JP2013506309A - ３次元マイクロ構造体を有する熱電エネルギ変換器、該エネルギ変換器を製造する方法および該エネルギ変換器の使用方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの熱電対によって熱エネルギと電気エネルギとを互いに変換する熱電エネルギ変換器に関する。このエネルギ変換器は、異なるマイクロピラー材料を有するマイクロピラーからなる少なくとも１つの３次元マイクロ構造体を有する。上記のマイクロピラー材料は、異なるゼーベック係数（熱電能）を有する。互いに平行に配置されたマイクロピラーのマイクロピラー直径は、０.１μｍないし２００μｍの範囲から選択される。上記のマイクロピラーはそれぞれ２０ないし１０００の範囲のアスペクト比を有する。さらに上記のマイクロピラーは熱電対として、熱電圧を形成するために互いに結合されている。上記の３次元マイクロ構造体を作製するため、つぎのようにする。すなわち、ａ） テンプレート材料を有するテンプレートを準備する。ただしこのテンプレートは、上記の熱電エネルギ変換器のマイクロ構造体と実質的に逆の、ピラー状のテンプレート空所を有する３次元テンプレート構造体を有しており、ｂ） 上記のピラー状の空所にマイクロピラー材料を配置してマイクロピラーを生じさせるステップと、ｃ） 上記のテンプレート材料を少なくとも部分的に除去するステップとを有する。テンプレートとして有利にはシリコンウェハを使用する。上記のテンプレートを提供するため、ＰＡＥＣＥ（Photo Assisted Electro-Chemical Etching）法を使用する。本発明により、熱ビームに対する高感度な検出器を実現することができる。

Description

本発明は、３次元マイクロ構造体を有する熱電エネルギ変換器と、このエネルギ変換器を製造する方法と、このエネルギ変換器の使用方法に関する。

ゼーベック効果に基づく熱電エネルギ変換器は公知である。このエネルギ変換器は、熱電センサとして使用される。このようなエネルギ変換器の基本素子は、２つの熱電対脚を有する熱電対であり、これらの熱電対脚は、異なる熱電能（ゼーベック係数）を有する異なる熱電対脚材料からなる。

このような熱電エネルギ変換器の熱電対は、例えば、ラテラル方向の構造を有する２次元構造体として構成される。ここでは上記の熱電対の熱電対脚は、ダイヤフラム上に平らに載置される。熱電対脚の高温のセンサコンタクトは、上記のダイヤフラムの中央に配置され、またこの熱電対脚の低温のセンサコンタクトは、上記のダイヤフラムを支持するシリコンフレーム上に配置される。

この２次元構造体は、熱電的にアクティブなセンサ面が小さいにもかかわらず大きなスペースを必要とする。

本発明の課題は、従来技術に比べて所要スペースが小さい熱電エネルギ変換器を提供することである。

この課題を解決するため、少なくとも１つの熱素子によって熱エネルギと電気エネルギとを互いに変換する熱電対エネルギ変換器を提供する。このエネルギ変換器は、自立式の少なくとも１つのマイクロ構造体を有しており、このマイクロ構造体は、第１マイクロピラーおよび少なくとも１つの第２マイクロピラーを備えており、第１マイクロピラーは、第１マイクロピラー長手方向長さと、第１マイクロピラー直径と、第１熱電能を備えた少なくとも１つの第１マイクロピラー材料とを有しており、また第２マイクロピラーは、第２マイクロピラー長手方向長さと、第２マイクロピラー直径と、上記のマイクロピラー材料とは異なる第２熱電能を有する少なくとも１つの第２マイクロピラー材料とを有している。ここで上記のマイクロピラーは長手方向に実質的に互いに平行に延在している。上記のマイクロピラー直径は、０.１μｍないし２００μｍの範囲から選択される。上記のマイクロピラーはそれぞれ、２０ないし１０００の範囲のアスペクト比を有する。さらに上記のマイクロピラーは互いに結合されて、熱電対として熱電対電圧を形成する。上記のマイクロピラー直径は有利には、０.３μｍないし２００μｍの範囲から選択される。

ここで上記のマイクロピラーが実質的に平行に配置されるとは、これらのマイクロピラー長手方向長さの配向が１０°までの偏差を有し得ることである。

有利には上記のマイクロ構造体は、多数のこのような熱電対を有する。これらの多数の熱電対は有利には互いに直列に接続されるため、これらの熱電対の熱電圧の総和により、実質的にこれらの多数の熱電対の全体熱電圧が得られる。これにより、熱吸収ビームの場合、入射する吸収ビームの１ワット当たり１０００Ｖ以上の極めて高い感度が可能になる。

