本研究是以ANSYS有限元素分析軟體與微機電系統技術，設計與開發一種具透光性及並聯式陣列結構之微型熱電發電元件(micro thermoelectric generator, μ-TEG)，期能應用於大樓之窗戶玻璃上，將室內與室外之溫度差，以熱電轉換之方式產生可用之電源，作為行動通訊產品之充電能源。
傳統微型化之熱電轉換元件有製作成本過高、不易與IC製程整合與元件不具透光性等問題，為了改善以上缺點，本論文將運用與IC製程相容且可批次製作之多晶矽面型微加工技術，於透明石英玻璃基板上製作出具透光性及並聯式陣列結構之μ-TEG元件，其製程步驟一共包含六次薄膜沉積與五次黃光微影/蝕刻製程。基於透光性之考量，本論文分別採用石英玻璃與多晶矽薄膜作為基板及懸浮結構層之材料，且每平方公分中數以萬對具水平式及懸浮式之熱電偶結構是採用並聯的方式形成陣列結構，可避免單一熱電偶失效造成整個μ-TEG元件無法產生任何電能輸出之情況發生。
本研究所開發之透明並聯式μ-TEG元件，經由高放大倍率熱像儀之量測顯示，元件之懸浮結構(冷端)與基板(熱端)之最大溫差可達1.38℃；另外，利用多功能電錶量測出元件每平方公分之最大輸出電壓為13.28 mV/ cm2，最大輸出功率為110.22 nW/cm2。另外，利用透光性準確度達± 0.3%的商用紫外光/可見光光譜儀(UV-VIS-NIR Spectrophotometer)量測元件透光性，得到最佳透光性為40%。

This thesis aimed to design and develop a novel micro-thermal electric generator (μ-TEG) with a transparent parallel-array bridge microstructure using the ANSYS finite element analysis software and Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) technology. The presented μ-TEG can convert the temperature difference between the indoor and outdoor planes of building glass window into a useful electrical power. The thermoelectrically transferred output electrical power is suitable for recharging various mobile communication products.
Conventional μ-TEG presented a high fabrication cost, low integration compatibility with IC processes and non-transparent characteristics. To improve these disadvantages, this research utilizes a batch production surface micromachining technology to implement the Poly-Si based parallel-array μ-TEG on a transparent quartz glass substrate and the main fabrication processes adopted in this research are including six thin-film deposition processes and five photolithography processes.
The implemented Poly-Si based transparent μ-TEG has successfully demonstrates a maximum temperature difference of 1.38℃ between the hot plane (substrate) and cold plane (suspending microstructure), a maximum output voltage of 13.28 mV/cm2, a maximum output power of 110.22 nW/cm2 and a maximum light transmission of 40%.

中文審定書……………………………………………………………………………i
英文審定書…………………………………………………………………………...ii
誌謝…………………………………………………………………………………...iii
中文摘要……………………………………………………………………………....iv
英文摘要……………………………………………………………………………...v
第一章 緒論......................................................................................…..1
1.1 研究背景與動機....……………..................................................................1
1.2文獻回顧…………………………………………………………………..4
1.3 實驗方法及論文架構..................…………………………………….........11
第二章 熱電發電元件原理與材料分析.....................................……………..…….12
2.1 熱電效應(Thermoelectric Effects).........................................……..12
2.1.1 Seebeck Effect與Peltier Effect……………………………….……14
2.1.2 Peltier Element………………………………………………...…..15
2.2 熱電材料分析 .............................................................................................16
2.2.1 熱電薄膜種類…………………………………………………18
第三章 具透光性並聯陣列之微型熱電元件設計與實驗方法................................22
3.1 微型並聯式熱電發電元件之尺寸設計.................................................22
3.2 微型並聯式熱電發電元件之模擬結果.............................................24
3.3 具透光性及並聯式陣列結構之微型熱電發電元件之光罩佈局............26
3.4 具透光性及並聯式陣列結構之微型熱電發電元件之製程整合...............28
3.4.1 製作流程………………………………………………………...28
3.4.2 製作方法與製程參數……...............................................................29
3.5具透光性及並聯式陣列結構之微型熱電發電元件之量測系統……....37
3.5.1 熱電特性之量測…………………………………………………..37
3.5.2 冷熱端溫差之量測……………………………………………….38
3.5.3 透光性之量測……………………………………………………39
第四章 實驗結果與討論...........................................................................41
4.1 具透光性及並聯式陣列結構之微型熱電發電元件結構分析..................41
4.1.1 犧牲層蝕刻…………..…………………………………………….41
4.1.2 氮化矽絕緣層……..…………..……………………………….43
4.1.3釋放犧牲層後之結構完成圖....……………………………………43
4.2 具透光性並聯式陣列結構之微型熱電發電元件量測結果與分析……..45
4.2.1 量測結果討論與分析……………………………………………..45
4.2.2 輸出電壓、輸出功率與透光性之特性比較……………………50
第五章 結論與未來展望.............................................................................53
5.1 結論...............................................................................................................53
5.2 未來展望.......................................................................................................54
參考文獻……………………………………………………………………………..56
附錄........................................................................................58
A.1 交通大學奈米中心(NFC)……..............................................58
A.2 國家奈米元件實驗室南區辦公室(NDL).................................................59
A.3 國立中山大學奈米微系統實驗室(NSYSU NEMS Lab.) ......................62

表次
表1-1 金屬及半導體材料的Seebeck係數…………………………………………2
表2-1 熱電效應的發展過程………………………………………………...…….13
表2-2 三種常見的半導體熱電薄膜材料之特性規格表…………………..……..20
表3-1 具透光性及並聯式陣列結構之μ-TEG之結構參數尺寸列表……23
表 3-2 具透光性及並聯式陣列結構之μ-TEG詳細實驗參數表………………...33

