JP2019509632A - 熱電装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、基板の上方にアーム（４４Ａ、４４Ｂ、４５Ａ、４５Ｂ）によって懸架されたプラットフォーム（４２）を備え、金属接続部（５４Ａ、５４Ｂ）によって直列に接続された交番タイプの熱電トラック（５２Ａ、５２Ｂ、５３Ａ、５３Ｂ）を有する熱電セルに関し、プラットフォームおよびアームは同じ熱的および電気絶縁層の一部であり、各アームは熱電トラックを支持する。

Description

本特許出願は、本明細書の不可欠な部分とみなされる、フランス特許出願ＦＲ１６／５１３３６号明細書の優先権を主張するものである。

本願は、熱電装置に関し、特に、金属接続部によって直列に接続された交互のｎ型熱電材料およびｐ型熱電材料を備える装置に関する。

図１Ａは、金属接続部によって直列に接続された交互のｎ型およびｐ型の熱電トラックを有する熱電装置１を示す。この装置は、ｎドープされた半導体ストリップ３およびｐドープされた半導体ストリップ５を備える。これらのストリップは熱電トラックを構成する。トラック３および５は、端子１３および１５を備えた２つの金属接点９および１１の間の金属接続部７によって直列に電気的に接続されている。

１つの動作モードでは、接点９および１１は温度Ｔ_Ｃであり、金属接続部７は温度Ｔ_Ｃより高い温度Ｔ_Ｈである。次いで端子１３と端子１５との間に電圧Ｖ１が現れる。すると熱電装置１は、自己完結型電子回路に電力を供給するための電流源または電圧源（サーモパイル）として使用されることが可能となる。装置はまた、接点の温度と金属接続部の温度との間の差を検出するためにも使用可能である。

別の動作モードでは、端子１３および１５は電源に接続され、トラック３および５における電流の流れは、接点の温度と金属接続部７の温度との間に差を生じる。すると熱電装置１は、ペルチェ冷却器として使用可能となる。

温度Ｔ_ＨとＴ_Ｃとの間の所定の温度差でサーモパイルとして使用される装置１によって生成される電圧は、トラックに使用される材料の性質に依存する。トラックの材料の熱電感度またはゼーベック係数（Ｖ／℃）は、端部間の所定の温度差に対してトラックの端部間に現れる電圧によって定義される。生成される電流および／または電圧を増加させるため、すなわち装置の性能を向上させるために、本発明者らは、ゼーベック係数を増加させ、トラックの電気抵抗および金属接続部７と接点９および１１との間の熱伝導の両方を低減することを目指す。

図１Ｂは、金属接続部２７によって２つの金属接点２５および２６の間に直列に接続された交互のｎ型およびｐ型熱電トラック２３および２４を有する熱電装置２０を示す。接点２５，２６は端子２８，２９を備えている。トラック間で交互する金属接続部２７は、交互に温度Ｔ_Ｃでブロック３０と熱接触し、温度Ｔ_Ｈではブロック３１と熱接触する。直列のトラック数に関する電圧Ｖ２は、温度Ｔ_ＨとＴ_Ｃとの間の差の関数に応じて端子２８と端子２９との間に生成される。

一般に、金属接続部によって直列に接続された交番タイプの熱電トラックを有する熱電装置では、トラックのチェーンが２つの金属接点を直列に接続する。チェーンの各トラックは、２つの金属要素、たとえば、接点と金属接続部とを接続し、金属要素は２つの異なるブロックと交互に熱接触している。

熱電装置のために様々な構造が提案されてきた。ＮａｎｏＥｎｅｒｇｙ（２０１４）４，７３，８０で公開されたＡ．Ｐ．Ｐｅｒｅｚ−Ｍａｒｉｎらによる論文「薄いＳｉ膜からのマイクロパワー熱電発電器（Ｍｉｃｒｏｐｏｗｅｒ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｒｏｍ ｔｈｉｎ Ｓｉ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ）」は、２つのブロックのうちの１つが懸架されたプラットフォームからなる熱電装置を記載している。トラックは、ｎ型とｐ型との間で交互にドープされたシリコンからなる。この構造は、他の既知の構造と同様に、様々な堅牢性および性能の問題を提示する。

