JP2009043808A - 熱電装置及び熱電装置の製造方法 - Google Patents

熱電装置及び熱電装置の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2009043808A
JP2009043808A JP2007205176A JP2007205176A JP2009043808A JP 2009043808 A JP2009043808 A JP 2009043808A JP 2007205176 A JP2007205176 A JP 2007205176A JP 2007205176 A JP2007205176 A JP 2007205176A JP 2009043808 A JP2009043808 A JP 2009043808A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric material
type thermoelectric
electrode
substrate
formula
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
JP2007205176A
Other languages
English (en)
Inventor
Minehiro Sotozaki
峰広 外崎
Yoshio Muraoka
祥雄 村岡
Shoichi Yajima
正一 矢島
Yuichi Ishida
祐一 石田
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.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony 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
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2007205176A priority Critical patent/JP2009043808A/ja
Publication of JP2009043808A publication Critical patent/JP2009043808A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

【課題】一定の高さ寸法以上の微細な電極を有する熱電装置、この熱電装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】基板５のそれぞれの内面５ｃには、複数の溝６が設けられており、この複数の溝６に電極４が形成される。すなわち、熱電装置１０の電極４は、基板５内に形成される。これにより、基板５内に電極４を一定の高さ寸法以上で構成することができる。したがって、電極４の抵抗値を下げることができるため、熱電装置１０の熱電性能が増加する。熱電材３の高さを小さく構成する場合、電極４の抵抗値が熱電材３の抵抗値に比して無視できないほど大きくなってしまうため、特に有効である。さらに、電極４を基板５内に設けることで、熱電装置１０自体の高さも小さく構成することができる。また、熱電材３の幅寸法を最適化することにより、熱電装置の熱電性能をさらに向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ペルチェ冷却素子、あるいはゼーベック発電素子として用いられる熱電材を含む熱電装置、及びこの熱電装置の製造方法に関する。
従来から、ＩＣ(Integrated Circuit)チップ、あるいはレーザーダイオードなどの冷却に熱電装置が用いられている。この熱電装置は、絶縁性の１対の基板と、その１対の基板に挟み込まれるように設けられた複数のＰ型の熱電材及びＮ型の熱電材とを備えている。これら複数の熱電材は、例えば１対の基板の対向するそれぞれの内面に形成された電極により直列に接続されている。熱電材に電流が印加されることにより、その電流の向きに応じて熱が移動し、一方の基板が吸熱側になり、他方の基板が放熱側になる。これにより、ＩＣ(Integrated Circuit)チップ、あるいはレーザーダイオードが冷却される。
また、熱電装置は、腕時計のような携帯用電子機器の電力源としても用いられており、この場合には、一方の基板と、他方の基板との間の温度差を利用して発電がなされることになる。
これらの熱電装置を構成する電極を形成する方法として、次のような技術が知られている。基板２の表面に金属層２ａを形成し、その金属層２ａ上に、レジスト１０を塗布した後、フォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターン１０ａを格子状に形成する。このレジストパターン１０ａをマスクとして形成された凹部１０ｂにメッキにより銅電極７を形成し、レジストパターン１０ａを基板２上から剥離する、という技術である(特許文献１参照)。また、真空蒸着法により電極を形成する方法も知られている(特許文献２参照)。
特開２００５−１５９３３８号公報（段落[０００４]、[０００５]、図２３） 特許第３４３２２５７号公報（段落[００４０]、[００５３]、図１）
ところで、熱電装置の熱電性能を向上させるために、熱電材の微細化、及び電極の微細化を試みると、電極の抵抗値が熱電材の抵抗値に比して無視できないほど大きくなる。この電極の抵抗値を下げるために電極の高さ寸法を大きく構成することが有効な手段であると考えられる。
しかし、例えば特許文献２に記載された真空蒸着法や、スパッタリング法などで電極を形成する場合、その電極の高さ寸法は、１μｍが現実的な限界となる。
また、特許文献１に記載された、フォトリソグラフィ技術と電気メッキ法によって電極を形成する方法においては、基板２に形成されるレジストパターン１０ａの幅寸法に対する高さ寸法の比(以下、高さのアスペクト比)が問題となる。銅電極７は、フォトレジスト１０が形成する凹部に電気メッキ法により構成されることから、銅電極７の高さ寸法は、レジストパターン１０ａの高さ寸法に依存する。したがって、銅電極７の高さ寸法を大きく構成する場合にはレジストパターン１０ａの高さ寸法を大きく構成する必要がある。しかし、レジストパターン１０ａの高さのアスペクト比を大きくすると、レジストパターン１０ａを基板２上から剥離する際に、取り残しを生じてしまうため、高さのアスペクト比は、所定の値を超えることができない。例えば、レジストパターン１０ａの幅寸法を５０μｍとすると、電極の高さ寸法は、５０μｍが現実的な限界となる。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、一定の高さ寸法以上の微細な電極を有する熱電装置、この熱電装置の製造方法を提供することにある。
本発明の主たる観点に係る熱電装置は、互いに対向する内面をそれぞれ有し、当該対向する内面にそれぞれ複数の溝を有する１対の基板と、Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材を有し、前記１対の基板に挟み込まれるように設けられた熱電材アレイと、前記複数の溝にそれぞれ設けられ、前記Ｐ型熱電材及び前記Ｎ型熱電材を繋ぐ複数の電極とを具備することを特徴とする。
これにより、基板内に電極を一定の高さ以上で構成することができる。したがって、電極の抵抗値を下げることができるため、熱電装置の熱電性能が増加する。熱電材の高さを小さく構成する場合、電極の抵抗値が熱電材の抵抗値に比して無視できないほど大きくなってしまうため、特に有効である。さらに、電極を基板内に設けることで、熱電装置自体の高さも小さく構成することができる。
上記熱電装置において、前記電極は、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｓｉ合金、Ａｌ、Ｎｉ、及びＣｕのうち少なくとも１つの金属材料で形成されるようにしてもよい。
上記熱電装置において、前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材のそれぞれの幅寸法をＷt、高さ寸法をＨt、奥行き寸法をＤtとし、前記Ｐ型熱電材と前記Ｎ型熱電材との幅寸法方向の間隔をＷgとし、前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の比抵抗の平均値をρtとし、前記電極の高さ寸法をＨe、幅寸法をＷe、奥行き寸法をＤeとし、前記電極の比抵抗をρeとし、前記電極の幅寸法Ｗeが下記の式(１)を満たし、前記間隔Ｗgが下記の式(２)を満たすとき、前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の幅寸法Ｗtが下記の式(３)を満たすようにしてもよい。
