JP6405604B2 - Thermoelectric element and manufacturing method thereof - Google Patents
Thermoelectric element and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP6405604B2 JP6405604B2 JP2013142257A JP2013142257A JP6405604B2 JP 6405604 B2 JP6405604 B2 JP 6405604B2 JP 2013142257 A JP2013142257 A JP 2013142257A JP 2013142257 A JP2013142257 A JP 2013142257A JP 6405604 B2 JP6405604 B2 JP 6405604B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermoelectric
- members
- reinforcing
- substrate
- reinforcing material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 18
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 claims description 41
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 39
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 30
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 24
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 claims description 7
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 7
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 36
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 5
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 4
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 4
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 3
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 3
- PDYNJNLVKADULO-UHFFFAOYSA-N tellanylidenebismuth Chemical compound [Bi]=[Te] PDYNJNLVKADULO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018989 CoSb Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002665 PbTe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N tellanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Te] OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000036760 body temperature Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
本発明は、熱電素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric element and a manufacturing method thereof.
熱電素子には、ゼーベック効果を利用した熱電変換素子や、ペルチェ効果を利用したペルチェ素子などがある。 Thermoelectric elements include thermoelectric conversion elements that use the Seebeck effect and Peltier elements that use the Peltier effect.
熱電変換素子は、例えば2枚の伝熱板の間にn型熱電部材とp型熱電部材とを挟んだ構造を有する。伝熱板側に設けられた電極によりn型熱電部材とp型熱電部材とは電気的に直列接続されており、一方の伝熱板と他方の伝熱板との間に温度差を与えると、温度差に応じた電力を発生する。 The thermoelectric conversion element has a structure in which, for example, an n-type thermoelectric member and a p-type thermoelectric member are sandwiched between two heat transfer plates. The n-type thermoelectric member and the p-type thermoelectric member are electrically connected in series by the electrode provided on the heat transfer plate side, and when a temperature difference is given between one heat transfer plate and the other heat transfer plate Generates electric power according to the temperature difference.
また、ペルチェ素子も、例えば2枚の伝熱板の間にn型熱電部材とp型熱電部材とを挟んだ構造を有する。伝熱板側に設けられた電極によりn型熱電部材とp型熱電部材とは電気的に直列接続されており、直列接続されたn型熱電部材及びp型熱電部材に電圧を印加すると、2枚の伝熱板間に温度差が生じる。 The Peltier element also has a structure in which, for example, an n-type thermoelectric member and a p-type thermoelectric member are sandwiched between two heat transfer plates. The n-type thermoelectric member and the p-type thermoelectric member are electrically connected in series by the electrode provided on the heat transfer plate side, and when a voltage is applied to the n-type thermoelectric member and the p-type thermoelectric member connected in series, 2 A temperature difference occurs between the heat transfer plates.
一般的な熱電素子(マクロ熱電素子)は、熱電材料を機械加工して製造された熱電部材を使用している。しかし、熱電材料は脆いため、機械加工時に破損しやすく、より一層の小型化が困難である。 A general thermoelectric element (macro thermoelectric element) uses a thermoelectric member manufactured by machining a thermoelectric material. However, since the thermoelectric material is brittle, it is easily damaged during machining, and it is difficult to further reduce the size.
そこで、近年、サブミクロンオーダーの加工が可能なMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて、小型の熱電素子を製造することが提案されている。このような小型の熱電素子を、マイクロ熱電素子と呼ぶ。 Therefore, in recent years, it has been proposed to manufacture a small thermoelectric element using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology capable of processing on the order of submicrons. Such a small thermoelectric element is called a micro thermoelectric element.
マイクロ熱電素子は、携帯型マイクロエネルギー源としての応用、センサ等への応用、及び局所冷却デバイスとしての応用などが検討されている。特に、温度差により電力を発生するマイクロ熱電素子は、センサネット用の複合デバイスに組み込んで、電子機器等の廃熱や、生体の体温を用いた発電が可能なメンテナンスフリー電源としての使用が期待されている。 The micro thermoelectric element has been studied for application as a portable micro energy source, application to a sensor, etc., application as a local cooling device, and the like. In particular, micro thermoelectric elements that generate electric power due to temperature differences are expected to be used as maintenance-free power sources that can be incorporated into sensor net composite devices to generate power using waste heat from electronic devices and the body temperature of living bodies. Has been.
一方の側から他方の側に熱が伝わりにくく、且つ応力や衝撃力が加えられても破損しにくい熱電素子及びその製造方法を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a thermoelectric element that is difficult to transmit heat from one side to the other side and that is not easily damaged even when stress or impact force is applied, and a method for manufacturing the thermoelectric element.