上記の課題を解決するため、つぎの方法ステップを有する熱電エネルギ変換器を製造する方法が提供される。すなわち、
ａ） テンプレート材料を有するテンプレートを準備するステップ、ただしこのテンプレートは、上記の熱電エネルギ変換器のマイクロ構造体と実質的に逆の、ピラー状のテンプレート空所を有する３次元テンプレート構造体を有しており、
ｂ） 上記のピラー状の空所にマイクロピラー材料を配置して、マイクロピラーを生じさせるステップと、
ｃ） 上記のテンプレート材料を少なくとも部分的に除去するステップとを有する。

有利には上記のマイクロピラー材料を配置するため、以下に示す別の方法ステップを実行する。すなわち、
ｄ） 複数のマイクロピラー材料のうちの少なくとも１つの出発材料を上記の空所に入れるステップと、
ｅ） 上記のマイクロピラー材料の出発材料をマイクロピラー材料に変化させるステップとを有する。

上記のマイクロ構造体を用いることにより、第３の次元を利用する。これによって可能になるのは、熱電エネルギ変換器の熱電対が要するスペースを従来技術に比べて格段に低減することである。上記のマイクロ構造体により、多数の熱電対を最小の空間に配置することが可能である。これにより、ブラシ状の３次元的に構成されたマイクロ構造体を有する熱電エネルギ変換器が得られ、このマイクロ構造体は、（系統的に）マトリクス状に配置された極めて細いマイクロピラー（糸、針）からなる。このマイクロ構造体は、グリッド点を備えたグリッドを有する。これらのグリッド点は、上記のマイクロピラーによって構成される。これまでは、１０００μｍまでまたそれ以上の糸長で、１０μｍ未満の（糸）グリッドを有するこのようなマイクロ構造体を製造する方法は存在しない。

上記の熱電エネルギ変換器はゼーベック効果に基づいている。ここでは熱エネルギが電気エネルギに変換される。上記のマイクロピラーは、熱電対の熱電対脚である。しかしながら上記の熱電エネルギ変換器は、逆にペルチェ効果を利用して動作させることも可能である。この際には上記の熱電対を電流が通る。この際に解放される熱エネルギは、周囲に放出され得る。これにより、状況に応じて周囲が加熱されるかまたは冷却されるのである。

マイクロピラー材料として、多数の材料、例えば金属、金属の合金、半金属および半導体化合物が対象となる。例えば、上記の第１マイクロピラー材料および／または第２マイクロピラー材料は、ビスマス、アンチモン、テルルおよび鉛のグループから選択された元素を有する。マイクロピラー材料は、上記の複数の元素のうちの１つずつの元素だけから構成することできる。上記の元素の合金ならびに化合物も考えられる。とりわけテルル化ビスマス（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）が際立っており、これは室温において極めて効率の高い熱電対脚材料である。別の有利な材料の組成はつぎのとおりである。すなわち、ビスマスアンチモン（ＢｉＳｂ），鉛テルル（ＰｂＴｅ）またはシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）である。

上記のマイクロ構造体を製造するための基礎にあるアイデアは、テンプレート（マトリクス、型）をベースにして、上記のマイクロ構造体に対して逆の、複数のテンプレート空所を有するテンプレート構造体（マトリクス構造体）を準備することである。これらのテンプレート空所は、テンプレート空所の長手方向に実質的に互いに平行に配向されており、またそれぞれ２０ないし１０００の範囲のアスペクト比と、それぞれ０.１μｍないし２００μｍの範囲のテンプレート空所直径とを有する。隣接するテンプレート空所間の間隔も、上記のマイクロ構造体のマイクロピラー間隔に等しい。この製造方法により、上記の熱電エネルギ変換器を実現するために第３の次元が利用されるのである。

上記のマイクロピラーは有利には並んで配置される。しかしながらこれらのマイクロピラーを上下に配置することも考えられる。この際に上記のマイクロピラーは有利には互いに直接接触接続する。したがって１つの特別な実施形態によれば、複数のマイクロピラーが上下に重ねられて、全体長手方向長さを有する１つの全体マイクロピラーに配置されるのである。上記の第１マイクロピラーと第２マイクロピラーとが、上記の全体マイクロピラーの部分を構成する。

有利には上記の複数のマイクロピラーのうちの少なくとも１つ上記のマイクロピラーの長手方向長さ、または上記の全体マイクロピラーの全体マイクロピラー長手方向長さは、５０μｍないし１０ｍｍの範囲から、また殊に１００μｍないし１ｍｍの範囲から選択される。殊に上記の多数のマイクロピラーないしはすべてのマイクロピラーのマイクロピラー長手方向長さ（糸長）は、上記の範囲から選択される。これらのマイクロピラーは同じ長さを有することができる。上記のマイクロ構造体のマイクロピラーの長さが異なること、すなわち種々異なるマイクロピラー長手方向長さを有することも考えられる。

