JP4056382B2 - 熱電変換デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイスの供給電源や補助電源、及び温度センサや赤外線センサ等として利用可能な素子であって、温接点と冷接点との温度差により発電するゼーベック効果を利用した熱電変換デバイス及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の熱電変換デバイスとしては、基板に対して平行な平行部と基板に対して垂直な垂直部とを備えたＬ字形状をなす複数の熱電対を直列に接続したものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この熱電変換デバイスは、基板上にガラス層を形成し、そのガラス層上に第１端側接点及び第２端側接点を有する複数の熱電対を形成する。そして、前記ガラス層における前記各熱電対の第１端側接点に対応する部位以外の部位を除去し、各熱電対を片持ち梁り状態にする。そして、各熱電対における第１端側接点部位以外の部位を基板に対して垂直に折り曲げることにより垂直部を形成し、前記第１端側接点部位を平行部としている。
【０００４】
次に、前記各熱電対において、垂直部の先端（第２端側接点）以外の部位にレジスト等を充填し、そのレジスト上に適宜の半導体や金属等を蒸着等して天板を形成し、その後、前記レジストを除去する。この結果、前記各第２端側接点と前記天板とを接着している。前記各第２端側接点と前記天板とを接着することにより、その両者間の熱伝達が円滑に行われ、熱電変換デバイスの熱電変換効率を上げるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５０８０１号公報（段落番号「００２０」〜「００２３」、第３図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記熱電変換デバイスでは、各熱電対を形成する際に、複数の熱電対をそれぞれ個々に折り曲げて平行部と垂直部とを形成しなければならず、その作業が煩雑となっていた。
【０００７】
また、折り曲げ形成した前記各垂直部における第２端側接点の高さが不揃いとなってしまい各第２端側接点と天板とが確実に固定されず、各第２端側接点と天板との熱伝達が確実に行われないということがあった。
【０００８】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は各第２端側接点と天板との固定を確実にできると共に各第２端側接点と天板との熱伝達が確実にできる熱電変換デバイスを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の別の目的は、熱電対の形成を容易にできる熱電変換デバイスの製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、主面を有する基板と、第１端側接点と第２端側接点とをそれぞれ有すると共に互いに直列接続された複数の熱電対とを備え、前記各熱電対における前記第１端側接点が前記基板の前記主面にそれぞれ固定された熱電変換デバイスにおいて、前記基板の前記主面に対して対向配置された天板を備え、前記各熱電対における前記第２端側接点はバンプを介して前記天板に対してそれぞれ接着され、前記各熱電対における前記第２端側接点を前記基板に対して離間するように配置したことを要旨とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱電変換デバイスにおいて、前記基板と前記天板との間に介在すると共に前記基板及び前記天板のうち少なくとも何れか一方に対して固定されたスペーサにより、前記第２端側接点を前記基板に対して離間するように配置したことを要旨とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、基板上に犠牲層を形成し、この犠牲層上に第１端側接点と第２端側接点を有する熱電対を形成し、前記第２端側接点に対してバンプを設け、前記バンプに対して天板を同天板に形成されたパッドを介して熱圧着し、前記犠牲層における前記熱電対の前記第１端側接点に対応する部位以外の部位を除去した後、前記基板と前記第２端側接点とを前記基板の主面に対して直交する方向において離間すべく、前記基板と前記天板とを互いに離間させることを要旨とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の熱電変換デバイスの製造方法において、前記基板と前記天板との間にスペーサを介在させることにより、前記基板と前記第２端側接点とを前記基板の主面に対して直交する方向において互いに離間させることを要旨とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図１１に従って説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の熱電変換デバイス１１は、シリコンからなる基板１２と、互いに直列接続された複数の熱電対１３と、天板１４と、スペーサ１５とを備えている。
【００１５】
なお、図１（ａ）における金属膜２７に相当する部位、及び図１１における金属膜２６に相当する部位には、説明の便宜上、斜線を付して図示している。
前記基板１２の主面１２ａには、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）や酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる絶縁層２０が形成されている。前記絶縁層２０の上面には、前記熱電対１３の数分だけリンガラスからなる熱電対支持部２１が形成されている。前記熱電対支持部２１には、各熱電対１３の第１端側接点Ｐ１が固定されている。即ち、前記絶縁層２０及び熱電対支持部２１を介して、熱電対１３の第１端側接点Ｐ１が前記基板１２の主面１２ａに固定されている。