性能が改善された堅牢な熱電装置を有することが望まれる。

したがって、本発明の一実施形態の目的は、上記の欠点の全部または一部を克服することである。

したがって、本発明の一実施形態は、基板の上方にアームによって懸架されたプラットフォームを備え、金属接続部によって直列に接続された交番タイプの熱電トラックを有する熱電セルを含み、プラットフォームおよびアームは同じ熱的および電気的絶縁層の一部であり、各アームは熱電トラックを支持する。

本発明の一実施形態では、セルは、基板上に配置された第１の２つの金属接点と、少なくとも２セットの熱電トラックとを備え、各セットは、第１の２つの金属接点の間に直列に接続された交番タイプの熱電トラックを含む。

本発明の一実施形態では、熱電トラックは、ドープされたテルル化ビスマスで作られ、交番タイプは伝導率のタイプに対応する。

本発明の一実施形態では、絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸化アルミニウムで作られる。

本発明の一実施形態では、各アームの長さと幅との比は５より大きい。

本発明の一実施形態では、プラットフォームは矩形であり、矩形の一方の側から延在する２つのアームと、反対側から延在する２つのアームとを有し、同じタイプの熱電トラックは、矩形の同じ側に位置するアーム上に配置されている。

本発明の一実施形態では、セルはまた、プラットフォーム上に配置された吸収性コーティングも含む。

本発明の一実施形態は、マトリクス状に配置されて共通基板を有する多数の熱電セルを備える熱電装置を含み、マトリクスの各列の熱電セルは、第２の金属接点の間に直列に接続されている。

本発明の一実施形態は、熱電装置を備えるサーモパイルを含む。

本発明の一実施形態では、プラットフォームは太陽放射を吸収するように設計された吸収材料で覆われており、共通基板は冷熱源と熱接触するように設計されている。

本発明の一実施形態では、プラットフォームは真空下にある。

本発明の一実施形態では、プラットフォームは周囲空気と接触しており、共通基板は熱源と熱接触するように設計されている。

本発明の一実施形態は、熱電装置を備えるボロメータを含み、この装置は、検知回路に接続され、装置のプラットフォームは選択された波長を吸収するコーティングで覆われ、共通基板は、冷熱源と熱接触するように設計されている。

本発明の一実施形態は、熱電セルまたは熱電装置を備える冷却器を含む。

本発明の一実施形態は、熱的および電気的絶縁層で覆われた基板から熱電セルを製造するプロセスを組み込み、以下のステップを含む：ａ）アームによって延在する絶縁層の領域を画定するステップと、ｂ）金属接続部によって直列に接続された交番タイプの熱電トラックを形成するステップであって、各トラックはアームのうちの１つを覆う、ステップと、ｃ）規定の領域およびアームの輪郭を描くような方法で、絶縁層の開口部をエッチングするステップと、ｄ）規定の領域の下およびアームの下に位置する基板の部分を除去するステップ。

これらの特徴および利点、ならびに他のものは、本発明の特定の実施形態の以下の説明において詳細に提示されるが、以下の添付図面に関連して本発明の範囲を限定するものではない。
図１Ａおよび図１Ｂは、金属接続部によって直列に接続された交番タイプの熱電トラックを有する熱電装置を示す。 図２Ａから図２Ｃは、熱電装置の一実施形態を概略的に示す。 図３は、熱電装置の一実施形態の概略上面図である。 図４Ａから図７Ａ、図４Ｂから図７Ｂ、図６Ｃ、および図７Ｃは、熱電装置を製造するプロセスの一実施形態のステップを示す。

発明の詳細な説明

同じ要素は、様々な図において同じ参照番号で示されており、加えて、様々な図は縮尺通りに描かれていない。明瞭化のために、記載された実施形態の理解に有用な要素のみが示され、詳細に示されている。以下の説明では、用語「上方の（ｏｖｅｒ）」、「上の（ｏｎ）」および「下の（ｕｎｄｅｒ）」のような相対的な位置を示す用語は、対象の断面図における対象の要素の配向を指すものとして理解されるべきである。