開示技術の一観点によれば、平面視で規則的に配列された複数の柱状の熱電部材と、前記熱電部材の長さ方向の端部に接続され、前記複数の熱電部材を電気的に直列接続する電極と、複数の隣り合う前記熱電部材間において、前記熱電部材の長さ方向の一部かつ周方向の一部に接触し、それぞれの前記隣り合う熱電部材間を連絡する、平面視で短冊状の補強材とを有し、前記それぞれの隣り合う熱電部材間を連絡する補強材は、配列された前記熱電部材を介して格子状に配置されたことを特徴とする熱電素子が提供される。 According to one aspect of the disclosed technology, a plurality of columnar thermoelectric members regularly arranged in a plan view are connected to end portions in the length direction of the thermoelectric members, and the plurality of thermoelectric members are electrically connected in series. Between the electrodes to be connected and a plurality of adjacent thermoelectric members, a part in the length direction and a part in the circumferential direction of the thermoelectric member are in contact with each other and in a plan view. possess a strip-shaped reinforcing member, the reinforcing member to contact between thermoelectric element adjacent the respective thermoelectric elements are provided, characterized in that arranged in a grid via the heat conductive member arranged The
開示の技術の他の一観点によれば、基板に複数の貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔内に熱電材料を充填して熱電部材を形成する工程と、前記基板をその厚さ方向の途中までエッチングする工程と、前記基板の前記エッチングを施した面に絶縁材料を塗布して補強材を形成する工程と、前記基板を除去する工程と、前記熱電部材の端部に電極を接続する工程とを有する熱電素子の製造方法が提供される。 According to another aspect of the disclosed technology, a step of forming a plurality of through holes in the substrate, a step of forming a thermoelectric member by filling the through holes with a thermoelectric material, and the substrate in the thickness direction Etching partway, applying an insulating material to the etched surface of the substrate to form a reinforcing material, removing the substrate, and connecting an electrode to the end of the thermoelectric member There is provided a method of manufacturing a thermoelectric device having the step of:
上記一観点に係る熱電素子及び熱電素子の製造方法によれば、熱電部材間が、その熱電部材の長さ方向の一部に接触する補強材により連絡しているので、応力又は衝撃力が補強材を介して分散される。これにより、一方の側から他方の側に熱が伝わりにくく、且つ応力や衝撃力が加えられても破損しにくい熱電素子が得られる。 According to the thermoelectric element and the method of manufacturing a thermoelectric element according to the above aspect, since the thermoelectric members are connected by the reinforcing material that contacts a part of the length of the thermoelectric member, stress or impact force is reinforced. Dispersed through the material. Thereby, it is possible to obtain a thermoelectric element in which heat is hardly transmitted from one side to the other side and is not easily damaged even when stress or impact force is applied.
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。 Hereinafter, before describing the embodiment, a preliminary matter for facilitating understanding of the embodiment will be described.
図1は、マイクロ熱電素子の一例を示す図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a micro thermoelectric element.
この図1に例示したマイクロ熱電素子10は、2枚の伝熱板11a,11bと、それらの伝熱板11a,11b間に配置された複数のn型熱電部材12及びp型熱電部材13とを有する。
The micro
n型熱電部材12及びp型熱電部材13は所定のピッチで交互に並んで配列している。また、それらのn型熱電部材12及びp型熱電部材13は、伝熱板11a,11b側に設けられた電極14により電気的に直列接続されている。そして、直列接続されたn型熱電部材12及びp型熱電部材13の端部には、引出電極15a,15bが接続されている。
The n-type
このような構造の熱電素子10において、例えば一方の伝熱板(11a又は11b)と他方の伝熱板(11b又は11a)との間に温度差を与えると、ゼーベック効果により電力が発生し、引出電極15a,15bから電力を取り出すことができる。
In the heat Denmoto
ところで、マイクロ熱電素子10は、熱電部材12,13の長さが極めて短いため、熱電部材12,13を介して一方の伝熱板から他方の伝熱板に熱が移動しやすい。一方の伝熱板から他方の伝熱板に熱が移動すると、伝熱板11a,11b間の温度差が小さくなり、マイクロ熱電素子10の発電効率が低下してしまう。
By the way, in the micro
熱電部材12,13を介した熱の移動を抑制してマイクロ熱電素子10の発電効率を高くするためには、熱電部材12,13の直径(熱電部材が角材の場合は幅:以下、同じ)を小さくすることが考えられる。しかし、熱電部材12,13の直径を小さくすると強度が低下し、応力や衝撃力が加えられると容易に破損してしまう。
In order to suppress the movement of heat through the
例えば、孔が設けられた補強部材を使用し、補強部材の孔内に熱電部材12,13を配置して、熱電部材12,13の破損を防止することも考えられる。しかし、その場合は、補強部材を介して熱が移動するため、マイクロ熱電素子10の発電効率が低下する。
For example, it is conceivable to use a reinforcing member provided with a hole and dispose the
以下の実施形態では、一方の側から他方の側に熱が伝わりにくく、且つ応力や衝撃力が加えられても破損しにくい熱電素子及びその製造方法について説明する。 In the following embodiments, a thermoelectric element that is difficult to transfer heat from one side to the other side and that is not easily damaged even when stress or impact force is applied, and a method for manufacturing the thermoelectric element will be described.
(実施形態)
図2,図3は、実施形態に係る熱電素子の製造方法を工程順に表わした断面図である。
(Embodiment)
2 and 3 are cross-sectional views showing the method of manufacturing a thermoelectric element according to the embodiment in the order of steps.
まず、図2(a)示すように、基板21を用意し、基板21に所定のピッチで複数の貫通孔22を形成する。
First, as shown in FIG. 2A, a
本実施形態では、基板21として、厚さが50μm〜500μmのシリコンウェハを使用する。そして、基板21の上にフォトレジスト膜(図示せず)を形成した後、所定のパターンが設けられた露光マスクを使用してフォトレジスト膜を露光する。その後、現像処理を実施して、貫通孔を形成する部分の基板21を露出させる。
In the present embodiment, a silicon wafer having a thickness of 50 μm to 500 μm is used as the
次に、フォトレジスト膜をエッチングマスクとし、例えばSF6ガスを用いた反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)を実施して、基板21に貫通孔22を形成する。貫通孔22を形成した後、基板21上のフォトレジスト膜をアセトン等の溶剤により除去する。
Next, using the photoresist film as an etching mask, for example, reactive ion etching (RIE) using SF 6 gas is performed to form through
貫通孔22の直径は例えば5μm〜100μmとし、隣接する貫通孔22間の間隔は例えば100μmとする。また、貫通孔22のアスペクト比は、例えば2〜40程度とする。
The diameter of the
次に、図2(b)のように、基板21上にステンシルマスク23を配置して、エアロゾルデポジッション法により所定の貫通孔22内のみにn型熱電材料を充填し、n型熱電部材24を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, a
n型熱電材料として、例えばBi2Te3や、NaxCoO及びAZO(Aluminum-doped Zinc Oxide)等の酸化物熱電材料を使用することができる。その他、CoSb、SiGe及びPbTe等の化合物半導体、又はBi、Pt、Au、Cu及びNi等の単体金属を使用してもよい。本実施形態では、n型熱電材料として、粒径が200nmのテルル化ビスマス(Bi2Te3)を用いるものとする。 As the n-type thermoelectric material, for example, Bi 2 Te 3 , oxide thermoelectric materials such as NaxCoO and AZO (Aluminum-doped Zinc Oxide) can be used. In addition, a compound semiconductor such as CoSb, SiGe, and PbTe, or a single metal such as Bi, Pt, Au, Cu, and Ni may be used. In this embodiment, bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) having a particle size of 200 nm is used as the n-type thermoelectric material.
次に、図2(c)のように、基板21上にステンシルマスク(図示せず)を配置し、エアロゾルデポジッション法により残りの貫通孔22内にp型熱電材料を充填して、p型熱電部材25を形成する。
Next, as shown in FIG. 2C, a stencil mask (not shown) is disposed on the
p型熱電材料として、例えばBi0.3Sb1.7Te3や、Ca3Co4O9等の酸化物熱電材料を使用することができる。その他、CoSb、SiGe及びPbTe等の化合物半導体、又はBi、Pt、Au、Cu及びNi等の単体金属を使用してもよい。 As the p-type thermoelectric material, for example, an oxide thermoelectric material such as Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 or Ca 3 Co 4 O 9 can be used. In addition, a compound semiconductor such as CoSb, SiGe, and PbTe, or a single metal such as Bi, Pt, Au, Cu, and Ni may be used.
本実施形態では、p型熱電材料として、粒径が200nmのBi0.3Sb1.7Te3を用いるものとする。また、本実施形態では、図2(c)のように、n型熱電部材24とp型熱電部材25とが交互に並ぶように、貫通孔22内にn型熱電材料及びp型熱電材料を充填する。
In this embodiment, Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 having a particle size of 200 nm is used as the p-type thermoelectric material. Further, in this embodiment, as shown in FIG. 2C, the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material are placed in the through
なお、本実施形態ではエアロゾルデポジッション法を用いて貫通孔22内に熱電材料を充填しているが、ホットプレス法又はその他の方法により貫通孔22内に熱電材料を充填してもよい。但し、貫通孔22の直径が小さく且つアスペクト比が大きい場合は、貫通孔22内に熱電材料を確実に充填するために、エアロゾルデポジッション法を用いることが好ましい。
In the present embodiment, the thermoelectric material is filled in the through
エアロゾルデポジッション法で貫通孔22内に熱電材料を充填して熱電部材24,25を形成した場合は、熱処理(アニール)又は加圧処理(プレス処理)等の後処理を行うことで、熱電部材24,25の熱電特性を改善できる。例えば貫通孔22内に熱電材料を充填して熱電部材24,25を形成した後、真空中又は不活性ガス中で400℃の温度で1時間程度の熱処理を行うことが好ましい。
When the
このようにしてn型熱電部材24及びp型熱電部材25を形成した後、基板21の表面を研磨して、表面に付着した残渣を除去するとともに基板21自体の凹凸を低減する。
After forming the n-type
次に、図2(d)に示すように、基板21を、その厚さの半分程度までエッチングする。本実施形態では基板21としてシリコンウェハを使用しているので、例えばエッチングガスとしてSF6を使用した反応性イオンエッチングにより基板21をエッチングする。エッチング速度が10μm/分程度であるとすると、約25分間エッチングを行うことで、基板21を250μm程度エッチングすることができる。
Next, as shown in FIG. 2D, the
次に、図3(a)に示すように、熱電部材24,25間の基板21上に、熱電部材24,25間を連絡する補強材26を形成する。補強材26は、絶縁性であり、機械的強度及び耐衝撃性が高く、且つ熱伝導率が低いことが重要である。
Next, as shown in FIG. 3A, a reinforcing
本実施形態では、二液性エポキシ樹脂を有機溶剤で希釈したものをインクとして使用し、インクジェットプリンターで熱電部材24,25間の基板21上に樹脂を付着させる。その後、基板21を例えば150℃の温度で1分間熱処理して樹脂を硬化させ、補強材26とする。補強材26の厚さは、例えば20μm程度とする。
In this embodiment, a two-component epoxy resin diluted with an organic solvent is used as ink, and the resin is deposited on the
補強材26の材料として、エポキシ樹脂以外にも種々の樹脂やゴムを使用することができる。また、インクジェット印刷以外の方法で補強材26を形成してもよい。
As the material of the reinforcing
次に、図3(b)のように、基板21から突出した熱電部材24,25の端部に電極29を取り付け、更にその上に伝熱板28aを取り付ける。伝熱板28aは、熱伝送効率が高く、少なくとも熱電部材24,25側の表面が絶縁性であることが重要である。伝熱板28aとして、例えばAlN又はSiを使用することができる。本実施形態では、伝熱板28aとして、表面が絶縁膜で覆われたシリコン板を使用する。
Next, as shown in FIG. 3B, the
電極29は熱電部材24,25とオーミック接続するものであればよく、例えばCr/Cu、Ti/Au、又はTi/Cu等の2層構造とする。
The
次に、図3(c)に示すように、例えばSF6を使用した反応性イオンエッチングにより、基板21を完全に除去する。
Next, as shown in FIG. 3C, the
次いで、図3(d)に示すように、熱電部材24,25の他方の端部、電極29及び引出電極29a,29bを取り付け、更にその上(図3(d)では下側)に伝熱板28bを取り付ける。本実施形態では、伝熱板28bも、伝熱板28aと同様に、表面が絶縁膜で覆われたシリコン板を使用する。
Next, as shown in FIG. 3 (d), the other ends of the
このようにして、本実施形態に係るマイクロ熱電素子20が完成する。本実施形態に係るマイクロ熱電素子20の伝熱板28a,28b間に温度差を与えると、ゼーベック効果により電力が発生し、引出電極29a,29bから電力を取り出すことができる。
In this way, the micro
図4は、上述した方法により製造された本実施形態に係るマイクロ熱電素子20のn型熱電部材24、p型熱電部材25、補強材26及び電極29の配置を示す模式平面図である。この図4に示すように、伝熱板28a,28b間には多数の熱電部材24,25が配置されており、隣接する熱電部材24,25間は補強材26により連絡されている。また、電極29は2つの熱電部材、すなわち隣り合うn型熱電部材24とp型熱電部材25との間を電気的に接続している。
FIG. 4 is a schematic plan view showing the arrangement of the n-type
本実施形態によれば、基板21の貫通孔22内に熱電材料を充填してn型熱電部材24及びp型熱電部材25を形成するので、機械加工で形成する場合と異なり、製造工程中に熱電部材を破損するおそれが少ない。
According to the present embodiment, the n-type
また、本実施形態によれば、各熱電部材24,25の間に補強材26を配置しているので、応力や衝撃力が加えられても、応力や衝撃力が補強材26を介して分散される。これにより、熱電部材24,25の破損が抑制される。
In addition, according to the present embodiment, since the reinforcing
更に、本実施形態の熱電素子20では、補強材26は熱電部材24,25の長さ方向の一部としか接触していないので、一方の伝熱板から他方の伝熱板への補強材26を介した熱の移動が抑制される。これにより、良好な発電効率を確保できる。
Further, in the
(変形例)
上述の実施形態では、伝熱板28a,28b間にn型熱電部材24及びp型熱電部材25が配置されている場合について説明したが、熱電素子を絶縁性の部材に取り付ける場合は、図5に例示するように伝熱板がなくてもよい。
(Modification)
In the above-described embodiment, the case where the n-type
また、上述の実施形態では、補強材26が各熱電部材24,25の長さ方向のほぼ中央に接合されている場合について説明したが、補強材26と熱電部材24,25との接触位置は中央でなくてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the case where the reinforcing
更に、上述の実施形態では、全ての補強材26が同一平面上に配置されている場合について説明したが、全ての補強材26が同一平面上に配置されていなくてもよい。
Furthermore, although the above-mentioned embodiment demonstrated the case where all the reinforcing
図6に例示する熱電素子20aは、補強材26aを熱電部材24,25の長さ方向に直交する第1の平面上に配置し、補強材26bを熱電部材24,25の長さ方向に直交する第2の平面上に配置している。このような熱電部材20aは、例えば基板21をその厚さの1/3までエッチングした後に上段の補強材26aを形成し、その後基板21を2/3までエッチングして下段の補強材26bを形成することにより形成できる。
図6では2つの平面上に補強材26a,26bを配置しているが、3以上の平面上に補強材を配置するようにしてもよい。また、図9(c)に示すように、隣接する熱電部材31間に配置された補強材32の数が、熱電部材31の配列方向に沿って、例えば1,2,1,2,…というように一定の周期で変化していてもよい。
In FIG. 6, the reinforcing
更に、全ての補強材26を同じ材質とする必要はなく、例えばヤング率が異なる複数の補強板を適宜配置するようにしてもよい。
Furthermore, it is not necessary for all the reinforcing
図7は、一列毎にヤング率が異なる補強材26c,26dを交互に配置した例を示している。ここでは、補強材26cは二液性エポキシ樹脂により形成し、補強材26dはフォトレジストとして使用されるSU−8により形成している。
FIG. 7 shows an example in which reinforcing
更に、補強材26は、図8に例示するように、熱電部材24,25との接続部よりも中央部が細い形状とすることが好ましい。これにより、熱電部材24,25間の熱の移動を抑制することができる。
Further, as illustrated in FIG. 8, the reinforcing
(効果)
図9(a)〜(d)に示す構造の熱電素子について、最大ミーゼス応力をシミュレーション計算し、実施形態の効果について調べた。
(effect)
With respect to the thermoelectric elements having the structures shown in FIGS. 9A to 9D, the maximum Mises stress was calculated by simulation to investigate the effect of the embodiment.
図9(a)は、熱電部材31間に補強材がない構造の比較例の熱電素子である。また、図9(b)は、熱電部材31の長さ方向の中央部にエポキシ樹脂製の補強材32を配置した構造の実施例1の熱電素子である。
FIG. 9A shows a thermoelectric element of a comparative example having a structure in which no reinforcing material is provided between the
更に、図9(c)は、熱電部材31の一方の側に補強材32を1個配置し、他方の側に補強材32を2個配置した構造の実施例2の熱電素子である。補強材32はいずれもエポキシ樹脂である。
Further, FIG. 9C shows a thermoelectric element of Example 2 having a structure in which one reinforcing
更にまた、図9(d)は、熱電部材31の一方の側にエポキシ樹脂製の補強材32aを1個配置し、他方の側にSU−8製の補強材32bを2個配置した構造の実施例3の熱電素子である。
FIG. 9D shows a structure in which one reinforcing
この図9(a)〜(d)に示す構造の比較例、実施例1、実施例2及び実施例3の各熱電素子について、熱電部材31の内部に生じる最大ミーゼス応力をシミュレーション計算した。
The maximum Mises stress generated inside the
なお、シミュレーション計算時には、図10に示すSU−8、エポキシ樹脂、及び熱電部材の材料であるBiTeのヤング率及びポアソン比を使用した。また、熱電部材31の幅は10μm、長さは100μm、アスペクト比は10とした。更に、シミュレーション計算には、境界条件として下部電極を固定した条件で電極材料側面に100kPaの応力を加えた場合に熱電部材31の内部に生じる最大ミーゼス応力を比較した。その結果を、図11にまとめて示す。
In the simulation calculation, the Young's modulus and Poisson's ratio of SU-8, epoxy resin, and BiTe, which are thermoelectric member materials, shown in FIG. 10 were used. The
図11からわかるように、補強材がない比較例の熱電素子では、最大ミーゼス応力が約5800kPaと大きい。それに対し、実施例1〜3の熱電素子は、いずれも比較例に比べて最大ミーゼス応力が1000kPa以上低減される。このことから、実施例1〜3の熱電素子は、比較例に比べて耐衝撃性が高いことが確認された。 As can be seen from FIG. 11, the maximum Mises stress is as large as about 5800 kPa in the thermoelectric element of the comparative example without the reinforcing material. On the other hand, as for the thermoelectric elements of Examples 1-3, the maximum Mises stress is reduced by 1000 kPa or more as compared with the comparative example. From this, it was confirmed that the thermoelectric elements of Examples 1 to 3 have higher impact resistance than the comparative example.
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。 The following additional notes are disclosed with respect to the above embodiments.
(付記1)複数の柱状の熱電部材と、
前記熱電部材の長さ方向の端部に接続され、前記複数の熱電部材を電気的に直列接続する電極と、
前記熱電部材の長さ方向の一部に接触し、隣り合う前記熱電部材間を連絡する補強材と
を有することを特徴とする熱電素子。
(Appendix 1) A plurality of columnar thermoelectric members;
An electrode connected to an end of the thermoelectric member in a length direction, and electrically connecting the plurality of thermoelectric members in series;
A thermoelectric element comprising: a reinforcing material that contacts a part of a length direction of the thermoelectric member and communicates between the adjacent thermoelectric members.
(付記2)前記熱電部材は、n型熱電材料からなるn型熱電部材と、p型熱電材料からなるp型熱電部材とを有し、前記電極は前記n型熱電部材とp型熱電部材とを交互に接続することを特徴とする付記2に記載の熱電素子。 (Supplementary Note 2) The thermoelectric member includes an n-type thermoelectric member made of an n-type thermoelectric material and a p-type thermoelectric member made of a p-type thermoelectric material, and the electrode includes the n-type thermoelectric member and the p-type thermoelectric member. The thermoelectric elements according to supplementary note 2, characterized by being connected alternately.
(付記3)前記熱電部材は、一対の伝熱板間に配列していることを特徴とする付記1又は2に記載の熱電素子。 (Appendix 3) The thermoelectric element according to appendix 1 or 2, wherein the thermoelectric members are arranged between a pair of heat transfer plates.
(付記4)前記補強材の一部は、前記熱電部材の長さ方向に直交する第1の平面上に配置され、少なくとも他の一部は前記熱電部材の長さ方向に直交する第2の平面上に配置されていることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の熱電素子。 (Supplementary Note 4) A part of the reinforcing member is disposed on a first plane orthogonal to the length direction of the thermoelectric member, and at least another part is a second orthogonal to the length direction of the thermoelectric member. The thermoelectric element according to any one of appendices 1 to 4, wherein the thermoelectric element is disposed on a plane.
(付記5)隣接する熱電部材間に配置された前記補強材の数が、前記熱電部材の配列方向に沿って一定の周期で変化していることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の熱電素子。 (Additional remark 5) Any one of Additional remarks 1 thru | or 4 characterized by the number of the said reinforcing material arrange | positioned between adjacent thermoelectric members changing with the fixed period along the sequence direction of the said thermoelectric members. heat Denmoto child according to item.
(付記6)前記熱電部材間に配置された前記補強材の一部は、他の補強材とヤング率が異なることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の熱電素子。 (Supplementary Note 6) a part of the thermoelectric said reinforcing member disposed between members, heat Denmoto child according to any one of Appendices 1 to 5, characterized in that another reinforcing member and the Young's modulus is different .
(付記7)前記補強材は、前記熱電部材との接続部よりも中央部が細い形状であることを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の熱電素子。 (Supplementary Note 7) The reinforcing material is thermally Denmoto child according to any one of Appendices 1 to 6, characterized in that said a slender shape central portion than the connection portion of the thermoelectric element.
(付記8)基板に複数の貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔内に熱電材料を充填して熱電部材を形成する工程と、
前記基板をその厚さ方向の途中までエッチングする工程と、
前記基板の前記エッチングを施した面に絶縁材料を塗布して補強材を形成する工程と、
前記基板を除去する工程と、
前記熱電部材の端部に電極を接続する工程と
を有することを特徴とする熱電素子の製造方法。
(Appendix 8) A step of forming a plurality of through holes in the substrate;
Filling the through hole with a thermoelectric material to form a thermoelectric member;
Etching the substrate halfway along its thickness direction;
Applying an insulating material to the etched surface of the substrate to form a reinforcing material;
Removing the substrate;
And a step of connecting an electrode to an end of the thermoelectric member.
(付記9)前記貫通孔は、直径が5μm乃至100μmであり、アスペクト比が2乃至40であることを特徴とする付記8に記載の熱電素子の製造方法。
(Supplementary note 9) The method of manufacturing a thermoelectric element according to
(付記10)熱電材料は、エアロゾルデポジッション法により前記貫通孔内に充填することを特徴とする付記8又は9に記載の熱電素子の製造方法。
(Supplementary note 10) The thermoelectric element manufacturing method according to
(付記11)前記貫通孔内に前記熱電材料を充填した後、熱処理又は加圧処理を実施することを特徴とする付記10に記載の熱電素子の製造方法。
(Additional remark 11) After filling the said thermoelectric material in the said through-hole, heat processing or a pressurization process is implemented, The manufacturing method of the thermoelectric element of
(付記12)前記補強材を形成する工程では、インクジェットプリンターを使用して前記絶縁材料を前記基板に塗布することを特徴とする付記8乃至11のいずれか1項に記載の熱電素子の製造方法。
(Supplementary note 12) The method for manufacturing a thermoelectric element according to any one of
(付記13)前記基板として、シリコンウェハを使用することを特徴とする付記8乃至12のいずれか1項に記載の熱電素子の製造方法。
(Additional remark 13) The manufacturing method of the thermoelectric element of any one of
10…マイクロ熱電素子、11a.11b…伝熱板、12…n型熱電部材、13…p型熱電部材、14…電極、15a,15b…引出電極、20…マイクロ熱電素子、21…基板、22…貫通孔、23…ステンシルマスク、24…n型熱電部材、25…p型熱電部材、26,26a,26b,26c,26d,32,32a,32b…補強材、28a,28b…伝熱板、29…電極、29a,29b…引出電極。
10 ... micro thermoelectric element, 11a. DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記熱電部材の長さ方向の端部に接続され、前記複数の熱電部材を電気的に直列接続する電極と、
複数の隣り合う前記熱電部材間において、前記熱電部材の長さ方向の一部かつ周方向の一部に接触し、それぞれの前記隣り合う熱電部材間を連絡する、平面視で短冊状の補強材と
を有し、
前記それぞれの隣り合う熱電部材間を連絡する補強材は、配列された前記熱電部材を介して格子状に配置されたことを特徴とする熱電素子。 A plurality of columnar thermoelectric members regularly arranged in a plan view;
An electrode connected to an end of the thermoelectric member in a length direction, and electrically connecting the plurality of thermoelectric members in series;
A strip-shaped reinforcing material in plan view that contacts a part of the thermoelectric member in the length direction and a part of the circumferential direction between the plurality of adjacent thermoelectric members and communicates between the adjacent thermoelectric members. And
The reinforcing element that communicates between the adjacent thermoelectric members is arranged in a lattice shape via the arranged thermoelectric members.
前記貫通孔内に熱電材料を充填して熱電部材を形成する工程と、
前記基板をその厚さ方向の途中までエッチングする工程と、
前記基板の前記エッチングを施した面に絶縁材料を塗布して補強材を形成する工程と、
前記基板を除去する工程と、
前記熱電部材の端部に電極を接続する工程と
を有することを特徴とする熱電素子の製造方法。 Forming a plurality of through holes in the substrate;
Filling the through hole with a thermoelectric material to form a thermoelectric member;
Etching the substrate halfway along its thickness direction;
Applying an insulating material to the etched surface of the substrate to form a reinforcing material;
Removing the substrate;
And a step of connecting an electrode to an end of the thermoelectric member.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013142257A JP6405604B2 (en) | 2013-07-08 | 2013-07-08 | Thermoelectric element and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013142257A JP6405604B2 (en) | 2013-07-08 | 2013-07-08 | Thermoelectric element and manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015015407A JP2015015407A (en) | 2015-01-22 |
JP6405604B2 true JP6405604B2 (en) | 2018-10-17 |
Family
ID=52436924
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013142257A Expired - Fee Related JP6405604B2 (en) | 2013-07-08 | 2013-07-08 | Thermoelectric element and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6405604B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109545951B (en) * | 2018-11-16 | 2023-02-03 | 清华大学深圳研究生院 | Organic thermoelectric device template, preparation method thereof and thermoelectric device |
WO2020166647A1 (en) * | 2019-02-15 | 2020-08-20 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Thermoelectric conversion substrate and thermoelectric conversion module |
KR20210081617A (en) * | 2019-12-24 | 2021-07-02 | 엘지이노텍 주식회사 | Thermo electric element |
KR102549551B1 (en) * | 2021-04-06 | 2023-06-29 | (주)포인트엔지니어링 | The electro-conductive contact pin and inspection apparatus having the same electro-conductive pin and manufacturing method thereof |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3151759B2 (en) * | 1994-12-22 | 2001-04-03 | モリックス株式会社 | Thermoelectric semiconductor needle crystal and method of manufacturing thermoelectric semiconductor element |
JP2896497B2 (en) * | 1996-07-31 | 1999-05-31 | 工業技術院長 | Flexible thermoelectric module |
JPH11121816A (en) * | 1997-10-21 | 1999-04-30 | Morikkusu Kk | Thermoelectric module unit |
JP4065049B2 (en) * | 1998-03-19 | 2008-03-19 | オリンパス株式会社 | Method for manufacturing piezoelectric ceramic structure and method for manufacturing composite piezoelectric vibrator |
JP3724262B2 (en) * | 1999-06-25 | 2005-12-07 | 松下電工株式会社 | Thermoelectric module |
JP2001210880A (en) * | 2000-01-26 | 2001-08-03 | Matsushita Electric Works Ltd | Peltier module |
JP2005217169A (en) * | 2004-01-29 | 2005-08-11 | Tohoku Okano Electronics:Kk | Thermoelectric conversion module |
JP4412209B2 (en) * | 2004-05-21 | 2010-02-10 | パナソニック電工株式会社 | Method for manufacturing thermoelectric conversion element module |
JP2010165842A (en) * | 2009-01-15 | 2010-07-29 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Thermoelectric conversion module |
JP2011035117A (en) * | 2009-07-31 | 2011-02-17 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Thermoelectric conversion material |
DE102009043413B3 (en) * | 2009-09-29 | 2011-06-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Thermo-electric energy converter with three-dimensional microstructure, method for producing the energy converter and use of the energy converter |
JP2012019205A (en) * | 2010-06-10 | 2012-01-26 | Fujitsu Ltd | Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
JP2012119451A (en) * | 2010-11-30 | 2012-06-21 | Daikin Ind Ltd | Thermoelectric conversion module |
-
2013
- 2013-07-08 JP JP2013142257A patent/JP6405604B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2015015407A (en) | 2015-01-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5831554B2 (en) | Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof | |
JP6232703B2 (en) | Thermoelectric conversion element | |
JP6405604B2 (en) | Thermoelectric element and manufacturing method thereof | |
JP5987444B2 (en) | Thermoelectric conversion device and manufacturing method thereof | |
JP5598152B2 (en) | Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof | |
US20120227780A1 (en) | Thermoelectric conversion module and method of manufacturing same | |
JP2008205181A (en) | Thermoelectric module | |
KR101680766B1 (en) | Thermoelectric device and Array of Thermoelectric device | |
JP2013074291A (en) | Thermoelectric module and method for manufacturing the same | |
KR101621750B1 (en) | Manufacturing Method of Thermoelectric Film | |
JP2008277584A (en) | Thermoelectric substrate member, thermoelectric module, and manufacturing method of them | |
JP2016187008A (en) | Thermoelectric conversion device | |
JP2012019205A (en) | Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof | |
DE102017125647A1 (en) | Thermoelectric devices and methods of forming thermoelectric devices | |
US20140103481A1 (en) | Semiconductor substrate, semiconductor device, solid-state imaging device, and method of manufacturing semiconductor sustrate | |
KR20110117872A (en) | Structure of micro thermoelectric device and method of manufacturing the same | |
JP2005259944A (en) | Thin film thermo-electronic semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2011166079A (en) | Method of manufacturing thermoelectric conversion element | |
JP2012212838A (en) | Thermoelectric thin film device | |
JP6021383B2 (en) | Substrate and semiconductor device | |
JP5533026B2 (en) | Thermoelectric conversion device and manufacturing method thereof | |
DE10333084A1 (en) | Thermal generator used e.g. as a current source comprises thermal segments displaced relative to each other so that one end of the thermal element chain protrudes over one edge of a neighboring thermal segment | |
KR100975628B1 (en) | Method for manufacturing a thin film flexible thermoelectric module using peeling process | |
JP4124150B2 (en) | Thermoelectric module manufacturing method | |
JP4438622B2 (en) | Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160405 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20170120 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170214 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170404 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170919 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20171116 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20180215 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20180220 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180417 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180501 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180821 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180903 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6405604 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |