JP2020009845A - 熱電素子、発電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1を参照して、本実施形態における発電装置100及び熱電素子1の構成の一例について説明する。図1(a)は、本実施形態における発電装置100及び熱電素子1の一例を示す模式平面図であり、図1(b)は、図1(a)における1B−1Bに対応する断面図である。
第1電極部2は、第1基板11上に設けられる。第1電極部2は、例えば第1端子111を介して第1配線101と電気的に接続される。第2電極部3は、第1基板11上に第1電極部2と離間して設けられる。第2電極部3は、例えば第2端子112を介して第2配線102と電気的に接続される。
第1電極部2は、第1延在部21を有する。第1延在部21は、第1方向Xに延在する。第1延在部21は、例えば図2に示すように、第2方向Yに離間して複数設けられてもよい。第1延在部21の設けられる数は、任意であり、例えば1つ以上である。
第1電極部2は、例えば図2に示すように、第1基端部22を有してもよい。第1基端部22は、第2方向Yに延在する。第1基端部22は、複数の第1延在部21の一端と一体に形成される。このため、複数の第1延在部21は、それぞれ第1基端部22を基端として第1方向Xに沿って延在する。
中間部4は、第1電極部2及び第2電極部3と接する。中間部4は、第1電極部2と第2電極部3との間に設けられる。すなわち、中間部4は、第1延在部21と第2延在部31との間、第1延在部21の先端面21aと第2基端部32との間、及び第2延在部31の先端面31aと第1基端部22との間に、連続して設けられる。
ナノ粒子41は、第1電極部2の仕事関数と、第2電極部3の仕事関数との間の仕事関数を有し、例えば3.0eV以上5.5eV以下の仕事関数を有する。ナノ粒子41として、例えば金及び銀の少なくとも何れかが用いられるほか、例えば上記の仕事関数の範囲を満たす材料が用いられてもよい。
ナノ粒子41は、例えば表面に設けられた絶縁膜41aを有する。絶縁膜41aとして、例えばシリコン酸化物又はアルミナ等の金属酸化物が用いられるほか、例えばアルカンチオール(例えばドデカンチオール)等の有機化合物や、シリコン等の半導体が用いられてもよい。絶縁膜41aの厚さは、例えば20nm以下の有限値である。
溶媒42として、沸点が60℃以上の液体が用いられ、例えば有機溶媒及び水の少なくとも何れかが用いられる。有機溶媒として、例えばメタノール、エタノール、トルエン、キシレン、テトラデカン、アルカンチオール等が用いられる。
第1基板11及び第2基板12は、例えば図2(b)に示すように、第1電極部2、中間部4、及び第2電極部3を挟んで設けられる。第1基板11は、第1延在部21、第1基端部22、第2延在部31、及び第2基端部32と接する。第2基板12は、第1延在部21及び第1基端部22と離間し、第2延在部31及び第2基端部32と接する。
封止部5は、例えば第1基板11上に設けられる。封止部5を第1電極部2及び第2電極部3の外周に設けることで、中間部4の漏れを防止するほか、例えば各電極部2、3の劣化を抑制することができる。封止部5は、例えば各電極部2、3と各端子111、112とを電気的に接続する配線等を内部に設けてもよい。封止部5として、例えば絶縁性、止水性、耐熱性等の熱電素子1の実装環境における耐性に優れた材料が用いられる。
第1配線101及び第2配線102として、導電性を有する材料が用いられ、例えばニッケル、銅、銀、金、タングステン、又はチタンが用いられる。第1配線101及び第2配線102は、熱電素子1において生成された電流を、負荷Rへ供給できる構造であれば任意に設定することができる。
次に、図5を参照して、本実施形態における熱電素子1の製造方法の一例について説明する。図5は、本実施形態における熱電素子1の製造方法の一例を示すフローチャートである。
先ず、第1電極部2を形成する(第1電極部形成工程S110)。第1電極部2は、例えば図6(a)に示すように、第1基板11上に形成される。第1基板11上には、例えば複数の第1延在部21を、それぞれ第2方向Yに離間して形成することで、第1電極部2が形成される。なお、例えば第2方向Yに延在し、各第1延在部21の一端に連続して形成される第1基端部22が形成されてもよい。
次に、第2電極部3を形成する(第2電極部形成工程S120)。例えば図6(b)に示すように、第1電極部2を覆う犠牲膜8を形成する。例えば蒸着法等を用いて第1電極部2上及び第1基板11上に膜を形成し、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて不要部分を除去することで、犠牲膜8が形成される。犠牲膜8を除去した部分には、スペース8sが形成される。犠牲膜8及びスペース8sは、それぞれ第1方向Xに延在し、第2方向Yに沿って交互に形成される。犠牲膜8として、例えば各電極部2、3の材料に対してエッチングレートの高い材料が用いられ、例えばシリコン酸化膜のほか、ポリイミド、PMMA(Polymethyl methacrylate)、又はポリスチレン等のポリマーが用いられる。
