JP7197856B2

JP7197856B2 - 熱電素子の製造方法

Info

Publication number: JP7197856B2
Application number: JP2018172469A
Authority: JP
Inventors: 博史後藤; 稔坂田; 龍太郎前田; 健魯
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; GCE Institute Co Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; GCE Institute Co Ltd
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2022-12-28
Anticipated expiration: 2038-09-14
Also published as: JP2020047631A

Description

この発明は、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に関する。

近年、熱エネルギーを利用して電気エネルギーを生成する熱電素子の開発が盛んに行われている。特許文献１には、仕事関数差を有する電極間に発生する、絶対温度による電子放出現象を利用した熱電素子が開示されている。このような熱電素子は、電極間の温度差（ゼーベック効果）を利用した熱電素子に比較して、電極間の温度差が小さい場合であっても発電可能である。このため、より様々な用途への利用が期待されている。

特許文献１には、エミッタ電極層と、コレクタ電極層と、エミッタ電極層及びコレクタ電極層の表面に分散して配置され、エミッタ電極層とコレクタ電極層とをサブミクロン間隔で離間する電気絶縁性の球状ナノビーズとを備え、エミッタ電極層の仕事関数はコレクタ電極層の仕事関数よりも小さく、球状ナノビーズの粒子径は１００ｎｍ以下である熱電素子が開示されている。

特許第６１４７９０１号公報

ここで、異なる仕事関数を有する一対の電極部を用いた熱電素子において、電気エネルギーの発生量には、各電極部の間隔（電極間ギャップ）が影響する。特に、電極間ギャップのバラつきが悪化するにつれて、電気エネルギーの発生量が不安定となる傾向にある。

この点、特許文献１の開示技術では、球状ナノビーズを用いて各電極層を離間させている。このため、球状ビーズ径のバラつきに起因する電極間ギャップのバラつきの悪化を考慮しておらず、電気エネルギーの発生量が不安定となる恐れがある。上述した事情により、電気エネルギーの発生量の安定化が望まれている。

そこで本発明は、上述した問題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、電気エネルギーの発生量の安定化を実現できる熱電素子の製造方法を提供することにある。

第１発明に係る熱電素子の製造方法は、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、金属を含む第１支持部を形成し、第２基板の第２主面上に、金属を含む第２支持部を形成する支持部形成工程と、前記第１主面上に前記第１支持部と離間する第１電極部を形成し、前記第２主面上に前記第２支持部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部を形成する電極部形成工程と、前記第１電極部上に、ナノ粒子を含む中間部を形成する中間部形成工程と、前記第１電極部と、前記第２電極部とを第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、を備えることを特徴とする。

第２発明に係る熱電素子の製造方法は、第１発明において、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、をさらに備え、前記中間部形成工程は、前記接合工程の後、前記第１貫通孔を介して前記中間部を形成することを特徴とする。

第３発明に係る熱電素子の製造方法は、第２発明において、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。

第１発明～第３発明によれば、接合工程は、金属を含む第１支持部と、金属を含む第２支持部とを接合する。このため、球状ナノビーズ等を用いた支持部に比べて、第１方向に沿った支持部の厚さバラつきを抑制することができる。これにより、電極間ギャップを高精度に形成することができ、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが可能となる。

また、第１発明～第３発明によれば、電極部形成工程は、第１支持部と離間する第１電極部を形成し、第２支持部と離間する第２電極部を形成する。このため、各支持部を接合するとき、各電極部の対向する面積の減少を防ぐことができる。これにより、各支持部の形状に関わらず、電気エネルギーの発生量の向上を図ることが可能となる。

特に、第２発明によれば、接続配線形成工程は、第１貫通孔を介して、第１電極部及び第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。このため、第１接続配線は、熱電素子の内部側で第１電極部と接続させることができる。これにより、第１電極部と接続される第１接続配線の劣化を抑制することが可能となる。

特に、第２発明によれば、貫通孔形成工程は、第１基板を第１方向に貫通する第１貫通孔を形成する。このため、第１貫通孔を介して中間部の充填が容易に実施できる。これにより、製造工程の簡易化を図ることが可能となる。また、熱電素子の使用に伴い中間部を交換する必要が発生した場合、容易に中間部の交換を実施することが可能となる。

特に、第３発明によれば、接続配線形成工程は、第２貫通孔を介して、第２電極部及び第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。このため、第２接続配線は、熱電素子の内部側で第２電極部と接続させることができる。これにより、各電極部と接続される各接続配線の劣化を抑制することが可能となる。また、第２接続配線は、第１接続配線と同様の構造で形成することができるため、製造工程の簡略化が可能となる。

図１（ａ）は、第１実施形態に係る発電装置及び熱電素子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。図２（ａ）は中間部の一例を示す模式断面図であり、図２（ｂ）は中間部の他の例を示す模式断面図である。図３は、第１実施形態に係る熱電素子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４（ｃ）は、第１実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。図６（ａ）は、第２実施形態に係る発電装置及び熱電素子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。図７（ａ）は、第３実施形態に係る発電装置及び熱電素子の一例を示す模式断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）における７Ｂ－７Ｂ線に沿った模式平面図である。図８は、第３実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。図９（ａ）～図９（ｄ）は、第３実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。図１０（ａ）～図１０（ｃ）は、第３実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。図１１（ａ）は、第４実施形態に係る発電装置及び熱電素子の一例を示す模式断面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）における１１Ｂ－１１Ｂ線に沿った模式平面図であり、図１１（ｃ）は、第４実施形態に係る熱電素子の変形例を示す模式平面図である。図１２（ａ）は、第５実施形態に係る発電装置及び熱電素子の一例を示す模式断面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）における１２Ｂ－１２Ｂ線に沿った模式平面図である。図１３（ａ）～図１３（ｄ）は、熱電素子を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図であり、図１３（ｅ）～図１３（ｈ）は、熱電素子を含む発電装置を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図である。

以下、本発明の実施形態における熱電素子、発電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法それぞれの一例について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、各電極部が積層される高さ方向を第１方向Ｚとし、第１方向Ｚと交差、例えば直交する１つの平面方向を第２方向Ｘとし、第１方向Ｚ及び第２方向Ｘのそれぞれと交差、例えば直交する別の平面方向を第３方向Ｙとする。