図２Ａから図２Ｃは、熱電装置４０の一実施形態を概略的に示す。図２Ａは上面図であり、図２Ｂおよび図２Ｃは、平行平面Ｂ−ＢおよびＣ−Ｃに沿った断面図である。

装置４０は、基板４８の一面に配置されたキャビティ４６の上方に４つのアーム４４Ａ、４４Ｂ、４５Ａ、４５Ｂによって懸架された矩形のプラットフォーム４２を備える。アーム４４Ａおよび４４Ｂは、プラットフォーム４２の一方の側から延在し、プラットフォームの反対側から延在するアーム４５Ａおよび４５Ｂと一致している。アームおよびプラットフォーム４２は、キャビティ４６を包囲する基板４８の部分も覆う、同じ絶縁層５０の部分である。絶縁層５０の材料は断熱材であり、すなわちその熱伝導率は５Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１未満であり、電気絶縁材でもある。

各アームは熱電トラックを支持する。アーム４４Ａおよび４４Ｂは、第１のタイプの熱電トラック５２Ａおよび５２Ｂを支持する。アーム４５Ａおよび４５Ｂは、第２のタイプの熱電トラック５３Ａおよび５３Ｂを支持する。トラック５２Ａおよび５３Ａは、互いに揃えられ、プラットフォーム上に位置する金属接続部５４Ａによって接続されている。トラック５２Ｂおよび５３Ｂは、プラットフォーム上に位置する金属接続部５４Ｂによって接続されている。金属接点５６、５７は、キャビティ４６の両側の絶縁層５０で覆われた基板上に位置し、接点５６はトラック５２Ａ、５２Ｂと接触し、接点５７はトラック５３Ａ、５３Ｂと接触している。したがって、トラック５２Ａおよび５３Ａは交番タイプであり、金属接続部５４Ａによって接点５６および５７と直列に接続されている。トラック５２Ｂおよび５３Ｂは、金属接点５６および５７の間で同様に直列に接続されている。層５０は基板から接点を電気的に絶縁するが、接点と基板とを熱接触させるのに十分なほど薄い。

装置４０の１つの動作モードでは、装置の基板４８は温度Ｔ_Ｃに維持される。プラットフォームはＴ_Ｃとは異なる温度Ｔ_Ｈにされる。金属接点５６、５７は接点５８、５９によって、接点５６、５７に由来し、装置４０によって生成された電流Ｉ１の負荷回路に結合される。

装置４０では、トラック５２Ａ、５２Ｂ、５３Ａ、５３Ｂの各々は、アームによって機械的に支持されている。トラックの機械的特性だけでは、堅牢な方法でプラットフォームを支持するには不十分であり得るので、構造の機械的強度はアームによって提供される。

したがって、トラックの材料の選択は、有利には、その材料の機械的特性とは独立して行うことができる。たとえば、テルル化ビスマスのような材料のトラックを作成し、その材料の電気伝導率、熱抵抗率および熱電感度を周囲温度で最適にすることを、選択してもよい。テルル化ビスマスで作られたトラックの場合、第１のタイプのトラックは、たとえばセレンを用いてｎ型にドープされており、第２のタイプのトラックは、たとえばアンチモンを用いてｐ型にドープされている。一般に、導電率、熱抵抗率、およびゼーベック係数が装置の動作温度に適していれば、トラックに任意の材料を使用することができる。

プラットフォーム４２が懸架されている場合、プラットフォームと基板４８との間の熱リークは、本質的にアームとトラックによって行われる。アームは断熱材でできており、トラックは非常に薄い。その結果、温度Ｔ_Ｈと温度Ｔ_Ｃとの差は、ほぼ完全にトラックの端部の間になり、これにより装置４０は特に高い性能を実現することができる。

なお、装置４０は、一方の側に２つの熱電トラック５２Ａおよび５３Ａのチェーンを、他方の側に熱電トラック５２Ｂおよび５３Ｂのチェーンを備えることに留意されたい。接点は２つのチェーンによって並列に接続されており、その結果、電流の通過に対する抵抗が弱くなり、高電流を得ることができる。加えて、チェーンの１つのトラックが損傷しても、他のトラックのチェーンは機能したままであり、装置は依然として電流を供給することができる。

一例として、基板４８はシリコン製である。トラックは、５０から５００ｎｍの範囲の厚さを有することができる。絶縁層５０は、たとえば、窒化シリコン、二酸化シリコンまたは酸化アルミニウムで作られてもよい。絶縁層５０は、１００から３００ｎｍの範囲の厚さを有することができる。一例として、プラットフォームの側面は、５から２００μｍの範囲の寸法を有する。一例として、アームの小さい方の側面またはアームの幅は、０．５から３μｍの範囲であってもよい。アームの大きい側、すなわちアームの長さとアームの幅との比は、５より大きくてもよい。金属接続部５４Ａおよび５４Ｂならびに金属接点５６および５７は、ニッケル、パラジウムまたはチタン金で作られる。一例として、金属接続部および金属接点は、５０から５００ｎｍの範囲の厚さを有する。この厚さは、熱電層の厚さに依存する。

図３は、前述のものよりさらに堅牢であり、より高い性能を有する、熱電装置７０の一実施形態の概略上面図である。

熱電装置７０は１セットの熱電セル４０を備え、その各々は図２Ａから図２Ｃに関連して説明したタイプの装置である。セル４０は、共通基板７２上に形成され、２つの長尺の金属接点７４および７６の間でマトリクス状に配置される。セル４０は、各セルのトラック５２Ａおよび５２Ｂがプラットフォーム４２から長尺の接点７４に向かって延在するように、配向されている。各列のセルは接点７８によって直列に接続されている。平行な列は、接点７４、７６を電気的に接続する。

本発明の一実施形態では、装置の接点７４、７６は、接点７９、８０によってレギュレータ回路８２に結合されている。プラットフォーム４２および基板７２は、異なる温度Ｔ_ＣおよびＴ_Ｈに曝される。

装置７０の１つのセルが劣化した場合、欠陥セルを含む列のみがもはや電流を供給できなくなる可能性がある。他の列は正常に機能し続ける。したがって、装置７０は故障に耐えられる。

変形例では、異なる列に属し、長尺の接点７４、７６から同じ距離に位置する接点７８は、互いに接続されている。したがって、この変形例による装置の１つのセルが劣化した場合、他のセルは正常に機能し続け、したがって装置は特に故障に耐えられる。

動作中、列によって生成された電流は合算される。その結果、装置７０は高電流を生成する。各列において、セルによって供給される電圧が合算される。このように、重要な利点によれば、装置７０によって生成される電圧は、各列のセル数の選択を通じて調整され、装置によって生成される電流は、列数の選択によって調整されることが可能である。したがって、装置のインピーダンスは、従来の構造よりもはるかに容易に調整され得る。

一例として、１ｃｍ^２の表面積を占めるマトリクスは、２０から５００列、たとえば３００列を含むことができる。各列は１０から３００個のセル、たとえば２０個のセルを含むことができる。

装置７０の１つの動作モードでは、プラットフォーム４２は、太陽放射などの放射線を吸収することができる黒色樹脂のような材料で覆われている。基板７２は、冷熱源によって温度Ｔ_Ｃに維持されたベース上に配置されている。一例として、自己完結型電子装置の電池をレギュレータ回路８２に接続する。プラットフォーム４２が配置されている装置７０の面は、太陽の下に置かれる。ベースの温度に対するプラットフォーム４２の温度の上昇は、電流の流れを引き起こす。したがって、装置は、電池を充電することができるサーモパイルを構成する。プラットフォームの加温を強化してより強い電流を得るために、プラットフォームの上方に集光器が配置され得る。加えて、プラットフォームは真空下に置かれることが可能であり、すなわち、残留ガスが減圧された環境に置かれ、熱伝達を低減することができる。

