JP2012529763A - ゼーベック効果熱電発電装置用のマイクロ構造、及びそのマイクロ構造の製造方法 - Google Patents

ゼーベック効果熱電発電装置用のマイクロ構造、及びそのマイクロ構造の製造方法 Download PDF

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Abstract

熱電マイクロ構造(10)の製造方法は、第一及び第二の接続領域(18、20)が設けられた絶縁基板(12)を形成し、第一の接続領域から第二の接続領域まで第一の方向に平行に延伸する導体又は半導体素子(14)(第一のゼーベック係数を有する)の第一の組を基板上に形成し、第一の接続領域から第二の接続領域まで第二の方向に平行に延伸する導体又は半導体素子(第一の組の素子から電気的に絶縁され第二のゼーベック係数を有する)の第二の組を基板上に形成し、基板の第一及び第二の接続領域に、電気接続素子(24)を提供する。単一の組の二つの素子が、接続領域において所定の平均距離(d、d)によって所定の方向で分離され、所定の方向における電気接続素子の平均寸法(P)が、単一の組の素子間の平均距離の最大値よりも大きく、二つの接続素子の縁の間の所定の方向における距離(E)が、単一の組の素子間の平均距離の最小値よりも小さい。

Description

本発明は、ゼーベック効果熱電マイクロ発電装置の分野に係り、言い換えると、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する構造であって、その機能素子が1ミリメートルよりも小さい構造に関する。
ゼーベック効果熱電発電装置の機能は、その発電装置が受ける温度勾配を電流に変換することである。このような特性は、例えば電流発生用に使用されるが、冷却や、温度又は熱流の測定にも使用される。従って、熱電発電装置は、MEMSとの頭字語の方が良く知られている微小電気機械システム(MicroElectroMechanical System)において一般的に使用される。
温度勾配から電流を生成するため、電気的に直列で熱的に並列に接続された異なるゼーベック係数の材料を用いた一組の接合(例えば直列に接続されたp‐n接合)が形成される。
このような接続に用いられる構造のタイプがどのようなものであれ、また、特許文献1のような平坦な構造であれ又は非特許文献1のようなコラム構造であれ、異なる素子(例えば1ミリメートルよりも小さい寸法の接合又は接続素子を形成する導体又は半導体素子)の微視的特性は通常、熱電効率を保証するための一続きの長い接合が得られるようにそれらの接合を設けるために、非常に正確な位置合わせプロセスを強いる。実際、精密機器を用いた非常に多くのステップを、熱電マイクロ構造を製造するために行う必要がある。実際、従来技術の熱電マイクロ構造は一般的に高価であり、製造に時間がかかる。
米国特許第6872879号明細書
G.Jeffery Snyder et al、"Thermoelectric microdevice fabricated by a MEMS−like electrochemical process"、Nature materials、第2巻、2003年8月、www.nature.com/naturematerial http://www.poweredbythermolife.com
本発明の目的は、非常に正確な位置合わせを必要としない一方で、接合の誤りに対するロバスト性の向上を保証する熱電マイクロ構造を製造するための簡単な方法を提案することである。
このため、本発明の対象は、
・ 第一及び第二の接続領域が設けられた絶縁基板を形成するステップと、
・ 第一の接続領域から第二の接続領域まで第一の方向に平行に延伸する導体又は半導体素子の第一の組(その素子は第一のゼーベック係数を有する)を基板上に形成するステップと、
・ 第一の接続領域から第二の接続領域まで第一の方向とは異なる第二の方向に平行に延伸する導体又は半導体素子の第二の組(第二の組の素子は、第一の組の素子から電気的に絶縁されて、第一のゼーベック係数とは異なる第二のゼーベック係数を有する)を基板上に形成するステップと、