（第１実施形態）
＜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。

図１に示すように、発電装置１００は、熱電素子１と、第１配線１０１と、第２配線１０２とを含む。熱電素子１は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。このような熱電素子１を備えた発電装置１００は、例えば、図示せぬ熱源に搭載又は設置され、熱源の熱エネルギーを元として、熱電素子１が発生させた電気エネルギーを、第１配線１０１及び第２配線１０２を介して負荷Ｒへ出力する。負荷Ｒの一端は第１配線１０１と電気的に接続され、他端は第２配線１０２と電気的に接続される。負荷Ｒは、例えば電気的な機器を示している。負荷Ｒは、発電装置１００を主電源又は補助電源に用いて駆動される。

熱電素子１の熱源としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子デバイス又は電子部品、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子、自動車等のエンジン、及び工場の生産設備、人体、太陽光、及び環境温度等を利用することができる。例えば、電子デバイス、電子部品、発光素子、エンジン、及び生産設備等は人工熱源である。人体、太陽光、及び環境温度等は自然熱源である。熱電素子１を備えた発電装置１００は、例えばＩｏＴ（Internet of Things）デバイス及びウェアラブル機器等のモバイル機器や自立型センサ端末の内部に設けることができ、電池の代替又は補助として用いることができる。さらに、発電装置１００は、太陽光発電等のような、より大型の発電装置への応用も可能である。

＜熱電素子１＞
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。

熱電素子１は、基板１１と、第１電極部１２ａと、第２電極部１２ｂと、支持部１３と、中間部１４とを備える。

基板１１は、第１基板１１ａと、第２基板１１ｂとを有する。第１基板１１ａは、第１方向Ｚと交わる第１主面１１ａｆを有する。第２基板１１ｂは、第１主面１１ａｆと第１方向Ｚに離間して設けられる。第２基板１１ｂは、第１主面１１ａｆと対向し、第１方向Ｚと交わる第２主面１１ｂｆを有する。

第１電極部１２ａは、第１主面１１ａｆ上に接して設けられる。第１電極部１２ａは、第２基板１１ｂと離間する。第２電極部１２ｂは、第２主面１１ｂｆ上に接して設けられる。第２電極部１２ｂは、第１基板１１ａ及び第１電極部１２ａと離間して対向する。第２電極部１２ｂは、第１電極部１２ａとは異なる仕事関数を有する。

支持部１３は、第１基板１１ａと、第２基板１１ｂとの間に設けられる。支持部１３は、第１主面１１ａｆ及び第２主面１１ｂｆと連接する。支持部１３は、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂと離間する。支持部１３は、金属を含む。

中間部１４は、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に設けられる。中間部１４は、ナノ粒子を含み、例えばナノ粒子が分散された溶媒を含んでもよい。

熱電素子１は、ギャップ部１４ａを含む。ギャップ部１４ａは、例えば外界から隔離された空間を含む。ギャップ部１４ａは、例えば第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂ、及び支持部１３のそれぞれによって区画されている。中間部１４は、ギャップ部１４ａ内に設けられる。中間部１４は、ギャップ部１４ａ内において、例えば第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂ、及び支持部１３のそれぞれと接する。なお、熱電素子１の内部側とは、ギャップ部１４ａを含む部分を示し、熱電素子１の外部側とは、ギャップ部１４ａから離間した部分を示す。

以下、第１実施形態に係る熱電素子１及び発電装置１００の構成を、さらに詳細に説明する。

＜＜第１基板１１ａ、第２基板１１ｂ＞＞
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基板１１ａ及び第２基板１１ｂは、薄板状であるほか、例えばフレキシブルなフィルム状でもよい。例えば、第１基板１１ａ又は第２基板１１ｂを、フレキシブルなフィルム状とする場合には、例えばＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＣ（polycarbonate）、及びポリイミド等を用いることができる。

第１基板１１ａと第２基板１１ｂとの間（熱電素子１の内部側）には、第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂ、支持部１３、及び中間部１４が挟まれる。このため、第１基板１１ａ及び第２基板１１ｂを備えることで、第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂ、支持部１３、及び中間部１４のそれぞれの、外力や環境変化に伴った劣化や変形を抑制することもできる。したがって、熱電素子１の耐久性を高めることが可能である。

＜＜第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂ＞＞
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、四角形に形成される。第１電極部１２ａは、例えば図示しない第１基板１１ａに挿通された配線、及び第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１２ｂは、例えば図示しない第２基板１１ｂに挿通された配線、及び第２端子１１２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。また、図示しない配線の配置箇所等は、任意である。

第１電極部１２ａは、例えば白金（仕事関数：約５．６５ｅＶ）を含み、第２電極部１２ｂは、例えばタングステン（仕事関数：約４．５５ｅＶ）を含む。仕事関数が大きい電極部はアノード（コレクタ電極）として機能し、仕事関数が小さい電極部はカソード（エミッタ電極）として機能する。本実施形態に係る熱電素子１では、第１電極部１２ａがアノードであり、第２電極部１２ｂがカソードとして説明する。なお、第１電極部１２ａをカソードとし、第２電極部１２ｂをアノードとしてもよい。

熱電素子１では、仕事関数差を有する第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に発生する、絶対温度による電子放出現象が利用できる。このため、熱電素子１は、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの温度差が小さい場合であっても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換できる。さらに、熱電素子１は、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に温度差がない場合、又は単一の熱源を用いる場合であっても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂそれぞれの第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば１ｎｍ以上１ｍｍ以下でもよく、好ましくは１ｎｍ以上１μｍ以下、より好ましくは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間の第１方向Ｚに沿った距離（電極間ギャップ）は、例えば、１０μｍ以下の有限値である。より好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂそれぞれの第１方向Ｚに沿った厚さ、並びに電極間ギャップのそれぞれを、上記範囲内に設定することにより、例えば、熱電素子１の第１方向Ｚに沿った厚さを薄くできる。これは、例えば、複数の熱電素子１を、第１方向Ｚに沿ってスタックさせる場合に有効である。また、各電極部１２ａ、１２ｂの平面バラつきを抑えることができ、電気エネルギーの発生量の安定性を向上させることができる。上記に加え、電極間ギャップを、上記範囲内に設定することにより、電子を効率良く放出させることが可能になるとともに、電子を第２電極部１２ｂ（カソード）から第１電極部１２ａ（アノード）へ、効率よく移動させることも可能となる。

第１電極部１２ａの材料、及び第２電極部１２ｂの材料は、例えば、以下に示す金属から選ぶことができる。

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。

第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂの材料として、非金属導電物を選ぶことも可能である。非金属導電物の例としては、シリコン（Ｓｉ：例えばｐ型Ｓｉ、あるいはｎ型Ｓｉ）、及びグラフェン等のカーボン系材料等を挙げることができる。