Ｗe＝ａ１Ｗt＋Ｗg＋ｂ１ 式(１)
Ｗg＝ａ２Ｗt＋ｂ２ 式(２)
Ｗt＝{ (ρt／ρe)(Ｄe／Ｄt)(ＨtＨe／ａ) }１／２ 式(３)
(式(１)及び式(２)のａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、０以上の実数であり、図(３)のａは、ａ＝ａ１＋ａ２を満たす。)
前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の幅寸法を最適化することにより、熱電装置の電気抵抗を低下させることで、熱電装置の熱電性能をさらに向上させることができる。
上記熱電装置において、前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材のそれぞれの幅寸法をＷt、高さ寸法をＨt、奥行き寸法をＤtとし、前記Ｐ型熱電材と前記Ｎ型熱電材との幅寸法方向の間隔をＷgとし、前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の比抵抗の平均値をρtとし、前記電極の高さ寸法をＨe、幅寸法をＷe、奥行き寸法をＤeとし、前記電極の比抵抗をρeとし、前記電極の幅寸法Ｗeが下記の式(１)を満たし、前記間隔Ｗgが下記の式(２)を満たすとき、前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の幅寸法Ｗtが下記の式(３)を満たすようにしてもよい。
Ｗe＝Ｗt＋Ｗg＋ｂ１ 式(１)
Ｗg＝ａ２Ｗt＋ｂ２ 式(２)
Ｗt＝{ (ρt／ρe)(Ｄe／Ｄt)(ＨtＨe／(１＋ａ２)) }１／２ 式(３)
(式(１)、(２)及び式(３)のａ２、ｂ１、ｂ２は、０以上の実数である。)
上記熱電装置において、前記Ｐ型熱電材の幅寸法をＷtpとし、前記Ｎ型熱電材の幅寸法をＷtnとし、Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材のそれぞれの高さ寸法をＨt、奥行き寸法をＤtとし、前記Ｐ型熱電材と前記Ｎ型熱電材との幅寸法方向の間隔をＷgとし、前記Ｐ型熱電材の比抵抗をρtpとし、前記Ｎ型熱電材の比抵抗をρtnとし、前記電極の高さ寸法をＨe、幅寸法をＷe、奥行き寸法をＤeとし、前記電極の比抵抗をρeとし、前記電極の幅寸法Ｗeが下記の式(１)を満たし、前記間隔Ｗgが下記の式(２)を満たすとき、前記Ｐ型熱電材の幅寸法Ｗtpが下記の式(３)を満たすようにしてもよい。
Ｗe＝ａ１Ｗt＋Ｗg＋ｂ１ 式(１)
Ｗg＝ａ２Ｗt＋ｂ２ 式(２)
Ｗtp＝［{ (ｃ＋１)／２}(ρtp／ρe)(Ｄe／Ｄt)(ＨtＨe／ａ)］１／２ 式(３)
(式(１)及び式(２)のａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、０以上の実数であり、式(３)のａは、ａ＝ａ１＋ａ２を満たし、式(３)のｃは、ｃ＝(ρtn／ρtp)( Ｗtp／Ｗtn)を満たす。)
上記熱電装置において、前記Ｐ型熱電材の幅寸法をＷtpとし、前記Ｎ型熱電材の幅寸法をＷtnとし、Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材のそれぞれの高さ寸法をＨt、奥行き寸法をＤtとし、前記Ｐ型熱電材と前記Ｎ型熱電材との幅寸法方向の間隔をＷgとし、前記Ｐ型熱電材の比抵抗をρtpとし、前記Ｎ型熱電材の比抵抗をρtnとし、前記電極の高さ寸法をＨe、幅寸法をＷe、奥行き寸法をＤeとし、前記電極の比抵抗をρeとし、前記Ｐ型熱電材と前記電極との単位面積あたりの接触電気抵抗をηcpとし、前記Ｎ型熱電材と前記電極との単位面積あたりの接触電気抵抗をηcnとし、前記電極の幅寸法Ｗeが下記の式(１)を満たし、前記間隔Ｗgが下記の式(２)を満たすとき、前記Ｐ型熱電材の幅寸法Ｗtpが下記の式(３)を満たすようにしてもよい。
Ｗe＝ａ１Ｗt＋Ｗg＋ｂ１ 式(１)
Ｗg＝ａ２Ｗt＋ｂ２ 式(２)
Ｗtp＝［［{ (ｃ＋１)ρtpＨt＋２(ｄ＋１)ηcp}／２］(ρtp／ρe)(Ｄe／Ｄt)(ＨtＨe／ａ) ］１／２ 式(３)
(式(１)及び式(２)のａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、０以上の実数であり、式(３)のａは、ａ＝ａ１＋ａ２を満たし、式(３)のｃは、ｃ＝(ρtn／ρtp)( Ｗtp／Ｗtn)を満たし、図(３)のｄは、ｄ＝(ηcn／ηcp)( Ｗtp／Ｗtn)を満たす。)
これにより、電極とＮ型熱電材及びＰ型熱電材との接触電気抵抗が、熱電装置全体の電気抵抗に比して無視することができないほどの大きさであっても、前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材のそれぞれの幅寸法を最適化することにより、熱電装置の電気抵抗を低下させ、熱電装置の冷却性能を向上させることができる。
上記熱電装置において、前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材のそれぞれの幅寸法をＷt、高さ寸法をＨt、奥行き寸法をＤtとし、前記Ｐ型熱電材と前記Ｎ型熱電材との幅寸法方向の間隔をＷgとし、前記Ｐ型熱電材の比抵抗をρtpとし、前記Ｎ型熱電材の比抵抗をρtnとし、前記電極の高さ寸法をＨe、幅寸法をＷe、奥行き寸法をＤeとし、前記電極の比抵抗をρeとし、前記Ｐ型熱電材と前記電極との単位面積あたりの接触電気抵抗をηcpとし、前記Ｎ型熱電材と前記電極との単位面積あたりの接触電気抵抗をηcnとし、前記電極の幅寸法Ｗeが下記の式(１)を満たし、前記間隔Ｗgが下記の式(２)を満たすとき、前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の幅寸法Ｗtが下記の式(３)を満たすようにしてもよい。
Ｗe＝Ｗt＋Ｗg＋ｂ１ 式(１)
Ｗg＝ａ２Ｗt＋ｂ２ 式(２)
Ｗt＝［［{ (ρtp＋ρtn) ／２}Ｈt＋(ｄ＋１)ηcp］(ρtp／ρe)(Ｄe／Ｄt){Ｈe／(１＋ａ２)}］１／２ 式(３)
(式(１)、(２)及び式(３)のａ２、ｂ１、ｂ２は、０以上の実数であり、式(３)のｃは、ｃ＝(ρtn／ρtp)を満たし、式(３)のｄは、ｄ＝(ηcn／ηcp)を満たす。)
本発明に係る熱電装置の製造方法は、第１の基板の内面に設けられた複数の溝に第１の電極をそれぞれ形成し、第２の基板の内面に設けられた複数の溝に第２の電極をそれぞれ形成し、第３の基板の内面に設けられた複数の溝にＰ型熱電材を形成し、第４の基板の内面に設けられた複数の溝にＮ型熱電材を形成し、前記第１の基板の内面及び前記第３の基板の内面を対向させることで、前記第１の電極及び前記Ｐ型熱電材を接合し、前記第２の基板の内面及び前記第４の基板の内面を対向させることで、前記第２の電極及び前記Ｎ型熱電材を接合し、前記第３の基板及び前記第４の基板を除去し、前記第１の基板の内面及び前記第２の基板の内面を対向させることで、前記第１の電極及びＮ型熱電材を接合し、かつ、前記第２の電極及びＰ型熱電材を接合することを特徴とする。
これにより、基板の複数の溝に電極が形成された熱電装置を容易に製造することができる。
上記熱電装置の製造方法において、前記第３の基板及び前記第４の基板を除去する前に、さらに前記第１及び第２の基板に保護皮膜を生成することを特徴とする。
これにより、例えば、第１乃至第４の基板がシリコンで構成されている場合、第３及び第４の基板を除去する前に、前記第１及び第２の基板を酸素雰囲気で酸化させることで酸化膜の保護皮膜を形成することができる。これにより、例えばドライエッチングにより第３及び第４の基板を除去する場合、保護皮膜が形成されていない第３及び第４の基板を容易に除去することができる。
上記熱電装置の製造方法において、前記第１の基板の内面に設けられた複数の溝に電極を形成するステップは、前記第１の電極を構成する金属材料と前記第１の基板の内面とを接触させ、前記金属材料と前記第１の基板とをカプセルで真空封止し、前記金属材料と前記第１の基板とが真空封止された前記カプセルを加圧し、かつ、加熱することを特徴とする。
これにより、第１の基板に設けられた複数の溝に容易に電極を形成することができる。
上記熱電装置の製造方法において、前記第１の基板の内面に設けられた複数の溝に電極を形成するステップは、第１の圧力に調節されたチャンバ内で前記電極を構成する溶融された金属材料に前記第１の基板を浸漬し、前記チャンバ内の圧力を前記第１の圧力より高い第２の圧力とすることを特徴とする。
これにより、第１の基板に設けられた複数の溝に容易に電極を形成することができる。
上記熱電装置の製造方法において、第３の基板の内面に設けられた複数の溝にＰ型熱電材を形成するステップは、前記Ｐ型熱電材を構成するＰ型熱電材料と前記第１の基板の内面とを接触させ、前記Ｐ型熱電材料と前記第１の基板とをカプセルで真空封し、前記Ｐ型熱電材料と前記第１の基板とが真空封止された前記カプセルを加圧し、かつ、加熱することを特徴とする。
