CN115023595A - 热流开关元件 - Google Patents

热流开关元件 Download PDF

Info

Publication number
CN115023595A
CN115023595A CN202180011357.8A CN202180011357A CN115023595A CN 115023595 A CN115023595 A CN 115023595A CN 202180011357 A CN202180011357 A CN 202180011357A CN 115023595 A CN115023595 A CN 115023595A
Authority
CN
China
Prior art keywords
heat flow
type semiconductor
flow control
control element
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180011357.8A
Other languages
English (en)
Inventor
藤田利晃
新井皓也
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2020194862A external-priority patent/JP2021136436A/ja
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Publication of CN115023595A publication Critical patent/CN115023595A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one thermoelectric or thermomagnetic element covered by groups H10N10/00 - H10N15/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/14—Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/16—Special arrangements for conducting heat from the object to the sensitive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K17/00—Measuring quantity of heat
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K17/00—Measuring quantity of heat
    • G01K17/06—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)

Abstract

本发明提供一种热流开关元件，其导热系数的变化更大、具有优异的热响应性并且能够直接检测温度变化。本发明所涉及的热流开关元件具备：热流控制元件部(10)，具备N型半导体层(3)、层叠于N型半导体层上的绝缘体层(4)及层叠于绝缘体层上的P型半导体层(5)；及感温元件部(11A、11B)，与热流控制元件部接合。并且，感温元件部具备：薄膜热敏电阻部，由热敏电阻材料形成；及一对对置电极，在薄膜热敏电阻部的上方及下方中的至少一方对置形成，薄膜热敏电阻部层叠于热流控制元件部的上方及下方中的至少一方。