【００１６】
図１（ｂ）に示すように、前記熱電対１３は、多結晶シリコンからなる基層２５と、クロム（Ｃｒ）からなる金属膜２６と、金（Ａｕ）からなる金属膜２７とを備えている。前記基層２５は平面視において時折分断された蛇行状（図１０参照）のパターンで形成されている。
【００１７】
図１１に示すように、前記基層２５上の所定範囲には金属膜２６が形成され、図１（ａ）に示すように、その金属膜２６上には金属膜２７が同金属膜２６に積層するように形成されている。ところで、前記各熱電対１３は単層部Ｍ１と多層部Ｍ２とをそれぞれ備えている。前記単層部Ｍ１は前記基層２５単体で構成され、前記多層部Ｍ２は前記基層２５、金属膜２６、及び金属膜２７にて構成されている。前記単層部Ｍ１と多層部Ｍ２は互いに平行となるように配置されている。
【００１８】
なお、一般的な熱電対は、本来、２種類の材料を接続することにより構成している。しかしながら、本実施形態の熱電対１３は、一方の材料（単層部Ｍ１）を多結晶シリコンにて構成し、他方の材料（多層部Ｍ２）をクロム線、金線、及び多結晶シリコンにて構成している。本実施形態の熱電対１３は、このような構成であっても、熱電対としての機能を果たすと共に、製造を容易にできる。
【００１９】
従って、各熱電対１３において、単層部Ｍ１の熱電対支持部２１側、及び多層部Ｍ２の熱電対支持部２１側がそれぞれ前記第１端側接点Ｐ１とされている。そして、互いに隣り合う熱電対１３同士における単層部Ｍ１の第１端側接点Ｐ１と、多層部Ｍ２の第１端側接点Ｐ１とが互いに接続されている。一方、各熱電対１３において、単層部Ｍ１における第１端側接点Ｐ１とは反対側の端部と、多層部Ｍ２における第１端側接点Ｐ１とは反対側の端部とが接続され、この接続点が第２端側接点Ｐ２とされている。
【００２０】
前記各第２端側接点Ｐ２の上面には、金からなるバンプ３０がそれぞれ形成されている。ところで、前記基板１２（絶縁層２０）上における外周縁には４つのスペーサ１５が固定され、そのスペーサ１５には天板１４が固定されている。前記天板１４は、黒体材料（例えば、酸化コバルト）を混ぜたポリイミド系樹脂にて構成されている。前記天板１４は基板１２に対して平行となるようにスペーサ１５に対して固定されている。前記天板１４には、前記各バンプ３０と対応する位置に、金（Ａｕ）からなるランド３１がそれぞれ形成されている。前記ランド３１はパッドに相当する。
【００２１】
そして、前記各熱電対１３における第２端側接点Ｐ２側の部位（以下、撓み部１３ａという）が上方（基板１２に対して離れる方向）へ向けて撓んだ状態で、前記各ランド３１に対して、前記各第２端側接点Ｐ２上に形成された各バンプ３０がそれぞれ固定されている。前記撓み部１３ａは、「熱電対における第２端側接点側の部位」に相当する。即ち、前記各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２は、各バンプ３０を介して天板１４の各ランド３１に対してそれぞれ接着されている。前記熱電対１３の撓み部１３ａの撓み量は、前記基板１２と前記天板１４との間に介在された各スペーサ１５の高さ（スペーサ１５における離間方向の長さ）により規定されている。
【００２２】
なお、離間方向とは、基板１２の主面１２ａに対して直交する方向のことをいう。
次に、本実施形態のように構成された熱電変換デバイス１１の製造方法について説明する。
【００２３】
なお、図２〜図９においては、熱電変換デバイス１１における複数の熱電対１３のうちの一つのみを図示している。
まず、図２に示すように、天板１４における基板１２の主面１２ａに対向する面に対してスパッタリング法や金メッキ法等により複数のランド３１を形成しておく（なお、図２においては、ランド３１を一つのみ図示）。
【００２４】
次に、図３に示すように、基板１２上における主面１２ａ全面に対して絶縁層２０をＬＰＣＶＤ（low pressure chemical vapor deposition）等により形成する。そして、前記絶縁層２０上の全面に犠牲層としてのガラス層３２をＡＰＣＶＤ（atmospheric pressure chemical vapor deposition）等により形成する。さらに、前記ガラス層３２上の全面に多結晶シリコンをＬＰＣＶＤ等により形成する。この多結晶シリコン上に図示しないマスクを被覆してフォトエッチングを行うことにより、蛇行状のパターンの前記基層２５を形成する（図３及び図１０参照）。
【００２５】
この場合、基層２５には熱電対１３の配列方向（図１０における上下方向）に沿って、基層２５の蛇行を分断するための分断溝２８を形成しておく。この分断溝２８により、前記基層２５は、熱電対１３における前記第１端側接点Ｐ１に対応する部位である固定部２５ａと、熱電対１３における同固定部２５ａよりも第２端側接点Ｐ２側の部位である持上部２５ｂとに分けられている。因みに、前記撓み部１３ａは、前記持上部２５ｂ、前記金属膜２６における同持上部２５ｂに対応する部位、及び前記金属膜２７における同持上部２５ｂに対応する部位にて構成されている。
【００２６】
次に、図１０に示す前記固定部２５ａ、持上部２５ｂ、及びガラス層３２に対して、クロムを蒸着した後、この蒸着したクロムをウェットエッチング等を行うことにより金属膜２６を形成する（図４及び図１１参照）。この金属膜２６は、前記固定部２５ａ上、前記持上部２５ｂ上、及びその固定部２５ａと持上部２５ｂとを分断する分断溝２８に対して形成する。
【００２７】
