 12A zeigt flache n- Leiterschenkel in Verbindung mit konisch geformten p- Leiterschenkel, die sich in ihren Endbereichen berühren, mit entsprechend geformtem Zwischenmaterial und flachen Endformen.
Fig. 12B zeigt gegensätzlich konisch geformte p- und n- Leiterschenkel 101,102, deren Endbereiche sich berühren, mit entsprechend geformtem Zwischenmaterial 106 und flachen Endformen.
Fig. 12C zeigt gegensätzlich geformte lamellenförmige p- und n- Leiterschenkel, die sich in ihren Endbereichen berühren mit entsprechend geformtem Zwischenmaterial.
In den Fig. 13A bis Fig. 13F sind weitere Formen für die Schenkel und Kombinationen aus Zwischenmaterial und einem elektrisch leitfähigen Material dargestellt.
Dabei zeigen die Fig. 13A und 13B eine Aufsicht auf eine kreisringförmig ausgebildete Scheibe 106 aus Zwischenmaterial, das in ihren inneren und äußeren Randbereichen kreisringförmig ausgebildete Kontaktschichten 107,108 aus elektrisch leitfähigem Material aufweist, wobei in Fig. 13A eine Zwischenscheibe 106 mit einem elektrisch leitfähigen Material 107 am inneren Rand dargestellt ist, und wobei in Fig. 13B eine zweite Zwischenscheibe 106 mit einem elektrisch leitfähigen Material 108 am äußeren Rand dargestellt ist. Durch eine alternierende Anordnung der in den Fig. 13A und 13B dargestellten Zwischenscheiben 106 (wobei diese Zwischenmaterial die Kontaktschichten 107 bzw. 108 aus elektrisch leitfähigem Material tragen) in Verbindung mit den ebenfalls alterierend angeordneten n- und p-Leiterschenkeln 101 ,102, kann eine schnelle elektrische Verbindung erzielt werden, wodurch die erfindungsgemäße Aufgabe auch unabhängig von den vorstehen genannten Überlegungen gelöst wird.
Bei der Verwendung solcher Kombinationen des Zwischenmaterials mit einem elektrisch leitfähigen Material (d.h. der in den Fig. 13A und13B dargestellten Zwischenscheiben), kann eine Kontaktierung durch Andrücken notwendig werden.
Fig. 13C zeigt flache n- Leiterschenkel, konisch geformte p-Leiterschenkel mit entsprechend geformten Zwischenscheiben (Kombinationen aus Zwischenmaterial und einem elektrisch leitfähigen Material).
Fig. 13D zeigt gegensätzlich konisch geformte p- und n- Leiterschenkel mit entsprechend geformten Zwischenscheiben (Kombinationen aus Zwischenmaterial und einem elektrisch leitfähigen Material).
Fig. 13E zeigt flache Schenkel mit gleichem Innen- und Außendurchmesser mit entsprechend geformten Zwischenscheiben (Kombinationen aus Zwischenmaterial und einem elektrisch leitfähigen Material).
Fig. 13F zeigt gegensätzlich geformte lamellenförmige p- und n- Leiterschenkel mit entsprechend geformten Zwischenscheiben (Kombinationen aus Zwischenmaterial und einem elektrisch leitfähigen Material).
In den Fig. 14A bis 14H sind verschiedene Formen für die Schenkel und/oder das Zwischenmaterial und/oder das elektrisch leitfähige Material in Aufsicht dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß die innere und äußere Form der Schenkel und des Zwischenraumes dabei nicht identisch sein müssen. Vielmehr können die innere und äußere Form der jeweiligen Anwendung angepaßt werden. Mögliche Formen für Innen- und Außendurchmesser sind rund, oval, rechteckig, n-eckig (mit „n" beispielsweise zwischen 3 bis 1000), sternförmig und kreuzförmig. In den Fig. 14A bis 14F sind beispielhaft verschiedene Kombinationen der Formen abgebildet. Diese Formen sind für die thermische Ankopplung an spezielle Anwendungen hilfreich. Beispielsweise besitzt eine sternförmige Geometrie, wie in Fig. 14e dargestellt, eine große Oberfläche, die eine Abfuhr von Wärme durch Konvektion verbessert.
Es ist auch denkbar, daß für bestimmte Anwendungen nur Teile solcher Formen verwendet werden. Beispielsweise kann es vereinfachend wirken, zwei Hälften eines rohrförmigen thermoelektrischen Bauelementes, wie in Fig. 14G abgebildet, an ein Rohr (Wasserrohr oder Auspuffrohr) zu befestigen. Gleiches gilt für Fig. 14H.
Dabei zeigt Fig. 14A kreisförmige Innen- und Außenkanten.
Fig. 14B zeigt rechteckige Innen- und Außenkanten.
Fig. 14C zeigt eine runde Innenkante und eine rechteckige Außenkante.
Fig. 14D zeigt eine vieleckige Innenkante und eine ovale Außenkante.
Fig. 14E zeigt sternförmige Innen- und Außenkanten mit unterschiedlichen Anzahlen an Zacken.
Fig. 14F zeigt kreuzförmig ausgebildete Innen- und Außenkanten.
Fig. 14G zeigt halbkreisförmig ausgebildete Innen- und Außenkanten.
Fig. 14H zeigt entsprechend einem halben Rechteck ausgebildete Innen- und Außenkanten.
Für den Herstellungsprozeß von rohrförmigen thermoelektrischen Bauteilen kann es zudem notwendig sein, daß die Schenkel und das Zwischenmaterial zur Ausrichtung und Positionierung derselben übereinander eine Markierung, z.B. eine Einkerbung 111 ,112 oder Nasen 109,110, wie dies in Fig. 15 exemplarisch gezeigt ist, aufweisen. Dabei zeigt Fig. 15 eine Aufsicht auf eine mögliche Markierung an den Schenkeln bzw. an den Zwischenmaterialien.
Bei den angedrückten, sich berührenden bzw. durch ein elektrisch leitfähiges Material verbundenen Schenkeln kann das Zwischenmaterial weggelassen oder nachträglich entfernt werden, auch bei den galvanisch kontaktierten Schenkeln kann das Zwischenmaterial nachträglich entfernt oder ersetzt werden.
Die vorstehend beschriebenen Formen des thermoelektrischen Materials können bei der Herstellung der Scheiben durch Pressen, Eindrücken, Gießen, Stanzen, Sintern, Sicken, Walzen, Stangenpressen, Honen oder eine der oben genannten Strukturierungsmetho- den (Fräsen, Drehen, Wasserstrahlschneiden, Plasmaschneiden, Senkerodieren, Funkerodieren, Partikelstrahlen, Nassätzen, Trockenätzen, lonenätzen, Röntgenlithographie, Verdampfen, UV-LIGA-Technik oder Laserschneiden) erzielt werden.
Für die Formung des thermoelektrischen Materials und für die Herstellung eines solchen thermoelektrischen Rohres kann es notwendig sein, daß das Zwischenmaterial eine bestimmte Form aufweist. Das Zwischenmaterial (die Zwischenschicht) befindet sich dabei zwischen den einzelnen Schenkeln und sorgt dafür, daß kein Strom durch die seitlichen Wände der Schenkel fließt und somit ein ungewollter Kurzschluß in den Schenke/n entstünde. Dieses Zwischenmaterial verhindert auch, daß eine galvanische Abscheidung an unerwünschten Stellen stattfindet. Durch Pressen kann die Form des Zwischenmaterials dabei direkt bei der Herstellung des Rohres auf das thermoelektri- sche Material übertragen werden.
Die Herstellung der vorstehend beschriebenen rohrförmigen thermoelektrischen Bauteile kann auch durch Übereinanderstapeln von vorstrukturierten Schenkeln und Zwischenmaterialien geschehen.
Es ist aber jedoch gleichermaßen möglich, daß zuerst die einzelnen Materialien übereinandergestapelt werden und dann eine Strukturierung stattfindet. Dazu kann es notwendig sein, unterschiedliche Zwischenmaterialien zu benutzen, welche beispielsweise unterschiedliche Ätzeigenschaften besitzen. So kann man z.B. die in Fig. 9C dargestellte Anordnung herstellen, die für ein Kontaktierung mit der Galvanotechnik vorteilhaft ist.
Das isolierende Zwischenmaterial oder ein Teil davon kann auch vor der Herstellung des Rohres auf die einzelnen Schenkel oder das Rohrmaterial aufgedampft werden, z.B. durch Aufschleudern oder Aufdampfen.
Es ist ebenfalls möglich, diese Stapelschichtung der Schenkelmaterialien und der Zwischenmaterialien während eines Multilagenwachstumsprozesses herzustellen.
Die vorstehende Beschreibung offenbart u.a. ein thermoelektrisches Bauelement mit galvanischen abgeschiedenen Kontakten, wodurch die Schenkel des thermoelektrischen Bauelementes miteinander elektrisch verbunden werden können. Hierdurch kann eine Kontaktierung der Schenkel durch einen Lötprozeß vermieden werden. Somit können die Lötschichten und die für den Lötprozeß notwendigen Haftschichten sowie die dadurch entstehenden Nachteile eines zusätzlichen elektrischen und thermischen Widerstandes vermieden werden. Durch galvanisches Abscheiden können gleichzeitig alle thermoelektrischen Kontaktflächen der Schenkel mit einer Diffusionsbarriere versehen werden.
Weiterhin können durch das galvanische Abscheiden gleichzeitig alle Schenkel eines thermoelektrischen Bauelementes miteinander elektrisch verbunden werden. Dadurch werden insbesondere großflächige thermoelektrische Bauelemente (auch größer als 1 m2) möglich.
Hierdurch können außerdem anwendungsspezifische (rohrförmige, großflächige usw.) thermoelektrische Bauelemente gefertigt werden, da sich das galvanisch abgeschiedene Material unabhängig von der Bauelementform auf alle Schenkel gleichermaßen abscheidet.
Durch die vorstehend beschriebenen Formen und Strukturen des thermoelektrischen Materials (Schenkel) und des Zwischenmaterials lassen sich rohrförmige thermoelektrische Bauteile realisieren. Die so hergestellten planaren thermoelektrischen Bauteile lassen sich u.a. zur Kühlung, Heizung, Temperaturstabilisierung und zur Erzeugung von Energie nutzen.
Die so hergestellten thermoelektrischen, nicht-planaren (z.B. rohrförmigen) Bauteile lassen sich für die Energiegewinnung, z.B. durch Nutzung von Abwärme, verwenden. Dabei ist es unabhängig, in welcher Richtung der Temperaturgradient wirkt (d.h. von innen nach außen bzw. umgekehrt), also ob es im Inneren eines Rohres wärmer ist als außerhalb bzw. umgekehrt. Im Innern des Rohres kann beispielsweise auch ein Vakuum, ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Festkörper vorhanden sein. Außerhalb des Rohres kann ebenfalls ein Vakuum, ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Festkörper angeordnet sein.
Die thermoelektrischen, nicht-planaren (z.B. rohrförmigen) Bauteile können außerdem zur Kühlung, Heizung und somit zur Temperaturstabilisierung verwendet werden. Dieses gilt unabhängig davon, ob das Innere oder das Äußere des Rohres gekühlt bzw. aufgeheizt wird. Wiederum kann im Inneren des Rohres ein Vakuum, ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Festkörper vorhanden sein. Gleichermaßen kann außerhalb des Rohres ein Vakuum, ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Festkörper vorhanden sein.
Die thermoelektrischen, nicht-planaren (z.B. rohrförmigen) Bauteile können auch zu Messzwecken verwendet werden. Eine direkte Meßgröße ist z.B. die Temperatur und indirekte Meßgrößen sind z.B. spezifische Wärme, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Druck, Durchfluß und Reaktionsenergien.
Die vorliegenden thermoelektrischen Bauteile können auch direkt oder indirekt zur Speicherung von Daten genutzt werden.
Die vorstehende Beschreibung offenbart insbesondere ein thermoelektrisches Bauelement, das sich aus thermoelektrischen Schenkelpaaren (n- und p- Leitermaterialien) und einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial zusammensetzt, welches die einzelnen Schenkel miteinander elektrisch verbindet. Die einzelnen Schenkel (n- und p-Leiter) sind vorzugsweise elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet. Für die Herstellung solcher thermoelektrischer Bauteile kann die Galvanotechnik verwendet werden. Durch eine galvanische Herstellung der Kontakte können anwendungsspezifische thermoelektrische Bauelemente, wie z.B. rohrförmige thermoelektrische Bauelemente) hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Thermoelektrisches Bauelement mit thermoelektrischen Schenkelpaaren aus n- und p- Leitern, die jeweils über eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht aus galvanisch abgeschiedenem Material miteinander verbunden sind.
2. Thermoelektrisches Bauelement nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schenkeln Zwischenschichten aus elektrisch nichtleitendem Material angeordnet sind.
3. Thermoelektrisches Bauelement nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Zwischenschichten thermisch zumindest geringleitend ist.
4. Thermoelektrisches Bauelement nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Zwischenschichten jeweils aus einer oder mehreren Schichten aus Keramik, Glas, Quarz, Porzellan, Kunststoff, insbesondere Polyurethan oder Polystyrol, Schaum, Kunstharz, Zement, Klebstoff, Mörtel, Emaille, Verbundstoff, Aerosol, Glasfaser, Kapton oder Glimmer oder einer Kombination dieser Werkstoffe besteht.
5. Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schenkel über die Kontaktschichten elektrisch in Reihe und thermisch parallel verbunden sind.
6. Thermoelektrisches Bauelement nach Patentanspruch 5, gekennzeichnet durch eine Vielzahl an Schenkelpaaren, deren Schenkel über die Kontaktschichten elektrisch in Reihe und thermisch parallel miteinander verbunden sind.
7. Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel an den Verbindungsstellen mit der Kontaktschicht mit einer Diffusionsbarriere und/oder einer Haftschicht versehen sind.
8. Thermoelektrisches Bauelement insbesondere nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 mit thermoelektrischen Schenkelpaaren aus n- und p-Leitern, dadurch gekennzeichnet, daß sich die miteinander elektrisch verbundenen Schenkel abschnittsweise berühren, wobei ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen Endbereichen dieser Schenkel besteht.
9. Thermoelektrisches Bauelement nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander in unmittelbarem elektrischen Kontakt stehenden Endbereiche der n- und p- Leiter mittels einer Druckkraft gegeneinander vorbelastet sind.
10. Thermoelektrisches Bauelement insbesondere nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 mit thermoelektrischen Schenkelpaaren aus n- und p-Leitern, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schenkeln Zwischenschicht aus einem elektrisch nichtleitfähigem Zwischenmaterial angeordnet sind, wobei diese Zwischenschichten in ihren inneren und/oder äußeren Endbereichen zumindest abschnittsweise Kontaktschichten aus einem elektrisch leitfähigem Material tragen, und wobei über diese Kontaktschichten Endbereiche der Schenkel der Schenkelpaare abschnittsweise elektrisch miteinander verbunden sind.
11. Thermoelektrisches Bauelement nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander über die von den Zwischenschichten getragenen Kontaktschichten in elektrischem Kontakt stehenden Endbereiche der Schenkel mittels einer Druckkraft gegeneinander vorbelastet sind.
12. Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß das thermσelektrische Bauelement rohrförmig ausgebildet ist.
13. Thermoelektrisches Bauelement nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel und/oder die Zwischenschichten Markierungen zur Ausrichtung und/oder Positionierung der Schenkel und der Zwischenschichten aufweisen.
14. Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes mit thermoelektrischen Schenkelpaaren aus n- und p-Leitem, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schenkel durch galvanisches Abscheiden einer Kontaktschicht aus leitfähigem Material elektrisch verbunden werden, nachdem die Schenkel zuvor in einer für das thermoelektrische Bauelement notwendigen relativen Anordnung zueinander angeordnet wurden.
15. Verfahren nach Patentanspruch 14, gekennzeichnet durch eine insbesondere mechanische, chemische, thermische oder optische Strukturierung der zuvor durch galvanisches Abscheiden erzeugten Kontaktschicht.
16. Verfahren nach Patentanspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß
Zwischenräume zwischen den Schenkeln geometrisch derart gestaltet werden, daß nur oder zuerst Kontakte zwischen den jeweils zu verbindenden Schenkeln durch galvanisches Wachstum ausgebildet werden.
17. Verfahren nach einem der Patentansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß innere und/oder äußere Enden der Schenkel geometrisch derart gestaltet werden, daß nur oder zuerst Kontakte zwischen den jeweils zu verbindenden Schenkeln durch galvanisches Wachstum ausgebildet werden.
18. Verfahren nach einem der Patentansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht über die Kontaktschicht zu verbindenden Flächen der Schenkel vor dem galvanischen Abscheiden durch Zwischenschichten abgedeckt werden.
19. Verfahren nach Patentanspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das innere und/oder äußere Enden der Zwischenschichten geometrisch derart gestaltet wird, daß nur oder zuerst Kontakte zwischen den jeweils zu verbindenden Schenkeln durch galvanisches Wachstum ausgebildet werden.
20. Verfahren nach Patentanspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Form der Zwischenschichten durch Pressen unmittelbar auf das thermoelektrische Material der Schenkel übertragen wird.
21. Verfahren nach einem der Patentansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenräume zwischen den Schenkeln vor dem galvanischen Abscheiden der Kontaktschicht mit einem elektrisch nichtleitenden Zwischenmaterial zum Abdecken der nicht mit der Kontaktschicht zu verbindenden Flächen der Schenkel erfüllt werden.
22. Verfahren nach einem der Patentansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenmaterial nach erfolgter galvanischer Kontaktierung der Schenkel zumindest teilweise entfernt oder ersetzt wird.
23. Verfahren nach einem der Patentansprüche 14 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß vor dem galvanischen Abscheiden der Kontaktschicht an den Kontaktflächen der jeweils zu verbindenden Schenkel insbesondere durch galvanisches Abscheiden Diffusionsbarrieren und/oder Haftschichten aufgebracht werden.
24. Verfahren zum Herstellen eines insbesondere rohrförmigen thermoelektrischen Bauelementes mit thermoelektrischen Schenkelpaaren aus n- und p-Leitem, gekennzeichnet durch ein alternierendes Übereinanderstapeln von n- und p- Leiter der Schenkelpaare, wobei diese durch Zwischenschichten aus elektrisch nichtleitfähigem Material getrennt werden, und wobei Endbereiche der jeweils zu verbindenden Schenkel über eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht aus galvanisch abgeschiedenem Material miteinander verbunden werden und/oder sich die jeweils zu verbindenden Schenkel berühren, wobei ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen Endbereichen dieser Schenkel besteht und/oder die Zwischenschichten in deren inneren und/oder äußeren Endbereichen zumindest abschnittsweise eine Kontaktschicht aus einem elektrisch leitfähigem Material tragen, welche die Endbereiche der jeweils zu verbindenden Schenkel elektrisch miteinander verbindet.
25. Verfahren nach Patentanspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht auf die einzelnen Schenkel vor dem Übereinanderstapeln aufgebracht, insbesondere aufgeschleudert oder aufgedampft, werden.
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