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WO2009100809A2 - Thermo-elektrischer wandler und zugehöriges herstellungsverfahren - Google Patents

Thermo-elektrischer wandler und zugehöriges herstellungsverfahren Download PDF

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WO2009100809A2
WO2009100809A2 PCT/EP2009/000436 EP2009000436W WO2009100809A2 WO 2009100809 A2 WO2009100809 A2 WO 2009100809A2 EP 2009000436 W EP2009000436 W EP 2009000436W WO 2009100809 A2 WO2009100809 A2 WO 2009100809A2
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
carrier substrate
structural elements
surface structure
dimensional surface
thermocouples
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2009/000436
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English (en)
French (fr)
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WO2009100809A3 (de
Inventor
Ullrich Hetzler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG
Isabellen Huette GmbH
Original Assignee
IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG
Isabellen Huette GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG, Isabellen Huette GmbH filed Critical IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG
Publication of WO2009100809A2 publication Critical patent/WO2009100809A2/de
Publication of WO2009100809A3 publication Critical patent/WO2009100809A3/de
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Ceased legal-status Critical Current

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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
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • 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
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • thermoelectric converter in particular a thermoelectric generator
  • thermoelectric generator an associated manufacturing method according to the independent claims.
  • Thermoelectric generators in the form of so-called thermal columns are known, for example, from DE 10 2007 009 221 A1, DE 20 2006 003 595 U1 and DE 10 2006 007 801 A1 and can be used, inter alia, for level measurement in a fuel tank or for temperature measurement.
  • thermocouples are applied to a flat carrier material, which may be a plastic film.
  • thermopile according to DE 20 2006 003 595 U1
  • an elongate strand serves as a carrier element for the individual thermocouples.
  • thermopiles described above are not suitable for microstructuring, so that the production of these known thermopiles is relatively expensive.
  • thermoelectric converter according to the invention and a corresponding manufacturing method according to the independent claims.
  • the invention comprises the general technical teaching that the carrier substrate for the individual thermocouples has a three-dimensional surface structure with elevations and depressions as structural elements.
  • the individual thermocouples have hot contact points and cold contact points, wherein the hot contact points and the cold contact points are arranged alternately on the elevations and in the depressions of the three-dimensional surface structure of the carrier substrate.
  • the hot contact points are thus each on the elevations of the three-dimensional surface structure, while the cold contact points are located in the depressions of the three-dimensional surface structure.
  • thermocouples are each in the depressions of the three-dimensional surface structure, while the cold contact points of the individual thermocouples are each arranged on the elevations of the three-dimensional surface structure of the carrier substrate.
  • the elevations and depressions of the three-dimensional surface structure of the carrier substrate are elongated and thus preferably form protruding ribs or depressions.
  • the individual thermocouples preferably extend with their electrical current direction each transverse to the elongated structural elements of the carrier substrate. This orientation of the thermocouples relative to the structural elements of the three-dimensional surface structure is advantageous because in this way a plurality of thermopiles can be formed by dividing the carrier substrate with the applied thermocouples in the longitudinal direction of the thermopile and transversely to the elongate structural elements, as described in more detail becomes.
  • the individual structural elements preferably each have two lateral flanks, wherein the two conductor layers of the individual thermocouples are respectively applied to the immediately adjacent lateral flanks.
  • each of the two side edges of the rib can each receive a leg of the same thermocouple in the form of a conductor layer.
  • the conductor material is preferably applied obliquely, for example by vapor deposition or sputtering.
  • the oblique application of the conductor layers offers the advantage that the rib-shaped structural elements in each case shade one of its two side edges, so that the conductor material is applied in each case only to a single side edge.
  • the conductor material must then be applied at a corresponding oblique angle from the other side.
  • the conductor material is therefore preferably not applied exactly at right angles to the surface of the carrier substrate, but with a certain angle of incidence to the surface of the carrier substrate.
  • the angle of incidence of the conductor material may for example be greater than 40 °, 50 °, 60 °, 70 ° or even greater than 80 °, based on the surface of the carrier substrate. Furthermore, the angle of incidence of the conductor material - with respect to the surface of the carrier substrate - can be less than 85 °, 80 °, 70 °, 60 ° or even less than 50 °. Thus, the angle of incidence is preferably in a range of 40 ° to 85 °.
  • the elongate structural elements (e.g., ridges, troughs) of the three-dimensional surface structure of the carrier substrate are preferably aligned substantially parallel to one another and / or substantially perpendicular to the individual thermocouples or thermopiles.
  • the structural elements of the three-dimensional surface structure of the carrier substrate are at least partially hollow, since in this way the thermal conductivity of the structural elements is reduced.
  • the carrier substrate itself is flat and forms the structural elements (eg ribs, depressions) by its shape, so that the carrier substrate is, for example, corrugated sheet-shaped can be.
  • the carrier substrate may therefore have structural elements on the front side and on the rear side, wherein the structural elements on the front side are formed inversely or complementarily to the structural elements on the rear side. This means, for example, that a rib on the front side of the carrier substrate at the back as a trough in appearance.
