JP2009525620A - Proximity electrode with uniform gap - Google Patents
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Abstract
トンネル、ダイオード、熱電子、熱光起電において電極間の分離を維持するための改良設計が開示されている。少なくとも一つの電極は可撓性材料より製作される。磁界は、可撓性電極で流れている電流と結合し、電極間で静電力または他の引力とを平衡させる力を発生させるために存在する。力の平衡は、複数の制御システム、作動装置や他の操作手段またはスペーサの使用を必要とすることなしに電極間の分離と平行を非常に狭い間隔に維持する。一方または両方の電極の形は、電極の全ての重複する領域にわたって一定の分離を維持するように設計されている。結果として、広域にわたる均一なギャップを備え、それらの間に二つの密接に間隔を置かれた平行電極を安定した平行に維持し、簡素化された製造しやすい単純な構造であり、熱を電気にまたは電気を冷却するために使用する。
【選択図】図1Improved designs have been disclosed to maintain the separation between electrodes in tunnels, diodes, thermionics, and thermophotovoltaic. At least one electrode is made of a flexible material. A magnetic field exists to generate a force that combines with the current flowing in the flexible electrodes and balances the electrostatic force or other attractive force between the electrodes. Force balance maintains the separation and parallelism between the electrodes in a very narrow spacing without requiring the use of multiple control systems, actuators or other operating means or spacers. One or both electrode shapes are designed to maintain a constant separation across all overlapping regions of the electrode. The result is a simple structure that is simple and easy to manufacture, with a uniform gap over a wide area, keeping two closely spaced parallel electrodes between them stable and parallel, Used to cool electricity or electricity.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、電極間に非常に狭い間隔を持つ設計であって場合によっては電極間に断熱を必要とするダイオード、熱電子、トンネル、熱光起電、他のデバイスに関する。本発明は、熱トンネル・熱光起電発電機およびヒートポンプに適用でき、熱電子および熱電方法を用いた類似のシステムに適用が可能である。これらの熱トンネル発電機およびヒートポンプは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、逆に作動すると冷凍を行う。本発明はまた、間に電流が流れる近接した平行な二つの電極の間隔を必要とするデバイスに適用できる。 The present invention relates to diodes, thermoelectrons, tunnels, thermophotovoltaic, and other devices that are designed with very narrow spacing between electrodes and in some cases require thermal insulation between the electrodes. The present invention can be applied to thermal tunnel / thermophotovoltaic generators and heat pumps, and can be applied to similar systems using thermionic and thermoelectric methods. These thermal tunnel generators and heat pumps convert heat energy into electrical energy and perform refrigeration when operating in reverse. The present invention is also applicable to devices that require a spacing between two adjacent parallel electrodes through which current flows.
一つの導体(エミッタ)から別の導体(コレクタ)へ高エネルギー電子が流れる現象は、多くの電子デバイスにおいて多様な目的で使用されている。例えば、真空管ダイオードはこのようにして設けられ、その物理現象は熱電子放出と呼ばれた。利用可能な比較的広い物理的間隔によって課せられる制限のため、これらのダイオードは(1000ケルビン温度を超える)非常に高温で作動する必要があった。電子がコレクタまでの長い距離を移動するのに充分なエネルギーを獲得して高い量子障壁を克服するために、高温電極は非常に高温である必要があった。それにもかかわらず、真空管によって電子ダイオードおよび後の増幅器の構築が可能となった。動作温度を低下させるためにセシウムなどのアルカリ金属または酸化物を用いて電極を被覆することにより、時とともにこれらのデバイスは最適化された。熱電子発生の温度は依然として室温よりもはるかに高いが、この発電方法は燃焼または太陽光集光器からの熱を電気に変換するには有効である。 The phenomenon that high-energy electrons flow from one conductor (emitter) to another conductor (collector) is used for many purposes in many electronic devices. For example, the vacuum tube diode was provided in this way, and its physical phenomenon was called thermionic emission. Due to the limitations imposed by the relatively wide physical spacing available, these diodes had to operate at very high temperatures (above 1000 Kelvin temperatures). In order to overcome the high quantum barrier by gaining enough energy for the electrons to travel a long distance to the collector, the hot electrode needed to be very hot. Nevertheless, vacuum tubes allowed the construction of electronic diodes and later amplifiers. Over time, these devices were optimized by coating the electrode with an alkali metal or oxide such as cesium to reduce the operating temperature. Although the temperature of thermionic generation is still much higher than room temperature, this power generation method is effective in converting heat from combustion or solar concentrators into electricity.
後に、エミッタとコレクタとが2から20ナノメートルなどの規模の原子間距離で相互に非常に近接していれば、はるかに低い温度、たとえ室温でも電子が流れることが発見された。この狭い間隔では、二つの電極の原子の電子雲は非常に近接しているため、物理的な伝導がなくてもエミッタ電子雲からコレクタ電子雲へ実際に高温電子が流れる。電子雲が交差しているが電子は物理的に接触していない時のこのタイプの電流は、トンネル電流と呼ばれる。走査トンネル顕微鏡は例えば、導電性表面に非常に近接する尖った導電性の針を用い、針が表面を走査する際の電流の流れを図示することによってこの表面の原子輪郭が描かれる。特許文献1は、走査トンネリング顕微鏡法に適用されるこのような方法を教示している。 Later, it was discovered that if the emitter and collector were very close to each other with an interatomic distance on the order of 2 to 20 nanometers, electrons would flow at a much lower temperature, even at room temperature. At this narrow interval, the electron clouds of the atoms of the two electrodes are very close, so hot electrons actually flow from the emitter electron cloud to the collector electron cloud without physical conduction. This type of current when the electron clouds cross but the electrons are not in physical contact is called a tunneling current. A scanning tunneling microscope uses, for example, a pointed conductive needle very close to the conductive surface, and the atomic contour of this surface is delineated by illustrating the current flow as the needle scans the surface. U.S. Pat. No. 6,057,059 teaches such a method applied to scanning tunneling microscopy.
このような原子分離が広い面積(例えば1平方センチメートル)にわたって維持される場合には、ダイオードなどの単一のデバイスによって多量の熱が電気に変換され、これらのデバイスは冷凍装置として、または多様なソースから使われていない熱エネルギーを回収するのに有効であろうということは産業界で公知である。非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3を参照すること。電極の間の間隔は、「高温」電子(フェルミレベルを超えるエネルギーを持つ電子)が流れるのに充分なほど狭くなければならないが、通常伝導(フェルミレベル以下の電子の流れ)を可能にするほど近接していてはならない。1平方センチメートルあたり数千ワットの電気から冷凍への変換を可能にする2から20ナノメートルの分離距離の有効範囲が存在する。前記の非特許文献1を参照すること。一方の電極から他の電極への電子の移動において低い仕事関数を達成するため、放出電極にアルカリ金属または他の材料のコーティングまたは単層を設けることの長所も、これらの引例は示唆している。このコーティングまたは単層はさらに、動作温度を低下させて変換効率を高める。
If such atomic separation is maintained over a large area (eg 1 square centimeter), a large amount of heat is converted to electricity by a single device such as a diode, which can be used as a refrigeration system or various sources It is known in the industry that it will be effective in recovering unused heat energy from the industry. See Non-Patent
仕事関数が0.7eVで500Kという低温の電極を用いた熱電子冷凍装置の理論的効率はカルノー効率の80%より高いことをMahanは明らかにしている。非特許文献4を参照すること。類推すると、電子トンネルプロセスの変換効率も、高いカルノー効率を持つと予測される。カルノー効率は、達成可能な熱エネルギー変換効率の上限を表す。
Mahan reveals that the theoretical efficiency of a thermionic refrigeration system using a low temperature electrode of 500 e with a work function of 0.7 eV is higher than 80% of the Carnot efficiency. See Non-Patent
広い面積にわたって原子次元での電極の分離を維持することは、導体から熱を除去するデバイスを構築する際の唯一の最も重要な課題であった。例えば走査トンネル顕微鏡では、振動のない特殊な実験室環境が必要であり、その動作は、数平方ナノメートルの範囲に制限される。ごく最近になっても、作動装置における冷却の測定はすべて数平方ナノメートルの範囲に制限されている。非特許文献3を参照すること。
Maintaining electrode separation in the atomic dimension over a large area was the single most important challenge in building devices that remove heat from conductors. For example, a scanning tunneling microscope requires a special laboratory environment without vibrations and its operation is limited to a range of a few square nanometers. Most recently, all measurements of cooling in actuators are limited to a few square nanometers. See Non-Patent
約100ナノメートルという比較的大きな寸法での電極の分離は、熱光起電方法を用いた熱から電気への変換を助けることができる。熱光起電システムでは、光子がギャップを通り抜ける。熱源により一方の光電子放出電極が放射を行い、第2の感光性電極が放射波長ほども離間していない場合には、標準的な光起電システムに対して10倍までの変換パワーが可能である。熱源は、集束太陽光、化石燃料燃焼、他の手段でよい。光電子放出電極は例えばタングステンで製作されてよい。感光性電極はシリコン、セレニウムあるいはインジウムガリウムヒ化物で製作されてよい。熱光起電方法に関するさらなる情報については、非特許文献5を参照すること。
Separation of electrodes with relatively large dimensions of about 100 nanometers can aid in the conversion of heat to electricity using thermophotovoltaic methods. In a thermophotovoltaic system, photons pass through the gap. If one photoelectron emitting electrode emits from a heat source and the second photosensitive electrode is not as far apart as the emission wavelength, up to 10 times the conversion power of a standard photovoltaic system is possible. is there. The heat source may be focused sunlight, fossil fuel combustion, or other means. The photoelectron emission electrode may be made of tungsten, for example. The photosensitive electrode may be made of silicon, selenium or indium gallium arsenide. See
ゆえに、入力としての熱源と出力としてのパワーを必要とする電気回路の両方での使用に好都合なパッケージにおいて、熱エネルギーを電気エネルギーにコスト効率良く有効に変換するデバイスの必要性が残っている。排熱を含む豊富な熱源を容易に電源とすることができよう。このようなデバイスの採用が環境に役立ち、費用を節約し、その両方が可能である例に、以下のようなものがある。
(1)現在使用されている光起電性デバイスよりもコスト効率良く、太陽の熱および光を電気に変換すること。このような熱変換デバイスを用いることによる太陽光集光器からの熱エネルギーを再循環させるための高温熱電子放出が多くの文献に記載されている。前記の非特許文献4を参照すること。しかし、自然発生温度でトンネリングが実施されるならば、このような変換はさらにコストが低く、より普及することになるだろう。
(2)自動車で使用されるような内燃エンジンによって発生する熱を回収して有益な運動にすること。ハイブリッドガス電気自動車と呼ばれる、現在入手可能な自動車のあるものは、電力と内燃のいずれかを利用して運動を発生させることができる。現在の内燃エンジンでは、ガソリンエネルギーの約75%が排熱に変換されている。トンネル変換デバイスであれば、ハイブリッド自動車のエンジンからこの熱エネルギーの大部分を回収して、後で使用するためにバッテリに入れておくことができる。特許文献2は、燃焼室からの熱を変換してこのエネルギーを蓄積するか運動に変換する方法を教示している。
(3)有害ガスが大気へ流入する必要性を少なくすること。よりエネルギー効率の良いハイブリッド自動車は、大気へ放出される有害排気ガスが減少される明白な例である。ハイブリッドエンジンのエンジン熱および排熱を変換してからこれを蓄積するかハイブリッドバッテリで電気を発生させるデバイスは、ハイブリッド自動車の効率をさらに高めるとともに有害ガスを排出する必要性を少なくする。冷凍に使用される冷却剤は熱を取り除く必要のある他の有害ガスの例であり、トンネル変換デバイスは有害ガスを放出する必要性を少なくするであろう。
(4)入手できる時に熱エネルギーを回収し、これを化学エネルギーとしてバッテリに蓄積し、入手できない時にこれを再利用すること。トンネル変換装置は、日中は太陽エネルギーを電気に変換し、これをバッテリに蓄積することができよう。夜間は、蓄積されたバッテリ電力を使用し電気を発生させることができよう。
(5)地熱エネルギーからの発電。熱は地表上の多くの場所に存在し、地球の奥深くでは実質的に無限である。有効なトンネル変換デバイスであれば、このエネルギー供給を利用できるだろう。
(6)小型で、音の静かな固定されたソリッドステートデバイスによる冷凍の実施。この場合、このようなトンネルデバイスはエアコンディショナのための冷却または冷凍を行って、大型の空気機械およびコンプレッサの必要性に置き換わることができよう。
(7)体温からの発電。人体は約100ワットの熱を発生するが、この熱を携帯電話、コードレス電話、ミュージックプレーヤー、携帯情報端末、懐中電灯などのハンドヘルド製品のための有益な電力に変換できる。本開示で提示されるような熱変換デバイスは、人体との部分的接触によって加えられる熱から、これらハンドヘルド製品のためのバッテリを作動させたり充電するのに充分な電力を発生できる。
(8)燃焼している燃料からの電力。薪ストーブは数万ワットの熱を発生させる。このようなトンネルデバイスはこの熱から1または2キロワットを発生させることができ、これは一般的な家電機器に電力供給するには充分である。天然ガス、石炭、その他など他の燃料を燃焼させることによって、同様の用途が可能である。こうすれば、僻地の家庭でも、電力網への接続やうるさい発電機を必要とせずに現代的な便利さを手に入れることができる。
Thus, there remains a need for devices that cost effectively and efficiently convert thermal energy to electrical energy in packages that are convenient for use in both heat sources as inputs and electrical circuits that require power as outputs. An abundant heat source including exhaust heat can be easily used as a power source. Examples of where such a device is useful for the environment, saves money, and both are possible:
(1) Convert solar heat and light to electricity more cost-effectively than currently used photovoltaic devices. Many publications describe high temperature thermionic emission for recirculating thermal energy from solar concentrators by using such thermal conversion devices. See Non-Patent
(2) recovering the heat generated by an internal combustion engine, such as that used in automobiles, into a beneficial exercise. Some currently available vehicles, called hybrid gas electric vehicles, can generate motion using either electric power or internal combustion. In current internal combustion engines, about 75% of gasoline energy is converted to exhaust heat. A tunnel conversion device can recover most of this thermal energy from the engine of a hybrid vehicle and place it in a battery for later use. U.S. Pat. No. 6,057,056 teaches a method of converting heat from a combustion chamber and storing this energy or converting it into motion.
