Термоэлектрический генератор

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Термоэлектрический генератор, содержащий по меньшей мере один термоэлектрический элемент, состоящий из одной термопары, первый материал которой является полупроводником с положительным коэффициентом Зеебека, а второй - полупроводником с отрицательным коэффициентом Зеебека, и одного -перехода, пространственно отделенного от термопары, при этом первый материал через первый проводник электрически соединен с -областью -перехода, а второй материал через второй проводник - с-областью -перехода и по меньшей мере один исток и один сток тепла, с которыми связана термопара, отличающийся тем, что термоэлектрический элемент расположен внутри концентрирующего корпуса, а первый и второй материалы термопары частично нанесены соответственно на первую и вторую теплоизолирующие подложки в виде наностуктурированных слоев полупроводников, а на свободных участках теплоизолирующих подложек сформированы металлические микрорезонаторы, которые, как первый и второй материалы термопары, первый проводник и -область -перехода, оптически связаны с истоком тепла и концентрирующим корпусом, при этом концентрации легирования 100842014.04.30 2. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что теплоизолирующие подложки установлены под углом 45 к направлению распространения входного теплового излучения. 3. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что наноструктурированные слои полупроводников первого и второго материалов имеют толщину менее 200 нм, а средние части поперечных сечений меньше размеров их подложек. 4. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что размеры металлических микрорезонаторов меньше половины длины волны входного теплового излучения. 5. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что -область(56) 1. Патент РФ 2293953. 2. Патент РФ 2419919 2 (прототип). 3. Магомедов М.-Р.А., Исмаилов Ш.М., Магомедова Дж.Х., Хохлачев П.П. Термоэлектрические и фотоэлектрические свойства гетероструктур 2/, полученных методом квазиравновесного осаждения // Физика и техника полупроводников. - 2000. Т. 34. - Вып. 6. - С. 689-691. 4. Бойков Ю.А., Данилов В.А. Электрофизические параметры с -ориентированных пленок 23 с низкой концентрацией антиструктурных дефектов // Журнал технической физики. - 2008. - Т. 78. - Вып. 3. - С. 63-68. Полезная модель относится к области термоэлектричества и, в частности, к устройствам преобразования инфракрасного (ИК) излучения в электрический сигнал и может быть использована при создании высокоэффективных датчиков ИК-излучения. Известен тепловой приемник 1, содержащий герметичный корпус со входным окном, прозрачным для регистрируемого излучения, перед которым установлена диэлектрическая подложка с проходящими сквозь нее металлическими проводниками сигнальными выводами с расположенными на них с лицевой стороны подложки элементами термочувствительного слоя, покрытыми общим электродом, прозрачным для регистрируемого излучения, нагреватель и термопару, которые соединены с терморегулятором,сигнальные выводы термоэлементов соединены с интегральным коммутатором интерфейса измерительной системы, причем на диэлектрической подложке размещен герметичный корпус, выполненный в виде цилиндра или параллелепипеда со входным окном и основанием из части подложки, на остальной части которой расположен интерфейс измерительной системы, на основании корпуса размещены сквозные металлические проводники сигнальные выводы, покрытые термочувствительными элементами, последовательно объединенными выполненным в виде изогнутой ленты общим электродом, являющимся также нагревателем, и размещена пленочная термопара, а с обратной стороны подложки расположена схема токовой разводки, которая обеспечивает подключение выводов нагревателя и термопары к терморегулятору, а сигнальных выводов термочувствительных элементов к интегральному коммутатору интерфейса измерительной системы. Устройство имеет невысокую эффективность преобразования тепловой энергии в электрический сигнал, обусловленную потерями тепла термочувствительными элементами из-за теплового контакта со сквозными металлическими проводниками и с общей подложкой. Кроме этого, термочувствительные элементы неэффективно поглощают ИКизлучение. Наиболее близким по технической сущности является