さらに、図１１に示す金属膜２６及びガラス層３２に対して、金を蒸着した後、この蒸着した金をウェットエッチング等を行うことにより金属膜２７を形成する（図１（ａ）、図５参照）。この結果、ガラス層３２上に形成された、固定部２５ａ、持上部２５ｂ、金属膜２６、及び金属膜２７により複数の熱電対１３が構成される。
【００２８】
次に、図６に示すように、前記各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２に対して、ワイヤボンダー法や金メッキ法等によりバンプ３０をそれぞれ形成する。そして、図７に示すように、熱圧着法により天板１４の各ランド３１と前各記熱電対１３上に形成されたバンプ３０とをそれぞれ接着する。
【００２９】
その後、図８に示すように、フッ酸等により、ガラス層３２における各熱電対１３の第１端側接点Ｐ１にそれぞれ対応する部位以外の部位を除去（リリース）する。この結果、ガラス層３２における除去しなかった部位が熱電対支持部２１となる。この際、前記各持上部２５ｂは、金属膜２６，２７を介して対応する各固定部２５ａにそれぞれ支持される。
【００３０】
そして、図９に示すように、前記基板１２と前記各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２とを離間方向において離間すべく、前記基板１２と天板１４とを互いに離間させる。なお、前記離間方向は図９における上下方向に相当する。すると、各熱電対１３の撓み部１３ａが撓むことにより、各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２は基板１２に対して離間される。さらに、図１（ｂ）に示すように、前記基板１２と天板１４との間にスペーサ１５を介在させ、かつそのスペーサ１５を基板１２及び天板１４に対して固定する。
【００３１】
従って、本実施形態の熱電変換デバイス１１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、各熱電対１３における第２端側接点Ｐ２をバンプ３０を介して天板１４に対してそれぞれ接着するようにした。従って、各熱電対１３における第２端側接点Ｐ２の高さのバラツキが多少あっても、各バンプ３０がそのバラツキ分に合わせてそれぞれ変形するため、各第２端側接点Ｐ２と天板１４との固定を確実にできると共に、第２端側接点Ｐ２と天板１４との熱伝達を確実にできる。
【００３２】
（２）本実施形態では、各熱電対１３における第２端側接点Ｐ２を基板１２に対してそれぞれ離間するように配置した。従って、各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２には基板１２からの熱が直接的に伝わることなく、熱電変換効率を上げることができる。
【００３３】
即ち、この熱電対１３における第１端側接点Ｐ１及び第２端側接点Ｐ２のうちいずれか一方が温接点、他方が冷接点として機能する。そして、各第１端側接点Ｐ１を基板１２に対してそれぞれ接着することにより、基板１２から各第１端側接点Ｐ１へ熱が直接的に伝わるようにした。一方、各第２端側接点Ｐ２を基板１２に対してそれぞれ離間することにより基板１２から各第２端側接点Ｐ２へ熱が直接的に伝わらないようにした。このため、第１端側接点Ｐ１と第２端側接点Ｐ２との温度差を大きくすることができる。
【００３４】
（３）本実施形態では、基板１２と天板１４との間に介在すると共に前記基板１２及び前記天板１４に固定されたスペーサ１５により、熱電対１３における撓み部１３ａを撓ませて熱電対１３の第２端側接点Ｐ２を前記基板１２に対して離間するようにした。従って、スペーサ１５を所望の長さ（ここでいう長さとは、離間方向の長さに相当）に設定することにより、各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２と基板１２との離間距離を設定することができる。
【００３５】
（４）本実施形態では、天板１４には複数のランド３１を備え、各ランド３１に対して各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２上に形成されたバンプ３０をそれぞれ熱圧着するようにした。従って、各熱電対１３を天板１４に対して一斉に接着することができる。
【００３６】
（５）本実施形態では、基板１２上にガラス層３２を形成し、このガラス層３２上に互いに直列接続される複数の熱電対１３を形成した。そして、各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２上に対してバンプ３０をそれぞれ形成し、その各バンプ３０に対して天板１４の各ランド３１をそれぞれ熱圧着した。そして、ガラス層３２における前記各熱電対１３の第１端側接点Ｐ１にそれぞれ対応する部位以外の部位を除去（リリース）し、残った部位をそれぞれ熱電対支持部２１とした。さらに、基板１２と各第２端側接点Ｐ２とを離間方向において離間すべく、基板１２と天板１４とを互いに離間させた。
【００３７】
このように、ガラス層３２における不要部分を除去する前に各熱電対１３に形成されたバンプ３０に対して天板１４の各ランド３１をそれぞれ熱圧着することにより、各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２を一斉に天板１４に対して接着することができる。即ち、複数の熱電対１３を一斉に形成することができる。従って、特許文献１の熱電変換デバイスにおける熱電対と比して、複数の熱電対１３の形成を容易にできる。
【００３８】
（６）本実施形態では、バンプ３０とランド３１とを金（Ａｕ）にて形成した。従って、前記バンプ３０をハンダ、前記ランド３１を銅にて形成した場合と比べて、本実施形態のバンプ３０及びランド３１は熱圧着する際の温度を下げることができる。この結果、熱圧着による熱電変換デバイス１１の過熱を抑えることができる。