Description

热流开关元件
技术领域
本发明涉及一种利用偏压能够主动控制热传导并且能够直接检测温度变化的热流开关元件。
背景技术
以往，作为改变导热系数的热开关，例如，专利文献1中记载有使热膨胀率不同的两个导热体轻微接触而根据温度梯度的方向而热流方向不同的热二极管。并且，专利文献2中也记载有一种散热装置，其为使用了由热膨胀引起的物理热接触的热开关。
并且，专利文献3中记载有通过因对化合物施加电压引起的可逆的氧化还原反应而导热系数发生变化的可变导热器件。
而且，非专利文献1中提出有通过用两片Ag2S0.6Se0.4来夹持聚酰亚胺胶带并施加电场而改变导热率的热流开关元件。
专利文献1：日本专利第2781892号公报
专利文献2：日本专利第5402346号公报
专利文献3：日本专利公开2016-216688号公报
非专利文献1：松永卓也以及其他四名，“在偏压下进行操作的热流开关元件的制作”(「バイアス電圧で動作する熱流スイッチング素子の作製」)，第15次日本热电学会学术演讲会，2018年9月13日
上述以往的技术中存在以下课题。
即，在专利文献1及2中所记载的技术中，使用由热膨胀引起的物理热接触，因此无法获得重复性，尤其由于变化微小，因此尺寸设计困难，并且无法避免由机械接触压力引起的塑性变形。并且，存在材料之间的对流传热的影响过大的问题。
并且，在专利文献3中所记载的技术中，使用作为一种化学反应的氧化还原反应，存在热响应性差且热传导不稳定等不良情况。
相对于此，在非专利文献1中所记载的技术中，通过施加电压，在材料界面中生成能够热传导的电荷，并且通过该电荷能够输送热量，因此能够立即过渡到热传导发生了变化的状态，从而能够获得比较良好的热响应性。然而，所生成的电荷的量少，因此要求进一步增加所生成的电荷的量且导热系数的变化更大的热流开关元件。
而且，要求能够直接检测伴随导热系数的变化而温度发生了何种变化的热流开关元件。即，要求赋予了感温功能的热流开关元件。
发明内容
本发明是鉴于前述的课题而完成的，其目的在于提供一种热流开关元件，其导热系数的变化更大、具有优异的热响应性并且能够直接检测温度变化。
本发明为了解决所述课题采用了以下结构。即，第一发明所涉及的热流开关元件的特征在于，具备：热流控制元件部，具备N型半导体层、层叠于所述N型半导体层上的绝缘体层及层叠于所述绝缘体层上的P型半导体层；及感温元件部，与所述热流控制元件部接合。
由于该热流开关元件具备：热流控制元件部，具备N型半导体层、层叠于N型半导体层上的绝缘体层及层叠于绝缘体层上的P型半导体层；及感温元件部，与热流控制元件部接合，因此若对P型半导体层及N型半导体层施加电压，则主要在P型半导体层及N型半导体层与绝缘体层的界面感应出电荷，通过该电荷输送热量而导热系数发生变化。尤其，在N型半导体层与绝缘体层的界面及其附近和P型半导体层与绝缘体层的界面及其附近这两者中生成通过外部电压感应出的电荷，因此所生成的电荷量多，从而能够获得导热系数的较大的变化及较高的热响应性。并且，由于是不使用化学反应机构的情况下通过物理方式改变导热系数的机构，因此能够立即过渡到热传导发生了变化的状态，从而能够获得良好的热响应性。
并且，对应于外部电压的大小，在界面中感应出的电荷量发生变化，因此能够通过调整外部电压来调整导热系数，因此通过本元件能够主动控制热流。
另外，绝缘体层为绝缘体，不会产生伴随电压施加的电流，因此不会产生焦耳热。因此，能够主动控制热流，而不会导致自发热。
而且，由于该热流开关元件具备与热流控制元件部接合的感温元件部从而被进行复合化，因此通过感温元件部能够直接检测因热流控制元件部而导致导热系数发生了变化时的温度变化。即，能够在通过感温元件部直接监测温度的同时，通过可实现高速热响应的电压施加型热流控制元件部以较高的响应性来调整热流。
第二发明所涉及的热流开关元件的特征在于，在第一发明中，所述感温元件部具备：薄膜热敏电阻部，由热敏电阻材料形成；及一对对置电极，在所述薄膜热敏电阻部的上方及下方中的至少一方对置形成，所述薄膜热敏电阻部层叠于所述热流控制元件部的上方及下方中的至少一方。
即，在该热流开关元件中，由于薄膜热敏电阻部层叠于热流控制元件部的上方及下方中的至少一方，因此薄膜热敏电阻部与热流控制元件部进行面接触，由此热阻降低，从而能够以高精确度进行温度检测并且实现薄型化。
第三发明所涉及的热流开关元件的特征在于，在第一或第二发明中，所述感温元件部分别设置于所述热流控制元件部的高温侧及低温侧这两侧。
即，在该热流开关元件中，由于感温元件部分别设置于热流控制元件部的高温侧及低温侧这两侧，因此能够在热流控制元件部的高温侧及低温侧这两侧检测温度，对应于热流方向，能够以更高精确度来检测时时刻刻发生变化的热传导的状态。并且，根据在高温侧及低温侧这两侧检测到的温度，能够使用热流控制元件部并通过外部电压来调整热流，因此能够实现如下的热流开关：即便与热流开关元件热接触的物体的温度随时间变化，也会根据当时的热传导的状态来具有非常高的热响应性。
第四发明所涉及的热流开关元件的特征在于，在第一至第三发明中的任一个热流开关元件中的所述热流控制元件部中，所述N型半导体层与所述P型半导体层隔着所述绝缘体层交替层叠为多层。
即，在该热流开关元件中，由于N型半导体层与P型半导体层隔着绝缘体层交替层叠为多层，因此形成多个P型半导体层及N型半导体层与绝缘体层的界面而感应出很多的电荷，从而能够大大改变导热系数。
第五发明所涉及的热流开关元件的特征在于，在第一至第四发明中的任一个热流开关元件中，具备：上部高导热部，设置于所述热流控制元件部的最上部；下部高导热部，设置于所述热流控制元件部的最下部；及外周绝热部，设置成覆盖所述N型半导体层、所述绝缘体层及所述P型半导体层的外周缘，所述上部高导热部及所述下部高导热部由导热性高于所述外周绝热部的材料形成，所述感温元件部与所述上部高导热部及所述下部高导热部中的至少一方接合。