すでに説明したように上記のマイクロピラーは上下に配置することができる。しかしながら有利には上記のマイクロピラーは互い並んで配置される。特別な実施形態によれば、上記のマイクロピラーは互いに並んで配置されて、マイクロピラー間にマイクロピラー中間空間が得られるようにする。ここでこのマイクロピラー中間空間は、マイクロピラー間で０.３μｍないし１００μｍの範囲から選択されたマイクロピラー間隔を有する。上記のマイクロピラーのマイクロピラー直径（ラテラル方向の長さ）が小さいことと、マイクロピラー間のマイクロピラー間隔が小さいこととに起因して、上記の熱電エネルギ変換器の熱電対の所要スペースが極めて小さくなる。

このように小さいマイクロピラー間隔において有利には、隣接するマイクロピラー間の上記のマイクロピラー中間空間に、マイクロピラーを互いに熱的にデカップリングする少なくとも１つの手段が配置される。上記のマイクロピラー中間空間を越えたラテラル方向の熱交換ないしはラテラル方向の熱伝搬が阻止される。上記の手段は、熱伝導率の小さい材料とすることが可能である。例えば、上記の熱的にデカップリングするための手段は、１０^-2ｍｂａｒ未満の気圧を有する真空である。殊にこの気圧は、１０^-3ｍｂａｒ未満である。上記のマイクロピラーを有するマイクロ構造体は、真空化されるのである。

特別な実施形態において、上記の熱電エネルギ変換器のマイクロ構造体は、熱エネルギを熱電対に入力結合するため、および／または熱電対から熱エネルギを出力結合するための少なくとも１つの熱結合装置を有する。殊に上記の熱結合装置は、熱吸収ビームの形態の熱エネルギを吸収するため、および／または熱放射ビームの形態の熱エネルギを放射するため、熱機能層を有する。上記の熱機能層は、電磁ビームを吸収し、例えば可視光または赤外光を吸収する。ここで取り出される熱エネルギは、上記の熱電対に伝達される。この逆に、電流が熱電対を通る際に解放されるエネルギは、上記の機能層を介して電磁ビーム（放射ビーム）として周囲に放出される。

上記の熱結合装置が化学的に感応するコーティングを有することも考えられる。この化学的に感応するコーティングは、所定の化学物質、例えば所定の気体を吸収する。上記の化学的に感応するコーティングにこのような気体分子が吸収される際、熱エネルギが解放され、この場合にこの熱エネルギは、上記の熱電エネルギ変換器によって検出可能である。

有利には上記のマイクロ構造体は、マイクロ構造支持体（マイクロ構造基板）に配置される。ここで基板材料は、有機材料また無機材料とすることが可能である。例えば、上記のマイクロ構造支持体は、シリコンウェハである。基板材料はシリコンである。

特別な実施形態によれば、上記の熱電対の熱電圧を読み出すための読み出し装置（読み出し電子回路、読み出し回路）および／または電子駆動電圧によって熱電対を駆動制御する駆動制御装置（駆動制御電子回路、駆動制御回路）が設けられている。上記の装置またはその一部は、ＳＭＤ（Surface Mounted Device）構成部材として上記のマイクロ構造支持体に配置することができる。しかしながら有利には上記の装置またはその一部は、上記のマイクロ構造支持体に組み込まれる。したがって特別な実施形態では、上記の読み出し装置および／または駆動制御装置は、上記のマイクロ構造体のマイクロ構造支持体に組み込まれるのである。有利にはこのためにマイクロ構造支持体としてシリコンウェハが使用される。上記の読み出し装置および／または駆動制御装置は、シリコンウェハにＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）として組み込まれる。

これとは択一的な実施形態において、上記の読み出し装置および／または駆動制御装置は、上記のマイクロ構造支持体とは異なる回路支持体（回路基板）に組み込まれる。上記の装置は、別個の回路基板によって実現される。ここでもＳＭＤ構成部材を設けることができる。しかしながら上記の回路支持体も有利にはシリコンウェハである。ここでも上記の装置をＡＳＩＣとして組み込むことができる。その他には上記の読み出し回路の一部をマイクロ構造体に組み込み、この読み出し回路の別の一部を上記の回路支持体に組み込むことも考えられる。

上記の読み出し装置および／または駆動制御装置を別個の回路支持体に組み込む場合に殊に有利であるのは、マイクロ構造支持体と回路支持体とをフリップチップ技術によって互いに接続することである。このフリップチップ技術により、スペースを節約して、上記の読み出しないしは駆動制御に必要な電気コンタクトを作製することができる。これにより、上記の熱電子エネルギ変換器のコンパクトな構造が得られる。