・ 基板の第一及び第二の接続領域に電気接続素子(その電気接続素子の寸法は、各接続素子が第一の組の少なくとも一つの素子を第二の組の少なくとも一つの素子に電気的に接続することができるように選択される)を提供するステップとを備えたゼーベック効果熱電マイクロ構造の製造方法である。
本発明によると、
・ 単一の組の二つの導体又は半導体素子は、接続領域内における所定の平均距離によって所定の方向に分離されていて、
・ 所定の方向における接続素子の平均寸法は、単一の組の素子間の平均距離の最大値よりも大きく、
二つの接続素子の縁の間の所定の方向における距離は、単一の組の素子間の平均距離の最小値よりも小さい。
言い換えると、本発明のマイクロ構造の製造の第一フェイズにおいて、後に接合用に使用される素子が、単一の組内の位置合わせを気にする必要なく、第一の組と第二の組の正確な相対的向きに関わりなく、形成される。第二フェイズでは、コネクタを用いて、素子が相互接続されて、接合を形成する。コネクタの平均寸法は、接続領域内の素子間の間隔の二倍よりも大きい。このようにすることによって、複数の接合が電気的に直列に形成されることが確実となる。更に、コネクタの顕著なサイズに起因して、複数の一続きの接合が並列に形成されて、一つの接合が壊れた場合に、電流に対して並列な経路が依然として存在するようになる。
従来技術における目的は、単一の電気的に一続きの接合を得ることであり、素子の正確な位置合わせを必要としたが、本発明は、二つよりも多くの隣接する素子を互いに接続することが欠点ではなくて逆により大きなロバスト性をもたらすという点を活用している。従って、本発明では、特に並列電気経路を多重化して、究極的には構造のロバスト性を増大させるが、可能な限り接合を構成する素子に対するコネクタの正確な位置決めの必要性をなくすために、電気接続の最大密度を求めることが利点となる。二つの素子のみの接続を求める必要がないので、本方法は、高レベルの精度を必要とせず、マイクロ構造の製造を単純化する。
本発明によると、第一及び第二の組は絶縁基板の両面に各々形成され得て、接続素子の形成は、二つの面の間で基板を貫通する電気接続部の提供、特に、基板を貫通する少なくとも一つの孔の形成、及びこれに続いて、この孔内の導体コンタクトの形成を含む。
より具体的には、所定の方向における接続素子の平均寸法は、単一の組の素子間の平均距離の最大値の二倍よりも大きい。
本発明の他の構成によると、導体又は半導体素子は、バンド、ワイヤ、ナノワイヤ、及び/又は、単結晶繊維である。
一代替例では、素子は、異方性電気伝導性を有する薄膜によって構成され得る。
本発明の更なる目的は、
・ 第一の接続領域及び第二の接続領域が設けられた絶縁基板と、
・ 基板上の、第一の接続領域と第二の接続領域との間において第一の方向に平行に延伸する導体又は半導体素子の第一の組(その素子は第一のゼーベック係数を有する)と、
・ 基板上の、第一の接続領域から第二の接続領域まで第一の方向とは異なる第二の方向に平行に延伸する導体又は半導体素子の第二の組(第二の組の素子は、第一の組から電気的に絶縁されていて、第一のゼーベック係数とは異なる第二のゼーベック係数を有する)と、
・ 第一及び第二の接続領域内の、第一の組の少なくとも一つの素子を第二の組の少なくとも一つの素子に電気的に接続する電気接続素子とを備えたゼーベック効果熱電発電機用のマイクロ構造である。
本発明によると、
・ 単一の組の二つの導体又は半導体素子は、接続領域における所定の平均距離によって所定の方向に分離されていて、
・ 所定の方向における接続素子の平均寸法は、単一の組の素子間の平均距離の最大値よりも大きく、
・ 二つの接続素子の縁の間の所定の方向における距離は、単一の組の素子間平均距離の最小値よりも小さい。
上述の方法に従って製造されたこのような構造は、ロバストで製造が簡単である。
本発明は、添付図面を参照して提供される単に例示目的の以下の説明を読むことによって、より良く理解されるものである。
本発明に係る熱電マイクロ構造の概略的な前面図である。 図1のマイクロ構造の軸II‐IIに沿った概略的な断面図である。 本発明のマイクロ構造の導体又は半導体素子のレイアウトを示す概略図である。 本発明のマイクロ構造の導体又は半導体素子のレイアウトを示す概略図である。 図3及び図4のレイアウトと組み合わせられる接触孔が設けられた絶縁基板の概略的な前面図である。 本発明のマイクロ構造の積層体の概略図である。