即，在该热流开关元件中，由于上部高导热部及下部高导热部由与外周绝热部相比导热性高的材料形成，因此能够抑制向面内方向的热流，从而能够在层叠方向上获得热开关性。尤其，当在各层的外周配设有N侧电极及P侧电极时，能够通过导热性低的外周绝热部尽量抑制热量向这些电极的流入。
而且，在该热流开关元件中，由于感温元件部与上部高导热部及下部高导热部中的至少一方接合，因此能够通过位于热流的路径上且与导热性高的高导热部接合的感温元件部以更高精确度且较高的响应性来检测温度变化。
第六发明所涉及的热流开关元件的特征在于，在第一至第五发明中的任一个热流开关元件中，具备与所述热流控制元件部接合并且能够检测热流方向的热流传感器部。
即，在该热流开关元件中，由于具备与热流控制元件部接合并且能够检测热流方向的热流传感器部，因此能够在通过热流传感器部确认热流方向的同时控制导热系数。因此能够实现如下的热流开关：即便从与热流开关元件热接触的物体输入输出的热通量随时间变化，也能够根据当时的热传导的状态而具有非常高的热响应性。
第七发明所涉及的热流开关元件的特征在于，在第六发明中，所述热流传感器部具备：多个反常能斯特材料膜，沿相同方向延伸并且沿所述热流控制元件部的平面方向彼此平行地排列，且能获得反常能斯特效应；及连接配线，电性串联连接多个所述反常能斯特材料膜，所述反常能斯特材料膜层叠于所述热流控制元件部上。
即，在该热流开关元件中，由于反常能斯特材料膜层叠于热流控制元件部上，因此反常能斯特材料膜与热流控制元件部进行面接触，由此热阻降低，从而能够以高精确度检测热流方向并且能够实现薄型化。
尤其，通过将在相对于热流方向正交的方向上产生电压的多个反常能斯特材料膜沿平面方向排列并电性串联连接，以较多的配线数量来排列反常能斯特材料膜，由此能够在不增加厚度的情况下放大电压。
第八发明所涉及的热流开关元件的特征在于，在第七发明中，所述感温元件部具备：薄膜热敏电阻部，由热敏电阻材料形成；及一对对置电极，在所述薄膜热敏电阻部的上方及下方中的至少一方对置形成，所述薄膜热敏电阻部与所述反常能斯特材料膜彼此层叠。
即，在该热流开关元件中，由于薄膜热敏电阻部与反常能斯特材料膜彼此层叠，因此薄膜热敏电阻部与反常能斯特材料膜彼此面接触，由此热阻降低，从而能够以高精确度进行温度检测及热流方向的检测并且能够实现薄型化。并且，由于薄膜热敏电阻部具有与反常能斯特材料膜相比高的电阻，且具有较高的绝缘性，因此用于检测所层叠的反常能斯特材料膜的热流的电压检测不易受到薄膜热敏电阻部的导电性的影响。
根据本发明，发挥以下效果。
即，根据本发明所涉及的热流开关元件，由于具备与热流控制元件部接合的感温元件部从而被进行复合化，因此能够在通过感温元件部直接监测温度的同时，通过可实现高速热响应的电压施加型热流控制元件部以较高的响应性来调整热流。
并且，由于具备N型半导体层、层叠于N型半导体层上的绝缘体层及层叠于绝缘体层上的P型半导体层，因此通过施加外部电压而生成的电荷量多，从而能够获得导热系数的较大的变化及较高的热响应性。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的热流开关元件的第一实施方式的立体图。
图2是表示第一实施方式中的热流开关元件的概念剖视图。
图3是表示第一实施方式中的热流开关元件的、去除了上表面的保护膜的状态的俯视图。
图4是用于说明第一实施方式的原理的概念图。
图5是表示本发明所涉及的热流开关元件的第二实施方式的立体图。
图6是表示本发明所涉及的热流开关元件的第三实施方式的概念剖视图。
图7是表示第三实施方式中的热流开关元件的、去除了上表面的保护膜的状态的俯视图。
图8是表示本发明所涉及的热流开关元件的第四实施方式的概念剖视图。
图9是表示第四实施方式中的热流开关元件的俯视图。
具体实施方式
以下，参照图1至图4对本发明所涉及的热流开关元件中的第一实施方式进行说明。另外，在以下说明中所使用的附图中，为了将各部设为可识别或容易识别的大小而根据需要适当变更了比例尺。
如图1及图2所示，本实施方式的热流开关元件1具备：热流控制元件部10，具备N型半导体层3、层叠于N型半导体层3上的绝缘体层4及层叠于绝缘体层4上的P型半导体层5；及感温元件部11A、11B，与热流控制元件部10接合。
如图2及图3所示，上述感温元件部11A、11B具备由热敏电阻材料形成的薄膜热敏电阻部11a及在薄膜热敏电阻部11a的上方及下方中的至少一方对置形成的一对对置电极11b。另外，在薄膜热敏电阻部11a及对置电极11b的上方层叠有绝缘性的保护膜11c。
另外，在本实施方式中，如图3所示，一对对置电极11b在薄膜热敏电阻部11a的上方对置配置。另外，在一对对置电极11b中连接有一对引线8a。
上述薄膜热敏电阻部11a层叠于热流控制元件部10的上方及下方中的至少一方。
在本实施方式中，感温元件部11A、11B分别设置于热流控制元件部10的高温侧及低温侧这两侧。
即，在本实施方式中，热流方向设定为层叠方向，感温元件部11A、11B分别设置于热流控制元件部10的上部及下部这两者。
并且，本实施方式的热流开关元件1具备设置于热流控制元件部10的最上部的上部高导热部18、设置于热流控制元件部10的最下部的下部高导热部2(基材)以及设置成覆盖N型半导体层3、绝缘体层4及P型半导体层5的外周缘的外周绝热部19。
上述上部高导热部18及下部高导热部2由与外周绝热部19相比导热性高的材料形成。
并且，感温元件部11A、11B与上部高导热部18及下部高导热部2中的至少一方接合。
在本实施方式中，感温元件部11B接合在上部高导热部18上。并且，感温元件部11A形成于下部高导热部2上并且隔着保护膜11c在感温元件部11A上形成有热流控制元件部10，由此感温元件部11A通过保护膜11c与热流控制元件部10接合。
而且，如图2所示，本实施方式的热流开关元件1具备与N型半导体层3连接的N侧电极6及与P型半导体层5连接的P侧电极7。