(3) To reduce the need for harmful gases to enter the atmosphere. More energy efficient hybrid vehicles are an obvious example in which harmful exhaust gases released into the atmosphere are reduced. Devices that convert engine heat and exhaust heat of a hybrid engine and then store it or generate electricity with a hybrid battery further increase the efficiency of the hybrid vehicle and reduce the need for exhausting harmful gases. The coolant used for refrigeration is an example of another harmful gas that needs to remove heat, and the tunnel conversion device will reduce the need to release harmful gases.
(4) Collect heat energy when it is available, store it in the battery as chemical energy, and reuse it when it is not available. The tunnel converter would be able to convert solar energy into electricity during the day and store it in the battery. At night, the stored battery power can be used to generate electricity.
(5) Power generation from geothermal energy. Heat exists in many places on the earth's surface and is virtually infinite deep in the earth. Any effective tunnel conversion device could use this energy supply.
(6) Implementation of refrigeration using a solid state device that is small and quiet. In this case, such a tunnel device would provide cooling or refrigeration for the air conditioner and could replace the need for large air machines and compressors.
(7) Power generation from body temperature. The human body generates about 100 watts of heat, which can be converted into useful power for handheld products such as mobile phones, cordless phones, music players, personal digital assistants, flashlights and the like. Thermal conversion devices as presented in this disclosure can generate enough power from heat applied by partial contact with the human body to operate and charge the batteries for these handheld products.
(8) Electric power from burning fuel. Wood stoves generate tens of thousands of watts of heat. Such tunnel devices can generate 1 or 2 kilowatts from this heat, which is sufficient to power a typical household appliance. Similar applications are possible by burning other fuels such as natural gas, coal, etc. This way, even in remote homes, you can get modern conveniences without the need for a power grid connection or a noisy generator.
20.0ナノメータ未満の分離ギャップに二つの平行電極を一緒に設けようとすると、二つのパラメータに注目する必要がある。一つは表面粗さで、もう一方は表面平坦度である。表面粗さは、狭い局所的範囲における平滑状態との差異である。孔および傷は表面粗さに影響する差異の例である。表面平坦度は、広い範囲における平行状態との差異である。反り、曲がり、クリープは表面平坦度に影響する差異の例である。 If two parallel electrodes are to be provided together in a separation gap of less than 20.0 nanometers, two parameters need to be noted. One is surface roughness and the other is surface flatness. Surface roughness is the difference from a smooth state in a narrow local area. Holes and flaws are examples of differences that affect surface roughness. The surface flatness is a difference from the parallel state in a wide range. Warpage, bending, and creep are examples of differences that affect surface flatness.
今日集積回路に利用可能な最高の技術を用いて二つのグリッド材料を平坦に研磨すると、表面平坦度は1平方センチメートルの範囲にわたってマイクロメータ規模となる。さらに、熱および他の応力が時間とともに反りや曲がりの変化を起こし、一度達成された均一な分離を維持するのにさらに課題が生じる。現在の技術を用いて研磨された金属または半導体の表面では、0.5ナノメータ未満の粗さを容易に達成できる。 If the two grid materials are polished flat using the best techniques available today for integrated circuits, the surface flatness will be on the order of micrometers over a range of one square centimeter. Furthermore, heat and other stresses cause warping and bending changes over time, creating additional challenges in maintaining uniform separation once achieved. A surface of metal or semiconductor polished using current technology can easily achieve roughness of less than 0.5 nanometers.
最先端技術によるトンネルエネルギー変換デバイスは、以下の制約のうち一つ以上を受ける。(1)トンネリングには広すぎる分離、(2)大量のエネルギー変換には狭すぎる範囲、(3)断熱が不可能であって結果的に変換効率が低い固体材料の層、(4)コスト効率良く製造するには複雑すぎる設計。 State-of-the-art tunnel energy conversion devices are subject to one or more of the following constraints: (1) Separation too wide for tunneling, (2) Range too narrow for mass energy conversion, (3) Layer of solid material that cannot be adiabatic and consequently has low conversion efficiency, (4) Cost efficiency Design too complex to produce well.
多くの熱電子システムによって10ミクロン以上の分離が実施されているが、これらのシステムは非常に高温でのみ作動し、安全のためコストの高い設計を必要とし、この温度が達成される環境に限定される。 Many thermionic systems perform separations of 10 microns or more, but these systems operate only at very high temperatures, require costly designs for safety, and are limited to environments where this temperature is achieved Is done.
約2.0から20.0ナノメートルの分離は、特許文献1に教示された方法によって走査トンネル顕微鏡の設計において実施されているが、有効範囲は数平方ナノメートルの規模であった。このような範囲は、たとえ最適な材料であっても、大量のエネルギーを変換するのに充分な電流を流すには(所望する約1平方センチメートル以上の範囲と比較して)狭すぎる。 A separation of about 2.0 to 20.0 nanometers has been implemented in the design of scanning tunneling microscopes by the method taught in US Pat. Such a range is too narrow (compared to the desired range of about 1 square centimeter or more) to carry enough current to convert a large amount of energy, even for the optimal material.
半導体業界では、数ナノメートルの規模の膜厚のような物理的パラメータを制御するための多くの方法が教示され採用されている。熱電気デバイスは、層状材料の積層体によりエネルギーを変換する集積回路の例である。非特許文献7を参照すること。しかしこれらの方法はすべて、層内で固体材料が相互に接触することを必要とする。熱は層から層へ容易に流れ、温度差と変換効率とを制限する。二つの電極が接触しているため、設計は利用可能な熱電気感知材料に左右され、電子の横断に対するエネルギー障壁は、真空ギャップの幅の設定によって可能となるので、任意で決定することはできない。必要な性質を持つ材料は、ビスマスおよびテルル化物のような新型の高価な元素である。このような理由のため、熱電気デバイスは、冷却力ワットあたりのコストが高く、約7パーセントの低効率に制限される。 The semiconductor industry teaches and employs many methods for controlling physical parameters such as film thickness on the order of a few nanometers. A thermoelectric device is an example of an integrated circuit that converts energy by a stack of layered materials. See Non-Patent Document 7. However, all these methods require that the solid materials come into contact with each other within the layer. Heat easily flows from layer to layer, limiting temperature differences and conversion efficiency. Because the two electrodes are in contact, the design depends on the available thermoelectric sensing material, and the energy barrier to electron traversal is made possible by setting the width of the vacuum gap and cannot be arbitrarily determined. . Materials with the necessary properties are new types of expensive elements such as bismuth and tellurides. For these reasons, thermoelectric devices are costly per watt cooling and are limited to a low efficiency of about 7 percent.
平方センチメートルの範囲にわたって約2.0から20.0ナノメートルだけ二つの導体を分離する技術は、これらの距離にわたって非常に正確であるフィードバック制御システムのアレイの使用によって進歩してきた。制御システムは、実際の分離を測定してこれを所望の分離と比較するためのフィードバック手段と、所望の分離を維持するため要素を近接または離間させるための移動手段とを含む。フィードバック手段は、分離が減少すると増大する、二つの電極間のキャパシタンスを測定できる。これらの寸法のための移動手段は、最新技術では、圧電、磁歪、電歪現象を通して運動を発生させるアクチュエータである。特許文献3には、一方の表面を他の表面を用いて成形してから、フィードバック制御システムを用いて使用前に平行状態を完成させることを含む設計が記載されている。一方の表面を他に対して成形することを伴う複雑なプロセスと、平行状態を維持するための多数のフィードバック制御システムの使用のため、この設計アプローチは低コストでの製造を阻むものである。
The technique of separating two conductors by about 2.0 to 20.0 nanometers over a square centimeter range has been advanced by the use of an array of feedback control systems that are very accurate over these distances. The control system includes feedback means for measuring the actual separation and comparing it with the desired separation, and moving means for moving the elements close or apart to maintain the desired separation. The feedback means can measure the capacitance between the two electrodes, which increases as the separation decreases. The moving means for these dimensions is in the state of the art actuators that generate movement through piezoelectric, magnetostrictive and electrostrictive phenomena.
他の方法は、製造中に電極間に「犠牲層」を挿入することを伴う特許文献4と、特許文献5と、特許文献6に記録されている。その後で犠牲層が蒸発すると、2から20ナノメートルの所望の間隔に近いギャップが電極の間に形成される。これら三つの方法は、反りまたは電極間の熱膨張差のため製造後変動を受けやすいか、これらの変動を補正するためアクチュエータのアレイを必要とする。 Other methods are documented in US Pat. Nos. 5,098,086 and 5,058,6, which involve inserting a “sacrificial layer” between the electrodes during manufacture. Thereafter, when the sacrificial layer evaporates, a gap close to the desired spacing of 2 to 20 nanometers is formed between the electrodes. These three methods are susceptible to post-manufacturing variations due to warpage or thermal expansion differences between the electrodes, or require an array of actuators to compensate for these variations.