これにより、第３の基板に設けられた複数の溝に容易にＰ型熱電材を形成することができる。
以上のように、本発明によれば、一定の高さ寸法以上の微細な電極を有する熱電装置、この熱電装置の製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る熱電装置１０を示す斜視図である。図２は、その断面図である。
熱電装置１０は、対向する１対の基板５ａ、５ｂと、これらの基板５ａ、５ｂの間で交互に並ぶように２次元的に配置された複数のＰ型熱電材（熱電エレメント）３ｐ及び複数のＮ型熱電材３ｎでなる熱電材アレイと、これらＰ型熱電材３ｐ及びＮ型熱電材３ｎを接続する複数の電極４とを備えている。以下、基板５ａ、５ｂのうち一方を基板５という場合もあり、Ｐ型熱電材３ｐ、Ｎ型の熱電材３ｎのうち一方を熱電材３という場合もある。
基板５のそれぞれの内面５ｃには、複数の溝６が設けられており、この複数の溝６に電極４が形成される。すなわち、本実施形態に係る熱電装置１０の電極４は、基板５内に形成される。これにより、基板５内に電極４を一定の高さ寸法以上で構成することができる。したがって、電極４の抵抗値を下げることができるため、熱電装置１０の熱電性能が増加する。熱電材３の高さを小さく構成する場合、電極４の抵抗値が熱電材３の抵抗値に比して無視できないほど大きくなってしまうため、特に有効である。さらに、電極４を基板５内に設けることで、熱電装置１０自体の高さも小さく構成することができる。
この複数の溝６に形成された電極４は、複数のＰ型熱電材３ｐ及びＮ型熱電材３ｎを交互に直列に接続している。熱電装置に電流が印加されると、その電流の向きに応じて一方の基板５から他方の基板５へ熱が移動する。このような熱の移動は電流が流れる方向に応じて変わる。
電極４としては、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｓｉ合金、Ａｌ、Ｎｉ、またはＣｕなどが用いられる。基板５としては、酸化膜が表面に形成された半導体、ガラス、セラミック等が用いられる。Ｐ型、Ｎ型の熱電材３ｐ、３ｎとしては、典型的にはＢｉＴｅ系が用いられるが、ＭｎＳｉ系、ＺｎＳｂ系、ＴＡＧＳ系、ＰｂＴｅ系、または酸化物系等の材料が用いられてもよい。
図３及び図４は、熱電装置１０の製造方法を示す図である。
図３(Ａ)に示すように、複数の溝６を有する基板５(第１の基板または第２の基板)が用意される。この基板５は、例えばシリコン基板が用いられる。基板５ｂは、他の半導体基板でもよいし、ガラス、セラミック等の絶縁基板であってもよいが、以下の説明においては、基板５をシリコン基板５として説明する。
シリコン基板５の複数の溝６は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により形成される。例えば、溝６はフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching）により形成される。反応性イオンエッチングは、ＤＲＩＥ（Deep RIE）であってもよい。あるいはドライエッチングに限られず、ＫＯＨ溶液などが用いられたウェットエッチングであってもよい。
複数の溝６の寸法は、例えば、幅寸法６ａ＝１４６μｍ、奥行き寸法＝２７０μｍ、深さ６ｂ＝１０μｍ〜２００μｍとされ、溝６と溝６との幅方向の間隔６ｃは、例えば２０μｍとされるが、この値に限定されない。
図３(Ｂ)に示すように、シリコン基板５の表面及び溝６には、絶縁膜５ｄが形成される。この絶縁膜５ｄは、例えばシリコン基板５を酸素雰囲気で熱処理することでシリコン基板５の表面に形成された酸化膜である。絶縁膜５ｄは、絶縁材料の塗布などによって、シリコン基板５の表面及び溝６に形成してもよい。この絶縁膜５ｄは、後述するシリコン型７を除去する際の保護皮膜としても機能する。
次に、図３(Ｃ)に示すように、シリコン基板５の複数の溝６に電極４が形成される。
図５は、電極４をシリコン基板５の複数の溝６に形成するための処理装置を示す模式図である。
処理装置２０は、処理対象物１５を収容するチャンバ２１、チャンバ２１内に設けられたヒータ２６、チャンバ２１内を減圧する真空ポンプ２２、チャンバ２１内の真空度を調整する真空バルブ２３を有する。また、処理装置２０は、処理対象物１５を加圧するためにチャンバ２１内にガスを導入して気圧を高めるためのガス供給源２５、導入されるガス量を調整等するガスバルブ２４を有する。つまり、処理装置２０は、熱処理が可能な真空及び加圧装置である。
チャンバ２１内の処理対象物１５は、シリコン基板５(第１の基板、または第２の基板)と、このシリコン基板５の内面５ｃと接触するように配置された電極４の材料である金属材料４ｄと、シリコン基板５及び金属材料４ｄを収容し、真空封止するカプセル材１１と、カプセル材１１の内部に充填された粉末状のセラミック９とで構成される。カプセル材１１は例えばパイレックス（登録商標）ガラス(登録商標)などの強化ガラスや、テフロン（登録商標）(登録商標)などの合成樹脂、あるいはその他の材料が用いられる。また、セラミック９は例えばＢＮが用いられるが、その他の材料であってもよい。
次に処理装置２０を用いて行われる、シリコン基板５の複数の溝６に電極４を形成する方法を説明する。
処理対象物１５がチャンバ２１に収容され、真空ポンプ２２の作動によりチャンバ２１内が減圧されることで、カプセル材１１の内部が減圧される。これにより、シリコン基板５、金属材料４ｄ及びセラミック９のカプセル材１１内への真空封入が完成する（真空カプセリング）。
次に、ガス供給源２５からチャンバ２１内にガスが導入されることで処理対象物１５が加圧され、またヒータ２６により処理対象物１５が加熱される。
例えば、金属材料４ｄとしてＡｕ−Ｓｎ合金(Ｓｎ２０％)、カプセル材１１としてテフロン（登録商標）を用いた場合、処理対象物１５は、圧力０．５ＭＰａ及び温度３２０℃で加圧加熱処理される。Ａｕ−Ｓｎ合金(Ｓｎ２０％)の融点は２９０℃であり、テフロン（登録商標）の融点は３２７℃であるため、チャンバ２１内の温度を３２０℃とすると、Ａｕ−Ｓｎ合金(Ｓｎ２０％)が溶融し、テフロン（登録商標）が軟化する。このテフロン（登録商標）の軟化により、チャンバ２１内の圧力がテフロン（登録商標）内部に伝達され、溶融したＡｕ−Ｓｎ合金(Ｓｎ２０％)がシリコン基板５の複数の溝６内に押し込まれる。これにより、シリコン基板５の複数の溝６に電極４が形成される。
また、金属材料４ｄとしてＡｕ−Ｓｉ合金(Ｓｉ２％)、カプセル材１１として軟化温度４００℃のガラスを用いた場合、処理対象物１５は、圧力０．５ＭＰａ及び温度４００℃で加圧加熱処理される。この場合、融点が３６７℃であるＡｕ−Ｓｉ合金(Ｓｉ２％)が溶融し、シリコン基板５の複数の溝６内に押し込まれ、電極４が形成される。上述の加圧加熱処理の圧力、温度及び時間などの処理条件は、金属材料４ｄ及びカプセル材１１の種類によって適宜設定可能である。
複数の溝６に電極４が形成されたシリコン基板５はチャンバ２１から取り出され、例えばシリコン基板５が適当な大きさに切断され、シリコン基板５から露出する電極４の表面及びシリコン基板の内面５ｃが研磨加工される。このようにして、図３(Ｃ)のような複数の溝６に電極４が設けられたシリコン基板５が形成される。
図５に示すような処理装置２０やカプセル材１１などが用いられることで、容易にシリコン基板５の複数の溝６に電極４を形成することができる。
図６は、電極４をシリコン基板５の複数の溝６に形成するための他の処理装置を示す模式図である。
図６に示すように、処理装置３０は、上述の処理装置２０と同様にチャンバ２１、真空ポンプ２２、真空バルブ２３、ガス供給源２５及びガスバルブ２４を有する。これらの他、処理装置３０は、金属材料４ｄを収容する容器３３と、この容器３３を支持しヒータを内蔵する支持台３４と、シリコン基板５を上下方向に移動させる上下駆動機構３１とを有する。上下駆動機構３１は、例えば固定部材３２を有しており、この固定部材３２にシリコン基板５が固定される。金属材料４ｄは、支持台３４に内蔵されたヒータにより加熱され、容器３３内で溶融される。
まず、複数の溝６が形成されたシリコン基板５(第１の基板、または第２の基板)が固定部材３２に固定され、チャンバ２１内に収容される。次に真空ポンプ２２の作動により、チャンバ２１内が減圧され、第１の圧力とされる。その後、シリコン基板５は、上下駆動機構３１の駆動により、溶融された金属材料４ｄ内に浸漬される。次にチャンバ２１内が加圧され、第１の圧力よりも高い第２の圧力まで上昇される。これにより、溶融された金属材料４ｄがシリコン基板５の複数の溝６に差圧充填される。