成膜方法采用溅射法、分子束外延法(MBE法)等各种成膜方法。
另外，当能够对N型半导体层3及P型半导体层5直接施加电压时，不需要N侧电极6及P侧电极7。
并且，在N侧电极6及P侧电极7中分别连接有引线6a、7a。
在上述N侧电极6及P侧电极7中连接有外部电源V并被施加电压。
上述下部高导热部2为绝缘性的基材，在该基材(下部高导热部2)上依次层叠有下部感温元件部11A、热流控制元件部10及上部感温元件部11B。
例如，上部高导热部18由硅类树脂(硅酮)等高导热材料形成，并且基材即下部高导热部2采用由氧化铝等形成的高导热基板。
并且，上述外周绝热部19由环氧树脂等低导热材料形成。
外周绝热部19以露出最上部绝缘体层4的一部分的状态覆盖其周围，上部高导热部18以与所露出的最上部绝缘体层4接触的方式形成于上部。
另外，外周绝热部19配设于各层外周并被形成为还覆盖与引线26a、27a连接的N侧电极6及P侧电极7。
在热流控制元件部10中，N型半导体层3与P型半导体层5隔着绝缘体层4交替层叠为多层。
即，在下部的感温元件部11A上首先成膜绝缘体层4，在其上将N型半导体层3与P型半导体层5在它们之间插入绝缘体层4的同时依次重复层叠，以构成三层N型半导体层3、三层P型半导体层5及七层绝缘体层4的层叠体。
各N型半导体层3分别与设置于基端部的N侧连结部3a连接，而且在N侧连结部3a的一部分形成有N侧电极6。并且，各P型半导体层5分别与设置于基端部的P侧连结部5a连接，而且在P侧连结部5a的一部分形成有P侧电极7。
上述各层使用金属掩模来形成有图案。另外，通过错开金属掩模的位置而进行成膜，层叠多个N型半导体层3、P型半导体层5及绝缘体层4。
N型半导体层3及P型半导体层5由厚度小于1μm的薄膜形成。尤其，在与绝缘体层4的界面及其附近生成的电荷e主要在5～10nm的厚度范围内蓄积，因此N型半导体层3及P型半导体层5更优选以100nm以下的膜厚形成。另外，N型半导体层3及P型半导体层5优选为5nm以上的膜厚。
并且，绝缘体层4优选为40nm以上的膜厚，并且设定为不会出现绝缘破坏的厚度。另外，若绝缘体层4过厚，则难以输送电荷e，因此优选设为小于1μm的膜厚。另外，图4中的在N型半导体层3与绝缘体层4的界面及其附近生成的电荷e的种类为电子，以白圈来标记。并且，在P型半导体层5与绝缘体层4的界面及其附近生成的电荷e的种类为空穴，以黑圈来标记(空穴为半导体价带电子的不足而产生的空位，被视为相对具有正电荷)。
N型半导体层3及P型半导体层5优选为具有低的晶格热传导的简并半导体材料，例如能够采用SiGe等热电材料、CrN等氮化物半导体及VO2等氧化物半导体等。另外，N型、P型导电性通过对半导体材料添加N型、P型掺杂剂等来设定。
绝缘体层4优选为导热系数小的绝缘性材料，能够采用SiO2等绝缘体；HfO2、BiFeO3等电介质；聚酰亚胺(PI)等有机材料等。尤其，优选为介电常数高的电介质材料。
上述N侧电极6及上述P侧电极7例如由Mo、Al等金属形成。
如图4所示，本实施方式的热流开关元件1通过施加电场(电压)，在N型半导体层3与绝缘体层4的界面及其附近生成能够热传导的电荷e，由此所生成的电荷e输送热量而导热系数发生变化。
另外，导热系数可由以下式获得。
导热系数＝晶格导热系数+电子导热系数
该两种导热系数中，根据通过施加电场(电压)而生成的电荷量而发生变化的是电子导热系数。因此，在本实施方式中，为了获得更大的导热系数变化，适合的是晶格导热系数小的材料。因此，在N型半导体层3、绝缘体层4及P型半导体层5中的任一层中，也选择晶格导热系数小的材料即导热系数小的材料。
构成本实施方式的各层的材料的导热系数为5W/mK以下，可以更优选为1W/mK以下的较小的导热系数，能够采用上述的材料。
并且，上述电子导热系数相应于根据所施加的外部电场(电压)而生成的电荷e的量而增大。
另外，由于在N型半导体层3及P型半导体层5与绝缘体层4的界面中生成电荷e，因此可通过增加界面的总面积，还增加所生成的电荷e的量。
上述导热系数的测定方法例如通过如下脉冲光加热热反射法来进行：即，通过脉冲激光瞬时加热形成于基板上的薄膜试样，并测定由向薄膜内部的热扩散引起的表面温度的降低速度或表面温度的上升速度，由此求出薄膜的膜压方向的热扩散率或热渗透率的方法。另外，在上述脉冲光加热热反射法中的直接测定热扩散的方法(背面加热/表面测温(RF)方式)中，需要使用脉冲激光可透射的透明基板，因此在不是透明基板的情况下，以测定热渗透率并且换算为导热系数的方式即表面加热/测温(FF)方式来测定导热系数。另外，在该测定中，需要金属膜，采用Mo、Al等。
如图3所示，在上述感温元件部11A、11B中，一对对置电极11b设为具有彼此向对置方向突出的多个梳部11d的梳形，一侧对置电极11b的梳部11d与另一侧对置电极11b的梳部11d交替排列配置。
对置电极11b例如能够采用Cr膜的单层或Cr膜与Au膜的层叠金属膜等各种金属膜。
另外，通常，作为薄膜热敏电阻部11a，采用NTC热敏电阻(表示负的温度特性且因温度的上升而电阻值呈指数函数减少的元件)，但为了快速进行异常温度检测，也可以采用PTC热敏电阻(是一种表示正的温度特性且因温度的上升而电阻值增加的元件。或者是一种表示正的温度特性且当超过某一温度时伴随温度的上升而电阻值急剧变大的元件)及CTR热敏电阻(是一种在具有负的温度系数这一点上与NTC同样，但当超过某一温度范围时电阻值急剧减少的元件)。
通常，作为上述NTC热敏电阻材料，一般已知有氧化物材料，例如可使用如具有尖晶石型晶体结构的(Mn、Co、Ni)3O4或具有钙钛矿型晶体结构(La、Ca)(Cr、Mn)O3那样的氧化物，但作为本实施方式中的薄膜热敏电阻部11a，优选为由通式：MxAyNz(其中，M表示Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及Cu中至少一种，并且A表示Al或(Al及Si)。0.70≤y/(x+y)≤0.98，0.4≤z≤0.5，x+y+z＝1)来表示，且由六方晶系纤锌矿型单相即金属氮化物构成的材料。在本实施方式中，作为薄膜热敏电阻部11a，采用由通式：TixAlyNz(其中，0.70≤y/(x+y)≤0.98，0.4≤z≤0.5，x+y+z＝1)表示且为六方晶系纤锌矿型单相的金属氮化物。
