JP2015511404A - 熱電気素子 - Google Patents

Abstract

性能を比較可能な従来の熱電気素子と比べて少ない半導体材料を必要とする、熱抵抗が大きい熱電気素子は、基板前側及びこの基板前側に対向する基板後側を有する基板と、基板前側に層として成膜された第一の接点と、基板前側に層として成膜された第二の接点と、これらの第一と第二の接点を互いに熱的及び電気的に分離する第一と第二の接点の間の不連続部と、側方境界面によって互いに接続された上側及び下側を有する熱電気作用層とを備えており、この熱電気作用層は、その下側が基板前側と接し、これらの側方境界面の中の一つの側方境界面が第一の接点と接し、これらの側方境界面の中の一つ側方境界面が第二の接点と接するように、不連続部内に配置されていることによって解決される。更に、この熱電気素子の製造方法を提案している。

Description

本発明は、熱電気素子に関する。

熱電気素子の作用形態は、熱電気効果に基づく。

ゼーベック効果とも呼ばれる熱電気効果によって、電気導体又は半導体の温度が異なる二つの点の間に、電圧が発生する。このゼーベック効果は、温度と電気の間の可逆の相互作用を規定する。このゼーベック電圧は、次の式で規定される。

Ｕ_{Ｓｅｅｂｅｃｋ}＝α×δＴ
ここで、δＴ：高温側と低温側の間の温度差
α：ゼーベック係数又は熱起電力

このゼーベック係数は、温度差に対する電圧の次元（Ｖ／Ｋ）を有する。このゼーベック係数の大きさは、ゼーベック電圧の高さに大きく依存する。

これらの熱電気素子は、有利には、異なる形でドーピングされた半導体材料から構成され、それによって、金属から成る熱電対と比べて効率を大幅に向上できる。一般的に使用される半導体材料は、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＰｂＴｅ、Ｂｉ２Ｓｅ３、ＳｉＧｅ、ＢｉＳｂ又はＦｅＳｉ２である。

ゼーベック効果が電圧の発生を規定する一方、ペルチェ効果は、専ら外部電流の流入によって生じる。このペルチェ効果は、電子熱容量の異なる二つの導体又は半導体を接触させて、電流によって、一方の導体／半導体から他方の導体／半導体に電子が流れた場合に発生する。好適な材料、特に、半導体材料を用いて、電流により温度差を発生させるか、或いは逆に温度差から電流を発生させることに成功している。

十分に高い電圧を得るために、複数の熱電気素子を熱電気モジュールに組み合わせて、電気的に直列に、場合によっては、並列に接続している。

図１に図示された熱電気ペルチェモジュールは、直列に接続された複数の熱電気素子から構成されている。これらの熱電気素子１は、それぞれｐ形とｎ形にドーピングされた半導体材料から成る、金属製ブリッジ３ａ，３ｂを上方と下方に交互に配備した小さい直方体２ａ，２ｂから構成されている。これらの金属製ブリッジ３ａ，３ｂは、熱電気モジュールの高温側と低温側４，５の熱電気素子１の熱的及び電気的な接点を構成しており、大抵は互いに間隔を開けて配置された二つのセラミック板６ａ，６ｂの間に設置されている。これらの異なる形でドーピングされた直方体２ａ，２ｂは、直列接続と成るように、金属製ブリッジ３ａ，３ｂによって互いに接続されている。

これらの直方体２ａ，２ｂに電流を供給した場合、電流の強さと電流の方向に応じて、一方の側４，５の直方体２ａ，２ｂの接続箇所が冷却される一方、それに対向する側４，５が加熱される。そのため、印加した電流がセラミック板６ａ，６ｂの間に温度差を発生させる。それに対して、対向するセラミック板６ａ，６ｂに異なる高さの温度を加えた場合、その温度差に応じて、モジュールの各熱電気素子１の直方体２ａ，２ｂに電流が発生する。

