專利名稱：具有均勻間隙的近間隔電極的制作方法
技術領域：
本發明涉及被設計成在電極之間具有非常小的間隔并且有些情況下還需 要電極之間的熱隔離的二極管、熱離子的、遂穿的、熱-光生伏打的、熱電子 的器件以及其它器件。本發明特別應用于熱-遂穿和熱-光生伏打發生器以及熱 泵，并且可以適用于使用熱離子和熱電子方法的類似系統。這些遂穿發生器 和熱泵將熱能轉換成電能并能夠進行逆向操作以提供冷卻。本發明還可以適 用于通過在兩電極之間流過電流而需要兩電極的接近的、平行的間隔的任何 器件。
背景技術：
高能電子從一個導體(發射體)流向另一個導體(集電極)的現象已經 被用在很多電子器件中，并用于各種目的。例如，真空管二極管就是通過這 種方法實現的，并且該物理現象被稱為熱離子發射。由于受到可得到的相對
大的物理間隔的限制，這些二極管必需在非常高的溫度(超過1000開爾文 (Kelvin)度)下工作。該熱電極必需是非常熱的以便給電子增加足夠的能 量使其運行長距離到達集電極并克服高量子勢壘。不管如何，真空管允許電 子二極管和后來的放大器建立。隨著時間流逝，通過使用堿金屬，如銫或氧 化物來涂敷電極，以便努力降低工作溫度，由此來優化這些器件。盡管用于 熱離子產生的溫度仍然遠高于室溫，但是這種功率產生的方法對于從燃燒或 者從太陽集中器向電能的熱量轉換是有用的。
近年來，已經發現如果發射極和集電極彼此非常靠近，在例如2到20納 米的原子距離數量級，則電子將在極低溫度下、甚至在室溫下流動。以這個 小間隔，兩個電極的原子的電子云如此接近，以至于熱電子實際上從發射極 云向集電極云流動，而沒有物理傳導。當電子交叉時這種類型的電流流動， 但是電極沒有物理接觸，這被稱為遂穿效應。掃描遂穿顯微鏡例如使用尖的、 導電的針，該導電針非常靠近導電表面，并且隨著導電針掃描穿過該表面，通過繪制電流來對這個表面的原子輪廓進行繪圖。(Binnig等人的)美國專利 4343993教導了這種適用于掃描遂穿顯微鏡的方法。
業內已經知道，如果這種原子分離可以保持在大面積(例如一平方厘米) 上，則相當大的熱量可以通過二極管式器件轉換成電能，并且這種器件在作 為冰箱或者在從各種資源回收廢棄的熱能方面是有用的。參見由Y.Hishimma、 T.H.Geballe、 B.Y. Moyzhes和T.W..Kenny發表在2001年4月23日第78巻 第17其月"Applied Physics Letters"上的論文"Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer Scale Design"、由Y.Hishinuna、 T.H.Geballe和B.Y.Moyzhes發表在2002年11月 25日第81巻第22期"Applied Physics Letters"上的論文"Vacuum Thermionic Refrigeration with a Semiconductor Heterojunction Structure " 以及由 Y.Hishinuma、 T.H.Geballe、 B.Y. Moyzhes禾P T.W.Kenny發表在2003年10月 1日第94巻第7期 "Journal of Applied Physics Letters"上的論文
"Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap"。電極之間的間隔必需足夠小以允許"熱"電子(具有高 于費米能級的能量的那些電子)流動，但是不能太接近以便允許正常傳導(在 費米能級或以下的電子流動)。在2和20納米之間存在可工作的間隔距離的 范圍，允許從電能向制冷轉換每立方厘米幾千瓦。參見由Y.Hishinuna等人發 表的論文"Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer Scale Design "。這些參考文獻還建議 堿金屬或其他材料在發射電極上的涂層或單層的優點，以便實現在從一個電 極向另一個電極的電子轉移中的低功函。這個涂層或單層還降低了工作溫度 和提高了轉換效率。
Mahan揭示了 一種使用具有0.7eV的功函和500K的冷溫度的電極的熱離 子冰箱的理論效率高于Carnot (卡諾)效率的80%。參見由G.D.Mahan發表 在1994年10月1日第76巻第7期"Journal of Applied Physics"上的論文
"Thermionic Refrigeration"。通過模擬轉換，希望電子遂穿過程的效率也是 Carnot效率的一高部分。Carnot效率表現為熱電子轉換的可實現效率上的上 邊界。
在大面積上將電極的間隔保持在原子尺寸己經是在構建器件中獨立無二
10的、最重要的挑戰，這可以減少來自導體的熱量。掃描遂穿顯微鏡，例如需 要是無振動、并且其操作被限制到幾平方納米的面積上的專用試驗室環境。 甚至更近年來，工作設備中的所有冷卻措施都已經被限制到幾平方納米的面
積上。參見由Y.Hishinuma等人發表的論文"Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap"。
大約100納米的較大尺寸的電極間隔可以支持使用熱-光生伏打方法將熱 量向電能的轉換。在熱-光生伏打系統中，光子遂穿過間隙。熱源導致光發射 電極進行輻射，并且如果第二光敏電極之間的間隔遠小于輻射波長，則高達 轉換功能的十倍也是可能的，相對于標準光生伏打系統。熱源可以被集中太 陽光、化石燃料燃燒或者其他手段。光發射電極可以由例如鎢構成。光敏電 極可以由硅、硒或砷化銦鉀制成。關于熱-光生伏打方法的更多信息，參見由 R.DiMatteo、 P.Greiff、 D.Seltzer、 D.Meulenberg、 E.Brown、 E.Carlen、 K.Kaiser、 S.Finberg、 H.Nguyen、 J.Azarkevich、 P.Baldasaro、 J.Beausang、 L.Danielson、 M.Dashiell、 D.DePoy、 H.Ehsani、 W.Topper、 K.Rahner和R.Siergie在美國物 理學會(American Institute of Physics) 2004年"Thermophotovoltaic Generation of Electricity Sixth Conference "會議上發表的論文"Micron-gap ThermoPhotoVotaics (MTPV)"。
用于直接能量轉換和冷卻的另一方法是通過熱電器件來實現的。這些器 件使用展示Seebeck (塞貝克)效應的材料，其中溫度差別在不相同材料的 兩個結之間產生電壓，或者使用相反地展示Peltier (帕爾帖)效應的材料， 其中施加的電壓在這些結之間產生溫度差異。來自Seebeck效應的電壓一般 正比于兩個結上的溫度差，并且來自Peltier效應的熱轉移的功率正比于流過 這些結的電流。熱電器件的一種持久穩固的挑戰是結之間的材料為兩個電極 之間的物理接觸。這個接觸導致電短路，限制了來自Seebeck效應的任何優 點，并且產生熱短路，限制了來自Peltier效應的任何優點。在這些結之間或 結上的材料中的納米間隙通過在器件的熱側和冷側之間產生熱隔離，應該解 決了這個頑固的問題，由此減少了限制Peltier效應的熱短路的效果。這種間 隙還減少了限制Seebeck效應的電短路。如果這個間隙是合適尺寸的針孔間 隙，則可以實現甚至更大的利益。這些理論和試驗工作表明這種真空間隙可 以允許這些固態器件完成用于冷卻的壓縮機和完成在熱量象電能的轉換中如氣體渦輪和氣流渦輪等旋轉機器。
因此，需要一種器件，它節約成本并且在包裝中有效地將熱能轉換成電 能，這種包裝便于使用熱源作為輸入和電路必需功率作為輸出。包括廢棄熱 量等的豐富熱源可以很容易地稱為電能源。采用這種器件的例子應該有助于 環境、省錢、或即有助于環境又省錢，其包括
(1 )目前使用的比光生伏打器件更有效地將太陽的熱量和光轉換成電 能。很多產品介紹了通過使用這種熱轉換器件而采用高溫熱離子發射以從太
陽能收集器再循環熱能。參見由G.D.Mahan等人以及由G.D.Mahan、J.A.Sofao 和M.Bartkoiwak分別發表在1998年5月1日第83巻第9期"Journal of Applied Physics"上的論文 "Thermionic Refrigeration"禾口 "Multilayer Thermionic Refiigerator"。然而，如果在正常發生的溫度下實現遂穿效應，則 這種轉換成本更低，并且更流行。
(2) 將由內燃機、如在汽車中使用的，產生的熱量回收到有用動作。被 稱為混合氣體-電動汽車的今天可獲得的有些汽車可以使用電能或者內燃機 來產生動作。在今天的內燃機中，汽油中的能量的大約75%被轉換成廢棄熱 量。遂穿轉換器件可以將來自混合汽車的發動機的大部分熱量回收并將其放 入電池用于后來使用。(Cox等人的)美國專利6651760教導一種將來自燃燒 室的熱量進行轉換并將能量存儲或轉換給動作。
(3) 減少進入環境中的有害氣體的需要。能量-效率混合汽車是潔凈例 子，其中可以減少進入環境中的有害排放氣體。轉換發動機和混合發動機的 排放熱量然后在混合電池中儲存或產生電力的器件進一歩增加混合汽車的效 率并減少排出有害氣體的需要。在冰箱中使用的冷卻劑是除去熱量所必需的 有害氣體的另些例子，并且遂穿轉換器件將減少發射有害氣體的需要。
(4) 在可接受的時刻回收熱能，然后將其作為化學能量儲存在電池中， 然后在不可接受的時刻再利用它。遂穿轉換器件在白天期間將太陽能轉換成 電能，然后將其儲存在電池中。在夜晚期間，被儲存的電池能量將被用于產 生電力。
(5) 從地熱能量產生的能量。熱存在于地球表面上的很多地方，并且在 地球里面實質上是無限足夠深的。有效遂穿轉換器將開發這種能量供給。
(6) 通過緊湊的、安靜的和穩定的固態器件進行制冷，其中這種遂穿器件能夠提供用于空調或冰箱的冷卻，從而代替大量風力機器和壓縮機的需要。
