JP3584918B2

JP3584918B2 - 熱電変換素子およびその製造方法

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Publication number: JP3584918B2
Application number: JP2001307170A
Authority: JP
Inventors: 忠志野村; 久保　　竜一
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2001-10-03
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2021-10-03
Also published as: JP2002198575A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は熱電変換素子およびその製造方法に関し、特に、熱電パターンの出力信号が温度補償されるサーモパイル型の熱電変換素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この発明の背景となる従来の熱電変換素子が、たとえば特許第２５２６２４７号公報および実開平３−１１７７３９号公報に開示されている。
図９は特許第２５２６２４７号公報に開示されている従来の熱電変換素子の一例を示す平面図解図である。図９に示す熱電変換素子１では、基板２上において、熱電パターン３から離れた隅部に、温度補償用の感温抵抗体パターン４が設けられている。
図１０は実開平３−１１７７３９号公報に開示されている従来の熱電変換素子の他の例を示す平面図解図であり、図１１は図１０に示す熱電変換素子の正面図解図である。図１０および図１１に示す熱電変換素子１では、基板２と熱電パターン３の冷接点との間に、温度補償用の感温抵抗体パターン４が設けられている。なお、熱電パターン３の冷接点と感温抵抗体パターン４との間には、絶縁膜５が設けられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示す熱電変換素子１では、熱電パターン３の出力は熱電パターン３の冷接点の温度を基準にした相対出力であるため、温度の絶対値を正確に計測するためには、熱電パターン３の冷接点の温度を正確に検知することが必要である。ところが、温度補償用の感温抵抗体パターン４が基板２の隅部に設けられているため、基板２に温度分布がある場合、熱電パターン３の冷接点の温度を正確に検知できない。このため、正確な温度補償ができなくなり、誤差が大きくなる問題がある。
また、図１０および図１１に示す熱電変換素子１では、温度補償用の感温抵抗体パターン４が熱電パターン３の冷接点の下に配置されているため、感温抵抗体パターン４による段差をまたいで熱電パターン３を形成する必要がある。このため、熱電パターン３が断線しやすい構造になる。熱電パターン３が１箇所でも断線すると、熱電パターン３は機能しなくなるため、製造時の歩留まりが悪くなり、信頼性も劣化する問題がある。
【０００４】
それゆえに、この発明の主たる目的は、温度分布がある場合でも熱電パターンの冷接点の温度を正確に検知でき、製造時の歩留まりと信頼性の劣化も改善できる熱電変換素子を提供することである。
この発明の他の目的は、温度分布がある場合でも熱電パターンの冷接点の温度を正確に検知でき、製造時の歩留まりと信頼性の劣化も改善できる熱電変換素子を効率よく製造することができる熱電変換素子の製造方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる熱電変換素子は、小熱容量領域と、大熱容量領域と、温接点および冷接点を有し、温接点が小熱容量領域上に冷接点が大熱容量領域上にそれぞれ配置される熱電パターンとを含む熱電変換素子であって、冷接点の温度を検知するための感温抵抗体パターンが、熱電パターンと同一面で冷接点の外周に沿ってかつ冷接点がある部分のみに近接して形成される、熱電変換素子である。