これらの直方体２ａ，２ｂのセラミック板６ａ，６ｂに対して直角方向における両端間の長さ７は、約３〜５ｍｍである。長い両端間の長さ７は、高温側と低温側４，５の間に大きな熱抵抗を生じさせ、その結果、このモジュールのゼーベック電圧と性能が、図２に図示された直方体２ａ，２ｂの両端間の長さ７は短いが直方体２ａ，２ｂの横断面が同じであるペルチェモジュールと比べて大きくなる。しかし、両端間の長さ７が長い直方体２ａ，２ｂは、多くの半導体材料を必要とする。

現在、前述した一般的に使用される熱電気材料の変換効率は、５％を下回る範囲内に有る。それは、熱電流を所要電力の２０倍以上としなければらないことを意味する。この前述した一般的に使用される熱電気材料の固有熱伝導度が１〜５Ｗ／ｍＫの範囲内に有るので、直方体の熱接点の固有熱伝導度は、明らかに２０〜１００Ｗ／ｍＫを上回らなければならない。

直方体内の熱電流は、直方体２ａ，２ｂの横断面が同じ場合両端間の長さ７が長くなる程減少する。従って、実現可能な熱抵抗は、直方体２ａ，２ｂの固有熱伝導度と両端間の長さ７に依存する。そのため、図２に図示された通りの熱電気素子は、熱を供給するのがより一層難しい。

この従来技術から出発して、本発明の課題は、性能を比較可能な従来の熱電気素子と比べて少ない半導体材料を必要とする、熱抵抗の大きい熱電気素子を提案することである。更に、そのような熱電気素子を製造する方法を提示する。

本課題は、詳しくは、基板前側及び基板前側に対向する基板後側を有する基板と、基板前側に層として成膜された第一の接点と、基板前側に層として成膜された第二の接点と、これらの第一と第二の接点を互いに熱的及び電気的に分離する第一と第二の接点の間の不連続部と、側方境界面によって互いに接続された上側及び下側を有する熱電気作用層とを備えた熱電気素子において、この熱電気作用層は、その下側が基板前側と接し、これらの側方境界面の中の一つの側方境界面が第一の接点と接し、これらの側方境界面の中の一つの側方境界面が第二の接点と接するように、不連続部内に配置されている熱電気素子によって解決される。

本発明による熱電気素子の利点は、熱電気作用材料が層、特に、薄い層として形成されているにも関わらず、技術的な限界を考慮して、第一と第二の接点の間の間隔が、そのため、熱抵抗が自由に選択可能になることである。電気的及び熱的接点も熱電気作用材料も基板表面上の平面内の層として成膜されているので、熱抵抗が大きいにも関わらず、熱電気素子の所要スペースが極めて小さい。更に、図１による従来の熱電気素子と比較可能な熱抵抗にも関わらず、不連続部内に配置された熱電気作用層に必要な熱電気材料が明らかに少ない。

この熱電気作用層の側方境界面を介した熱の入力結合又は出力結合によって、従来技術の欠点が解消され、そのため、両端間の長さに関係無く常に同じままである直方体の横断面を介した入出力結合が行なわれる。本発明では、側方境界面と第一又は第二の接点の間の接触面の大きさを広い限界内で変更できる。

この不連続部は、特に、接点の間の溝として形成される。この溝の両側の境界を画定する接点の側端は、有利には、基板前側に対して傾斜している。この溝の内部方向に傾斜する端部は、不連続部内に熱電気作用層を析出させるのに有利に作用する。

本発明の実施形態では、基板後側での熱電気素子の電気的及び／又は熱的な接点形成を行なう場合、
第三の接点を基板後側に層として成膜し、
第四の接点を基板後側に層として成膜し、
これらの第三と第四の接点の間に、第三と第四の接点を互いに熱的及び電気的に分離する不連続部を配置し、
少なくとも一つの第一のスルーホール部が第一と第三の接点を互いに熱的及び電気的に接続し、
少なくとも一つの第二のスルーホール部が第二と第四の接点を互いに熱的及び電気的に接続する、
ものと規定する。