(7) 由體熱產生的能量。熱體產生大約IOO瓦熱量，并且這個熱量可以 被轉換成有用的電能用于手持產品，例如移動電話、無線電話、音樂播放器、 個人數字輔助系統和手電筒。如在本公開中提及的熱轉換器件從通過于人體 部分接觸而施加的熱量可以產生足夠的能量來操作用于這些手持產品的電池 或給其充電。
(8) 來自燃燒燃料的電能。樹木爐子產生好幾萬瓦的熱量。這種遂穿器 件能夠根據足以給典型的家庭電器供電的熱量產生一或二千瓦的電能。相同 的應用還可以通過燃燒其他燃料如天然氣、媒、和其他類似材料來實現。然 后在遙遠區域的家庭可以不需要連接到功率網柵或吵雜的電發生器以具有現 代器具。
在兩個并行電極一起在小于20.0納米間隔間隙的挑戰需要關注兩個參
數。 一個參數是表面粗糙度，另一個參數是表面平坦度。表面粗糙度區別于 小的、局部面積上的平滑度。孔和擦傷是影響表面粗糙度的偏差的例子。表 面平坦度區別于大面積上的平行性。翹曲、彎曲、蔓延是影響表面平坦度的 偏差的例子。
當使用用于集成電路的當今能獲得的最好技術拋光兩種剛性材料，這代 表在一旦實現的保持均勻分離種的進一步挑戰。使用今天的技術拋光的金屬
或半導體表面可以很容易實現小于0.5納米的粗糙度。
遂穿能量轉換器件的現有技術的狀態存在一個或多個以下限制(1)對
于遂穿效應來說間隔太大，(2)對于足夠的能量轉換來說面積太小，(3)不 能熱絕緣導致低轉換效率的固體材料的層，和(4)對于有效地制造成本來說， 設計太復雜。
通過很多熱離子系統已經實現了 IO微米或更大的間隔，但是這些系統只 在非常高的溫度下操作，對于安全性來說需要高成本設計，并且被限制到實 現這個溫度的環境。
在掃描遂穿顯微鏡的設計中，通過在(Binnig等人的)美國專利4343993 中教導的方法己經實現了大約2.0到20.0納米的間隔，但是有效面積為幾平 方納米的數量級。這個面積太小(與大約一平方厘米或以上的所需面積相比)， 以至于不能允許足夠電流流過，甚至在最佳材料中，也不能轉換足夠能量。用于控制物理參數，如膜厚，在幾納米 數量級。熱電器件是利用疊層材料轉換能量的集成電路的例子。參見由Chris
LaBounty、Ali Shakouri禾卩John E. Bowers發表在2001年4月1日第89巻第 7期"Journal of Applied Physics"上的論文"Design and Characterization of Thin film Microcoolers"。然而，這些方法都需要固體材料在層中彼此接觸。熱量 很容易從一層流到另一層，限制溫差和轉換效率。由于兩個電極接觸，因此 設計受到可得到的熱電敏感材料的支配，并且用于電子穿過的能量勢壘不能 任意構成，可能通過設置真空間隙的寬度來實現。具有所需性能的材料是外 來的和昂貴的元件，如鉍和碲化物。由于這些原因，熱電器件被限于每瓦冷 卻能量的高成本和大約百分之7的低效率。
在一平方厘米面積上分離兩個導體大約2.0到20.0納米的技術已經通過 使用反饋控制系統的陣列而實現了，其中反饋控制系統在這些距離上是非常 精確的。控制系統包括用于測量實際間隔、將其于所希望的間隔相比較的反 饋裝置，以及用于使元件靠近或遠離以便保持所希望的間隔的移動裝置。反 饋裝置可以測量兩個電極之間的電容，該電容隨著間隔減小而增加。在現有 技術狀態中，用于這些尺寸的移動裝置是通過壓電、電磁或電致伸縮現象產 生動作的激勵器。(Tavkhelidze等人的)美國專利6720704和(Taliashvili等 人的)美國專利申請2007/0033782介紹了這種設計，其包括在使用之前，使 用另一個表面對一個表面進行成形，然后使用反饋控制系統完成平行性。由 于在相對于另一個表面對一個表面進行成形時包括的精心制作工藝和使用多 個反饋控制系統來保持平行性，這種設計方案是以低成本進行制造的挑戰。
在(Tavkhelidze等人的)美國專利6774003和(Tavkhelidze等人的)美 國專利申請2002/0170172、 (Tavkhelidze等人的)美國專利申請2006/0038290 和(Tavkhelidze等人的)美國專利申請2001/0046749中公開了其他方法，這 些美國專利包括在制造過程中在電極之間插入"犧牲層"。然后蒸發犧牲層以 便在電極之間產生間隙，使電極靠近到所希望的2 20納米的間隔。這三種 方法容易受到因翹曲或電極之間的熱膨脹差而導致的后制造波動的影響，或 者需要激勵器的陣列來補償這些波動，如在(Tavkhelidze等人的)美國專利 申請2005/0189871和(Tavkhelidze等人的)美國專利申請2007/0056623中所 描述的。
14隨著時間流逝而實現和保持所希望的間隔的另一種方法在(Martinovsky 等人的)美國專利6876123和(Tavkhelidze等人的)美國專利申請 2004/0050415 、 2006/0192196 、 ( Martinovsky等人的)美國專利申請 2003/0042819、 (Weaver等人的)美國專利申請2006/0207643和(Weaver等 人的)美國專利申請2007/0069357中公開了，他們是通過使用絕緣間隔器， 保持柔性電極的間隔更大。這些絕緣間隔器的一個缺點是他們從一個電極向 另一個電極傳導熱量，減少轉換過程的效率。這種方法的另一個缺點是因為 存在大靜電力而使柔性金屬電極隨著時間的流逝可能在間隔器之間蔓延或變 形，并且緩慢地向允許傳導而不是遂穿或熱離子發射的間隔遷移。
用于實現電極之間的所希望真空間隔的另一種方法在(Tanielian的)美 國專利申請2004/0195934、 (Tanielian的)美國專利申請2006/0162761、 (Tanielian的)美國專利申請2007/0023077和(Tanielian的)美國專利申請 2007/0137687中公開了，其中在兩個鍵合晶片的界面上產生小空隙。這些空 隙很小足以允許電子穿過幾納米間隙進行熱-遂穿。盡管這些間隙可以支持熱 -遂穿，但在間隙周圍產生不希望的熱傳導，并且電極間隔的非均勻性難以控 制。
用于實現熱-遂穿間隙的另一種方法是通過具有接觸的兩個晶片的面向 表面，然后使用激勵器上拉他們使他們隔開幾納米，如在美國專利申請 2006/0000226中所述的。盡管這種方法可產生熱-遂穿間隙，但這種方法存在 多個激勵器的成本和在間隙區域以外的晶片之間的熱傳導的問題。
在滿足用于實現和保持電極間隔在小于20.0納米間隔間隙方面以及在批 量生產低成本熱-遂穿器件方面仍保持持續的和困難的挑戰，不管付出多少努 力。
用于能移動電子穿過真空間隙(除了直接提供冷卻之外)的器件的附加 利用是在熱電堆棧的頂部放置這個間隙。在這個組合中，熱電間隙的熱側和 冷側變為熱絕緣，因此更有效。具有熱電材料和真空間隙的器件可經過熱電 方法、熱-遂穿方法、熱離子方法或這些方法的組合，提供冷卻或熱轉換。
因此仍需要一種用于在遂穿、二極管和鉍已有設計更有效和更低成本的 其他器件中保持電極之間的真空間隔的改進設計。特別是，需要一種具有均 勻真空間隙的近間隔的電極的設計。更特別是，需要一種具有帶自定位和自對準的 一對電極的設計，其中在這一對電極之間具有近間隔間隙以使電子通 過遂穿效應、熱離子或其他發射、或者可能的話，與熱電元件組合，而穿過 間隙轉移。
在我的前述母專利申請中，介紹并保護一種器件和工藝，采用通過由現 有技術不能完成的方式的電子流。在先前設計中，遂穿器件中的電子流用于 兩個目的(1)作為熱動態流以便從一個導體向另一個導體傳輸熱量，(2) 直接向或從電池或電路移動被轉換能量。在我的前述專利申請中，介紹了一 種器件結構和工藝，其中電子流也用于在所希望的電極間隔產生平行靜電的 回復力和其他吸引力。
被公開的器件和工藝提供具有均勻間隙的近間隔的電極。特別是，本公 開涉及一對電極，在它們之間的近間隔間隙自定位和自對準，從而使電子通 過遂穿效應、熱離子或其他發射，可能的話，與熱電或熱-光生伏打元件組合， 而穿過該間隙。
如在我的前述母專利申請中所述的，柔性材料用于電極中的一個，并包 括使自然地和同時地作用于柔性電極上的靜電或其他吸引力與靜磁排斥力平 衡的磁場，從而在大面積上在相對于另一個電極表面為所希望的間隔距離定 位、對準和保持其在穩定的平衡位置，并且適于在每個電極中連續的空間偏 離平坦度。
通過在組裝之前對電極的面向表面進行拋光，實現了小于0.5納米的表 面粗糙度。在用于在金屬、半導體和其他材料上實現小于0.5納米表面粗糙 度的工業中很容易實現拋光技術。
為了在一平方厘米或以上的大面積上實現小于20.0納米的間隔，產生非
接觸力的組合以使電極材料保持在預定間隔。在穩定的平衡條件下，已經存 在于這些二極管器件中的一個力是發射極和集電極之間的靜電力。由于施加 電壓，相反電荷聚集在每個電極上，并且這些電荷的存在導致電極之間的吸 引力。盡管靜電力被認為是近間隔電極中的占優勢的吸引力，但是其他吸引
力也存在，如重力、表面張力、范德華(VanderWaals)力，卡西米(Casimir)
力和靜摩擦力。
如在我的母專利申請中所述的，產生第二相等的但相反的力，它作用于 柔性電極上以便在所有點上平衡吸引靜電力和其他吸引力，使得柔性電極保持所希望的間隔和對準。這種第二力可能是由于一種物理現象產生的其中 當存在磁場并且電流在導體中流動時產生力。這種力作用于在垂直于由電流 的方向和磁場的方向限定的平面。
發明內容
本發明提供一種對我的專利申請的器件和工藝的改進。在一種方案中， 這種第二力可能是由于具有不同熱膨脹系數的鍵合在一起的兩種材料即"雙 金屬"的組件的彎曲產生的。這種彎曲力是由雙金屬響應熱操作中移動的熱 量而導致溫度增加或降低產生的，或者是通過電操作中的電產生的，或者由 這兩種原因組合產生的。磁力或雙金屬力可以被設計到單獨地或同時地實現
以下兩個目標的0.5到200nm間隙的本發明的實施例中(1)掃描大面積和 (2)自動實現均勻性而沒有損失間隔器或激勵器陣列和控制系統。