圖次
圖1-1 微熱電感測模組……………………………………………………………5
圖1-2 盤繞式熱電模組……………………………………………………………6
圖1-3 太陽能板系統………………………………………………………………6
圖1-4 彈性熱電模組之(a)結構設計圖；(b)成品實體圖…………...……………7
圖1-5 熱電手錶之(a)機制示意圖；(b)成品實體圖(未封裝前)………..………..8
圖1-6 可透光熱電薄膜太陽能量轉換系統之立體結構設計圖………………....9
圖1-7 本實驗室所開發之立體橋式結構…………………………………………10
圖2-1 (a)Seebeck Effect示意圖；(b)Peltier Effect示意圖………………………14
圖2-2 (a)Peltier Element結構示意圖；(b)Cold Side的電流流向與能階
示意圖…………………………………………………………………………..……15
圖2-3 熱電模組致冷及發電原理簡示圖.………………………………………..16
圖2-4 材料之Seebeck係數、導電率、熱傳導係數及載子濃度之關係圖………17
圖2-5 各類熱電材料之優值與溫度關係圖………………………………………18
圖2-6 (a)P-type各種材料的工作溫度相對ZT值的表現；(b)N-type各種
材料的工作溫度相對ZT值的表現…………………………………………………19
圖3-1 μ-TEG立體概念圖…………....……………………………………………23
圖3-2 熱電偶長度L為50 μm之(a)單一組熱電偶冷熱分佈之模擬圖；
(b)單一組熱電偶模擬之輸出功率……………………………………...…………..24
圖3-3 熱電偶長度L為42 μm之(a)單一組熱電偶冷熱分佈之模擬圖；
(b)單一組熱電偶模擬之輸出功率……………………………………...……….….25
圖3-4 具透光性及並聯式陣列結構之μ-TEG之 (a)Mask #1；(b)Mask
#2；(c)Mask #3；(d)Mask #4；(e)Mask #5；(f)完整Mask之光罩佈局圖..…………27
圖3-5 具透光性及並聯式陣列結構μ-TEG之製作流程...…..…………………..28
圖3-6 μ-TEG元件熱電特性之量測設備架構圖…………………………………37
圖3-7 (a) μ-TEG元件冷熱端溫差之量測設備架構圖；(b) NEC TVS-
500EX紅外線熱像儀…………………………………………………………….….38
圖3-8 (a) μ-TEG元件透光性之量測設備架構圖；(b)商用紫外光/可見光
光譜儀………………………………………………………………………..………39
圖3-9 商用紫外光/可見光光譜儀規格圖……………………………...…………40
圖4-1 多晶矽主結構層跨過陡峭之二氧化矽犧牲層側壁時產生斷裂之現象....42
圖4-2 利用過度濕蝕刻之方式使二氧化矽犧牲層側壁之坡度減少................…42
圖4-3 多晶矽主結構層成功跨越側壁坡度減少之二氧化矽犧牲層……………42
圖4-4 (a)多晶矽薄膜直接沉積於石英基板上出現龜裂之現象；(b)於多晶
矽薄膜與石英基板上沉積一層低應力氮化矽薄膜，可有效改善(a)之龜裂現象...43
圖4-5 熱電偶長度為50 μm之μ-TEG元件結構釋放後之SEM圖……………..44
圖4-6 熱電偶長度為42 μm之μ-TEG元件結構釋放後之SEM圖……………..44
圖4-7 熱電偶長度為39 μm之μ-TEG元件結構釋放後之SEM圖……………..44
圖4-8 μ-TEG元件輸出電壓以及輸出功率之特性圖(熱電偶長度為50 μm)…..45
圖4-9 μ-TEG元件冷熱端溫差之熱像儀圖(熱電偶長度為50 μm)…………….46
圖4-10 (a) μ-TEG元件之透光特性圖(熱電偶長度為50 μm)；(b)將所
製作之μ-TEG元件放置於紙張上觀察其透光特性…………………...…………...46
圖4-11 μ-TEG輸出電壓以及輸出功率之特性圖(熱電偶長度為42μm)…..……47
圖4-12 μ-TEG元件冷熱端溫差之熱像儀圖(熱電偶長度為42 μm)………..…...47
圖4-13 (a) μ-TEG元件之透光特性圖(熱電偶長度為42 μm)；(b)將所
製作之μ-TEG元件放置於紙張上觀察其透光特性……………………..………...48
圖4-14 μ-TEG輸出電壓以及輸出功率之特性圖(熱電偶長度為39μm)……..…49
圖4-15 μ-TEG元件冷熱端溫差之熱像儀圖(熱電偶長度為39 μm)……..……...49
圖4-16 (a) μ-TEG元件之透光特性圖(熱電偶長度為39 μm)；(b)將所
製作之μ-TEG元件放置於紙張上觀察其透光特性……………………..………...50
圖4-17 三種不同熱電偶長度之輸出電壓特性比較圖…………………………..51
圖4-18 三種不同熱電偶長度之輸出功率特性比較圖…………………………..52
圖4-19 三種不同熱電偶長度之透光特性比較圖………………………………..52
圖5-1 觀察(a)N型透明導電薄膜(ITO)及(b)P型透明導電薄膜(ZnO)作為
主結構層之透明效果(圖片背景為NDL設備)……………………….…………….54
圖 A-1 低壓化學氣相沉積系統..............................................................................58
圖 A-2 光阻塗佈及顥影系統..................................................................................59
圖 A-3 光罩對準曝光系統......................................................................................60
圖 A-4 反應式離子蝕刻機......................................................................................61
圖 A-5 高溫及低壓爐管.......................................................................................62
圖 A-6 電子束蒸鍍機.......................................................................................62
圖 A-7 射頻磁控濺鍍機.......................................................................................63

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