JP2020047630A - 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
<発電装置100>
図1は、第1実施形態に係る発電装置100及び熱電素子1の一例を示す模式図である。図1(a)は、第1実施形態に係る発電装置100及び熱電素子1の一例を示す模式断面図であり、図1(b)は、図1(a)における1B−1B線に沿った模式平面図である。
熱電素子1は、例えば、上記人工熱源が発した熱エネルギー、又は上記自然熱源が持つ熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、電流を生成する。熱電素子1は、発電装置100内に設けるだけでなく、熱電素子1自体を、上記モバイル機器や上記自立型センサ端末等の内部に設けることもできる。この場合、熱電素子1自体が、上記モバイル機器又は上記自立型センサ端末等の、電池の代替部品又は補助部品となる。
第1基板11a及び第2基板11bのそれぞれの第1方向Zに沿った厚さは、例えば10μm以上2mm以下である。第1基板11a及び第2基板11bのそれぞれの材料としては、絶縁性を有する板状の材料を選ぶことができる。絶縁性の材料の例としては、シリコン、石英、パイレックス(登録商標)等のガラス、及び絶縁性樹脂等を挙げることができる。
第1電極部12a及び第2電極部12bは、例えば図1(b)に示すように、第1方向Zから見て、貫通孔15の形成位置を除いた四角形に形成される。第1電極部12aは、例えば第1端子111等を介して第1配線101と電気的に接続される。第2電極部12bは、例えば第2端子112等を介して第2配線102と電気的に接続される。なお、第1端子111及び第2端子112は、省略してもよい。
白金(Pt)
タングステン(W)
アルミニウム(Al)
チタン(Ti)
ニオブ(Nb)
モリブデン(Mo)
タンタル(Ta)
レニウム(Re)
熱電素子1では、第1電極部12aと第2電極部12bとの間に仕事関数差が生じればよい。したがって、第1電極部12a及び第2電極部12bの材料には、上記以外の金属を選ぶことが可能である。第1電極部12a及び第2電極部12bの材料として、金属のほか、合金、金属間化合物、及び金属化合物を選ぶことも可能である。金属化合物は、金属元素と非金属元素とが化合したものである。このような金属化合物の例としては、例えば六ホウ化ランタン(LaB6)を挙げることができる。
支持部13は、第1支持部13aと、第2支持部13bとを有する。第1支持部13a及び第2支持部13bは、例えば図1(b)に示すように、第1方向Zから見て、中空の四角形状に形成され、各電極部12a、12b及び中間部14を囲む。第1支持部13a及び第2支持部13bは、互いに接して設けられる。第1支持部13aは、第1主面11afと接し、第2主面11bfと離間する。第2支持部13bは、第2主面11bfと接し、第1主面11afと離間する。
中間部14は、例えば図2に示すように、第2電極部12b(カソード)から放出された電子を、第1電極部12a(アノード)へと移動させる部分である。図2(a)は、中間部14の一例を示す模式断面図である。図2(a)に示すように、中間部14は、例えば複数のナノ粒子141と、溶媒142とを含む。複数のナノ粒子141は、溶媒142内に分散される。中間部14は、例えば、ナノ粒子141が分散された溶媒142を、ギャップ部14a内に充填することで得られる。
貫通孔15は、例えば第1貫通孔15a及び第2貫通孔15bの少なくとも何れかを有し、1つ以上設けられる。第1貫通孔15aは、第1基板11aを第1方向Zに貫通し、例えば第1電極部12aを貫通する。第2貫通孔15bは、第2基板11bを第1方向Zに貫通し、例えば第2電極部12bを貫通する。
配線層16は、例えば第1配線層16a及び第2配線層16bの少なくとも何れかを有する。第1配線層16aは、第1基板11aにおける第1主面11afに対向する面上に設けられる。すなわち、第1基板11aは、第1配線層16aと第1電極部12aとの間に挟まれる。第2配線層16bは、第2基板11bにおける第2主面11bfに対向する面上に設けられる。すなわち、第2基板11bは、第2配線層16bと第2電極部12bとの間に挟まれる。