この発明にかかる熱電変換素子では、冷接点および感温抵抗体パターンが熱伝導率の高い絶縁膜で覆われてもよい。
また、この発明にかかる熱電変換素子は、小熱容量領域と、大熱容量領域と、温接点および冷接点を有し、温接点が小熱容量領域上に冷接点が大熱容量領域上にそれぞれ配置される熱電パターンと、熱電パターンを覆う保護膜とを含む熱電変換素子であって、冷接点の温度を検知するための感温抵抗体パターンが、保護膜上で冷接点の外周に沿ってかつ冷接点がある部分のみに近接して形成される、熱電変換素子である。
この発明にかかる熱電変換素子では、熱電パターンは、異なる熱電材料をそれらの熱電材料とはさらに異なる接合材料で接合してなる熱電対を備え、熱電対の形成された基板上に、接合材料と同じ材料で感温抵抗体パターンが形成されてもよい。
また、この発明にかかる熱電変換素子では、接合材料と同じ材料で熱電パターンの信号取り出し用電極および感温抵抗体パターンの信号取り出し用電極が形成されてもよい。
さらに、この発明にかかる熱電変換素子では、接合材料として、たとえばＰｔ，Ｗ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｒの中から選択される材料が用いられる。
この発明にかかる熱電変換素子の製造方法は、この発明にかかる熱電変換素子を製造するための熱電変換素子の製造方法であって、少なくとも接合材料および感温抵抗体パターンを同時に形成する、電熱変換素子の製造方法である。
また、この発明にかかる熱電変換素子では、感温抵抗体パターンに抵抗調整用パターンが付加されてもよい。
【０００６】
この発明にかかる熱電変換素子では、感温抵抗体パターンが熱電パターンの冷接点の外周に沿ってかつ冷接点がある部分のみに近接して形成されているため、感温抵抗体パターンは、熱起電力と同じ温度分布情報を反映した抵抗値になる。そのため、温度分布がある場合でも、正確に冷接点の温度を検知することができ、正確に温度補償ができ、熱電パターンの測定精度が向上する。
さらに、この発明にかかる熱電変換素子では、熱電パターンおよび感温抵抗体パターンが、段差がない面に形成されていて段差をまたぐことがないため、製造時の歩留まりと信頼性を向上することができる。
なお、この発明にかかる熱電変換素子では、冷接点および感温抵抗体パターンが熱伝導率の高い絶縁膜で覆われると、熱電パターンの冷接点と感温抵抗体パターンとの間の熱伝導がよくなり、冷接点−感温抵抗体パターン間の温度差が小さくなる。そのため、感温抵抗体パターンはより正確に冷接点の温度を検知することができるようになり、さらに正確に温度補償ができ、熱電パターンの測定精度がさらに向上する。
また、この発明にかかる熱電変換素子では、熱電パターンの熱電対を構成する熱電材料の接合材料に熱電材料とは別の材料を用いることにより、電気的接合性の改良を図ることができ、材料の拡散などの問題を回避することができる。そして、この接合材料で感温抵抗体パターンを形成すれば、従来の製法に新たなプロセスを追加する必要なく、熱電対の接合部分と感温抵抗体パターンを同時に形成することができる。接合材料は成膜が容易で経時変化が少ないので、接合材料で膜状の感温抵抗体パターンを形成することにより、温度補償精度が向上し、熱電変換素子の感度精度を高めることができる。
さらに、この発明にかかる熱電変換素子の製造方法では、この発明にかかる熱電変換素子において同じ材料からなる少なくとも接合材料および感温抵抗体パターンを同時に形成するので、それらを異なった材料で別々に形成する場合に比べて、熱電変換素子を効率よく製造することができる。
また、この発明にかかる熱電変換素子では、感温抵抗体パターンに抵抗調整用パターンが付加されると、その抵抗調整用パターンの一部をレーザなどでカットすることによって感温抵抗体パターンの抵抗値を調整することが可能となり、感温抵抗体パターンの抵抗値のばらつきを吸収することができ、熱電パターンの測定精度が向上する。
【０００７】