  • the individual structural elements and / or the carrier substrate are preferably not only made of an electrically insulating material, but preferably also of a thermally insulating material.
  • thermopile according to DE 20 2006 003 595 Ul A difference compared to the above-mentioned thermopile according to DE 20 2006 003 595 Ul is further that the
  • Support substrate is flat in itself and has only a three-dimensional surface structure.
  • the three-dimensional surface structure of the carrier substrate is preferably a microstructure.
  • the individual structural elements for example ribs, depressions
  • the spacing and / or the width of the structural elements may thus be less than 5mm, 2mm, 1mm, 500 ⁇ m, 250 ⁇ m, 100 ⁇ m, 50 ⁇ m, or even less than 25 ⁇ m.
  • this microstructuring of the surface structure of the carrier substrate is advantageous because in this way a large packing density of the thermocouples can be achieved.
  • the area-related packing density of the thermocouples on the carrier substrate can be greater than the learning " 2 , 10 cm “ 2 , 100 cm 2 , 1,000 cm 2 or even 10,000 cm 2 .
  • the microstructuring of the surface structure of the carrier substrate is advantageous because the processing of the carrier substrate can thereby be carried out very efficiently with conventional patterning methods, which are known, for example, from semiconductor technology.
  • the individual structural elements of the three-dimensional surface structure of the carrier substrate may, for example, have a triangular or trapezoidal cross-section.
  • thermopiles can be arranged on the carrier substrate, which are electrically connected in series one behind the other, wherein the individual thermopiles can each be arranged transversely to the elongated structural elements and next to one another.
  • the individual thermopiles may in this case contain more than 10, 20, 50 or even more than 100 thermocouples, while a total of more than 10, 20, 50 or even more than 100 such thermopiles can be accommodated on the carrier substrate.
  • the inventive thermoelectric converter can therefore have more than 100, 500, 1000, 2500, 5000 or even more than 10,000 thermocouples.
  • thermoelectric converter according to the invention preferably has an electrically insulating upper layer which covers the carrier substrate with the thermocouples applied thereto on its upper side, while the carrier substrate is preferably covered on its underside by an electrically insulating lower layer.
  • the topsheet and / or the backsheet are preferably made of a thermally conductive material to thermally contact the thermopile.
  • the topsheet and the backsheet may be made of a ceramic material or a coated metal.
  • thermoelectric converter according to the invention also includes a corresponding manufacturing method, as already apparent from the foregoing description.
  • the three-dimensional surface structure of the carrier substrate can be produced, for example, by (micro) injection molding, laser etching or by chemical etching.
  • the conductor layers of the individual thermocouples can be vapor-deposited, sputtered on, printed on, tested on, or galvanically applied, for example, to the three-dimensional surface structure of the carrier substrate, to name but a few possible production methods.
  • the individual thermal columns are preferably aligned at right angles to the elongate structural elements (eg ribs, hollows), which is advantageous in the production of a large number of thermopiles.
  • the carrier substrate with the thermopiles applied thereto is in each case between the directly adjacent thermopile in the longitudinal direction of the thermopile divided, so that each separated part contains at least one thermopile.
  • the thermopile on the individual separated parts are then preferably connected again in series electrically in series.
  • thermopiles applied thereon can be carried out, for example, by etching or by laser irradiation, for which example an ultraviolet laser or a picosecond laser can be used.
  • thermoelectric converter an electrically insulating upper layer is preferably applied to the upper side of the carrier substrate with the thermopiles applied thereon in order to thermally contact the thermoelectric converter.
  • an electrically insulating but thermally conductive underlayer is preferably applied to the underside of the carrier substrate for thermal contacting of the thermoelectric converter.
  • the upper layer and / or the lower layer can be adhered, but other attachment options are conceivable within the scope of the invention.
  • a ceramic material or coated metal is suitable.
  • FIGS. 1A-1E show various successive production stages of a thermoelectric converter according to the invention
  • FIG. 2 is a perspective view of a thermoelectric transducer according to the invention without the carrier substrate, as well as
  • FIG. 3 shows the production method according to the invention in the form of a flow chart.
  • a carrier substrate 1 which consists of an electrically and thermally insulating material and in the simplest case may be plate-shaped.
  • a microstructuring of the carrier substrate 1 then takes place to form a three-dimensional surface structure in the carrier substrate 1, the three-dimensional surface structure having a plurality of elongated structural elements 2 in the form of ribs.
  • the microstructuring of the carrier substrate 1 can be effected for example by hot stamping, micro-injection molding, laser etching or by chemical etching.
  • the rib-shaped structural elements 2 can each have a continuous cavity 3 in order to increase the thermal conductivity of the rib-shaped structural elements. 2 and thereby improve the functionality of thermocouples applied thereto.
  • step S2 After the microstructuring of the carrier substrate 1 in step S2, the production stage shown in FIG. 1A is present.
  • the rib-shaped structural elements 2 each have two lateral flanks 4, 5.
  • a conductor layer 6 is then applied to the side flank 5 of the individual rib-shaped structural elements 2.