上述薄膜热敏电阻部11a例如在Ti-Al-N的情况下，使用Ti-Al合金溅射靶在含氮气氛中进行反应性溅射来成膜。
纤锌矿型晶体结构为六方晶系的空间群P63mc(No.186)，M与A属于相同的原子位点(M表示Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及Cu中的至少一种，并且A表示Al或(Al及Si))，处于所谓的固溶状态。纤锌矿型取(M、A)N4四面体的顶点连结结构，(M、A)位点的最接近位点为N(氮)，(M、A)取氮4配位。
另外，除Ti以外，V(钒)、Cr(铬)、Mn(锰)、Fe(铁)、Co(钴)、Ni(镍)及Cu(铜)同样在上述晶体结构中能够存在于与Ti相同的原子位点，并且能够成为M元素。有效离子半径为常用于掌握原子之间的距离的物性值，若使用尤其熟知的香农(Shannon)的离子半径的文献值，则能够推测为理论上也可获得纤锌矿型MxAyNz(其中，M表示Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及Cu中的至少一种，并且A表示Al或(Al及Si))。
在以下表1中示出Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Si的各离子种类的有效离子半径(参考论文R.D.Shannon，Acta Crystallogr.，Sect.A，32，751(1976))。
另外，Ti-Al-N通过由Ti来部分取代作为一种具有纤锌矿型晶体结构的氮化物绝缘体的Al-N的Al位点而进行载流子掺杂，并且导电性增加，由此获得热敏电阻特性，但V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及Cu与Ti同样地属于3d过渡金属元素，因此在纤锌矿型MxAyNz(其中，M表示Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及Cu中的至少一种，并且A表示Al或(Al及Si))中，能够获得热敏电阻特性。
[表1]
有效离子半径
参考论文R.D.Shannon，Acta Crystallogr.，Sect.A，32，751(1976)
单位：nm
Figure BDA0003767778920000091
Figure BDA0003767778920000101
如上所述，在上述薄膜热敏电阻部11a中适用NTC热敏电阻、PTC热敏电阻、CTR热敏电阻等各种热敏电阻材料，通常，采用表示负的温度特性且会因温度的上升而电阻值连续地减少的NTC热敏电阻。另外，作为薄膜热敏电阻部11a，若使用当超过某一温度时伴随温度的上升而电阻值急剧变大的PTC热敏电阻、或者当超过某一温度时伴随温度的上升而电阻值急剧变小的CTR热敏电阻，则能够更快速地检测异常温度，从而能够以较高的响应性来调整热流控制元件部的热流。
作为上述PTC热敏电阻材料，采用表示正的温度特性且当超过某一温度时伴随温度的上升而电阻值急剧变大的材料，例如采用BaTiO3、SrTiO3及由微量的Pb等金属元素对这些材料体系进行局部取代后的体系或导电性聚合物(在聚合物中分散有导电性粒子，且因聚合物熔融而导电性粉末的接触被阻断从而电阻增大)等。
作为上述CTR热敏电阻材料，采用当超过某一温度时伴随温度的上升而电阻值急剧减少的金属绝缘体过渡材料，例如采用VO2及由微量的金属元素对VO2的材料体系进行局部取代后的体系等。
在由上述PTC热敏电阻材料及CTR热敏电阻材料构成的薄膜的制作中，适用溅射法、溶胶凝胶法及印刷法等各种成膜方法。
这种本实施方式的热流开关元件1具备：热流控制元件部10，具备N型半导体层3、层叠于N型半导体层3上的绝缘体层4及层叠于绝缘体层4上的P型半导体层5；及感温元件部11A、11B，与热流控制元件部10接合，因此若对P型半导体层5及N型半导体层3施加电压，则主要在P型半导体层5及N型半导体层3与绝缘体层4的界面感应出电荷e，通过该电荷e输送热量而导热系数发生变化。
尤其，在N型半导体层3与绝缘体层4的界面及其附近和P型半导体层5与绝缘体层4的界面及其附近这两者中生成通过外部电压而感应出的电荷e，因此所生成的电荷量多，从而能够获得导热系数的较大的变化及较高的热响应性。并且，由于是不使用化学反应机构的情况下通过物理方式改变导热系数的机构，因此能够立即过渡到热传导发生了变化的状态，从而能够获得良好的热响应性。
并且，对应于外部电压的大小，在界面中感应出的电荷量发生变化，因此可通过调整外部电压来调整导热系数，因此通过本元件能够主动控制热流。
另外，基材即下部高导热部2为绝缘体，不会产生伴随电压施加的电流，因此不会产生焦耳热。因此，能够主动控制热流，而不会导致自发热。
而且，由于该热流开关元件1具备与热流控制元件部10接合的感温元件部11A、11B从而被进行复合化，因此通过感温元件部11A、11B能够直接检测通过热流控制元件部10而导热系数发生了变化时的温度变化。即，能够在通过感温元件部11A、11B直接监测温度的同时，通过可实现高速热响应的电压施加型热流控制元件部10以较高的响应性来调整热流。
尤其，薄膜热敏电阻部11a层叠于热流控制元件部10的上方及下方中的至少一方，因此薄膜热敏电阻部11a与热流控制元件部10进行面接触，由此热阻降低，从而能够以高精确度进行温度检测并且实现薄型化。