接続配線17は、例えば第1接続配線17a及び第2接続配線17bの少なくとも何れかを有する。第1接続配線17aは、第1貫通孔15aを介して、第1電極部12a及び第1配線層16aと電気的に接続される。このため、第1接続配線17aと第1電極部12aとの接続箇所は、熱電素子1の内部側に設けられる。第2接続配線17bは、第2貫通孔15bを介して、第2電極部12b及び第2配線層16bと電気的に接続される。このため、第2接続配線17bと第2電極部12bとの接続箇所は、熱電素子1の内部側に設けられる。上記接続箇所は、各接続配線17a、17bのうち特に劣化し易い部分であり、接続箇所を熱電素子1の内部側に設けることで、熱電素子1の耐久性を高めることが可能となる。
封止部18は、第1封止部18a及び第2封止部18bの少なくとも何れかを有する。第1封止部18aは、第1貫通孔15a、第1接続配線17a、及び第1配線層16aの少なくとも一部を覆う。このため、第1配線層16aと、第1接続配線17aとの接続箇所を、第1封止部18aにより覆うことができる。第2封止部18bは、第2貫通孔15b、第2接続配線17b、及び第2配線層16bの少なくとも一部を覆う。このため、第2配線層16bと、第2接続配線17bとの接続箇所を、第2封止部18bにより覆うことができる。上記接続箇所は、各接続配線17a、17bのうち特に劣化し易い部分であり、且つ、熱電素子1の外部側に設けられるため、接続箇所を各封止部18a、18bにより覆うことで、熱電素子1の耐久性を高めることが可能となる。
第1配線101は、端子111、第1配線層16a、及び第1接続配線17aを介して第1電極部12aと電気的に接続される。第2配線102は、端子112、第2配線層16b、及び第2接続配線17bを介して第2電極部12bと電気的に接続される。
熱エネルギーが熱電素子1に与えられると、例えば、第2電極部12b(カソード)から中間部14に向けて電子eが放出される。放出された電子eは、中間部14から第1電極部12a(アノード)へと移動する(図2参照)。この場合電流は、第1電極部12aから第2電極部12bに向かって流れる。このようにして、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
次に、熱電素子1の製造方法の一例を、説明する。図3は、本実施形態に係る熱電素子1の製造方法の一例を示すフローチャートである。図4(a)〜図5(d)は、本実施形態に係る熱電素子1の製造方法の一例を示す模式断面図である。
先ず、例えば図4(a)に示すように、第1基板11aの第1主面11af上に第1支持部13aを形成し、第2基板11bの第2主面11bf上に第2支持部13bを形成する(支持部形成工程S110)。各支持部13a、13bは、例えば第1方向Zから見て、中空の四角形状に形成される(図1(b)参照)。
次に、例えば図4(b)に示すように、第1主面11af上に第1電極部12aを形成し、第2主面11bf上に第2電極部12bを形成する(電極部形成工程S120)。各電極部12a、12bは、例えば第1方向Zから見て、支持部13に囲まれて四角形状に形成されるほか、例えば後述する貫通孔15を形成する部分を除いた形状に形成されてもよい。各電極部12a、12bは、各支持部13a、13bよりも薄く形成される。
次に、第1基板11aにおける第1主面11afに対向する面に、第1配線層16aを形成する(配線層形成工程S130)。配線層形成工程S130では、例えば図4(c)に示すように、第1配線層16aを形成すると同時、又は形成前後に、第2主面11bfに対向する面上に第2配線層16bを形成してもよい。各配線層16a、16bは、例えば第1方向Zから見て、四角形状に形成されるほか、例えば後述する貫通孔15を形成する部分を除いた形状に形成されてもよい。
次に、例えば図4(d)に示すように、第1電極部12a及び第2電極部12bを覆う保護膜9を形成してもよい(保護膜形成工程S140)。保護膜9は、例えば後述する各電極部12a、12bの対向する面を少なくとも覆い、後述する接続配線17と接続する箇所を露出した状態で形成されてもよい。なお、保護膜9は、各支持部13a、13bを覆うように形成されてもよい。保護膜9を形成することで、後の工程において各電極部12a、12bの表面を保護することができる。これにより、各電極部12a、12bの仕事関数の変化を防ぐことができる。
次に、第1基板11aを第1方向Zに貫通する第1貫通孔15aを形成する(貫通孔形成工程S150)。貫通孔形成工程S150では、例えば図5(a)に示すように、第1貫通孔15aを形成すると同時、又は形成前後に、第2基板11bを第1方向Zに貫通する第2貫通孔15bを形成してもよい。各貫通孔15a、15bは、例えば各基板11a、11bのうち、各電極部12a、12b及び各配線層16a、16bが形成されていない位置に形成される。なお、貫通孔形成工程S150において、各電極部12a、12b及び配線層16a、16bの少なくとも何れかの一部を除去し、各貫通孔15a、15bを形成してもよい。