  • This application of the conductor layer 6 can take place, for example, by vapor deposition or sputtering, as is schematically indicated in FIG. 1B by the block arrows.
  • the conductor material for the conductor layer 6 is in this case applied at an angle of incidence ⁇ «70 ° obliquely on the side edges 5, for example by sputtering or vapor deposition.
  • This oblique application of the conductor material is advantageous because the individual rib-shaped structural elements 2 shade the other side edges 4, so that the side edges 4 are not coated with the conductor material in this method step.
  • a conductor layer 7 is then also applied to the opposite side flank 4 of the rib-shaped structural elements 2, which is achieved by applying sputtering or vapor deposition can take place, as indicated in Figure IC by the block arrows.
  • the conductor material for the conductor layer 7 is in this case applied at an angle of incidence ⁇ «70 ° obliquely on the side edges 4.
  • This oblique application of the conductor material is again advantageous because the individual rib-shaped structural elements 2 shade the side flanks 5 already coated with the conductor layer 6, so that the side flanks 5 are not coated with the conductor material in this method step.
  • the two conductor layers 6, 7 each form a leg of a thermocouple, so that the conductor layers 6, 7 overlap at the top of the rib-shaped structural elements 2 and form a contact point.
  • the adjacent conductor layers 6, 7 also overlap in the trough between the adjacent rib-shaped structural elements 2 and form a further contact point there.
  • thermocouple It is important here that the two conductor layers 6, 7 consist of materials with different thermal forces, so that the immediately adjacent conductor layers 6, 7 each form a thermocouple.
  • step S4 the production stage according to FIG.
  • the carrier substrate 1 with the thermocouples applied thereto is then divided at right angles to the elongated rib-shaped structural elements 2 along predetermined separating lines 8 in the longitudinal direction of thermal columns 9.
  • the parts formed in this way each contain one of the thermopile 9.
  • the isolated Thermokla- len 9 are then electrically connected together in a series circuit.
  • corresponding conductor tracks can be arranged on the top layer 10 or on the base 11.
  • a step S6 an electrically and thermally insulating top layer 10 and an electrically and thermally insulating base 11 are glued, the top layer 10 covering the carrier substrate 1 with the thermocouples applied to it at its upper side, while the base 11 covers the carrier substrate 1 covered with the applied thermocouples on its underside.
  • step S6 the provisionally final production stage according to FIG. IE is then present, it being possible for further finishing steps to follow within the scope of the production method according to the invention.
  • thermoelectric converter 12 shows a thermoelectric converter 12 with all the required functional elements.
  • Figure 2 shows a perspective view of an alternative embodiment of a thermoelectric transducer 13 in an intermediate stage of manufacture without the underlying carrier substrate.
  • thermopile 16 applied to the side edges of the rib-shaped structural elements of the carrier substrate.
  • carrier substrate with thermopile 16 applied thereto is divided into several parts along certain parting lines 17, the individual parts each containing one of the thermopiles 16.
  • FIG. 2 shows an intermediate stage of the production in which the carrier substrate is flat and corrugated-like shaped in order to form the rib-shaped structural elements.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Structures For Mounting Electric Components On Printed Circuit Boards (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermo-elektrischen Wandler (12), insbesondere einen thermo-elektrischen Generator, mit einem Trägersubstrat (1) und mindestens einer Thermosäule mit zahlreichen Thermoelementen, die elektrisch hintereinander in Reihe geschaltet und auf das Trägersubstrat (1) aufgebracht sind. Es wird vorgeschlagen, dass das Trägersubstrat (1) eine dreidimensionale Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen als Strukturelemente (2) aufweist.

Description

BESCHREIBUNG
Theπαo-elektrischer Wandler und zugehöriges Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft einen thermo-elektrischen Wandler, insbesondere einen thermo-elektrischen Generator, sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen.
Thermo-elektrische Generatoren in Form von sogenannten Ther- mosäulen sind beispielsweise aus DE 10 2007 009 221 Al, DE 20 2006 003 595 Ul und DE 10 2006 007 801 Al bekannt und können unter Anderem zur Füllstandsmessung in einem Kraftstofftank oder zur Temperaturmessung verwendet werden.
Bei dem Füllstandssensor gemäß DE 10 2006 007 801 Al werden die einzelnen Thermoelemente auf ein flächiges Trägermaterial aufgebracht, wobei es sich um eine Kunststoff-Folie handeln kann.
Bei der Thermosäule gemäß DE 20 2006 003 595 Ul dient dagegen ein langgestreckter Strang (z.B. ein Draht) als Trägerelement für die einzelnen Thermoelemente.
Die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Thermosäulen eignen sich jedoch nicht für eine Mikrostrukturierung, so dass die Herstellung dieser bekannten Thermosäulen relativ aufwendig ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei Thermosäulen den Herstellungsaufwand zu verringern. Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen thermo- elektrischen Wandler und ein entsprechendes Herstellungsverfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, dass das Trägersubstrat für die einzelnen Thermoelemente eine dreidimensionale Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen als Strukturelementen aufweist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die einzelnen Thermoelemente heiße Kontaktstellen und kalte Kontaktstellen auf, wobei die heißen Kontaktstellen und die kalten Kontaktstellen abwechselnd auf den Erhebungen und in den Vertiefungen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats angeordnet sind.