并且，感温元件部11A、11B分别设置于热流控制元件部10的高温侧及低温侧这两侧，因此能够在热流控制元件部10的高温侧及低温侧这两侧检测温度，对应于热流方向，能够以更高精确度来检测时时刻刻发生变化的热传导的状态。并且，根据在高温侧及低温侧这两侧检测到的温度，能够使用热流控制元件部并通过外部电压来调整热流，因此能够实现如下的热流开关：即便与热流开关元件热接触的物体的温度随时间变化，也会根据当时的热传导的状态来具有非常高的热响应性。
而且，由于N型半导体层3与P型半导体层5隔着绝缘体层4交替层叠为多层，因此形成多个N型半导体层3及P型半导体层5与绝缘体层4的界面，由此能够感应出较多的电荷e，从而能够大幅改变导热系数。
接着，以下，参照图5至图8对本发明所涉及的热流开关元件的第二～第四实施方式进行说明。另外，在以下各实施方式的说明中，对在上述实施方式中说明的相同的构成要件标注相同的符号，并省略其说明。
第二实施方式与第一实施方式的不同点在于，在第一实施方式中，感温元件部11A、11B设置于热流控制元件部10的上下方，相对于此，在第二实施方式的热流开关元件21中，如图5所示，一对感温元件部21A、21B在热流控制元件部20的上表面彼此分开设置。
即，在第二实施方式中，热流方向为热流控制元件部20的面内方向(平面方向)，在高温侧的端部上设置有感温元件部21A，并且在低温侧的端部上设置有感温元件部21B。
另外，第二实施方式的热流控制元件部20设置成与第一实施方式相比沿热流方向长的带状。
在这种本实施方式的热流开关元件21中，感温元件部21A、21B也分别设置于热流控制元件部20的高温侧及低温侧这两侧，因此能够在热流控制元件部20的高温侧及低温侧这两侧检测温度，对应于热流方向，能够以更高精确度来检测热传导的状态。
接着，第三实施方式与第一实施方式的不同点在于，在第一实施方式中，在热流控制元件部10的上下方分别设置有感温元件部11A、11B，相对于此，在第三实施方式的热流开关元件31中，如图6及图7所示，仅在热流控制元件部10的下方设置有感温元件部11A，并且在热流控制元件部10的上方设置有能够检测热流方向的热流传感器部32。
即，第三实施方式的热流开关元件31具备与热流控制元件部10接合并且能够检测热流方向和/或热通量的热流传感器部32。
上述热流传感器部32具备沿相同方向延伸并且沿热流控制元件部10的平面方向彼此平行地排列且能获得反常能斯特效应的多个反常能斯特材料膜32a及电性串联连接多个反常能斯特材料膜32a的连接配线32b。
在串联连接的反常能斯特材料膜32a的两端分别连接有电极配线32c。
上述连接配线32b及电极配线32c优选为电动势小的Au膜，但也能够采用Cr膜与Au膜的层叠金属膜等。
上述反常能斯特材料膜32a层叠于热流控制元件部10上。
即，在形成于热流控制元件部10上部的上部高导热部18上成膜有反常能斯特材料膜32a、连接配线32b及电极配线32c。
多个反常能斯特材料膜32a形成为与相对于厚度方向的热流产生的电压方向彼此平行地排列的带状或线状。
另外，通过增加串联连接的反常能斯特材料膜32a的数量或长度，也能够加大所获得的电压。
上述反常能斯特材料膜32a能够采用Fe-Al、Fe-Pt、Co-Pt等材料或Co2MnGa、Co2MnAl、Co2MnSi等惠斯勒系合金材料等自发磁化大的铁磁体材料或Mn2Sn等反铁磁材料等。
在上述反常能斯特材料膜形成工序中，例如使用Fe-Al合金溅射靶进行溅射而成膜反常能斯特材料膜32a。
如此在第三实施方式的热流开关元件31中，反常能斯特材料膜32a层叠于热流控制元件部10上，因此反常能斯特材料膜32a与热流控制元件部10进行面接触，由此热阻降低，从而能够以高精确度检测热流方向并且实现薄型化。
尤其，通过将在相对于热流方向正交的方向上产生电压的多个反常能斯特材料膜32a沿平面方向排列并电性串联连接，以较多的配线数量来排列反常能斯特材料膜32a，由此能够在不增加厚度的情况下放大电压。
接着，第四实施方式与第三实施方式的不同点在于，在第一实施方式中，在热流控制元件部10上仅设置有热流传感器部32，相对于此，在第四实施方式的热流开关元件41中，如图8及图9所示，在热流控制元件部10上设置有具有感温功能及热流测定功能的复合元件部42。
即，在第四实施方式中，在形成于热流控制元件部10上部的上部高导热部18上依次层叠薄膜热敏电阻部11a及反常能斯特材料膜32a而构成复合元件部42。
如此在第四实施方式的热流开关元件41中，薄膜热敏电阻部11a与反常能斯特材料膜32a彼此层叠，因此薄膜热敏电阻部11a与反常能斯特材料膜32a彼此面接触，由此热阻降低，从而能够以高精确度进行温度检测及热流方向的检测并且能够实现薄型化。
另外，薄膜热敏电阻部11a具有与反常能斯特材料膜32a相比高的电阻。尤其，当薄膜热敏电阻部由以通式：TixAlyNz(其中，0.70≤y/(x+y)≤0.98，0.4≤z≤0.5，x+y+z＝1)表示的金属氮化物薄膜构成时，不仅获得较高的B常数及高导热率，还具有较高的绝缘性，因此用于检测所层叠的反常能斯特材料膜32a的热流的电压检测不易受到薄膜热敏电阻部11a的导电性的影响。
另外，本发明的技术范围并不限定于上述各实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够附加各种变更。
例如，优选为了降低热阻而采用具备薄膜热敏电阻部的感温元件部，但也可以采用具备热电偶、测温电阻体及芯片热敏电阻等的感温元件部。并且，作为薄膜热敏电阻部，能够采用各种金属氧化物材料或各种金属氮化物材料。
符号说明
1、21、31、41 热流开关元件
2 下部高导热部(基材)
3 N型半导体层
4 绝缘体层
5 P型半导体层
6 N侧电极
7 P侧电极
10 热流控制元件部
11A、11B 感温元件部
11a 薄膜热敏电阻部
11b 对置电极
18 上部高导热部
19 外周绝热部
32 热流传感器部
32a 反常能斯特材料膜
32b 连接配线

