JP7197857B2 - 熱電素子、発電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法 - Google Patents
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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、発電装置、電子機器、及び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。
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、電極部と接続する配線の劣化が課題として挙げられている。特に、電極部と配線とを熱電素子の表面（外部側）で接続させる場合、外部環境の影響により接続箇所が破断する場合がある。この点、特許文献１の開示技術では、熱電素子の側面に各電極層をつなぐ端子電極が設けられる構成等を前提としており、上述した配線の劣化を抑制することが難しい。
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、電極部と接続される配線の劣化を抑制することができる熱電素子、発電装置、電子機器、及び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は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、第１主面を有する第１基板と、前記第１主面と第１方向に離間して設けられ、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、前記第１主面上に設けられ、前記第２基板と離間する第１電極部と、前記第２主面上に設けられ、前記第１基板及び前記第１電極部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部と、前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられる支持部と、前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１電極部と接する第１接続配線と、前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１接続配線と離間し、前記第２電極部と接する第２接続配線と、を備え、前記第１基板の前記第１主面の面積は、前記第２基板の前記第２主面の面積よりも大きく、前記第１接続配線及び前記第２接続配線は、前記支持部よりも外部側における前記第１主面に接することを特徴とする。
第２発明に係る熱電素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、第１主面を有する第１基板と、前記第１主面と第１方向に離間して設けられ、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、前記第１主面上に設けられ、前記第２基板と離間する第１電極部と、前記第２主面上に設けられ、前記第１基板及び前記第１電極部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部と、前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられる支持部と、前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１電極部と接する第１接続配線と、前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１接続配線と離間し、前記第２電極部と接する第２接続配線と、を備え、前記支持部は、前記第１接続配線と接する第１支持部と、前記第２接続配線と接し、前記第１接続配線及び前記第１支持部と離間する第２支持部と、を有することを特徴とする。
第３発明に係る熱電素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、第１主面を有する第１基板と、前記第１主面と第１方向に離間して設けられ、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、前記第１主面上に設けられ、前記第２基板と離間する第１電極部と、前記第２主面上に設けられ、前記第１基板及び前記第１電極部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部と、前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられる支持部と、前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１電極部と接する第１接続配線と、前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも何れかを前記第１方向に貫通する貫通孔と、を備えることを特徴とする。
第４発明に係る熱電素子は、第１発明において、前記支持部は、前記第１接続配線と接する第１支持部と、前記第２接続配線と接し、前記第１接続配線及び前記第１支持部と離間する第２支持部と、を有することを特徴とする。
第５発明に係る熱電素子は、第２発明又は第４発明において、前記第１支持部及び前記第２支持部は、導電性を有することを特徴とする。