次に、シリコン基板５は、上下駆動機構３１の駆動により、溶融された金属材料４ｄ内から引き上げられ、冷却された後、適当な大きさに切断される。このシリコン基板５から露出する電極４の表面及びシリコン基板の内面５ｃが研磨加工される。これにより、図３（Ｃ）のような複数の溝６に電極４が設けられたシリコン基板５が形成される。
図６に示すような処理装置３０が用いられ、シリコン基板５の複数の溝６に金属材料４ｄが差圧充填されることで、複数の溝６に電極４が設けられたシリコン基板５を容易に形成することができる。
また、シリコン基板５の複数の溝６に電極４を形成する他の方法として、電気メッキ法を使用することも可能である。この場合、例えば真空蒸着法や、スパッタリング法などによって、複数の溝６に、Ｃｒ、Ｔｉ，Ｐｔ，Ｍｏ，またはＷなどの薄膜を形成する。この複数の溝６に薄膜が形成されたシリコン基板５が電解液に浸され、電流が流されることで複数の溝６に電極４が形成される。
再び図３を参照して、熱電装置１０の熱電アレイ３の形成方法について説明する。
熱電アレイ３を形成するために図３(Ｄ)に示すような型材となるシリコン基材７が用意される。型材はシリコン以外の材料が用いられてもよい。以下、これをシリコン型７(第３の基板、または第４の基板)と呼ぶ。シリコン型７の内面７ａには、複数の溝が設けられており、この複数の溝８は、例えば、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングを利用したＭＥＭＳ技術により形成される。反応性イオンエッチングは、ＤＲＩＥ（Deep RIE）であってもよい。あるいはドライエッチングに限られずウェットエッチングであってもよい。
複数の溝８の寸法は、例えば、幅寸法８ａ＝６４μｍ、奥行き寸法＝２３０μｍ、深さ８ｂ＝１００μｍとされる。この幅寸法８ａと、奥行き寸法との比は、後述する熱電材３の設計寸法の最適化によって導かれた値である。複数の溝８の寸法は、熱電材３の設計寸法の最適化によって導かれた値が用いられてもよいが、これに限定されない。
溝８と溝８との幅方向の間隔８ｃは、例えば１０４μｍとされるが、この値に限定されない。
図３(Ｅ)に示すように、シリコン型７の複数の溝８にＰ型、またはＮ型の熱電材３が形成される。
この複数の溝８に熱電材３を形成する方法としては、例えば図５に示す処理装置２０が用いられる。この場合、シリコン基板５の代わりにシリコン型７が用いられ、金属材料４ｄの代わりに熱電材の材料である熱電材料が用いられる。このシリコン型７の複数の溝８が設けられた内面７ａと熱電材料とが接触され、カプセル材１１によって真空封止される。シリコン型７と熱電材料とが真空封止されたカプセル材１１が処理対象物１５として処理装置２０によって、加圧加熱処理される。
例えば、カプセル材１１として、パイレックス（登録商標）ガラスが用いられた場合、処理対象物１５は、圧力０．９４ＭＰａ及び温度７２０℃で加圧加熱処理される。これにより、軟化温度が５００℃であるパイレックス（登録商標）ガラスが軟化し、熱電材料が溶融する。このパイレックス（登録商標）ガラスの軟化により、チャンバ２１内の圧力がパイレックス（登録商標）ガラス内部に伝達され、溶融した熱電材料がシリコン型７の複数の溝８内に押し込まれる。これにより、図３(Ｅ)に示すようなシリコン型７の複数の溝８に熱電材３が形成される。
図５に示すような処理装置２０やカプセル材１１などが用いられることで、シリコン型７の複数の溝８に熱電材３を容易に形成することができる。
その他、シリコン型７の複数の溝８に熱電材３が形成される方法として、例えば図６に示す処理装置３０が用いられ、溶融された熱電材料にシリコン型７が浸漬されることで、複数の溝８に熱電材料が差圧充填されてもよい。また、電気メッキ法により、複数の溝８に熱電材３が形成されてもよい。
図３(Ｅ)に示すようなシリコン型７の複数の溝８に熱電材３が形成された後、図３(Ｆ)に示すように、シリコン基板５の内面５ｃとシリコン型７の内面７ａとが対向される。電極４と、熱電材３との間には、例えば半田が介在される。このシリコン基板５とシリコン型７とが、例えば適当なメカニカルな加圧装置によって、加熱処理されながら加圧されることにより、電極４と熱電材３とが接合される。加熱処理の温度は、例えば電極４がＡｕ−Ｓｎ合金(Ｓｎ２０％)である場合には、２９０℃とされるが、この温度については、電極４、及び熱電材３の種類によって適宜設定される。
次に、図４(Ｇ)に示すように、シリコン型７がエッチングにより除去される。このエッチングは、典型的にはＸｅＦ２ガスによるドライエッチングが行われるが、他のガスが用いられてもよい。この場合、シリコン基板５の表面には、上述のように絶縁膜５ｄとして例えば酸化膜が形成されているため、この酸化膜が保護皮膜として機能し、シリコン型７は除去されるが、シリコン基板５は除去されない。このように、保護皮膜が形成されていないシリコン型７を容易に除去することができる。
図４(Ｈ)に示すように、電極４ａにＮ型熱電材３ｎが接合されたシリコン基板５ａの内面５ｃと、電極４ｂにＰ型熱電材３ｐが接合されたシリコン基板５ｂの内面５ｃとが対向される。Ｎ型熱電材３ｎ及び電極４ｂとが接合され、Ｐ型熱電材及び電極４ａが接合されることで、図４(Ｉ)に示すような熱電装置１０が形成される。Ｎ型熱電材３ｎ及び電極４ｂとの接合と、Ｐ型熱電材３ｐ及び電極４ａの接合は、例えば適当なメカニカルな加圧装置によって、シリコン基板５ａとシリコン基板５ｂとが加熱処理されながら加圧されることにより行われる。
図７は、このようにして形成された熱電装置１０の熱電性能を測定する測定手段を示す模式図である。図８は、この測定手段によって熱電性能が測定された測定対象物を示す斜視図である。
図７及び図８に示すように、熱電性能の測定には、測定対象物４１として、１対の電極４と、１対の熱電材３(Ｐ型、及びＮ型)とを有する熱電モジュール４１(以下、モジュール４１)が用いられた。
プローブステーション４０は、モジュール４１を収容する収容部４２と、モジュール４１を載置するための測定台４３と、この測定台４３の温度を制御する温度コントローラ４４と、モジュール４１の温度を視認するためのサーモグラヒィー４５を有している。測定台４３は、温度コントローラによって、例えば２５℃に温度調節される。
プローブステーション４０の収容部４２に収容されたモジュール４１は、電圧測定装置４６と、例えばタングステンプローブ４７を介して接続される。電圧測定装置４６は、電流または電圧の信号を生成するファンクションジェネレータ４８と、その信号波形を視認するためのオシロスコープ４９と、その信号を増幅するアンプ５０とを有している。このアンプ５０がモジュール４１と、例えばタングステンプローブを介して接続され、電圧または電流が測定される。また、モジュール４１は、温度ユニット５１と接続され、温度が測定される。
次に、図７に示す測定手段により測定される、熱電装置１０の熱電性能の測定方法について説明する。ここでいう熱電性能とは、後述するように、１．吸熱側と発熱側との温度差で見たモジュール４１の性能、２．吸熱量の最大値ＱＣｍａｘで見たモジュール４１の性能である。
まず、高さ寸法Ｈeが１００μｍである電極４を有するモジュール４１と、高さ寸法Ｈeが３μｍである電極４を有するモジュール４１が用意される。この高さ寸法Ｈeが１００μｍである電極４を有するモジュール４１を本実施形態に係る熱電装置１０とみなし、高さ寸法Ｈeが３μｍである電極４を有するモジュール４１を従来例に係る熱電装置とみなして、それぞれの熱電性能が測定され、熱電性能の比較が行われる。以下、電極４の高さ寸法が１００μｍである電極４を有するモジュール４１を、第１のモジュール４１といい、電極４の高さ寸法が３μｍである電極４を有するモジュール４１を、第２のモジュール４１という。
第１及び第２のモジュール４１の電極４は、その材質として、ともにＡｕ−Ｓｎ合金(Ｓｎ２０％)が用いられ、また、熱電材３についても、ともに同じ熱電材料が用いられた。第１及び第２のモジュール４１は、それぞれ熱電材３の高さ寸法を変えて、図７に示す測定手段により電圧が測定された。
式(１)’は、無次元性能指数ＺＴを示す式である。この式(１)’の右辺に表されているゼーベック電圧Ｖｓ、及び抵抗による電圧Ｖｉが測定手段により測定され、無次元性能指数ＺＴが求められる。なお、Ｚは性能指数を示し、Ｔは熱電材３の平均温度を示す。
ＺＴ＝Ｖｓ／Ｖｉ・・・(１)’
式(２)’は、熱電材３の吸熱側と発熱側との温度差の最大値ΔＴｍａｘを示す式である。この式(２)’の右辺に表されている性能指数Ｚは、式(１)’から求めることできる。
ΔＴｍａｘ＝ＺＴ２／２・・・(２)’
この式(２)’より、吸熱側と発熱側との温度差で見たモジュール４１の性能が分かる。
一方、式(３)’は、吸熱量の最大値ＱＣｍａｘを示す式である。ここで、Ｓはゼーベック係数、ＴＣは吸熱面温度、Ｒは電気抵抗である。