通過具有靠近電極或在電極內部的永久磁鐵，可以將所需磁場添加到本 發明的第一實施例中。永久磁鐵材料如鐵、鈷和鎳以及它們的合金也是高導 電和導熱的金屬。因此，這些磁性材料可與電極的導熱和導電特性相容。即 使希望使用非傳導磁場材料來提供磁場，這種磁鐵可以通過導體來涂敷或簡 單地具有安裝到其上的平坦導體，以便構成發射電極。
設置永久磁鐵的表面的溫度可能影響其操作參數，因為磁性材料在居里 溫度水平損失它們的磁性，該距離溫度水平通常在600和1400開爾文度之間。 然而，在本發明中，磁鐵可以放置在轉換器件的冷側或熱側，發現這種結構 可以防止磁鐵達到其距離溫度。
本發明通過一種新的、非顯而易見的方式提供一種用于在一起的電極材 料，以便產生簡單的和便宜的熱-遂穿、熱-光生伏打或熱離子器件，其具有以 下優點(1)通過消除現有技術所需的激勵器和控制系統而簡化性，(2)采 用在電燈泡和半導體工業中已經研制的技術和制造工藝來實現低成本和批量 生產，(3)不用間隔器就實現了電極之間的窄間隙，從而允許熱電子從一個 電極遂穿到另一個電極，由此冷卻第一電極，和(4)在大電極面積如一平方 厘米上保持均勻的間隙。
被公開器件和工藝的其他系統、器件、特征和優點通過下面的附圖和詳 細說明使本領域技術人員更清楚。意圖使所有附加系統、器件、特征和優點都被包括在本說明書中、在本發明的范圍內、并且受到所附權利要求書的保 護。
參照附圖1—23可以更好地理解被公開的器件和工藝的很多方案。附圖 中的部件不是按比例繪制的，重點在于清楚地表示本發明的原理。而且，在 附圖中，相同的參考標記在所有附圖中不必是相應附件。結合附圖公開了典 型的實施例，但本公開不打算限制到這里所公開的實施例。相反，本公開意 圖覆蓋所有替代方式、修改方式和等效方式。
圖1表示本公開的自定位電極器件的一個實施例；
圖la表示圖1的器件中的電流、磁場和靜磁力的方向性狀態；
圖lb表示圖1的器件中的電極2的替換實施例；
圖2是圖1的器件的電極1的示意頂部平面圖2a是表示圖2的電極的實施例的切除部分的透視底部圖3表示圖1的器件的替換實施例； 圖4表示圖1的器件的另一實施例；
圖5是定性地表示圖1-4的器件中的相互作用力的曲線； 圖6是定性地表示使用被拋光金屬電極的圖1、 3和4的器件中的相互作 用力的曲線；
圖7是定性地表示使用被拋光硅電極的圖1、 3和4的器件中的相互作用 力的曲線；
圖8是表示電極如何可以由硅晶片材料制成的示意圖9a表示適合于熱-光生伏打應用的具有較大間隙的替換實施例；
圖9b是表示圖9a的器件中的相互作用力的類似于圖5的曲線；
圖10a-10c表示使用在半導體工業中公用的工藝技術如何將圖8的多個
電極對同時組裝用于批量生產的示意圖11a-10b表示如何可以將圖8、9a或10c的多個電極對封裝到大熱交換
機中以實現器件功能的更高密度和容量；
圖12a-12b表示使用在工業中公用的硅、玻璃、玻璃粉真空密封和其他
標準微電子機械(MEM)封裝技術如何封裝圖8的電極對；圖13表示為了由圖8、 9a、 10c、 Ua或12b的較小器件制成較大器件而 附著于磁性可滲透格柵的永久磁鐵的陣列；
圖14是可用于在對產生電力的實施例實際熱能之前在形成圖8、10c、lla 或12b的器件中的間隙的啟動電子電路的一個例子；
圖15a-15b表示其中通過雙金屬結構彎曲電極并且在中心產生小接觸面 積的第二實施例；
圖16表示圖15的雙金屬實施例如何放置在與用于控制間隙寬度的移動 激勵器組合的硅MEM封裝的內部；
圖17表示具有移動能力從而使用磁性洛倫茲(Lorentz)力激勵器分離接 觸中心-點并實現中心-點間隙的根據圖15-16的雙金屬實施例的電極器件；
圖18a-18c表示具有使用邊緣支持分離接觸中心-點的移動能力的根據圖 15-16的雙金屬實施例的電極器件；圖18a表示無源狀態下的器件，圖18b表 示正常的、有源狀態下的器件，圖18c表示過溫度狀態下的器件；
圖19a-19c分別表示放在真空室或其他外殼中和除了外部容器之外防止 熱接觸的圖18a-18c的器件；
圖20表示根據第二實施例的電極器件的簡化設計，其中通過具有為其自 身真空腔的間隙空間來消除分離真空室；
圖21表示代替圖20中所示的設計的電極器件，其中減少或消除了間隙 表面的物理接觸以防止在操作期間損傷它們；
圖22表示根據第二實施例的多個器件如何電氣串聯和熱并聯連接以提 供器件的定制集成，其中電連接和真空外殼是用彎曲電纜材料實現的；和
圖23表示使用硅晶片襯底作為真空外殼的類似于圖22的設計。
具體實施例方式
下面更詳細地參照附圖，其中相同的參考標記在所有附圖中表示相同的 元件，本公開的器件和工藝的典型實施例示于圖1-24中。
一般情況下，公開了一種器件和工藝，采用面向電極并包括兩個力分布。 在電極之間的主要靜電吸引力分布由電極內部的電荷產生。相等但相反的排 斥力分布由電極內部的電流分布結合施加的磁場分布產生。這兩個力分布同 時作用從而橫過電極的面向表面建立電極的穩定的平衡間隔。
19在下面的詳細說明中，圖l-8與我的前述專利申請的圖1-8相似。 圖1表示本公開的一個實施例。電極1是安裝在塑料膜或襯底如聚酰亞 胺上的柔性金屬箔或金屬箔。塑料襯底有助于防止箔在由靜電和電磁力產生 的重復運動之后發生裂化、彎折、或碎裂。塑料襯底或電極1的電性質還可
用作在平衡期間防止其移動的振動或不穩定性。電極2是由導電材料構成或 涂敷的永久磁鐵。在典型例中，電極2是矩形塊。對兩個電極在互相面對的 表面上被拋光。如果該器件用于熱能轉換，則存在熱源30，或者如果該器件 用作冰箱，則是被冷卻的物體。如果該器件用作冰箱則存在電源IO，如果該 器件用作熱轉換發生器，則附加地是電負載。存在絕緣層4，用于當該器件 在不操作(即，當該器件被關閉時)時，允許電極1的尖端6存在非導電停 留點。另外，電極之一可具有比電極孩子建的預定平衡間隔薄的非導電材料 的涂層，其中當器件不工作時，所述電極的另一個休息。電極2的頂部的層 或涂層5是被設計成具有低功函的材料，以便于電子在電極2和電極1之間 進行遂穿。連接器9a和9b和電線8a和8b完成電路。腔室20用真空或惰性 氣體密封面向電極1和2之間的區域，以使從一個電極向另一個電極的熱傳 導最小。合適的氣體包括氬和氦。柔性電極1的較寬端部牢固地安裝到腔室 20中的支架結構上，當切斷電源時，電極1停留在絕緣層或膜4上的尖端6 上。
圖la表示在電極1中流動的電流(1)、由于在電極2內部存在永久磁鐵 而產生的磁場(B)、以及由I和B的相互作用產生的力F的方向性狀態。力 F在垂直向上方向作用在電極上的每個點上，下拉電極1的相反和平衡的靜 電吸引力向下指向電極2.
圖lb表示電極2的替換設置。這里，材料的表面用尖頂5的陣列構圖。 這些尖頂的幾何形狀允許增強從電極2的電子發射，這是因為尖頂的區域中 的磁化電場。在拋光之后，由于電極2的表面的有意的或非有意的粗糙度， 也可能產生這些尖頂。
圖1的器件還具有附加力，這些附加力在關閉電源、平衡或從關閉電源 向平衡過渡或從平衡向關閉電源過渡期間，產生或改變機構或系統以幫助其 操作。例如，這些機構可以抑制系統以防止電極1在其平衡停留位置周圍振 動或振蕩。這些附加力還可能機械地、磁性地、電機械地、電磁性地、或通過其他方式產生，以便彌補或抵消主要靜電和磁性對峙平衡力的大小上的不 足或過量。
用于柔性電極l的材料可以是導電金屬、半導體材料、多層玻璃/金屬或 多層金屬/塑料。典型的導電金屬包括金、銀、鋁和銅。典型的半導體材料包 括硅、鍺、和砷化鎵。如果金屬自身的柔性不足，導電金屬或半導體材料可 任選地安裝在具有給金屬增加柔性的材料的層上或與其組合，如玻璃、酰胺、 聚酯、聚酰亞胺、聚丙烯或聚烯烴。
電極2的永久磁鐵可以被包含在電極的內部或成為電極的一部分。在典 型實施例中，永久磁鐵可以包含鐵、鈷、鎳、釹或鋁的任何組合形式的導電 鐵磁體材料。或者，永久磁鐵可包含用導電材料涂敷的一種或多種非導電鐵 磁體材料。典型的非導電鐵磁體材料包括被密封在粘合劑中的鐵氧體、鋇鐵 氧體和氧化鐵顆粒。
電極2上的層或涂層5可以是低功函材料、熱電敏感材料、諧振遂穿材
料、電場增強質地、或這些材料的組合。低功函材料的典型實施例包括任何 多層堿金屬或其他組合、堿金屬的合金、氧化物、或金剛石，如金剛石膜或 納米管。由表面粗糙度或構圖(例如，如圖lb所示)產生的峰頂和谷底的聚
集可以增強電場，因此提高了從電極2的電子發射。最后，設置成用于實現
諧振遂穿的半導體層也可提高電子發射。典型半導體材料包括硅、鍺和砷化 鎵。典型的熱電敏感材料包括各種摻雜的碲化物鉍。
圖1的層5中的低功函材料或圖lb中的增強材料5'可以例如是銫(Cs)、 鋇(Ba)、鍶(Sr)、銣(Rb)、鍺(Ge)、鈉(Na)、鉀(K)、鈣(Ca)、鋰 (Li)、以及它們的組合和氧化物。示出的這些材料將發射電極2的功函從4-5 eV減小到l.leV。附加的低功函材料包括釷(Th)、涂敷金屬的氧化物和硅。 這里未提及的其他材料也可以實現低功函，這種材料層的添加是本發明的顯 而易見的擴展范圍。例如，由Korotk(w建議了便于電子遂穿的不同類型的層、 寬間隙半導體層。參見由A.N.Korotkov和K.K丄ikharev發表在1999年8月 23日第75巻第16期"Applied Physics Letters"上的論文"Possible Cooling by ResonantFowler-NordheimEmission"。這里，其厚度被小心地控制的薄氧化物 層將電子激勵到諧振條件，由此幫助熱電子溢出到真空。而且，圖1的層5 和圖lb的5，可以是碳納米管陣列或類似設置，以使發射最大化和功函最小化。絕緣層4的材料可包括玻璃、聚酰亞胺或其他塑料。
圖1中的電子的流和本發明的獨特性如下所述。自由電子從電源或電負
載10流向發射電極2。從電極2向電極1發射的自由電子被這個設計選擇， 從而成為能從電極2除去熱量的熱電子。本發明的一種方案是在存在圖la 中方向性地所示的磁場B的情況下，自由電子在電極1內部在圖1中從左向 右流動。這個自由電子流動方向于施加的磁場組合產生在圖la中方向性地所 示的排斥力，該排斥力平衡了吸引靜電力并實現了在大面積上電極1和電極 2之間的恒定的和預定的間隔。