第６発明に係る熱電素子は、第２発明又は第４発明において、前記第１支持部及び前記第２支持部は、前記第１基板及び前記第２基板の何れかと一体に設けられることを特徴とする。
第７発明に係る熱電素子は、第１発明又は第２発明において、前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも何れかを前記第１方向に貫通する貫通孔をさらに備えることを特徴とする。
第８発明に係る熱電素子は、第１発明～第７発明の何れかにおいて、前記第１電極部と、前記第２電極部との間の電極間ギャップは、１０μｍ以下であり、前記ナノ粒子の直径は、前記電極間ギャップの１／１０以下であることを特徴とする。
第９発明に係る熱電素子は、第１発明～第８発明の何れかにおいて、前記ナノ粒子は、表面に設けられた絶縁膜を有し、前記絶縁膜の厚さは、２０ｎｍ以下であることを特徴とする。
第１０発明に係る熱電素子は、第１発明～第９発明の何れかにおいて、前記中間部は、６０℃以上の沸点を有する溶媒を含むことを特徴とする。
第１１発明に係る熱電素子は、第１発明～第９発明の何れかにおいて、前記中間部は、前記ナノ粒子のみが充填された状態を示すことを特徴とする。
第１２発明に係る発電装置は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を備えた発電装置であって、前記熱電素子は、第１主面を有する第１基板と、前記第１主面と第１方向に離間して設けられ、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、前記第１主面上に設けられ、前記第２基板と離間する第１電極部と、前記第２主面上に設けられ、前記第１基板及び前記第１電極部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部と、前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられる支持部と、前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１電極部と接する第１接続配線と、前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１接続配線と離間し、前記第２電極部と接する第２接続配線と、を備え、前記第１基板の前記第１主面の面積は、前記第２基板の前記第２主面の面積よりも大きく、前記第１接続配線及び前記第２接続配線は、前記支持部よりも外部側における前記第１主面に接することを特徴とする。
第１３発明に係る電子機器は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子と、前記熱電素子を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品と、を含む電子機器であって、前記熱電素子は、第１主面を有する第１基板と、前記第１主面と第１方向に離間して設けられ、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、前記第１主面上に設けられ、前記第２基板と離間する第１電極部と、前記第２主面上に設けられ、前記第１基板及び前記第１電極部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部と、前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられる支持部と、前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１電極部と接する第１接続配線と、前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１接続配線と離間し、前記第２電極部と接する第２接続配線と、を備え、前記第１基板の前記第１主面の面積は、前記第２基板の前記第２主面の面積よりも大きく、前記第１接続配線及び前記第２接続配線は、前記支持部よりも外部側における前記第１主面に接することを特徴とする。
第１４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、及び第２基板の第２主面上の少なくとも何れかに、支持部を形成する支持部形成工程と、前記第１主面上に第１電極部を形成し、前記第２主面上に前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部を形成する電極部形成工程と、前記支持部上、及び前記第１電極部上に第１接続配線を形成する接続配線形成工程と、前記第１電極部と、前記第２電極部とを第１方向に離間して対向するように、前記支持部及び前記第１接続配線を介して、前記第１基板上に前記第２基板を積層する積層工程と、前記第１電極部と、前記第２電極部との間に、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を形成する中間部形成工程と、を備えることを特徴とする。
第１５発明に係る熱電素子の製造方法は、第１４発明において、前記接続配線形成工程は、前記支持部上、及び前記第２電極部上に、前記第１接続配線と離間する第２接続配線を形成することを含むことを特徴とする。
第１６発明に係る熱電素子の製造方法は、第１５発明において、前記支持部は、前記第１接続配線と接する第１支持部と、前記第２接続配線と接し、前記第１接続配線及び前記第１支持部と離間する第２支持部と、を有し、前記接続配線形成工程は、前記第１主面上における前記第１接続配線と離間した位置に、前記第１接続配線と同じ材料の第２接続部を形成し、前記第２主面上における前記第２接続配線と離間した位置に、前記第２接続配線と同じ材料の第１接続部を形成することを含み、前記積層工程は、前記第１支持部上に形成された前記第１接続配線と、前記第１接続部とを接合し、前記第２支持部上に形成された前記第２接続配線と、前記第２接続部とを接合することを含むことを特徴とする。