In einer Variante der Erfindung befinden sich die heißen Kontaktstellen also jeweils auf den Erhebungen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur, während sich die kalten Kontakt- stellen in den Vertiefungen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur befinden.
Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass sich die heißen Kontaktstellen der Thermoelemente jeweils in den Ver- tiefungen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur befinden, während die kalten Kontaktstellen der einzelnen Thermoelemente jeweils auf den Erhebungen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats angeordnet sind.
Vorzugsweise sind die Erhebungen und Vertiefungen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats langgestreckt und bilden somit vorzugsweise hervorstehende Rippen beziehungsweise Mulden. Die einzelnen Thermoelemente verlaufen hierbei mit ihrer elektrischen Stromrichtung vorzugsweise jeweils quer zu den langgestreckten Strukturelementen des Trägersubstrats. Diese Ausrichtung der Thermoelemente relativ zu den Strukturelementen der dreidimensionalen Oberflächenstruktur ist vorteilhaft, weil sich auf diese Weise eine Vielzahl von Thermosäulen bilden lässt, indem das Trägersubstrat mit den aufgebrachten Thermoelementen in Längsrichtung der Thermosäulen und quer zu den langgestreckten Strukturelementen aufgeteilt wird, wie noch detailliert beschrieben wird.
Bei der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform mit langgestreckten Strukturelementen weisen die einzelnen Strukturelemente vorzugsweise jeweils zwei Seitenflanken auf, wobei die beiden Leiterschichten der einzelnen Thermoelemente jeweils auf die unmittelbar benachbarten Seitenflanken aufgebracht werden. Bei einer Ausgestaltung der langgestreckten Strukturelemente als Rippen mit zwei Seitenflanken kann jede der beiden Seitenflanken der Rippe jeweils einen Schenkel desselben Thermoelements in Form einer Leiterschicht aufneh- men.
Bei dieser Ausführungsform mit rippenförmigen Strukturelementen wird das Leitermaterial vorzugsweise schräg aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern. Das schräge Aufbringen der Leiterschichten bietet den Vorteil, dass die rippenförmigen Strukturelemente jeweils eine ihrer beiden Seitenflanken abschatten, so dass das Leitermaterial jeweils nur auf eine einzige Seitenflanke aufgebracht wird. Zur Be- schichtung der gegenüber liegenden Seitenflanken muss das Leitermaterial dann in einem entsprechenden schrägen Winkel von der anderen Seite aufgebracht werden. Das Leitermaterial wird also vorzugsweise nicht exakt rechtwinklig zur Oberfläche des Trägersubstrats aufgebracht, sondern mit einem bestimmten Auftreffwinkel zur Oberfläche des Trägersubstrats. Der Auftreffwinkel des Leitermaterials kann beispielsweise größer als 40°, 50°, 60°, 70° oder sogar größer als 80° sein, bezogen auf die Oberfläche des Trägersubstrats. Weiterhin kann der Auftreffwinkel des Leitermaterials - bezogen auf die Oberfläche des Trägersubstrats - kleiner als 85°, 80°, 70°, 60° oder sogar kleiner als 50° sein. Vorzugsweise liegt der Auftreffwinkel also in einem Bereich von 40° bis 85°.
Alternativ besteht jedoch im Rahmen der Erfindung die Mög- lichkeit, das Leitermaterial mittels Masken selektiv auf die Seitenflanken der rippenförmigen Strukturelemente aufzutragen oder nach einer ganzflächigen Beschichtung wieder abzutragen, z.B. ätztechnisch oder mit Lasern.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die langgestreckten Strukturelemente (z.B. Rippen, Mulden) der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats vorzugsweise im wesentlichen parallel zueinander und/oder im wesentlichen rechtwinklig zu den einzelnen Thermoelementen bzw. Thermosäulen ausgerichtet sind.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Strukturelemente der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats mindestens teilweise hohl sind, da auf diese Weise die ther- mische Leitfähigkeit der Strukturelemente herabgesetzt wird.
Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die einzelnen Strukturelemente (z.B. Rippen) massiv ohne Hohlräume ausgeführt sind.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass das Trägersubstrat selbst flach ist und durch seine Formgebung die Strukturelemente (z.B. Rippen, Mulden) bildet, so dass das Trägersubstrat beispielsweise wellblechförmig sein kann. Das Trägersubstrat kann also an der Vorderseite und an der Rückseite Strukturelemente aufweisen, wobei die Strukturelemente an der Vorderseite zu den Strukturelementen an der Rückseite invers bzw. komplementär geformt sind. Dies bedeutet beispielsweise, dass eine Rippe an der Vorderseite des Trägersubstrats an dessen Rückseite als Mulde in Erscheinung tritt .