термоэлектрический генератор 2, пп. 1, 7, 13, содержащий по меньшей мере одну термопару, первый материал которой 2 100842014.04.30 является полупроводником с положительным коэффициентом Зеебека, а второй - полупроводником с отрицательным коэффициентом Зеебека, и один -переход, пространственно отделенный от термопары, при этом первый материал через первый проводник селективно контактирует с -областью -перехода, а второй материал через второй проводник селективно контактирует с -областью -перехода, соединенного по меньшей мере с одним истоком тепла, с которым соединена термопара, связанная также со стоком тепла. Данное устройство имеет недостаточно высокую эффективность преобразования тепловой энергии в электрический сигнал из-за малых градиентов температур его компонентов. Техническая задача - увеличение эффективности преобразования электромагнитного излучения в электрический сигнал. Поставленная техническая задача решается тем, что в термоэлектрическом генераторе,содержащем по меньшей мере один термоэлектрический элемент, состоящий из одной термопары, первый материал которой является полупроводником с положительным коэффициентом Зеебека, а второй - полупроводником с отрицательным коэффициентом Зеебека, и одного -перехода, пространственно отделенного от термопары, при этом первый материал через первый проводник электрически соединен с -областью -перехода, а второй материал через второй проводник - с -областью -перехода и по меньшей мере один исток и один сток тепла, с которыми связана термопара, термоэлектрический элемент расположен внутри концентрирующего корпуса, а первый и второй материалы термопары частично нанесены соответственно на первую и вторую теплоизолирующие подложки в виде наностуктурированных слоев полупроводников, а на свободных участках теплоизолирующих подложек сформированы металлические микрорезонаторы, которые,как первый и второй материалы термопары, первый проводник и -область -перехода,оптически связаны с истоком тепла и концентрирующим корпусом, при этом концентрации легирования -области и -области -перехода различны. Для эффективного решения поставленной технической задачи теплоизолирующие подложки установлены под углом 45 к направлению распространения входного теплового излучения. Для эффективного решения поставленной технической задачи наноструктурированные слои полупроводников первого и второго материалов имеют толщину менее 200 нм, а средние части поперечных сечений меньше размеров их подложек. Для эффективного решения поставленной технической задачи размеры металлических микрорезонаторов меньше половины длины волны входного теплового излучения. Для эффективного решения поставленной технической задачи -область -перехода легирована с концентрацией в 10 раз меньшей, чем его -область. Совокупность указанных признаков позволяет повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электрический сигнал за счет увеличения градиента температуры как внутри -перехода, так и в первом и втором материалах термопары. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, на которой приведен фронтальный разрез. В термоэлектрическом генераторе первый материал 1 термопары нанесен на первую теплоизолирующую подложку 11 и оптически связан с истоком тепла 8 и концентрирующим корпусом 13, а через первый проводник 6 электрически соединен с -областью 4-перехода 3. Второй материал 2 термопары нанесен на вторую теплоизолирующую подложку 12 и оптически связан с истоком тепла 8 и концентрирующим корпусом 13, а электрически соединен через второй проводник 7 с -областью 5 -перехода 3. Исток тепла 8 оптически соединен последовательно через первый проводник 6 и параллельно через концентрирующий корпус 13 с -областью 4 -перехода 3. Холодные концы первого 1 и второго 2 материалов термопары механически связаны со стоком тепла 9 через выходные проводники 10 и концентрирующий корпус 13. На участках первой 11 и второй 12 теплоизолирующих подложек, свободных от первого 1 и второго 2 материалов термопары,3 100842014.04.30 сформированы металлические микрорезонаторы 14, оптически связанные с истоком тепла 8 и концентрирующим корпусом 13. В конкретном исполнении первый материал 1 выполнен распылением мелкого порошка 2 из поликристаллов и монокристаллов в вакууме при остаточном давлении 10-4 Па на первую теплоизолирующую