ＱＣｍａｘ＝(ＳＴＣ)２／２Ｒ・・・(３)’
図９は、式(２)’及び式(３)’により求められた第２のモジュール４１の最大吸熱量ＱＣｍａｘ、及び最大温度差ΔＴｍａｘを基準として、第１のモジュール４１のＱｍａｘ値、及びΔＴｍａｘ値が改善された割合を示す図である。第１及び第２のモジュール４１の熱電材の高さ寸法Ｈtは、それぞれ２０μｍ、５０μｍ、１００μｍとされた。この第１及び第２のモジュール４１の熱電材３がそれぞれ高さ寸法Ｈt＝２０μｍ、５０μｍ、１００μｍである場合に、その熱電材の高さ寸法Ｈtごとに、熱電材の奥行き寸法Ｄtと幅寸法Ｗtとの比が最適化されてＱｍａｘ値、及びΔＴｍａｘ値は測定された。この寸法の最適化については、後に詳述する。なお、図９には、参考として、熱電材料として銅が用いられた場合の改善割合が示されている。
図１０(Ａ)は、第１のモジュール４１(電極の高さ寸法＝１００μｍ、電極４の材質＝Ａｕ−Ｓｎ合金(Ｓｎ２０％)または、Ｃｕ)、及び第２のモジュール４１(電極の高さ寸法Ｈe＝３μｍ、電極４の材質＝Ａｕ−Ｓｎ合金(Ｓｎ２０％))、のＱｃｍａｘ値と、熱電材３の高さ寸法Ｈtとの関係をグラフ化した図である。
図１０(Ｂ)は、第１及び第２のモジュール４１のΔＴｍａｘ値と、熱電材３の高さ寸法Ｈtとの関係をグラフ化した図である。
図１０に示すように、本発明に係る熱電装置１０のＱｃｍａｘ値及びΔＴｍａｘ値は、従来例に比して上昇している。すなわち、本発明に係る熱電装置１０は、熱電性能が向上している。
次に熱電材３の設計寸法の最適化について詳細に説明する。
熱電装置１０の熱電性能を向上させるためには、上述のように電極４の高さ寸法Ｈeを大きく構成することが有効である。しかし、熱電装置によって冷却される冷却対象物であるＩＣ(Integrated Circuit)チップや、レイザーダイオードなどの小型化による局所的な発熱量が増加している。したがって、熱電装置１０の単位面積あたりの熱電性能を向上させることが望まれている。
本発明者等は、様々な数式から、熱電材３の最適な設計寸法を導き出し、熱電材３の設計寸法の最適化が熱電性能の向上に有効であるという知見を得た。
熱電材３の最適な設計寸法の計算方法について、図１１及び図１２を参照して説明する。図１１及び図１２は、モジュールを示す斜視図である。
式(１)は、一般的な熱電装置の吸熱量Ｑｃを示す式である。
ＱＣ＝ＳＴＣＩ−ＲＩ２／２−ＫΔＴ・・・（１）
ここで、ＳＴＣＩは、ゼーベック効果による熱輸送量、−ＲＩ２／２は、ジュール熱により逆流する熱量、−ＫΔＴは、熱伝導により発熱する熱量を示す。また、Ｓはゼーベック係数、ＴＣは吸熱面温度、Ｒは電気抵抗、Ｉは電流、Ｋは熱コンダクタンス、ΔＴは熱電材３の吸熱側と発熱側との温度差である。
この式(１)から最大吸熱量ＱＣｍａｘを求める。
式(１)の両辺を電流Ｉで微分し、最大吸熱量ＱＣｍａｘを与える電流Ｉｍａｘを求める。
∂ＱＣ／∂Ｉ＝ＳＴＣ−ＲＩ・・・（２）
最大吸熱量ＱＣｍａｘを与える電流Ｉｍａｘは、式(２)の左辺を０として求めることができる。
Ｉｍａｘ＝ＳＴＣ／Ｒ・・・（３）
したがって、最大吸熱量ＱＣｍａｘは、式(３)を式(１)に代入して、式(４)として表すことができる。
ＱＣｍａｘ＝(ＳＴＣ)２／２Ｒ・・・（４）
ここで、例えば図１１に示すモジュール６０を熱電装置１０がＮ対有しているとすると、ゼーベック係数Ｓは、式(５)で表される。なお、αＰは、Ｐ型熱電材３ｐのゼーベック係数であり、αＰは、Ｎ型熱電材３ｎのゼーベック係数である。
Ｓ＝Ｎ(｜αＰ｜＋｜αＰ｜)・・・（５）
上記式(４)から、最大吸熱量ＱＣｍａｘを大きくするためには、Ｓを大きくすることが効果的であり、式(５)から、Ｓを大きくするためには、Ｎを大きくすることが有効な手段であることが分かる。したがって、単位面積あたりの最大吸熱量ＱＣｍａｘを大きくするためには、できるだけ熱電材３の断面積(Ｗt×Ｄt)を小さくすることで、単位面積あたりのモジュール６０の数を大きくすればよい。
しかし、熱電材３の断面積を小さく構成する場合、例えば熱電材３の成型、加工精度、若しくはＰ型熱電材とＮ型熱電材とを接合する際の位置決めの制限などが問題となる。この様々な問題により、単位面積あたりのモジュール６０の数には、限界が生じる。
そこで、最大吸熱量ＱＣｍａｘを大きくするために、式(４)の右辺の分母である電気抵抗Ｒを最小化することが考えられる。
式(６)は、図１１に示すモジュール６０をＮ個有する熱電装置１０の電気抵抗Ｒを表す式である。図１１に示すモジュール６０は、Ｐ型熱電材３ｐとＮ型熱電材３ｎとが、それぞれ同じ幅寸法Ｗt、高さ寸法Ｈt、奥行き寸法Ｄtで構成されている。
Ｒ＝Ｎ(２ρtＨt／ＷtＤt＋２ρeＷe／ＤeＨe) ・・・（６）
式(６)及び図１１に示すＷe、Ｈe、及びＤeは、それぞれ電気抵抗Ｒを表現するための実効的な電極４の幅寸法、高さ寸法、奥行き寸法である。この電極４のそれぞれの寸法は、例えば電極４と熱電材３とが半田層により接合されている場合には、電極４とこの半田層とを簡略的に一体的な直方体であるものとみなして、この直方体の電気抵抗Ｒを表現するための実効的な幅寸法、高さ寸法、奥行き寸法を示す場合もある。また、ρtは、Ｐ型熱電材３ｐ及びＮ型熱電材３ｎの比抵抗の平均値であり、ρeは、電極４の比抵抗である。ρeは、モジュール６０が半田層を有している場合には、電極４と半田層を簡略的に一体的な直方体であるものとみなして、この直方体の比抵抗を示す場合もある。
式(６)に示すように、電気抵抗Ｒを最小化するためには、熱電材３の高さ寸法Ｈtを小さく構成することが有効な手段であることが分かる。しかし、熱電材３の成型、加工精度などの問題により、熱電材３の高さ寸法Ｈt小さく構成することには限界がある。
そこで、次の電気抵抗Ｒを最小化するため方法として、熱電材３の幅寸法Ｗtを最適化することが有効な手段であると考えられる。
式(７)は、電気抵抗Ｒを表現するための実効的な電極４の幅寸法Ｗeを、熱電材３の幅寸法Ｗtと、Ｗgとの関数として表した式である。
Ｗe＝ａ１Ｗt＋Ｗg＋ｂ１・・・（７）
式(７)に示すＷgは、図１１に示すように、Ｐ型熱電材３ｐとＮ型熱電材３ｎとの幅方向の間隔を示している。この間隔Ｗgは、熱電材３の幅寸法Ｗtの関数として、式(８)のように表すことができる。
Ｗg＝ａ２Ｗt＋ｂ２・・・（８）
この式(８)を式(７)に代入することで、式(９)を得る。
Ｗe＝(ａ１＋ａ２)Ｗt＋(ｂ１＋ｂ２) ＝ａＷt＋ｂ・・・（９）
ここで、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、０以上の実数であり、ａ＝(ａ１＋ａ２)、ｂ＝(ｂ１＋ｂ２)である。
この式(９)を式(６)に代入することで、図１１に示すモジュール６０の電気抵抗Ｒを式(１０)として表すことができる。
Ｒ＝Ｎ{２ρtＨt／ＷtＤt＋２ρe(ａＷt＋ｂ)／ＤeＨe }・・・（１０）
この式(１０)の右辺に表れている熱電材３の幅寸法Ｗtを変数として考えた場合、電気抵抗Ｒを最小とする熱電材３の幅寸法Ｗtが存在することが分かる。
式(１０)の両辺を熱電材３の幅寸法Ｗtで微分し、Ｒを最小とする熱電材３の幅寸法Ｗtを求める。
∂Ｒ／∂Ｗt＝Ｎ{−２ρtＨt／Ｗt ２Ｄt＋２ρeａＷt／ＤeＨe }・・・（１１）
式(１１)の左辺を０として、式(１２)を得る。
Ｗt＝{ (ρt／ρe)(Ｄe／Ｄt)(ＨtＨe／ａ) }１／２・・・（１２）
この式(１２)により、電気抵抗Ｒを最小とする熱電材３の幅寸法Ｗtが表される。すなわち、式(１２)は、熱電材３の幅寸法Ｗtの最適値を表している。
さらに、熱電材３の奥行き寸法Ｄtと、電極４の奥行き寸法Ｄeとが略同一であるとみなせることから、(Ｄe／Ｄt)≒１と近似することができる場合、式(１２)は、式(１３)と表すことができる。
Ｗt＝{ (ρt／ρe)(ＨtＨe／ａ) }１／２・・・（１３）
また、図１１に示すモジュール６０のＰ型熱電材３ｐとＮ型熱電材３ｎとは、それぞれ略直方体形状であり、略同一寸法であることから、電極４の電気抵抗について、他の端子部の電気抵抗を無視することができる。この場合、式(７)に示すａ１は、１とみなすことができるため、式(１２)は、式(１４)と表すことができる。
Ｗt＝{ (ρt／ρe)(Ｄe／Ｄt){ＨtＨe／(１＋ａ２) }・・・（１４）
次に、Ｐ型熱電材３ｐ及びＮ型熱電材３ｎの高さ寸法Ｈt、奥行き寸法Ｄeについては、それぞれ略同一であるが、幅寸法がそれぞれ異なる場合について説明する。
図１２は、Ｐ型熱電材３ｐ及びＮ型熱電材３ｎのそれぞれの幅寸法が異なる場合のモジュールを示す図である。図１２に示すように、モジュール７０のＰ型熱電材３ｐの幅寸法をＷtpとし、Ｎ型熱電材３ｎの幅寸法をＷtnとする。
ここで、Ｐ型熱電材３ｐの比抵抗をρtpとし、Ｎ型熱電材３ｎの比抵抗をρtnとすると、モジュール７０をＮ個有する熱電装置１０の電気抵抗Ｒ’は、式(１５)と表される。