次に、第1電極部2と第2電極部3との間に、ナノ粒子41を含む中間部4を形成する(中間部形成工程S130)。中間部4は、スペース4hに充填される。中間部4は、例えば図2に示すように、各電極部2、3の間、及び第1電極部2上部に形成される。中間部4は、例えば第1延在部21と第2延在部31との間、第1延在部21と第2基端部32との間、第2延在部31と第1基端部22との間、及び第1延在部21と第2基板12との間に連続して形成される。
第2電極部形成工程S120は、例えば図7に示すように、前工程S121と、後工程S122とを有してもよい。前工程S121は第1電極部形成工程S110のあとに実施され、後工程S122のあとに中間部形成工程S130が実施される。
次に、図9を参照して、第2実施形態における発電装置100及び熱電素子1の一例について、図面を参照しながら説明する。図9(a)は、本実施形態における発電装置100及び熱電素子1の一例を示す模式平面図であり、図9(b)は、図9(a)における9B−9Bに対応する断面図である。
次に、図10及び図11を参照して、第3実施形態における発電装置100及び熱電素子1の一例について、図面を参照しながら説明する。図10(a)は、本実施形態における発電装置100及び熱電素子1の一例を示す模式平面図であり、図10(b)は、図10(a)における10B−10Bに対応する断面図であり、図11(a)は、図10(a)における11A−11Aに対応する断面図であり、図11(b)は、図10(a)における11B−11Bに対応する断面図である。
次に、図12を参照して、本実施形態における熱電素子1の製造方法の一例について説明する。図12(a)及び図12(b)は、第2電極部形成工程S120の一例を示す模式断面図である。
第2電極部3の接続部33は、例えば前工程S121で形成してもよい。前工程S121は、例えば図13(a)に示すように、第2基板12上に第2電極部3の一部を形成する。この第2電極部3の一部は、後に接続部33となる部分を含む。
次に、図14を参照して、第4実施形態における発電装置100及び熱電素子1の一例について、図面を参照しながら説明する。図14(a)は、本実施形態における発電装置100及び熱電素子1の一例を示す模式平面図であり、図14(b)は、図14(a)における14B−14Bに対応する断面図である。
次に、図15を参照して、第4実施形態における発電装置100及び熱電素子1の一例について、図面を参照しながら説明する。図15(a)は、本実施形態における発電装置100及び熱電素子1の一例を示す模式平面図であり、図15(b)は、図15(a)における15−15Bに対応する断面図である。
<電子機器>
実施形態のそれぞれにおいて説明した熱電素子1及び発電装置100は、例えば電子機器に搭載することが可能である。以下、電子機器の実施形態のいくつかを説明する。
11 :第1基板
12 :第2基板
2 :第1電極部
21 :第1延在部
21a :先端面
22 :第1基端部
3 :第2電極部
31 :第2延在部
31a :先端面
32 :第2基端部
33 :接続部
4 :中間部
4h :スペース
41 :ナノ粒子
41a :絶縁膜
42 :溶媒
5 :封止部
61 :封止材
62 :充填孔
8 :犠牲膜
8s :スペース
100 :発電装置
101 :第1配線
102 :第2配線
111 :第1端子
112 :第2端子
500 :電子機器
501 :電子部品
502 :主電源
503 :補助電源
G1 :電極間ギャップ
G2 :電極間ギャップ
G3 :電極間ギャップ
G4 :電極間ギャップ
R :負荷
S110 :第1電極部形成工程
S120 :第2電極部形成工程
S121 :前工程
S122 :後工程
S130 :中間部形成工程
X :第1方向
Y :第2方向
Z :高さ方向
Vcc :Vcc端子
GND :GND端子
+ :プラス端子
− :マイナス端子
e :電子
Claims (17)
- 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、
第1基板上に設けられ、第1方向に延在する第1延在部を有する第1電極部と、
前記第1基板上に前記第1電極部と離間して設けられ、前記第1電極部よりも大きい仕事関数を有する第2電極部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、
を備え、
前記第2電極部は、前記第1方向に延在し、前記第1延在部を挟む一対の第2延在部を有し、
前記第1方向と交わる高さ方向において、前記第2延在部の高さは、前記第1延在部の高さよりも高いこと
を特徴とする熱電素子。 - 前記第2電極部は、前記第1延在部の先端面に対向し、一対の前記第2延在部と一体に設けられる基端部を有すること
を特徴とする請求項1記載の熱電素子。 - 前記第1基板と離間して設けられる第2基板をさらに備え、
前記第1電極部、前記中間部、及び前記第2電極部は、前記第1基板と前記第2基板との間に挟まれ、