本願において、“上”、“下”、“右”、“左”との表現は、図1に対して定義されるものである。
図1及び図2において、本発明に係る第一の実施形態のゼーベック効果熱電マイクロ構造10は、例えば、マイクロエレクトロニクスにおいて使用されるような薄層技術を用いて製造され、以下のものを含む:
・ 絶縁体の薄い基板12(例えば、基板又は薄膜);
・ 絶縁基板12の第一の面上に設けられた導体又は半導体製のバンド14の組。バンド14は、互いに等間隔で実質的に平行に形成され、基板12の第一の領域18(基板の上縁に配置されている)から、基板12の第二の領域20(基板の下縁に配置されている)まで延伸する;
・ 基板12の第一の面の反対側の第二の面上に設けられた導体又は半導体製のバンド22(破線で示される)の組。バンド22も、互いに等間隔で実質的に平行に形成され、第一の領域18から第二の領域20まで延伸する。更に、バンド22は、バンド14とは異なる方向を有する;
・ 絶縁基板12を貫通して領域18及び20に設けられた金属接続コンタクト24の組。金属コンタクト24(例えば楕円断面)は、等間隔であり、第一及び第二の組のバンド14、22を互いに電気的に接続する;
・ 基板12の左縁及び右縁に沿って形成された金属コレクタコンタクト26、28。金属コレクタコンタクト26はバンド14のみと接触していて、金属コレクタコンタクト28はバンド22のみと接触している。
バンド14及び22の物質は、異なるゼーベック係数を有するように異なる。例えば、バンド14は、正のゼーベック係数を有するP型半導体製であり、バンド22は、負のゼーベック係数を有するN型半導体製である。バンド14、22の半導体は、例えば、BiTe、BiSe及びSbTeの固溶体、Si又はSiGeベースの物質、シリサイド、ゲルマニド、MgSi、MgGe又はMgSnベースの固溶体、PbTe又はPbSeTe1−x等の他の物質から選択される。
好ましくは、バンド14及び22の物質は、200μV/Kよりも大きな絶対値のゼーベック係数の差を有するように選択される。このようにして、これらの物質は大きなZT指数を有し、特に、1以上のZT指数を有する。既知のように、ZT指数は、物質の熱電性能を特徴付けて、物質の“性能指数(フィギュアオブメリット)”として従来設定される。
バンド14、22は、従来技術において知られているように、例えば、絶縁体でコーティングされた導体又は半導体層を有する基板を削ることによって、コーミングによって、又は薄膜の長いバンドの除去によって、得られる。
従って、マイクロ構造10は、異なるゼーベック係数を有する物質の接合(例えば金属コンタクト24によって設けられたPN接合)の組を有し、それらの接合は、金属コレクタコンタクト26、28の間において、電気的に直列で熱的に並列に配置される。
有利には、金属接続コンタクト24は、第一の組の複数のバンド14を、第二の組の複数のバンド22に接続する。従って、金属コレクタコンタクト26及び28の間の電流用に複数の平行で独立的な経路が存在する。
従って、マイクロ構造10の上縁及び下縁を異なる温度T及びTに晒して、コレクタコンタクト26、28を負荷30に接続して閉回路を形成することによって、電流が、ゼーベック効果により発生し、直列の接合の形状の電気経路(例えば図1に太線で示される経路等)に沿って流れる。
好ましくは、金属接続コンタクト24は、基板12の平面内において同じ組の二つよりも多くの隣接するバンド、例えば三つ又は四つの隣接するバンドを接続して、結果として、並列の接合の複数の配列が形成される。従って、コレクタコンタクト26、28の間の電気経路に対して、並列の複数の接合によって構成された分岐が接続領域18、20の間に存在する。接合又は構成要素に欠陥が生じると、他の有効な接合が電流に対して常に存在することになる。
好ましい実施形態では、単位面積当たりのバンド密度が、単位体積当たりの高い接合密度が得られるように高く、コレクタコンタクト26、28の端子における電圧を増大させることによって、大量の電力を必要とする応用において使用可能な熱電マイクロ構造が得られる。