方法については殊にテンプレート材料として、シリコンを有するテンプレートを使用する。例えば、シリコンウェハを用いて上記の方法を実施する。シリコンウェハはテンプレートとして機能する。シリコンは、所要のアスペクト比を有する上で説明したピラー状のテンプレート空所を形成するのに殊に良好に適している。このためにＰＡＥＣＥ（Photo Assisted Electro-Chemical Etching）プロセスを実行する。この方法の出発点は、例えばフォトリソグラフにより、シリコンウェハの表面に「エッチピット（etch pit）」を入れることである。表面が構造化されたこのシリコンウェハは、フッ化水素酸を有するエッチング溶液に曝される。電場を作用させることにより、また光を照射することにより、「エッチピット」から出発して極めて構造に忠実に上記のピラー状のテンプレート空所が得られるのである。

上記のピラー状のテンプレート空所を形成することに加えて、これらのテンプレート空所の充填は別の重要なステップである。このために上記のテンプレート空所は、例えば、出発材料としての液状のマイクロピラー材料によって、またはマイクロピラー材料の別の液状の出発材料によって充填される。引き続き、このテンプレート空所において上記の液状の材料が固体のマイクロピラー材料に変化する。ここでマイクロピラーが形成される。

例えば、温度を高めて、出発材料としての液状の金属を上記のテンプレート空所に入れる。引き続いて温度を下げる。上記の液状の金属は硬化して、相応する金属製のマイクロピラーが得られる。

上記のテンプレート空所がマイクロ反応器として機能することも考えられる。この際には液状の出発材料を上記のテンプレート空所に入れる。引き続いて行われる化学反応により、マイクロピラー材料が形成される。ここでマイクロピラーが形成される。

マイクロピラーを形成した後、テンプレート材料を少なくとも部分的に除去する。このことが意味するのは、上記のマイクロピラーを部分的または完全に露出させることである。マイクロピラーを部分的にのみ露出させる場合、上記のテンプレートの残存部分は、マイクロ構造支持体として機能することできる。しかしながら、マイクロ構造支持体を有するテンプレートをマイクロ構造体に使用することも考えられる。これによってテンプレート材料を完全に除去した後、マイクロ構造支持体上にマイクロ構造体が残る。

テンプレート材料を除去した後、相応する機能材料を有する上記の熱機能層をマイクロピラーの端部に配置する。ここでは、上記のマイクロピラーの少なくとも一部の端部に、上記の機能材料を有する機能層が配置されるようにする。

第１マイクロピラーおよび第２マイクロピラーは、上下に配置して全体マイクロピラーにすることができる。この全体マイクロピラーは、全体マイクロピラー長手方向長さに沿って配置された２つの部分を有しており、これらの部分は、互いに異なるマイクロピラー材料を有する。上記の全体マイクロピラーは、異なるマイクロピラー材料を有する２つの部分（部分区間）からなる。これは、例えば上記のテンプレート空所をまず第１マイクロピラー材料によって部分的に充填することによって得られる。第１マイクロピラーを構成した後、上記のテンプレート空所の空いたままになっている領域に第２マイクロピラー材料を充填する。引き続いて第２マイクロピラー材料に変化させることにより、第１マイクロピラーを有する第１部分と、第２マイクロピラーを有する第２部分とを有する１つの全体マイクロピラーが得られる。これらの２つのマイクロピラー材料を互いに反対側からテンプレート空所に充填して、ただ１つの共通のプロセスでもってそれぞれマイクロピラー材料に変換させることも考えられる。

有利には第１マイクロピラーおよび第２マイクロピラーは、上下ではなく互いに並んで配置される。これにより、異なるマイクロピラー材料から構成される異種の１つのマイクロ構造体が得られる。このマイクロ構造体は、例えば、複数のマイクロピラー材料のうちの１つを配置している間にテンプレート空所の一部を覆うことによって作製することができる。引き続いて上記の覆われたテンプレート空所を別のマイクロピラー材料によって充填する。上記の複数のマイクロピラー材料はここでも共通の１つのプロセスにおいて同時に、相応するマイクロピラーに変化させることができる。これにより、異なるマイクロピラー材料から構成されるマイクロピラーを有するマイクロ構造体が得られる。しかしながらこれらのマイクロピラーを順次に作製することも考えられる。このことが意味するのは、まず第１マイクロピラー材料を変化させ、つぎに、前もって覆っていたテンプレート空所に第２マイクロピラー材料を充填し、引き続いて変化させることである。まず第１マイクロピラー空所を作製して第１マイクロピラー材料を充填し、つぎに第２マイクロピラー空所を作製して第２マイクロピラー材料を充填することも可能である。

本発明の別の様相によれば、熱エネルギおよび電気エネルギを互いに変換する上記の熱電エネルギ変換器の使用方法が提供される。ここでは熱エネルギにより、熱電対に熱電圧を形成して電気エネルギに変換するか、またはこの熱電対を電気的に駆動制御することにより、電気エネルギを熱エネルギに変換する。