圖2是圖1的電極1的典型實施例的頂部示意圖，表示具有指向電子流 方向的箭頭的橫截面7。橫截面7具有等于集合遂穿電流的電流密度，所述 集合遂穿電流由所有電極的表面向由橫截面7的長度7分割的的左側拾取。 由于希望遂穿電流正比于到達7的左側的遂穿活動性的面積，則橫截面7的 長度將正比于電極表面的面積的增加向其左側最佳地增加。因此電極1的邊 界3描繪出指數函數。這樣，柔性電極1的表面的寬度從其尖端6向其相反 端呈指數地生長。指數函數在數學上等于由它和X軸直到其集成點所圍城的 面積。由邊界3描繪出的函數還可補償電流密度的其他變化，如由于電極1 內部的路徑長度而導致電阻的變化。而且，在有些情況下，該設計可以用三 角形電極l進行子最佳化，為了容易制造。
圖2a是圖2所示的電極1的切除部分的底部的示意圖。其表示在面向電 極2的其底表面上如何對電極1進行構圖。該圖形允許遂穿面積(由抬高的 表面x的總面積X限定的)不同于電流流動可獲得的總面積Y。在這種方式 中的構圖電極1允許用于較大總面積Y，因此允許用于集合電流流動的較低 電阻損失和熱產生損失。同時，使接近于電極2的面積最小化，這減小了靜 電力，這必需被克服以將電極放置在它們的所希望的位置上。電極1的構圖 的相同效果也可以通過拋光之后的有意或非有意的表面粗糙度來實現。間歇 地抬高的部分4是可以支持電極1和放置電短路的絕緣層，因為當器件被導 通時電極1的箔材料向電極2覆蓋。
圖3是表示可以實現更緊湊封裝的本公開的另一實施例的示意圖。這里， 電極2是磁化方向從中心向外徑向散射的圓筒狀永久磁鐵。現在電極1采用 指數螺旋的形狀，其寬度隨著每匝而增加。或者，電極1可以具有線性增加
22的螺旋形狀，如簡單地接近指數螺旋形狀，這是為了容易制造。由于電極1 具有螺旋形狀，電流在切線方向中。代年級1上的力作用在垂直方向，提供 使靜電吸引力平衡的排斥力，類似于圖1中所實現的。電極1的螺旋形狀使 本實施例具有更緊湊的設計，因為總遂穿面積不需要穿過一個長尺寸漫步， 如圖1中所示。具有京西那個磁化(相對于器件的中心在徑向方向測量磁場) 的圓筒狀磁鐵在工業中是常規可接受的，因為它們對于建立擴音器中很流行。 除了圖1和3中的實施例之外，本發明還有很多其他明顯的實施例，其 使用一個電極的特殊形狀來實現均勻的排斥力。圖4是表示另一典型實施例
的示意圖。其使用改變磁場而不是改變寬度的電極。例如，在圖4中，隨著
更多電流從遂穿面積可接受地形成，電極1中的電流密度從左向右增加。為 了實現電極1上的均勻力，使磁場從左向右減小，因為產生了更多的電流密 度而需要較小的場強。這樣，磁場的強度于柔性電極1中的電流密度成反比
地改變，以便實現恒定力。用于使磁場從左向右減小的方式是改變電極2中 包含的永久磁鐵材料23的深度和增加非磁化材料24的量，如銅或鋁。
圖5是表示圖1到圖4中的力如何相互作用從而在遂穿面積上在兩個電 極之間產生恒定間隔的曲線圖。Y軸40是力，X軸41是電極之間的間隙寬 度或分離距離。曲線43表示電極1和電極2之間的吸引力、靜電力。曲線 43中所示的力于間隙41的平方呈反比。曲線46表示在存在磁場時遂穿電流 流動產生的在兩個電極之間的排斥力。這個電流接近零，直到該間隔變窄到 足以發生遂穿為止。然后，隨著間隔進一步減小，它非常快速地增加。用于 遂穿的開始間隔點42和用于全傳導的間隔點44的位置取決于使用的工藝條 件。例如，根據Hishinuma，對于具有0.1-2.0V的施加電位的器件，用于遂穿 的開始間隔點42為20納米左右，并且本質上全傳導的點44為1納米左右。 參見由 Y.Hishinuna等人發表的論文"Efficiency of Refrigeration using
Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer Scale Design"禾口由Y.Hishinuna等人發表的論文"Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap"。吸弓I力禾口排斥力在
點45上相等。這是器件停留在其穩定平衡位置上的間隔。如果對器件的任何 干擾使間隔大于點45，則由曲線43表示的吸引力壓制由曲線46表示的排斥 力，產生反向移動到平衡點45的趨勢。同樣，使間隔小于點45的任何干擾、由曲線46表示的排斥力壓制由曲線43表示的吸引力，并再次使器件回復到 其平衡點45。
除了前述電極設置之外，電極還可以設置成周期間隔的多層。另外，器 件的多個單元可以串聯、并聯、或者并聯和串聯組裝，以便實現能量轉換的 更高水平。
在操作時，調整柔性電極1中的電流分布或密度以及面向電極2的磁場， 從而將電極放置在穩定、間隔開的平衡位置上。在一個典型實施例中，當本 發明的器件用在將熱量向電能轉換或者使用電子遂穿或熱離子電子轉移進行 冷卻時，或者電子遂穿和熱離子運力的組合時，使用柔性金屬薄作為一個電 極，可以調整電極1中的電流密度或分布以及電極2的磁場，以便將面向電 極放置在1納米到20納米的范圍內的穩定的、間隔開的平衡位置上。在另一 典型實施例中，當本發明的器件用在從熱向冷轉換或者通過熱離子電子轉移 產生能量時，可以使用硅晶片作為一個或兩個電極的襯底，調整電極1中的 電流密度或分布的強度以及電極2的磁場，以便將面向電極放在1納米到20 納米的范圍內的穩定的、間隔開的、平衡位置中。
本發明的器件可以用在將熱量轉換成冷或轉換成電能的工藝中。熱源可 以是輻射源，如太陽輻射，來自環境的熱量、地熱、或由發動機或動物新陳 代謝產生的熱量，如但不限于來自活人體的熱量。熱源也可以是來自運動電 的、蒸氣、或內部內燃機，或通過燃燒燃料在爐子中，如樹木爐子或煤爐或 其他類型，或者它們的庫氣。當熱源例如是來自運動內部內燃機或其廢氣時， 本發明器件可以組裝在發動機或氣體排放管道中作為熱沉。用于燃燒的燃料 可以是木頭、天然氣、煤或其他易燃的燃料。被轉換的能量可以存儲在如電 池中或直接給手持電器如移動電話、無線電話或其他前述產品供電。
現在解釋當其作為電冰箱時本發明的器件的操作。再次參見圖1，由電 源IO將從零增加的電壓施加在電極1和電極2之間。這個電壓產生靜電力， 將電極1的尖端向電極2的表面上拉。由于該電壓逐漸增加，因此柔性電極 1向下朝向電極2的表面按照從尖端6開始的滾動方式彎曲。這種彎曲持續， 直到電極1靠近電極2且遂穿電流開始從電極2向電極1流動為止。 一旦到 達電極l，這個遂穿電流就向連接器9a和9b在電極l內向右側流動。由于這 個電流在圖la的I方向流動，并且由在附近電極2中的永久磁鐵產生的磁場在B方向，則力將起作用向上推動電極1。只要來自電源10的電壓繼續增加，
電極1將整平并使輪廓與電極2的表面匹配。靜電力起作用從而朝向彼此拉
動兩個電極表面，并且來自電極1中的電流的相反力防止兩個電極靠近得小 于預定間隔。
本發明的器件作為發生器器件的操作也類似，除了熱源30產生從在電極 2中熱的高能狀態向電極1中的冷的較低能狀態移動的"熱電子"。這是電子 從一個能量狀態向另一個能量狀態的運動，在電極之間產生電流。電負載IO 變為用于如此產生的電能的熱沉。
在電冰箱操作中，使用來自電源的電能，拉動熱電子原理電極2，由此 冷卻它。當作為電發生器操作時，熱源30用于將電子向電源推動。
本發明將通過下面的例子進一步表示，這些例子基于物理的基本定律， 并結合了通過本發明人獲得的試驗數據和測量數據以及這里所述的理論科 學。這些例子表示(1)本發明的器件可以使用在工業中公用的尺寸和工藝 來設計和構建，(2)產生的量化力將導致所希望的電極間隔，和(3)本發明 器件的電性能可以有效地承載和傳輸被轉換的電能。這些例子證明了本發明 器件的上述三個特征，用于其中電極間隔小于20納米的熱-遂穿轉換器，和 用于其中電極間隔為大約100納米的熱-光生伏打轉換器。
例l
對于熱-遂穿轉換器，考慮圖l、 2和3中的以下尺寸
面向電極的總覆蓋遂穿面積是1平方厘米或10—4平方米。柔性電極1的 長度L為2厘米，，最大寬度W是1厘米。長度L和寬度W與圖3相同地被 限定，但是與圖1的線性形狀相比，電極1彎曲成螺旋形狀。電極1的面向 表面被表面構圖或具有表面粗糙度，以至于總遂穿面積X (所有x的總和) 是總表面面積Y的十分之一或10—5平方米。電極2中使用的永久磁鐵材料具 有1.2泰斯拉(Tesla)的場強B。電極之間的電壓V是0.15V。電極1和2 之間的真空或稀薄的惰性氣體的介電常數^等于8.8X10^法拉(farads) /每 米。假設柔性電極1的電阻率7接近于銅的電阻率，或為1.7Xl(y8歐姆-米 (ohm-meter)。假設從上部連接器9a到另一個下部連接器9b的電子的路徑 的電阻為全部集中在電極1中，這是因為與電路的其余部件相比，它必需是 薄的和柔性的。柔性電極1的厚度t為20微米，因此是箔材料。
25用于吸引靜電力Fe的公式是l/2fXV2/(12，其中d是電極之間的間隔。用 于排斥磁力Fm的公式為ILB，其中I是電流，L是在電極1中的電流的有效 平均長度。
遂穿電流I作為間隔的函數從Hishinuma的曲線得到，并且假設圖1的 涂層5的功函為l.OeV，操作溫度為300開爾文度。參見由Y.Hishinuna等人 發表的論文"Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum:Use of Nanometer Scale Design"禾卩由Y.Hishinuma等人 發表的論文"Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap"。
在圖6中，對于前面所列的值，利用在Y軸的對數尺度相對在X軸上的 算術尺度的電極間隙d對力函數Fm和Fe繪制曲線。這個曲線傳輸如圖5所 示的曲線，現在只有全部量化。根據Hishinuma,穩定的平衡點45靠近2.0 納米，這在所希望間隔范圍內得以實現20安培遂穿電流。參見由Y.ffishinuma 等人發表的論文"Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap"。隨著干擾試著在某一個方向遠離穩定平衡 偏移間隙，回復力大于0.2牛頓，這足以克服柔性電極的彎曲電阻并將其往 回推到器平衡位置。