所望の間隔を実施し長期にわたってこれを維持する別の方法は、ポールがテントを支えるのと同様に可撓性電極の間隔を保持する誘電性スペーサの使用によるもので、特許文献7と特許文献8に記録されている。これらの誘電性スペーサの短所の一つは、一つの電極から他の電極へ熱を伝えて、変換プロセスの効率を低下させることである。この方法の別の短所は、大きな静電気力が存在していると可撓性金属電極が長期にわたってスペーサの間で延伸または変形して、間隔に向かってゆっくりと移動し、こうしてトンネルまたは熱電子放出でなく伝導を行うことである。 Another way to implement and maintain the desired spacing over time is through the use of dielectric spacers that maintain the spacing of the flexible electrodes as well as the poles supporting the tent. 8 is recorded. One of the disadvantages of these dielectric spacers is that they transfer heat from one electrode to the other, reducing the efficiency of the conversion process. Another disadvantage of this method is that in the presence of a large electrostatic force, the flexible metal electrode stretches or deforms between the spacers over time and moves slowly towards the spacing, thus tunneling or thermionic emission. Instead of conducting.
電極間に所望の真空間隔を実施するための別の方法は、二つの接合ウェハの境界面に狭い空隙が形成することで、特許文献9で明らかにされている。これらの空隙は、数ナノメートルのギャップにおける電子の熱トンネリングを可能にするのに充分なほど狭い。これらのギャップは熱トンネリングを助けるが、ギャップの周囲で不要な熱伝導が発生し、電極間隔の均一性の制御が困難である。 Another method for implementing the desired vacuum spacing between the electrodes is disclosed in US Pat. No. 6,057,089 by forming a narrow gap at the interface between the two bonded wafers. These voids are narrow enough to allow thermal tunneling of electrons in gaps of a few nanometers. Although these gaps aid in thermal tunneling, unnecessary heat conduction occurs around the gaps and it is difficult to control the uniformity of the electrode spacing.
熱トンネリングギャップを設けるさらに別の方法は、特許文献10に記載されているように、二つのウェハの対向表面を接触させてから、アクチュエータを用いてこれらを数ナノメートル離間させることによるものである。この方法は熱トンネリングギャップを発生できるが、この方法では、多数のアクチュエータのコストと、ギャップ範囲の外側のウェハの間における熱伝導が苦しい。 Yet another method of providing a thermal tunneling gap is by contacting the opposing surfaces of two wafers and then separating them several nanometers using an actuator, as described in US Pat. . Although this method can generate a thermal tunneling gap, this method suffers from the cost of multiple actuators and heat conduction between wafers outside the gap range.
大量生産の低コスト熱トンネルデバイスで電極間隔を20.0ナノメートル未満の分離ギャップで達成しこれを維持するための要件を満たすという継続的で困難な課題が、今日までの努力にも関わらず残っている。 Despite ongoing efforts to meet the requirements to achieve and maintain electrode spacing with a separation gap of less than 20.0 nanometers in mass-produced low cost thermal tunnel devices Remaining.
(直接冷却を行うことに加えて)真空ギャップにおいて電子を移動させることのできるデバイスの付加的な有用性は、熱電スタックの頂部にこのギャップを設けることである。この組合せでは、熱電ギャップの高温側と低温側とが断熱されるため、より効率的である。熱電材料と真空ギャップとの組合せを備えるデバイスは、熱電方法、熱トンネリング方法、熱電子方法あるいはこれら方法の組合せを介して、冷却または熱変換を行うことができる。 An additional utility for devices that can move electrons in a vacuum gap (in addition to performing direct cooling) is to provide this gap on top of the thermoelectric stack. This combination is more efficient because the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric gap are insulated. A device comprising a combination of a thermoelectric material and a vacuum gap can be cooled or thermally converted via a thermoelectric method, a thermal tunneling method, a thermoelectronic method, or a combination of these methods.
そのため、既存の設計よりも効率的で低コストであるトンネル、ダイオード、他のデバイスにおいて電極間の真空分離を維持するための改良設計の必要性が存在する。特に、均一な真空ギャップを持つ近接電極を有する設計の必要性が存在するのである。より詳しく述べると、おそらくは熱電要素との組合せによるトンネリング、熱電子、他の放出により、ギャップにおいて電子を移動させるため電極間の近接ギャップで自己配置および自己整合を行う一対の電極を有する設計の必要性が存在する。 Therefore, there is a need for an improved design to maintain vacuum isolation between electrodes in tunnels, diodes, and other devices that are more efficient and less expensive than existing designs. In particular, there is a need for a design having a proximity electrode with a uniform vacuum gap. More specifically, the need for a design with a pair of electrodes that self-align and self-align in the close gap between the electrodes to move the electrons in the gap, possibly due to tunneling in combination with thermoelectric elements, thermionics, and other emissions. Sex exists.
本開示は、先行技術についての前述の、または他の課題および短所を克服することに関する。先行技術では考えられなかった方法での電子の流れを採用するデバイスおよびプロセスが開示される。従来の設計では、トンネルデバイスでの電子の流れは二つの目的で使用されていた。(1)一つの導体から別の導体へ熱を移動させるための熱力学的流体として、(2)バッテリまたは電気回路へ、あるいはバッテリまたは電気回路から、変換エネルギーを直接移動させるため、である。本発明では、所望する電極の分離で静電力または他の引力の均衡を保つ復元力を発生させるのにやはり電子流が使用されるデバイス構造およびプロセスが設けられる。 The present disclosure is directed to overcoming the foregoing or other problems and disadvantages of the prior art. Disclosed are devices and processes that employ electron flow in ways not previously thought of in the prior art. In previous designs, the flow of electrons in the tunnel device was used for two purposes. (1) as a thermodynamic fluid for transferring heat from one conductor to another, (2) for directly transferring conversion energy to or from the battery or electrical circuit. In the present invention, device structures and processes are provided in which electron current is also used to generate a restoring force that balances electrostatic forces or other attractive forces at the desired electrode separation.
均一なギャップを備える近接電極を設けるデバイスおよびプロセスが開示される。より詳しく述べると、本開示は、おそらくは熱電要素と組み合わされたトンネリング、熱電子、他の放出により、ギャップでの電子の移動を可能にするため電極間の近接ギャップで自己配置および自己整合を行う一対の電極に関連するものである。 Devices and processes for providing proximity electrodes with uniform gaps are disclosed. More specifically, the present disclosure provides self-alignment and self-alignment in the close gap between the electrodes to allow movement of electrons in the gap, possibly by tunneling, thermoelectrons, and other emissions combined with thermoelectric elements. It relates to a pair of electrodes.
本発明は、電極の一方に可撓性材料を使用し、広い範囲にわたって他の電極の表面から所望の間隔距離の安定平衡位置に電極を配置、整合、維持するように可撓性電極に自然かつ同時に作用する静磁気反発力と静電気力または他の引力とを平衡させ、いずれかの電極における連続的かつ空間的な平坦度との差異に適応する磁界を含む。 The present invention uses a flexible material on one of the electrodes and naturally places the flexible electrode in a stable equilibrium position at a desired spacing distance from the surface of the other electrode over a wide range. And a magnetic field that balances the simultaneously acting magnetostatic repulsive force with electrostatic or other attractive forces to accommodate the difference between continuous and spatial flatness at either electrode.
組立前に電極の対向表面を研磨することにより、0.5ナノメートル未満の表面粗さが達成される。金属、半導体、他の材料に0.5ナノメートル未満の表面粗さを達成するため、業界では研磨技術が簡単に利用できる。 By polishing the opposing surface of the electrode prior to assembly, a surface roughness of less than 0.5 nanometer is achieved. Polishing techniques are readily available in the industry to achieve surface roughness of less than 0.5 nanometers for metals, semiconductors and other materials.
1平方センチメートル以上の広い範囲で20.0ナノメートル未満の分離を達成するために、所望の間隔で電極材料を静止させる非接触力の組合せが発生される。安定平衡条件では、これらのダイオードデバイスにすでに存在する一つの力は、エミッタとコレクタとの間の静電気力である。電圧が印加されると、電極の各々で反対の電荷が集合して、これらの電荷が存在する結果、電極の間に引力が発生する。近接電極では静電気力が支配的な引力であると考えられるが、重力、表面張力、ファンデルワールス力、カシミール力、静摩擦など、他の引力も存在する。 In order to achieve a separation of less than 20.0 nanometers over a wide range of 1 square centimeter or more, a non-contact force combination is generated that causes the electrode material to rest at the desired spacing. In stable equilibrium conditions, one force already present in these diode devices is the electrostatic force between the emitter and collector. When a voltage is applied, opposite charges collect at each of the electrodes, and the presence of these charges creates an attractive force between the electrodes. Although the electrostatic force is considered to be the dominant attractive force in the proximity electrode, other attractive forces such as gravity, surface tension, van der Waals force, kashmir force, and static friction also exist.
本発明の一面は、可撓性電極が所望の間隔と整合とを維持するように、可撓性電極に作用してあらゆる点で静電気引力および他の引力との均衡を保つ同等で反対向きの第2の力を発生させる。この第2の力は、磁界の存在下で導体に電流が流れる時に力が発生するという物理現象によるものである。この力は、電流の方向と磁界の方向とにより規定される面に対して垂直な方向に作用する。 One aspect of the present invention is an equivalent and opposite orientation that acts on the flexible electrode to balance the electrostatic and other attractive forces at all points so that the flexible electrode maintains the desired spacing and alignment. A second force is generated. This second force is due to a physical phenomenon in which a force is generated when a current flows through the conductor in the presence of a magnetic field. This force acts in a direction perpendicular to the plane defined by the direction of the current and the direction of the magnetic field.
電極の付近または電極内に永久磁石を設けることにより、本発明の実施例に磁界を追加することができる。鉄、コバルト、ニッケル、およびこれらの合金などの永久磁石材料は、熱的および電気的に高い伝導性を持つ金属でもある。ゆえに、これらの磁気材料は、電極の熱的および電気的伝導性と適合する。非伝導性の磁気材料を用いて磁界を設けることが望ましい場合でも、放出電極を構成するため、このような磁石は導体で被覆されるか、単に平坦な導体が磁石に取り付けられる。 By providing a permanent magnet near or in the electrode, a magnetic field can be added to the embodiments of the present invention. Permanent magnet materials such as iron, cobalt, nickel, and their alloys are also highly thermally and electrically conductive metals. These magnetic materials are therefore compatible with the thermal and electrical conductivity of the electrodes. Even if it is desirable to provide a magnetic field using a non-conductive magnetic material, such a magnet is covered with a conductor or simply a flat conductor is attached to the magnet in order to constitute the emission electrode.
一般的には600から1400ケルビン度であるキュリー温度レベルで磁気材料は磁性を失うので、永久磁石が設けられる表面の温度は永久磁石の動作パラメータに影響する。しかし本発明では、磁石は変換デバイスの低温側と高温側のいずれかに設けられるため、磁石がキュリー温度に到達するのを防ぐ構造を発見できる。 Since the magnetic material loses magnetism at Curie temperature levels, typically 600 to 1400 Kelvin degrees, the temperature of the surface on which the permanent magnet is provided affects the operating parameters of the permanent magnet. However, in the present invention, since the magnet is provided on either the low temperature side or the high temperature side of the conversion device, a structure that prevents the magnet from reaching the Curie temperature can be found.