Ferner bestehen die einzelnen Strukturelemente und/oder das Trägersubstrat vorzugsweise nicht nur aus einem elektrisch isolierenden Material, sondern vorzugsweise auch aus einem thermisch isolierenden Material.
Ein Unterschied gegenüber der eingangs erwähnten Thermosäule gemäß DE 20 2006 003 595 Ul besteht ferner darin, dass das
Trägersubstrat an sich flächig ist und lediglich eine dreidimensionale Oberflächenstruktur aufweist.
Bei der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersub- strats handelt es sich vorzugsweise um eine Mikrostruktur.
Dies bedeutet, dass die einzelnen Strukturelemente (z.B. Rippen, Mulden) einen Abstand oder eine Breite haben, die im Mikrometerbereich oder zumindest im Millimeterbereich liegen. Der Abstand und/oder die Breite der Strukturelemente (z.B. Rippen, Mulden) kann also kleiner sein als 5mm, 2mm, lmm, 500μm, 250μm, lOOμm, 50μm oder sogar kleiner als 25μm.
Zum einen ist diese Mikrostrukturierung der Oberflächenstruktur des Trägersubstrats vorteilhaft, weil sich auf diese Wei- se eine große Packungsdichte der Thermoelemente erreichen lässt . Beispielsweise kann die flächenbezogene Packungsdichte der Thermoelemente auf dem Trägersubstrat größer sein als lern"2, 10cm"2, 100cm'2, 1.000cm"2 oder sogar 10.000cm"2.
Zum anderen ist die Mikrostrukturierung der Oberflächenstruktur des Trägersubstrats vorteilhaft, weil die Bearbeitung des Trägersubstrats dadurch sehr effizient mit herkömmlichen Strukturierungsverfahren erfolgen kann, die beispielsweise aus der Halbleitertechnologie bekannt sind.
Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass die einzelnen Strukturelemente der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats beispielsweise einen dreieckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen können.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist bereits ersichtlich, dass auf dem Trägersubstrat mehrere Thermosäulen angeordnet sein können, die elektrisch hintereinander in Reihe geschaltet sind, wobei die einzelnen Thermosäulen jeweils quer zu den langgestreckten Strukturelementen und nebeneinander angeordnet sein können.
Die einzelnen Thermosäulen können hierbei mehr als 10, 20, 50 oder sogar mehr als 100 Thermoelemente enthalten, während auf dem Trägersubstrat insgesamt mehr als 10, 20, 50 oder sogar mehr als 100 derartiger Thermosäulen untergebracht werden können.
Der erfindungsgemäße thermo-elektrische Wandler kann also mehr als 100, 500, 1000, 2500, 5000 oder sogar mehr als 10000 Thermoelemente aufweisen.
Ferner weist der erfindungsgemäße thermo-elektrische Wandler vorzugsweise eine elektrisch isolierende Oberschicht auf, die das Trägersubstrat mit den darauf aufgebrachten Thermoelementen an seiner Oberseite abdeckt, während das Trägersubstrat an seiner Unterseite vorzugsweise durch eine elektrisch isolierende Unterschicht abgedeckt wird.
Die Oberschicht und/oder die Unterschicht bestehen vorzugsweise aus einem thermisch leitfähigen Material, um die Ther- mosäulen thermisch zu kontaktieren. Beispielsweise können die Oberschicht und die Unterschicht aus einem Keramikwerkstoff oder aus einem beschichteten Metall bestehen.
Neben dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen thermo- elektrischen Wandler umfasst die Erfindung auch ein entsprechendes Herstellungsverfahren, wie sich bereits aus der vo- rangehenden Beschreibung ergibt.
Die dreidimensionale Oberflächenstruktur des Trägersubstrats kann hierbei beispielsweise durch (Mikro-) Spritzgießen, Laser-Ätzen oder durch chemisches Ätzen hergestellt werden.
Die Leiterschichten der einzelnen Thermoelemente können im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens beispielsweise auf die dreidimensionale Oberflächenstruktur des Trägersubstrats aufgedampft, aufgesputtert, aufgedruckt, auf- geprüft oder galvanisch aufgebracht werden, um nur einige mögliche Herstellungsverfahren zu nennen.
Es wurde bereits vorstehend erwähnt, dass die einzelnen Ther- mosäulen vorzugsweise rechtwinklig zu den langgestreckten Strukturelementen (z.B. Rippen, Mulden) ausgerichtet sind, was bei der Herstellung einer Vielzahl von Thermosäulen vorteilhaft ist. Hierzu wird das Trägersubstrat mit den darauf aufgebrachten Thermosäulen jeweils zwischen den unmittelbar benachbarten Thermosäulen in Längsrichtung der Thermosäulen aufgeteilt, so dass jedes abgetrennte Teil jeweils mindestens eine Thermosäule enthält. Die Thermosäulen auf den einzelnen abgetrennten Teilen werden dann vorzugsweise wieder elektrisch hintereinander in Reihe geschaltet.
Die vorstehend erwähnte Aufteilung des Trägersubstrats mit den darauf aufgebrachten Thermosäulen kann beispielsweise durch Ätzen oder durch Laser-Bestrahlung erfolgen, wozu beispielsweise ein Ultraviolett-Laser oder ein Pikosekunden- Laser verwendet werden kann.
