得州研究人员演示高效硅基热电发生器 成本低

  盖世汽车讯 据外媒报道，得克萨斯大学达拉斯分校（University of Texas at Dallas）的一名物理学家与得州仪器公司（Texas Instruments Inc）合作，演示了由纳米硅热电堆制造的热电发生器（TEG），而这种热电堆是在工业硅互补金属氧化物半导体（CMOS）生产线上制造。

  在接近室温的环境下，这些热电发生器表现出较高的比功率发电能力，达到29?μW?cm?2?K?2。研究人员说，CMOS工艺能够提供高面积密度和低填充率热电偶，并控制电阻和热阻抗，所以会产生高功率。同时，研究人员发现，当热电偶宽度减小时，TEG功率也显著增加，这为下一步的研究提供了新的路径。据介绍，TEG硅集成电路边际成本很低，可以无缝集成到大规模的硅CMOS微电子电路中。

  这项研究将极大地影响电子电路的冷却方式，为物联网传感器提供动力。研究人员Mark Lee表示：“通常来说，余热无处不在，比如汽车发动机产生的热量。但是，这些热量一般都自然消散了。如果能形成稳定的温差，即便是很小的温差，也可以把其中一些热量转化为电能，用来运行电子设备。”

  十字路口下方的传感器便是热电动力范例。Lee教授表示：“轮胎摩擦和阳光产生的热量可以被收集，因为路面下的材料更冷。所以，不需要把它们挖出来换电池。”

  推广热电收集的主要障碍在于效率和成本。“热电发电非常昂贵。所使用的材料要么很稀有，要么有毒，而且不容易与基本的半导体技术兼容。”很多技术依赖于硅，这是地壳中第二丰富的元素。自20世纪50年代以来，硅一直被认为是性能较差的热电材料，而且晶体形状过大。2008年，新研究表明硅纳米线的表现更好。纳米线可以被定义为一种在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构，一纸张的厚度大约是10万纳米。

  但是，人们一直没有成功地制造出有用的硅热电发生器。其中一个问题是纳米线太小，无法与芯片制造工艺兼容。Lee和他的团队依靠“纳米叶片”，来克服这一障碍，这种叶片只有80纳米厚，但其宽度是厚度的8倍多。虽然仍然比纸还薄，但它能够兼容芯片制造工艺。

  得克萨斯仪器公司的研究员Hal Edwards，负责设计并监督制造这些原型设备。他与德克萨斯大学达拉斯分校的Lee合作，进一步研究这些设备的功能。 Lee解释说，相对于纳米线，纳米叶片失去了一些热电性能。但是，其边际成本降低了100倍。

  该团队的电路设计方案结合纳米物理和工程原理。研究人员发现，以前的尝试之所以失败，是因为使用了太多的材料。Lee表示：“使用的硅过多时，温差就会下降。太多的余热被用掉了，随着冷热比降低，所产生的热电就会减少。我们采用纳米叶片，更容易找到最佳的点。硅的形态改变改变了游戏规则。”

  Lee说，采用得州仪器公司先进的硅处理技术，可以高效量产设备，而且成本低廉。他表示，这是一项创新工作，因为他们使用自动化工业生产线，来制造硅集成电路热电发生器。“我们希望将这项技术与微处理器、同一芯片上的传感器、放大器或无线电等集成在一起。”

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