別の動作モードでは、装置７０は、熱源によって温度Ｔ_Ｈに維持されるベース上に配置され、レギュレータ回路８２は電池に接続される。プラットフォーム４２は、たとえば自然対流によって誘発される、周囲の空気の流れと接触しているベースの温度に対するプラットフォーム４２の温度の低下は、電池を充電することができる電流を誘発する。

別の動作モードでは、装置７０は、冷熱源によって温度Ｔ_Ｃに維持されたベース上に配置され、レギュレータ回路８２は、装置によって生成された電流を検出するための回路に置き換えられる。プラットフォーム４２は、たとえば赤外線放射など、選択された波長を吸収する材料で覆われている。すると、結果として得られるアセンブリは、ボロメータを構成する。プラットフォームが赤外線放射に曝されると、放射は材料によって吸収され、プラットフォームの温度が上昇する。なお、ボロメータを得るには単一のセル４０で十分であり、マトリクス状に配置されたこのようなセル４０は空間分解能を有する赤外線検出器として使用できることに、留意されたい。

ガスの存在を検出するための動作モードでは、同一の第１および第２の装置７０は、光放射源に面する冷却されたプラットフォーム上に配置される。第１の装置７０のプラットフォームは、光放射を選択的に吸収することができるコーティングで覆われ、第２の装置のプラットフォームは、光放射をあまり吸収しない。光放射の波長は、ガスの吸収線に対応する。装置の接点は、２つの装置によって生成された電圧または電流を比較する回路に接続される。したがって、比較回路はガスの存在を検出する。

図４Ａから図７Ａ、図４Ｂから図７Ｂ、図６Ｃ、および図７Ｃは、熱電セル４０を製造する方法の一実施形態のステップを示す。図４Ａから図７Ａは概略上面図、図４Ｂから図７Ｂは平面Ｂ−Ｂに沿った概略断面図、図６Ｃ、図７ＣはＣ−Ｃ面に沿った概略断面図である。

図４Ａおよび図４Ｂに示されるステップでは、４つのトラック５２Ａ、５２Ｂ、５３Ａおよび５３Ｂが、装置４０の４つのトラックと同じ配置および同じ材料で形成されている。トラックは、シリコン基板４８を覆う窒化シリコンの絶縁層５０の表面上に延在する。一例として、トラックは、「リフトオフ」技術として知られているような技術によって生成される。必要であれば、構造全体がアニーリングされる。

図５Ａおよび図５Ｂに示されるステップでは、金属接続部５４Ａおよび５４Ｂが形成され、トラックを２つずつ２セットのトラックにして、直列に接続する。トラック５２Ａおよび５２Ｂの端部には金属接点５６が形成され、トラック５３Ａおよび５３Ｂの端部には別の金属接点５７が配置されている。

図６Ａから図６Ｃに示されるステップでは、開口部９０が絶縁層５０にエッチングされている。開口部９０は、トラック５２Ａ、５２Ｂ、５３Ａ、５３Ｂの下に配置され、プラットフォームに接続された絶縁層５０から、プラットフォーム４２およびアーム４４Ａ、４４Ｂ、４５Ａ、４５Ｂを区切る。一例として、開口部９０は、六フッ化硫黄プラズマによってマスク（図示せず）を介してエッチングされる。

図７Ａから図７Ｃに示されるステップでは、アームの下およびプラットフォーム４２の下に位置する基板の部分が開口９０から始まって除去され、キャビティ４６を形成する。基板のこれらの部分は、気相等方性エッチングによって除去することができる。一例として、シリコン基板は二フッ化キセノンによりエッチングされる。

本発明の特定の実施形態が説明されてきた。当業者には、様々な変形および変更が明らかとなるだろう。特に、上述した本発明の実施形態では、各プラットフォームは４つのアームによって懸架されているが、各プラットフォームはいくつの偶数個のアームによって懸架されてもよい。重要なことは、各アームがトラックを支持し、交番タイプのトラックが金属接続部によって２つの金属接点の間で直列に接続されることである。このようにして、各トラックは２つの金属要素を接続し、一方はプラットフォーム上に位置して他方は基板上に位置する。このように、金属要素はプラットフォーム上と基板上に交互に配置される。