第１７発明に係る熱電素子の製造方法は、第１４発明～第１６発明の何れかにおいて、前記支持部形成工程は、前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも何れかの一部を除去して前記支持部を形成することを含むことを特徴とする。
第１発明～第１３発明によれば、第１接続配線は、第１基板と支持部との間、又は、第２基板と支持部との間に挟まれ、第１電極部と接する。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。
また、第１発明～第１３発明によれば、第１接続配線は、第１基板と支持部との間、又は、第２基板と支持部との間に挟まれる。このとき、第１接続配線の厚さを均一にした状態で、支持部と各基板の何れかとの間に挟ませることができる。このため、各電極部の間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。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を図ることが可能となる。
特に、第１発明、第２発明、第１２発明、及び第１３発明によれば、第２接続配線は、第１接続配線と離間し、第２電極部と接する。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。
特に、第１発明、第１２発明、及び第１３発明によれば、第１接続配線及び第２接続配線は、支持部よりも外部側における第１主面に接する。このため、各接続配線の接続部を、同一面上に設けることができる。これにより、各接続配線と外部配線との電気的接続や、熱電素子の検査等を容易化することが可能となる。
特に、第２発明及び第４発明によれば、支持部は、互いに離間する第１支持部及び第２支持部を有する。このため、各支持部と、各基板との間に挟まれる各接続配線の面積を大きくすることができる。これにより、電極間ギャップのバラつきをさらに抑制することが可能となる。
特に、第５発明によれば、第１支持部及び第２支持部は、導電性を有する。このため、各電極部と電気的に接続させる部分として、各支持部を用いることができる。これにより、各電極部と外部配線との電気的接続や、熱電素子の検査等を実施する際の接続部分を増やすことができ、さらに容易化することが可能となる。
特に、第６発明によれば、第１支持部及び第２支持部は、第１基板及び第２基板の何れかと一体に設けられる。このため、各支持部と、各基板との接合不良の発生を抑えることができる。これにより、熱電素子の劣化を抑制することが可能となる。
特に、第３発明及び第７発明によれば、貫通孔は、第１基板及び第２基板の少なくとも何れかを第１方向に貫通する。このため、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８発明によれば、ナノ粒子の直径は、電極間ギャップの１／１０以下である。このため、第１電極部と、第２電極部との間に、ナノ粒子を含む中間部を容易に形成することができる。これにより、熱電素子を製造するとき、作業性の向上を図ることが可能となる。
特に、第９発明によれば、ナノ粒子は、表面に設けられた絶縁膜を有する。このため、第１電極部から生成した電子は、例えばトンネル効果等によりナノ粒子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。
特に、第１０発明によれば、中間部は、６０℃以上の沸点を有する溶媒を含む。このため、室温以上の環境下に熱電素子が用いられた場合においても、溶媒の気化を抑制することができる。これにより、溶媒の気化に伴う熱電素子の劣化を抑制することが可能となる。
特に、第１１発明によれば、中間部は、ナノ粒子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が用いられた場合においても、溶媒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の劣化を抑制することが可能となる。
第１４発明～第１７発明によれば、接続配線形成工程は、支持部上、及び第１電極部上に第１接続配線を形成する。また、積層工程は、支持部及び第１接続配線を介して、第１基板上に第２基板を積層する。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。
また、第１４発明～第１７発明によれば、積層工程は、支持部及び第１接続配線を介して、第１基板上に第２基板を積層する。このとき、第１接続配線の厚さを均一にした状態で、支持部と各基板の何れかとの間に挟ませることができる。このため、各電極部の間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。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を図ることが可能となる。
特に、第１５発明によれば、接続配線形成工程は、支持部上、及び第２電極部上に、第１接続配線と離間する第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。