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明にかかる熱電変換素子の一例を示す平面図解図であり、図２はその熱電変換素子の正面図解図である。図１および図２に示す熱電変換素子１０は、たとえばＳｉからなる矩形板状の基板１２を含む。基板１２の上面には、たとえばＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３やＡｌＮなどの絶縁体からなる１層または複数層の絶縁膜１４が形成される。基板１２には、絶縁膜１４の正方形状の中央部分に対応する部分を下面から異方性エッチングなどの手段で除去することによって、空洞１６が形成される。それによって、基板１２を除去した部分すなわち絶縁膜１４の中央部分で小熱容量領域１８が形成され、基板１２を除去していない部分すなわち基板１２および絶縁膜１４の外周部分で大熱容量領域２０が形成される。すなわち、小熱容量領域１８の周囲に大熱容量領域２０が形成される。
【０００９】
絶縁膜１４の中央部分すなわち小熱容量領域１８には、その上面の中央部にたとえば矩形板状の赤外線吸収体２２が形成される。
【００１０】
また、絶縁膜１４の上面には、赤外線吸収体２２の周囲に、熱電パターン２４が形成される。熱電パターン２４は複数の熱電対を含み、それぞれの熱電対はＮ型熱電材料パターン２６ａおよびＰ型熱電材料パターン２６ｂを含む。したがって、熱電パターン２４は、複数のＮ型熱電材料パターン２６ａおよび複数のＰ型熱電材料パターン２６ｂを含む。複数のＮ型熱電材料パターン２６ａおよび複数のＰ型熱電材料パターン２６ｂは、絶縁膜１４上の複数の接続パターン２８を介して、交互に直列に接続される。それらの接続パターン２８は、Ｎ型熱電材料パターン２６ａおよびＰ型熱電材料パターン２６ｂを接合して温接点３０ａおよび冷接点３０ｂを形成するための接合材料となる。また、熱電パターン２４は、温接点３０ａが小熱容量領域１８上に配置され、冷接点３０ｂが大熱容量領域２０上に配置される。
【００１１】
さらに、絶縁膜１４の上面には、大熱容量領域２０上に、２つの信号取り出し用電極３１が形成される。こられの信号取り出し用電極３１は、直列に接続された複数のＮ型熱電材料パターン２６ａおよび複数のＰ型熱電材料パターン２６ｂの両端にそれぞれ接続される。
【００１２】
さらに、絶縁膜１４の上面であって大熱容量領域２０上には、熱電パターン２４の周囲に、各感温抵抗体パターン３２が形成される。この場合、各感温抵抗体パターン３２は、熱電パターン２４の冷接点３０ｂの外周に沿った部分のみにそれぞれ形成される。各感温抵抗体パターン３２は、熱電パターン２４の冷接点３０ｂの温度を検知するためのものである。また、各感温抵抗体パターン３２は、感温抵抗体パターン３２の材料より抵抗温度係数が小さい金属材料からなり絶縁膜１４上に形成される接続パターン３４で直列に接続される。
【００１３】
さらに、絶縁膜１４の上面には、大熱容量領域２０上に、２つの信号取り出し用電極３５が形成される。こられの信号取り出し用電極３５は、直列に接続された感温抵抗体パターン３２の両端にそれぞれ接続される。
【００１４】
図１および図２に示す熱電変換素子１０では、熱電パターン２４から、それぞれの温接点３０ａと冷接点３０ｂとの温度差に比例して発生した熱起電力を加算した電圧が出力される。基板１２に伝わる熱が一様でない場合、大熱容量領域２０の温度分布は一様ではなくなる。この場合、基板１２の温度が低い領域では温接点３０ａと冷接点３０ｂとの温度差が高くなるため高い熱起電力が発生し、基板１２の温度が高い領域では温接点３０ａと冷接点３０ｂとの温度差が低くなるため低い熱起電力が発生する。熱電パターン２４の出力は、これらを加算したものになるため、基板１２の温度分布を反映したものになる。
【００１５】
また、図１および図２に示す熱電変換素子１０では、感温抵抗体パターン３２が全ての冷接点３０ｂに沿って近接して配置されているため、感温抵抗体パターン３２は、熱起電力と同じ温度分布情報を反映した抵抗値になる。そのため、基板１２に温度分布がある場合でも、正確に冷接点３０ｂの温度を検知することができ、正確に温度補償ができ、熱電パターン２４の測定精度が向上する。