この第一と第三の接点の間及び第二と第四の接点の間における基板の前側と後側の間のスルーホール部は、例えば、基板を貫通する、内側を金属被覆された孔として形成することができる。

熱電気素子の材料消費量を一層低減するために、全ての層は、有利には、薄い層として基板前側と基板後側に成膜される。この薄膜技術手法により析出される層の厚さは、典型的には、数マイクロメートルの範囲内に有るが、高々１００μｍである。

この熱電気作用層が、固着材料から成る複数の層と熱電気材料から成る複数の層を有し、これらの固着材料と熱電気材料から成る層が、熱電気作用層の上側と下側の間で交互に存在する場合、それによって、熱電気作用層が熱電気材料だけから成る層よりも機械的に安定すると同時に、より小さい熱膨張率を有するとの作用効果が得られる。それによって、特に、熱電気作用層の側方境界面が第一又は第二の接点から剥離することが防止される。

有利な実施形態では、不連続部の長さを拡大するために、不連続部は、直線形状ではなく、特に、波又は曼陀羅形状に形成される。層厚が同じであると仮定した場合、第一と第二の接点に接する熱電気作用層の側方境界面は、直線形状の推移と比べて拡大される。それによって、接点と熱電気作用層の間の電気抵抗が低減される。それにも関わらず、不連続部の幅が同じであると仮定した場合、この熱抵抗は、直線形状の推移と比べて十分に大きいままである。その結果、熱電気素子の性能が一層改善される。

本発明による熱電気素子を製造する方法は、基板の基板前側に金属被覆層を成膜する工程と、基板前側から金属被覆層を目的通り除去することにより、この金属被覆層に不連続部を構造化して、その結果、この不連続部が金属被覆部を第一の接点と第二の接点に分割する工程と、この不連続部内に熱電気作用層を析出させて、その結果、この不連続部が少なくとも部分的に熱電気作用材料で満たされる工程とを有する。

基板としては、例えば、特に、ポリアミドから成る板又は箔が使用される。この板は、特に、ガラス繊維で強化することができる。金属被覆層としては、特に、銅又はそれ以外の熱及び電気を良好に伝導する金属が成膜される。熱電気作用層を製作するために、事前に構造化した不連続部内に、少なくとも熱電気材料、特に、ビスマス・テルル化合物又はそれ以外の冒頭に述べた一般的に使用される半導体材料を析出させる。

この基板後側で熱的及び電気的な接点形成を行なう場合、この製造方法は、更に、基板前側に対向する基板後側に金属被覆層を成膜する工程と、基板後側から金属被覆層を目的通り除去することにより、この後側の金属被覆層に不連続部を構造化して、その結果、この不連続部が金属被覆部を第三の接点と第四の接点に分割する工程と、第一と第三の接点を互いに熱的及び電気的に接続する少なくとも一つの第一のスルーホール部を製作する工程と、第二と第四の接点を互いに熱的及び電気的に接続する少なくとも一つの第二のスルーホール部を製作する工程とを有する。

この後側での金属被覆のために、有利には、銅又はそれ以外の熱及び電気を良好に伝導する金属が同じく使用される。このスルーホール部の製作のために、前側と後側に成膜された金属被覆層を熱及び電気を伝導するように互いに接続する、側面を金属被覆された孔を基板に開けることができる。

これらの層の薄い層としての析出は、有利には、物理的又は化学的な気相析出法により行なわれる。有利な物理的気相析出法として、特に、スパッタリングが考えられる。

この金属被覆層の構造化は、有利には、半導体技術で一般的に使用されるエッチングの枠組みで行なわれる。この場合、特に、プラズマエッチング、活性イオン深さ方向エッチングなどのドライエッチング法及び湿式化学法が考えられる。