特に、第１６発明によれば、積層工程は、第１接続配線と、第１接続部とを接合し、第２接続配線と、第２接続部とを接合する。このため、積層工程により形成される電極間ギャップのバラつきを抑制することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を容易に図ることが可能となる。
特に、第１７発明によれば、支持部形成工程は、第１基板及び第２基板の少なくとも何れかの一部を除去して支持部を形成する。このため、各支持部と、各基板との接合不良の発生を抑えることができる。これにより、熱電素子の劣化を抑制することが可能となる。
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。
＜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、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、接続配線１５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。
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。
接続配線１５は、第２基板１１ｂと支持部１３との間に挟まれるほか、例えば第１基板１１ａと支持部１３との間に挟まれてもよい。接続配線１５は、第１電極部１２ａと接する。
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、中間部１４、及び接続配線１５の少なくとも一部が挟まれる。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、中間部１４、及び接続配線１５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、接続配線１５、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、接続配線１５、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。合金は、２種類以上の金属を混合したものである。このような合金の例としては、例えばアルミニウムとシリコン（Ｓｉ）との混合物や、アルミニウムとシリコンと銅（Ｃｕ）との混合物を挙げることができる。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。
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。合金は、２種類以上の金属を混合したものである。このような合金の例としては、例えばアルミニウムとシリコン（Ｓｉ）との混合物や、アルミニウムとシリコンと銅（Ｃｕ）との混合物を挙げることができる。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、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙに延在するＬ字状に設けられ、互いに離間する。第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂは、例えば図２に示すように、第３方向Ｙに延在するＩ字状に設けられてもよい。
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、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙに延在するＬ字状に設けられ、互いに離間する。第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂは、例えば図２に示すように、第３方向Ｙに延在するＩ字状に設けられてもよい。
第１支持部１３ａと第２支持部１３ｂとの間は、例えば絶縁体で形成された一対の封止部２１により塞がれる。第１支持部１３ａ、第２支持部１３ｂ、及び一対の封止部２１は、各電極部１２ａ、１２ｂ及び中間部１４を囲む。なお、一対の封止部２１は、一体に形成されてもよい。
第１支持部１３ａは、第１主面１１ａｆと接し、例えば各基板１１ａ、１１ｂの何れかと一体に形成される。第１支持部１３ａは、接続配線１５又は第２主面１１ｂｆと接する。第１支持部１３ａは、例えば各電極部１２ａ、１２ｂと接してもよい。第２支持部１３ｂは、第２主面１１ｂｆと接し、例えば各基板１１ａ、１１ｂの何れかと一体に形成される。第２支持部１３ｂは、接続配線１５又は第１主面１１ａｆと接する。第２支持部１３ｂは、例えば各電極部１２ａ、１２ｂと接してもよい。
第１実施形態に係る第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂは、絶縁性を有する。第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂとして、例えばシリコン酸化膜のほか、ポリイミド、ＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）、又はポリスチレン等のポリマーが用いられる。
例えば、各支持部１３ａ、１３ｂが各基板１１ａ、１１ｂの何れかと一体に形成される場合、各支持部１３ａ、１３ｂのそれぞれの材料としては、各基板１１ａ、１１ｂと同様に絶縁性を有する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。上記のほか、各支持部１３ａ、１３ｂは、例えばフレキシブルなフィルム状でもよく、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＣ（polycarbonate）、及びポリイミド等を用いることができる。