【００１６】
さらに、図１および図２に示す熱電変換素子１０では、冷接点３０ｂに沿わない部分が、抵抗温度係数が小さい金属材料からなる接続パターン３４で配線されているので、冷接点３０ｂに沿わない部分の温度分布の影響を除去でき、冷接点３０ｂの部分のみの温度分布を反映した抵抗値を得ることができる。すなわち、温度補償で必要になるのは、冷接点３０ｂの部分のみの温度分布を反映した抵抗値であるため、より正確に温度補償ができ、熱電パターン２４の測定精度がより向上する。
【００１７】
また、図１および図２に示す熱電変換素子１０では、熱電パターン２４および感温抵抗体パターン３２が、段差がない同一面内に形成されていて段差をまたぐことがないため、製造時の歩留まりと信頼性を向上することができる。
【００１８】
図３はこの発明にかかる熱電変換素子の他の例を示す正面図解図である。図３に示す熱電変換素子１０では、図１および図２に示す熱電変換素子１０と比べて、熱電パターン２４の冷接点３０ｂおよび感温抵抗体パターン３２が、たとえばＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮなどの熱伝導率が高い絶縁膜３６で覆われる。
【００１９】
図３に示す熱電変換素子１０では、図１および図２に示す熱電変換素子１０と同様の作用効果を奏するとともに、熱電パターン２４の冷接点３０ｂと感温抵抗体パターン３２との間の熱伝導がよくなり、冷接点３０ｂ−感温抵抗体パターン３２間の温度差が小さくなる。そのため、感温抵抗体パターン３２はより正確に冷接点３０ｂの温度を検知することができるようになり、さらに正確に温度補償ができ、熱電パターン２４の測定精度がさらに向上する。
【００２０】
さらに、図３に示す熱電変換素子１０では、感温抵抗体パターン３２が絶縁膜３６で保護されるため、信頼性が向上する。
【００２１】
図４はこの発明にかかる熱電変換素子のさらに他の例を示す正面図解図である。図４に示す熱電変換素子１０では、図１および図２に示す熱電変換素子１０と比べて、絶縁膜１４、赤外線吸収体２２および熱電パターン２４と、感温抵抗体パターン３２、接続パターン３４および信号取り出し用電極３５との間に保護膜３８が形成される。
【００２２】
図４に示す熱電変換素子１０では、図１および図２に示す熱電変換素子１０と同様の作用効果を奏するとともに、絶縁膜１４、赤外線吸収体２２および熱電パターン２４が保護され、信頼性が向上する。
【００２３】
図５はこの発明にかかる熱電変換素子のさらに他の例を示す平面図解図であり、図６はその熱電変換素子の正面図解図である。図５および図６に示す熱電変換素子１０では、図１および図２に示す熱電変換素子１０と比べて、接続パターン３４が形成されず、１つの感温抵抗体パターン３２が熱電パターン２４の周囲に形成されている。
【００２４】
さらに、図５および図６に示す熱電変換素子１０では、赤外線吸収体２２は、たとえばＮｉＣｒ、金黒、酸化チタンなどで形成される。
また、熱電パターン２４のＮ型熱電材料パターン２６ａおよびＰ型熱電材料パターン２６ｂは、互いに異なる熱電材料で形成される。熱電材料としては、一般に用いられている材料を用いることができ、たとえば多結晶シリコン、ＩｎＳｂ、Ｓｂ、Ｂｉなどが選択できる。
さらに、熱電パターン２４の接続パターン２８となる接合材料としては、たとえばＰｔ、Ｗ、Ｐｄ、ＮｉまたはＣｒなどが選択できる。
また、感温抵抗体パターン３２は、接続パターン２８となる接合材料と同じ材料で形成される。
さらに、熱電パターン２４の信号取り出し電極３１および感温抵抗体パターン３２の信号取り出し電極３５は、接続パターン２８となる接合材料と同じ材料で形成される。
【００２５】
図５および図６に示す熱電変換素子１０でも、図１および図２に示す熱電変換素子１０と同様の作用効果を奏する。
【００２６】