【００３９】
（７）本実施形態の熱電変換デバイス１１は、例えば、産業廃熱を用いた発電、自動車の排気ガス熱を用いた発電、パーソナルコンピュータ等の電子装置における基板の放熱を用いた発電、腕時計において体温を用いた発電、及び温度センサや赤外線センサなどの各種用途に利用できる。
【００４０】
（８）本実施形態では、各持上部２５ｂは、金属膜２６，２７を介して対応する各固定部２５ａにそれぞれ支持されるようにした。クロム（Ｃｒ）からなる金属膜２６及び金（Ａｕ）からなる金属膜２７は延性材料であり、多結晶シリコンからなる基層２５はほとんど延性を備えていない。従って、前記金属膜２６，２７における分断溝２８（図３参照）に対応する部位が、熱電対１３における固定部２５ａに対応する部位と、熱電対１３における持上部２５ｂに対応する部位とを屈曲自在とすることができる。
（他の実施形態）
なお、上記実施形態は以下のような他の実施形態に変更して具体化してもよい。
【００４１】
・前記実施形態におけるガラス層３２の代わりに犠牲層としてのポリシリコン層（多結晶シリコン層）を採用してもよい。
・前記実施形態では、各バンプ３０及び各ランド３１を金（Ａｕ）から形成していた。これに限らず、前記各バンプ３０をハンダにて形成し、前記各ランド３１を銅（Ｃｕ）にて形成してもよい。この場合、各ハンダからなるバンプ３０は、ハンダメッキ法により各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２に対してそれぞれ形成する。そして、その各バンプ３０と各ランド３１とをそれぞれ熱圧着することにより、前記各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２を各バンプ３０を介して天板１４の各ランド３１に対してそれぞれ接着する。
【００４２】
・前記実施形態では、基板１２と天板１４とにおける離間距離を規定するために、前記基板１２と天板１４との間にスペーサ１５を設けていた。これに限らず、基板１２と天板１４との相対位置を規定できるのであれば、どのような方法によってでも固定してもよい。
【００４３】
・前記実施形態では、スペーサ１５を基板１２及び天板１４の両方に対して固定していた。これに限らず、前記スペーサ１５を基板１２及び天板１４のうちいずれか一方に対して固定するように熱電変換デバイス１１を構成してもよい。
【００４４】
・前記実施形態では、各撓み部１３ａが上方へ向けて撓んだ状態で、第２端側接点Ｐ２と基板１２（絶縁層２０）とが離間するように熱電変換デバイス１１を構成していた。これに限らず、前記撓み部１３ａが撓んでいない状態で、かつ第２端側接点Ｐ２と基板１２（絶縁層２０）とが離間するように熱電変換デバイス１１を構成してもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、各第２端側接点と天板との固定を確実にできると共に各第２端側接点と天板との熱伝達が確実にできる。
【００４６】
また、請求項３及び請求項４に記載の発明によれば、熱電対の形成を容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、本実施形態における熱電変換デバイスの平面図。（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図。
【図２】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図３】 図１０のＢ−Ｂ線矢視断面図であると共に、熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図４】 図１１のＣ−Ｃ線矢視断面図であると共に、熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図５】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図６】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図７】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図８】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図９】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図１０】 熱電変換デバイスの製造工程を示す平面図。
【図１１】 熱電変換デバイスの製造工程を示す平面図。
【符号の説明】
１１…熱電変換デバイス、１２…基板、１２ａ…主面、１３…熱電対、
１３ａ…「熱電対における第２端側接点側の部位」としての撓み部、
１４…天板、１５…スペーサ、３０…バンプ、３１…パッドとしてのランド、
３２…犠牲層としてのガラス層、Ｐ１…第１端側接点、Ｐ２…第２端側接点。
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイスの供給電源や補助電源、及び温度センサや赤外線センサ等として利用可能な素子であって、温接点と冷接点との温度差により発電するゼーベック効果を利用した熱電変換デバイス及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の熱電変換デバイスとしては、基板に対して平行な平行部と基板に対して垂直な垂直部とを備えたＬ字形状をなす複数の熱電対を直列に接続したものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この熱電変換デバイスは、基板上にガラス層を形成し、そのガラス層上に第１端側接点及び第２端側接点を有する複数の熱電対を形成する。そして、前記ガラス層における前記各熱電対の第１端側接点に対応する部位以外の部位を除去し、各熱電対を片持ち梁り状態にする。そして、各熱電対における第１端側接点部位以外の部位を基板に対して垂直に折り曲げることにより垂直部を形成し、前記第１端側接点部位を平行部としている。