＜＜中間部１４＞＞
中間部１４は、例えば図３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３（ａ）は、中間部１４の一例を示す模式断面図である。図３（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。
中間部１４は、例えば図３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３（ａ）は、中間部１４の一例を示す模式断面図である。図３（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３（ｂ）は、中間部１４の他の例を示す模式断面図である。図３（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。
＜＜接続配線１５＞＞
接続配線１５は、第１支持部１３ａ、第２基板１１ｂ、及び第１電極部１２ａと接する。接続配線１５は、例えば第１支持部１３ａ及び第２基板１１ｂの代わりに、第１支持部１３ａ及び第１基板１１ａ、第２支持部１３ｂ及び第１基板１１ａ、又は第２支持部１３ｂ及び第２基板１１ｂと接してもよい。接続配線１５は、第２電極部１２ｂと離間する。接続配線１５として、導電性を有する材料が用いられ、例えば金が用いられる。
接続配線１５は、第１支持部１３ａ、第２基板１１ｂ、及び第１電極部１２ａと接する。接続配線１５は、例えば第１支持部１３ａ及び第２基板１１ｂの代わりに、第１支持部１３ａ及び第１基板１１ａ、第２支持部１３ｂ及び第１基板１１ａ、又は第２支持部１３ｂ及び第２基板１１ｂと接してもよい。接続配線１５は、第２電極部１２ｂと離間する。接続配線１５として、導電性を有する材料が用いられ、例えば金が用いられる。
接続配線１５は、第１電極部１２ａと接する位置から熱電素子１の外部側まで延在し、例えば支持部１３における中間部１４と離間する側面まで延在する。このため、接続配線１５の一端部は、熱電素子１の内部側で第１電極部１２ａと接続でき、接続配線１５の他端部は、熱電素子１の外部側で第１端子１１１等と接続できる。
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場合、接続配線１５の他端部は、外部側の第１主面１１ａｆ上に設けられてもよい。これにより、接続配線１５の他端部と接する第１端子１１１等を容易に設けることが可能となる。
＜＜第１配線１０１及び第２配線１０２＞＞
第１配線１０１は、端子１１１及び接続配線１５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は、端子１１１及び接続配線１５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。
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４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５（ａ）～図６（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。
次に、熱電素子１の製造方法の一例を、説明する。図４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５（ａ）～図６（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、第１基板１１ａの第１主面１１ａｆ上、及び第２基板１１ｂの第２主面１１ｂｆ上の少なくとも何れかに、支持部１３を形成する（支持部形成工程Ｓ１１０）。支持部形成工程Ｓ１１０では、例えば図５（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では、例えば第１主面１１ａｆ上及び第２主面１１ｂｆ上の何れかに、第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂをそれぞれ離間して形成してもよい。
先ず、第１基板１１ａの第１主面１１ａｆ上、及び第２基板１１ｂの第２主面１１ｂｆ上の少なくとも何れかに、支持部１３を形成する（支持部形成工程Ｓ１１０）。支持部形成工程Ｓ１１０では、例えば図５（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では、例えば第１主面１１ａｆ上及び第２主面１１ｂｆ上の何れかに、第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂをそれぞれ離間して形成してもよい。
各支持部１３ａ、１３ｂは、例えば図５（ｃ）に示すように、第１方向Ｚから見て、Ｌ字状に形成されるほか、例えば図２に示したＩ字状に形成されてもよい。
支持部形成工程Ｓ１１０では、例えばエッチング法を用いて、各基板１１ａ、１１ｂの一部を除去して各支持部１３ａ、１３ｂを形成する。このとき、各支持部１３ａ、１３ｂは、各基板１１ａ、１１ｂの何れかと一体に形成される。
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。
＜＜電極部形成工程Ｓ１２０＞＞
