Способ изготовления термоэлементов Советский патент 1993 года по МПК H01L35/34 

основной вклад вносят электрические потери в никелевой перемычке. Как показали проведенные расчеты, толщина коммутационных шин из никеля (при используемых обычно на практике ветвях со стороной 3-5 мм) должна выбираться в пределах 0,9-1,2 мм, что при используемых в подавляющем большинстве случаев высотах ветвей .3-7 мм приводит к оптимальному диапазону отношений толщины коммутационной шины к высоте ветви 1:2,5 - 1:10, т.к. при больших величинах этого отношения электрические потери могут превысить допустимый предел, а при меньших значениях этого отноше- ния недопустимо вырастает толщина коммутационной шины. Выполнение ветвей в виде пластин, большие поверхности которых примыкают к электроизоляционной проставке сводит до минимума среднюю длину линий тока в коммутационных шинах, что позволяет соответственно уменьшить ее толщину и следовательно снизить стоимость. Выполнение торцевой поверхности электроизоляционной проставки в виде углубления цилиндрической формы позволяет при изготовлении термоэлемента автоматически формировать зиг в средней части коммутационной шины, что при прочих равных, условиях позволяет до минимума уменьшить толщину коммутационной шины, сохраняя стойкость к термоциклам благодаря наличию зига. Повышению устойчивости к термоциклированию способствует и выполнение электроизоляционной перемычки из асбеста, поскольку он достаточно устойчив к деформациям, при нагреве и служит опорой для коммутационной шины, что позволяет уменьшить ее толщину, и соответственно снизить стоимость термоэлемента,

.Предпочтительно при газоплазменном напылении коммутационной шины подавать в зону плазмообразования заготовку из никелевого провода (в сравнении с использованием порошка никеля снижается стоимость и, главное, устраняется окисление поверхности при хранении). Диаметр провода выбирают в пределах 0,7 - 1,1 мм, т.к. проведенные эксперименты позволили установить, что при диаметре менее 0,7 мм наблюдалось частичное сгорание образующихся при расплавлении окончания провода капель, а при диаметре, превышающем 1,1 мм происходит забивание сопла установки. Оптимальная скорость подачи заготовки в виде никелевого провода установлена 1,3-1,9 мм/с, т.к. при меньших скоростях не удается обеспечить поступление требуемого количества никеля, а при скоростях свыше 1,9 мм/с непроплавление

отдельных участков провода. Экспериментально установлено, что при газоплазменг ном напылении никеля на торцы холоднопрессованных полупроводниковых 5 ветвей мощность плазмотрона следует устанавливать в диапазоне 6,2-Й,5 кВт и расход инертного газа (как правило аргон) 20-35 л/мин, поскольку при мощности менее 6,2 кВт наблюдается неравномерность напыля0

емого слоя, а повышение мощности сверх

9,5 кВт не приводит к дальнейшему повышению качества напыляемого слоя никеля, а вызывает необходимость излишних энергозатрат. При расходе инертного газа менее

5 20 л/мин имеет место неустойчивость образующейся струи, а при расходах, превышающих 35 л/мин происходит срыв струи. Вслед за газоплазменным напылением никеля проводят дополнительное упрочнение

0 полученной структуры с использованием термообработки, что-позволяет наряду с повышением термоэлектрической добротности улучшить термомеханические характеристики ветвей, коммутационных

5 Шин и их контактных соединений. Так при упрочнении при помощи отжига в инертной среде экспериментально установлен диапазон температур 430-460°С, т.к. при меньших температурах не удается сформировать

0 достаточно прочные структуры, а при больших значениях температур резко возрастает сублимация полупроводника. Соответственно указанным температурам соответствуют времена отжига 1,5-1 ч. При

5 использовании для упрочнения горячего прессования экспериментально установлены параметры режима: температура 370- 400°С (при меньших температурах не удается получить достаточного упрочнения, а при

0 температурах более 400°С наблюдается перепрессовка), давление 3-4 т/см2 (при меньших давлениях не удается -сформировать достаточно прочные структуры, при больших чем 4 т/см - перепрессовка), время

5 5-10 мин (при времени менее 5 мин не удается завершить формирование структуры, а при времени, превышающем 10 мин не наблюдается дальнейшего увеличения прочности, но возрастает стоимость этой

0 операции)..

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 -термоэлемент(верхняя часть); на фиг. 2 - термоэлемент с цилиндрической формой торца электроизоляционной про5 ставки.