有利には上記の熱電エネルギ変換器を使用して、熱エネルギから得た電気エネルギから、この熱エネルギを検出することである。気体分子を吸収する際に解放される吸収熱（上記を参照されたい）は、このようにしてこの気体分子の検出に使用することできる。したがって上記の熱電エネルギ変換器は、気体解析に応用するのに適しているのである。

有利には熱エネルギは、熱吸収ビーム（熱ビーム、赤外線ビーム）の形態で使用される。このことが意味するのは、上記の熱電エネルギ変換器が熱ビームの検出に使用されることである。上記の熱電エネルギ変換器は、赤外線センサとして機能するのである。互いに直列接続された熱電子対を多く設けた場合、ここでは、入射する吸収ビームのワット当たり１０００Ｖ以上の極めて高い感度を得ることができる。

さらに所要スペースが小さいことにより、大きなピクセル数（単位面積当たりの画素の個数）が可能になり、ひいては熱ビームの高い空間分解能が可能になる。ここでは１つのピクセルは、１つまたは複数の熱電対によって構成される。高い空間分解能から、上記の熱電エネルギ変換器の極めて異なる複数の応用例が得られる。例えば医療技術および産業におけるサーモグラフィ用または解析用の赤外線スキャナ、高分解能赤外線カメラ、または赤外線表示装置における応用例が得られるのである。

まとめると、本発明によってつぎのような利点が得られる。すなわち、
− 上記の３次元マイクロ構造体により、単位面積当たりに多くの個数の熱電対が可能である。
− 単位面積当たりの熱電対の個数が多いことにより、高い空間分解能を有する、熱エネルギ用のセンサが得られる。
− 本発明により、ラテラル方向に延在するセンサ面を有する熱電エネルギ変換器を作製することできる。すなわち、ここでは分解能が高くかつ面積の大きな熱検出器が可能になる。
− （マイクロメートルの数分の１の範囲までの）極端に細くかつ（数ミリメートルの範囲までの）極めて長いマイクロピラーにより、高い感度が得られる。
− このマイクロ構造体は、自立式のマイクロピラーを有する。したがってマイクロ構造体を支持するためのサポート面は必要ないのである。
− 殊に保護ガスまたは真空を使用した場合、隣接するピクセル間で熱伝達が少ない。これにより、付加的に感度が高くなり、また空間分解能が高くなる。
− 上記のマイクロピラーは、あらかじめ定めたようにかつ再現可能に形成することができる。
− プロセス技術が簡単であることにより、テンプレート空所を充填するため、マイクロピラー材料に対して極めて多くの材料選択肢がある。
− フリップチップ技術によってマイクロ構造支持体に接続される集積化読み出しないしは駆動制御電子回路を有する回路支持体を使用する場合、マイクロ構造体によって決まる表面積よりもあまり大きくない、全体熱電エネルギ変換器のラテラル方向サイズが得られる。熱電エネルギ変換器の厚さは、マイクロ構造支持体に配置されるマイクロ構造体および回路支持体によって決まる。すなわち、エネルギ変換器の厚さは、積層される２つのチップの厚さに相応するのである。

以下では複数の実施例および対応する図面に基づき、本発明を詳しく説明する。図面は概略的なものであり、縮尺通りの図ではない。

熱電エネルギ変換器の３次元マイクロ構造体を示す側方断面図である。 マイクロ構造体の斜視図である。 マイクロ構造体を作製する基本的な方法を示す図である。 テンプレートのテンプレート空所を充填する方法を示す図である。 熱電エネルギ変換器を作製する方法を示す図である。 別の熱電エネルギ変換器を作製する方法を示す図である。 マイクロ構造支持体および読み出し電子回路と、回路支持体とを接触接続する方法を示す図である。 マイクロピラーが並んで配置された熱電対の一部分を示す図である。 マイクロピラーが上下に配置された熱電対の一部分を示す図である。

以下の複数の実施例がそれぞれ対象としているのは、熱エネルギおよび電気エネルギを変換する熱電エネルギ変換器１である。このエネルギ変換器の機能動作は、ゼーベック効果に基づいている。ここに構成されているのは、熱ビーム１８を検出する赤外線センサとしての熱電エネルギ変換器である。

このエネルギ変換器は、少なくとも１つの自立式３次元マイクロ構造体１０を有する。マイクロ構造体１０は、熱電圧を形成する多数の熱電対１５を有する。これらの熱電対は、直列接続されているため、個々の熱電対の熱電圧は加算される。

各熱電対は、少なくとも１つの自立式の第１マイクロピラー１１を有しており、この第１マイクロピラーは、第１マイクロピラー長手方向長さ１１１と、第１マイクロピラー直径１１２と、第１熱電能を備えた少なくとも１つの第１マイクロピラー材料１１０とを有する（図８）。第１マイクロピラー材料は、テルル化ビスマス（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）である。