подложку 11 толщиной 100 мкм из слюды мусковит при ее температуре 550-650 К, как в 3. Второй материал 2 в виде пленки 23 получен методом горячей стенки при низком пересыщении паровой фазы над поверхностью второй теплоизолирующей подложки 12, выполненной из слюды мусковит, как в 4. В конкретном исполнении -переход 3 - это гетероструктура, получаемая распылением мелкого порошка 2 из поликристаллов и монокристаллов в вакууме при остаточном давлении 10-4 Па на подложку из -, как в 3. В результате с одной стороны с -переходом 3 контактирует -область 4, представляющая собой слой -, а с другой стороны - -область 5 в виде слоя р-2. Первый проводник 6 получен вакуумным напылением индия при 500 К в виде омических контактов к слою , которые термокомпрессией соединялись с золотыми контактными площадками, выполненными на первом материале 1. Второй проводник 7 выполнен вакуумным нанесением пленки золота на -область 5, который термокомпрессией соединен с контактными площадками, выполненными на втором материале 2, залуживанием его с помощью различных сплавов сначала, потом. Исток тепла 8 - это любой объект внешней среды. Сток тепла 9 - это массиввый металлический предмет, например радиатор, выполненный из сплава Д 16 Т с пазами или игольчатыми выступами. Выходные проводники 10 - это металлические шины,имеющие электрический контакт к холодным концам первого 1 и второго 2 материалов термопары, выполненные термокомпрессией. Концентрирующий корпус 13 - это защитный корпус, нижняя сторона которого выполнена из керамики с высокой теплопроводностью, а остальные стенки - из кварцевого стекла, причем на боковые стенки нанесены зеркальные покрытия. Металлические микрорезонаторы 14 выполнены методами фотолитографии из никелевых проводников спиральной формы, длина которых выбирается из диапазона 5-10 мкм (длины волны излучения объектов наблюдения). Термоэлектрический генератор работает следующим образом. Входное электромагнитное излучение, например, от любого объекта внешней среды поступает в виде первой части прямых лучейчерез концентрирующий корпус 13 и поглощается первым проводником 6, повышая температуру его и термически связанной с ним -области 4 за счет теплопередачи (фиг. 1). В результате появляется градиент температуры одновременно в области -перехода 3 и на концах первого материала 1. Градиент температуры в первом материале 1 создает термоЭДС с положительным коэффициентом Зеебека, которая смещает -переход 3 в обратном направлении. Градиент температуры в области -перехода 3 вызывает термогенерацию электрических зарядов и их направленное движение, которое за счет разного легирования частей -перехода 3 создает термоЭДС на нем. При этом одновременно за счет теплопередачи по -переходу 3 происходит нагревание его-области 5 и второго проводника 7, термически связанного с ней. Поэтому во втором материале 2 возникает термоЭДС с отрицательным коэффициентом Зеебека. Остальная часть входного электромагнитного излучения в виде прямых лучейи отраженных ,поступает соответственно -е и -е лучи - на первый материал 1, второй материал 2,первую теплоизолирующую подложку 11 и вторую теплоизолирующую подложку 14,-е лучи - на первый проводник 6, и тем самым увеличивает градиент температуры на-переходе 3, созданный прямым излучением (луч ). А на первой 11 и второй 12 теплоизолирующих подложках существенно нагреваются только металлические микрорезонаторы 14 за счет их резонансного поглощения теплового излучения и дополнительно увеличивают градиент температуры в первом 1 и втором 2 материалах, в непосредственной близости от которых расположены металлические микрорезонаторы 14 (фиг. 2). Это приводит к возрастанию соответствующих термоЭДС, которые в термоэлектрическом ге 4 100842014.04.30 нераторе благодаря их последовательному соединению складываются и поступают на выходные проводники 10. В предлагаемой полезной модели эффективность преобразования электромагнитного излучения в электрический сигнал увеличивается за счет возрастания градиента температуры и тем самым термоЭДС во всех термогенерирующих элементах как за счет повышения плотности электромагнитного излучения на них, так и за счет существенного уменьшения теплопроводности первого 1 и второго 2 материалов термопары, выполненных наноструктурированными. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5