本発明の記載された実施形態では、セル４０は、金属接点の間で直列に接続された２つのトラックチェーンを含むが、本発明の他の実施形態は、接点の間で直列に接続された、いずれの異なる数のトラックチェーンを含むこともできる。

本発明の記載された実施形態では、セル４０のプラットフォームは矩形形状を有するが、たとえば円形形状など、他の形状も可能である。

本発明の記載された実施形態では、セル４０のプラットフォームおよびアームは窒化シリコン、二酸化シリコン、または酸化アルミニウムで作られているが、プラットフォームおよびアームは他のいずれの熱的および電気的絶縁材料で作られることも可能である。

本発明の記載された実施形態では、セル４０はシリコン基板上に形成されているが、基板は、プラットフォームと基板が異なる温度にあるときに、これらの温度がほぼ完全に、プラットフォームと基板上に位置する金属要素との間にあることを保証するのに十分な熱伝導率を有する、その他いずれの材料で作られることも可能である。

Claims (12)

1. アーム（４４Ａ、４４Ｂ、４５Ａ、４５Ｂ）によって基板の上方に懸架されたプラットフォーム（４２）を備える、金属接続部（５４Ａ、５４Ｂ）によって直列に接続された交番タイプの熱電トラック（５２Ａ、５２Ｂ、５３Ａ、５３Ｂ）を有する熱電セルであって、前記プラットフォームおよび前記アームは同じ熱的および電気的絶縁層（５０）の部分であり、各アームは熱電トラックを支持し、前記プラットフォーム（４２）は矩形形状を有し、２つのアーム（４４Ａ、４４Ｂ）は前記矩形の一方の側から延在し、２つのアーム（４５Ａ、４５Ｂ）は反対側から延在し、同じタイプの熱電トラック（５２Ａ、５２Ｂ、５３Ａ、５３Ｂ）は、前記矩形の同じ側に位置するアーム上に配置されている、熱電セル。
2. 前記熱電トラック（５２Ａおよび５３Ａ、５２Ｂおよび５３Ｂ）はドープされたテルル化ビスマスで作られ、そのタイプは導電型に対応する、請求項１に記載のセル。
3. 前記絶縁層（５０）は、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸化アルミニウムで作られる、請求項１または２に記載のセル。
4. 各アーム（４４Ａ、４４Ｂ、４５Ａ、４５Ｂ）の長さと幅との比が５より大きい、請求項１から３のいずれかに記載のセル。
5. 前記プラットフォーム上に配置された吸収性コーティングも含む、請求項１から４のいずれかに記載のセル。
6. マトリクス状に配置され、共通基板を有する、請求項１から５のいずれかに記載の熱電セルを多数備える熱電装置であって、前記マトリクスの各列の熱電セルは、第２の金属接点（７４、７６）の間で直列に接続されている、熱電装置。
7. 請求項６に記載の装置を備えるサーモパイル。
8. 前記プラットフォーム（４２）は、太陽放射を吸収するように設計された吸収材料（８４）で覆われており、前記共通基板は冷熱源と熱接触するように設計されている、請求項７に記載のサーモパイル。
9. 前記プラットフォーム（４２）は真空下にある、請求項８に記載のサーモパイル。
10. 前記プラットフォーム（４２）は周囲空気と接触しており、前記共通基板は熱源と熱接触するように設計されている、請求項７に記載のサーモパイル。
11. 請求項６に記載の装置を備えるボロメータであって、前記装置は検知回路に接続され、前記装置の前記プラットフォームは選択された波長を吸収するコーティングで覆われ、前記共通基板は冷熱源と熱接触するように設計されている、ボロメータ。
12. 請求項１から５のいずれかに記載のセルまたは請求項６に記載の装置を含む冷却器。

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