Schließlich wird auf die Oberseite des Trägersubstrats mit den darauf aufgebrachten Thermosäulen vorzugsweise eine elektrisch isolierende Oberschicht aufgebracht, um den thermo- elektrischen Wandler thermisch zu kontaktieren.
Darüber hinaus wird zur thermischen Kontaktierung des thermo- elektrischen Wandlers vorzugsweise auch auf die Unterseite des Trägersubstrats eine elektrisch isolierende, aber ther- misch leitfähige Unterschicht aufgebracht.
Im Rahmen der Erfindung kann die Oberschicht und/oder die Unterschicht aufgeklebt werden, jedoch sind im Rahmen der Erfindung auch andere Befestigungsmöglichkeiten denkbar.
Als Material für die Oberschicht und die Unterschicht eignet sich beispielsweise ein Keramikwerkstoff oder beschichtetes Metall.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figuren 1A-1E verschiedene aufeinanderfolgende Fertigungsstadien eines erfindungsgemäßen thermo- elektrischen Wandlers,
Figur 2 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen thermo-elektrischen Wandlers ohne das Trägersubstrat, sowie
Figur 3 das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren in Form eines Flussdiagramms.
Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf das in Figur 3 dargestellte Flussdiagramm sowie auf die Figuren IA bis IE das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beschrieben.
In einem ersten Schritt Sl wird zunächst ein Trägersubstrat 1 bereitgestellt, das aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material besteht und im einfachsten Fall platten- förmig sein kann.
In einem zweiten Schritt S2 erfolgt dann eine Mikrostruktu- rierung des Trägersubstrats 1 zur Bildung einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur in dem Trägersubstrat 1, wobei die dreidimensionale Oberflächenstruktur mehrere langgestreckte Strukturelemente 2 in Form von Rippen aufweist.
Die Mikrostrukturierung des Trägersubstrats 1 kann beispielsweise durch Heißprägen, Mikro-Spritzgießen, Laser-Ätzen oder durch chemisches Ätzen erfolgen.
Hierbei ist zu erwähnen, dass die rippenförmigen Strukturelemente 2 jeweils einen durchgehenden Hohlraum 3 aufweisen können, um die Wärmeleitfähigkeit der rippenförmigen Struktur- elemente 2 zu verringern und dadurch die Funktionsfähigkeit von darauf aufgebrachten Thermoelemente zu verbessern.
Nach der Mikrostrukturierung des Trägersubstrats 1 in dem Schritt S2 liegt dann das in Figur IA dargestellte Fertigungsstadium vor.
Aus den Figuren IA sowie aus der Querschnittsansicht in Figur IB ist ersichtlich, dass die rippenförmigen Strukturelemen- te 2 jeweils zwei Seitenflanken 4, 5 aufweisen.
In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird dann eine Leiterschicht 6 auf die Seitenflanke 5 der einzelnen rippenförmigen Strukturelemente 2 aufgebracht. Dieses Auftragen der Leiter- schicht 6 kann beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsput- tern erfolgen, wie in Figur IB durch die Blockpfeile schematisch angedeutet wird.
Das Leitermaterial für die Leiterschicht 6 wird hierbei mit einem Auftreffwinkel α«70° schräg auf die Seitenflanken 5 aufgebracht, beispielsweise durch Aufsputtern oder Aufdampfen. Dieses schräge Aufbringen des Leitermaterials ist vorteilhaft, weil die einzelnen rippenförmigen Strukturelemente 2 dabei die anderen Seitenflanken 4 abschatten, so dass die Seitenflanken 4 in diesem Verfahrensschritt nicht mit dem Leitermaterial beschichtet wird.
Am Ende des Verfahrensschrittes S3 liegt dann das in Figur IB gezeigte Fertigungsstadium vor.
In einem weiteren Verfahrensschritt S4 wird dann auch auf die gegenüberliegende Seitenflanke 4 der rippenförmigen Strukturelemente 2 eine Leiterschicht 7 aufgebracht, was durch Auf- sputtern oder Aufdampfen erfolgen kann, wie in Figur IC durch die Blockpfeile angedeutet ist.
Auch das Leitermaterial für die Leiterschicht 7 wird hierbei mit einem Auftreffwinkel α«70° schräg auf die Seitenflanken 4 aufgebracht. Dieses schräge Aufbringen des Leitermaterials ist wiederum vorteilhaft, weil die einzelnen rippenförmigen Strukturelemente 2 dabei die bereits mit der Leiterschicht 6 beschichteten Seitenflanken 5 abschatten, so dass die Seiten- flanken 5 in diesem Verfahrensschritt nicht mit dem Leitermaterial beschichtet werden.
Die beiden Leiterschichten 6, 7 bilden jeweils einen Schenkel eines Thermoelements, so dass die Leiterschichten 6, 7 an der Oberseite der rippenförmigen Strukturelemente 2 überlappen und eine Kontaktstelle bilden. In gleicher Weise überlappen die benachbarten Leiterschichten 6, 7 auch in der Mulde zwischen den benachbarten rippenförmigen Strukturelementen 2 und bilden dort eine weitere Kontaktstelle.
