Главная  Пленочные термоэлементы 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [ 63 ] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]

быть возможно более малым (существенно ниже электрического сопротивления ветвей); б) должна быть сведена к минимуму диффузия из коммутационного слоя в полупроводник, обычно приводящая к деградации активного слоя; в) при создании компактных батарей коммутационный слой должен обладать высокими пластичностью и адгезией к подложке, чтобы выдержать сильные деформации при изготовлении рулона или пакета (см. рис. 4.3 и 4.4).

Обычно коммутационный слой толщиной до 1 мкм наносят термическим напылением в вакууме. В [271] при создании планарных пленочных батарей (р - Bio,5Sbi,5Te3, п - РЬТе) для коммутации использовалась сурьма (йк ~ 10" Ом-см). При разработке компактных пленочных батарей (р - Bio,5Sbi,5Te3, п -- ВхзТегдЗесб) для коммутации напылялась пленка серебра толщиной 0,3-0,5 мкм. Чтобы исключить интенсивную диффузию серебра в активный слой, перед напылением серебра наносился подслой хрома толщиной порядка 0,1 мкм. В этом случае йк ~ 10" Ом-см, и эта величина практически не менялась после выдержки термобатареи при 250° С в течение 100 ч. Такие значения Qk позволили получить сопротивление коммутации не более 2+0,5% от общего сопротивления батареи при длине ветви 1 -

4 мм.

Диэлектрические подложки. Для уменьшения паразитного теп-лопереноса диэлектрические подложки должны иметь возможно меньшую толщину и низкую удельную теплопроводность. Подложки должны выдерживать нагрев до 350-400° С, чтобы обеспечить оптимальную температуру конденсации и отжига пленок AiVBi и ABVi (см. гл. 2). Кроме того, особенно при создании компактных термобатарей подложки должны обладать высокой эластичностью и прочностью. В ряде планарных пленочных батарей [76, 271] в качестве подложки использовались тонкие (до

5 мкм) сколы слюды. Однако слюда обладает рядом недостатков: высокое значение н вдоль плоскости скола (рис. 4.6), хрупкость - что делает невозможным ее использование при создании компактных батарей.

В этом случае более перспективны полимерные подложки. Так, при создании компактных пленочных батарей в [272] использовалась полиимидная лента толщиной 10 мкм. Среднее значение удельной теплопроводности полиимида в 5-6 раз ниже, чем х слюды (см. рис. 4.6). Полиимид в отличие от других полимеров сочетает термостойкость до 400° С с высокими значениями электрической, прочности. Исследование разрушающего напряжения и относительного удлинения полиимидных подложек показало [272], что они сохраняют высокую механическую прочность как при низких (100 К), так и высоких (700 К) температурах. Критическое напряжение, приводящее к отслаиванию пленки (В18Ь)2Тез на полиимиде, примерно такое же, как и на слюде,- порядка 10 Н/см* 1272].

Заиитные и изолирующие покрытия. Эти покрытия выполняют



две функции. Первая -- уменьшение влияния кислорода i(cm. разд. 2.10) при повышенных температурах в процессе эксплуатации. Вторая - исключение электрического закорачивания термоэлектрических ветвей при создании многослойных и компактных батарей, Исходя из этого, к таким покрытиям предъявляются следующие требования: сплошность при толщинах менее 1 мкм, высокая электрическая прочность, низкая теплопроводность, термостойкость. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют полимерные покрытия. Такие покрытия, в последнее время широко применяющиеся в микроэлектронике в качестве пассивирующих и изоляционных покрытий, обладают высоким пробивным напряжением (более 10 В/см), удельным сопротивлением (более 10 Ом - см), низкой удельной теплопроводностью (х (3 4) • 10" Вт/ /(см-К)), высокой прочностью при упругой деформации, высокой химической стойкостью к различным неорганическим растворителям. По указанным свойствам полимерные покрытия предпочтительнее, чем неорганические диэлектрические материалы (SiOg, MgFg и т. д.) [273]. Известно много методов получения полимерных пленок. В настоящее время широко используется метод плаз-мохимического осаждения [274]. К основным достоинствам этого метода можно отнести низкую температуру газа, возможность получения однородных полимерных пленок из органических соединений различных классов с высокой сплошностью при весьма малых толщинах (0,1-0,5 мкм) и на значительных площадях - до 100 см, высокую адгезию к подложке. В [275] описана технология нанесения указанным методом диэлектрических покрытий на термоэлектрические материалы (В18Ь)2Тез. Для получения полимерных пленок (мономер - циклогексан СеНз) применялся высокочастотный (до 100 мГц) разряд. При оптимальном технологическом режиме (вкладываемая в разряд мощность - 40- 100 Вт, начальное, давление циклогексана - 65-160 Па) были получены гладкие прозрачные пленки толщиной 0,2-0,5 мкм € высокими изоляционными свойствами (пробивное напряжение более 10-10 В/см). Адгезионная прочность таких покрытий, нанесенных на пленки (В18Ь)2Тез, превышала силу адгезии термоэлектрического слоя к подложке (слюда или полиимид). Нанесение полимерного покрытия толщиной 0,5 мкм на пленки (В18Ь)2Тез значительно уменьшает диффузию в них кислорода при нагреве (см. разд. 2. 10), что значительно увеличивает срок службы пленочных термобатарей.