利用在室溫下、20安培的電流以及0.15V的電壓的發射電極，該器件可 以實現16瓦的電功率產生容量或制冷容量，這可以作為電流(I)乘以在本 例中使用的0.8的Peltier系數來計算，如在由Y.Hishinuma等人發表的論文 "Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a NanometerGap"中所述的。在這個電流流過柔性電極1中的電阻功率損失為 I"L/tw。利用前述的值，在1.0瓦計算歐姆功率損失，這假設作為功率損失 和作為加熱電極1的源而容易管理的。從電極2向電極1傳導的熱量也可以 用輻射、對流和傳導來代替，但是當本發明器件的腔室被排放到氬氣體的 0.06mm Hg的水平時，估計不大于1.3瓦。最后，存在在電極2中產生的電 熱量，如在由Y.Hishinuma等人發表的論文"Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap "中所述的，這等于 電壓V乘以電流I，或者在本例中為大約3.0瓦。從被轉換能量的16瓦可獲 得的剩余能量為10.7瓦。這對應67%的計算效率。因此，我們看到本器件的系統水平特性，基于被建立的電磁理論，支持 可工作的設計和用于還原的裝置，以實現高效率的熱-遂穿轉換器。
例2
本發明的多功能性的另一例子是在材料的選擇上。如在例1中所述的， 優選實施例包括金屬薄作為電極之一。另一實施例可采用單晶體硅作為柔性 電極。盡管硅不常被認為是柔性材料，但是它通常在工業上可以在一平方厘 米表面上以0.5納米的粗糙度和1微米的平坦度進行制造。盡管硅比金屬薄 更硬，如通過楊氏模量(Young's Modulus)測量的，其平坦度表示需要非常 小的彎曲以接近理想平坦度。由本發明產生的力將表明能使硅晶片彎曲一個 微米來完全整平它。總之，使用硅作為柔性或兩個電極的基礎材料具有幾個 優點(1)硅晶片容易在低成本獲得，(2)硅晶片具有所希望的粗糙度和平 坦度特性，(3)在硅上添加低功函材料或材料的圖形在工業上可以很容易地 和經常地實現，(4)硅的電阻率防止柔性電極在接觸或近接觸本發明的另一 電極過程中反應太快，和(5)硅的所希望的電阻率可以通過摻雜來任意控制， 這也是工業上常用的。總之，本發明的設計可以用在半導體工業中通常可獲 得的材料和工藝來實現。
為了表示使用硅作為柔性電極的本發明的例子，考慮圖8。這里，電極l 由箔背襯62和硅襯底65構成。圖8中的電極1的形狀是三角形，接近例1 中所述的最佳指數形狀。硅襯底65可以從標準晶片上切割下來，然后使用導 電粘合劑粘接到電極1的箔背襯62上。圖8中的電極2'與圖1中的電極2 相同地構成，只是未示出磁鐵并假設分開地設置。通過將磁鐵與電極2'分開， 可以使用與圖8中的電極1相同的材料和工藝構成電極2'。箭頭61表示電子 的流動方向。由于箔背襯具有比硅更高的導電率，因此電子將流動最小電阻 的路徑。因此，電子從右向左經過傳導流過電極2'的箔背襯，然后垂直流過 電極2'的硅襯底，如箭頭67的部分所示的，然后電子經過遂穿或熱離子發射 從電極2，的表面64在真空中流向電極1，如箭頭66的部分所示。 一旦電子 到達電極l，它們再次垂直地流過硅襯底，如箭頭68的部分所示，并最后到 達電極1的箔背襯62。然后，它們從左向右經過電極1的箔背襯62流過非 常低的電阻路徑。由箭頭61方向性地表示的電子流與附近的永久磁鐵的磁場 相互作用，在圖8中未示出。在本例中，硅的總厚度ts為每晶片0.5毫米或0.25毫米，這是工業標準厚度。摻雜硅材料以具有0.02歐姆-厘米的電阻率iv這也是常用的。用于硅的楊氏模量Es公知為47千兆帕斯卡(Pascals)或4.7X 101QPascals。對于一厘米的橫向尺寸的晶片，對硅晶片進行在工業上常規拋光到表面粗糙度的0.5納米，并實現1.0微米的表面平坦度dx。
圖7表示與圖6對比的硅對力的影響。靜磁力被限制到0.6牛頓，因為間隙變得非常小。硅的電阻限制電流，因此限制靜磁排斥力。而且，非常窄間隙將導致所有供給電壓在硅電阻中下降，并且在整個間隙上接近于零電壓，這意味著對于非常小間隙間隔，靜電吸引力為零。
為了量化這些效果，考慮能在本系統中流動的最大電流，這是由規電阻分割的供給電壓V，等于i^/Lw。對于在例1中的施加的電壓、電極的長度和寬度，當存在硅時，最大電流大約為50安培。此外，當電流接近這個50安培水平時，供給電壓將在整個硅中都下降，并且在電極的相對表面之間沒有實現電壓差。
圖7中的回復差分力相當大。根據該圖，偏移所希望的間隔0.1納米產生大于0.05牛頓的回復力。這個回復力遠大于整平電極l所需的彎曲力，并且遠大于實現與電極2的平行所需的彎曲力，如現在計算的。
為了整平電極l中的一微米褶皺，需要40dxEsWtsVl2"的力。這個力計算到0.003牛頓。如果電極1和電極2具有相反的褶皺，則所需的力是這個量的兩倍或為0.006牛頓，這遠小于為了在所希望間隙的0.1納米范圍內保持間隙而可獲得的回復力的0.05牛頓。
具有硅電極材料的圖7中的力特性比具有金屬箔材料的圖6中的更好，因為(1)具有硅的力不太大以至于導致振動或意外運動，這將會損傷或動搖該系統，如在純金屬電極的情況下那樣，(2)硅晶片的較大的平坦度與金屬箔允許該系統更接近于所希望的操作點而啟動，(3)硅的電阻防止在小局部區域中形成大電流，這個大電流將在高溫下產生并蒸發損害電極材料，(4)硅的硬度減少了材料的運動量，從而隨著時間流逝而維持間隙，因此減少了疲勞、破裂或變形的風險，和(5)硅的較高硬度和平坦度確保在存在局部變化的情況下可以保持間隙，這將減少指數形狀、電極厚度的均勻性、以及材料和設計其他參數變化中精度的需要。例3
圖9a表示本器件如何可用于所謂熱-光生伏打的不同類型的能量轉換的另一例子。在本例中，熱源71使光電發射材料73穿過間隙74開始向光敏材料75輻射光，如由72所示的，間隙74小于光的波長，進而產生由箭頭76所示的電流。在本例中，光電發射材料73可以是鉤或其他光電發射金屬。光敏材料75可以是硅、硒、鎵、砷、銦或一些組合或者這些材料的合金。間隙74的所需長度通常小于由光電發射材料73發射的最小波長，或者大約為100納米，以便實現近場光學條件。在這種情況下，光電發射電極73是剛性的、平坦的并在間隙一側被拋光。光敏電極75具有足夠的柔性以便整平到大約100納米的大均勻間隙。
圖9b表示在本發明的熱光生伏打實現中產生穩定間隙的力的曲線。由于在這些距離之下靜電力太小而無影響、彈簧力或類似外部力可以被替代從而在兩個電極之間產生吸引。彈簧力具有作為間隙間隔的函數的線性數量。通過由于存在磁場而產生由箭頭76表示的電流產生平衡排斥力，如在前面的例子中那樣，在圖9中未示出。這個電流是通過光敏材料從電極73的發射接收光子而產生的，但是用于產生和保持均勻間隙間隔，如在前面例子中所述的。圖9b中的排斥力46，正比于熱光生伏打電流，該力的表現相對于間隔由R.DiMatteo等人在"Micron-gap ThermoPhotoVoltaics (MTPV)"中導出。
例4
圖10a-10c表示如何組裝圖8或圖9中的設計，其中多個器件電氣串聯和熱并聯連接在一起。此外，圖10a-10c表示如何使用在半導體工業中廣泛使用的制造技術按比例增加多個這些器件。圖10a表示固定多個器件的一側的基底襯底82。當該器件作為熱-遂穿冷卻器工作時，冷卻這個襯底82，或者當作為電力轉換器的加熱器操作時加熱它，或者當該器件作為熱-光生伏打轉換器操作時輻射。圖10b表示膜疊置體的側視圖，其中該疊置體可以在一個襯底82上制造多個器件。襯底82由硅、碳化硅、鋁、砷化鎵或在工業中常用的類似襯底材料制成。層88是氧化物或類似膜，其將第一金屬層83與襯底層82電絕緣但是仍然允許熱傳導。第一金屬層83是高度導電的，并且是相對厚的層，用于熱-遂穿操作而運載電流或者用于熱-光生伏打操作而運載熱量。層83可以例如是銅或者是便宜的金屬，如鋁。間隙層84是金屬或最
29好適合于到間隙的界面的其他膜。在熱-遂穿的情況下，這個層84可以是金，從而保護它不被氧化和污染，因為金是惰性金屬。在熱-光生伏打操作的情況
下，間隙層84可以是鎢或高度光電輻射的材料，以便最大化地將熱量轉換給橫穿間隙的光子。層85是犧牲層，后來在制造層83、 84、 84，和83，的膜疊置體之后去掉它。這個犧牲層提供結構以放棄包括第二電極的附加膜。除去犧牲層85之后，通過圖5、 6、 7或9b的先前所述的力平衡，在層84和84，之間形成間隙。層84'被最佳化以從該間隙接收能量，并保護層83'不受污染或氧化。在熱-遂穿操作的情況下，層84，可以由金構成。在熱-光生伏打操作的情況下，層84'可以是如在圖9a中的材料75所述的光敏材料。層83'是將電流運載出器件的電流運載層，并且其材料可以是銅或鋁。 一旦使用半導體工藝制造了圖10b中所示的膜疊置體，進行串聯電連接，如圖10c所示。在這種情況下，使用線與線鍵合86從頂部電極向相鄰襯底電極進行電連接。電線89表示多個器件的電輸入和輸出。犧牲層85可以由能利用處理液體、氣體或通過金屬化或用熱量蒸發它而可以除去的任何材料構成。
一旦制成圖8、 9a或10c所示的一對器件，則可以將它們插入熱交換器封裝中，例如，如圖lla所示。這里，電極對或電極對陣列92從一個鰭部93向相應鰭部93，熱運動。鰭部93都物理地連接到第一熱板90上，并且相應鰭部93'都物理地連接到第二熱板90'。熱板90和90'分別表示通過將較小熱側93和較小冷側93'聚集在一起而用于熱-遂穿或熱-光生伏打操作的熱側和冷側。熱板90和90，由具有高熱傳導率的材料制成，如銅、鋁或硅。矩形管91提供用于可密封的容器的壁，并且由具有低熱傳導率的材料制成，如玻璃、