直線的なバンドについて説明してきたが、他の形状のバンドも考えられる。例えば、図3は、バンド14のレイアウトの代替形状を示す。従って、バンド14は、例えば“S”字型等のあらゆる形状を取り得る。直線的なレイアウトが、簡単さ及び製造コストの面から好ましいものであるが、非直線的な形状は、例えば、絶縁基板12の機能化領域(接続部、接続領域等)をバイパスするために好ましいものとなり得る。
同様に、平行で等間隔なバンドについて説明してきた。図3及び図4に見て取れるように、バンド14(図3)及びバンド22(図4)は、その間隔及びその平行性において互いに交差し得る限度において多様性を有し得る。
同様に、第一の組のバンド14と第二の組のバンド22の間の方向の相違は、非常に多様なものであり得る。バンドのずれを、接続領域18におけるバンド端部から接続領域20におけるバンド端部までのx座標の軸(“x”軸)に沿った距離として定義することによって、第一の組のバンド14のずれD1が、第二の組のバンド22のずれD2と異なってはいるが同じ符号のもの又は異なる符合のものとなる。ずれD1及びD2は、接続領域18、20の間の距離にわたって、第一の組のバンド14が第二の組のバンド22と交差するように選択される。
同様に、バンドについて説明してきた。一代替例として、他のタイプの直線的な導体又は半導体素子が適切なものとなる。例えば、ワイヤ、ナノワイヤ、又は繊維状単結晶が使用される。この代替例では、例えば電気泳動法を用いて、ワイヤ、ナノワイヤ、又は繊維状単結晶を、基板12にわたって分散させて、電場によって整列させる。一代替例として、異方性導電性を有する薄膜を、絶縁基板の各面に用い得て、各膜は、適切な方向に最大電流伝導軸を有する。
一代替例では、第一の組の素子が薄膜によって構成されて、第二の組の素子がバンドによって構成される。しかしながら、異方性の方向が明確なので、バンドが好ましい。他方、実施の単純性において膜が好ましくなり得る。
同様に、バンドは、その端部が、接続領域18及び20が直線的になるように整列されるものとして説明されてきた。一代替例として、バンドの端部は、例えば基板の特定領域を避けるために、蛇行レイアウトとなり得る。
同様に、第一のタイプの物質製のバンド14が、第二のタイプの物質製のバンド22から絶縁基板12によって分離されている両面マイクロ構造について説明してきた。この基板の使用は、特に、有効で実施が簡単なバンド22に対するバンド14の絶縁を可能にする。一代替例では、バンド14及び22は、短絡を防止するためにその形成中においてバンド14がバンド22から電気的に絶縁されることを保証して、絶縁基板22の同じ面に設けられる。例えば、バンドは、絶縁体でコーティングされた導体又は半導体製のコアによって構成されたナノワイヤ型の素子である。そして、コンタクト24は、孔開けステップ、及びそれに続く、形成された孔の金属化ステップ(孔を金属で充填又は内側を覆う)によって形成される。そして、孔開けがナノワイヤのコアを露出することによって、接合の形成が可能になる。
一般的に、本発明に係るマイクロ構造の好適な製造方法は、
・ d≦|D1−D2|及びd≦|D1−D2|となるような個々の平均間隔d及びd(図3及び図4)で接続領域18及び20の間に平行なバンド14、22を形成するステップと、
・ 幅P(図5)が、max(d,d)及び変動ΔPよりも大きな平均値
Figure 2012529763
を有して
Figure 2012529763
となるような金属コンタクト24を形成するステップとを備え、
間隔E(つまり二つのコンタクト24の二つの隣接する縁を分離する距離)が好ましくはmin(d,d)未満であり、有利には、金属コンタクト24が接触せずに可能な限り小さい。有利には
Figure 2012529763
であり、単一の組の複数のバンドを互いに接続するようにする。
このようにすることによって、少なくとも一つの電流経路が確実に得られて、コンタクト24の幅Pが増大し、及び/又は、バンド14、22の間隔d及びdが減少すると、複数の平行な電流経路が得られる。
特に、バンド14、22を互いに又は金属コンタクト24に対して正確に配置する必要がない点は特に留意されたい。従って、本製造方法は、寸法の変動を許容し又は接合の構成部分を形成する異なる複数の素子の位置決めという点に関してロバストである。従って、非制限的な許容性を有する物質が使用可能であり、及び/又は、製造によって生じる変動を気にせずに、高い生産速度が得られる。