前記第1延在部は、前記第1基板と接し、前記第2基板と離間し、
前記第2延在部は、前記第1基板及び前記第2基板と接すること
を特徴とする請求項1又は2記載の熱電素子。 - 前記第2電極部は、前記第1延在部の上面を覆い、一対の前記第2延在部と一体に設けられる接続部を有し、
前記接続部は、前記第2基板と接し、前記第1基板と離間すること
を特徴とする請求項3記載の熱電素子。 - 前記第2延在部は、前記第2基板を支持し、前記第1基板と前記第2基板との間の距離を一定に保つものであること
を特徴とする請求項3又は4記載の熱電素子。 - 前記第1電極部及び前記第2電極部の形状は、前記第1方向に沿って互いに異なる向きに延在する櫛歯状であること
を特徴とする請求項1〜5の何れか1項記載の熱電素子。 - 前記第1延在部及び前記第2延在部の少なくとも何れかは、前記第1方向に沿ってテーパ状に形成されること
を特徴とする請求項1〜6の何れか1項記載の熱電素子。 - 前記第1電極部と、前記第2電極部との間の電極間ギャップは、10μm以下であり、
前記ナノ粒子の直径は、前記電極間ギャップの1/10以下であること
を特徴とする請求項1〜7の何れか1項記載の熱電素子。 - 前記ナノ粒子は、表面に設けられた絶縁膜を有し、
前記絶縁膜の厚さは、20nm以下であること
を特徴とする請求項1〜8の何れか1項記載の熱電素子。 - 前記ナノ粒子は、前記第1電極部の仕事関数と、前記第2電極部の仕事関数との間の仕事関数を有すること
を特徴とする請求項1〜9の何れか1項記載の熱電素子。 - 前記中間部は、60℃以上の沸点を有する溶媒を含むこと
を特徴とする請求項1〜10の何れか1項記載の熱電素子。 - 前記中間部は、前記ナノ粒子のみが充填された状態を示すこと
を特徴とする請求項1〜11の何れか1項記載の熱電素子。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を備える発電装置であって、
前記熱電素子は、
第1基板上に設けられ、第1方向に延在する第1延在部を有する第1電極部と、
前記第1基板上に前記第1電極部と離間して設けられ、前記第1電極部よりも大きい仕事関数を有する第2電極部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、
を備え、
前記第2電極部は、前記第1方向に延在し、前記第1延在部を挟む一対の第2延在部を有し、
前記第1方向と交わる高さ方向において、前記第2延在部の高さは、前記第1延在部の高さよりも高いこと
を特徴とする発電装置。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子と、前記熱電素子を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品と、を含む電子機器であって、
前記熱電素子は、
第1基板上に設けられ、第1方向に延在する第1延在部を有する第1電極部と、
前記第1基板上に前記第1電極部と離間して設けられ、前記第1電極部よりも大きい仕事関数を有する第2電極部と、
前記第1電極部と前記第2電極部との間に設けられ、ナノ粒子を含む中間部と、
を備え、
前記第2電極部は、前記第1方向に延在し、前記第1延在部を挟む一対の第2延在部を有し、
前記第1方向と交わる高さ方向において、前記第2延在部の高さは、前記第1延在部の高さよりも高いこと
を特徴とする電子機器。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、
第1基板上に、第1方向に延在する第1延在部を有する第1電極部を形成する第1電極部形成工程と、
前記第1基板上に前記第1電極部と離間し、前記第1電極部よりも大きい仕事関数を有する第2電極部を配置する第2電極部形成工程と、
前記第1電極部と、前記第2電極部との間に、ナノ粒子を含む中間部を形成する中間部形成工程と、
を備え、
前記第2電極部は、前記第1方向に延在する一対の第2延在部を有し、
前記第2電極部形成工程は、
前記第1方向と交わる第2方向に沿って、前記第1延在部を挟む位置に一対の前記第2延在部を配置し、
前記第1方向と交わる高さ方向において、前記第1延在部よりも高く前記第2延在部を形成すること
を特徴とする熱電素子の製造方法。 - 前記第2電極部形成工程は、
第2基板上に前記第2電極部を形成する前工程と、
前記第1基板と前記第2基板との間に、前記第2電極部を配置する後工程と、
を有すること
を特徴とする請求項15記載の熱電素子の製造方法。 - 前記第1電極部形成工程は、前記第1方向に沿って延在する櫛歯状に前記第1電極部を形成し、
前記前工程は、前記第1方向に沿って延在する櫛歯状に前記第2電極部を形成し、
前記後工程は、前記第1方向に沿って前記第1電極部とは異なる向きに延在するように前記第2電極部を配置すること
を特徴とする請求項16記載の熱電素子の製造方法。
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