本発明は、以下の長所を持つ単純で安価な熱トンネリング、熱光起電または熱電子デバイスを製造するために、新規の非自明なやり方で電極材料を近接させる方法を提供する。(1)先行技術に必要とされるアクチュエータと制御システムの必要性を回避することによる単純性、(2)電球および半導体産業ですでに開発された技術および製造プロセスを利用して低コストの大量生産を実施すること、(3)一つの電極から他の電極への高温電子のトンネリングを可能にして第1電極を冷却するように、スペーサを用いず電極間に狭い間隔ギャップを実現すること、(4)1平方センチメートルなど広い電極範囲にわたって均一な間隔ギャップを維持すること。 The present invention provides a new, non-obvious way of bringing electrode materials together in order to produce simple and inexpensive thermal tunneling, thermophotovoltaic or thermoelectronic devices with the following advantages. (1) simplicity by avoiding the need for actuators and control systems required by the prior art; (2) low-cost mass utilizing technology and manufacturing processes already developed in the light bulb and semiconductor industries. Carrying out production, (3) realizing a narrow gap between the electrodes without spacers, so as to allow the tunneling of hot electrons from one electrode to the other and cool the first electrode, (4) Maintain a uniform spacing gap over a wide electrode range such as 1 square centimeter.
開示されるデバイスおよびプロセスの他のシステム、デバイス、特徴、長所は、当該技術の熟練者には明らかであるか、以下の図面および詳細な説明を検討すれば明らかとなるだろう。付加的なシステム、デバイス、特徴、長所はすべて本説明に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の請求項により保護される。 Other systems, devices, features, and advantages of the disclosed devices and processes will be apparent to those skilled in the art or upon review of the following drawings and detailed description. All additional systems, devices, features, and advantages are included in this description, are within the scope of the invention, and are protected by the accompanying claims.
開示されるデバイスおよびプロセスの多くの面は、添付図面である図1〜14を参照にすればより良く理解できる。図面中の部品は必ずしも同一縮尺ではなく、むしろ本発明の原理を明示する際には強調が行われている。さらに図面では、同様の参照番号が数枚の図すべてで対応の部品を必要とするわけではない。実施例は図面に関連して開示されているが、開示された実施例に開示内容を制限する意図はない。逆に、意図しているのは、すべての代替例、変形例、均等物をすべて有することである。 Many aspects of the disclosed devices and processes can be better understood with reference to the accompanying drawings, FIGS. The parts in the drawings are not necessarily to scale, emphasis instead being placed upon clarifying the principles of the invention. Moreover, in the drawings, like reference numerals do not require corresponding parts in all of the several figures. Although embodiments have been disclosed with reference to the drawings, there is no intention to limit the disclosure to the disclosed embodiments. On the contrary, what is intended is to have all alternatives, modifications and equivalents.
同様の参照番号が数枚の図を通して同様の要素を指す図をより詳しく参照すると、本開示のデバイスおよびプロセスの実施例が図1〜14に図示されている。 Referring more particularly to the drawings in which like reference numerals refer to like elements throughout the several views, embodiments of the devices and processes of the present disclosure are illustrated in FIGS.
概して、対向電極を採用して二つの力分布を伴うデバイスおよびプロセスが開示される。電極の間の主な静電気引力分布は、電極内の電荷によって発生される。印加される磁界分布と組み合わされた電極内の電流分布により、同等で反対向きの反発力分布が発生する。対向面において電極の安定して平衡な分離状態を確立するように、二つの力分布は同時に作用する。 In general, devices and processes are disclosed that employ counter electrodes and involve two force distributions. The main electrostatic attraction distribution between the electrodes is generated by the charge in the electrodes. Due to the current distribution in the electrode combined with the applied magnetic field distribution, an equal and opposite repulsive force distribution is generated. The two force distributions act simultaneously to establish a stable and balanced separation of the electrodes at the opposing surface.
図1は、本開示の一実施例を示す。電極1は、可撓性金属箔つまりポリイミドなどのプラスチック膜または基板に取り付けられた金属箔である。プラスチック基板は、静電気力および電磁力によって生じる反復的動作の後での金属箔が割れたり、折れたり、破損するのを防止するのに役立つ。電極1のプラスチック基板または電気的性質は、平衡中の振動つまり動作の不安定性を回避するようにも作用する。電極2は、導電材料で製作されるか被覆される永久磁石である。形状の一例では、電極2は矩形ブロックである。両電極は相互に対向する表面が研磨される。デバイスが熱エネルギーの変換に使用される場合には熱源30が存在し、デバイスが冷凍装置として使用される場合には冷却される物体である。デバイスが冷凍装置として使用される場合には電源10が存在し、デバイスが熱変換発電機として使用される場合にはさらに電気負荷である。デバイスが作動中でない時(つまりデバイスが作動停止している間)に電極1の先端6の非導電性当接点となるように、絶縁層4が存在する。さらに電極の一方は、デバイスが作動中でない時にもう一方の電極が当接する電極の間の所望の平衡間隔よりも薄い非導電性材料のコーティングを有する。電極2の頂部の層またはコーティング5は、電極2と電極1との間の電子トンネリングを容易にする低い仕事関数を持つように考案された材料である。コネクタ9a、9bおよびワイヤ8a、8bは回路を完成させる。室20は、対向する電極1、2の間の範囲を真空または不活性ガスで密封して、電極の一方から他方への熱伝達を最小にする。適当なガスにはアルゴンとヘリウムがある。可撓性電極1の広い方の端部は室20の支持構造に固定され、電力が切られると電極1は絶縁層または膜4と先端6で当接する。
FIG. 1 illustrates one embodiment of the present disclosure. The
図1aは、電極1に流れる電流(I)と、電極2内に永久磁石が存在することによって発生する磁界(B)と、IとBとの相互作用から生じる力Fとの方向状態を示す。力Fは電極1のあらゆる点で垂直上向き方向に作用し、電極1を電極2へ下方に引っ張る静電引力と対向して均衡を保つ。
FIG. 1 a shows the directional state of the current (I) flowing through the
図1bは電極2の代替構成を示す。ここでは、材料の表面は頂部5のアレイによってパターンニングされている。これらの頂部の領域での電磁界のため、頂部の幾何学形状は電極2からの電子放出を盛んにする。これらの頂部は、研磨後の電極2の表面の意図的または非意図的な粗さによって自然に発生するものであってもよい。
FIG. 1 b shows an alternative configuration of
図1のデバイスはまた、電源オフ、平衡状態あるいは電源オフから平衡状態への移行中あるいは平衡状態から電源オフへの移行中に、デバイスの動作を助ける付加力発生・変更機構またはシステムを有する。例えばこれらの機構は、平衡当接位置の周囲で電極1の振動を防止するように、システムの減衰を行う。これらの付加力は機械的、磁気的、電気機械的、電磁気的に、または主な静電気および磁気平衡力の大きさの過不足を補う他の方法によって発生されてよい。
The device of FIG. 1 also has an additional force generation / modification mechanism or system that assists in the operation of the device during power off, equilibrium or transition from power off to equilibrium or from equilibrium to power off. For example, these mechanisms attenuate the system so as to prevent vibration of the
可撓性電極1の材料は、導電性金属、半導体材料、層状ガラス/金属あるいは層状金属/プラスチックであってよい。導電性金属の例としては、金、銀、アルミニウム、銅がある。半導体材料の例としては、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素がある。導電性金属または半導体材料は任意で、金属がそれ自体で充分に可撓性でない場合に金属に可撓性を追加するガラス、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ポリアクリルあるいはポリオレフィンなどの材料に取り付けられるか、この材料と層状に組み合わされてもよい。
The material of the
電極2の永久磁石は電極に設けられるかその一部であってもよい。典型的実施例において、永久磁石は鉄、コバルト、ニッケル、ネオジムあるいはアルミニウムと組み合わされた導電性の強磁性材料を有してもよい。あるいは永久磁石は、導電性材料で被覆された一つ以上の非導電性の強磁性材料を有してもよい。非導電性の強磁性材料の例としては、フェライト、バリウムフェライト、バインダで密封された鉄酸化物粒子がある。
The permanent magnet of the
電極2上の層またはコーティング5は、低仕事関数材料、熱電気感知材料、共鳴トンネル材料、電界強化テクスチュア、またはこれらの組合せであってよい。低仕事関数材料の典型的実施例には、層状のアルカリ金属、アルカリ金属の合金、酸化物、ダイアモンド膜などのダイアモンド、ナノチューブ、またはその他の組合せがある。表面粗さまたはパターンニングから生じる頂部および谷部の集合体(例えば図1bに図示されたような)は電界を強化して、電極2からの電子放出を向上させる。最後に、共鳴トンネリングを達成するように構成された半導体層も電子放出を向上させる。典型的な半導体材料としては、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素がある。典型的な熱電気感知材料としては、様々なドーピングのテルル化ビスマスがある。
The layer or
図1の層5の低仕事関数材料または図1bの強化材料5’は、例えば、セシウム(Cs)、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、ルビジウム(Rb)、ゲルマニウム(Ge)、ナトリウム(Na)、カリウム(K),カルシウム(Ca)、リチウム(Li)およびその組合せまたは酸化物であってよい。このような材料は放出電極2の仕事関数を4〜5eVから1.1eV以下まで低下させることが分かっている。この他の低仕事関数材料には、トリウム(Th)、金属被覆酸化物、シリコンがある。ここに言及されていない他の材料も低仕事関数を達成することができ、このような材料層の追加は本発明の自明な拡大である。例えば、電子トンネリングを促進するための異なるタイプの層、ワイドギャップ半導体層がKorotkovによって提案されている。非特許文献8を参照すること。ここでは、厚さが注意深く制御された薄い酸化物層が電子を共鳴条件まで励起させる、それにより、高温電子が真空へ放出されるのを助ける。また図1の層5および図1bの5’は、放出を最大化して仕事関数を最小にするためのカーボンナノチューブのアレイまたは同様の構成でもよい。絶縁層4材料はガラス、ポリイミド、他のプラスチックを含む。
The low work function material of the
図1の電子の流れと本発明の独自性について、以下に説明する。自由電子は電源または電気負荷10から放出電極2へ流れる。電極2から電極1へ放出される自由電子は、電極2から熱を取り除くことができる高温電子となるように本設計によって選択される。本発明の一面は、図1aに方向が示された磁界Bの存在下において、自由電子が電極内1で図1の左から右へ流れることである。この自由電子の流方向は印加される磁界と組み合わされて、静電気引力と均衡を保ち広い範囲にわたって電極1と電極2との間に一定で所望の分離を達成する、図1aに方向が示された反発力を発生させる。
The flow of electrons in FIG. 1 and the uniqueness of the present invention will be described below. Free electrons flow from the power supply or
図2は、電子流の方向を指す矢印を伴った、断面7を示す図1の電極1の典型的実施例の概略上面図である。断面7は、断面7の長さで分割された7の左側の電極表面のすべてによってピックアップされる集合トンネル電流に等しい電流密度を持つ。トンネル電流は7の左側のトンネリング作用の範囲に比例すると予測されるので、断面7の長さは、左側の電極表面の範囲の増大に比例して適切に大きくなる。そのため、電極1の境界線3は指数関数を描く。こうして可撓性電極1の表面の幅は、先端6から反対端部まで指数関数的に広くなっている。指数関数は、積分点までそれとX軸とによって囲まれる範囲と数学的に等しい。境界線3が描く関数は、電極1内の経路長による電気抵抗など、電流密度の他の変化も補正できる。また場合によっては、製造を容易にするため三角形電極1によって設計を準最適化することができる。