コンタクト24は、例えば、絶縁基板12に孔開けをして、これに続いて、形成された孔を金属で充填又は内側を覆うことによって得られる。一代替例では、二つの直線的な開口が形成される。そして、個々の金属コンタクトがそこに挿入されるか、又は、開口が、金属で充填されて、そのようにして得られた直線的な金属コンタクトが、例えばエッチングによって個々の素子に分割される。
更に、金属コレクタコンタクト26、28は、基板12の高さ全体にわたって、またはその一部のみにわたって延伸し、及び/又は、基板12の角を含み得る。好ましくは、コレクタコンタクト26、28は、接続領域18及び20の間の距離の大部分にわたって延伸して、複数のバンドと接触する。
有利には、複数の本発明の熱電マイクロ構造を組み合わせて、図1に関して説明したのと同じタイプの複数の構造を並置することによって最終的な二次元構造を得ることができ、又は三次元構造を得ることができる。
例えば、図6は、例えば図1及び図2のものと同一のマイクロ構造である本発明に係る四つのマイクロ構造10a、10b、10c、10dを組み合わせることによって得られた三次元構造の例を示す。
従って、左側の電気コレクタコンタクト26a、26b、26c、26d及び右側の電気コレクタコンタクト28a、28b、28c、28dを電気接続することによって、三次元構造が簡単に得られる。従って、マイクロ構造10a、10b、10c、10dは並列に配置され、アセンブリのロバスト性を増強して、利用可能な電力を増大させる。
これから、本発明に係るマイクロ構造の実施形態の数値的な例について説明する。
マイクロ構造を、
・ 1.4mm×1.4mmで厚さ0.01mmの絶縁基板を有し、
・ 平均直径0.002mmで400本ワイヤ/mmの密度で配置されたBiTe2.7Se0.3製のn型半導体ワイヤを基板の一方の面上に有し、
・ 平均直径0.002mmで400本ワイヤ/mmの密度で配置されたBi0.5Sb1.5Te製のp型半導体ワイヤを基板の他方の面上に有し、
・ 平均幅0.016mmで、二つのコンタクト間の平均間隔0.004mmの電気接続コンタクトを有するように製造した。コンタクトは、ニッケルメッキのテルル化ビスマス製であり、10−9Ωm−2の表面抵抗を有する。従って、平均で7本のワイヤが一つのコンタクトに接続される。
p型ワイヤは実質的に直線状であり、基板の垂直軸に対して0.163radの平均角度を有し、標準偏差は0.1radである。同様に、n型ワイヤは実質的に直線状であり、−0.163radの平均角度及び0.1radの標準偏差を有する。
以下の表は、このようなマイクロ構造の例の電気特性を、非特許文献1に記載の所謂“Thermolife”マイクロ構造(その電気特性は非特許文献2に見い出すことができる)のものと比較したものである。
Figure 2012529763
従って、本発明によって、
・ 正確な位置合わせを必要とせずに低いコストで高い生産出力を可能にする製造方法が得られ、
・ 基板及びその環境の特殊性を考慮することができる製造方法が得られ(例えば、適切な非直線状導体素子を用いて、一部基板領域をバイパス可能にすることによって)、
・ 使用意図に応じて両面又は単面のマイクロ構造を得るための方法が得られ、
・ 複数の電流経路を並列に配置することによってロバストな熱電マイクロ構造が得られ、
・ 高い接合密度によって高電圧熱電マイクロ構造が得られ、また、
・ 他のマイクロ構造と単純な方法で組み合わせ可能な熱電マイクロ構造が得られる。
10 ゼーベック効果熱電マイクロ構造
12 絶縁基板
14、22 導体又は半導体素子
18、20 接続領域
24 電気接続素子
26、28 金属コレクタコンタクト
30 負荷

Claims (6)

  1. 第一の接続領域(18)及び第二の接続領域(20)が設けられた絶縁基板(12)を形成するステップと、
    前記第一の接続領域(18)から前記第二の接続領域(20)まで第一の方向に平行に延伸する導体又は半導体の素子(14)であって、第一のゼーベック係数を有する素子(14)の第一の組を前記絶縁基板(12)上に形成するステップと、