(特富龍)Teflon、聚酰亞胺或具有足夠壓縮強度的類似材料。低熱傳導率允許熱板90和冷板90，的熱絕緣，增強系統的效率。如果板90和90'相對于管壁91具有失配的熱膨脹特性，則界面材料95可以由軟真空兼容橡膠構成，如氟橡膠(Viton)或Teflon、聚酰亞胺、或在用于這些類型密封的工業中的用于制造O形環的類似材料。如果r熱板材料90和90'以及管壁材料91的熱膨脹特性大致相等，則界面材料95可以是硬的鍵合材料，如玻璃粉、環氧樹脂、焊料或焊接料。圖lib表示如何建立磁鐵結構，該磁鐵結構包圍圖lla的熱交換器封裝并提供形成圖lla的電極對92中的間隙所需的磁場。永久磁鐵101固定在可磁性滲透材料100的矩形環中。永久磁鐵101可以由用于磁
30鐵的標準材料構成，如鐵、鈷、鎳、釹、硼和鋁的合金。通常，這種合金被燒結成小顆粒，然后用粘合劑材料重裝成所希望的形狀，以便當被磁化時實現高保持磁化。矩形環100可以由在變壓器中使用的相同鋼構成，以使永久磁鐵101產生的磁導率和磁場最大化。這種材料可以是鐵-富裕鋼，或者例如是鐵、鈷、鎳、鉻和鉑的一些其他合金。
圖13表示如何將磁鐵組件按比例增加以容納熱交換器陣列。磁性可滲透
材料110設置成格柵結構，其中有空隙陣列，以便插入圖8、 9a、 10c或lla中所示的器件。永久磁鐵101插入在每個單元中，從而在磁鐵之間產生磁場。
在高度小型化的制造工藝中，圖13的磁鐵陣列可以構建在圖10c的襯底的頂部上并且設置成使得圖10c的電極對被包含在圖13的磁鐵陣列的空隙中。在小型化的情況下，永久磁鐵101和可滲透材料110可以使用標準工藝如蒸發、濺射、或直接鍍覆到襯底上而作為所述材料的金屬膜生長，類似于圖10b中的電極膜的結構。
圖14表示在圖8、 10c、 lla的器件作為熱量向電力的熱-遂穿轉換器操作時所需的附加電路。由于本發明的器件120需要流動的電流，以便實現間隙形成，因此在電流流動之前不存在該間隙。在圖14中，外部電源122提供可用于形成器件120中的間隙的電流。 一旦間隙形成和熱量施加于一個電極，則相對于另一個電極產生溫差。 一旦這個溫差存在，則熱電子的熱-遂穿將開始流動，產生附加電流。 一旦熱-遂穿電流流動，則它單獨地保持器件120中的間隙，如前所述。現在，不再需要外部電源122，因此可以通過開關123關閉它。因此，圖14的電路是電負載126的電源的用于熱量的熱-遂穿轉換的啟動電路。再除去熱源并且后來重建時，開關123可再申請外部電源122。
例5
圖12a表示用于封裝本器件的電極的另一例子，類似于當需要真空環境時如何分裝微電氣機械系統(MEM)。頂部和底部熱板130可以由硅制成，并且可以從標準硅晶片上切下來。硅具有高熱傳導率，因此非常適合于本器件的熱路徑。封裝132的壁由玻璃構成，其具有低熱傳導率單具有接近于硅熱板130的熱膨脹系數。由于玻璃和硅具有相似的熱膨脹特性，因此可以再130和131之間使用公知的玻璃粉鍵合方法。玻璃粉鍵合通常用于將兩個玻璃件鍵合在一起，但是也可以將玻璃鍵合到硅上，因為再暴露于空氣的硅表
31面上自然形成玻璃二氧化硅層。結果是再玻璃和硅之間形成非常硬和緊密密
封，很容易承受真空的壓力。在MEM工業中使用類似的真空封裝用于加速 計、振蕩器和高頻開關。底座層131也由硅制成，并且可以鍵合到熱板134 上。頂部和底部熱板130上的金屬層134用于在封裝內部對電極形成電連接， 不需要通孔或其他機構，這些通孔或其他機構將限制燈泡和其他真空產品的 壽命。
圖12b表示電極如何可以包含在圖12a的真空封裝內。電極對145對應 圖8、 9a、 10c。熱界面材料141將熱量向或從每個電極向封裝的外部傳導， 并給電極提供軟層，用于在操作過程中再次運動。熱界面材料141的例子是 來自Bergquist公司的間隙焊盤、來自Apiezon或Dow化學公司的真空油脂、 來自MER公司的碳納米管化合物、或者與熱傳導顆粒混合的其他軟材料。 鍵合材料143將玻璃壁鍵合到硅熱板上，這種材料的例子是環氧樹脂和玻璃 粉。導線連接電極的底部到頂板和底板。用于該導線的示例材料是由銅、鋁 或其他導電材料構成的平板箔或圓柱線。銅層134允許電流很寬地流過有電 阻硅板130.硅板可以用泵、砷或類似元素摻雜，以便增加其導電性和使流進 封裝的電流的電阻損失最小。當電壓施加于其銅焊盤134時獲得的燈絲140 熱起來了，就像燈泡中的燈絲。合適的材料如鉻酸銫涂敷在燈絲140上，從 而允許銫蒸氣釋放到真空封裝中。銫蒸氣一旦釋放就實現了以下功能(1) 通過與這些氣體反應產生固體，在密封之后排放封裝內部的其余空氣和其他 氣體，(2)通過類似反應除去隨著時間流逝而泄漏到腔室中的氣體，和(3) 在電極145的面向間隙表面上自然地形成銫單層或子單層，由此產生低功函 層，以便促進電子穿過間隙進行發射。
使用磁力分布的其他例子
前面的基礎性例子表示如何設計工作的熱-遂穿系統以實現冷卻或功率 轉換。通過改變前述例1和例2中使用的一個或多個參數，很容易設計其他
例子。可以通過以下改變中的一個或多個來增加間隙距離(1)增加磁場，
(2)減小電壓，(3)增加電流，(4)增加柔性電極的長度，或(5)減小柔 性電極的面積。通過進行相反的改變，可以減小間隙距離。
應該注意的是，這里所述的幾個特征不是必需的，或者不用附加制造復 雜性就可以實現。由于工業不能制造大于納米尺寸的工作熱-遂穿轉換器，因此在較大尺寸的實際行為害不知道。例如，再次參照圖la-lb，如果間隙稍微
小一些，則不需要低功函層5。增強材料5'恰好是通過拋光之后的表面粗糙
度很容易實現的，這自然產生峰和谷，這在增強電子發射上是公知的。如果
選擇電極1或2的電阻性材料，也可以不需要支撐尖端6。圖2a中構圖的電 極，也提供峰和谷以減少靜電力，也可以通過拋光之后的自然表面粗糙度來 實現。最后，如果已經試驗證明了在空氣間隙中的遂穿過程，則也可以不需 要真空腔室20。此外，電極l的指數形狀可以更容易接近，以便制造三角形 狀。所有這些復雜特征(尖端6、層5、增強材料5'、圖2a中的構圖、電極 1的彎曲形狀以及真空腔室20)都被包含在本公開中，用于完成介紹在最終 制造中所需的東西。
這里公開的器件在需要電極之間的均勻間隙的電子工業中在構建各種類 型的電子結時是通用的。例如，具有熱側和冷側之間的不良熱絕緣的熱電器 件可以采用本公開。熱電疊置體的頂部上的真空間隔可以提供較好的熱絕緣， 并且本公開提供用于實現這個間隙的手段，且獨立于熱離子或熱-遂穿方法或 與其組合。
關于這里公開的器件的制造容易性的最后評論涉及其他自然力的討論并 且在兩個非常平滑的表面在一起時會出現。公知用于將平滑表面保持在一起 的兩個吸引力是Casimir力和Van Der Waals力。這些力足夠強以在施加電壓 之前保持本發明的兩個電極在一起，但是希望它們不要強到在本發明操作期 間影響前述靜電力和靜磁力的所希望的相互作用和支配。然而，這些Casimir 力和Van Der Waals力可以確保通過施加電壓來接通該器件之前兩個電極處 于完全表面接觸中。在這種情況下，本發明的操作只需要通過將兩個電極分 離幾納米。這些Casimir力和Van Der Waals力還有助于消除圖1的絕緣層4 的需要，進一歩簡化了本發明的設計。
本器件的多個單元可以并聯和串聯連接在一起，以便實現能量轉換的更 高水平或者使電壓與電源匹配或實現這兩者。
用于磁力實施例的實驗室和模擬結果
利用銅作為箔背襯在微電子實驗室中組裝圖8的電極結構組裝，并且這 個電極對放置在磁鐵結構的內部，如圖llb所示。熱電偶固定到每個電極上， 以便產生正比于溫度的電壓，并且將整個裝置放在真空腔室中，該真空腔室
33被抽真空到1E-3乇的真空壓力。當通過外部電源以1.1安培激活電極對時，
在兩個電極之間產生3.0度的相對溫度差，較冷側是發射電子的一側。當采
取以下行為中的任何一個時則看作除去這個相對溫度差(1)用大氣壓的氮
代替真空，(2)通過斷開外部電源來敦化該芯片，或(3)使電流反向流動以
增加電極之間的吸引接觸力，代替形成間隙。假設這三個行為的每個除去了 熱-遂穿效應。本裝置的電子機械系統的計算機模擬以及所觀察到的電極的電 特性也負荷這個設計，成功地產生熱-遂穿間隙。
例7—彎曲的電極設計
圖15a表示可實現用于熱-遂穿、熱-光生伏打或熱電子應用的大遂穿面積 的另一設計。在這個設計中，電極之一 157被成形為具有稍微凸起曲率，并 且另一個電極158可以是平坦的或凸起的。這種曲率很容易通過具有鍵合在 一起的材料層的組合來實現，其具有不同的熱膨脹系數，還稱為"雙金屬" 結構。當將兩種材料在不同于操作溫度的溫度下鍵合在一起時，這些材料的 熱膨脹差異導致疊置體的曲率。不限制本發明的范圍，圖15a表示使用焊料 膏151將厚雙金屬層150鍵合到銅膜152上的例子。銅膜152可以通過蒸發 或濺射而淀積在鈦粘合劑層153的頂部上，該粘合劑層153同樣淀積在硅襯 底154的頂部。在硅襯底的間隙側是另一鈦粘合劑層155，然后將可以是金 的最后間隙面向層156與銫單層或用于熱-遂穿應用的類似材料、具有用于熱 -電應用的高Seebeck或Peltier系數的材料或者用于熱-光生伏打應用的光敏或 光電材料組合起來。
圖15b表示當將兩個電極組裝在一起時從該曲率得到的圓環。第一內部 區域149是物理接觸區，在熱傳輸應用中，為了防止熱量從熱側向冷側流動， 通常必需將第一內部區域149最小化或消除.第二內部區域148表示電子遂穿 區域，其中在費米能級以下的電子響應施加的電壓或熱激勵而能夠橫穿該間 隙。對于熱-遂穿和熱-光生伏打應用，這個區域通常必需被最小化，但是，如 果間隙面向層156是由于光子運動而通常呈現低電子熱傳導性但高晶格熱傳 導性的半導體，則它仍然可以用于減少由于光子導致的熱傳導。第三內部區 域147表示用于高于費米能級的電子的電子遂穿區域。這些電子通常利于所 希望的熱傳輸以便用于熱-遂穿應用，并且除了由Seebeck和Peltier效應產生 的之外，通過提供熱傳輸機理還有助于熱電應用。外部區域146表示電子基
34本不傳輸的、但是光子經過輻射而傳輸的區域。只有光子傳輸的這個外部區 域利于熱-光生伏打效應，但是對于熱電和熱-遂穿效應是有害的，因為它允許 從熱側向冷側輻射熱量傳輸，特別是在高溫應用如功率產生期間。
