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博碩士論文 etd-0713106-173707 詳細資訊
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論文名稱
Title
碲化鉍與碲化銻薄膜之電化學沉積與微熱電致冷器應用
Electrochemical Deposition of Bismuth Telluride and Antimony Telluride Thin Films for Micro TE-cooler Applications
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
91
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2006-07-07
繳交日期
Date of Submission
2006-07-13
關鍵字
Keywords
微熱電致冷器、碲化鉍、電化學沉積、碲化銻
electroplating, Bismuth Telluride, Micro TE-cooler, Antimony Telluride
統計
Statistics
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中文摘要
摘要

當前的電子科技日新月異,而隨著電子產品不斷的推陳出新,目前已演變成高功率、高頻、微小化的時代,晶片的運算速度和積體電路的密度也不斷的在提高,導致電子元件將產生極大的熱功率,亦可能產生局部高熱通量的現象,影響電子元件的特性及運作,為了避免高熱量將電子元件損壞,所以必須將電子元件產生的熱量給排出,因此電子元件的散熱裝置設計就顯得格外的重要。
本論文是利用一種以電化學沉積碲化鉍(Bi2Te3)和碲化銻(Sb2Te3)熱電薄膜的方法,並藉由一具有可過濾雜質系統、可控制電鍍液溫度、可調變電鍍電極旋轉速率以及可搭配精密恆電位儀以調變電鍍電流之電鍍系統,以電鍍完成微熱電致冷器(micro thermoelectric cooler,μ-TEC)元件結構中的N型(Bi2Te3)及P型(Sb2Te3)熱電薄膜。不同電鍍參數的改變將會影響熱電薄膜之熱電特性及材料組成,透過多次XRD量測結果的比對,本研究將提出最佳化的P/N型熱電薄膜之成分組成;另一方面,再經由SEM的量測結果可判斷出不同電鍍電流下對薄膜之影響,並訂定最優化之電鍍製程參數。
在光罩佈局方面,將設計一個具有上下電極及可積體化P/N交錯式陣列柱狀體結構的微熱電致冷器佈局,共計有4道微影光罩;製程技術則主要是採用MEMS與IC製程。所設計之μ-TEC尺寸範圍為L:10~1000μm、W:10~1000μm、H:5μm,另外本論文也會針對μ-TEC之P/N柱體之形狀、熱電偶對數以及P/N柱體之間距等參數之改變,探討其對元件特性之影響是否符合理論所預期。
經過量測,本論文所電鍍沉積之Bi2Te3熱電薄膜之Seebeck係數可達-52μV/K,電阻率為2.52×10-5Ωm,功率因子為1.073×10-4 W/K2m;而Sb2Te3熱電薄膜之Seebeck係數為71μV/K,電阻率為1.91×10-5Ωm,功率因子為2.64×10-4W/K2m。至於μ-TEC在2∼5伏特之驅動下,其上下電極平面最大之溫差值初步顯示有0.7℃左右之溫差,因為其量測精確度為溫度讀值之±2%,以致上述結果尚無法判斷其正確性,所以本論文提出之同時我們已再另外送件至美國QFI公司進行更高精密的溫度量測,期望量測之溫差值可更精確。
Abstract
             Abstract

This paper presents an integrated batch-produced (Bi, Sb)2Te3 micro thermoelectric cooler(μ-TEC) fabricated by electrochemical MEMS technology. To optimize the thermal conductivity of (Bi, Sb)2Te3 thin layers, a cathode with tunable rotary speed has been designed in the electroplating system to well control the thin film deposition rate and uniformity.The column-type micro thermoelectric thin films fabricated using electrochemical-deposited and patterned using photolithography processes. The thermoelectric thin films made of N-type Bi2Te3 and P-type Sb2Te3 with an average thickness of 5μm, are connected using Cr/Au layers at the hot junctions and cold junctions. The measured Seebeck coefficient and electrical resistivity of the thermoelectric thin films,are -52μV/K and 2.52×10-5Ωm(N-type, power factor of 0.11mW/K2m),and 71μV/K and 1.91×10-5Ωm( P-type, power factor of 0.26mW/K2m) after annealing at 250℃.Under the circumstances that voltage of 2-5 volts is driven, the upper and lower levels electrode shows tentatively that there is 0.7℃of difference in temperature.
目次 Table of Contents
目錄
致謝…………………………………………………….…………….......I
摘要…………………………………………………………………..….II
Abstract…………………………………………………………………IV
目錄………………………………………………………………….…..V
圖目錄…………………………………………………………….......VIII
表目錄…………………………………………………………………..XI
第一章 緒論……………………………………………………………..1
1-1前言….…………………………………………………………….1
1-2文獻回顧……….……………………………………………….…5
1-3研究動機…………………….………………………………….…8
第二章 原理介紹………………………………………...…………….11
2-1熱電原理簡介…….………………………………………….......11
2-1-1熱電現象…………..………………………………………...11
2-1-2 Seebeck效應………………………………………………...11
2-1-3 Peltier效應………………………………………………......13
2-1-4 Thomoson效應……………………………………………...14
2-2熱電致冷器之原理…….………………………………………...15
2-3熱電元件之理論….……………………………………………...17
2-4熱電材料之熱電優質………….………………………………...21
2-5熱電材料之選擇……….…………………………………………...24
2-6電鑄技術….……………………………………………………...25
2-6-1電鑄簡介………..…………..…………………………….....25
2-6-2電鑄技術原理…………………………………………….....27
2-6-3影響電鑄品質之因素…………………………….………....28
第三章 實驗方法與步驟…………………………………...………….30
3-1實驗步驟流程.…………………………………………………...30
3-2實驗設備機台……….…………………………………………...31
3-3電化學沉積熱電材料……………………………………………37
3-3-1碲化鉍熱電薄膜之分析………….…………………………37
3-3-2碲化銻熱電薄膜之分析….…………………………………40
3-4熱電材料特性量測方法…………………………………………43
3-4-1熱導率量測方法…………………………………………….43
3-4-2 Seebeck係數量測方法……………………..……………….47
3-4-3電阻率量測方法…….………………………………………48
3-5微熱電致冷器製程之流程圖……………………………………50
3-6微熱電致冷器光罩佈局之設計…………………………………53
3-7微熱電致冷器之製作……………………………………………55
3-7-1微熱電致冷器之下電極……………………………….……55
3-7-2電鑄N型鑄模…………………………….…………………56
3-7-3電鑄P型鑄模……………………..…………………………58
3-7-4蝕刻鉻膜…...………………………………………………..60
3-7-5全曝光………….……………………………………………61
3-7-6微熱電致冷器之上電極…………….………………………61
第四章 結果與討論……………………………………………………63
4-1熱電薄膜特性量測與分析………………………………………63
4-1-1 Bi2Te3與Sb2Te3薄膜之Seebeck係數量測與分析.…...……63
4-1-2 Bi2Te3與Sb2Te3薄膜之電阻率量測與分析………….…….64
4-1-3 Bi2Te3與Sb2Te3薄膜之功率因子量測與分析…….……….66
4-2微熱電致冷器之性能量測與分析..……………………………..69
第五章 結論與未來展望………………………………………………73
參考文獻………………………………………………………………..77
參考文獻 References
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