FIG. 2 is a schematic top view of an exemplary embodiment of the
図2aは、図2に示された電極1の切除部分の底側の概略図である。電極2に面する底面で電極1がどのようにパターンニングされているかを図示したものである。パターンにより、(隆起表面xの総面積Xにより定義される)トンネリング面積は、電流の流れに利用可能な総面積Yと異なっている。このようにして電極1をパターンニングすることで、総面積Yが広くなり、ゆえに集合電流が流れるように電気抵抗損失および熱発生損失が低くなる。同時に、電極2に近い範囲を最小化し、これが、電極を所望の位置に配置するために超えられなければならない静電気力を低下させる。電極1のパターンニングの同じ作用は、研磨後の意図的または非意図的な表面粗さによっても達成できる。断続的隆起セグメント4は、電極1を支持して、デバイスが作動した時に電極1の箔材料が電極2へとひだ状になった際に短絡を防止する薄い絶縁層である。
FIG. 2a is a schematic view of the bottom side of the excised portion of the
図3は、より小型のパッケージを実現できる本開示の別の実施例を示す概略図である。ここで電極2は、中心から径方向外側へ発散する磁化方向を持つ円筒形永久磁石である。この時に電極1は、一回転ごとに幅が指数的に増大する指数螺旋の形状を取る。あるいは、製造を容易にするため指数螺旋形状に一層簡単に類似させた線形増加螺旋形状を電極1が持ってもよい。電極1は螺旋形状を持つため、電流は接線方向に流れる。電極1上の力は垂直方向に作用して、図1で達成されたものと類似した静電気引力と平衡を保つ反発力を提供する。図1のように一つの長い寸法にわたって総トンネル範囲が広がる必要がないため、電極1の螺旋形状によってこの実施例は一層小型の設計である。径方向の磁性(デバイスの中心から径方向の磁界を測定)を持つ円筒形磁石は、ラウドスピーカの構築では一般的であるので、業界で普通に入手できる。この実施例の残りの部品は図1と同じである。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating another embodiment of the present disclosure that can achieve a smaller package. Here, the
図1と3の実施例に加えて、均一な反発力を達成するため特殊形状の電極を一つ使用する、本発明の他の自明な実施例が多く存在する。図4は、このような他の実施例の概略図である。電極の幅の変化の代わりに、磁界の変化を用いている。例えば図4では、トンネル範囲でより多くの電流が利用可能であるので、電極1の電流密度は左から右へ上昇する。電極1にわたって均一な力を達成するには、より高い電流密度が得られると必要な磁界強度は低くなるため、磁界は左から右へ低下する。こうして、一定の力を達成するように、可撓性電極1の電流密度に逆比例して磁界強度が変化する。磁界を左から右へ低下させる方法の一つは、電極2に設けられる永久磁石材料23の奥行を変化させて、銅またはアルミニウムのような非磁化材料24の量を増加することである。
In addition to the embodiment of FIGS. 1 and 3, there are many other obvious embodiments of the present invention that use one specially shaped electrode to achieve a uniform repulsive force. FIG. 4 is a schematic diagram of such another embodiment. Instead of a change in electrode width, a change in magnetic field is used. For example, in FIG. 4, since more current is available in the tunnel range, the current density of
図5は、図1から4においてトンネル範囲で二つの電極間に一定の間隔を設けるため力がどのように相互作用するかを示すグラフである。Y軸40は力であり、X軸41は電極の間の間隔ギャップ幅または分離距離である。曲線43は、電極1と電極2との間の静電気引力を示す。曲線43で示される力は、間隔ギャップ41の二乗に逆比例している。曲線46は、磁界の存在下で流れるトンネル電流によって発生する、二つの電極間の反発力を示す。この電流は、トンネリングが発生するのに充分なほど分離が狭くなるまでゼロに近づく。次に、間隔がさらに減少すると非常に急激に上昇する。トンネリング開始分離点42と完全な伝導分離点44との位置は、使用されるプロセス条件に左右される。Hishinumaによれば、例えば、印加電位が0.1〜2.0ボルトのデバイスではトンネリングの開始分離点42はおよそ20ナノメートルであり、基本的に完全な伝導点44はおよそ1ナノメートルである。前記の非特許文献1、非特許文献3を参照すること。引力と反発力とは点45で等しい。これは、デバイスが安定平衡位置になった分離状態である。デバイスへの何らかの干渉によって分離状態が点45より大きくなった場合には、引力43が反発力46に打ち勝って、平衡点45へ戻ろうとする傾向が生じる。同様に、分離状態を点45より下げようとする何らかの干渉が加わると、反発力46が引力43に打ち勝って、デバイスを再び平衡点45へ戻す。
FIG. 5 is a graph showing how the forces interact to provide a constant spacing between two electrodes in the tunnel range in FIGS. The
前述した電極構成に加えて、電極は周期的間隔を持つ多数の層で配置されてもよい。加えて、高レベルのエネルギー変換を達成するため、デバイスのマルチユニットが直列、並列あるいは並列と直列で組み立てられてもよい。 In addition to the electrode configuration described above, the electrodes may be arranged in multiple layers with periodic spacing. In addition, to achieve a high level of energy conversion, multiple units of the device may be assembled in series, in parallel, or in parallel and in series.
動作時には、安定した離間状態の平衡位置に電極を配置するように、可撓性電極1の電流分布つまり密度と対向電極2の磁界との強度が調節される。一実施例において、熱を電気エネルギーに変換する際に、または電子トンネリングまたは熱電子による電子移動、電子トンネリングおよび熱電子原理の組合せを用いて冷却するのに本開示のデバイスが使用される時には、一方の電極に可撓性金属箔を用いて1ナノメートルから20ナノメートルの範囲の安定した離間状態の平衡位置に対向電極を配置するように、電極1の電流密度つまり分布と電極2の磁界との強度が調節される。別の実施例において、熱電子移動による冷却または発電への熱変換に本開示のデバイスが使用される時には、一方または両方の電極の基板としてシリコンウェハを用いて、1ナノメートルから20ナノメートルの範囲の安定した離間状態の平衡位置に対向電極を配置するように、電極1の電流密度つまり分布と電極2の磁界との強度が調節される。
In operation, the current distribution, that is, the density of the
本開示のデバイスは、冷却または電気エネルギーに熱を変換するプロセスに使用することができる。熱源は、太陽放射、環境からの熱、地熱エネルギー、エンジン、または人体からの熱などだがこれに限定されることのない動物代謝などの放射源でよい。熱源はまた、運転中の電機、蒸気、内燃エンジンからのものであってもいいし、薪ストーブ、石炭ストーブ、他のタイプのストーブなどのストーブなどで燃料を燃やすことによるものであるか、その排気ガスであってよい。熱源が、例えば運転中の内燃エンジンまたはその排気ガスからである時、本デバイスはヒートシンクとしてエンジンまたはガス排気管に組み込まれてよい。燃焼のための燃料は、木材、天然ガス、石炭、他の燃焼性燃料でよい。変換されたエネルギーは、バッテリなどに蓄積されるか、携帯電話、コードレス電話あるいは前述した他の製品などのハンドヘルド電気機器に電力供給するために送られる。 The devices of the present disclosure can be used in processes that convert heat to cooling or electrical energy. The heat source may be a radiation source such as solar radiation, heat from the environment, geothermal energy, engine or heat from the human body, but not limited to animal metabolism. The heat source can also be from an operating electric machine, steam, an internal combustion engine, or by burning fuel in a stove such as a wood stove, coal stove, other types of stove, etc. It may be exhaust gas. When the heat source is, for example, from an operating internal combustion engine or its exhaust gas, the device may be incorporated into the engine or gas exhaust pipe as a heat sink. The fuel for combustion may be wood, natural gas, coal, or other combustible fuel. The converted energy is stored in a battery or the like or sent to power a handheld electrical device such as a mobile phone, cordless phone or other product as described above.
冷凍装置として作動している時の本開示のデバイスの動作について、これから説明する。再び図1を参照すると、ゼロから上昇する電圧が、電源10により電極1と電極2との間に印加される。この電圧の結果、電極1の先端6を電極2の表面へ引っ張る静電気力が生じる。電圧が徐々に上昇するにつれて、先端6から始まって丸くなるように可撓性電極1は電極2の表面へと下向きに屈曲する。トンネル電流が電極2から電極1へ上向きに流れ始めるほど電極1が電極2に接近するまで、この屈曲は続く。このトンネル電流は、いったん電極1に達すると、コネクタ9に向かって電極1内を右へ水平に流れる。この電流は図1aのI方向に流れて、付近の電極2の永久磁石によって発生される磁界はB方向であるため、電極1を上向きに押すように力が作用する。電源10からの電圧が上昇し続ける限り、電極1は平坦となり、電極2の表面と輪郭が一致する。静電気力は二つの電極表面を相互に引き合うように作用し、電極1の電流からの対向力は、二つの電極が所望の間隔よりも接近することを防止する。
The operation of the device of the present disclosure when operating as a refrigeration apparatus will now be described. Referring again to FIG. 1, a voltage rising from zero is applied between the
発電デバイスとしての本発明のデバイスの動作は、高温である電極2の高エネルギー状態から低温である電極1の低エネルギー状態へ移動する「高温電子」を熱源30が発生させることを除いて類似している。電極の間に電流を発生させるのは、この、一つのエネルギー状態から別のエネルギー状態への電子の移動である。電気負荷10は、こうして発生された電気エネルギーのシンクとなる。
The operation of the device of the present invention as a power generation device is similar except that the
冷凍動作では、電極2から高温電子を引き出してこれを冷却するように、電源からの電気エネルギーが使用される。発電機として作動している時には、熱源30は電源へ電子を送るのに使用される。
In the freezing operation, electric energy from the power source is used so as to draw hot electrons from the
(実施例)発明者および前述した科学者達によって得られた実験データおよび測定値と組み合わせた物理学の基本的原理に基づく以下の例によって、本発明をさらに例示する。これらの例は、(1)本開示のデバイスは業界で一般的な寸法およびプロセスを用いて設計および構築でき、(2)発生量の決められた力によって、結果的に所望の電極分離が得られ、(3)本発明のデバイスの電気的性質は、変換された電気エネルギーを効果的に運搬および伝達できることを示している。例は、電極分離が20ナノメートル未満である熱トンネル変換器と、電極分離が約100ナノメートルである熱光起電変換器について、本発明のデバイスの前記三つの属性を明らかにする。 Examples The invention is further illustrated by the following examples based on the basic principles of physics combined with experimental data and measurements obtained by the inventors and the scientists mentioned above. These examples are: (1) the device of the present disclosure can be designed and constructed using industry common dimensions and processes, and (2) the amount of generated force results in the desired electrode separation. (3) The electrical properties of the device of the present invention show that it can effectively transport and transmit the converted electrical energy. The example demonstrates the three attributes of the device of the present invention for a thermal tunnel converter with an electrode separation of less than 20 nanometers and a thermo-photovoltaic converter with an electrode separation of about 100 nanometers.
熱トンネル変換器について、図1、2、3において以下の寸法を検討する。 For the thermal tunnel converter, consider the following dimensions in FIGS.