Ｒ’＝Ｎ(ρtpＨt／ＷtpＤt＋ρtnＨt／ＷtnＤt＋２ρeＷe／ＤeＨe ) ・・・（１５）
この式(１５)に式(１６)を代入することで、式(１７)を得る。
ｃ＝(ρtn／ρtp)( Ｗtp／Ｗtn) ・・・（１６）
Ｒ’＝Ｎ{ (ｃ＋１)ρtpＨt／ＷtpＤt＋２ρeＷe／ＤeＨe } ・・・（１７）
式(１８)は、Ｗeを式(９)と同様にＷtpの関数として表した式である。
Ｗe＝ａＷtp＋ｂ・・・（１８）
この式(１８)を式(１７)に代入し、両辺をＷtpで微分することで式(１９)を得る。
∂Ｒ’／∂Ｗtp＝Ｎ{−(ｃ＋１)ρtpＨt／Ｗtp ２Ｄt＋２ρeａ／ＤeＨe}・・・（１９）
この式(１９)の左辺を０として、電気抵抗Ｒ’を最小とするＰ型熱電材３ｐの幅寸法Ｗtpを求める。
Ｗtp＝［{(ｃ＋１)／２}(ρtp／ρe)(Ｄe／Ｄt)(ＨtＨe／ａ)］１／２・・・（２０）
この式(２０)は、Ｐ型熱電材３ｐの幅寸法Ｗtpの最適値を表している。
次に、電極４と熱電材３との間の接触電気抵抗がモジュール７０全体の電気抵抗を計算する上で無視できないほど大きい場合について説明する。
電極４とＰ型熱電材３ｐとの間の単位面積あたりの接触電気抵抗をηcpとし、電極４とＮ型熱電材３ｎとの間の単位面積あたりの接触電気抵抗をηcnとすると、モジュール７０をＮ個有する熱電装置１０の電気抵抗Ｒ’’は、式(２１)で表される。
Ｒ’’＝Ｎ(ρtpＨt／ＷtpＤt＋ρtnＨt／ＷtnＤt＋２ηcp／ＷtpＤt＋２ηcn／ＷtnＤt＋２ρeＷe／ＤeＨe ) ・・・（２１）
この式(２１)に式(２２)を代入することで式(２３)を得る。
ｄ＝(ηcn／ηcp)( Ｗtp／Ｗtn) ・・・（２２）
Ｒ’’＝Ｎ{ (１＋ｃ)ρtpＨt／ＷtpＤt＋２(１＋ｄ)ηcp／ＷtpＤt＋２ρeＷe／ＤeＨe }・・・（２３）
この電気抵抗Ｒ’’を最小とするＰ型熱電材３ｐの幅寸法Ｗtpについても、上記式(１８)〜(２０)と同様に、微分を用いて計算することで、式(２４)を求めることができる。
Ｗtp＝［［{ (ｃ＋１)ρtpＨt＋２(ｄ＋１)ηcp }／２］(ρtp／ρe)(Ｄe／Ｄt)(ＨtＨe／ａ) ］１／２・・・（２４）
ここで、モジュール７０のＰ型熱電材３ｐの幅寸法Ｗtp及びＮ型熱電材３ｎが略同じ幅寸法である場合には、電極４の電気抵抗について、他の端子部の電気抵抗を無視することができるためａ１＝１とみなすことができる。この場合、Ｗtp＝Ｗtn＝Ｗtとして、式（２４）は、式（２５）と表すことができる。
Ｗt＝［［{ (ρtp＋ρtn) ／２}Ｈt＋(ｄ＋１)ηcp］(ρtp／ρe)(Ｄe／Ｄt){Ｈe／(１＋ａ２)}］１／２＝［{ρtＨt＋(ｄ＋１)ηcp}(ρtp／ρe)(Ｄe／Ｄt){Ｈe／(１＋ａ２)}］１／２・・・（２５）
次に、最大吸熱量ＱＣｍａｘを最大化するために幅寸法Ｗtが最適化された熱電材３を有するモジュール６０の熱電性能について上記式(１)〜式(２５)を参照して説明する。
図１３は、図１１に示すモジュール６０の電極４の高さ寸法Ｈe、及び奥行き寸法Ｄeと、熱電材３の奥行き寸法Ｄtとの構成例を示す図である。図１３に示す構成例Ａ〜Ｄは、それぞれＨe、Ｄe及びＤtの組み合わせが異なっており、電極４の奥行き寸法Ｄeは、熱電材３の奥行き寸法Ｄtの１．２倍となっている。Ｐ型熱電材３ｐ及びＮ型熱電材３ｎは、それぞれ同じ形状、寸法とされた。また、Ｐ型熱電材３ｐ及びＮ型熱電材３ｎの比抵抗の平均値ρtは、ρt＝１．０×１０−５、電極４の比抵抗ρeは、ρe＝２．１×１０−７、式(７)に示すａ１及びｂ１は、ａ１＝１、ｂ１＝０、式(８)に示すａ２及びｂ２は、ａ２＝１、ｂ２＝０とされ、構成例Ａ〜Ｄに関わらず一定とされた。
図１４は、図１３に示す構成例Ａ〜Ｄを条件として、式(１２)を用いて、熱電材３の高さ寸法Ｈtごとに幅寸法Ｗtを最適化し、この最適化された幅寸法Ｗtと奥行き寸法Ｄtとの比(以下、アスペクト比＝Ｗt／Ｄt)を表した図である。
図１４に示すように、熱電材３の高さ寸法Ｈtを小さくしていくと、それに伴い、アスペクト比が小さくなる。この関係から、電気抵抗Ｒを最小化し、最大吸熱量ＱＣｍａｘを最大とするためには、熱電材３の高さ寸法Ｈtを小さくしていくのに従い、熱電材３の形状を奥行き方向に細長い形状とすればよいことが分かる。
ここで、図１４に示すような熱電材３の高さ寸法Ｈtごとに幅寸法Ｗtが最適化されたモジュール６０(以下、最適化モジュール)と、熱電材３の高さ寸法Ｈtに関わらず幅寸法Ｗtが一定であるモジュール６０(以下、一定モジュール)との比較について説明する。なお、一定モジュールのアスペクト比は、１(Ｗt＝Ｄt)であるとして説明する。
図１５は、一定モジュールの最大吸熱量ＱＣｍａｘを基準とした、最適化モジュールの最大吸熱量ＱＣｍａｘの割合をＱＣｍａｘ比として、熱電材３の高さ寸法Ｈtとの関係を表した図である。図１５(Ａ)は、最適化モジュール、及び一定モジュールのそれぞれの電極４の高さ寸法Ｈe、奥行き寸法Ｄe、及び熱電材３の奥行き寸法Ｄtの構成をそれぞれ図１３に示す構成例Ａとした場合のＱＣｍａｘ比を示す図である。また、図１５(Ｂ)、(Ｃ)及び(Ｄ)は、それぞれ図１３に示す構成例Ｂ、Ｃ及びＤに対応している。
図１５(Ａ)に示すように、熱電材３の高さ寸法Ｈtが小さくなるのに従い、ＱＣｍａｘ比は、一度１に近づく。しかし、熱電材３の高さ寸法が０．２ｍｍよりも小さくなると、ＱＣｍａｘ比は、急激に大きくなる。これは、熱電材３の高さ寸法が小さくなり、電極４の電気抵抗が熱電材３の電気抵抗に比して無視できないほど大きくなるのに従って、幅寸法Ｗtの最適化が有効であることを表している。
図１５(Ｂ)は、図１５(Ａ)に比して、ＱＣｍａｘ比が大きい。これは、構成例Ｂの電極４の高さ寸法Ｈeが、構成例Ａの電極４の高さ寸法Ｈeより極端に小さいことから、電極４の電気抵抗が熱電材３の電気抵抗に比して大きいためである。
図１５(Ｃ)及び図１５(Ｄ)は、図１５(Ｂ)に比してＱＣｍａｘ比が小さい。これは、構成Ｃ及び構成Ｄの熱電材３の断面積(Ｗt×Ｄt)が、構成Ｂの熱電材３の断面積よりも小さいため、熱電材３の電気抵抗が大きくなってしまうからである。しかし、構成Ｃ及び構成Ｄの熱電材３は、断面積(Ｗt×Ｄt)が小さいため、単位面積あたりのモジュール６０の個数を増加させることができので、単位面積あたりの最大吸熱量ＱＣｍａｘを増加させることができる。
本発明の一実施の形態に係る熱電装置を示す斜視図である。 図１に示す熱電装置の断面図である。 熱電装置の製造方法を示す図である。 熱電装置の製造方法を示す図である。 電極をシリコン基板の複数の溝に形成するための処理装置を示す模式図である。 電極をシリコン基板の複数の溝に形成するための他の処理装置を示す模式図である。 熱電装置の熱電性能を測定する測定手段を示す模式図である。 図７に示す測定手段によって熱電性能が測定された測定対象物を示す斜視図である。 式(２)’及び式(３)’により求められた第２のモジュールの最大吸熱量ＱＣｍａｘ、及び最大温度差ΔＴｍａｘを基準として、第１のモジュールのＱｍａｘ値、及びΔＴｍａｘ値が改善された割合を示す図である。 モジュールのＱｃｍａｘ値と、電極材の高さ寸法Ｈtとの関係をグラフ化した図、またはモジュールのΔＴｍａｘ値と、電極材の高さ寸法Ｈtとの関係をグラフ化した図である。 Ｐ型熱電材とＮ型熱電材とが、それぞれ同じ幅寸法Ｗt、高さ寸法Ｈt、奥行き寸法Ｄtで構成されているモジュールを示す図である。 Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の高さ寸法Ｈt、奥行き寸法Ｄeについては、それぞれ略同一であるが、幅寸法がそれぞれ異なるモジュールを示す図である。 図１１に示すモジュールの電極の高さ寸法Ｈe、及び奥行き寸法Ｄeと、熱電材の奥行き寸法Ｄtとの構成例を示す図である。 、図１３に示す構成例Ａ〜Ｄを条件として、式(１２)を用いて、熱電材３の高さ寸法Ｈtごとに幅寸法Ｗtを最適化し、この最適化された幅寸法Ｗtと奥行き寸法Ｄtとの比を表した図である。 最適化モジュール、及び一定モジュールのそれぞれの電極の高さ寸法Ｈe、奥行き寸法Ｄe、及び熱電材３の奥行き寸法Ｄtの構成をそれぞれ図１３に示す構成例Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤとした場合のＱＣｍａｘ比を示す図である
符号の説明
３…熱電材
３ｐ…Ｐ型熱電材
３ｎ…Ｎ型熱電材
４、４ａ、４ｂ…電極
４ｄ…金属材料
５、５ａ、５ｂ…シリコン基板
５ｄ…絶縁膜
６、８…溝
１０…熱電装置
１１…カプセル材
２０、３０…処理装置
２１…チャンバ
４１、６０、７０…モジュール

Claims (12)

  1. 互いに対向する内面をそれぞれ有し、当該対向する内面にそれぞれ複数の溝を有する１対の基板と、