    前記第一の接続領域(18)から前記第二の接続領域(20)まで前記第一の方向とは異なる第二の方向に平行に延伸する導体又は半導体の素子(22)であって、前記第一の組の素子(14)から電気的に絶縁されて、前記第一のゼーベック係数とは異なる第二のゼーベック係数を有する素子(22)の第二の組を前記絶縁基板(12)上に形成するステップと、
    前記絶縁基板の前記第一の接続領域(18)及び第二の接続領域(20)に、電気接続素子(24)を提供するステップとを備え、前記電気接続素子(24)の寸法(P)が、各電気接続素子(22)が前記第一の組の少なくとも一つの素子(14)を前記第二の組の少なくとも一つの素子(22)と電気的に接続することができるように選択される、ゼーベック効果熱電マイクロ構造(10)の製造方法であって、
    単一の組の二つの導体又は半導体の素子(14、22)が、接続領域(18、20)における所定の平均距離(d、d)によって所定の方向に分離され、
    前記所定の方向における前記電気接続素子(24)の平均寸法(P)が、単一の組の素子間の平均距離(d、d)の最大値よりも大きく、
    二つの電気接続素子(24)の縁の間の前記所定の方向における距離(E)が、単一の組の素子間の平均距離(d、d)の最小値よりも小さいことを特徴とするゼーベック効果熱電マイクロ構造(10)の製造方法。
  2. 前記導体又は半導体の素子の第一の組及び第二の組が、前記絶縁基板(12)の両面に各々形成され、前記電気接続素子(24)を提供するステップが、前記両面の間で前記絶縁基板を貫通する電気接続部を形成するステップ、特に前記絶縁基板を貫通する少なくとも一つの孔を形成し該孔の内部に導体コンタクトを成形するステップを含む、請求項1に記載のゼーベック効果熱電マイクロ構造(10)の製造方法。
  3. 前記所定の方向における前記電気接続素子(24)の平均寸法(P)が、単一の組の素子間の平均距離(d、d)の最大値の二倍よりも大きい、請求項1に記載のゼーベック効果熱電マイクロ構造(10)の製造方法。
  4. 前記導体又は半導体の素子(14、22)が、バンド、ワイヤ、ナノワイヤ、及び/又は、単結晶繊維によって構成される、請求項1から3のいずれか一項に記載のゼーベック効果熱電マイクロ構造(10)の製造方法。
  5. 少なくとも一方の組の前記導体又は半導体の素子(14、22)が薄膜によって構成され、前記薄膜が、異方性導電性を有し、前記絶縁基板の面の一方に取り付けられ、他方の組の素子とは異なる方向において最大電流伝導軸を有する、請求項2に記載のゼーベック効果熱電マイクロ構造(10)の製造方法。
  6. 第一の接続領域(18)及び第二の接続領域(20)が設けられた絶縁基板(12)と、
    前記絶縁基板(12)上において、前記第一の接続領域(18)と前記第二の接続領域(20)との間で第一の方向に平行に延伸する導体又は半導体の素子(14)であって、第一のゼーベック係数を有する素子(14)の第一の組と、
    前記絶縁基板(12)上において、前記第一の接続領域(18)から前記第二の接続領域(20)まで前記第一の方向とは異なる第二の方向に平行に延伸する導体又は半導体の素子(22)であって、前記第一の組の素子(14)から電気的に絶縁されていて、前記第一のゼーベック係数とは異なる第二のゼーベック係数を有する素子(22)の第二の組と、
    前記第一及び第二の接続領域(18、20)内において前記第一の組の少なくとも一つの素子(14)を前記第二の組の少なくとも一つの素子(22)と電気的に接続する電気接続素子(24)とを備えたゼーベック効果熱電発電機用のマイクロ構造(10)であって、
    単一の組の二つの導体又は半導体の素子(14、22)が、接続領域(18、20)における所定の平均距離(d、d)によって所定の方向に分離されていて、
    前記所定の方向における前記電気接続素子(24)の平均寸法(P)が、単一の組の素子間の平均距離(d、d)の最大値よりも大きく、
    二つの電気接続素子(24)の縁の間の前記所定の方向における距離(E)が、単一の組の素子間の平均距離(d、d)の最小値よりも小さいことを特徴とするゼーベック効果熱電発電機用のマイクロ構造(10)。
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