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高效硅基熱電發生器怎么樣 成本低

時間:2019-09-06 19:05  來源:紹興汽車網

得克薩斯大學達拉斯分校(University of Texas at Dallas)的一名物理學家與得州儀器公司(Texas Instruments Inc)合作,演示了由納米硅熱電堆制造的熱電發生器(TEG),而這種熱電堆是在工業硅互補金屬氧化物半導體(CMOS)生產線上制造。

在接近室溫的環境下,這些熱電發生器表現出較高的比功率發電能力,達到29?μW?cm?2?K?2。研究人員說,CMOS工藝能夠提供高面積密度和低填充率熱電偶,并控制電阻和熱阻抗,所以會產生高功率。同時,研究人員發現,當熱電偶寬度減小時,TEG功率也顯著增加,這為下一步的研究提供了新的路徑。據介紹,TEG硅集成電路邊際成本很低,可以無縫集成到大規模的硅CMOS微電子電路中。

這項研究將極大地影響電子電路的冷卻方式,為物聯網傳感器提供動力。研究人員Mark Lee表示:“通常來說,余熱無處不在,比如汽車發動機產生的熱量。但是,這些熱量一般都自然消散了。如果能形成穩定的溫差,即便是很小的溫差,也可以把其中一些熱量轉化為電能,用來運行電子設備。” 十字路口下方的傳感器便是熱電動力范例。Lee教授表示:“輪胎摩擦和陽光產生的熱量可以被收集,因為路面下的材料更冷。所以,不需要把它們挖出來換電池。”

 

推廣熱電收集的主要障礙在于效率和成本。“熱電發電非常昂貴。所使用的材料要么很稀有,要么有毒,而且不容易與基本的半導體技術兼容。”很多技術依賴于硅,這是地殼中第二豐富的元素。自20世紀50年代以來,硅一直被認為是性能較差的熱電材料,而且晶體形狀過大。2008年,新研究表明硅納米線的表現更好。納米線可以被定義為一種在橫向上被限制在100納米以下(縱向沒有限制)的一維結構,一紙張的厚度大約是10萬納米。 但是,人們一直沒有成功地制造出有用的硅熱電發生器。其中一個問題是納米線太小,無法與芯片制造工藝兼容。Lee和他的團隊依靠“納米葉片”,來克服這一障礙,這種葉片只有80納米厚,但其寬度是厚度的8倍多。雖然仍然比紙還薄,但它能夠兼容芯片制造工藝。

得克薩斯儀器公司的研究員Hal Edwards,負責設計并監督制造這些原型設備。他與德克薩斯大學達拉斯分校的Lee合作,進一步研究這些設備的功能。 Lee解釋說,相對于納米線,納米葉片失去了一些熱電性能。但是,其邊際成本降低了100倍。

該團隊的電路設計方案結合納米物理和工程原理。研究人員發現,以前的嘗試之所以失敗,是因為使用了太多的材料。Lee表示:“使用的硅過多時,溫差就會下降。太多的余熱被用掉了,隨著冷熱比降低,所產生的熱電就會減少。我們采用納米葉片,更容易找到最佳的點。硅的形態改變改變了游戲規則。”

Lee說,采用得州儀器公司先進的硅處理技術,可以高效量產設備,而且成本低廉。他表示,這是一項創新工作,因為他們使用自動化工業生產線,來制造硅集成電路熱電發生器。“我們希望將這項技術與微處理器、同一芯片上的傳感器、放大器或無線電等集成在一起。”

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