在下面的討論中，我們將示出通過添加分離力如何改進這個通用的彎曲
電極發明，其中所述分離力減小或消除接觸區域149，接觸區域149的存在 對于所有熱應用都是有害的。然而，還應該注意和要求保護的是，甚至沒有 分離接觸區域，圖15的設計也具有大利用性。例如，在熱電應用中，需要很 大努力來使穿過結的電子流最大化和使光子流最小化。在大多數熱電器件的 現有技術設計中，所有結區域允許熱量以及電力流動。在圖15的改進設計中， 只有接觸區域149允許由于光子和電子產生的總熱流，第二內部區域148只 允許電子熱流，第二內部區域147利用一些熱-遂穿效應改善了熱電效應。注 意在這種結構中，整個區域149、 148和147可用于電力流動。因此，圖15 表示相對于大于熱流的區域在具有電力流方面的相當大的改進，從而改善了 熱電設計。
對于熱-光生伏打和熱-遂穿應用，還可以希望保持接觸區域149用于較低 的成本設計，這不需要動態間隙控制或甚至真空。
圖15的彎曲電極系統可以設置在具有任何間隙形成激勵器160的真空腔 室中，如圖16所示。這里，另一電極也可以有或沒有激勵器161。該真空腔 室構成為類似于具有玻璃壁142和硅頂部和底部130的圖12b。銅膜或板134 用于將功率施加于該器件或從該器件除去功率，這取決于操作模式。銅線163 和焊料162將電極連接到內板或膜上。
例8—具有Lorentz力分離的彎曲電極設計
圖17表示在存在施加磁場(未示出)的情況下如何使用作用在延伸板 159中流動的電流上的Lorentz力來構成圖15中的間隙形成激勵器160。由于 兩個延伸板159中的電流在相反方向流動，因此在兩個電極之間產生排斥力， 這可以利用Vander Waals、靜電力、彈力和其他吸引力來平衡，如在前面的 實施例中所述的。
例9—具有熱膨脹力的彎曲電極設計 圖18a、 18b和18c表示用于熱激勵器的操作的不同狀態，其中熱激勵器 用作圖15中的160所示的間隙形成激勵器。在本例中，雙金屬材料150和154具有不同的熱膨脹系數。支架164放置在電極的邊緣上以提供接觸點， 通過該接觸點，雙金屬力可以推動以在中心形成間隙。
最初，該器件處于圖18a所示的狀態。這里兩個電極的中心-點彼此接觸， 與圖15的設計相似。當接通該器件時，則將在一個或兩個電極上產生熱量， 這將導致至少一個電極變平。用于這個過程的熱量可來自于電阻或來自于熱 電、熱-遂穿或熱-光生伏打效應的任何一種的熱傳輸，或者可以是這些熱量的 組合。圖18b表示電極變平到形成所希望的間隙所需的程度的狀態。這里， 在中心形成該間隙。如果任何干擾導致這個變平過程形成大于所希望的間隙。 如圖18c所示，則遂穿電流將消失或停止，降低電極溫度和增加其曲率，并 且自然地回復到圖18b的狀態。如前所述，本器件將自動地形成和保持所希 望的間隙，具有不需要陣列或激勵器、多個控制系統、損失間隔器或使表面 變形的先前實施例的優點。
圖18中的支架164被構成為它們可以是從熱側到冷側的不希望的熱量傳 輸的足夠的源。圖19表示改進的結構，其中支架164不產生從一側到另一側 的短熱路徑，并且熱路徑被延長一直通到真空腔室20的壁。
圖20表示為了低成本和容易制造而如何簡化與熱激勵器分離裝置組合 的彎曲電極。在本設計中，真空腔室20具有實際電極作為頂部和底部，壁 164完成封裝。在本設計中，來自腔室20的真空壓力增加了總吸引力，該總 吸引力必需通過由層150和154的不同材料形成的熱膨脹雙金屬的排斥力來 平衡。層156提供用于熱電、熱-遂穿或熱-光生伏打效應的合適材料。在本圖 中，電極158被定為是冷側，并且移動到熱側電極157的熱量提供用于整平 電極157和在中心-點形成所希望的間隙的熱膨脹。圖20的設計實現了與參 照圖18所述相同的自動間隙形成。
當沒有形成或完全形成間隙時，圖20和圖18的設計具有中心-點接觸。 對于熱-遂穿系統，在間隙形成之后，這個接觸可能損害表面的原子平滑度， 減少遂穿。為了防止這個問題，圖21示出了使用具有外部熱源167的替換設 計朝向另一電極157彎曲電極158。 一旦形成所希望的間隙，則可以將向熱 源167的供給電力減小到只用于保持的水平。在這個過程中，應該注意如何 消除電極157和158的物理接觸以防止對面向間隙表面的損害。
例10 —彎曲電極設計的集合圖22示出了如何將來自圖15-21的設計的多個器件集合到較大襯底和較 大真空封裝上。代替構成單一器件，每個具有它們自身的真空腔室，這個設 計可以將圖15-21的多個頂部電極集合到一個襯底173上，將多個底部電極 集合到另一襯底174上。用于電極對的支架(圖22中未示出)可以建立到整 個頂部或底部電極170上。用于集合襯底的材料171可以是真空兼容的材料， 如聚酰亞胺，并且通過在174的頂部堆疊173，然后用真空兼容粘合劑密封 它們的外部邊緣，可以構成真空封裝。圖22中用于電極的表示符"M"、 "P" 和"N"被用來指分別用于熱電子應用的金屬、p型、和n型。173上的所有 p型和174上的所有n型的設置也可以產生集合熱電子設計。對于熱-遂穿， 一側將是發射極，另一側是集電極。對于熱-光生伏打， 一側將是光發射的， 另一側是光敏的。電連接165和166提供電連接到電負載或電源上的裝置。 導線連接172提供電極對的串聯或并聯的單獨連接或者串聯和并聯的組合連 接，這最好地與該負載或電源匹配。如圖22所示，所有電極對串聯連接。
由于硅晶片是當今批量生產的用于電子電路的流行襯底，圖23表示如何 將獨立器件集合到硅晶片上。為了允許單獨電極彎曲而與周圍電極無關，虛 線176表示在晶片的背面切割溝槽。這些溝槽被定為是用于熱膨脹運動的彎 曲點，但是仍然保持足夠的剛性便于晶片用作真空腔室的頂部或底部。該溝 槽還減少對相鄰電極的點干擾，因為可以在虛線176附近選擇性地不摻雜硅。 在這種方式中使用硅晶片還允許在圖23中的晶片上構成圖15中所示的膜疊 置體。
例ll一有或沒有熱彎曲力的用于彎曲設計的測試
冷卻器件建立成具有l.O平方厘米的電極157和158，如圖15a所示，并 且其行為示于圖18中。金屬層150是黃銅，其厚度為0.25mm;半導體層154 是厚度為0.27mm的硅，并且它被摻雜以實現0.003歐姆-厘米(ohm-cm)的 電阻率；粘合劑層151是在40(TC金屬化和流動的焊料膏；硅-金屬粘合劑層 155和153是厚度為20nm的鈦；間隙面向層156是一側上的20nm金膜，該 20nm金膜具有面向該間隙的30nm鉍熱電敏感層。已知鉍具有90微伏rC的 Seebeck系數。圖18中的支架164由杜邦KaptonTM聚酰亞胺構成，其厚度為 25微米，并且在圖15a中的矩形電極157和158之間的四個角的每個上，其 橫截面面積為大約0.25mm。然后將這個組件放在真空腔室中的彈簧-裝載固
37定器之間，其中真空腔室被抽真空到0.001乇。在電極之間施加0.245V的電 壓，將該組件加熱到環境以上27'C，并產生0.8安培的電流。假定納米間隙 已經形成，因為只需要0.014V就很容易形成0.8安培，而電極公知為在環境 溫度下接觸。相信附加電壓是納米真空間隙之間的電壓。將熱電偶放在兩個 電極的每個背面，每次電壓和電流的極性反轉，觀察到9.6。C的溫度擺動。當 電極接觸時，只觀察到0.13"C的溫度擺動。因此，間隙的存在使溫度擺動增 加74倍。
應該強調的是，本發明器件和工藝的上述實施例，特別是"優選"實施 例只是實施的例子，只用于清楚理解本發明的原理。在不脫離本發明的精神 和范圍的情況 當由所附權利要求中所示內容來限定。
權利要求
1、一種包括一對面向電極或電極組件的器件，其中電極或電極組件內的吸引力分布以及相等但相反的排斥力分布同時起作用，從而在它們的所有或部分面向表面之間建立兩個電極的穩定的平衡間隔。
2、 根據權利要求l的器件，其中在器件正常工作期間通過固有的電流分 布、電壓分布或溫度分布、或者這些的任何組合，產生和保持至少一個吸引 力或排斥力分布。
3、 根據權利要求1的器件，其中來自彈簧或多孔性材料的分布的附加力 彌補或抵消所述吸引力和排斥力的大小上的不足或過量。
4、 根據權利要求1的器件，由微電氣機械系統(MEM)工藝和設計技 術制造。
5、 根據權利要求4的器件，其中面向電極的一個或兩個由懸臂結構陣列 構成，所述懸臂結構陣列通過在標準工業襯底上進行膜生長和犧牲層去除的 組合制造。
6、 根據權利要求l的器件，還包括在該器件中產生間隙形成啟動電流的 電路，從而產生能維持兩個電極或電極組件之間的溫度差的間隔，直到電子 遂穿電流可作為間隙產生電流被獲取為止。
7、 根據權利要求1的器件，其中通過在真空封裝中包括銫或鋇或銫和鋇 的組合來形成低功函層，所述真空封裝產生在面向電極的一個或兩個上形成 單層、子單層或多個單層的蒸氣。
8、 根據權利要求7的器件，其中將堿金屬的化合物附著于燈絲上，該燈 絲通過加熱、蒸發和濃縮在容器內產生堿金屬。
9、 根據權利要求8的器件，其中堿金屬是銫，該化合物是鉻酸銫或鉍-銫合金。
10、 根據權利要求8的器件，其中燈絲包括連接器，該連接器以電方式 路由通過摻雜硅熱側，從而消除線孔和通孔。
11、 根據權利要求8的器件，其中燈絲與該器件并聯電連接，并被設計 成在堿金屬被蒸發之后斷開其電路。
12、 根據權利要求1的器件，包括作為吸氣劑從而在制造時或隨后除去不希望的氣體的材料。
13、 根據權利要求12的器件，其中該吸氣劑材料選自由鈦、銫、鋇、鈉、鉀及其組合構成的組。
14、 根據權利要求l的器件，其中電極設置在多個間隔開的層中。
15、 一種包括串聯組裝的權利要求l的器件的多個單元的裝置。
16、 一種包括并聯組裝的權利要求1的器件的多個單元的裝置。
17、 一種包括權利要求1的器件的多個單元的裝置，被制造在晶片或晶片的疊置體上，從而實現制造效率或封裝密度、或者制造效率和封裝密度的組合。
18、 一種包括權利要求1的器件的多個單元的裝置，其中電極放置在較小熱沉上，這些熱沉都連接到較大熱沉上，所述較大熱沉積累流入或流出多個器件的熱。