    Ｐ型熱電材及びN型熱電材を有し、前記１対の基板に挟み込まれるように設けられた熱電材アレイと、
    前記複数の溝にそれぞれ設けられ、前記Ｐ型熱電材及び前記Ｎ型熱電材を繋ぐ複数の電極と
    を具備することを特徴とする熱電装置。
  2. 請求項１に記載の熱電装置であって、
    前記電極は、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｓｉ合金、Ａｌ、Ｎｉ、及びＣｕのうち少なくとも１つの金属材料で形成されることを特徴とする熱電装置。
  3. 請求項１に記載の熱電装置であって、
    前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材のそれぞれの幅寸法をＷt、高さ寸法をＨt、奥行き寸法をＤtとし、
    前記Ｐ型熱電材と前記Ｎ型熱電材との幅寸法方向の間隔をＷgとし、
    前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の比抵抗の平均値をρtとし、
    前記電極の高さ寸法をＨe、幅寸法をＷe、奥行き寸法をＤeとし、
    前記電極の比抵抗をρeとし、
    前記電極の幅寸法Ｗeが下記の式(１)を満たし、
    前記間隔Ｗgが下記の式(２)を満たすとき、
    前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の幅寸法Ｗtが下記の式(３)を満たす
    ことを特徴とする熱電装置。
    Ｗe＝ａ１Ｗt＋Ｗg＋ｂ１ 式(１)
    Ｗg＝ａ２Ｗt＋ｂ２ 式(２)
    Ｗt＝{ (ρt／ρe)(Ｄe／Ｄt)(ＨtＨe／ａ) }１／２ 式(３)
    (式(１)及び式(２)のａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、０以上の実数であり、図(３)のａは、ａ＝ａ１＋ａ２を満たす。)
  4. 請求項１に記載の熱電装置であって、
    前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材のそれぞれの幅寸法をＷt、高さ寸法をＨt、奥行き寸法をＤtとし、
    前記Ｐ型熱電材と前記Ｎ型熱電材との幅寸法方向の間隔をＷgとし、
    前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の比抵抗の平均値をρtとし、
    前記電極の高さ寸法をＨe、幅寸法をＷe、奥行き寸法をＤeとし、
    前記電極の比抵抗をρeとし、
    前記電極の幅寸法Ｗeが下記の式(１)を満たし、
    前記間隔Ｗgが下記の式(２)を満たすとき、
    前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の幅寸法Ｗtが下記の式(３)を満たす
    ことを特徴とする熱電装置。
    Ｗe＝Ｗt＋Ｗg＋ｂ１ 式(１)
    Ｗg＝ａ２Ｗt＋ｂ２ 式(２)
    Ｗt＝{ (ρt／ρe)(Ｄe／Ｄt)(ＨtＨe／(１＋ａ２)) }１／２ 式(３)
    (式(１)、(２)及び式(３)のａ２、ｂ１、ｂ２は、０以上の実数である。)
  5. 請求項１に記載の熱電装置であって、
    前記Ｐ型熱電材の幅寸法をＷtpとし、前記Ｎ型熱電材の幅寸法をＷtnとし、Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材のそれぞれの高さ寸法をＨt、奥行き寸法をＤtとし、
    前記Ｐ型熱電材と前記Ｎ型熱電材との幅寸法方向の間隔をＷgとし、
    前記Ｐ型熱電材の比抵抗をρtpとし、前記Ｎ型熱電材の比抵抗をρtnとし、
    前記電極の高さ寸法をＨe、幅寸法をＷe、奥行き寸法をＤeとし、
    前記電極の比抵抗をρeとし、
    前記電極の幅寸法Ｗeが下記の式(１)を満たし、
    前記間隔Ｗgが下記の式(２)を満たすとき、
    前記Ｐ型熱電材の幅寸法Ｗtpが下記の式(３)を満たす
    ことを特徴とする熱電装置。
    Ｗe＝ａ１Ｗt＋Ｗg＋ｂ１ 式(１)
    Ｗg＝ａ２Ｗt＋ｂ２ 式(２)
    Ｗtp＝［{ (ｃ＋１)／２}(ρtp／ρe)(Ｄe／Ｄt)(ＨtＨe／ａ)］１／２ 式(３)
    (式(１)及び式(２)のａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、０以上の実数であり、式(３)のａは、ａ＝ａ１＋ａ２を満たし、式(３)のｃは、ｃ＝(ρtn／ρtp)( Ｗtp／Ｗtn)を満たす。)
  6. 請求項１に記載の熱電装置であって、
    前記Ｐ型熱電材の幅寸法をＷtpとし、前記Ｎ型熱電材の幅寸法をＷtnとし、Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材のそれぞれの高さ寸法をＨt、奥行き寸法をＤtとし、
    前記Ｐ型熱電材と前記Ｎ型熱電材との幅寸法方向の間隔をＷgとし、
    前記Ｐ型熱電材の比抵抗をρtpとし、前記Ｎ型熱電材の比抵抗をρtnとし、
    前記電極の高さ寸法をＨe、幅寸法をＷe、奥行き寸法をＤeとし、
    前記電極の比抵抗をρeとし、
    前記Ｐ型熱電材と前記電極との単位面積あたりの接触電気抵抗をηcpとし、前記Ｎ型熱電材と前記電極との単位面積あたりの接触電気抵抗をηcnとし、
    前記電極の幅寸法Ｗeが下記の式(１)を満たし、
    前記間隔Ｗgが下記の式(２)を満たすとき、
    前記Ｐ型熱電材の幅寸法Ｗtpが下記の式(３)を満たす
    ことを特徴とする熱電装置。
    Ｗe＝ａ１Ｗt＋Ｗg＋ｂ１ 式(１)
    Ｗg＝ａ２Ｗt＋ｂ２ 式(２)
    Ｗtp＝［［{ (ｃ＋１)ρtpＨt＋２(ｄ＋１)ηcp}／２］(ρtp／ρe)(Ｄe／Ｄt)(ＨtＨe／ａ) ］１／２ 式(３)
    (式(１)及び式(２)のａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、０以上の実数であり、式(３)のａは、ａ＝ａ１＋ａ２を満たし、式(３)のｃは、ｃ＝(ρtn／ρtp)( Ｗtp／Ｗtn)を満たし、図(３)のｄは、ｄ＝(ηcn／ηcp)( Ｗtp／Ｗtn)を満たす。)
  7. 請求項１に記載の熱電装置であって、
    前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材のそれぞれの幅寸法をＷt、高さ寸法をＨt、奥行き寸法をＤtとし、
    前記Ｐ型熱電材と前記Ｎ型熱電材との幅寸法方向の間隔をＷgとし、
    前記Ｐ型熱電材の比抵抗をρtpとし、前記Ｎ型熱電材の比抵抗をρtnとし、
    前記電極の高さ寸法をＨe、幅寸法をＷe、奥行き寸法をＤeとし、
    前記電極の比抵抗をρeとし、
    前記Ｐ型熱電材と前記電極との単位面積あたりの接触電気抵抗をηcpとし、前記Ｎ型熱電材と前記電極との単位面積あたりの接触電気抵抗をηcnとし、
    前記電極の幅寸法Ｗeが下記の式(１)を満たし、
    前記間隔Ｗgが下記の式(２)を満たすとき、
    前記Ｐ型熱電材及びＮ型熱電材の幅寸法Ｗtが下記の式(３)を満たす
    ことを特徴とする熱電装置。
    Ｗe＝Ｗt＋Ｗg＋ｂ１ 式(１)
    Ｗg＝ａ２Ｗt＋ｂ２ 式(２)
    Ｗt＝［［{ (ρtp＋ρtn) ／２}Ｈt＋(ｄ＋１)ηcp］(ρtp／ρe)(Ｄe／Ｄt){Ｈe／(１＋ａ２)}］１／２ 式(３)
    (式(１)、(２)及び式(３)のａ２、ｂ１、ｂ２は、０以上の実数であり、式(３)のｃは、ｃ＝(ρtn／ρtp)を満たし、式(３)のｄは、ｄ＝(ηcn／ηcp)を満たす。)
  8. 第１の基板の内面に設けられた複数の溝に第１の電極をそれぞれ形成し、
    第２の基板の内面に設けられた複数の溝に第２の電極をそれぞれ形成し、
    第３の基板の内面に設けられた複数の溝にＰ型熱電材を形成し、
    第４の基板の内面に設けられた複数の溝にＮ型熱電材を形成し、
    前記第１の基板の内面及び前記第３の基板の内面を対向させることで、前記第１の電極及び前記Ｐ型熱電材を接合し、
    前記第２の基板の内面及び前記第４の基板の内面を対向させることで、前記第２の電極及び前記Ｎ型熱電材を接合し、
    前記第３の基板及び前記第４の基板を除去し、
    前記第１の基板の内面及び前記第２の基板の内面を対向させることで、前記第１の電極及びＮ型熱電材を接合し、かつ、前記第２の電極及びＰ型熱電材を接合する
    ことを特徴とする熱電装置の製造方法。
  9. 請求項８に記載の熱電装置の製造方法であって、
    前記第３の基板及び前記第４の基板を除去する前に、さらに前記第１及び第２の基板に保護皮膜を生成する