次に、第1貫通孔15aを介して、第1電極部12a及び第1配線層16aと電気的に接続される第1接続配線17aを形成する(接続配線形成工程S160)。接続配線形成工程S160では、例えば第1貫通孔15aが複数形成されている場合、少なくとも1つの第1貫通孔15aの側面に、第1接続配線17aを形成する。接続配線形成工程S160では、例えば図5(b)に示すように、第1接続配線17aを形成すると同時、又は形成前後に、第2貫通孔15bを介して、第2電極部12b及び第2配線層16bと電気的に接続される第2接続配線17bを形成してもよい。
次に、例えば図5(d)に示すように、第1電極部12aと、第2電極部12bとを第1方向Zに離間して対向するように、第1支持部13aと第2支持部13bとを接合する(接合工程S170)。接合工程S170では、第1支持部13aの上面と、第2支持部13bの上面とを接合する。このとき、各支持部13a、13b、及び各電極部12a、12bは、各基板11a、11bに挟まれ、ギャップ部14aが形成される。
次に、第1貫通孔15aを介して、第1電極部12aと、第2電極部12bとの間に、中間部14を形成する(中間部形成工程S180)。中間部形成工程S180では、貫通孔15を介してナノ粒子等を充填すればよく、第1貫通孔15aの代わりに第2貫通孔15bを介してナノ粒子等を充填してもよい。
次に、第2実施形態に係る発電装置100及び熱電素子1について説明する。図6は、第2実施形態に係る発電装置100及び熱電素子1の一例を示す模式図である。図6(a)は、第2実施形態に係る発電装置100及び熱電素子1の一例を示す模式断面図であり、図6(b)は、図6(a)における6B−6B線に沿った模式平面図である。
<電子機器>
上述した熱電素子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 :基板
11a :第1基板
11af :第1主面
11b :第2基板
11bf :第2主面
12a :第1電極部
12b :第2電極部
13 :支持部
13a :第1支持部
13b :第2支持部
14 :中間部
14a :ギャップ部
141 :ナノ粒子
141a :絶縁膜
142 :溶媒
15 :貫通孔
15a :第1貫通孔
15b :第2貫通孔
16 :配線層
16a :第1配線層
16b :第2配線層
17 :接続配線
17a :第1接続配線
17b :第2接続配線
18 :封止部
18a :第1封止部
18b :第2封止部
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
9 :保護膜
R :負荷
S110 :支持部形成工程
S120 :電極部形成工程
S130 :配線層形成工程
S140 :保護膜形成工程
S150 :貫通孔形成工程
S160 :接続配線形成工程
S170 :接合工程
S180 :中間部形成工程
Z :第1方向
X :第2方向
Y :第3方向
e :電子
Claims (12)
- 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主面を有する第1基板と、
前記第1主面と第1方向に離間して設けられ、前記第1主面と対向する第2主面を有する第2基板と、
前記第1主面上に設けられ、前記第2基板と離間する第1電極部と、
前記第2主面上に設けられ、前記第1基板及び前記第1電極部と離間し、前記第1電極部とは異なる仕事関数を有する第2電極部と、
前記第1基板と、前記第2基板との間に設けられ、前記第1主面及び前記第2主面と接する支持部と、
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、
前記第1基板を前記第1方向に貫通する第1貫通孔と、
前記第1基板における前記第1主面に対向する面上に設けられた第1配線層と、
前記第1貫通孔を介して、前記第1電極部及び前記第1配線層と電気的に接続される第1接続配線と、
を備えること
を特徴とする熱電素子。 - 前記第2基板を前記第1方向に貫通する第2貫通孔と、
前記第2基板における前記第2主面に対向する面上に設けられた第2配線層と、
前記第2貫通孔を介して、前記第2電極部及び前記第2配線層と電気的に接続される第2接続配線と、
をさらに備えること
を特徴とする請求項1記載の熱電素子。 - 前記支持部は、金属を含み、