19、 根據權利要求18的裝置，其中較小熱沉包括從較大熱沉沿不同平面方向延伸并連接到較大熱沉的鰭部。
20、 一種包括權利要求1的器件的多個單元的裝置，其中電極或電極組件被包含在真空容器中，該真空容器具有引入到容器和從容器引出的兩個熱路徑。
21、 根據權利要求20的裝置，其中兩個熱路徑的分隔材料是玻璃、陶瓷、或具有低熱傳導率的其他材料。
22、 根據權利要求20的裝置，其中熱路徑材料由硅、銅、鋁或具有高熱傳導率的其他材料構成。
23、 根據權利要求22的裝置，其中所述容器由壁構成，該壁由玻璃構成，熱路徑是硅，壁和熱路徑使用玻璃粉工藝鍵合在一起，從而形成真空密封。
24、 根據權利要求22的裝置，其中硅材料被高度摻雜以允許與電極進行電連接，從而流過硅并消除到該容器內部的線孔、通孔或類似連接的需要。
25、 根據權利要求22的裝置，其中使用具有足夠熱傳導率的軟熱材料，從而在同時向電極傳導熱量或傳導來自電極的熱量時允許電極輕微運動。
26、 根據權利要求25的裝置，其中該熱材料由液體金屬、無硅烷聚合物、含有碳納米管的混合物、真空兼容油脂或在軟或液體材料中的導熱顆粒的懸浮液構成。
27、 根據權利要求22的裝置，其中到電極或電極組件的連接線用焊料、焊料凸塊、超聲波線鍵合、導電環氧樹脂、焊料膏或接觸壓力來固定。
28、 根據權利要求1的器件，包括多個永久磁鐵和可滲透鐵磁材料，它們設置成具有包含磁場的空隙，在器件被導通和具有電流流過時，該磁場允許在單獨器件中形成間隙。
29、 根據權利要求28的器件，其中永久磁鐵設置在由可滲透磁性材料形成的格柵內部，從而產生器件陣列，該器件陣列具有使熱量傳導到該陣列中的一側和使熱量傳導到該陣列外部的一側。
30、 根據權利要求28的器件，其中永久磁鐵和/或可滲透磁性材料是鐵、鈷、鎳、鉻、鉑、鋁或釹中的一種、是它們的合金、或是它們的重組燒結體。
31、 根據權利要求l的器件，其中至少一個電極表面具有彎曲形狀。
32、 根據權利要求31的器件，其中面向電極是原子級平滑的。
33、 根據權利要求31的器件，其中電極被封閉在真空腔室中。
34、 根據權利要求31的器件，其中電極被封閉在填充有惰性氣體的腔室中。
35、 根據權利要求34的器件，其中惰性氣體包括氬或氮。
36、 根據權利要求31的器件，其中選擇彎曲形狀中以實現在中心點上的小接觸面積和包圍中心點的較大面積，這些面積用于電子遂穿或光子遂穿或光子阻擋或這些的任何組合。
37、 根據權利要求36的器件，其中包圍中心點的面積實現0.5到1納米的間隙，通過阻擋光子傳輸或電子遂穿或這些組合而用于熱隔離。
38、 根據權利要求36的器件，其中包圍中心點的面積實現1到IO納米的間隙，用于熱電子的熱-遂穿。
39、 根據權利要求36的器件，其中包圍中心點的面積實現10到100納米的間隙，用于熱-光生伏打光子遂穿。
40、 根據權利要求36的器件，其中該彎曲形狀是通過鍵合不同熱膨脹特性的兩種材料來實現的。
41、 根據權利要求40的器件，其中該兩種材料是半導體和金屬。
42、 根據權利要求41的器件，其中該半導體是硅、砷化鎵、碳化硅、鍺或碲。
43、 根據權利要求41的器件，其中該半導體是熱電敏感材料，如摻雜或非摻雜的碲化鉍。
44、 根據權利要求41的器件，其中該半導體是光生伏打敏感材料。
45、 根據權利要求31的器件，其中兩個電極之間的接觸是通過分離力來防止的，該分離力抵消吸引力。
46、 根據權利要求45的器件，其中該分離力是由電極或電極組件中流動的電流結合施加的磁場產生的洛倫茲力。
47、 根據權利要求46的器件，還包括安裝在任一個電極上或附近的永久磁鐵。
48、 根據權利要求47的器件，其中永久磁鐵包含任意組合了鐵、鈷、鎳、釹和鋁的導電鐵磁性磁性材料。
49、 一種包括權利要求46的器件的多個單元的裝置，包括多個永久磁鐵和可滲透鐵磁性材料，其設置成具有包含磁場的空隙，當該器件被導通和具有電流流動時，該磁場允許在單獨器件中在面向電極之間形成間隙。
50、 根據權利要求49的裝置，其中永久磁鐵設置在由可滲透磁性材料形成的格柵中，從而傳輸器件陣列，該器件陣列具有使熱流入該陣列的一側和使熱流出該陣列的一側。
51、 根據權利要求46的裝置，其中堿金屬的化合物附著在燈絲上，該燈絲通過加熱、蒸發和濃縮在容器內部產生堿金屬。
52、 根據權利要求51的裝置，其中燈絲連接器以電方式路由通過摻雜硅熱頂部和底部路，從而消除線孔和通孔。
53、 根據權利要求45的裝置，其中分離力是作用在電極之一或兩者上的熱膨脹系力。
54、 根據權利要求53的裝置，其中熱膨脹來自于在操作期間該器件的加熱或冷卻。
55、 根據權利要求53的裝置，其中熱膨脹來自于外部加熱或冷卻源。
56、 根據權利要求53的裝置，其中熱膨脹作用在遂穿和光子-阻擋區域外部的支架上。
57、 根據權利要求56的裝置，其中該支架與兩個電極或兩個電極組件接觸。
58、 根據權利要求31的器件，其中電極或電極組件構成為也是真空腔室的頂部和底部。
59、 根據權利要求56的裝置，其中該支架與一個面向電極或電極組件直接接觸或，而與另一個面向電極或電極組件不直接接觸。
60、 根據權利要求45的裝置，其中該分離力構成為減少或消除電極之間或電極組件之間的潛在相互作用中的一個或多個，包括由于光子傳輸產生的熱傳導、由于電子傳輸產生的熱傳導、由于輻射傳輸產生的熱傳導、或者在費米能級以下的電子的電傳導、或者這些的任何組合。
61、 根據權利要求45的裝置，還包括機械地、磁性地、靜電地、電氣機械地、或者電磁地產生的附加力，該附加力彌補或抵消所述吸引力和分離力的大小上的不足或過量。
62、 根據權利要求61的裝置，其中該附加力來自于彈簧或多孔性材料的分布。
63、 根據權利要求31的器件，其中電極或電極組件具有面向另一電極或電極組件的層，所述層具有高塞貝克或帕爾帖系數以利于熱電效應。
64、 根據權利要求31的器件，其中電極或電極組件具有面向另一電極或電極組件的層，所述層具有低功函材料或諧振遂穿厚度以利于熱-遂穿效應。
65、 根據權利要求64的器件，其中該低功函材料包括堿金屬的多層或其他組合、堿金屬的合金、氧化物、金剛石或納米管。
66、 根據權利要求31的器件，其中一個電極具有光發射層，而另一個電極具有光敏層，以利于熱-光生伏打效應。
67、 根據權利要求31的器件，其中多個電極對串聯或并聯連接或串聯和并聯的組合連接，以利于電壓與負載或電源匹配。
68、 根據權利要求67的器件，其中電極對或電極組件安裝或構建在兩個襯底上。
69、 根據權利要求68的器件，其中該襯底也是真空腔室，并且該襯底含有真空兼容材料。
70、 根據權利要求69的器件，其中該真空兼容材料包括含有硅、聚酰亞胺或玻璃或這些的任意組合的一組材料中的至少一種。
71、 根據權利要求67的器件，其中電極對分開地組合，從而形成它們自身的真空腔室，并且這些電極對是使用印刷電路板技術安裝的。
72、 一種用于將熱能轉換成電流或用于將電能轉換成制冷的過程，包括提供權利要求1或31的器件，并且調整磁場強度和電流分布或溫度分布，從而將面向電極設置在穩定的、間隔開的、平衡位置。
73、 根據權利要求72的過程，其中面向電極在大約20納米或以下的范圍內間隔開。
74、 根據權利要求72的過程，其中調整磁場強度和電流分布，從而將面向電極設置在從1納米到20納米范圍內間隔開的穩定的、平衡位置上。
75、 根據權利要求72的過程，其中該強度產生在20納米到1000納米范圍內的電極間隔，并且一個電極具有光敏材料，該光敏材料在主要通過從輻射電極向另一個光敏電極的光子熱-遂穿而向電能的輻射轉換中使用。
76、 根據權利要求72的過程，其中該強度產生在20納米到100納米范圍內的電極間隔。
77、 一種用于將熱轉換成冷卻或電能的過程，包括提供權利要求31的器件和將該器件置于溫度差之中。
78、 根據權利要求77的過程，其中熱源是輻射源、來自環境的熱量、地熱能量、或由發動機或動物新陳代謝產生的熱量。
79、 根據權利要求77的過程，其中熱源是有生命的人體。
80、 根據權利要求77的過程，其中熱源是有生命的人體，并且該器件是手持器件。
81、 根據權利要求77的過程，其中熱源是運行的電動機、蒸汽機或內燃機、燃燒的燃料或它們的排放氣體。
82、 根據權利要求77的過程，其中熱源是內燃機或其排放氣體，并且該器件被組合在該內燃機或氣體排放管道中作為熱沉。
83、 根據權利要求77的過程，在正常發生的溫度下操作。
84、 根據權利要求77的過程，其中該器件用在電冰箱、空調器、冷卻毯、冷卻衣服中，或用在附著在人體或動物體上或被包含在人體或動物體內的冷卻裝置中。
85、 一種包括權利要求77的器件的多個單元的裝置，其中電極設置成周期性地間隔開的多層。
86、 一種包括權利要求77的器件的多個單元的裝置，其串聯組裝。
87、 一種包括權利要求77的器件的多個單元的裝置，其并聯組裝。
88、 一種包括權利要求77的器件的多個單元的裝置，其被制造在晶片或晶片的疊置體上，從而實現制造效率和封裝密度或制造效率和封裝密度的組
全文摘要
公開了一種用于在遂穿、諧振遂穿、二極管、熱離子、熱-光生伏打和其他器件中保持電極之間的間隔的改進設計。至少一個電極由柔性材料制成。存在磁場以與柔性電極中流動的電流組合并產生與溫度分布組合的力或熱膨脹力，該力或熱膨脹力抗衡電極之間的平衡靜電力或其他吸引力。力的平衡允許以非常小的間距保持電極之間的間隔和彼此之間的并列，而不需要使用多個控制系統、激勵器、或其他處理裝置、或間隔器。設計一個或兩個電極的形狀，使得在電極的整個重疊面積上保持恒定間隔，或者使中心接觸面積最小。最終結果是一種電子器件，其在大面積上保持兩個靠近的隔開的平行電極以均勻的間隙處于穩定的平衡中，其結構簡單，制造方便，用于將熱量轉換成電能或將電能轉換冷卻。
文檔編號H01J1/02GK101512708SQ200780032250
公開日2009年8月19日 申請日期2007年8月28日 優先權日2006年8月30日
發明者塔雷克·馬坎斯 申請人:坦普羅尼克斯公司