Выходные параметры пленочных батарей. При описании термоэлектрических параметров реального пленочного термоэлемента (или ветви) паразитный теплоперенос по подложке и теплообмен с окружающей средой можно формально учесть, введя эффективную удельную теплопроводность:

где WuJW - доля переноса тепла по термоэлектрическим вет-192



Таблица 20.

Численные значения компонент теплового потока пленочной батареи в режиме генерации при температуре горячего спая 400 К, холодного 300 К

Йтттт,

Планарная

Компактная

ПЛ»

1, мм

Wn/W

Wпл/W

Wn/w

0,15

0,12

0,28

0,45

0,52

0,43

0,02

0,03

0,05

0,04

0,35

0,56

0,45

0,37

0,07

0,11

0,01

0,01

0,38

0,60

0,29

0,24

0,18

0,29

0,30

0,10

0,23

0,37

0,73

0,24

0,01

0,02

0,10

0,04

0,33

0,53

0,67

0,22

0,04

0,07

0,03

0,01

0,37

0,59

0,17

0,13

0,84

0,14

0,01

0,01

0,80

0,13

0,03

0,04

0,67

0,11

0,08

0,14

ВЯМ в суммарном тепловом потоке. Перенос тепла W для одной ветви в пленочной батарее можно записать в следующем виде:

ЬАТ + 2вобЫ (Гф - Tt) + аЫ (Гэф - То)г

(4.2)

где йпл, Ь, I - соответственно толщина, ширина, длина терма электрической ветви, dn - толщина подложки, ей - коэффициент излучения (черноты) термоэлектрического слоя, Ов - постоянная Стефана-Больцмана, ат - коэффициент конвективной теплоотдачи, Гэф - некая эффективная температура поверхности термоэлектрической ветви при создании перепада температуры ДГ, Tq - температура окружающей среды. В табл. 20 приведены составляющие W в зависимости от геометрических размеров термоэлектрической батареи (пленки р - BiosSbjsTeg, п - Bi2Te2,4Seo,6, напыленные на полиимидную подложку толщиной 10 мкм, би 0,8). Рассмотрены две конструкции: планарные (см. рис. 4.2) и пакетные (см. рис. 4.4) пленочные батареи. В наследием случае (число ветвей в батарее 100, зазор между ветвями-порядка 50 мкм) перенос тепла за счет излучения Ии и конвекции PFk рассчитан для всей термобатареи, а затем определен их вклад для одной ветви.

Из таблицы видно, что только для пакетной батареи теплопе ренос вдоль ветвей превышает остальные составляющие W, IIpHi суммарной толщине йдл = 10 мкм (по 5 мкм с каждой стороны* подложки) паразитные потери составляют не более 33%, т. е. >с7кпл 1,5. В таблице не рассмотрена планарная термобатарея с dusi = 10 мкм в связи с невозможностью ее изготовления (как показано выше, кр 5 мкм).

1/а7 Заказ Я» 569



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [ 63 ] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]

0.0008