対向電極の総重複トンネル面積は、1平方センチメートルまたは10−4平方メートルである。可撓性電極1の長さLは2センチメートル、最大幅Wは1センチメートルである。長さLと幅Wとは図3でも同様に定義されるが、電極1は、図1の直線形状と比較して、螺旋形に巻かれている。総トンネル面積X(すべてのxの合計)が総表面積Yの10分の1、つまり10−5平方メートルとなるように、電極1の対向面は表面パターンニングされるか表面粗さを持つ。電極2に使用される永久磁石材料は、1.2テスラの磁界強度Bを持つ。電極間の電圧Vは0.15ボルトである。電極1と2の間の真空または認可不活性ガスの誘電率εは8.8×10−12ファラド/メートルに等しい。可撓性電極1の抵抗率γは、銅のそれに近い、つまり1.7×10−8オーム‐メートルである。上方コネクタ9aから他の下方コネクタ9bへの電子経路の抵抗は、回路の残部と比較して薄く可撓性を持つ必要があるために電極1に充分に集中すると推定される。可撓性電極1の厚さtは20ミクロンであり、そのため箔材料である。
The total overlapping tunnel area of the counter electrode is 1 square centimeter or 10 −4 square meters. The length L of the
静電気引力Feの式は1/2εXV2/d2であり、dは電極間の分離である。磁気反発力Fmの式はILBで、Iは電流であり、Lは電極1における電流の有効平均長である。
The formula for electrostatic attraction Fe is 1 / 2εXV 2 / d 2 , where d is the separation between the electrodes. The formula of the magnetic repulsive force Fm is ILB, I is the current, and L is the effective average length of the current in the
分離関数としてのトンネル電流Iは、Hishinumaのグラフから得られ、1.0eVという図1のコーティング5の仕事関数と、300ケルビン度の動作温度を持つ。前記の非特許文献1、非特許文献3を参照すること。
The tunneling current I as a separation function is obtained from the Hisinuma graph and has a work function of the
図6には、Y軸上に対数目盛と、X軸上に算術目盛による電極分離ギャップdが示された、上に挙げた値についての力関数FmとFeが図示されている。量がすべて決定された時のみ、この図から図5のようなグラフが得られる。安定平衡点45は2.0ナノメートルに近く、Hishinumaによれば、これは20アンペアのトンネル電流を達成するのに望ましい間隔範囲である。前記の非特許文献3を参照すること。干渉によって間隔ギャップが安定平衡状態からいずれかの方向にシフトしようとする際には、復元力は0.2ニュートンより大きく、これは可撓性電極の曲げ抵抗を克服するのに充分であって、これを平衡位置へ押し戻す。
FIG. 6 shows force functions F m and F e for the values listed above, with a logarithmic scale on the Y axis and an electrode separation gap d with an arithmetic scale on the X axis. Only when all the quantities have been determined, can a graph like FIG. 5 be obtained from this figure. The
放出電極が室温、電流が20アンペア、電圧が0.15ボルトであると、デバイスは16ワットの発電能力と冷凍能力のうちいずれかを達成し、前記の非特許文献3に記載されているように、これは、この例で使用される0.8のペルティエ係数を電流(I)に掛けたものとして計算される。可撓性電極におけるこの電流の流れで損失する抵抗力はI2rL/twである。前述した値では、オーム電力損失は1.0ワットと計算され、これは、電力損失と加熱源電極1の両方として処理可能であると推定される。電極2から電極1への熱伝達は放射、対流、伝導によっても行われるが、アルゴンガスのレベルが0.06mmHgまで発明のデバイスの室が真空化された時には1.3ワット以下であると推定される。最後に、前記の非特許文献3に記載されているように、電極2で発生する電気熱が存在し、この例では電圧Vに電流Iを掛けたものに等しい、つまり約3.0ワットである。16ワットの変換エネルギーからの残りの利用可能エネルギーは10.7ワットである。これは、計算された67パーセントの効率に相当する。
When the emission electrode is at room temperature, the current is 20 amps, and the voltage is 0.15 volts, the device achieves either 16 watts of power generation capacity or refrigeration capacity, as described in
そのため、確立された電磁気理論に基づく本デバイスのシステムレベル特徴によって、高い効率を持つ熱トンネル変換器に実践活用するための実施可能な設計および手段をサポートできることが分かった。 Thus, it has been found that the system level features of the device based on established electromagnetic theory can support feasible designs and means for practical application to high efficiency thermal tunnel converters.
本発明の多面性を示す別の例は、材料の選択にある。例1で説明したように、好適な実施例は一方の電極として金属箔を含む。別の実施例では、可撓性電極として単結晶シリコンを使用してもよい。シリコンは通常は可撓性材料と見なされないが、業界では普通、1平方センチメートルの表面において0.5ナノメートルの粗さと1マイクロメートルの平坦度とを持つように製造される。シリコンはヤング率で測定すると金属箔よりもはるかに剛性が高いが、理想的な平坦度を達成するには非常にわずかな屈曲しか必要としないことがその平坦度から分かる。本発明によって発生される力は、シリコンウェハを完全に平坦にするのに必要な1ミクロンだけ、シリコンウェハを屈曲できることが分かっている。全般的に、可撓性電極または両電極の基材としてシリコンを用いるといくつかの長所が得られる。(1)シリコンウェハは低コストで容易に入手できる。(2)シリコンウェハは望ましい粗さと平坦度の特徴を持っている。(3)低仕事関数材料または材料のパターンをシリコンに追加することは、業界では容易かつ頻繁に実施されている。(4)シリコンの抵抗率により、可撓性電極が本発明の他の電極と接触またはほぼ接触する間、可撓性電極の速すぎる反応を防止する。(5)所望するシリコンの抵抗率は、業界ではやはりよく見られる慣行であるドーピングによって任意で制御できる。本発明の設計は全般的に、半導体業界で普通に入手される材料およびプロセスにより行われる。 Another example of the versatility of the present invention is in material selection. As described in Example 1, the preferred embodiment includes a metal foil as one electrode. In another embodiment, single crystal silicon may be used as the flexible electrode. Silicon is not normally considered a flexible material, but is usually manufactured in the industry to have a roughness of 0.5 nanometers and a flatness of 1 micrometer on a 1 square centimeter surface. It can be seen from the flatness that silicon is much stiffer than a metal foil as measured by Young's modulus, but requires very little bending to achieve ideal flatness. It has been found that the force generated by the present invention can bend the silicon wafer by the 1 micron required to completely flatten the silicon wafer. In general, the use of silicon as a flexible electrode or as a substrate for both electrodes provides several advantages. (1) A silicon wafer can be easily obtained at low cost. (2) Silicon wafers have desirable roughness and flatness characteristics. (3) Adding low work function materials or patterns of materials to silicon is easily and frequently practiced in the industry. (4) The resistivity of the silicon prevents the flexible electrode from reacting too quickly while the flexible electrode is in contact with or nearly in contact with the other electrodes of the present invention. (5) The desired silicon resistivity can be arbitrarily controlled by doping, a common practice again in the industry. The design of the present invention is generally performed by materials and processes commonly available in the semiconductor industry.
可撓性電極としてシリコンを用いる本発明の例を説明するため、図8を検討する。ここで電極1は、箔裏材62とシリコン基板65とからなる。図8の電極1の形状は三角形で、例1で説明した最適な指数形状に近い。シリコン基板65は標準的なウェハから切り取られて、導電性接着剤を用いて電極1の箔裏材62に接合されてよい。図8の電極2’は図1の電極2のような構造を持つが、ただ磁石は示されておらず、別々に配置されるものとする。磁石を電極2’から分離することにより、図8の電極1と同じ材料およびプロセスを用いて図8の電極2’を構成することが可能である。矢印61は、方向性を持つ電子の流れを指す。箔裏材はシリコンよりもはるかに高い導電性を持つため、電子は抵抗の最も少ない経路を通る。ゆえに、電子は伝導により電極2’の箔裏材を右から左へ流れてから、矢印部分67によって示されているように電極2’のシリコン基板を通って垂直に流れ、そして電子は、矢印部分66で示されているように真空中で電極2’の表面64から電極1へトンネリングまたは熱電子放出を介して流れる。電子が電極1に到達すると、矢印部分65で示されたようにシリコン基板を通って垂直に流れ、最後に電極1の箔裏材62に達する。次に、電極1の箔裏材62を左から右へ、抵抗の非常に低い経路を通る。矢印61で方向が示された電子の流れは、図8には示されていない付近の永久磁石の磁界と相互作用を行う。
To illustrate an example of the invention using silicon as the flexible electrode, consider FIG. Here, the
この例では、シリコンの合計厚さtsはウェハあたり0.5ミリメートルまたは0.25ミリメートルであり、これは業界で標準的な厚さである。シリコン材料は0.02オーム‐cmの抵抗率rsを有するようにドーピングされ、これも一般的な慣行である。シリコンのヤング率Esは47ギガパスカルつまり4.7×1010パスカルであることが知られている。シリコンウェハは、業界では表面粗さが0.5ナノメートルとなるまで研磨されるのが普通であり、横寸法が1センチメートルのウェハでは1.0ミクロンの表面平坦度dxを達成する。 In this example, the total silicon thickness ts is 0.5 millimeters or 0.25 millimeters per wafer, which is a standard thickness in the industry. The silicon material is doped to have a resistivity r s of 0.02 ohm-cm, which is also a common practice. Young's modulus E s of silicon are known to be 47 GPa clogging 4.7 × 10 10 Pascals. Silicon wafers are typically polished in the industry to a surface roughness of 0.5 nanometers, and a wafer with a lateral dimension of 1 centimeter achieves a surface flatness d x of 1.0 micron.
図7は、図6と比較した、力に対するシリコンの作用を示す。ギャップが非常に狭くなるので、静磁気力は0.6ニュートンに抑えられる。シリコンの抵抗は、電流、ひいては静磁気反発力を制限する。また、ギャップが非常に狭いと、すべての供給電圧においてシリコンの低下を発生させてギャップにはゼロ電圧が現れ、これは非常に狭いギャップ間隔では静電気引力がゼロであることを意味する。 FIG. 7 shows the effect of silicon on the force compared to FIG. Since the gap is very narrow, the magnetostatic force is suppressed to 0.6 Newton. The resistance of silicon limits the current, and thus the magnetostatic repulsion. Also, if the gap is very narrow, there will be a drop in silicon at all supply voltages and zero voltage will appear in the gap, which means that the electrostatic attraction is zero at very narrow gap intervals.
これらの作用を量的に表すため、供給電圧Vをシリコン抵抗で割ったものでありrsts/Lwに等しい、本システムで流れる最大電流を検討する。例1の印加電圧、電極の長さと幅では、シリコンが存在すると最大電流は約50アンペアである。さらに、電流がこの50アンペアレベルに近づくと、供給電圧はすべてシリコンで低下し、電極の対向面では電圧差が得られない。 To represent these effects quantitatively, consider the maximum current flowing in the system, which is the supply voltage V divided by the silicon resistance and equal to r s t s / Lw. With the applied voltage, electrode length and width of Example 1, the maximum current is about 50 amps in the presence of silicon. Furthermore, when the current approaches this 50 ampere level, the supply voltage is all reduced by silicon, and no voltage difference is obtained at the opposing surfaces of the electrodes.