Claims (8)

1.一种热流开关元件，其特征在于，具备：
热流控制元件部，具备N型半导体层、层叠于所述N型半导体层上的绝缘体层及层叠于所述绝缘体层上的P型半导体层；及
感温元件部，与所述热流控制元件部接合。
2.根据权利要求1所述的热流开关元件，其特征在于，
所述感温元件部具备：
薄膜热敏电阻部，由热敏电阻材料形成；及
一对对置电极，在所述薄膜热敏电阻部的上方及下方中的至少一方对置形成，
所述薄膜热敏电阻部层叠于所述热流控制元件部的上方及下方中的至少一方。
3.根据权利要求1所述的热流开关元件，其特征在于，
所述感温元件部分别设置于所述热流控制元件部的高温侧及低温侧这两侧。
4.根据权利要求1所述的热流开关元件，其特征在于，
在所述热流控制元件部中，所述N型半导体层与所述P型半导体层隔着所述绝缘体层交替层叠为多层。
5.根据权利要求1所述的热流开关元件，其特征在于，具备：
上部高导热部，设置于所述热流控制元件部的最上部；
下部高导热部，设置于所述热流控制元件部的最下部；及
外周绝热部，设置成覆盖所述N型半导体层、所述绝缘体层及所述P型半导体层的外周缘，
所述上部高导热部及所述下部高导热部由导热性高于所述外周绝热部的材料形成，
所述感温元件部与所述上部高导热部及所述下部高导热部中的至少一方接合。
6.根据权利要求1所述的热流开关元件，其特征在于，具备：
热流传感器部，与所述热流控制元件部接合并且能够检测热流方向。
7.根据权利要求6所述的热流开关元件，其特征在于，
所述热流传感器部具备：
多个反常能斯特材料膜，沿相同方向延伸并且沿所述热流控制元件部的平面方向彼此平行地排列，且能获得反常能斯特效应；及
连接配线，电性串联连接多个所述反常能斯特材料膜，
所述反常能斯特材料膜层叠于所述热流控制元件部上。
8.根据权利要求7所述的热流开关元件，其特征在于，
所述感温元件部具备：
薄膜热敏电阻部，由热敏电阻材料形成；及
一对对置电极，在所述薄膜热敏电阻部的上方及下方中的至少一方对置形成，所述薄膜热敏电阻部与所述反常能斯特材料膜彼此层叠。
CN202180011357.8A 2020-02-21 2021-02-17 热流开关元件 Pending CN115023595A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020027859 2020-02-21
JP2020-027859 2020-02-21
JP2020-194862 2020-11-25
JP2020194862A JP2021136436A (ja) 2020-02-21 2020-11-25 熱流スイッチング素子
PCT/JP2021/005893 WO2021166950A1 (ja) 2020-02-21 2021-02-17 熱流スイッチング素子

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115023595A true CN115023595A (zh) 2022-09-06

Family

ID=77391276

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180011357.8A Pending CN115023595A (zh) 2020-02-21 2021-02-17 热流开关元件

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230109145A1 (zh)
EP (1) EP4109062A4 (zh)
KR (1) KR20220140743A (zh)
CN (1) CN115023595A (zh)
WO (1) WO2021166950A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7435972B2 (ja) * 2020-02-06 2024-02-21 三菱マテリアル株式会社 熱流スイッチング素子

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS542346B1 (zh) 1970-10-23 1979-02-06
JP2781892B2 (ja) 1989-07-06 1998-07-30 石川島播磨重工業株式会社 サーマルダイオード
WO2004068604A1 (ja) * 2003-01-30 2004-08-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 熱スイッチ素子およびその製造方法
JP5402346B2 (ja) 2009-07-17 2014-01-29 トヨタ自動車株式会社 放熱装置
JP5987699B2 (ja) * 2013-01-11 2016-09-07 藤倉化成株式会社 電気レオロジーゲル、および熱伝導率可変成形体
JP2016037913A (ja) * 2014-08-08 2016-03-22 トヨタ自動車株式会社 熱伝導率可変装置及び電圧制御装置
JP6671716B2 (ja) 2015-05-26 2020-03-25 国立大学法人名古屋大学 熱伝導率可変デバイス
JP2019138798A (ja) * 2018-02-13 2019-08-22 三菱マテリアル株式会社 温度センサ

Also Published As

Publication number Publication date
EP4109062A1 (en) 2022-12-28
US20230109145A1 (en) 2023-04-06
KR20220140743A (ko) 2022-10-18
EP4109062A4 (en) 2024-03-06
WO2021166950A1 (ja) 2021-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7944360B2 (en) Temperature sensor using abrupt metal-insulator transition (MIT) and alarm comprising the temperature sensor
US6756782B2 (en) Magnetic field measuring sensor having a shunt resistor and method of regulating the sensor
TW201418682A (zh) 溫度感測器
CN115023595A (zh) 热流开关元件
KR100324098B1 (ko) Ｎｔｃ 써미스터 및 칩형의 ｎｔｃ 써미스터
JP7205770B2 (ja) 複合センサ
JP2021136436A (ja) 熱流スイッチング素子
JP2022140704A (ja) 熱流スイッチング装置
KR20210100503A (ko) 열류 스위칭 소자
JP7435972B2 (ja) 熱流スイッチング素子
WO2023054416A1 (ja) 熱電変換素子及びセンサ
EP4299516A1 (en) Nitride insulator material, method for manufacturing same, heat flow switching element and thermoelectric conversion element
Kanno Transverse thermoelectric effect and its applications using synthetically or naturally anisotropic materials
Heremans et al. Geometrical magnetothermopower in n-and p-type InSb
JP7412703B2 (ja) 熱流スイッチング素子
WO2024203848A1 (ja) 熱電素子及びその製造方法
JP7421164B2 (ja) 熱流スイッチング素子
WO2024203843A1 (ja) 熱電素子
WO2024203801A1 (ja) 熱電素子
CN115096935A (zh) 银基硫族金属绝缘体相变柔性半导体热敏传器与应用技术
JP2023123164A (ja) 酸窒化物絶縁体材料及び熱流スイッチング素子と熱電変換素子
JP2022132081A (ja) 窒化物絶縁体材料及びその製造方法並びに熱流スイッチング素子と熱電変換素子
JP2004526312A (ja) 電流レスポンス抵抗素子
FI20215666A1 (en) Improved negative temperature coefficient thermistor
Lai et al. Thin-film NTC resistor based on SrNb/sub x/Ti/sub 1-x/O/sub 3

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination