矽基熱電模組開發及特性研究

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姓名

王威傑(Wei-Chieh Wang) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

矽基熱電模組開發及特性研究
(The Research and Development of Si-based Thermoelectric Modules)

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摘要(中)

近年來隨著環保意識提升，綠能的開發越來越受各國的重視，而熱能本身就是一種存在於日常生活環境的能源。當熱能與電能之間相互轉換時所產生的效應我們稱之熱電效應。熱電元件的應用層面非常廣泛，可以應用於廢熱回收發電或裝置的致冷。
本研究主要利用輕摻雜的矽晶片所蝕刻出的矽奈米線為基底，再對其做N/P-type摻雜，之後進行封裝及串接，量測範圍從室溫到473K，並且探討其熱電模組特性及未來如何去改善。

摘要(英)

With the increasing environmental awareness, the development of green energy has attracted more and more attention. Heat is a very common energy resource, which can be tailored by thermoelectric effect, a conversion between thermal energy and electric power. Thermoelectric components can be used in wide application, including waste heat scavenging, power generation or IC chip cooling.
This work studies the fabrication of silicon-based thermoelectric modules. The doped thermoelectric materials were packaged by UV resin, followed by contact electrode deposition and polishing. After arranging in series, the power was measured from room temperature to 473 K.

關鍵字(中)

★ 矽基熱電模組

關鍵字(英)

★ Si-based Thermoelectric Modules

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
第一章、導論 1
1-1 前言 1
1-2 熱電效應 2
1-3 研究動機 4
第二章、實驗方法與儀器量測 5
2-1 一步金屬輔助化學蝕刻法（One-step MACE）5
2-2 光固化樹脂封裝 6
2-3 儀器量測 7
2-3-1 電導率量測 7
2-3-2 Seebeck量測 10
2-3-3 熱導率量測 12
2-3-4 密度量測 12
2-3-5 比熱量測 13
2-3-6 熱擴散量測 15
2-3-7 熱重量分析 17
2-3-8 結構分析 18
2-3-9 電性分析 19
第三章、實驗流程與步驟 22
3-1 前言 22
3-2 實驗流程設計 23
3-3 實驗步驟 24
3-3-1 蝕刻矽奈米線 24
3-3-2 N type摻雜 25
3-3-3 P type摻雜 26
3-3-4 聚醯亞胺填充矽奈米線晶片 27
3-3-5 光固化樹脂封裝 28
3-3-6 機械研磨 29
3-3-7 手術刀切割元件 30
3-3-8 元件串接 30
3-3-9 測量元件製作 31
第四章、實驗結果與討論 43
4-1 前言 43
4-2 結構分析 44
4-2-1 描式電子顯微鏡(SEM)觀察 44
4-3 N/P type之ZT值 55
4-3-1 熱導率量測 55
4-3-2 功率因子計算 56
4-3-3 ZT優值計算 57
4-4 N/P type熱重分析 57
4-5 熱電模組電性分析 62
4-5-1 開路電壓 62
4-5-2 短路電流 62
4-5-3 功率輸出 62
4-5-4 模組電阻值 63
4-5-5 理論電阻值 63
第五章、結論 68
參考文獻 69

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圖目錄
圖1-1 Seebeck效應示意圖 3
圖2-1 一步金屬輔助化學蝕刻法機制 5
圖2-2 反應公式 6
圖2-3-1 KEITHLEY 6221 DC AND AC CURRENT SOURCE 8
圖2-3-2 KEITHLEY 2182A NANOVOLTMETER 8
圖2-3-3可調控式溫度加熱基座 9
圖2-3-4游標卡尺 9
圖2-3-5 TES-1306數位式溫度表 11
圖2-3-6 阿基米德量測工具 13
圖2-3-7 示差掃描熱分析儀 14
圖2-3-8 雷射閃光法熱物性測定裝置 16
圖2-3-9 鍍金機 16
圖2-3-10 熱重分析儀 17
圖2-3-11 掃描式電子顯微鏡 18
圖2-3-12 KEITHLEY 2602B SYSTEM SOURCE METER 19
圖2-3-13開路電壓量測電路 20
圖2-3-14短路電流量測電路 21
圖2-3-15輸出功率量測電路 21
圖3-1恆溫烘箱 33
圖3-2矽奈米線晶片 33
圖3-3 N type擴散擺放 34
圖3-4真空高溫爐管 34
圖3-5 P type擴散擺放 35
圖3-6電磁加熱攪拌機 35
圖3-7化學機械研磨機 36
圖3-8電極封裝 36
圖3-9手術刀及量尺模板 37
圖3-10 1mm×1mm之元件 37
圖3-11光罩鐵片 38
圖3-12石英基板鍍電極 38
圖3-13串聯結構正面 39
圖3-14串聯結構側面 39
圖3-15量測元件結構正面 40
圖3-16量測元件結構側面 40
圖3-17開路電壓及短路電流量測方式 41
圖3-18熱電模組串聯電組結構 41
圖3-19輸出功率量測方式 42
圖4-1(a)-(f) 蝕刻後矽奈米線晶片Cross section 47
圖4-2(a)-(f) 蝕刻後單根矽奈米線 48
圖4-3(a)-(f) 聚醯亞胺填充Top view 49
圖4-4(a)-(f) 聚醯亞胺填充Cross section 50
圖4-5(a)-(c) 光固化樹脂封裝-晶粒頂端封裝狀況 51
圖4-5(d)-(f) 光固化樹脂封裝-晶粒側面封裝狀況 51
圖4-6(a)-(b) 機械研磨後Cross section -整體觀察 52
圖4-6(c)-(d) 機械研磨後Cross section -晶粒底部 52
圖4-6(e)-(f) 機械研磨後Cross section -晶粒頂端 52
圖4-7(a)-(d) 機械研磨後Top view 53
圖4-8(a)-(f) 機械研磨後斷裂情形 54
圖4-9 Specific heat 58
圖4-10 Thermal diffusivity 58
圖4-11Thermal conductivity 59
圖4-12 Seebeck coefficient 59
圖4-13 Conductivity 60
圖4-14 Power factor 60
圖4-15 ZT 61
圖4-16 Remaining weight 61
圖4-17 不同溫差下之開路電壓 65
圖4-18 不同溫差下之短路電流 65
圖4-19 不同溫差下之功率輸出 66
圖4-20 不同輸出電流下之功率輸出 66
圖4-21 不同量測溫度下之模組電阻變化 67