図7における復元差異力は比較的大きい。図によれば、所望の分離から0.1ナノメートルの差異があると、0.05ニュートンを超える復元力が発生する。これから計算するように、この復元力は、電極1を平坦化するのに必要な曲げ力よりもはるかに大きく、電極2との平行状態を達成するのに必要な曲げ力よりもはるかに大きい。
The restoring differential power in FIG. 7 is relatively large. According to the figure, a 0.1 nanometer difference from the desired separation produces a restoring force exceeding 0.05 Newton. As will be calculated, this restoring force is much greater than the bending force required to flatten the
電極1の1ミクロンの波形を平坦にするには、40dxEswts 3/12L3の力が必要である。この力は0.003ニュートンであると計算される。電極1と電極2とが対向する波形を持つ場合には、必要な力はこの量の2倍つまり0.006ニュートンであって、所望のギャップの0.1ナノメータ以内にギャップを維持するのに利用可能な0.05ニュートンの復元力よりもはるかに小さい。
To flatten the 1 micron waveform of
以下の理由から、シリコン電極材料による図7の力特徴は、金属箔材料による図6のものよりも望ましい。(1)シリコンが存在する場合の力は、純金属電極の場合のようにシステムを損傷するか不安定にする可能性のある振動または突然の動きを発生させるほど大きくない。(2)シリコンウェハの平坦度は金属箔よりも高いので、所望の動作点のさらに近くでシステムが始動できる。(3)シリコンの抵抗は、結果的に、高温および電極材料への蒸発ダメージという結果を生む、狭い局所的範囲での電流の大量発生を防止する。(4)シリコンの剛性は、材料の移動量を減少させて長時間にわたってギャップを維持し、疲労、割れ、変形の危険性を低下させる。(5)シリコンの高い剛性と平坦度によって、局所的変動が存在してもギャップを確実に維持して、指数形状、電極厚さの均一性、材料および設計の他のパラメータ変動の精度をあまり必要としなくなる。 For the following reasons, the force feature of FIG. 7 with silicon electrode material is more desirable than that of FIG. 6 with metal foil material. (1) The force in the presence of silicon is not so great as to generate vibrations or sudden movements that can damage or destabilize the system as in the case of pure metal electrodes. (2) Since the flatness of the silicon wafer is higher than that of the metal foil, the system can be started closer to the desired operating point. (3) The resistance of silicon prevents the generation of a large amount of current in a narrow local range that results in high temperature and evaporation damage to the electrode material. (4) The rigidity of silicon reduces the amount of material movement, maintains the gap for a long time, and reduces the risk of fatigue, cracking and deformation. (5) The high rigidity and flatness of the silicon ensures that the gap is maintained even in the presence of local variations, reducing the exponential shape, uniformity of electrode thickness, and accuracy of other parameter variations in materials and design No longer need it.
図9aは、熱光起電と呼ばれる別のタイプのエネルギー変換の場合にこのデバイスがどのように使用できるかについての別の例を示す。この例では、熱源71が、光線の波長よりも狭いギャップ74を超えて感光性材料75へ、72で示された光線を光電子放出材料73に放射させ、感光性材料は矢印76で示された電流を発生させる。この例では、光電子放出材料73はタングステンなどであってよい。感光性材料75はシリコン、セレニウム、ガリウム、ヒ素、インジウムあるいはこれらの組合せまたは合金であってよい。ギャップ74に必要な長さは一般的に、近接場光学条件を達成するため、光電子放出材料73により放出される最小波長より短い、つまり約100ナノメートルである。この場合の光電子放出電極73は剛性かつ平坦であって、ギャップ側が研磨されている。感光性電極75は、平坦化されて約100ナノメートルの非常に均一なギャップを形成するのに充分な可撓性を持つ。
FIG. 9a shows another example of how this device can be used in the case of another type of energy conversion called thermophotovoltaic. In this example, the
図9bは、本発明の熱光起電実行例において安定したギャップを形成できる力のグラフを示す。これらの距離では静電気力は非常に小さくて重要ではないため、二つの電極の間に引力を生じさせるようにばね力または同様の外力がこれにとって換わってもよい。ばね力は、ギャップ分離と相関した直線状の大きさを持つ。図9には図示されていない磁界の存在下で流れる矢印76で描かれた電流により、均衡を保つ反発力が前の例のように発生する。この電流は、電極73から放出された光子を受け取る感光性材料によって発生されるが、さもなければ、前の例で説明したように均一なギャップ分離を設けてこれを維持するように作用する。図9bの反発力46’は熱光起電電流に比例し、その作用と分離状態は、前記の非特許文献5から導出された。
FIG. 9b shows a graph of the force that can form a stable gap in the thermophotovoltaic implementation of the present invention. At these distances, the electrostatic force is very small and unimportant, so a spring force or similar external force may be substituted for this to create an attractive force between the two electrodes. The spring force has a linear magnitude correlated with the gap separation. The repulsive force that keeps the balance is generated as in the previous example by the current drawn by the arrow 76 flowing in the presence of a magnetic field not shown in FIG. This current is generated by the photosensitive material that receives the photons emitted from the
図10a〜10cは、図8または図9の設計がどのように組み立てられるかを示し、多数のデバイスが電気的には直列に、熱的には並列に接続されている。さらに図10a〜10cは、半導体業界で広く使用されている製造技術を用いて多数のこれらデバイスをどのようにスケールアップするかを示している。図10aは、多数のデバイスの片側を保持するベース基板82を示す。この基板82は、デバイスが熱トンネル冷却装置として作動する時には冷却され、または熱‐電気変換器として作動する時には加熱され、デバイスが熱光起電変換器として作動する時には放射を行う。図10bは、基板82に多数のデバイスを製造するために形成される膜積層体の側面図を示す。基板82は、シリコン、シリコンカーバイド、アルミニウム、ガリウムヒ素あるいは業界で一般的に使用される類似の基板材料で製作される。層88は、第1金属層83を基板層82から電気的に絶縁するが熱伝導は可能である酸化物または類似の膜である。第1金属層83は、熱トンネル動作のために電流を伝えるため、または熱光起電動作のために熱を伝えるため、伝導率が高く比較的厚い層である。層83は例えば銅でも、またはアルミニウムなどのより安価な金属でもよい。ギャップ層84は、ギャップとの境界に最も適した金属または他の膜である。熱トンネルの場合には、金は不活性金属であるので、酸化および汚染から保護するためこの層84は金である。熱光起電動作の場合には、ギャップを横断する光子へ熱が最大に変換されるように、ギャップ層84はタングステンまたは光電子放射性の高い他の材料であってよい。層85は、層83、84、84’、83’による膜積層体が形成された後に除去される犠牲層である。犠牲層により、第2電極を含む追加膜が構造に設けられる。犠牲層85を除去した後、前に説明した図5、6、7、9bの力均衡により、層84と84’との間にギャップが形成される。層84’は、ギャップからエネルギーを受け取り、汚染または酸化から層83’を保護するのに最適となる。熱トンネル動作の場合には、層84’は金で製作されてよい。熱光起電動作の場合には、層84’は図9aに材料75として説明された感光性材料であってよい。層83’はデバイスから電流を運ぶ通電層であり、その材料は銅またはアルミニウムであってよい。半導体加工を用いて図10bに示され膜積層体が形成されると、図10cに見られるように直列電気接続が行われる。この場合、電気接続は、ワイヤおよびワイヤボンド86を用いて頂部電極から隣接基板電極まで設けられる。ワイヤ89は、多数のデバイスへの電気入力および出力となる。犠牲層85は、処理液体、気体を用いて、または熱で溶解または蒸発させることにより除去される材料で製作されてよい。
FIGS. 10a-10c show how the design of FIG. 8 or FIG. 9 is assembled, with a number of devices connected electrically in series and thermally in parallel. In addition, FIGS. 10a-10c show how many of these devices can be scaled up using manufacturing techniques widely used in the semiconductor industry. FIG. 10a shows a
図8、9a、10cに示されたように一対のデバイスが形成されると、例えば図11aに図示されたような熱交換器パッケージに挿入できる。ここで電極対または電極対のアレイ92は、一つのフィン93から対応のフィン93’へ熱を移動させる。フィン93はすべて第1熱板90に物理的に接続され、対応のフィン93’はすべて第2熱板90’に物理的に接続されている。小さな高温側93と小さな低温側93’とをそれぞれ集合させることにより、熱板90,90’は、熱トンネルまたは熱光起電動作のための高温側および低温側となる。熱板90,90’は、銅、アルミニウムあるいはシリコンなどの熱伝導性の高い材料から製作される。矩形管91は密封容器の壁となり、ガラス、テフロン(登録商標)、ポリイミドあるいは充分な圧縮強度を持つ同様の材料など、熱伝導性の低い材料で製作される。熱伝導性が低いと、高温および低温のプレート90,90’を断熱してシステムの有効性を高めることができる。プレート90,90’が管壁91と適合していない熱膨張特性を持つ場合には、バイトン、テフロン(登録商標)など軟質の真空対応ゴム、ポリイミド、またはこのようなタイプのシールのため業界でOリングを製作するのに使用される同様の材料で境界材料95が製作されてよい。熱板材料90,90’と管壁材料91との熱膨張特性がほぼ等しい場合には、境界材料95はガラスフリット、エポキシ、はんだ、溶接などの硬質接合材料でよい。図11bは、熱交換器パッケージ11aを囲繞して、図11aの電極対92にギャップを形成するのに必要な磁界を供給する磁石構造をどのようにして構築するかを示している。永久磁石101は磁気透過性材料100の矩形リング内に固定される。鉄、コバルト、ニッケル、ネオジム、ホウ素、アルミニウムの合金など、磁石に使用される標準的な材料から永久磁石101が製作されてよい。一般的にこの合金は細かい粒子に焼結されてから、磁化された時に高い残留磁性を達成するように結合剤で所望の形状に固められる。永久磁石101によって得られる磁気透過性および磁界を最大にするため、矩形リング100は変圧器で使用されるのと同じ鋼で製作される。このような材料は、鉄分の多い鋼、その他、例えば鉄、コバルト、ニッケル、クロム、プラチナの合金であってよい。
Once a pair of devices are formed as shown in FIGS. 8, 9a, 10c, they can be inserted into a heat exchanger package, for example as shown in FIG. 11a. Here, the electrode pair or
図13は、熱交換器のアレイを収容するため磁石アセンブリがどのようにしてスケールアップされるかを示す。磁気透過性材料110が、図8、9a、10c、11aに見られるデバイスを挿入するための空隙のアレイを持つ格子構造に構成されている。永久磁石101が各セルに挿入されると、磁石の間に磁界が発生する。
FIG. 13 shows how the magnet assembly is scaled up to accommodate an array of heat exchangers. The magnetically
超小型製造プロセスでは、図13の磁石アレイは図10cの基板の頂部に構築され、図10cの電極対が図13の磁石アレイの空隙に収容されるように構成されてよい。この場合の小型化では、蒸着、スパッタリング、めっきなど標準的なプロセスを用いて、図10bの電極膜の構造と類似した基板に、直接、前述した材料の金属膜として永久磁石101と透過性材料110とを成長させてよい。
In a microfabrication process, the magnet array of FIG. 13 may be constructed on top of the substrate of FIG. 10c, and the electrode pairs of FIG. 10c may be configured to be received in the air gap of the magnet array of FIG. In this case, the
図14は、図8、10c、11aのデバイスが熱から電気への熱トンネル変換器として作動する時に必要とされるかもしれない付加的電気回路を示す。この発明のデバイス120では、ギャップ形成を行うため電流が流れる必要があるため、電流が流れる前にはギャップは存在していない。図14では、外部電源122はデバイス120にギャップを形成するのに使用される電流を供給する。ギャップが形成されて一つの電極に熱が印加されると、他方の電極に対して温度差が発生する。この温度差が存在すると、高温電子の熱トンネル電流が流れ始め、付加的な電流を発生させる。熱トンネル電流が流れると、前述したように、それだけでデバイス120のギャップを維持できる。この時、外部電源122はもはや必要なく、スイッチ123によって切断される。ゆえに図14の回路は、熱を電気負荷126のための電源へ熱トンネル変換するための開始回路である。熱源が取り除かれ、次に再配置されると必ず、スイッチ123が再び外部電源122を入れることができる。
FIG. 14 shows additional electrical circuitry that may be required when the device of FIGS. 8, 10c, 11a operates as a thermal to electrical thermal tunnel converter. In the
図12aは、真空環境が必要である時にマイクロ電気機械システム(MEM)がどのように収納されるかに類似した、本デバイスの電極を収納する別の例を示す。上下の熱板130はシリコンで製作され、標準的なシリコンウェハから切り取られる。シリコンは熱伝導率が高く、ゆえにこのデバイスの熱経路に充分に適している。パッケージ132の壁は、熱伝導率が低いがシリコン熱プレート130のものと近い熱膨張係数を持つガラスで製作される。ガラスとシリコンとは熱膨張特性が類似しているため、130と131との間に周知のガラスフリット接合方法を使用することが可能である。ガラスフリット接合は、一般的に2枚のガラスを一緒に接合するのに使用されるが、空気に露出されたシリコン表面には、当然、ガラス二酸化ケイ素層が形成されるので、ガラスをシリコンに接合するのにも使用できる。その結果、真空の圧力にも容易に耐える、非常に硬質で密閉されたシールがガラスとシリコンとの間に形成される。MEM産業では同様の真空パッケージが加速度計、発振器、高周波数スイッチに使用される。台座層131もシリコン製で、熱板134に接合されてよい。上下の熱板130の上の金属層134は、電球および他の真空製品の寿命を制限する貫通孔や他の機構を必要とせずにパッケージ内部の電極に電気接続を行うのに使用される。