各熱電対はまた、少なくとも１つの自立式の第２マイクロピラー１２を有しており、この第２マイクロピラーは、第２マイクロピラー長手方向長さ１２１と、第２マイクロピラー直径１２２と、第１マイクロピラー材料とは異なる第２熱電能を備えた少なくとも１つの第２マイクロピラー材料１２０とを有する。第２マイクロピラー材料は、元素のモリブデンである。

上記のマイクロピラーは、マイクロピラー長手方向に対して実質的に互いに平行に配置されている。マイクロピラー直径は、約０.３μｍであり、マイクロピラー長手方向長さは１２０μｍである。したがって各マイクロピラーのアスペクト比は、約４００である。

隣接するマイクロピラー間にはマイクロピラー中間空間１４が設けられている。マイクロピラー中間空間は、隣接するマイクロピラー間に約０.３μｍの範囲のマイクロピラー間隔１４１を有する。

１つの実施形態においてこのマイクロピラー中間空間には保護ガスが入れられる。これとは択一的な実施形態では、マイクロピラー中間空間は真空化される。上記の中間空間における保護ガスまたは真空は、マイクロピラーを互いに熱的にデカップリングする手段１４２として機能する。

上記のマイクロ構造体は、マイクロピラー支持体１６に接続されており、このマイクロピラー支持体は、テンプレート材料２０１を部分的に除去することにより、使用したテンプレート２０から突き出ている（図３）。このマイクロピラー支持体の支持体材料１６１は、上記のテンプレートのテンプレート材料である。択一的な１つの実施形態において上記のマイクロ構造体は、マイクロ構造支持体上に残っており、ここでこのマイクロ構造支持体は、この製造方法の過程中に上記のテンプレートに接続されていたものである。上記のテンプレート材料は完全に除去される。マイクロ構造体が上記の支持体に残存する。

上記の３次元マイクロ構造体を作製するため、つぎの方法ステップを実行する。すなわち、
ａ） テンプレート材料を有するテンプレートを準備するステップ。ただしこのテンプレートは、上記の熱電エネルギ変換器のマイクロ構造体とは実質的に逆の、ピラー状のテンプレート空所を有する３次テンプレート構造体を有する。
ｂ） 上記のピラー状の空所にマイクロピラー材料を入れて、マイクロピラーを生じさせるステップ。
ｃ） 上記のテンプレート材料を少なくとも部分的に除去するステップを有する（図３）。
上記のマイクロピラー材料を配置するため、以下に示す別の方法ステップを実行する。すなわち、
ｄ） 上記のマイクロピラー材料のうちの少なくとも１つの出発材料を上記の空所に入れるステップと、
ｅ） 上記のマイクロピラー材料の出発材料をマイクロピラー材料に変化させるステップとを有する。

出発点はシリコンウェハである。このシリコンウェハはテンプレートとして機能する。テンプレート材料２０１はシリコンである。ＰＡＥＣＥプロセスにより、テンプレート空所２０３を上記のシリコンウェハに入れる。上記のテンプレート空所は、空所長手方向長さ２０４および空所直径２０５で入れられ、このテンプレート空所が、作製すべきマイクロピラーに相応する。上記のテンプレート空所間の間隔もマイクロピラーの間隔に相応して選択される。ここでテンプレート構造体２０２が得られる。

つぎに上記のピラー状のテンプレート空所に液状のマイクロ構造体材料を充填する。この仕方は、例示的に図４に示されている。すなわち、上記のテンプレート空所を有するテンプレートは、加熱素子４０１によって加熱され、液状の金属４０３を有するタンクに浸される。外部圧力を変化させることにより、上記の液状の金属がテンプレート空所に侵入するようにする。引き続いて上記の充填されたテンプレート空所を有するテンプレートがタンクから取り除かれる。このテンプレートを冷却する。この結果、上記の金属はテンプレート空所において硬化する。ここで金属製のマイクロピラーが得られる。上記の液状の金属は、マイクロ構造体材料の出発材料として使用される。この出発材料は、冷却によってマイクロ構造体材料（固体の金属）に変化する。

実施例１：
パッシベーションおよびＰＡＥＣＥプロセスの後、上記の熱電対の「低温のコンタクト１５１」が形成される（図５Ａおよび５Ｂ）。

つぎに第１マイクロピラー材料の液状の出発材料が、テンプレート空所の一部に入れられる（ステップ５０１）。第１マイクロピラー材料は、第２マイクロピラー材料よりも融点が高い。ここで第１マイクロピラーが得られる。

上記のテンプレートの反対側においてテンプレート材料を除去して平坦化した後（ステップ５０２）、残っているテンプレート空所に第２マイクロピラーが配置される（ステップ５０３）。

以下では上記の熱電対の高温のコンタクト１５２を形成する。さらに、検出すべき熱ビームに対する１つずつの吸収層１７１も被着される（ステップ５０４）。

これに続くステップ５０５では、スペーサ素子５００が上記のマイクロ構造体上に配置される。オプションではさらにマイクロ構造支持体１６または終端層が配置される（ステップ５０６）。