さらに、図５および図６に示す熱電変換素子１０では、熱電パターン２４のＮ型熱電材料パターン２６ａおよびＰ型熱電材料パターン２６ｂ間に、熱電材料と異なる接合材料からなる接続パターン２８が形成されることにより、オーミック接触を得て電気的接合性の改良を図ることができるとともに、材料の拡散などの問題を回避することができ、安定した電気的接触が得られる。
【００２７】
さらに、図５および図６に示す熱電変換素子１０では、感温抵抗体パターン３２が接合材料で形成されているので、感温抵抗体パターン３２の再現性が得やすくなる。また、感温抵抗体パターン３２の吸湿や熱履歴による経時変化が小さくなる。そのため、温度補償の精度が向上し、ひいては熱電変換素子１０の感度精度が向上する。
【００２８】
また、図５および図６に示す熱電変換素子１０は、たとえば接続パターン２８、信号取り出し電極３１、感温抵抗体パターン３２およびの信号取り出し電極３５を同じ材料で同時に形成することなどによって、製造される。
【００２９】
上述のようにして図５および図６に示す熱電変換素子１０を製造すれば、接続パターン２８、信号取り出し電極３１、感温抵抗体パターン３２およびの信号取り出し電極３５を異なった材料で別々に形成することなどによって熱電変換素子を製造する製造方法に比べて、工数を減らすことができ、製造の合理化、低コスト化を図ることができる。
【００３０】
なお、図１〜図４に示す各熱電変換素子１０において、図５および図６に示す熱電変換素子１０と同様の材料を用いれば、図５および図６に示す熱電変換素子１０と同様の効果を奏する。
【００３１】
図７はこの発明にかかる熱電変換素子のさらに他の例を示す正面図解図である。図７に示す熱電変換素子１０は、図５および図６に示す熱電変換素子１０と比べて、図３に示す熱電変換素子１０と同様に、熱電パターン２４の冷接点３０ｂおよび感温抵抗体パターン３２が、たとえばＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮなどの熱伝導率が高い絶縁膜３６で覆われる。
【００３２】
図７に示す熱電変換素子１０では、図５および図６に示す熱電変換素子１０と同様の作用効果を奏するとともに、図３に示す熱電変換素子１０と同様の作用効果を奏する。
【００３３】
図８はこの発明にかかる熱電変換素子のさらに他の例を示す平面図解図である。図８に示す熱電変換素子１０は、図５および図６に示す熱電変換素子１０と比べて、感温抵抗体パターン３２の一部分を含む部分の上に抵抗調整用パターン４０が形成されている。
【００３４】
図８に示す熱電変換素子１０では、図５および図６に示す熱電変換素子１０と同様の作用効果を奏するとともに、抵抗調整用パターン４０の一部をレーザなどでカットすることによって感温抵抗体パターン３２の抵抗値を調整することが可能となり、感温抵抗体パターン３２の抵抗値のばらつきを吸収することができ、熱電パターン２４の測定精度が向上する。
【００３５】
なお、上述の各熱電変換素子１０では、小熱容量領域１８および赤外線吸収体２２がそれぞれ矩形板状に形成されているが、それらはそれぞれ円板状など他の形状に形成されてもよい。
【００３６】
また、上述の熱電変換素子１０では、接続パターン２８、信号取り出し電極３１、感温抵抗体パターン３２およびの信号取り出し電極３５が同じ材料で形成されているものもあるが、接続パターン２８および感温抵抗体パターン３２のみが同じ材料で形成されてもよく、または、接続パターン２８、信号取り出し電極３１、感温抵抗体パターン３２およびの信号取り出し電極３５が異なった材料で形成されてもよい。
接続パターン２８および感温抵抗体パターン３２が同じ材料で形成される場合、接続パターン２８および感温抵抗体パターン３２が異なった材料で形成される場合に比べて、接続パターン２８および感温抵抗体パターン３２を同じ材料で同時に形成することができ、熱電変換素子１０を効率よく製造することができる。また、接続パターン２８、信号取り出し電極３１、感温抵抗体パターン３２およびの信号取り出し電極３５をＰｔで形成すれば、それらの経時変化が少なく、安定した特性が得られる。
【００３７】
さらに、図１および図２などに示す熱電変換素子１０では、感温抵抗体パターン３２が熱電パターン２４の周囲の４辺に形成されているが、この発明では感温抵抗体パターン３２は熱電パターン２４の周囲の１辺、２辺または３辺のみに形成されてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
この発明によれば、温度分布がある場合でも熱電パターンの冷接点の温度を正確に検知でき、製造時の歩留まりと信頼性の劣化も改善できる熱電変換素子が得られる。
また、この発明によれば、そのような熱電変換素子を効率よく製造することができる熱電変換素子の製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる熱電変換素子の一例を示す平面図解図である。
【図２】図１に示す熱電変換素子の正面図解図である。
【図３】この発明にかかる熱電変換素子の他の例を示す正面図解図である。
【図４】この発明にかかる熱電変換素子のさらに他の例を示す正面図解図である。
【図５】この発明にかかる熱電変換素子のさらに他の例を示す平面図解図である。
【図６】図５に示す熱電変換素子の正面図解図である。
【図７】この発明にかかる熱電変換素子のさらに他の例を示す正面図解図である。
【図８】この発明にかかる熱電変換素子のさらに他の例を示す平面図解図である。
【図９】従来の熱電変換素子の一例を示す平面図解図である。
【図１０】従来の熱電変換素子の他の例を示す平面図解図である。
【図１１】図１０に示す熱電変換素子の正面図解図である。
【符号の説明】
１０熱電変換素子
１２基板
１４絶縁膜
１６空洞
１８小熱容量領域
２０大熱容量領域
２２赤外線吸収体
２４熱電パターン
２６ａＮ型熱電材料パターン
２６ｂＰ型熱電材料パターン
２８接続パターン
３０ａ温接点
３０ｂ冷接点
３２感温抵抗体パターン
３４接続パターン
３６絶縁膜
３８保護膜
４０抵抗調整用パターン

Claims

小熱容量領域、
大熱容量領域、および
温接点および冷接点を有し、前記温接点が前記小熱容量領域上に前記冷接点が前記大熱容量領域上にそれぞれ配置される熱電パターンを含む熱電変換素子であって、
前記冷接点の温度を検知するための感温抵抗体パターンが、前記熱電パターンと同一面で前記冷接点の外周に沿ってかつ前記冷接点がある部分のみに近接して形成される、熱電変換素子。
前記冷接点および前記感温抵抗体パターンが熱伝導率の高い絶縁膜で覆われる、請求項１に記載の熱電変換素子。
小熱容量領域、
大熱容量領域、
温接点および冷接点を有し、前記温接点が前記小熱容量領域上に前記冷接点が前記大熱容量領域上にそれぞれ配置される熱電パターン、および
前記熱電パターンを覆う保護膜を含む熱電変換素子であって、
前記冷接点の温度を検知するための感温抵抗体パターンが、前記保護膜上で前記冷接点の外周に沿ってかつ前記冷接点がある部分のみに近接して形成される、熱電変換素子。
前記熱電パターンは、異なる熱電材料を前記熱電材料とはさらに異なる接合材料で接合してなる熱電対を備え、
前記熱電対の形成された基板上に、前記接合材料と同じ材料で前記感温抵抗体パターンが形成される、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の熱電変換素子。
前記接合材料と同じ材料で前記熱電パターンの信号取り出し用電極および前記感温抵抗体パターンの信号取り出し用電極が形成される、請求項４に記載の熱電変換素子。
前記接合材料として、Ｐｔ，Ｗ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｒの中から選択される材料が用いられる、請求項４または請求項５に記載の熱電変換素子。
請求項４ないし請求項６のいずれかに記載に熱電変換素子を製造するための熱電変換素子の製造方法であって、
少なくとも前記接合材料および前記感温抵抗体パターンを同時に形成する、電熱変換素子の製造方法。
前記感温抵抗体パターンに抵抗調整用パターンが付加される、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の熱電変換素子。