Термоэлемент содержит: полупроводниковые ветви 1, 2, коммутационную шину из никеля 3,присоединенную к их торцевым поверхностям, электроизоляционную про- ставку 4, размещенную между ветвями 1. 2,

на торцевой поверхности которой 5 расположена средняя часть коммутационной шины 3.

Полупроводниковые ветви 1.2 предпочтительно выполнять из полупроводниковых тройных сплавов на основе теллурида висмута (п ветвь В(2Тез - 5п2Тез и р-ветвь D/Bi2Te3 - 5Ь2Тез с соответствующими легирующими примесями), поскольку именно эти материалы обладают наибольшей термоэлектрической добротностью s диапазоне температур 20-300°С, возможно выполнение ветвей из среднетемператур- ных материалов, например, из теллурида свинца. Коммутационные шины 3 выполнят ются из никеля (предпочтительно толщиной 0,9-1.2 мм). Электроизоляционная простав- ка изготавливается из материалов, облада- ющихнаряду с хорошими

электроизоляционными свойствами достаточной термостойкостью, например, из слюды, полиимида, предпочтительно из асбеста,

П р им ер. При комнатной температуре из порошков полупроводниковых материалов (тройные сплавы на основе теллурида висмута) прессовались ветви при давлении 4 т/см2, размеры ветвей: сечение 3 х 3 мм. высота 5 мм. Между ветвями размещалась прослойка из листового асбеста толщиной 0,2 мм, которая приклеивалась к их боковым поверхностям каплями эпоксидной смолы, при этом торцевую поверхность проставки размещали заподлицо с торцевыми поверхностями ветвей. Затем через окно в листе, имеющем форму,соответствующую коммутационной шине проводилось газоплазменное напыление никеля с использованием плазменной установки УПУ-ЗД. В зону плаз- мообразовэния подавали провод из никеля диаметром 0,8 мм со скоростью 1,7 мм/с, при этом затрачиваемая мощность плазмотрона составляла 8 кВт при расходе аргона 25 л/мин. Напыляли слой никеля толщиной 1 мм. Полученную заготовку из холодноп- рессованных ветвей с никелевой шиной (предварительно напыление никеля проводили на противоположную торцевую поверхность каждой ветви) в течение 80 мин отжигали в атмосфере аргона при температуре 450°С. Измерение характеристик изготовленного термоэлемента показало, что его термо-ЭДС соответствует характеристикам базового объекта, а сопротивление коммутационных соединений составило менее 3% от внутреннего сопротивления ветвей. Изготовленный термоэлемент (см. фиг.

1) работает следующим образом. На горя5 чую коммутационную шину 3 поступает тепловой поток, который,проходя через полупроводниковые ветви 1, 2,создает на них перепад температур и за счет эффекта Зее- бека генерируется термо-ЭДС и с крайних

10 коммутационных шин термоэлемента (на чертеже не указаны) в полезную нагрузку поступает вырабатываемая термоэлемен- . том электрическая энергия. При нагреве горячих, спаев термоэлемента происходит

15 термическое расширение коммутационных шин 3, средняя часть которой опирается на торцевую поверхность 5 электроизоляционной проставим 4. При длительной эксплуатации (1000 ч и более) не наблюдалось

0 ухудшения характеристик термоэлемента.

Формула изобретения 1. Способ изготовления термоэлементов, выполненных преимущественно из

5 тройных сплавов на основе теллурида висмута, включающий операции прессования при комнатной температуре ветвей из порошков полупроводниковых материалов и коммутации ветвей посредством газоплаз0 менного напыления никеля на торцевые поверхности ветвей, отличающийся тем, что газоплазменное напыление никеля проводят одновременно на торцевые поверхности ветвей и электроизоляционной

5 проставим, расположенной между ветвями, а затем осуществляют дополнительное уп-§ рочнение. включающее термообработку.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что при газоплазменном напылении в

0 зону плазмообразования подают заготовку в виде провода из никеля диаметром 0,7-1,1 мм со скоростью 1.3-1,9 мм/с, при этом устанавливают параметры режима плазмообразования: мощность 6,2-9,5 кВт, расход инертного газа 20-35 я/мин.

5 3. Способ по п. 1,отличающийся тем, что дополнительное упрочнение проводят путем отжига в инертной атмосфере при 430-460°С в течение 1-1.5 ч.

4. Способ по п/1.отличающийся

0 тем, что дополнительное упрочнение осуществляют горячим прессованием при 370- 400°С, давлении 3-4 т/см2 в течение 5-10 мин. .

5 J

L-4

1

/7 Ч г , Фиг.1 ,5 3

/