參考文獻

參考文獻
[1]Lon E. Bell, “Cooling, Heating, Generating Power, and Recovering Waste Heat with Thermoelectric Systems”, Science, vol. 321, pp. 1457-1461, 2008.
[2] Mihalache, Serban, Irina Flamaropol, Florin-Silviu Dumitru, Lidia Dobrescu, Dragos Dobrescu, “Automated Cooling Control System through Peltier Effect and High Efficiency Control using a DC-DC Buck Converter”, IEEE, 2015.
[3] Lee, Joo-Hyoung, Giulia A. Galli, and Jeffrey C. Grossman, “Nanoporous Si as an
Efficient thermoelectric material”, Nano Lett, vol. 8 (11), pp. 3750-3754, 2008.
[4] Li, Y, K. Buddharaju, N. Singh, G. Q. Lo, and S. J. Lee, “Chip-Level Thermoelectric Power Generators Based on High-Density Silicon Nanowire Array Prepared With Top-Down CMOS Technology” , IEEE Electron Device Letters, vol. 32, no. 5, 2011.
[5] Li, Yida, Kavitha Buddharaju, Bui Cong Tinh, Navab Singh, and Sung Joo Lee, “Improved Vertical Silicon Nanowire Based Thermoelectric Power Generator With Polyimide Filling” , IEEE Electron Device Letters, vol. 33, no. 5, 2012.
[6] Androula Galiouna Nassiopoulou, Violetta Gianneta and Charalambos Katsogridakis, “Si nanowires by a single-step metal-assisted chemical etching process on lithographically defined areas: formation kinetics”, Nanoscale Research Letters, 6:597, 2011.
[7] Bai, Fan, et al., “Template-free fabrication of silicon micropillar/nanowire composite structure by one-step etching”, Nanoscale Research Letters, 7:557, 2012.
[8] Balasundaram, Karthik, et al. “Porosity control in metal-assisted chemical etching of degenerately doped silicon nanowires”, Nanotechnology, vol. 23, 2012..
?
[9] Osminkina, Liubov A, et al. “Optical properties of silicon nanowire arrays formed by metal-assisted chemical etching: evidences for light localization effect”, Nanoscale Research Letters, 7:524, 2012
[10] Han, Hee, Zhipeng Huang, and Woo Lee, “Metal-assisted chemical etching of silicon and nanotechnology applications”, Nano Today, vol. 9, pp. 271-304, 2014.
[11] To, Wai-Keung, Chi-Him, Tsang, Hau-Hau Li,and Zhifeng Huang, “Fabrication of n-Type Mesoporous Silicon Nanowires by One-Step Etching”, Nano Lett, vol. 11, pp. 5252-5258, 2011.
[12] Kesmez, Omer, et al. “Effect of acid, water and alcohol ratios on sol-gel preparation of antireflective amorphous SiO2 coatings”, Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 357, pp. 3130-3135, 2011.
[13] MHAISAGAR, YOGESH S, BHAVANA N JOSHI and A M MAHAJAN, “Surface texture modification of spin-coated SiO2 xerogel thin films by TMCS silylation”, Bull. Mater. Sci., vol. 35, no. 2, 2012.
[14] Ding, Yingtao, et al. “Highly conformal polyimide liner deposition in high-aspect-ratio through silicon vias”, Micro & Nano Letters, vol. 11, pp. 253-255, 2016.
[15] Ding, Yingtao, et al. “Innovative polyimide liner deposition method for high-aspect-ratio and high-density through-silicon-vias (TSVs)”, Microelectronic Engineering, vol. 149, pp. 78-84, 2016.
[16] Yang, C., et al. “Transparent flexible thermoelectric material based on non-toxic earth- abundant p-type copper iodide thin film”, Nature Communications” , 8:16076, 2017.
[17] Curtin, Benjamin M., Eugene W. Fang, and John E. Bowers”, Highly Ordered Vertical Silicon Nanowire Array Composite Thin Films for Thermoelectric Devices”, Journal of ELECTRONIC MATERIALS, vol. 41, no. 5, 2012.

指導教授

辛正倫

審核日期

2017-9-28

推文