【０００４】
次に、前記各熱電対において、垂直部の先端（第２端側接点）以外の部位にレジスト等を充填し、そのレジスト上に適宜の半導体や金属等を蒸着等して天板を形成し、その後、前記レジストを除去する。この結果、前記各第２端側接点と前記天板とを接着している。前記各第２端側接点と前記天板とを接着することにより、その両者間の熱伝達が円滑に行われ、熱電変換デバイスの熱電変換効率を上げるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５０８０１号公報（段落番号「００２０」〜「００２３」、第３図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記熱電変換デバイスでは、各熱電対を形成する際に、複数の熱電対をそれぞれ個々に折り曲げて平行部と垂直部とを形成しなければならず、その作業が煩雑となっていた。
【０００７】
また、折り曲げ形成した前記各垂直部における第２端側接点の高さが不揃いとなってしまい各第２端側接点と天板とが確実に固定されず、各第２端側接点と天板との熱伝達が確実に行われないということがあった。
【０００８】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は各第２端側接点と天板との固定を確実にできると共に各第２端側接点と天板との熱伝達が確実にできる熱電変換デバイスを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の別の目的は、熱電対の形成を容易にできる熱電変換デバイスの製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、主面を有する基板と、第１端側接点と第２端側接点とをそれぞれ有すると共に互いに直列接続された複数の熱電対とを備え、前記各熱電対における前記第１端側接点が前記基板の前記主面にそれぞれ固定された熱電変換デバイスにおいて、前記基板の前記主面に対して対向配置された天板を備え、前記各熱電対における前記第２端側接点はバンプを介して前記天板に対してそれぞれ接着され、前記各熱電対における前記第２端側接点を前記基板に対して離間するように配置したことを要旨とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱電変換デバイスにおいて、前記基板と前記天板との間に介在すると共に前記基板及び前記天板のうち少なくとも何れか一方に対して固定されたスペーサにより、前記第２端側接点を前記基板に対して離間するように配置したことを要旨とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、基板上に犠牲層を形成し、この犠牲層上に第１端側接点と第２端側接点を有する熱電対を形成し、前記第２端側接点に対してバンプを設け、前記バンプに対して天板を同天板に形成されたパッドを介して熱圧着し、前記犠牲層における前記熱電対の前記第１端側接点に対応する部位以外の部位を除去した後、前記基板と前記第２端側接点とを前記基板の主面に対して直交する方向において離間すべく、前記基板と前記天板とを互いに離間させることを要旨とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の熱電変換デバイスの製造方法において、前記基板と前記天板との間にスペーサを介在させることにより、前記基板と前記第２端側接点とを前記基板の主面に対して直交する方向において互いに離間させることを要旨とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図１１に従って説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の熱電変換デバイス１１は、シリコンからなる基板１２と、互いに直列接続された複数の熱電対１３と、天板１４と、スペーサ１５とを備えている。
【００１５】
なお、図１（ａ）における金属膜２７に相当する部位、及び図１１における金属膜２６に相当する部位には、説明の便宜上、斜線を付して図示している。
前記基板１２の主面１２ａには、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）や酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる絶縁層２０が形成されている。前記絶縁層２０の上面には、前記熱電対１３の数分だけリンガラスからなる熱電対支持部２１が形成されている。前記熱電対支持部２１には、各熱電対１３の第１端側接点Ｐ１が固定されている。即ち、前記絶縁層２０及び熱電対支持部２１を介して、熱電対１３の第１端側接点Ｐ１が前記基板１２の主面１２ａに固定されている。
【００１６】
図１（ｂ）に示すように、前記熱電対１３は、多結晶シリコンからなる基層２５と、クロム（Ｃｒ）からなる金属膜２６と、金（Ａｕ）からなる金属膜２７とを備えている。前記基層２５は平面視において時折分断された蛇行状（図１０参照）のパターンで形成されている。
【００１７】
図１１に示すように、前記基層２５上の所定範囲には金属膜２６が形成され、図１（ａ）に示すように、その金属膜２６上には金属膜２７が同金属膜２６に積層するように形成されている。ところで、前記各熱電対１３は単層部Ｍ１と多層部Ｍ２とをそれぞれ備えている。前記単層部Ｍ１は前記基層２５単体で構成され、前記多層部Ｍ２は前記基層２５、金属膜２６、及び金属膜２７にて構成されている。前記単層部Ｍ１と多層部Ｍ２は互いに平行となるように配置されている。