前記第1電極部及び前記第2電極部は、前記支持部と離間すること
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1〜3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1〜4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1〜5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1〜5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た発電装置であって、
前記熱電素子は、
第1主面を有する第1基板と、
前記第1主面と第1方向に離間して設けられ、前記第1主面と対向する第2主面を有する第2基板と、
前記第1主面上に設けられ、前記第2基板と離間する第1電極部と、
前記第2主面上に設けられ、前記第1基板及び前記第1電極部と離間し、前記第1電極部とは異なる仕事関数を有する第2電極部と、
前記第1基板と、前記第2基板との間に設けられ、前記第1主面及び前記第2主面と接する支持部と、
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、
前記第1基板を前記第1方向に貫通する第1貫通孔と、
前記第1基板における前記第1主面に対向する面上に設けられた第1配線層と、
前記第1貫通孔を介して、前記第1電極部及び前記第1配線層と電気的に接続される第1接続配線と、
を備えること
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主面を有する第1基板と、
前記第1主面と第1方向に離間して設けられ、前記第1主面と対向する第2主面を有する第2基板と、
前記第1主面上に設けられ、前記第2基板と離間する第1電極部と、
前記第2主面上に設けられ、前記第1基板及び前記第1電極部と離間し、前記第1電極部とは異なる仕事関数を有する第2電極部と、
前記第1基板と、前記第2基板との間に設けられ、前記第1主面及び前記第2主面と接する支持部と、
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、
前記第1基板を前記第1方向に貫通する第1貫通孔と、
前記第1基板における前記第1主面に対向する面上に設けられた第1配線層と、
前記第1貫通孔を介して、前記第1電極部及び前記第1配線層と電気的に接続される第1接続配線と、
を備えること
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基板の第1主面上に第1支持部を形成し、第2基板の第2主面上に第2支持部を形成する支持部形成工程と、
前記第1主面上に第1電極部を形成し、前記第2主面上に前記第1電極部とは異なる仕事関数を有する第2電極部を形成する電極部形成工程と、
前記第1基板における前記第1主面に対向する面上に第1配線層を形成する配線層形成工程と、
前記第1基板を第1方向に貫通する第1貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
前記第1貫通孔を介して、前記第1電極部及び前記第1配線層と電気的に接続される第1接続配線を形成する接続配線形成工程と、
前記第1電極部と、前記第2電極部とを前記第1方向に離間して対向するように、前記第1支持部と、前記第2支持部とを接合する接合工程と、
前記第1貫通孔を介して、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、
を備えることを特徴とする熱電素子の製造方法。 - 前記配線層形成工程は、前記第1配線層を形成すると同時に、前記第2基板における前記第2主面に対向する面上に第2配線層を形成し、
前記貫通孔形成工程は、前記第1貫通孔を形成すると同時に、前記第2基板を前記第1方向に貫通する第2貫通孔を形成し、
前記接続配線形成工程は、前記第1接続配線を形成すると同時に、前記第2貫通孔を介して、前記第2電極部及び前記第2配線層と電気的に接続される第2接続配線を形成すること
を特徴とする請求項10記載の熱電素子の製造方法。 - 前記配線層形成工程の後、前記第1電極部及び前記第2電極部を覆う保護膜を形成する保護膜形成工程をさらに備えること
を特徴とする請求項10又は11記載の熱電素子の製造方法。
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