FIG. 12a shows another example of housing the electrodes of the device, similar to how a microelectromechanical system (MEM) is housed when a vacuum environment is needed. The upper and lower
図12bは、図12aの真空パッケージ内に電極がどのように設けられるかを示している。電極対145は図8、9a、10cに対応する。熱境界材料141は、各電極とパッケージの外側との間で熱を伝え、動作中に電極が動くようにするための軟質層となる。熱境界材料141の例としては、Bergquist Corporationのギャップパッド、Apiezon あるいは Dow Chemicalの真空グリース、MER Corporationのカーボンナノチューブ複合体および混合物、あるいは熱伝導性粒子と混合された他の軟質材料がある。接合材料143はガラス壁をシリコン熱板に接合し、この材料の例としてはエポキシおよびガラスフリットがある。ワイヤ144は、電極の基部を上下の板に接続する。ワイヤの材料の例としては、銅、アルミニウム、その他の導電性材料で製作された平坦な箔または円筒形ワイヤがある。銅層134により、抵抗性シリコン板130全体に広く電流が流れる。導電性を高めてパッケージへの電流の抵抗損失を最小にするため、シリコン板はホウ素、ヒ素、あるいは同様の元素でドーピングされる。ゲッターフィラメント140は、電球内のフィラメントと全く同様に、銅パッド134に電圧が印加されると高温になる。クロム酸セシウムなどの適当な材料がフィラメント140を被覆して、セシウム蒸気を真空パッケージへ放出させる。セシウム蒸気は、いったん放出されると以下の機能を行う。(1)パッケージ内に残った空気および他のガスと反応して固体を生成することにより、シール後にこれらの空気およびガスを排出する。(2)同様の反応によって、デバイスの寿命中ずっと、室へ漏出するガスを除去する。(3)電極145のギャップ対向面にセシウム単層またはサブ単層を自然に形成することにより、低仕事関数層を生成してギャップにおける電子の放出を助ける。
FIG. 12b shows how electrodes are provided in the vacuum package of FIG. 12a. The
(その他の実施例)前記の基本例は、機能的な熱トンネルシステムが冷却または電力変換を達成するようにどのように設計されるかを示している。例1と2で使用されたパラメータの一つ以上を変更することによって、他の例を容易に設計できる。以下の変更のうち一つ以上によってギャップ距離を増大することができる。(1)磁界の増大、(2)電圧の低下、(3)電流の増大、(4)可撓性電極の長さの増大、(5)可撓性電極の面積の減少。反対の変更を行うことによってギャップ距離を減少することができる。 Other Embodiments The basic example above shows how a functional thermal tunnel system is designed to achieve cooling or power conversion. Other examples can be easily designed by changing one or more of the parameters used in Examples 1 and 2. The gap distance can be increased by one or more of the following changes. (1) increase in magnetic field, (2) decrease in voltage, (3) increase in current, (4) increase in length of the flexible electrode, (5) decrease in area of the flexible electrode. By making the opposite change, the gap distance can be reduced.
前述した特徴のうちいくつかは必要でないか、製造の複雑性を増すことなく達成できることに注意すべきである。ナノメートル次元より大きな機能的な熱トンネル変換器は業界では生産されていないため、大きなスケールでの実際の挙動は知られていない。例えば、再び図1a〜1bを参照すると、ギャップが若干小さい場合には低仕事関数層5は必要ないかもしれない。研磨後の表面粗さによって強化材料5’を簡単に設けることができるかもしれず、こうして、電子放出を向上させることが知られている頂部および谷部が自然に形成される。電極1、2の抵抗材料の選択によっては、当接先端6も不必要かもしれない。静電気力を低下させるためやはり頂部および谷部が設けられた図2aの電極パターンニングも、研磨後の自然な表面粗さによって達成されるかもしれない。最後に、トンネルプロセスが空気ギャップで実験的に実証されているならば、真空室20は必要ないかもしれない。加えて、より製造しやすい三角形によって電極1の指数形状に近づけることができる。これらの複雑な特徴(先端6、層5、強化材料5’、図2aのパターンニング、電極1の湾曲形状、真空室20)はすべて、最終生産で必要とされるかもしれないものを説明する上で完全を期すために本開示に含めたものである。
It should be noted that some of the features described above are not necessary or can be achieved without increasing manufacturing complexity. Functional thermal tunnel converters larger than the nanometer dimension are not produced in the industry, so the actual behavior at large scale is unknown. For example, referring again to FIGS. 1a-1b, the low
ここに開示したデバイスは、電極間に均一なギャップを必要とする電子業界の様々なタイプの電子接合部を製造する際に役立つ。例えば、高温側と低温側との間の断熱が不充分な熱電デバイスに本開示を採用できる。熱電積層体の上の真空間隔はより良好な断熱を行うので、本開示は、熱電子または熱トンネル方法とは無関係に、またはこれと組み合わせてこのギャップを設ける手段を提供する。 The devices disclosed herein are useful in manufacturing various types of electronic junctions in the electronics industry that require a uniform gap between the electrodes. For example, the present disclosure can be applied to a thermoelectric device that has insufficient heat insulation between the high temperature side and the low temperature side. Since the vacuum spacing over the thermoelectric stack provides better thermal insulation, the present disclosure provides a means of providing this gap independent of or in combination with thermionic or thermal tunneling methods.
ここに開示したデバイスの製造の容易性についての最終的なコメントは、二つの非常に滑らかな表面が接近した時に生じる他の自然力についての説明に関わる。滑らかな表面を接近させることが知られている二つの引力は、カシミール力とファンデルワールス力である。これらの力は、電圧を印加する前に本発明の二つの電極を接近させるには充分に強いが、本発明の動作中には、説明したような静電気力と静磁気力との所望の相互作用および優位性に影響を与えるほど強力であるとは予測されない。しかし、これらのカシミール力およびファンデルワールス力は、印加電圧によりデバイスを作動させる前に二つの電極を確実に完全表面接触させる。この場合、本発明の動作は、二つの電極を数ナノメートルだけ分離させるのを必要とするだけである。これらのカシミール力およびファンデルワールス力はまた、図1の絶縁層4の必要性を回避するのに役立ち、本発明の設計をさらに単純化する。
The final comment on the ease of manufacturing of the device disclosed here relates to an explanation of other natural forces that occur when two very smooth surfaces are brought close together. Two attractive forces known to bring smooth surfaces close together are the Kashmir force and the Van der Waals force. These forces are strong enough to bring the two electrodes of the present invention into close proximity before applying a voltage, but during operation of the present invention, the desired interaction between electrostatic and magnetostatic forces as described is desired. It is not expected to be powerful enough to affect action and superiority. However, these Kashmir and van der Waals forces ensure that the two electrodes are in full surface contact before operating the device with the applied voltage. In this case, the operation of the present invention only requires that the two electrodes be separated by a few nanometers. These Kashmir and van der Waals forces also help to avoid the need for the insulating
高レベルのエネルギー変換を達成するため、または電源と電圧を一致させるため、またはその両方のために、このデバイスの多数のユニットを並列および直列に接続することができる。 Multiple units of the device can be connected in parallel and in series to achieve a high level of energy conversion or to match the voltage with the power source, or both.
(実験およびシミュレーションの結果)図8の電極構成は、箔裏材として銅を用いてマイクロエレクトロニクス実験室で組み立てられ、この電極対が図11bに示されたような磁石構造の内側に配置された。温度に比例した電圧を発生させるため、各電極に熱電対が装着され、真空圧が1E‐3トルとなるようにポンプ排気された真空室に、装置全体が配置された。1.1アンペアの外部電源によって電極対が起動されると、3.0度の相対的温度差が二つの電極間で観察され、低温側は電子を放出している側であった。以下の動作のいずれかが行われた時に、この同じ相対的温度差が取り除かれたことが観察された。(1)真空を大気圧の窒素と置換すること、(2)外部電源を切ることによってチップを作動停止させること、(3)ギャップを形成する代わりに電極間の一定引力を増大させるように電流を逆転させること。これら三つの動作の各々が熱トンネリング作用を取り除いたと推定される。電極について観察された電気特性ばかりでなく、この装置の電気機械システムのコンピュータシミュレーションも、熱トンネリングギャップを良好に形成するこの設計と一致していた。 (Results of Experiment and Simulation) The electrode configuration of FIG. 8 was assembled in a microelectronics laboratory using copper as the foil backing, and this electrode pair was placed inside the magnet structure as shown in FIG. 11b. . In order to generate a voltage proportional to the temperature, a thermocouple was attached to each electrode, and the entire apparatus was placed in a vacuum chamber pumped to a vacuum pressure of 1E-3 Torr. When the electrode pair was activated by an external power supply of 1.1 amperes, a relative temperature difference of 3.0 degrees was observed between the two electrodes, and the low temperature side was the side emitting electrons. It was observed that this same relative temperature difference was removed when any of the following operations were performed. (1) replacing the vacuum with atmospheric nitrogen, (2) deactivating the chip by turning off the external power supply, and (3) current to increase the constant attractive force between the electrodes instead of forming a gap. To reverse. It is estimated that each of these three actions has removed the thermal tunneling effect. Not only the electrical properties observed for the electrodes, but also the computer simulation of the electromechanical system of this device was consistent with this design that well forms the thermal tunneling gap.
前述した本デバイスおよびプロセスの実施例、特に「好適な」実施例は、単なる可能な実行例であって、本発明の原理を明白に理解するために提示されたものに過ぎないことを強調しておく。ここに説明した自己配置電極の多様な実施例を、発明の趣旨および範囲から逸脱せずに設計および/または製作することができる。このような変形および変更は、すべて本開示の範囲に含まれ、前記の請求項によって保護されるものとする。そのため、本発明の範囲は添付請求項に支持されたものを除いて限定されることはない。 It is emphasized that the device and process embodiments described above, and in particular the “preferred” embodiments, are merely possible implementations and are presented merely for a clear understanding of the principles of the invention. Keep it. Various embodiments of the self-positioning electrodes described herein can be designed and / or fabricated without departing from the spirit and scope of the invention. All such variations and modifications are intended to be included within the scope of this disclosure and protected by the following claims. Accordingly, the scope of the invention is not limited except as supported in the appended claims.
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