Спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї

Реферат: Спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї включає підготовку пластин n- і р-типу провідності з нанесенням на торцеві поверхні антидифузійних шарів, виготовлення прорізів у цих пластинах, покриття внутрішніх поверхонь пластин з прорізами електроізоляційним компаундом. З'єднання різнотипних пластин прорізаними сторонами таким чином, щоб між ними утворився зазор 10-30 мкм, заповнений компаундом; видалення зовнішніх частин з'єднаних пластин до утворення пластин, що складаються з гілок n- і р-типу провідності, з'єднаних між собою; з'єднання таких пластин у термоелектричну батарею, комутацію гілок якої здійснюють металізованими антидифузійними шарами. Видалення зовнішніх частин з'єднаних пластин відбувається у три етапи: шліфування пластин з однієї сторони, склеювання таких пластин шліфованими сторонами між собою та шліфування обох зовнішніх сторін новоутворених подвійних пластин. UA 117719 U (12) UA 117719 U UA 117719 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області термоелектрики, зокрема до способу виготовлення термоелектричних мікробатарей, які можуть застосовуватися як для генерації електричної енергії (термоелектричні мікрогенератори), так і для термоелектричного охолодження або нагріву, а також для пристроїв вимірювальної техніки (термоелектричні сенсори теплового потоку, призначені для отримання інформації про характер тепловиділення біологічних об'єктів). Відомо, що ще на перших етапах проектування термоелектричних мікрогенераторів (наприклад для живлення малопотужних електронних пристроїв, систем телеметрії, навігації, ІЧ-детекторів, а також для живлення військової та медичної техніки) було встановлено, що термоелектричні батареї для них повинні мати незвичайну конструкцію, яка суттєво відрізняється від традиційних генераторних модулів [1-3]. Наприклад для ізотопних термоелектричних мікрогенераторів з електричною потужністю у діапазоні 0.05-2.5 Вт, перепадом температур на модулі 100-200 К і робочою напругою 5-15 В необхідно використовувати гілки батарей довжиною до 10-20 мм з перерізом від 0.20.2 мм до 0.50.5 мм. Однак для живлення малопотужної медичної апаратури при малих перепадах температур на модулі до 10 К та електричній потужності у діапазоні 0.05-5 мВт необхідно використовувати гілки батарей з перерізом від 0.010.01 мм до 11 мм. При цьому кількість гілок у термоелектричній батареї має бути від кількох сотень до кількох тисяч і більше. Виконання таких вимог - досить складна технологічна задача. Спроби створення таких мікробатарей зводились до використання плівкових технологій [4]. Були створені плівкові термобатареї у вигляді стрічок, які потім можна згорнути у компактний рулон. Для виготовлення таких батарей використовувались магнетронне напилення та інші технології в сукупності з методами фотолітографії. У батареях були використані термоелектричні матеріали на основі Ві-Те. Однак результати випробувань плівкових термобатарей виявили низку їх суттєвих недоліків: підкладки, на яких формувалися термобатареї, шунтували тепловий потік, що призводило до зниження ККД; різний коефіцієнт лінійного розширення плівок і підкладки (зазвичай поліемід, 5 мкм) призводив до виникнення термічних напружень у термобатареях, що сприяло відмовам під час їх роботи; процеси рекристалізації у плівках призводили до деградації батарей і погіршення їх термоелектричних властивостей; створення надійних теплових контактів між термобатареєю, джерелом тепла і корпусом викликало труднощі, що призводило до додаткових втрат різниці температур на гранях термоелектричної батареї. Сукупність перерахованих вище проблем врешті призвела до відмови від застосування плівкових батарей у термоелектричних мікрогенераторах та сенсорах теплового потоку. З відомих аналогів найбільш близьким по технічній суті є спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї [5]. Такий спосіб полягає в наступному. Спочатку виготовляють прямокутні пластини n- і р-типу провідності з нанесенням на торцеві поверхні антидифузійних шарів. На спеціально розробленому обладнанні у пластинках роблять прорізи необхідних розмірів. Внутрішні поверхні пластин покривають високотемпературними компаундами з робочою температурою 300-400 °C, після чого пластини з'єднують таким чином, щоб між ними утворився зазор 10-30 мкм, заповнений компаундом. Після полімеризації компаунду зовнішні частини пластин видаляють до утворення пластини, яка складається з гілок n- і р-типу провідності, з'єднаних між собою. Потім пластини з гілок n- р-типу провідності розташовують одна над одною та з'єднують компаундом для формування термоелектричної мікробатареї. Комутацію гілок здійснюють металізованими антидифузійними шарами. Теплопереходи на гарячій і холодній поверхнях батарей створюють високотемпературним компаундом з теплопровідними наповнювачами - алмазними або корундовими порошками. Недоліком вказаного способу є значний відсоток браку пластин термоелектричного матеріалу внаслідок мікротріщин, що виникають при їх шліфовці. Задача корисної моделі є зниження відсотку браку пластин термоелектричного матеріалу внаслідок мікротріщин, що виникають при їх шліфовці і, таким чином, зниження собівартості термоелектричних мікробатарей. Запропонований спосіб дає можливість спільно формувати гілки малого перерізу від 0,010,01 мм до 1,01,0 мм та їх компонувати у термоелектричні мікробатареї з довжиною гілок до 30 мм. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї, що включає підготовку пластин n- і р-типу провідності з нанесенням на торцеві поверхні антидифузійних шарів; виготовлення прорізів у цих пластинах; покриття внутрішніх поверхонь пластин з прорізами електроізоляційним компаундом; з'єднання різнотипних пластин прорізаними сторонами таким чином, щоб між ними утворився зазор 10-30 мкм, заповнений компаундом; видалення зовнішніх частин з'єднаних пластин до утворення пластин, що складаються з гілок n- і р-типу провідності, з'єднаних між собою; з'єднання таких пластин у 1 UA 117719 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 термоелектричну батарею, комутацію гілок якої здійснюють металізованими антидифузійними шарами, згідно з корисної моделлю, видалення зовнішніх частин з'єднаних пластин відбувається у три етапи: шліфування пластин з однієї сторони, склеювання таких пластин шліфованими сторонами між собою та шліфування обох зовнішніх сторін новоутворених подвійних пластин. У корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для способу виготовлення термоелектричної мікробатареї, у якому видалення зовнішніх частин з'єднаних пластин відбувається у три етапи: шліфування пластин з однієї сторони, склеювання таких пластин шліфованими сторонами між собою та шліфування обох зовнішніх сторін новоутворених подвійних пластин. Тому ознаки, які не зустрічаються ні в одному з аналогів - видалення зовнішніх частин з'єднаних пластин відбувається у три етапи: шліфування пластин з однієї сторони, склеювання таких пластин шліфованими сторонами між собою та шліфування обох зовнішніх сторін новоутворених подвійних пластин. Промислове використання запропонованого способу виготовлення термоелектричної мікробатареї не вимагає застосування спеціальних технологій та матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівного напрямку. На Фіг. наведено схему, яка демонструє ідею запропонованого способу виготовлення термоелектричної мікробатареї. Такий спосіб полягає в наступному. Спочатку виготовляють прямокутні пластини n- і p-типу провідності з нанесенням на торцеві поверхні антидифузійних шарів 1-4 (Фіг. а). На спеціально розробленому обладнанні (наприклад багатострунному розрізувальному верстаті) у пластинках роблять прорізи необхідних розмірів 5-6 (Фіг. б). Внутрішні поверхні пластин покривають високотемпературними компаундами з робочою температурою 300-400 °C, після чого пластини з'єднують таким чином, щоб між ними утворився зазор 10-30 мкм, заповнений компаундом 7 (Фіг.в). Після полімеризації компаунду видаляють зовнішніх частин з'єднаних пластин у три етапи: шліфування пластин з однієї сторони до утворення пластини 8 (Фіг. г), склеювання таких пластин шліфованими сторонами між собою до утворення пластини 9 (Фіг.д) та шліфування обох зовнішніх сторін новоутворених подвійних пластин 9 до утворення пластини 10, яка складається з гілок п- і р-типу провідності, з'єднаних між собою (Фіг.є). Потім пластини з гілок n- і p-типу провідності розташовують одна над одною та з'єднують компаундом для формування термоелектричної мікробатареї 11 (Фіг.ж). Комутацію гілок здійснюють металізованими антидифузійними шарами. Теплопереходи на гарячій і холодній поверхнях батарей створюють високотемпературним компаундом з теплопровідними наповнювачами -алмазними або корундовими порошками. Попередні випробування запропонованого способу підтвердили ефективність його використання для виготовлення термоелектричних мікробатарей з гілками малого перерізу від 0,010,01 мм до 1,01,0 мм. Такий спосіб значно знижуєвідсоток браку пластин термоелектричного матеріалу внаслідок мікротріщин, що виникають при їх шліфовці і, таким чином, знижує собівартості термоелектричних мікробатарей. Джерела інформації:: 1. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник. - К.: Наукова думка, 1979. - 768 с. 2. Anatychuk L.I. Thermoelectricity. Physics of thermoelectricity / Institute of Thermoelectricity. Kyiv, Chernivtsi, 1998. - Vol. 1. - 376 p. 3. Анатычук Л.И. Термоэлектричество. Т.2. Термоэлектрические преобразователи энергии. Киев, Черновцы: Институт термоэлектричества, 2003. - 376 с. 4. Пленочные термоэлементы: физика и применение / [Б.М. Гольцман, З.М. Дашевский, В.И. Кайданов, Н.В. Коломоец]; отв. ред. Н.С. Лидоренко. — М: Наука, 1985.-232 с. 5. Пат. 93217 Україна, МПК H01L 35/00. Спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї / Анатичук Л.І., Константинович І.А.; Інститут термоелектрики. -№и201403210; заявл. 31.03.14; опубл. 25.09.14, Бюл. № 18. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Спосіб виготовлення термоелектричної мікробатареї, що включає підготовку пластин n- і р-типу провідності з нанесенням на торцеві поверхні антидифузійних шарів; виготовлення прорізів у цих пластинах; покриття внутрішніх поверхонь пластин з прорізами електроізоляційним компаундом; з'єднання різнотипних пластин прорізаними сторонами таким чином, щоб між ними утворився зазор 10-30 мкм, заповнений компаундом; видалення зовнішніх частин з'єднаних пластин до утворення пластин, що складаються з гілок n- і р-типу провідності, з'єднаних між 2 UA 117719 U 5 собою; з'єднання таких пластин у термоелектричну батарею, комутацію гілок якої здійснюють металізованими антидифузійними шарами, який відрізняється тим, що видалення зовнішніх частин з'єднаних пластин відбувається у три етапи: шліфування пластин з однієї сторони, склеювання таких пластин шліфованими сторонами між собою та шліфування обох зовнішніх сторін новоутворених подвійних пластин. 3 UA 117719 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4