その後、エッチングステップにおいて上記のテンプレートのテンプレート材料が除去される（ステップ５０７）。テンプレートとして使用されたシリコンウェハのシリコンを除去する。

最後にさらに赤外線窓５１０を載置する。この窓は、検出すべき熱ビームに対して透過性である。さらに、これによって得られる内部空間５２０が真空化される。この内部空間は、上記のマイクロ構造体と、スペーサ素子と、赤外線窓とによって区切られている。上記の真空化の結果、上記のマイクロ構造体のマイクロピラー中間空間が真空化される。

実施例２：
実施例２（図６Ａおよび６Ｂ）のステップ６０１ないし６０６および６０８と、実施例１の相応するステップ５０１ないし５０６および５０８とは同じである。実施例１とは異なり、第１マイクロピラーを配置した後、ステップ６０２１においてフレーム５０３を載置する。これらのフレームにより、まだ充填されていないテンプレート空所の一部が覆われる。これらのテンプレート空所は、この方法の後続の過程において空いたままにされる。すなわち充填されないのである。

別の違いはステップ６０７に示されている。すなわち、上記のスペーサ素子によって覆われていない、フレーム５０３の部分は、シリコンエッチングプロセスにおいて一緒に除去される。これによって比較的大きな、後続のプロセスにおいてさらに真空化すべき内部空間が得られる。

最後に上記のマイクロ構造支持体と、回路支持体１９とが接続されるか、ないしはこのマイクロ構造体の熱電対の電気コンタクトと、上記の回路支持体にＡＳＩＣとして組み込まれた読み出し装置１９１とが接続される。このことは、図７Ａおよび７Ｂに示されている。上記のマイクロ構造支持体および回路支持体は、フリップチップ技術によって互いに接続される。ここで接触接続は、熱電エネルギ変換器の背面側から行われる。上記のエネルギ変換器の感熱素子が陰になることはない。

実施例３：
上の実施例とは異なり、熱電対の第１マイクロピラーおよび第２マイクロピラーは並んで配置されるのではなく、上下に配置されて、全体マイクロピラー長手方向長さ１３１を有する全体マイクロピラー１３になる（図９）。全体マイクロピラー直径は、第１マイクロピラーおよび第２マイクロピラーのマイクロピラー直径に等しい。この熱電エネルギ変換器は、多数のこのような全体マイクロピラーを有する。

Claims (23)