Wichtig ist hierbei, dass die beiden Leiterschichten 6, 7 aus Materialien mit unterschiedlichen Thermokräften bestehen, damit die unmittelbar benachbarten Leiterschichten 6, 7 jeweils ein Thermoelement bilden.
Nach dem Schritt S4 liegt dann das Fertigungsstadium gemäß Figur IC vor.
In einem weiteren Schritt S5 wird das Trägersubstrat 1 mit den darauf aufgebrachten Thermoelementen dann rechtwinklig zu den langgestreckten rippenförmigen Strukturelementen 2 entlang vorgegebener Trennlinien 8 in Längsrichtung von Thermo- säulen 9 aufgeteilt. Die auf diese Weise gebildeten Teile enthalten jeweils eine der Thermosäulen 9. Nach der Aufteilung des Trägersubstrats 1 mit den darauf befindlichen Thermosäulen 9 werden die vereinzelten Thermosäu- len 9 dann elektrisch miteinander zu einer Reihenschaltung verbunden. Hierzu können auf der Oberlage 10 oder auf der Unterlage 11 entsprechende Leiterbahnen angeordnet sein.
Schließlich wird dann in einem Schritt S6 eine elektrisch und thermisch isolierende Oberlage 10 sowie eine elektrisch und thermisch isolierende Unterlage 11 aufgeklebt, wobei die O- berlage 10 das Trägersubstrat 1 mit den darauf aufgebrachten Thermoelementen an seiner Oberseite abdeckt, während die Unterlage 11 das Trägersubstrat 1 mit den darauf aufgebrachten Thermoelementen an seiner Unterseite abdeckt.
Nach dem Schritt S6 liegt dann das vorläufig endgültige Fertigungsstadium gemäß Figur IE vor, wobei im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens weitere Endbearbeitungs- schritte folgen können.
Das Fertigungsstadium gemäß Figur IE zeigt jedoch einen ther- mo-elektrischen Wandler 12 mit allen erforderlichen Funktionselementen.
Figur 2 zeigt eine Perspektivansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines thermo-elektrischen Wandlers 13 in einem Zwischenstadium der Herstellung ohne das zugrundeliegende Trägersubstrat.
Hierbei ist erkennbar, dass mehrere Leiterschichten 14, 15 auf die Seitenflanken der rippenförmigen Strukturelemente des Trägersubstrats aufgebracht sind. Darüber hinaus ist erkennbar, dass das Trägersubstrat mit darauf aufgebrachten Thermosäulen 16 entlang bestimmter Trennlinien 17 in mehrere Teile aufgeteilt wird, wobei die einzelnen Teile jeweils eine der Thermosäulen 16 enthalten.
Alternativ besteht die Möglichkeit, dass Figur 2 ein Zwischenstadium der Herstellung zeigt, in dem das Trägersubstrat flächig ist und wellblechartig geformt ist, um die rippenför- migen Strukturelemente zu bilden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbe- reich fallen.
* * * * *
Bezugszeichenliste :
1 Trägersubstrat
2 Strukturelemente
3 Hohlraum
4 Seitenflanke
5 Seitenflanke
6 LeiterSchicht
7 Leiterschicht
8 Trennlinie
9 Thermosäule
10 Oberlage
11 Unterlage
12 Thermo-elektrischer Wandler
13 Thermo-elektrischer Wandler
14 LeiterSchicht
15 Leiterschicht
16 Thermosäule
17 Trennlinie
* * *

Claims

ANSPRUCHE
1. Thermo-elektrischer Wandler (12; 13), insbesondere thermo-elektrischer Generator, mit a) einem Trägersubstrat (1) und b) mindestens einer Thermosäule (9) mit zahlreichen Thermoelementen, die elektrisch hintereinander in Reihe ge- schaltet und auf das Trägersubstrat (1) aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, c) dass das Trägersubstrat (1) eine dreidimensionale Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen als Strukturelemente (2) aufweist.
2. Thermo-elektrischer Wandler (12; 13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass die einzelnen Thermoelemente heiße Kontaktstellen und kalte Kontaktstellen aufweisen, b) dass die heißen Kontaktstellen und die kalten Kontaktstellen abwechselnd auf den Erhebungen und in den Vertiefungen angeordnet sind.
3. Thermo-elektrischer Wandler (12; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die einzelnen Strukturelemente (2) der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats (1) jeweils langgestreckt sind, b) dass die einzelnen Thermoelemente mit ihrer elektrischen Stromrichtung jeweils quer zu den langgestreckten Strukturelementen (2) des Trägersubstrats (1) ausgerichtet sind.
4. Thermo-elektrischer Wandler (12; 13) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, a) dass die einzelnen Strukturelemente (2) jeweils zwei
Seitenflanken aufweisen, b) dass die einzelnen Thermoelemente jeweils zwei Leiterschichten aus Materialien mit unterschiedlichen Thermo- kräften aufweisen, und c) dass die beiden Leiterschichten der einzelnen Thermoelemente jeweils auf den unmittelbar benachbarten Sei- tenflanken desselben Strukturelements aufgebracht sind.
5. Thermo-elektrischer Wandler (12; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die langgestreckten Strukturelemente (2) der drei- dimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats
(1) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, und/oder b) dass die einzelnen Thermoelemente mit ihrer elektrischen Stromrichtung jeweils rechtwinklig zu den langge- streckten Strukturelementen (2) des Trägersubstrats (1) ausgerichtet sind, und/oder c) dass die Strukturelemente (2) der dreidimensionalen O- berflächenstruktur des Trägersubstrats (1) mindestens teilweise hohl sind, und/oder d) dass das Trägersubstrat (1) (1) aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material besteht, und/oder e) dass das Trägersubstrat (1) (1) flächig ist, und/oder f) dass die einzelnen Strukturelemente (2) der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats (1) jeweils einen dreieckigen, wellenförmigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
6. Thermo-elektrischer Wandler (12; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass auf dem Trägersubstrat (1) mehrere Thermosäulen
(9) angeordnet sind, b) dass die Thermosäulen (9) elektrisch hintereinander in
Reihe geschaltet sind, und c) dass die Thermosäulen (9) jeweils quer zu den langgestreckten Strukturelementen (2) und nebeneinander angeordnet sind.
7. Thermo-elektrischer Wandler (12; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Thermosäule (9) mehr als 10, 20, 50 oder mehr als 100 Thermoelemente enthalten, und/oder b) dass mehr als 10, 20, 50 oder mehr als 100 Thermosäulen (9) auf dem Trägersubstrat (1) angeordnet sind.
8. Thermo-elektrischer Wandler (12; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch a) eine elektrisch isolierende Oberschicht, die das Trägersubstrat (1) an seiner Oberseite abdeckt, und/oder b) eine elektrisch isolierende Unterschicht, die das Trägersubstrat (1) an seiner Unterseite abdeckt.
9. Thermo-elektrischer Wandler (12; 13) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschicht und/oder die Unterschicht aus einem Keramikwerkstoff oder aus beschichtetem Metall besteht.
10. Herstellungsverfahren zur Herstellung eines thermo- elektrischen Wandlers, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Trägersubstrats (1) , b) Aufbringen mindestens einer Thermosäule (9) mit mehreren elektrisch hintereinander in Reihe geschalteten Thermoelementen auf das Trägersubstrat (1), dadurch gekennzeichnet, c) dass das Trägersubstrat (1) eine dreidimensionale O- berflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen als Strukturelementen (2) aufweist.
11. Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass die dreidimensionale Oberflächenstruktur des Trägersubstrats (1) durch eines der folgenden Verfahren hergestellt wird: a) Spritzgießen des Trägersubstrats (1), b) Ätzen des Trägersubstrats (1), insbesondere Laser- Ätzen oder chemisches Ätzen, c) Heißprägen, d) Laser-sintern, e) dreidimensionales Drucken, insbesondere Piezo-drucken.
12. Herstellungsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelemente durch eines der folgenden Verfahren auf die dreidimensionale Oberflächenstruktur des Trägersubstrats (1) aufgebracht werden: a) Aufdampfen von Leiterschichten auf die dreidimensiona- Ie Oberflächenstruktur, b) Aufsputtern von Leiterschichten auf die dreidimensionale Oberflächenstruktur, c) Aufdrucken von Leiterschichten auf die dreidimensionale Oberflächenstruktur oder d) Galvanisches Auftragen von Leiterschichten auf die dreidimensionale Oberflächenstruktur, e) Aufsprühen.
13. Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, a) dass in der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats (1) als Strukturelemente (2) langge- streckte Vertiefungen und/oder Erhebungen mit jeweils zwei Seitenflanken gebildet werden, b) dass die beiden Leiterschichten der einzelnen Thermoelemente jeweils auf die unmittelbar benachbarten Seitenflanken der langgestreckten Strukturelemente (2) aufgebracht werden.
14. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:
Aufteilen des Trägersubstrats (1) mit den darauf aufgebrach- ten Thermosäulen (9) jeweils zwischen den unmittelbar benachbarten Thermosäulen (9) in Längsrichtung der Thermosäulen (9) .
15. Herstellungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Trägersubstrat (1) durch eines der folgenden Verfahren aufgeteilt wird: a) Ätzen, b) Bestrahlung mit einem Ultraviolett-Laser oder c) Bestrahlung mit einem Pikosekunden-Laser .
16. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Aufbringen einer elektrisch isolierenden Oberschicht auf die Oberseite des Trägersubstrats (1), und/oder b) Aufbringen einer elektrisch isolierenden Unterschicht auf die Unterseite des Trägersubstrats (1).
17. Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschicht und/oder die Unterschicht aufgeklebt wird.
18. Herstellungsverfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschicht und/oder die Unterschicht aus einem Keramikwerkstoff oder aus beschichtetem Metall besteht.
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