次に、例えば図５（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５（ｃ）に示すように、第１方向Ｚから見て四角形状に形成される。各電極部１２ａ、１２ｂは、各支持部１３ａ、１３ｂの何れかに比べて、第２方向Ｘの幅及び第３方向Ｙの長さが短く形成される。各電極部１２ａ、１２ｂは、各支持部１３ａ、１３ｂと離間して形成されるほか、接して形成されてもよい。各電極部１２ａ、１２ｂは、各支持部１３ａ、１３ｂよりも薄く形成される。
次に、例えば図５（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５（ｃ）に示すように、第１方向Ｚから見て四角形状に形成される。各電極部１２ａ、１２ｂは、各支持部１３ａ、１３ｂの何れかに比べて、第２方向Ｘの幅及び第３方向Ｙの長さが短く形成される。各電極部１２ａ、１２ｂは、各支持部１３ａ、１３ｂと離間して形成されるほか、接して形成されてもよい。各電極部１２ａ、１２ｂは、各支持部１３ａ、１３ｂよりも薄く形成される。
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。
＜＜接続配線形成工程Ｓ１３０＞＞
次に、図６（ａ）に示すように、支持部１３上、及び第１電極部１２ａ上に、接続配線１５を形成する（接続配線形成工程Ｓ１３０）。接続配線形成工程Ｓ１３０では、例えば第１電極部１２ａから第１支持部１３ａの上面を介して第１主面１１ａｆ上まで延在する接続配線１５を形成する。接続配線１５は、例えば第２方向Ｘ及び第３方向Ｙに延在する第１支持部１３ａの上面に沿って形成されてもよい。この場合、後述する積層工程Ｓ１４０により形成された電極間ギャップのバラつきを抑制することができる。
次に、図６（ａ）に示すように、支持部１３上、及び第１電極部１２ａ上に、接続配線１５を形成する（接続配線形成工程Ｓ１３０）。接続配線形成工程Ｓ１３０では、例えば第１電極部１２ａから第１支持部１３ａの上面を介して第１主面１１ａｆ上まで延在する接続配線１５を形成する。接続配線１５は、例えば第２方向Ｘ及び第３方向Ｙに延在する第１支持部１３ａの上面に沿って形成されてもよい。この場合、後述する積層工程Ｓ１４０により形成された電極間ギャップのバラつきを抑制することができる。
接続配線形成工程Ｓ１３０は、例えば図示しないレジストを用いたリフトオフ法により、接続配線１５を形成する。すなわち、レジストを第１電極部１２ａ上に形成し、レジスト上、第１電極部１２ａの一部、及び第１基板１１ａ上に接続配線１５の材料を積層したあと、レジストを除去する。このため、第１電極部１２ａの表面をレジストで守ることができ、第１電極部１２ａの仕事関数の変動を防ぐことができる。
接続配線形成工程Ｓ１３０では、例えばスパッタリング法又は蒸着法を用いて、接続配線１５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。接続配線１５として、例えば金が用いられる。
なお、図６（ａ）では第１支持部１３ａ上に接続配線１５が形成されているが、例えば後述する積層工程Ｓ１４０において、第２支持部１３ｂと接する位置に接続配線１５の少なくとも一部が形成されてもよい。
＜＜積層工程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、支持部１３及び接続配線１５を介して、第１基板１１ａ上に第２基板１１ｂを積層する（積層工程Ｓ１４０）。積層工程Ｓ１４０では、例えば図６（ｂ）に示すように、第１支持部１３ａ上の接続配線１５と、第２基板１１ｂとを連接させ、第２支持部１３ｂの上面と、第１基板１１ａとを連接させる。このとき、各電極部１２ａ、１２ｂ、各支持部１３ａ、１３ｂ、及び接続配線１５の一部は、各基板１１ａ、１１ｂに挟まれ、ギャップ部１４ａが形成される。
次に、第１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、支持部１３及び接続配線１５を介して、第１基板１１ａ上に第２基板１１ｂを積層する（積層工程Ｓ１４０）。積層工程Ｓ１４０では、例えば図６（ｂ）に示すように、第１支持部１３ａ上の接続配線１５と、第２基板１１ｂとを連接させ、第２支持部１３ｂの上面と、第１基板１１ａとを連接させる。このとき、各電極部１２ａ、１２ｂ、各支持部１３ａ、１３ｂ、及び接続配線１５の一部は、各基板１１ａ、１１ｂに挟まれ、ギャップ部１４ａが形成される。
積層工程Ｓ１４０では、例えば圧着接合法を用いて、第１基板１１ａ上に第２基板１１ｂを積層する。この場合、第２基板１１ｂ上における接続配線１５と連接する位置、並びに、第１基板１１ａ上及び第２支持部１３ｂ上面の互いに連接する位置に、図示しない金等の金属を含む接続層を形成し、第２基板１１ｂと接続配線１５、及び、第１基板１１ａと第２支持部１３ｂとを、接続層を介して連接させる。その後、加熱することで、各連接部を接合させる。これにより、電極間ギャップのバラつきを抑制することができる。
＜＜中間部形成工程Ｓ１５０＞＞
次に、例えば図１（ａ）に示した中間部１４を形成する（中間部形成工程Ｓ１５０）。中間部形成工程Ｓ１５０では、例えば各支持部１３ａ、１３ｂの間を介してギャップ部１４ａに中間部１４を形成する。
次に、例えば図１（ａ）に示した中間部１４を形成する（中間部形成工程Ｓ１５０）。中間部形成工程Ｓ１５０では、例えば各支持部１３ａ、１３ｂの間を介してギャップ部１４ａに中間部１４を形成する。
中間部形成工程Ｓ１５０では、例えばインクジェット法を用いて、ギャップ部１４ａに中間部１４を形成する。中間部形成工程Ｓ１５０では、例えば積層された各基板１１ａ、１１ｂを中間部１４の原液に浸し、毛細管現象によってギャップ部１４ａに中間部１４を形成してもよい。中間部１４を形成した後、例えば各基板１１ａ、１１ｂの側面側に封止部２１を形成することで、ギャップ部１４ａが閉塞される。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。