当然のことながら、それ以外の手法、特に、機械的な切削法で、この構造化を行なうことは、本発明の範囲内に有る。

既に述べた有利な多層の熱電気作用層を不連続部内に析出させるために、先ずは、基板表面に固着材料を析出させる。固着材料としては、特に、チタン（Ｔｉ）が適している。それに続き、例えば、ビスマス・テルル化合物などの熱電気材料から成る層と、例えば、チタンなどの固着材料から成る層とを交互に析出させる。

以下において、図面に基づき本発明を詳しく説明する。

従来技術による熱電気ペルチェモジュールの図 従来技術による別の熱電気ペルチェモジュールの図 本発明による熱電気素子の第一の実施例の図 本発明による熱電気素子の第二の実施例の図 図４の熱電気素子の前側の図 図４の熱電気素子の後側の図 本発明による熱電気素子の第三の実施例の斜視図 本発明による熱電気素子の不連続部と不連続部内に配置された熱電気作用層との断面拡大図

図３は、基板前側１２と基板前側１２に対向する基板後側１３とを有する、ポリアミドから成る平坦な基板１１を備えた熱電気素子１０の第一の実施例を図示している。この基板前側１２には、第一の接点１４と第二の接点１５が銅の層として成膜されている。これらの層は、本発明の図解のために本来の大きさではなく、拡大して図示されている。この銅の層の実際の厚さは、最大１００μｍである。平面図では、両方の接点１４，１５を構成する層は長方形である。第一の接点１４と第二の接点１５の間には、第一の接点１４と第二の接点１５を互いに熱的及び電気的に分離する不連続部１６が有る。図３の実施例では、不連続部は、直線形状に延びる、平面図（図５を参照）で両方の接点１４，１５の間の長方形の溝として形成されており、この溝は、溝の推移方向において基板１１の全長に渡って延びている。この不連続部１６内には、熱電気作用層１７が配置されている。この熱電気作用層１７は、図８の拡大図から明らかな通り、上側１８、下側１９及びこれらの上側１８と下側１９を互いに接続する側方境界面２０，２１によって境界を画定されている。

この熱電気作用層１７は、その下側１９を基板前側１２と接し、それらの側方境界面の中の一つの側方境界面２０が第一の接点１４と接し、それらの側方境界面の中の一つの側方境界面２１が第二の接点１５と接するように、不連続部１６内に配置されている。これらの側方境界面２０，２１を介して、熱電流２４が熱電気作用層１７に入出力結合される。この熱電気素子１０の熱ソース２２との接続は、第一の接点１４を用いて行なわれ、この熱電気素子１０の熱シンク２３との接続は、第二の接点１５を用いて行なわれる。実際には、物理的な気相析出プロセスによる熱電気作用層１７の析出を改善するために、有利には、これらの側方境界面２０，２１の第一と第二の接点との接触面は傾斜している。

図４に図示されている熱電気素子１０の第二の実施例は、図３の実施例に追加して、それぞれ基板後側１３に銅の層として形成された第三の接点２５と第四の接点２６を有する。基板前側１２と同様に、第三と第四の接点２５，２６の間にも、第三と第四の接点２５，２６を互いに熱的及び電気的に分離する不連続部２７が有る。この不連続部２７は、図６の熱電気素子１０を後側から見た図面から明らかな通り、直線形状に延びるとともに、推移方向において基板１１の全長に渡って延びている。スルーホール部２８が、第一の接点１４を第三の接点２５と熱的及び電気的に接続し、スルーホール部２９が、第二の接点１５を第四の接点２６と熱的及び電気的に接続している。これらのスルーホール部２８，２９は、基板１１を貫通する孔として形成されており、その孔の空洞の壁は、銅で金属被覆されている。これらの追加の接点２５，２６によって、後側を介して熱を入出力結合させることが可能となり、熱電流２４は、熱ソース２２から、第三の接点２５、スルーホール部２８、第一の接点１４、熱電気作用層１７、第二の接点１５、スルーホール部２９及び第四の接点２６を介して流れる。

図７は、図４による基板の両側を金属被覆された熱電気素子と構造がほぼ同じである熱電気素子１０の第三の実施例を斜視図で図示している。その点に関して、繰り返しを避けるために、図４による熱電気素子の構造の説明を参照されたい。しかし、基本的な違いは、第一の接点１４と第二の接点１５の間の不連続部１６の推移が直線形状ではなく、曼陀羅形状であることである。図４と７による熱電気素子１０の基板１１のサイズが同じである場合、この不連続部１６を曼陀羅形状に構成することによって、その長さを拡大することができる。熱電気素子１０のサイズが同じ場合、第一の接点１４と第二の接点１５に接する、熱電気作用層１７の側方境界面２０，２１が拡大される。それによって、熱電気素子１０の第一と第二の接点１４，１５の間の熱抵抗がほぼ同じであり、熱電気作用層１７の厚さが同じである場合、接触面の拡大された横断面が実現され、その結果、熱電気素子の電気抵抗が低減される。従って、不連続部の直線形状でない推移によって、熱電気素子の重要な要件、即ち、電気伝導度が高くなると同時に熱伝導度が低くなるとの要件が満たされる。

この不連続部の直線形状でなく、特に、曼陀羅形状の推移によって、直線形状の不連続部と電気伝導度が同じ場合に、熱電気作用層の層厚を薄くすることが可能となる。その結果、物理的な気相析出プロセスは層厚が厚くなる程負担が大きく高価となるので、そのプロセスにより熱電気作用層を製作する際の利点が得られる。

最後に、図８は、熱電気作用層１７の有利な構造を図示している。この熱電気作用層は、固着材料、特に、チタンから成る層３０と、熱電気材料、特に、ビスマス・テルル化合物から成る層３１とを交互に有する。この多層構造によって、純粋な熱電気材料よりも小さい熱膨張率を有する機械的に安定した層が得られる。それによって、側方境界面２０，２１における熱電気作用層１７の第一と第二の接点１４，１５からの剥離が防止される。

図３〜８による熱電気素子を製造するために、先ずはガラス繊維強化ポリアミドから成る基板１１の片側又は両側を銅で被覆する。

次の工程で、不連続部１６と、場合によっては、別の不連続部２７とをエッチングにより構造化する。次に、溝形状の不連続部１６内に、スパッタリングプロセスにより熱電気作用層１７を成膜する。熱電気作用層１７を多層とする場合、先ずは基板前側１２に固着材料から成る層３０を析出させ、次に、熱電気材料から成る層３１と固着材料から成る層３０を交互に析出させる。図４〜７に対応する熱電気素子１０が両側に接点を有する場合、更に、基板１１の孔開けとそれに続く孔への金属被覆によりスルーホール部２８，２９を製作しなければならない。

本発明による熱電気素子１０は、全体として、熱電流２４が前側の接点と熱電気作用層１７により規定される共通の平面内を流れることを特徴とする。それによって、熱電気素子１０がコンパクトになり、熱抵抗が大きい場合に、少ない熱電気作用材料しか必要としなくなる。そのため、不連続部の推移を適合させることによって、熱電気素子の電気抵抗を低減できることとなる。

１ 熱電気素子
２ａ，２ｂ 直方体
３ａ，３ｂ 金属製ブリッジ
４ 高温側
５ 低温側
６ａ，６ｂ セラミック板
７ 両端間の長さ
１０ 熱電気素子
１１ 基板
１２ 基板前側
１３ 基板後側
１４ 第一の接点
１５ 第二の接点
１６ 不連続部
１７ 熱電気作用層
１８ 上側
１９ 下側
２０ 側方境界面
２１ 側方境界面
２２ 熱ソース
２３ 熱シンク
２４ 熱電流
２５ 第三の接点
２６ 第四の接点
２７ 不連続部
２８ スルーホール部
２９ スルーホール部
３０ 固着材料の層
３１ 熱電気材料の層

Claims (11)

1. 基板前側（１２）及び基板前側（１２）に対向する基板後側（１３）を有する基板（１１）と、
   基板前側（１２）に層として成膜された第一の接点（１４）と、
   基板前側（１２）に層として成膜された第二の接点（１５）と、
   これらの第一と第二の接点（１４，１５）を互いに熱的及び電気的に分離する第一と第二の接点の間の不連続部（１６）と、
   側方境界面（２０，２１）によって互いに接続された上側（１８）及び下側（１９）を有する熱電気作用層（１７）とを備えた熱電気素子（１０）において、
   この熱電気作用層（１７）は、その下側（１９）が基板前側（１２）と接し、それらの側方境界面の中の一つの側方境界面（２０）が第一の接点と接し、それらの側方境界面の中の一つ側方境界面（２１）が第二の接点（１５）と接するように、不連続部（１６）内に配置されている熱電気素子。
2. 第三の接点（２５）が基板後側（１３）に層として成膜され、
   第四の接点（２６）が基板後側（１３）に層として成膜され、
   第三と第四の接点を互いに熱的及び電気的に分離する不連続部（２７）が第三と第四の接点（２５，２６）の間に配置され、
   少なくとも一つの第一のスルーホール部（２８）が第一と第三の接点（１４，２５）を互いに熱的及び電気的に接続し、
   少なくとも一つの第二のスルーホール部（２９）が第二と第四の接点（１５，２６）を互いに熱的及び電気的に接続している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱電気素子。
3. 基板前側（１２）と基板後側（１３）の全ての層が薄い層として成膜されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電気素子。
4. 熱電気作用層（１７）が固着材料から成る複数の層（３０）と熱電気材料から成る複数の層（３１）とを有し、これらの固着材料と熱電気材料から成る層（３０，３１）が熱電気作用層（１７）の上側と下側（１８，１９）の間に交互に存在することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の熱電気素子。
5. 少なくとも第一と第二の接点（１４，１５）の間の不連続部（１６）の推移が直線形状でないことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の熱電気素子。
6. 熱電気作用層（１７）の厚さが、第一と第二の接点（１４，１５）の厚さよりも厚く、熱電気作用層（１７）が、部分的に第一と第二の接点（１４，１５）と重なり合っていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の熱電気素子。
7. 熱電気素子を製造する方法において、
   基板（１１）の基板前側（１２）に金属被覆層を成膜する工程と、
   基板前側（１２）から金属被覆層を目的通り除去することにより、金属被覆層に不連続部（１６）を構造化して、その結果、この不連続部（１６）が金属被覆部を第一の接点（１４）と第二の接点（１５）に分割する工程と、
   この不連続部（１６）内に熱電気作用層（１７）を析出させて、その結果、この不連続部（１６）が少なくとも部分的に熱電気作用材料で満たされる工程と、
   を有する方法。
8. 基板前側（１２）に対向する基板後側（１３）に金属被覆層を成膜する工程と、
   基板後側（１３）から金属被覆層を目的通り除去することにより、この後側の金属被覆層に不連続部（２７）を構造化して、その結果、この不連続部が金属被覆部を第三の接点（２５）と第四の接点（２６）に分割する工程と、
   第一と第三の接点（１４、２５）を互いに熱的及び電気的に接続する少なくとも一つの第一のスルーホール部（２８）を製作する工程と、
   第二と第四の接点（１５，２６）を互いに熱的及び電気的に接続する少なくとも一つの第二のスルーホール部（２９）を製作する工程と、
   を更に有する請求項７に記載の方法。
9. 全ての層が、物理的又は化学的な気相析出法により薄い層として成膜されることを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
10. 各金属被覆層の構造化がエッチングにより行なわれることを特徴とする請求項７から９までのいずれか一つに記載の方法。
11. 熱電気作用層（１７）が不連続部（１６）内に複数の層（３０，３１）で析出され、先ずは固着材料から成る層（３０）が基板前側（１２）に析出され、それに続いて熱電気材料と固着材料から成る層（３０，３１）が交互に析出されることを特徴とする請求項７から１０までのいずれか一つに記載の方法。

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