【００１８】
なお、一般的な熱電対は、本来、２種類の材料を接続することにより構成している。しかしながら、本実施形態の熱電対１３は、一方の材料（単層部Ｍ１）を多結晶シリコンにて構成し、他方の材料（多層部Ｍ２）をクロム線、金線、及び多結晶シリコンにて構成している。本実施形態の熱電対１３は、このような構成であっても、熱電対としての機能を果たすと共に、製造を容易にできる。
【００１９】
従って、各熱電対１３において、単層部Ｍ１の熱電対支持部２１側、及び多層部Ｍ２の熱電対支持部２１側がそれぞれ前記第１端側接点Ｐ１とされている。そして、互いに隣り合う熱電対１３同士における単層部Ｍ１の第１端側接点Ｐ１と、多層部Ｍ２の第１端側接点Ｐ１とが互いに接続されている。一方、各熱電対１３において、単層部Ｍ１における第１端側接点Ｐ１とは反対側の端部と、多層部Ｍ２における第１端側接点Ｐ１とは反対側の端部とが接続され、この接続点が第２端側接点Ｐ２とされている。
【００２０】
前記各第２端側接点Ｐ２の上面には、金からなるバンプ３０がそれぞれ形成されている。ところで、前記基板１２（絶縁層２０）上における外周縁には４つのスペーサ１５が固定され、そのスペーサ１５には天板１４が固定されている。前記天板１４は、黒体材料（例えば、酸化コバルト）を混ぜたポリイミド系樹脂にて構成されている。前記天板１４は基板１２に対して平行となるようにスペーサ１５に対して固定されている。前記天板１４には、前記各バンプ３０と対応する位置に、金（Ａｕ）からなるランド３１がそれぞれ形成されている。前記ランド３１はパッドに相当する。
【００２１】
そして、前記各熱電対１３における第２端側接点Ｐ２側の部位（以下、撓み部１３ａという）が上方（基板１２に対して離れる方向）へ向けて撓んだ状態で、前記各ランド３１に対して、前記各第２端側接点Ｐ２上に形成された各バンプ３０がそれぞれ固定されている。前記撓み部１３ａは、「熱電対における第２端側接点側の部位」に相当する。即ち、前記各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２は、各バンプ３０を介して天板１４の各ランド３１に対してそれぞれ接着されている。前記熱電対１３の撓み部１３ａの撓み量は、前記基板１２と前記天板１４との間に介在された各スペーサ１５の高さ（スペーサ１５における離間方向の長さ）により規定されている。
【００２２】
なお、離間方向とは、基板１２の主面１２ａに対して直交する方向のことをいう。
次に、本実施形態のように構成された熱電変換デバイス１１の製造方法について説明する。
【００２３】
なお、図２〜図９においては、熱電変換デバイス１１における複数の熱電対１３のうちの一つのみを図示している。
まず、図２に示すように、天板１４における基板１２の主面１２ａに対向する面に対してスパッタリング法や金メッキ法等により複数のランド３１を形成しておく（なお、図２においては、ランド３１を一つのみ図示）。
【００２４】
次に、図３に示すように、基板１２上における主面１２ａ全面に対して絶縁層２０をＬＰＣＶＤ（low pressure chemical vapor deposition）等により形成する。そして、前記絶縁層２０上の全面に犠牲層としてのガラス層３２をＡＰＣＶＤ（atmospheric pressure chemical vapor deposition）等により形成する。さらに、前記ガラス層３２上の全面に多結晶シリコンをＬＰＣＶＤ等により形成する。この多結晶シリコン上に図示しないマスクを被覆してフォトエッチングを行うことにより、蛇行状のパターンの前記基層２５を形成する（図３及び図１０参照）。
【００２５】
この場合、基層２５には熱電対１３の配列方向（図１０における上下方向）に沿って、基層２５の蛇行を分断するための分断溝２８を形成しておく。この分断溝２８により、前記基層２５は、熱電対１３における前記第１端側接点Ｐ１に対応する部位である固定部２５ａと、熱電対１３における同固定部２５ａよりも第２端側接点Ｐ２側の部位である持上部２５ｂとに分けられている。因みに、前記撓み部１３ａは、前記持上部２５ｂ、前記金属膜２６における同持上部２５ｂに対応する部位、及び前記金属膜２７における同持上部２５ｂに対応する部位にて構成されている。
【００２６】
次に、図１０に示す前記固定部２５ａ、持上部２５ｂ、及びガラス層３２に対して、クロムを蒸着した後、この蒸着したクロムをウェットエッチング等を行うことにより金属膜２６を形成する（図４及び図１１参照）。この金属膜２６は、前記固定部２５ａ上、前記持上部２５ｂ上、及びその固定部２５ａと持上部２５ｂとを分断する分断溝２８に対して形成する。
【００２７】
さらに、図１１に示す金属膜２６及びガラス層３２に対して、金を蒸着した後、この蒸着した金をウェットエッチング等を行うことにより金属膜２７を形成する（図１（ａ）、図５参照）。この結果、ガラス層３２上に形成された、固定部２５ａ、持上部２５ｂ、金属膜２６、及び金属膜２７により複数の熱電対１３が構成される。
【００２８】
次に、図６に示すように、前記各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２に対して、ワイヤボンダー法や金メッキ法等によりバンプ３０をそれぞれ形成する。そして、図７に示すように、熱圧着法により天板１４の各ランド３１と前各記熱電対１３上に形成されたバンプ３０とをそれぞれ接着する。
【００２９】
その後、図８に示すように、フッ酸等により、ガラス層３２における各熱電対１３の第１端側接点Ｐ１にそれぞれ対応する部位以外の部位を除去（リリース）する。この結果、ガラス層３２における除去しなかった部位が熱電対支持部２１となる。この際、前記各持上部２５ｂは、金属膜２６，２７を介して対応する各固定部２５ａにそれぞれ支持される。
【００３０】
そして、図９に示すように、前記基板１２と前記各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２とを離間方向において離間すべく、前記基板１２と天板１４とを互いに離間させる。なお、前記離間方向は図９における上下方向に相当する。すると、各熱電対１３の撓み部１３ａが撓むことにより、各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２は基板１２に対して離間される。さらに、図１（ｂ）に示すように、前記基板１２と天板１４との間にスペーサ１５を介在させ、かつそのスペーサ１５を基板１２及び天板１４に対して固定する。
【００３１】
従って、本実施形態の熱電変換デバイス１１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、各熱電対１３における第２端側接点Ｐ２をバンプ３０を介して天板１４に対してそれぞれ接着するようにした。従って、各熱電対１３における第２端側接点Ｐ２の高さのバラツキが多少あっても、各バンプ３０がそのバラツキ分に合わせてそれぞれ変形するため、各第２端側接点Ｐ２と天板１４との固定を確実にできると共に、第２端側接点Ｐ２と天板１４との熱伝達を確実にできる。
【００３２】
（２）本実施形態では、各熱電対１３における第２端側接点Ｐ２を基板１２に対してそれぞれ離間するように配置した。従って、各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２には基板１２からの熱が直接的に伝わることなく、熱電変換効率を上げることができる。
【００３３】
即ち、この熱電対１３における第１端側接点Ｐ１及び第２端側接点Ｐ２のうちいずれか一方が温接点、他方が冷接点として機能する。そして、各第１端側接点Ｐ１を基板１２に対してそれぞれ接着することにより、基板１２から各第１端側接点Ｐ１へ熱が直接的に伝わるようにした。一方、各第２端側接点Ｐ２を基板１２に対してそれぞれ離間することにより基板１２から各第２端側接点Ｐ２へ熱が直接的に伝わらないようにした。このため、第１端側接点Ｐ１と第２端側接点Ｐ２との温度差を大きくすることができる。
【００３４】
（３）本実施形態では、基板１２と天板１４との間に介在すると共に前記基板１２及び前記天板１４に固定されたスペーサ１５により、熱電対１３における撓み部１３ａを撓ませて熱電対１３の第２端側接点Ｐ２を前記基板１２に対して離間するようにした。従って、スペーサ１５を所望の長さ（ここでいう長さとは、離間方向の長さに相当）に設定することにより、各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２と基板１２との離間距離を設定することができる。
【００３５】
（４）本実施形態では、天板１４には複数のランド３１を備え、各ランド３１に対して各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２上に形成されたバンプ３０をそれぞれ熱圧着するようにした。従って、各熱電対１３を天板１４に対して一斉に接着することができる。
【００３６】
（５）本実施形態では、基板１２上にガラス層３２を形成し、このガラス層３２上に互いに直列接続される複数の熱電対１３を形成した。そして、各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２上に対してバンプ３０をそれぞれ形成し、その各バンプ３０に対して天板１４の各ランド３１をそれぞれ熱圧着した。そして、ガラス層３２における前記各熱電対１３の第１端側接点Ｐ１にそれぞれ対応する部位以外の部位を除去（リリース）し、残った部位をそれぞれ熱電対支持部２１とした。さらに、基板１２と各第２端側接点Ｐ２とを離間方向において離間すべく、基板１２と天板１４とを互いに離間させた。
【００３７】
このように、ガラス層３２における不要部分を除去する前に各熱電対１３に形成されたバンプ３０に対して天板１４の各ランド３１をそれぞれ熱圧着することにより、各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２を一斉に天板１４に対して接着することができる。即ち、複数の熱電対１３を一斉に形成することができる。従って、特許文献１の熱電変換デバイスにおける熱電対と比して、複数の熱電対１３の形成を容易にできる。
【００３８】
（６）本実施形態では、バンプ３０とランド３１とを金（Ａｕ）にて形成した。従って、前記バンプ３０をハンダ、前記ランド３１を銅にて形成した場合と比べて、本実施形態のバンプ３０及びランド３１は熱圧着する際の温度を下げることができる。この結果、熱圧着による熱電変換デバイス１１の過熱を抑えることができる。
【００３９】
（７）本実施形態の熱電変換デバイス１１は、例えば、産業廃熱を用いた発電、自動車の排気ガス熱を用いた発電、パーソナルコンピュータ等の電子装置における基板の放熱を用いた発電、腕時計において体温を用いた発電、及び温度センサや赤外線センサなどの各種用途に利用できる。
【００４０】
（８）本実施形態では、各持上部２５ｂは、金属膜２６，２７を介して対応する各固定部２５ａにそれぞれ支持されるようにした。クロム（Ｃｒ）からなる金属膜２６及び金（Ａｕ）からなる金属膜２７は延性材料であり、多結晶シリコンからなる基層２５はほとんど延性を備えていない。従って、前記金属膜２６，２７における分断溝２８（図３参照）に対応する部位が、熱電対１３における固定部２５ａに対応する部位と、熱電対１３における持上部２５ｂに対応する部位とを屈曲自在とすることができる。
（他の実施形態）
なお、上記実施形態は以下のような他の実施形態に変更して具体化してもよい。
【００４１】
・前記実施形態におけるガラス層３２の代わりに犠牲層としてのポリシリコン層（多結晶シリコン層）を採用してもよい。
・前記実施形態では、各バンプ３０及び各ランド３１を金（Ａｕ）から形成していた。これに限らず、前記各バンプ３０をハンダにて形成し、前記各ランド３１を銅（Ｃｕ）にて形成してもよい。この場合、各ハンダからなるバンプ３０は、ハンダメッキ法により各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２に対してそれぞれ形成する。そして、その各バンプ３０と各ランド３１とをそれぞれ熱圧着することにより、前記各熱電対１３の第２端側接点Ｐ２を各バンプ３０を介して天板１４の各ランド３１に対してそれぞれ接着する。
【００４２】
・前記実施形態では、基板１２と天板１４とにおける離間距離を規定するために、前記基板１２と天板１４との間にスペーサ１５を設けていた。これに限らず、基板１２と天板１４との相対位置を規定できるのであれば、どのような方法によってでも固定してもよい。
【００４３】
・前記実施形態では、スペーサ１５を基板１２及び天板１４の両方に対して固定していた。これに限らず、前記スペーサ１５を基板１２及び天板１４のうちいずれか一方に対して固定するように熱電変換デバイス１１を構成してもよい。
【００４４】
・前記実施形態では、各撓み部１３ａが上方へ向けて撓んだ状態で、第２端側接点Ｐ２と基板１２（絶縁層２０）とが離間するように熱電変換デバイス１１を構成していた。これに限らず、前記撓み部１３ａが撓んでいない状態で、かつ第２端側接点Ｐ２と基板１２（絶縁層２０）とが離間するように熱電変換デバイス１１を構成してもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、各第２端側接点と天板との固定を確実にできると共に各第２端側接点と天板との熱伝達が確実にできる。
【００４６】
また、請求項３及び請求項４に記載の発明によれば、熱電対の形成を容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、本実施形態における熱電変換デバイスの平面図。（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図。
【図２】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図３】 図１０のＢ−Ｂ線矢視断面図であると共に、熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図４】 図１１のＣ−Ｃ線矢視断面図であると共に、熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図５】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図６】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図７】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図８】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図９】 熱電変換デバイスの製造工程を示す部分断面図。
【図１０】 熱電変換デバイスの製造工程を示す平面図。
【図１１】 熱電変換デバイスの製造工程を示す平面図。
【符号の説明】
１１…熱電変換デバイス、１２…基板、１２ａ…主面、１３…熱電対、
１３ａ…「熱電対における第２端側接点側の部位」としての撓み部、
１４…天板、１５…スペーサ、３０…バンプ、３１…パッドとしてのランド、
３２…犠牲層としてのガラス層、Ｐ１…第１端側接点、Ｐ２…第２端側接点。
Claims (4)
- 主面を有する基板と、第１端側接点と第２端側接点とをそれぞれ有すると共に互いに直列接続された複数の熱電対とを備え、前記各熱電対における前記第１端側接点が前記基板の前記主面にそれぞれ固定された熱電変換デバイスにおいて、
前記基板の前記主面に対して対向配置された天板を備え、
前記各熱電対における前記第２端側接点はバンプを介して前記天板に対してそれぞれ接着され、
前記各熱電対における前記第２端側接点を前記基板に対して離間するように配置したことを特徴とする熱電変換デバイス。 - 前記基板と前記天板との間に介在すると共に前記基板及び前記天板のうち少なくとも何れか一方に対して固定されたスペーサにより、前記第２端側接点を前記基板に対して離間するように配置したことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換デバイス。
- 基板上に犠牲層を形成し、この犠牲層上に第１端側接点と第２端側接点を有する熱電対を形成し、
前記第２端側接点に対してバンプを設け、前記バンプに対して天板を同天板に形成されたパッドを介して熱圧着し、
前記犠牲層における前記熱電対の前記第１端側接点に対応する部位以外の部位を除去した後、前記基板と前記第２端側接点とを前記基板の主面に対して直交する方向において離間すべく、前記基板と前記天板とを互いに離間させることを特徴とする熱電変換デバイスの製造方法。 - 前記基板と前記天板との間にスペーサを介在させることにより、前記基板と前記第２端側接点とを前記基板の主面に対して直交する方向において互いに離間させることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換デバイスの製造方法。
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