1. 少なくとも１つの自立式３次元マイクロ構造体（１０）を有しかつ少なくとも１つの熱電対によって熱エネルギおよび電気エネルギを相互に変換する熱電エネルギ変換器（１）において、
   該熱電エネルギ変換器は、
   − 第１マイクロピラー長手方向長さ（１１１）と、第１マイクロピラー直径（１１２）と、第１熱電能を備えた少なくとも１つの第１マイクロピラー材料（１１０）とを有する少なくとも１つの第１マイクロピラー（１１）と、
   − 第２マイクロピラー長手方向長さ（１２１）と、第２マイクロピラー直径（１２２）と、前記第１マイクロピラー材料とは異なる第２熱電能を備えた少なくとも１つの第２マイクロピラー材料（１２０）とを有する少なくとも１つの第２マイクロピラー（１２）とを有しており、
   − 前記マイクロピラーは、長手方向長さ（１１１，１２１）が実質的に互いに平行に配置されており、
   − 前記マイクロピラー直径（１１２，１２２）は、０.１μｍないし２００μｍの範囲から選択されており、
   − 前記マイクロピラー（１１，１２）はそれぞれ、２０ないし１０００の範囲のアスペクト比を有しており、
   − 前記マイクロピラーは、熱電対（１５）として熱電圧を形成するために互いに結合されている、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器（１）。
2. 請求項１に記載の熱電エネルギ変換器において、
   前記第１マイクロピラー材料および／または前記第２マイクロピラー材料は、ビスマス、アンチモン、テルルおよび鉛のグループならびこれらの化合物から選択される、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
3. 請求項１または２に記載の熱電エネルギ変換器において、
   前記マイクロピラー直径は、０.３μｍないし２００μｍの範囲から選択される、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の熱電エネルギ変換器において、
   前記マイクロピラーは、上下に重なって接して配置されて、全体長手方向（１３１）を有する全体マイクロピラー（１３）を構成する、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の熱電エネルギ変換器において、
   前記マイクロピラーのうちの少なくとも１つのマイクロピラー長手方向長さ、または前記全体マイクロピラーの全体マイクロピラー長手方向長さは、５０μｍないし１０ｍｍの範囲から、殊に１００μｍないし１ｍｍの範囲から選択される、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の熱電エネルギ変換器において、
   前記マイクロピラーは、前記マイクロピラー間にマイクロピラー中間空間（１４）が得られるように互いに並べて配置されており、ただし当該マイクロピラー中間空間は、前記マイクロピラー間で０.３μｍないし１００μｍの範囲から選択されたマイクロピラー間隔（１４１）を有する、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の熱電エネルギ変換器において、
   隣接する前記マイクロピラー間のマイクロピラー中間空間に、前記マイクロピラーを互いに熱的にデカップリングする少なくとも１つの手段（１４２）が配置されている、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
8. 請求項７に記載の熱電エネルギ変換器において、
   前記熱的にデカップリングする手段は、１０^-2ｍｂａｒ未満の気圧を有する真空である、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載の熱電エネルギ変換器において、
   前記マイクロ構造体は、熱エネルギを前記熱電対に入力結合するため、および／または前記熱電対から熱エネルギを出力結合するための少なくとも１つの熱結合装置（１７）を有する、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
10. 請求項９に記載の熱電エネルギ変換器において、
    前記熱結合装置は、熱吸収ビーム（１８）の形態の熱エネルギを吸収するため、および／または熱放射ビームの形態の熱エネルギを放射するための熱機能層（１７１）を有する、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項に記載の熱電エネルギ変換器において、
    前記マイクロ構造体は、マイクロ構造支持体（１６）に配置されている、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の熱電エネルギ変換器において、
    前記熱電対の熱電圧を読み出す読み出し装置（１９１）、および／または駆動制御電圧によって前記熱電対を駆動制御する駆動制御装置が設けられている、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
13. 請求項１２に記載の熱電エネルギ変換器において、
    前記読み出し装置および／または前記駆動制御装置は、前記マイクロ構造体のマイクロ構造支持体に組み込まれている、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
14. 請求項１２または１３に記載の熱電エネルギ変換器において、
    前記読み出し装置および／または前記駆動制御装置は、前記マイクロ構造支持体とは異なる回路支持体（１９）に組み込まれている、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
15. 請求項１４に記載の熱電エネルギ変換器において、
    前記マイクロ構造支持体および前記回路支持体は、フリップチップ技術によって互いに接続されている、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
16. 請求項１から１５までのいずれか１項に記載の熱電エネルギ変換器において、
    前記マイクロ構造体は、複数の熱電対を有しておりかつ複数の当該熱電対は互いに直列に接続されており、当該熱電対の熱電圧の総和により、実質的に複数の前記熱電対の全体熱電圧が得られる、ことを特徴とする熱電エネルギ変換器。
17. 請求項１から１６までのいずれか１項に記載の熱電エネルギ変換器を製造する方法において、
    該方法は、
    ａ） テンプレート材料（２０１）を有するテンプレート（２０）を準備するステップと、ただし該テンプレートは、前記熱電エネルギ変換器のマイクロ構造体と実質的に逆の、ピラー状のテンプレート空所（２０３）を有する３次元テンプレート構造体（２０２）を有しており、
    ｂ） 前記ピラー状の空所に前記マイクロピラー材料を配置して前記マイクロピラーを生じさせるステップと、
    ｃ） 前記テンプレート材料を少なくとも部分的に除去するステップとを有する、ことを特徴とする、熱電エネルギ変換器を製造する方法。
18. 請求項１７に記載の方法において、
    前記マイクロピラー材料を配置するためにさらにつぎの方法ステップを実行する、すなわち、
    ｄ） 前記マイクロ構造体材料のうちの少なくとも１つの出発材料を前記空所に入れるステップと、
    ｅ） 前記マイクロ構造体材料の出発材料を前記マイクロ構造体材料に変化させるステップとを有する、ことを特徴とする方法。
19. 請求項１７または１８に記載の方法において、
    シリコンを有するテンプレートをテンプレート材料として使用する、ことを特徴とする方法。
20. 請求項１７から１９までのいずれか１項に記載の方法において、
    支持体材料を備えたマイクロ構造支持体を有するテンプレートをマイクロ構造体に使用する、ことを特徴とする方法。
21. 熱エネルギおよび電気エネルギを互いに変換するために、請求項１から１６までのいずれか１項に記載の熱電エネルギ変換器を使用する方法において、
    前記熱電対における前記熱エネルギにより、前記熱電圧を形成して電気エネルギに変換するか、または前記熱電対を電気的に駆動制御することによって電気エネルギを熱エネルギに変換する、ことを特徴とする、熱電エネルギ変換器を使用する方法。
22. 請求項２１に記載の使用方法において、
    前記熱エネルギから得られた前記電気エネルギを使用して、前記熱エネルギを検出する、ことを特徴とする使用方法。
23. 請求項２２に記載の使用方法において、
    熱吸収ビーム（１８）の形態の熱エネルギを使用する、ことを特徴とする使用方法。

Images