    ことを特徴とする熱電装置の製造方法。
  10. 請求項８に記載の熱電装置の製造方法であって、
    前記第１の基板の内面に設けられた複数の溝に電極を形成するステップは、
    前記第１の電極を構成する金属材料と前記第１の基板の内面とを接触させ、
    前記金属材料と前記第１の基板とをカプセルで真空封止し、
    前記金属材料と前記第１の基板とが真空封止された前記カプセルを加圧し、かつ、加熱する
    ことを特徴とする熱電装置の製造方法。
  11. 請求項８に記載の熱電装置の製造方法であって、
    前記第１の基板の内面に設けられた複数の溝に電極を形成するステップは、
    第１の圧力に調節されたチャンバ内で前記電極を構成する溶融された金属材料に前記第１の基板を浸漬し、
    前記チャンバ内の圧力を前記第１の圧力より高い第２の圧力とする
    ことを特徴とする熱電装置の製造方法。
  12. 請求項８に記載の熱電装置の製造方法であって、
    第３の基板の内面に設けられた複数の溝にＰ型熱電材を形成するステップは、
    前記Ｐ型熱電材を構成するＰ型熱電材料と前記第１の基板の内面とを接触させ、
    前記Ｐ型熱電材料と前記第１の基板とをカプセルで真空封し、
    前記Ｐ型熱電材料と前記第１の基板とが真空封止された前記カプセルを加圧し、かつ、加熱する
    ことを特徴とする熱電装置の製造方法。
JP2007205176A 2007-08-07 2007-08-07 熱電装置及び熱電装置の製造方法 Pending JP2009043808A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007205176A JP2009043808A (ja) 2007-08-07 2007-08-07 熱電装置及び熱電装置の製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007205176A JP2009043808A (ja) 2007-08-07 2007-08-07 熱電装置及び熱電装置の製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009043808A true JP2009043808A (ja) 2009-02-26

Family

ID=40444259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007205176A Pending JP2009043808A (ja) 2007-08-07 2007-08-07 熱電装置及び熱電装置の製造方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009043808A (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011249752A (ja) * 2010-05-26 2011-12-08 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 熱電モジュール及びその製造方法
JP2012044133A (ja) * 2010-08-18 2012-03-01 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 熱電モジュール及びその製造方法
CN109742226A (zh) * 2018-12-28 2019-05-10 上海第二工业大学 一种提高热电发电器件性能的方法
WO2020054205A1 (ja) * 2018-09-10 2020-03-19 株式会社Kelk 熱電変換素子の製造方法及び熱電変換素子
CN117729831A (zh) * 2024-02-18 2024-03-19 四川科尔威光电科技有限公司 一种半导体致冷器陶瓷双面集成电路及其制备方法

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011249752A (ja) * 2010-05-26 2011-12-08 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 熱電モジュール及びその製造方法
JP2012044133A (ja) * 2010-08-18 2012-03-01 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 熱電モジュール及びその製造方法
WO2020054205A1 (ja) * 2018-09-10 2020-03-19 株式会社Kelk 熱電変換素子の製造方法及び熱電変換素子
JP2020043191A (ja) * 2018-09-10 2020-03-19 株式会社Kelk 熱電変換素子の製造方法及び熱電変換素子
CN112703612A (zh) * 2018-09-10 2021-04-23 株式会社Kelk 热电转换元件的制造方法及热电转换元件
US11665964B2 (en) 2018-09-10 2023-05-30 Kelk Ltd. Method for manufacturing thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion element
JP7362062B2 (ja) 2018-09-10 2023-10-17 株式会社Kelk 熱電変換素子の製造方法及び熱電変換素子
CN109742226A (zh) * 2018-12-28 2019-05-10 上海第二工业大学 一种提高热电发电器件性能的方法
CN117729831A (zh) * 2024-02-18 2024-03-19 四川科尔威光电科技有限公司 一种半导体致冷器陶瓷双面集成电路及其制备方法
CN117729831B (zh) * 2024-02-18 2024-06-04 四川科尔威光电科技有限公司 一种半导体致冷器陶瓷双面集成电路及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6603238B2 (en) Micro-relay and method for manufacturing the same
EP1154495A2 (en) Thermoelectric device and a method of manufacturing thereof
US20060042675A1 (en) Thermoelectric device and method of manufacturing the same
US20160133815A1 (en) Thermoelectric module
JP2009043808A (ja) 熱電装置及び熱電装置の製造方法
JP2013522861A (ja) 熱電変換素子とその製造方法
JP2007109942A (ja) 熱電モジュール及び熱電モジュールの製造方法
JP5653455B2 (ja) 熱電変換部材
Lorenzen et al. Micro thermal management of high-power diode laser bars
JP5713526B2 (ja) 熱電変換モジュールならびに冷却装置、発電装置および温度調節装置
JP4383056B2 (ja) 熱電素子モジュールの製造方法
JP4309623B2 (ja) 熱電素子用電極材およびそれを用いた熱電素子
JP2003174202A (ja) 熱電装置とこれを用いた光モジュール及びこれらの製造方法
JP6690017B2 (ja) 熱電モジュール
CA2779062A1 (en) Semiconductor laser module
JP6595320B2 (ja) 熱電モジュール組立体
KR101628171B1 (ko) 열전모듈 제작을 위한 열전소자 고정용 지그
JPH0897472A (ja) 熱電変換素子とその製造方法
US10236430B2 (en) Thermoelectric module
JP2005294538A (ja) 熱電素子、その製造方法及び熱電モジュール
JP5761123B2 (ja) 熱電変換装置
JP2016118554A (ja) 差温センサ
JP4177790B2 (ja) 熱電変換素子とその製造方法
JP2006013200A (ja) 熱電変換モジュール用基板、熱電変換モジュール、冷却装置及び発電装置
US20230337539A1 (en) Manufacture of thermoelectric generators and other devices that include metastructures