第１電極部１２ａ又は第２電極部１２ｂの材料として、高融点金属（refractory metal）以外の材料を選ぶと、以下に説明される利点を、さらに得ることができる。本明細書において、高融点金属は、例えば、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅとする。第１電極部１２ａ（アノード）に、例えばＰｔを用いた場合、第２電極部１２ｂ（カソード）には、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、及びＬａＢ₆の少なくとも１つを用いることが好ましい。

Ａｌ及びＴｉの融点は、上記高融点金属の融点より低い。したがって、Ａｌ及びＴｉからは、上記高融点金属に比較して、加工しやすい、という利点を得ることができる。

Ｓｉは、上記高融点金属に比較して、その形成が、さらに容易である。したがって、Ｓｉからは、上記加工のしやすさに加え、熱電素子１の生産性がより向上する、という利点を、さらに得ることができる。

ＬａＢ₆の融点は、Ｎｂの融点より高い。しかし、ＬａＢ₆の融点は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅの融点より低い。ＬａＢ₆は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅに比較して加工しやすい。しかも、ＬａＢ₆の仕事関数は、約２．５～２．７ｅＶである。ＬａＢ₆は、上記高融点金属に比較して電子を放出させやすい。したがって、ＬａＢ₆からは、熱電素子１の発電効率の更なる向上が可能、という利点を、さらに得ることができる。

なお、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂのそれぞれの構造は、上記材料を含む単層構造の他、上記材料を含む積層構造とされてもよい。

＜＜支持部１３＞＞
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、第１方向Ｚに沿って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１支持部１３ａと、第１電極部１２ａとの間の距離は、例えば電極間ギャップよりも大きい。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。第２支持部１３ｂと、第２電極部１２ｂとの間の距離は、例えば電極間ギャップよりも大きい。

第１支持部１３ａは、第２支持部１３ｂと等しい形状を有するほか、例えば第２支持部１３ｂとは異なる形状を有してもよい。ここで、「異なる形状」とは、第１方向Ｚにおける厚さ、第２方向Ｘにおける幅、及び第３方向Ｙにおける長さの少なくとも何れかが異なることを示す。第１支持部１３ａは、第２方向Ｘと交わる側面、又は第３方向Ｙと交わる端面において、第２支持部１３ｂの側面又は端面と同一平面上に設けられるほか、例えば同一平面上に設けられなくてもよい。

第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂの材料として、金属が用いられ、例えば金、ニッケル、タングステン、タンタル、モリブデン、鉛、白金、銀、又はスズが用いられるほか、金及びクロムの積層体、又は金及びニッケルの積層体が用いられる。各支持部１３ａ、１３ｂが金属を含むことで、各支持部１３ａ、１３ｂを形成する際の厚さを容易に制御できるほか、例えば各基板１１ａ、１１ｂからの押圧による変形が抑制され、各支持部１３ａ、１３ｂにおける厚さの変動を防ぐことができる。特に、各支持部１３ａ、１３ｂの表面に金を用いる場合、各支持部１３ａ、１３ｂの表面に露出した金同士を、例えば熱圧着接合法を用いて容易に接合することができる。これにより、電極間ギャップを高精度に形成することができる。

＜＜中間部１４＞＞
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。

ナノ粒子１４１は、例えば導電物を含む。ナノ粒子１４１の仕事関数の値は、例えば、第１電極部１２ａの仕事関数の値と、第２電極部１２ｂの仕事関数の値との間にある。例えば、複数のナノ粒子１４１は、３．０ｅＶ以上５．５ｅＶ以下の範囲内の仕事関数を含む。これにより、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に放出された電子ｅを、ナノ粒子１４１を介して、例えば、第２電極部１２ｂ（カソード）から第１電極部１２ａ（アノード）へと移動させることができる。これにより、中間部１４内にナノ粒子１４１がない場合に比較して、電気エネルギーの発生量を増加させることが可能となる。

ナノ粒子１４１の材料の例としては、金及び銀の少なくとも１つを選ぶことができる。なお、中間部１４は、第１電極部１２ａの仕事関数と、第２電極部１２ｂの仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子１４１を少なくとも一部含んでいればよい。したがって、ナノ粒子１４１の材料には、金及び銀以外の導電性材料を選ぶことも可能である。

ナノ粒子１４１の粒子径は、例えば、電極間ギャップの１／１０以下の有限値とされる。具体的には、ナノ粒子１４１の粒子径は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また、ナノ粒子１４１は、例えば、平均粒径（例えばＤ５０）３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径を有してもよい。平均粒径は、例えば粒度分布計測器を用いることで、測定することができる。粒度分布計測器としては、例えば、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布計測器（例えばMicrotracBEL製Nanotrac WaveII-EX150等）を用いればよい。ナノ粒子１４１の粒子径を、例えば、電極間ギャップの１／１０以下とすると、ギャップ部１４ａ内にナノ粒子１４１を含む中間部１４を形成し易くなる。これにより、熱電素子１の製造工程において、作業性を向上させることもできる。

ナノ粒子１４１は、その表面に、例えば絶縁膜１４１ａを有する。絶縁膜１４１ａの材料の例としては、絶縁性金属化合物及び絶縁性有機化合物の少なくとも１つを選ぶことができる。絶縁性金属化合物の例としては、例えば、シリコン酸化物及びアルミナ等を挙げることができる。絶縁性有機化合物の例としては、アルカンチオール（例えばドデカンチオール）等を挙げることができる。絶縁膜１４１ａの厚さは、例えば２０ｎｍ以下の有限値である。このような絶縁膜１４１ａをナノ粒子１４１の表面に設けておくと、電子ｅは、例えば、第２電極部１２ｂ（カソード）とナノ粒子１４１との間、及びナノ粒子１４１と第１電極部１２ａ（アノード）との間を、トンネル効果を利用して移動できる。このため、例えば、熱電素子１の発電効率の向上が期待できる。

溶媒１４２には、例えば、沸点が６０℃以上の液体を用いることができる。このため、室温（例えば１５℃～３５℃）以上の環境下において、熱電素子１を用いた場合であっても、溶媒１４２の気化を抑制することができる。これにより、溶媒１４２の気化に伴う熱電素子１の劣化を抑制することができる。液体の例としては、有機溶媒及び水の少なくとも１つを選ぶことができる。有機溶媒の例としては、メタノール、エタノール、トルエン、キシレン、テトラデカン、及びアルカンチオール等を挙げることができる。溶媒１４２は、電気的抵抗値が高く、絶縁性である液体がよい。

図２（ｂ）は、中間部１４の他の例を示す模式断面図である。図２（ｂ）に示すように、中間部１４は、溶媒１４２を含まず、ナノ粒子１４１のみを含むようにしてもよい。

中間部１４が、ナノ粒子１４１のみを含むことで、例えば、熱電素子１を、高温の環境下に用いる場合であっても、溶媒１４２の気化を考慮する必要が無い。これにより、高温の環境下における熱電素子１の劣化を抑制することが可能となる。

＜＜第１配線１０１及び第２配線１０２＞＞
第１配線１０１は、端子１１１及び図示しない第１基板１１ａに挿通された配線を介して、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及び図示しない第２基板１１ｂに挿通された配線を介して、第２電極部１２ｂと電気的に接続される。

第１配線１０１及び第２配線１０２のそれぞれには、導電性を有する材料が用いられる。第１配線１０１及び第２配線１０２のそれぞれの材料の例としては、ニッケル、銅、銀、金、タングステン、及びチタンを挙げることができる。第１配線１０１及び第２配線１０２のそれぞれの構造は、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、任意に設計することができる。

＜熱電素子１の動作＞
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。

放出される電子ｅの量は、熱エネルギーに依存するほか、第１電極部１２ａ（アノード）の仕事関数と、第２電極部１２ｂ（カソード）の仕事関数との差に依存する。また、放出される電子ｅの量は、第２電極部１２ｂの仕事関数が小さい材料ほど、増加する傾向がある。

移動する電子ｅの量は、例えば、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの仕事関数差を大きくすること、又は電極間ギャップを小さくすることで増やすことができる。例えば、熱電素子１が発生させる電気エネルギーの量は、上記仕事関数差を大きくすること、及び上記電極間ギャップを小さくすること、の少なくとも何れか１つを考慮することで増加させることができる。

＜第１実施形態：熱電素子１の製造方法＞
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（ｂ）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図である。

＜＜支持部形成工程Ｓ１１０＞＞
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、例えば図４（ｃ）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る。

支持部形成工程Ｓ１１０では、例えばスパッタリング法又は蒸着法等を用いた真空環境下で各支持部１３ａ、１３ｂを形成するほか、例えばスクリーン印刷法、インクジェット法、スプレイ印刷法等を用いた常圧環境下で各支持部１３ａ、１３ｂを形成してもよい。各支持部１３ａ、１３ｂとして、金属が用いられ、例えば金が用いられる。例えば各支持部１３ａ、１３ｂとして、例えば金及びクロムの積層体、又は金及びニッケルの積層体が用いられる場合、各主面１１ａｆ、１１ｂｆ上にクロム又はニッケルが形成され、その上に金が形成される。これにより、各支持部１３ａ、１３ｂの上面に金が露出する。

＜＜電極部形成工程Ｓ１２０＞＞
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、例えば図４（ｃ）に示すように、第１方向Ｚから見て、各支持部１３ａ、１３ｂに囲まれて四角形状に形成される。各電極部１２ａ、１２ｂは、各支持部１３ａ、１３ｂと離間して形成される。各電極部１２ａ、１２ｂは、各支持部１３ａ、１３ｂよりも薄く形成される。

電極部形成工程Ｓ１２０では、例えばスパッタリング法又は蒸着法を用いて、各電極部１２ａ、１２ｂを形成するほか、例えばスクリーン印刷法、インクジェット法、及びスプレイ印刷法等を用いて形成してもよい。例えば、第１電極部１２ａとして白金が用いられ、第２電極部１２ｂとしてアルミニウムが用いられるほか、それぞれ上述した材料が用いられてもよい。

＜＜中間部形成工程Ｓ１３０＞＞
次に、中間部１４を形成する（中間部形成工程Ｓ１３０）。中間部形成工程Ｓ１３０では、例えば図５（ａ）に示すように、第１電極部１２ａ上、及び第１支持部１３ａに囲まれた部分に、中間部１４が形成される。なお、中間部形成工程Ｓ１３０では、例えば第２電極部１２ｂ上、及び第２支持部１３ｂに囲まれた部分に、中間部１４が形成されてもよい。

中間部形成工程Ｓ１３０では、例えばインクジェット法を用いて、中間部１４を第１電極部１２ａ上等に形成する。このとき、例えば中間部１４は、第１支持部１３ａの厚さよりも厚く形成されてもよい。これにより、後述する接合工程Ｓ１４０において、中間部１４が第２支持部１３ｂに囲まれた部分にも形成され、各電極部１２ａ、１２ｂの間、及び各支持部１３ａ、１３ｂに囲まれたギャップ部１４ａに、中間部１４を充填することができる。なお、中間部１４として、例えば予めナノ粒子１４１を分散させた溶媒１４２が用いられる。

＜＜接合工程Ｓ１４０＞＞
次に、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Ｓ１４０）。接合工程Ｓ１４０では、例えば図５（ｂ）に示すように、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、各電極部１２ａ、１２ｂ、各支持部１３ａ、１３ｂ、及び中間部１４は、各基板１１ａ、１１ｂに挟まれ、ギャップ部１４ａが形成される。

接合工程Ｓ１４０では、例えば熱圧着接合法により各支持部１３ａ、１３ｂの上面同士を当接させて加熱することで、各支持部１３ａ、１３ｂを接合する。この場合、各電極部１２ａ、１２ｂにおける電極間ギャップは、各支持部１３ａ、１３ｂの厚さ、及び各電極部１２ａ、１２ｂの厚さに依存する。

上述した工程を経て、本実施形態における熱電素子１が形成される。なお、形成された熱電素子１に、図１（ａ）に示す第１端子１１１、第２端子１１２、第１配線１０１、及び第２配線１０２等を接続することで、本実施形態における発電装置１００を形成することができる。なお、例えば支持部形成工程Ｓ１１０を実施する前に、電極部形成工程Ｓ１２０を実施してもよい。

本実施形態によれば、支持部１３は、金属を含む。このため、球状ナノビーズ等を用いた支持部に比べて、第１方向Ｚに沿った支持部１３の厚さバラつきを抑制することができる。これにより、電極間ギャップを高精度に形成することができ、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが可能となる。

また、本実施形態によれば、支持部１３は、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂと離間して設けられる。このため、支持部１３の形成に伴う各電極部１２ａ、１２ｂの対向する面積の減少を防ぐことができる。これにより、支持部１３の形状に関わらず、電気エネルギーの発生量の向上を図ることが可能となる。

また、本実施形態によれば、ナノ粒子１４１の直径は、電極間ギャップの１／１０以下である。このため、第１電極部１２ａと、第２電極部１２ｂとの間に、ナノ粒子１４１を含む中間部１４を容易に形成することができる。これにより、熱電素子１を製造するとき、作業性の向上を図ることが可能となる。

また、本実施形態によれば、ナノ粒子１４１は、表面に設けられた絶縁膜１４１ａを有する。このため、第１電極部１２ａから生成した電子ｅは、例えばトンネル効果等によりナノ粒子１４１間を容易に移動することができる。これにより、電気エネルギーの発生量を増加させることが可能となる。

また、本実施形態によれば、中間部１４は、６０℃以上の沸点を有する溶媒１４２を含む。このため、室温以上の環境下に熱電素子１が用いられた場合においても、溶媒１４２の気化を抑制することができる。これにより、溶媒１４２の気化に伴う熱電素子１の劣化を抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、中間部１４は、ナノ粒子１４１のみが充填された状態を示す。このため、高温の環境下に熱電素子１が用いられた場合においても、溶媒１４２等の気化を考慮する必要が無い。これにより、高温の環境下における熱電素子１の劣化を抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、接合工程Ｓ１４０は、金属を含む第１支持部１３ａと、金属を含む第２支持部１３ｂとを接合する。このため、球状ナノビーズ等を用いた支持部に比べて、第１方向Ｚに沿った支持部１３の厚さバラつきを抑制することができる。これにより、電極間ギャップを高精度に形成することができ、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが可能となる。

また、本実施形態によれば、電極部形成工程Ｓ１２０は、第１支持部１３ａと離間する第１電極部１２ａを形成し、第２支持部１３ｂと離間する第２電極部１２ｂを形成する。このため、各支持部１３ａ、１３ｂを接合するとき、各電極部１２ａ、１２ｂの対向する面積の減少を防ぐことができる。これにより、各支持部１３ａ、１３ｂの形状に関わらず、電気エネルギーの発生量の向上を図ることが可能となる。

（第２実施形態）
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。

上述した実施形態と、第２実施形態との違いは、貫通孔１５と、封止部１８とを有する点である。上述した構成と同様の構成については、説明を省略する。

＜＜貫通孔１５＞＞
貫通孔１５は、例えば図６（ａ）に示すように、基板１１を第１方向Ｚに貫通する。貫通孔１５は、例えば第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂの少なくとも何れかを、第１方向Ｚに貫通してもよい。

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。

貫通孔１５は、例えば図６（ｂ）に示すように、第１方向Ｚから見て、円状に形成されるほか、例えば楕円状又は溝状に形成されてもよい。貫通孔１５は、熱電素子１の外部側から内部側に向かって狭まるテーパ状に形成されるほか、例えば逆テーパ状、ボーイング状、又はストレート状に形成されてもよい。

＜＜封止部１８＞＞
封止部１８は、貫通孔１５の外部側を覆い、貫通された基板１１上に設けられる。封止部１８は、例えば少なくとも一部を貫通孔１５内に設けられてもよい。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し、貫通孔１５の数に応じて設けられる。

封止部１８の材料として、例えば絶縁性樹脂が用いられ、絶縁性樹脂の例としては、フッ素系絶縁性樹脂を挙げることができる。

貫通孔１５及び封止部１８を有することで、例えば上述した熱電素子１の製造方法において、接合工程Ｓ１４０の後に中間部形成工程Ｓ１３０を行うことができる。すなわち、接合工程Ｓ１４０の後、少なくとも１つの貫通孔１５から中間部１４を充填し、他の貫通孔１５から吸引（真空引き）を行う。その後、封止部１８を形成して、貫通孔１５を塞ぐ。これにより、ギャップ部１４ａに対して中間部１４を容易に形成することができ、例えば製造工程の簡略化が可能となる。

本実施形態によれば、上述した実施形態と同様に、支持部１３は、金属を含む。このため、球状ナノビーズ等を用いた支持部に比べて、第１方向Ｚに沿った支持部１３の厚さバラつきを抑制することができる。これにより、電極間ギャップを高精度に形成することができ、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが可能となる。

また、本実施形態によれば、上述した実施形態と同様に、支持部１３は、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂと離間して設けられる。このため、支持部１３の形成に伴う各電極部１２ａ、１２ｂの対向する面積の減少を防ぐことができる。これにより、支持部１３の形状に関わらず、電気エネルギーの発生量の向上を図ることが可能となる。

また、本実施形態によれば、貫通孔１５は、基板１１を第１方向Ｚに貫通する。このため、貫通孔１５を介して中間部１４の充填が容易に実施できる。これにより、製造工程の簡易化を図ることが可能となる。また、熱電素子１の使用に伴い中間部１４を交換する必要が発生した場合、容易に中間部１４の交換を実施することが可能となる。

（第３実施形態）
次に、第３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７は、第３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７（ａ）は、第３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７（ｂ）は、図７（ａ）における７Ｂ－７Ｂ線に沿った模式平面図である。

上述した第２実施形態と、第３実施形態との違いは、配線層１６と、接続配線１７とを有する点である。なお、上述した実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

＜＜配線層１６＞＞
配線層１６は、例えば図７に示すように、熱電素子１の外部側（表面）に設けられる。配線層１６は、基板１１における各電極部１２ａ、１２ｂが設けられる主面に対向する主面上に設けられる。

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。

配線層１６の第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば１００ｎｍ以上１０μｍ以下である。配線層１６の材料として、導電性材料が用いられ、例えば金が用いられるほか、金及びクロムの積層体、又は金及びニッケルの積層体が用いられる。

＜＜接続配線１７＞＞
接続配線１７は、貫通孔１５を介して、各電極部１２ａ、１２ｂ及び配線層１６と電気的に接続される。接続配線１７は、例えば貫通孔１５の側面に設けられ、中間部１４と接する。

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。

接続配線１７は、例えば貫通孔１５の側面に、１００ｎｍ以上１０μｍ以下の厚さで形成される。接続配線１７の材料として、導電性材料が用いられ、例えば金が用いられる。

例えば第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。例えば第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３実施形態：熱電素子１の製造方法＞
次に、熱電素子１の製造方法の一例を、説明する。図８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９（ａ）～図１０（ｃ）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。

図８に示すように、上述した実施形態と同様に、支持部形成工程Ｓ１１０、及び電極部形成工程Ｓ１２０を実施する（例えば図９（ａ））。

＜＜配線層形成工程Ｓ１５０＞＞
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Ｓ１５０）。配線層形成工程Ｓ１５０では、例えば図９（ｂ）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。

配線層形成工程Ｓ１５０では、例えばスパッタリング法又は蒸着法を用いて、各配線層１６ａ、１６ｂを形成するほか、例えばスクリーン印刷法、インクジェット法、及びスプレイ印刷法等を用いて形成してもよい。

＜＜保護膜形成工程Ｓ１６０＞＞
次に、例えば図９（ｃ）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Ｓ１６０）。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。

保護膜形成工程Ｓ１６０では、例えばフォトリソグラフィー法を用いて、保護膜９をパターン状に形成する。保護膜９として、例えば公知のフォトレジストが用いられる。

＜＜貫通孔形成工程Ｓ１７０＞＞
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Ｓ１７０）。貫通孔形成工程Ｓ１７０では、例えば図９（ｄ）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Ｓ１７０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。

貫通孔形成工程Ｓ１７０では、例えばサンドブラスト法を用いて各貫通孔１５ａ、１５ｂを形成するほか、例えば異方性エッチング法等を用いて形成してもよい。なお、各貫通孔１５ａ、１５ｂの形成される位置及び数は、任意である。

＜＜接続配線形成工程Ｓ１８０＞＞
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Ｓ１８０）。接続配線形成工程Ｓ１８０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Ｓ１８０では、例えば図１０（ａ）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。

接続配線形成工程Ｓ１８０では、例えばスパッタリング法を用いて各接続配線１７ａ、１７ｂを形成する。各接続配線１７ａ、１７ｂとして、例えば金が用いられる。

なお、保護膜形成工程Ｓ１６０により保護膜９を形成した場合、例えば図１０（ｂ）に示すように、接続配線形成工程Ｓ１８０のあとに保護膜９を除去する。また、単一の基板１１を用いて複数の各電極部１２ａ、１２ｂ等を形成した場合、接続配線形成工程Ｓ１８０のあとに適宜分割する。

次に、上述した実施形態と同様に、接合工程Ｓ１４０及び中間部形成工程Ｓ１３０を実施する（例えば図１０（ｃ））。なお、本実施形態によれば、接合工程Ｓ１４０の後に中間部形成工程Ｓ１３０を行うことができる。中間部形成工程Ｓ１３０では、例えば第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Ｓ１３０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。

その後、例えば図７（ａ）に示した封止部１８等を形成し、本実施形態に係る熱電素子１が形成される。なお、形成された熱電素子１に各端子１１１、１１２、各配線１０１、１０２等を接続することで、本実施形態に係る発電装置１００を形成することができる。なお、中間部形成工程Ｓ１３０を実施する前に、一部の貫通孔１５を覆う封止部１８を形成してもよい。

また、本実施形態によれば、上述した実施形態と同様に、貫通孔１５は、基板１１を第１方向Ｚに貫通する。このため、貫通孔１５を介して中間部１４の充填が容易に実施できる。これにより、製造工程の簡易化を図ることが可能となる。また、熱電素子１の使用に伴い中間部１４を交換する必要が発生した場合、容易に中間部１４の交換を実施することが可能となる。

また、本実施形態によれば、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は、熱電素子１の内部側で第１電極部１２ａと接続させることができる。これにより、第１電極部１２ａと接続される第１接続配線１７ａの劣化を抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、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は、熱電素子１の内部側で第２電極部１２ｂと接続させることができる。これにより、各電極部１２ａ、１２ｂと接続される各接続配線１７ａ、１７ｂの劣化を抑制することが可能となる。また、第２接続配線１７ｂは、第１接続配線１７ａと同様の構造で形成することができるため、製造工程の簡略化が可能となる。

また、本実施形態によれば、上述した実施形態と同様に、接合工程Ｓ１４０は、金属を含む第１支持部１３ａと、金属を含む第２支持部１３ｂとを接合する。このため、球状ナノビーズ等を用いた支持部に比べて、第１方向Ｚに沿った支持部１３の厚さバラつきを抑制することができる。これにより、電極間ギャップを高精度に形成することができ、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが可能となる。

また、本実施形態によれば、上述した実施形態と同様に、電極部形成工程Ｓ１２０は、第１支持部１３ａと離間する第１電極部１２ａを形成し、第２支持部１３ｂと離間する第２電極部１２ｂを形成する。このため、各支持部１３ａ、１３ｂを接合するとき、各電極部１２ａ、１２ｂの対向する面積の減少を防ぐことができる。これにより、各支持部１３ａ、１３ｂの形状に関わらず、電気エネルギーの発生量の向上を図ることが可能となる。

また、本実施形態によれば、接続配線形成工程Ｓ１８０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第１接続配線１７ａを形成する。このため、第１接続配線１７ａは、熱電素子１の内部側で第１電極部１２ａと接続させることができる。これにより、第１電極部１２ａと接続される第１接続配線１７ａの劣化を抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、貫通孔形成工程Ｓ１７０は、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。このため、第１貫通孔１５ａを介して中間部１４の充填が容易に実施できる。これにより、製造工程の簡易化を図ることが可能となる。また、熱電素子１の使用に伴い中間部１４を交換する必要が発生した場合、容易に中間部１４の交換を実施することが可能となる。

また、本実施形態によれば、接続配線形成工程Ｓ１８０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第２接続配線１７ｂを形成する。このため、第２接続配線１７ｂは、熱電素子１の内部側で第２電極部１２ｂと接続させることができる。これにより、各電極部１２ａ、１２ｂと接続される各接続配線１７ａ、１７ｂの劣化を抑制することが可能となる。また、第２接続配線１７ｂは、第１接続配線１７ａと同様の構造で形成することができるため、製造工程の簡略化が可能となる。

また、本実施形態によれば、保護膜形成工程Ｓ１６０は、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂを覆う保護膜９を形成する。このため、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、電気エネルギーの発生量のバラつきを抑制することが可能となる。

（第４実施形態）
次に、第４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１１は、第４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１１（ａ）は、第４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１１（ｂ）は、図１１（ａ）における１１Ｂ－１１Ｂ線に沿った模式平面図であり、図１１（ｃ）は、第４実施形態に係る熱電素子１の変形例を示す模式平面図である。

上述した第１実施形態と、第４実施形態との違いは、支持部１３が第１支持群１３ｆと、第２支持群１３ｓとを有する点である。なお、上述した実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

支持部１３は、例えば図１１に示すように、第１支持群１３ｆと、第２支持群１３ｓとを有する。第１方向Ｚから見て、第１支持群１３ｆ及び第２支持群１３ｓは、各電極部１２ａ、１２ｂを挟んで離間して設けられる。

第１支持群１３ｆは、第１支持部１３ａと、第２支持部１３ｂとを有する。第２支持群１３ｓは、第３支持部１３ｃと、第４支持部１３ｄとを有する。第３支持部１３ｃは、第１主面１１ａｆと接し、第２主面１１ｂｆと離間する。第４支持部１３ｄは、第２主面１１ｂｆと接し、第１主面１１ａｆと離間する。

第１支持群１３ｆ及び第２支持群１３ｓは、例えば図１１（ｂ）に示すように、第３方向Ｙに延在する。このとき、中間部１４は、第１支持群１３ｆ、第２支持群１３ｓ、及び各支持群１３ｆ、１３ｓの間に連接された一対の封止部２１によって囲まれる。この場合、例えば上述した接合工程Ｓ１４０のあとに中間部形成工程Ｓ１３０を実施することができる。すなわち、接合工程Ｓ１４０のあと、各支持群１３ｆ、１３ｓに囲まれていない空間を介して中間部１４を形成し、封止部２１を形成することで、熱電素子１を形成することができる。

上述した各支持群１３ｆ、１３ｓを設けることで、支持部１３に用いる材料を削減することができる。これにより、材料コストの削減を実現することが可能となる。また、接合工程Ｓ１４０の実施に伴う溶媒１４２の蒸発等を確実に防ぐことが可能となる。

上記のほか、例えば図１１（ｃ）に示すように、各支持群１３ｆ、１３ｓは、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙに延在してもよい。すなわち、各支持群１３ｆ、１３ｓは、第１方向Ｚから見てＬ字状に設けられる。

各支持群１３ｆ、１３ｓをＬ字状に設けることで、第２方向Ｘにおける電極間ギャップのバラつきを抑制することができる。また、各支持群１３ｆ、１３ｓが離間するため、上述した接合工程Ｓ１４０のあとに中間部形成工程Ｓ１３０を実施することができる。

（第５実施形態）
次に、第５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１２は、第５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１２（ａ）は、第５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１２（ｂ）は、図１２（ａ）における１２Ｂ－１２Ｂ線に沿った模式平面図である。

上述した第４実施形態と、第５実施形態との違いは、引出配線１９を有する点である。なお、上述した実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

＜＜引出配線１９＞＞
引出配線１９は、例えば図１２に示すように、第１電極部１２ａ及び支持部１３と接する。このとき、熱電素子１の外部側で支持部１３と接する第１端子１１１等を設けることで、第１電極部１２ａと、第１配線１０１等との電気的接続を容易に実現することが可能となる。

引出配線１９の材料として、支持部１３と同じ金属が用いられ、例えば金が用いられる。このため、上述した接合工程Ｓ１４０において、例えば熱圧着接合法を用いて、引出配線１９と、支持部１３とを当接させて加熱することで、容易に接合させることができる。

引出配線１９は、例えば第１引出配線１９ａ、及び第２引出配線１９ｂの少なくとも何れかを有する。第１引出配線１９ａは、第１電極部１２ａ及び第１配線１０１と電気的に接続される。第２引出配線１９ｂは、第２電極部１２ｂ及び第２配線１０２と電気的に接続される。

第１引出配線１９ａは、例えば第１主面１１ａｆ上に設けられ、第１電極部１２ａ及び第１支持群１３ｆと接する。第１引出配線１９ａは、例えば第１支持群１３ｆと一体に設けられてもよい。このとき、熱電素子１の外部側で第１支持群１３ｆと接する第１端子１１１等を設けることで、第１電極部１２ａと、第１配線１０１等との電気的接続を容易に実現することが可能となる。

例えば図１２（ｂ）に示すように、第１引出配線１９ａは、熱電素子１の内部側（ギャップ部１４ａ）から外部側まで延在してもよい。このとき、外部側の第１引出配線１９ａと接する第１端子１１１等を設けることで、第１電極部１２ａと、第１配線１０１等との電気的接続を容易に実現することが可能となる。なお、例えば第１基板１１ａにおける第２方向Ｘの幅を、第２基板１１ｂにおける第２方向Ｘの幅よりも大きく設けることで、外部側の第１引出配線１９ａと接する第１端子１１１等を容易に設けることが可能となる。

第２引出配線１９ｂは、例えば第２主面１１ｂｆ上に設けられ、第２電極部１２ｂ及び第２支持群１３ｓと接する。第２引出配線１９ｂは、例えば第２支持群１３ｓと一体に設けられてもよい。このとき、熱電素子１の外部側で第２支持群１３ｓと接する第２端子１１２等を設けることで、第２電極部１２ｂと、第２配線１０２等との電気的接続を容易に実現することが可能となる。

引出配線１９は、例えば第３引出配線１９ｃを有してもよい。第３引出配線１９ｃは、第１主面１１ａｆ上に設けられ、熱電素子１の外部側において第２支持群１３ｓと接する。すなわち、第３引出配線１９ｃは、第２支持群１３ｓ、及び第２引出配線１９ｂを介して、第２電極部１２ｂと電気的に接続される。このとき、第３引出配線１９ｃと接する第２端子１１２等を設けることで、第２電極部１２ｂと、第２配線１０２等との電気的接続を容易に実現することが可能となる。なお、例えば第１基板１１ａにおける第２方向Ｘの幅を、第２基板１１ｂにおける第２方向Ｘの幅よりも大きく設けることで、第３引出配線１９ｃと接する第２端子１１２等を容易に設けることが可能となる。また、第３引出配線１９ｃ及び第１引出配線１９ａの接続部を、同一面上に設けることができる。これにより、各引出配線１９ａ、１９ｃと外部配線との電気的接続や、熱電素子１の検査等を容易に実施することが可能となる。

また、本実施形態によれば、引出配線１９は、第１電極部１２ａ及び支持部１３と接する。このため、第１電極部１２ａと、外部配線との電気的接続や、熱電素子１の検査を容易化することが可能となる。

（第６実施形態）
＜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。

図１３（ａ）～図１３（ｄ）は、熱電素子１を備えた電子機器５００の例を示す模式ブロック図である。図１３（ｅ）～図１３（ｈ）は、熱電素子１を含む発電装置１００を備えた電子機器５００の例を示す模式ブロック図である。

図１３（ａ）に示すように、電子機器５００（エレクトリックプロダクト）は、電子部品５０１（エレクトロニックコンポーネント）と、主電源５０２と、補助電源５０３と、を備えている。電子機器５００及び電子部品５０１のそれぞれは、電気的な機器(エレクトリカルデバイス)である。

電子部品５０１は、主電源５０２を電源に用いて駆動される。電子部品５０１の例としては、例えば、ＣＰＵ、モーター、センサ端末、及び照明等を挙げることができる。電子部品５０１が、例えばＣＰＵである場合、電子機器５００には、内蔵されたマスター（ＣＰＵ）によって制御可能な電子機器が含まれる。電子部品５０１が、例えば、モーター、センサ端末、及び照明等の少なくとも１つを含む場合、電子機器５００には、外部にあるマスター、あるいは人によって制御可能な電子機器が含まれる。

主電源５０２は、例えば電池である。電池には、充電可能な電池も含まれる。主電源５０２のプラス端子（＋）は、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）と電気的に接続される。主電源５０２のマイナス端子（－）は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と電気的に接続される。

補助電源５０３は、熱電素子である。熱電素子は、実施形態のそれぞれにおいて説明した熱電素子１の少なくとも１つを含む。熱電素子１のアノード（例えば第１電極部１２ａ）は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）、又は主電源５０２のマイナス端子（－）、又はＧＮＤ端子（ＧＮＤ）とマイナス端子（－）とを接続する配線と、電気的に接続される。熱電素子１のカソード（例えば第２電極部１２ｂ）は、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）、又は主電源５０２のプラス端子（＋）、又はＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）とプラス端子（＋）とを接続する配線と、電気的に接続される。電子機器５００において、補助電源５０３は、例えば主電源５０２と併用され、主電源５０２をアシストするための電源や、主電源５０２の容量が切れた場合、主電源５０２をバックアップするための電源として使うことができる。主電源５０２が充電可能な電池である場合には、補助電源５０３は、さらに、電池を充電するための電源としても使うことができる。

図１３（ｂ）に示すように、主電源５０２は、熱電素子１とされてもよい。熱電素子１のアノードは、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と電気的に接続される。熱電素子１のカソードは、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）と電気的に接続される。図１３（ｂ）に示す電子機器５００は、主電源５０２として使用される熱電素子１と、熱電素子１を用いて駆動されることが可能な電子部品５０１と、を備えている。熱電素子１は、独立した電源（例えばオフグリッド電源）である。このため、電子機器５００は、例えば自立型（スタンドアローン型）にできる。しかも、熱電素子１は、環境発電型（エナジーハーベスト型）である。図１３（ｂ）に示す電子機器５００は、電池の交換が不要である。

図１３（ｃ）に示すように、電子部品５０１が熱電素子１を備えていてもよい。熱電素子１のアノードは、例えば、回路基板（図示は省略する）のＧＮＤ配線と電気的に接続される。熱電素子１のカソードは、例えば、回路基板（図示は省略する）のＶｃｃ配線と電気的に接続される。この場合、熱電素子１は、電子部品５０１の、例えば補助電源５０３として使うことができる。

図１３（ｄ）に示すように、電子部品５０１が熱電素子１を備えている場合、熱電素子１は、電子部品５０１の、例えば主電源５０２として使うことができる。

図１３（ｅ）～図１３（ｈ）のそれぞれに示すように、電子機器５００は、発電装置１００を備えていてもよい。発電装置１００は、電気エネルギーの源として熱電素子１を含む。

図１３（ｄ）に示した実施形態は、電子部品５０１が主電源５０２として使用される熱電素子１を備えている。同様に、図１３（ｈ）に示した実施形態は、電子部品５０１が主電源として使用される発電装置１００を備えている。これらの実施形態では、電子部品５０１が、独立した電源を持つ。このため、電子部品５０１を、例えば自立型とすることができる。自立型の電子部品５０１は、例えば、複数の電子部品を含み、かつ、少なくとも１つの電子部品が別の電子部品と離れているような電子機器に有効に用いることができる。そのような電子機器５００の例は、センサである。センサは、センサ端末（スレーブ）と、センサ端末から離れたコントローラ（マスター）と、を備えている。センサ端末及びコントローラのそれぞれは、電子部品５０１である。センサ端末が、熱電素子１又は発電装置１００を備えていれば、自立型のセンサ端末となり、有線での電力供給の必要がない。熱電素子１又は発電装置１００は環境発電型であるので、電池の交換も不要である。センサ端末は、電子機器５００の１つと見なすこともできる。電子機器５００と見なされるセンサ端末には、センサのセンサ端末に加えて、例えば、ＩｏＴワイヤレスタグ等が、さらに含まれる。

図１３（ａ）～図１３（ｈ）のそれぞれに示した実施形態において共通することは、電子機器５００は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子１と、熱電素子１を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品５０１と、を含むことである。

電子機器５００は、独立した電源を備えた自律型（オートノマス型）であってもよい。自律型の電子機器の例は、例えばロボット等を挙げることができる。さらに、熱電素子１又は発電装置１００を備えた電子部品５０１は、独立した電源を備えた自律型であってもよい。自律型の電子部品の例は、例えば可動センサ端末等を挙げることができる。

以上、この発明の実施形態のいくつかを説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば、これらの実施形態は、適宜組み合わせて実施することが可能である。また、この発明は、上記いくつかの実施形態の他、様々な新規な形態で実施することができる。したがって、上記いくつかの実施形態のそれぞれは、この発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更が可能である。このような新規な形態や変形は、この発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明、及び特許請求の範囲に記載された発明の均等物の範囲に含まれる。

１：熱電素子
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
１３ｃ：第３支持部
１３ｄ：第４支持部
１３ｆ：第１支持群
１３ｓ：第２支持群
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
１９：引出配線
１９ａ：第１引出配線
１９ｂ：第２引出配線
１９ｃ：第３引出配線
２１：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：中間部形成工程
Ｓ１４０：接合工程
Ｓ１５０：配線層形成工程
Ｓ１６０：保護膜形成工程
Ｓ１７０：貫通孔形成工程
Ｓ１８０：接続配線形成工程
Ｚ：第１方向
Ｘ：第２方向
Ｙ：第３方向
ｅ：電子

Claims

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、金属を含む第１支持部を形成し、第２基板の第２主面上に、金属を含む第２支持部を形成する支持部形成工程と、
前記第１主面上に前記第１支持部と離間する第１電極部を形成し、前記第２主面上に前記第２支持部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部を形成する電極部形成工程と、
前記第１電極部上に、ナノ粒子を含む中間部を形成する中間部形成工程と、
前記第１電極部と、前記第２電極部とを第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、
を備えることを特徴とする熱電素子の製造方法。
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、
をさらに備え、
前記中間部形成工程は、前記接合工程の後、前記第１貫通孔を介して前記中間部を形成すること
を特徴とする請求項１記載の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２記載の熱電素子の製造方法。