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Verfahren zur Herstellung einer Thermosäule Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung einer Thermosäule, bei der die Schenkel der Thermoelernente
zwischen zwei parallelen Ebenen und in Richtung des Abstandes der Ebenen angeordnet
sein sollen, bestehend aus einer Anzahl blockähnlicher Thermoelemente aus Halbleitermaterial,
in denen je ein Schenkel der p-Type und der n-Type angehört.
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Eine solche Thermosäule kann einerseits, unter Ausnutzung des Seebeckeffektes,
bei Anlegung eines Temperaturgefälles als Stromquelle und andererseits, unter Ausnutzung
des Peltiereffektes, bei Strombeschickung als Kühlaggregat dienen.
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Die Lösung der vorstehend erläuterten Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß
zuerst eine Anzahl stangenförmiger Teile aus Halbleitermaterial der p-Type und eine
ebenso große Anzahl stangenförnüger Teile aus Halbleitermaterial der n-Type in zwei
aufeinander senkrechten Stapelrichtungen abwechselnd in regelmäßigen Abständen voneinander
und parallel zueinander in einem Block aus elektrisch isolierendem Material untergebracht
werden, daß dann von dem Block durch praktisch senkrecht zu den Achsen der stangenförmigen
Halbleiterteile ausgeführte Schnitte Scheiben von einer Dicke, die der Länge der
herzustellenden Schenkel der Thermoelemente gleich ist, abgeschnitten werden, und
daß schließlich in an den beiden Hauptflächen der Scheibe freigelegten Stirnflächen
der Halbleiterteile in solcher Anordnung mit elektrisch leitenden Kontaktstücken
versehen werden, daß zwei benachbarte Halbleiterteile ein Thermoelement und die
Gesamtheit der Thermoelemente eine Reihenschaltung bilden. Aus dieser Scheibe können
dann einzelne Thermoelemente dadurch hergestellt werden, daß jede mit den Kontaktstücken
versehene Scheibe derart in Stücke zerschnitten wird, daß jedes Stück zwei Schenkel
verschiedenen Leitfähigkeitstyps enthält und dadurch ein Ihermoelement bildet.
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Es kann auch eine zweite Art von Blöcken gebildet werden, in denen
Stangen von solchem Querschnitt, daß dieser die Stimflächen zweier benachbarter
Halbleiterkörper einschließlich des zwischen ihnen liegenden Isolierstoffes abdecken
kann, und aus solchem Material, welches zur elektrischen und thermischen Kontaktierung
der Halbleiterschenkel geeignet ist, parallel zueinander und in einem solchen durch
ihre Querschnitte gebildeten Muster angeordnet sind, daß die Stirnflächen der Halbleiterschenkel
einer Scheibe des ersten Blockes mit den Stimflächen j
der Stangen des zweiten
Blockes korrespondieren, daß weiterhin von dem zweiten Block durch praktisch senkrecht
zu den Achsen dessen Stangen ausgeführte Schnitte Scheiben von der für die Elektro-und
Wärmekontaktstücke vorgesehenen Dicke abgeschnitten werden und daß schließlich eine
aus der ersten Blockart gewonnene Scheibe mit zwei aus der zweiten Blockart gewonnenen
Scheiben auf eine an sich bekannte Art und Weise so miteinander dauerhaft kontaktiert
werden, daß alle Schenkel in Reihe geschaltet sind.
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Das elektrische Isoliermaterial des festen Blockes besteht vorzugsweise
aus Harz, in welches die Halbleiterteile eingegossen oder eingebettet sind. Wahlweise
können die Halbleiterteile aber auch in Bohrungen oder Ausnehmungen in einem Block
aus elektrisch isolierendem Material untergebracht sein. Sie werden im allgemeinen
in ihrer richtigen Lage festgehalten, bevor der Verfahrensschnitt des Aufschneidens
des Blockes beginnt. Der Block kann durch Sägen oder Schleifen aufgeschnitten werden,
wobei im Bedarfsfalle eine letzte Schlichtung an der einen oder an jeder Endfläche
der Scheibe vorgenommen werden kann. Die Metallteile, welche die elektrischen Verbindungen
an den oberen und unteren Wärmepolen bilden, werden vorzugsweise durch Löten oder
Hartlöten an den einzelnen Ihermoelementen befestigt; dabei werden die Oberflächen
mit Lötmaterial oder einem sonstigen geeigneten Metall überzogen. Gegebenenfalls
können die Oberflächen auch plattiert werden, beispielsweise mit Nickel, damit man
eine metallische Schicht bekommt, an der die Metallteile gut befestigt werden können.
Die
Metallteile, die zu einer Oberfläche oder jeder Oberfläche der Scheibe gehören,
können in einem Stück an dem Block befestigt werden und dann aufgeschnitten oder
aufgespaltet werden, je nach den Erfordernissen für die Herstellung der Serienverbindungen.
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Bei einer abgeänderten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung
werden die Metallteile als zusammengesetzte Scheibe geformt, in der die Zwischenräume
durch elektrisches Isoliermaterial ausgefüllt sind, das vorzugsweise eine gute thermische
Leitfähigkeit aufweist. Auf diese Weise kann ein Satz von Metallstäben in einem
Block aus Isolierstoff mit parallelen Achsen angeordnet oder eingebettet werden,
wobei die Stäbe so liegen, daß die erforderlichen Serienverbindungen entstehen,
wenn eine Scheibe dieses zweiten Blockes auf eine solche Scheibe des ersten Blockes
gelegt wird, welche die Thermoelementschenkel enthält. Für die metallischen Unterlegplatten
kann eine ähnlich geformte Scheibe aus dem gleichen Block oder aus einem Block mit
anders angeordneten MetaUstäben verwendet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsforin sind die Stäbe aus Halbleitermaterial
10 bis 15 cm lang und in einem rechteckigen Isolierblock eingebettet.
Sie verlaufen alle in der Längsrichtung und liegen mit parallel verlaufenden Achsen
nebeneinander und, wie man aus der Endansicht sieht, in Reihen (etwa vier zu vier
Linien), wobei Stangen der p-Type und der n-Type miteinander abwechseln, wenn man
nach unten und in der Querrichtung »abliest«. Der Block wird dann quer zu den Stangen
in dünne Scheiben von etwa 4 mm Stärke geschnitten. Die Oberflächen der Halbleiterelemente
in jeder Scheibe werden mit Lötmaterial bedeckt, und ein Paar Metallplatten werden
an die oberen und unteren Flächen der Scheibe durch Fließenlassen des Lötmaterials
angelötet.
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Diese Platten werden dann geschlitzt, so daß ein Satz von Segmenten
oder Brücken entsteht, von denen jede zwei benachbarte Elemente miteinander verbindet,
so daß im Endeffekt sämtliche Elemente in Reihe geschaltet sind; das letzte Metallstück
an beiden Enden der Reihenschaltung ist im allgemeinen so geformt, daß eine öse
für den Stromanschluß entsteht.
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Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen
näher beschrieben werden. In der Zeichnung ist Fig. 1 eine schaubildliche
Darstellung des festen Blockes, bevor er aufgeschnitten wird, und Fig. 2 a und 2
b die Draufsicht bzw. die Ansicht von unten auf eine aus dem Block gemäß
Fig. 1
herausgeschnittene Scheibe mit den daran angeschlossenen elektrisch
leitenden Teilen zwecks Herstellung von Thermoelementen und Reihenschaltung dieser
Thermoelemente.
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Wie man aus Fig. 1 der Zeichnung ersieht, ist eine gleichgroße
Anzahl von Halbleiterstangen1 bzw. 2 der p-Type und der n-Type (mit »+« und
»-«
bezeichnet) parallel und im Abstand voneinander in einem Isoliermaterial
3 angeordnet. Die Stangen 1
und 2 sind vorher in eine Lehre eingesetzt
und mit Gießharz vergossen worden oder in Bohrungen in einem vorgefertigten Block
aus elektrisch isolierendem Werkstoff untergebracht worden. In letzterem Falle kann
man einen geeigneten Klebstoff anwenden, um die Stangen in ihrer Lage innerhalb
des Blockes festzuhalten. Die Halbleiterstangen 1- und 2 sollten vorzugsweise
genau koordiniert angeordnet werden, d. h. in »Zeilen« und »Spalten«, und
die Stangen 1
der p-Type sollten mit den Stangen 2 der n-Type sowohl in den
Zeilen als auch in den Spalten mit-5 einander abwechseln, wie dies aus Fig.
1 zu ersehen ist, um die einzelnen Stangen mit den Merkmalen entgegengesetzter
Typenart leichter miteinander verbinden zu können und um auf diese Weise Thermoelemente
entstehen zu lassen und diese zur Herstellung von Thermosäulen in eine p-n-1)-n-Reihe
zu vereinigen.
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Der feste Block aus Isolierstoff mit den darin eingebetteten und untergebrachten
Stangen wird dadurch aufgeschnitten, daß man einzelne Schnitte quer zu den Stangen
legt, wie dies in Fig. 1 bis 4 angedeutet ist; die Stangen greifen durch
die gesamte Dicke jeder Scheibe hindurch, und die Enden der Stangen schauen auf
entgegengesetzten Schnittflächen jeder Scheibe heraus.
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Um Stangenpaare mit entgegengesetzten Typenmerkmalen miteinander zu
verbinden und auf diese Weise einzelne Thermoelemente entstehen zu lassen und diese
in Reihe zu schalten, werden an die freien Enden der Stangen aus Halbleitermaterial
elektrische Leiter angeschlossen.
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Bei einer anderen Ausführungsart des Verfahrens, die in den Fig. 2a
und 2b dargestellt ist, ist eine entweder ebene oder mit Rippen versehene
Metallplatte 5
an sämtlichen Enden der Halbleiterstangen 1 und 2 festgemacht,
die auf der einen Schnittfläche einer Scheibe herausschauen; eine zweite Metallplatte
6
steht in Verbindung mit sämtlichen Enden der Stangen, die an der entgegengesetzten
Schnittfläche der Scheibe herausschauen. Um die Metallplatten 5
und
6 an den herausschauenden Enden der Stangen 1
und 2 zu befestigen,
werden die herausschauenden Enden der Stangen mit einem dünnen Überzug von Lötmaterial,
beispielsweise unter Verwendung eines Ultraschall-Lötwerkzeuges, versehen oder beispielsweise
mit Nickel plattiert. Eine Aluminiumplatte 5
ist vorher mit Lötmaterial bedeckt
worden und dann in einem Arbeitsgang an sämtliche herausschauenden Enden der Stangen
auf eine Schnittfläche der Scheibe angelötet, während eine zweite Aluminiumscheibe
6
auf ähnliche Weise mit den heraussehauenden Enden sämtlicher Stangen auf
der anderen Schnittfläche der Scheibe verbunden ist.
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Die Platte 5 wird nun in Teile aufgeschnitten, wie dies durch
die strichpunktierten Linien in Fig. 2 a angedeutet ist, so daß Paare von Elementen
der Type p und der Typen zu Thermoelementen zusammengefaßt werden, während
die Platte 6 nach den strichpunktierten Linien in Fig. 2b in Teile
geschnitten wird, um sämtliche Thermoelemente miteinander zu verbinden, die durch
Aufschneiden der Platte 5
entstanden sind, so daß eine Reihenschaltung der
Folge p-n-p-n ... p-n-p-n usw. entsteht.
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Wahlweise kann man, um die erforderlichen elektrischen Verbindungen
zu schaffen, auch an Stelle der Metallplatten, die in Stücke geschnitten werden,
zwei Sätze langer Aluminiumstäbe mit rechteckigem Querschnitt verwenden, die in
einer Lehre angeordnet sind, damit sie dem Muster von Schnitten in den Platten
5 und 6 genau entsprechen. Jeder Satz derartiger Aluminiumstäbe ist
in ein elektrisch isolierendes Harz eingebettet, so daß ein fester Block entsteht.
Jeder so geformte Block wird aufgeschnitten, und die einzelnen Scheiben, von
denen
eine die Form der elektrischen Verbindungen aufweist, die der in Fig. 2 a für die
Platte 5 gezeigten entspricht. während die andere ein Muster zeigt, das den
Verbindungen in Fig. 2 b für die Platte 6 entspricht, werden dann
an den heraussehauendenEnden der stangenähnlichen Teile an den beiden entgegengesetzten
Oberflächen einer Scheibe festgelötet, die aus dem Block gemäß Fig. 1 herausgeschnitten
ist; die Befestigung erfolgt in ähnlicher Weise wie die Anbringung der Platten
5 und 6 an einer Scheibe. Das elektrisch isolierende Harz, in welches
die Aluminiumstäbe eingegossen werden, sollte vorzugsweise ein gut wärmeleitender
Stoff sein.