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、接続配線１５は、第１基板１１ａと支持部１３との間、又は、第２基板１１ｂと支持部１３との間に挟まれ、第１電極部１２ａと接する。このため、接続配線１５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と接続される接続配線１５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、接続配線１５は、第１基板１１ａと支持部１３との間、又は、第２基板１１ｂと支持部１３との間に挟まれる。このとき、接続配線１５の厚さを均一にした状態で、支持部１３と各基板１１ａ、１１ｂの何れかとの間に挟ませることができる。このため、各電極部１２ａ、１２ｂの間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。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化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、第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂは、第１基板１１ａ及び第２基板１１ｂの何れかと一体に設けられる。このため、各支持部１３ａ、１３ｂと、各基板１１ａ、１１ｂとの接合不良の発生を抑えることができる。これにより、熱電素子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、接続配線形成工程Ｓ１３０は、支持部１３上、及び第１電極部１２ａ上に接続配線１５を形成する。また、積層工程Ｓ１４０は、支持部１３及び接続配線１５を介して、第１基板１１ａ上に第２基板１１ｂを積層する。このため、接続配線１５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と接続される接続配線１５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、積層工程Ｓ１４０は、支持部１３及び接続配線１５を介して、第１基板１１ａ上に第２基板１１ｂを積層する。このとき、接続配線１５の厚さを均一にした状態で、支持部１３と各基板１１ａ、１１ｂの何れかとの間に挟ませることができる。このため、各電極部１２ａ、１２ｂの間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。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を図ることが可能となる。
また、本実施形態によれば、支持部形成工程Ｓ１１０は、第１基板１１ａ及び第２基板１１ｂの少なくとも何れかの一部を除去して支持部１３を形成する。このため、支持部１３と、各基板１１ａ、１１ｂとの接合不良の発生を抑えることができる。これにより、熱電素子１の劣化を抑制す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７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７（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。
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７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７（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。
上述した実施形態と、第２実施形態との違いは、第１電極部１２ａに接続された接続配線１５（第１接続配線１５ａ）に加えて、第２電極部１２ｂに接続された第２接続配線１５ｂ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。
図７に示すように、接続配線１５は、第１接続配線１５ａと、第２接続配線１５ｂとを有する。第１接続配線１５ａは、第１電極部１２ａと接し、上述した実施形態と同様である。第２接続配線１５ｂは、第１接続配線１５ａと離間し、第２電極部１２ｂと接する。
第２接続配線１５ｂは、第１基板１１ａと第２支持部１３ｂとの間（例えば図７（ａ））、又は、第２基板１１ｂと第２支持部１３ｂとの間（例えば図８（ａ））に挟まれる。第２接続配線１５ｂは、第２支持部１３ｂ、及び第２電極部１２ｂと接し、第２基板１１ｂと接してもよい。第２接続配線１５ｂは、第１電極部１２ａと離間する。
第２接続配線１５ｂは、第２電極部１２ｂと接する位置から熱電素子１の外部側まで延在し、例えば第２支持部１３ｂにおける中間部１４と離間する側面まで延在する。このため、第２接続配線１５ｂの一端部は、熱電素子１の内部側で第２電極部１２ｂと接続でき、第２接続配線１５ｂの他端側は、熱電素子１の外部側で第２端子１１２等と接続できる。
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場合、第２接続配線１５ｂの他端部は、外部側の第１主面１１ａｆ上に設けられてもよい。これにより、第２接続配線１５ｂの他端部と接する第２端子１１２等を容易に設けることが可能となる。また、各接続配線１５ａ、１５ｂの他端部を、同一平面上に設けることができる。これにより、各接続配線１５ａ、１５ｂ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。
第１接続配線１５ａ及び第２接続配線１５ｂは、例えば図７（ｂ）に示すように、第１方向Ｚから見て、支持部１３の延在する位置に重なって設けられる。このため、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙ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。
なお、例えば図７（ａ）に示すように、第１接続配線１５ａが第１支持部１３ａと第２基板１１ｂとの間、及び、第２接続配線１５ｂが第２支持部１３ｂと第１基板１１ａとの間に、それぞれ挟まれるほか、例えば図８（ａ）に示すように、第１接続配線１５ａが第１支持部１３ａと第２基板１１ｂとの間、及び、第２接続配線１５ｂが第２支持部１３ｂと第２基板１１ｂとの間に、それぞれ挟まれてもよい。また、例えば第１接続配線１５ａが第１支持部１３ａと第１基板１１ａとの間、及び、第２接続配線１５ｂが第２支持部１３ｂと第１基板１１ａとの間に、それぞれ挟まれてもよい。これらの場合、例えば各支持部１３ａ、１３ｂは、各基板１１ａ、１１ｂの何れかと一体に設けられてもよい。
＜第２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９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。
次に、熱電素子１の製造方法の一例を、説明する。図９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。
先ず、上述した支持部形成工程Ｓ１１０、電極部形成工程Ｓ１２０を実施する。その後、接続配線形成工程Ｓ１３０では、第１支持部１３ａ上、及び第１電極部１２ａ上に第１接続配線１５ａを形成すると同時、又は前後に、第２支持部１３ｂ上、及び第２電極部１２ｂ上に第２接続配線１５ｂを形成する。
接続配線形成工程Ｓ１３０では、例えば図９に示すように、第２主面１１ｂｆ上における第２接続配線１５ｂと離間した位置に、第１接続部１５ａａを形成する。また、接続配線形成工程Ｓ１３０では、第１主面１１ａｆ上における第１接続配線１５ａと離間した位置に、第２接続部１５ｂａを形成する。なお、第１接続部１５ａａは、第２接続配線１５ｂと同時に形成してもよく、第２接続部１５ｂａは、第１接続配線１５ａと同時に形成してもよい。
各接続配線１５ａ、１５ｂ、及び各接続部１５ａａ、１５ｂａは、上述した接続配線形成工程Ｓ１３０と同様に、リフトオフ法等を用いて形成される。各接続部１５ａａ、１５ｂａとして、それぞれ各接続配線１５ａ、１５ｂと同じ材料が用いられる。各接続部１５ａａ、１５ｂａ、及び各接続配線１５ａ、１５ｂの第１方向Ｚに沿ったそれぞれの厚さは、例えば１００ｎｍ以上１０μｍ以下である。
接続配線形成工程Ｓ１３０では、例えば積層工程Ｓ１４０において、第２基板１１ｂ上における第１接続配線１５ａと連接する位置に、第１接続部１５ａａを形成し、第１基板１１ａ上における第２接続配線１５ｂと連接する位置に、第２接続部１５ｂａを形成する。
次に、積層工程Ｓ１４０では、第１支持部１３ａ上に形成された第１接続配線１５ａと、第１接続部１５ａａとを接合する。これにより、第１接続配線１５ａ及び第１接続部１５ａａを介して、第２基板１１ｂと第１支持部１３ａとが連接される。また、積層工程Ｓ１４０では、第２支持部１３ｂ上に形成された第２接続配線１５ｂと、第２接続部ｂａとを接合する。これにより、第２接続配線１５ｂ及び第２接続部１５ｂａを介して、第１基板１１ａと第２支持部１３ｂとが連接される。
その後、加熱することで、第１接続配線１５ａと第１接続部１５ａａとを接合させるとともに、第２接続配線１５ｂと第２接続部１５ｂａとを接合させる。これにより、第２方向Ｘ及び第３方向Ｙ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。
その後、上述した実施形態と同様に、中間部形成工程Ｓ１５０を実施し、本実施形態における熱電素子１が軽視絵される。なお、形成された熱電素子１に、図７（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。
本実施形態によれば、上述した実施形態と同様に、接続配線１５は、第１基板１１ａと支持部１３との間、又は、第２基板１１ｂと支持部１３との間に挟まれ、第１電極部１２ａと接する。このため、接続配線１５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と接続される接続配線１５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、上述した実施形態と同様に、接続配線１５は、第１基板１１ａと支持部１３との間、又は、第２基板１１ｂと支持部１３との間に挟まれる。このとき、接続配線１５の厚さを均一にした状態で、支持部１３と各基板１１ａ、１１ｂの何れかとの間に挟ませることができる。このため、各電極部１２ａ、１２ｂの間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。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を図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１５ｂは、第１接続配線１５ａと離間し、第２電極部１２ｂと接する。このため、第２接続配線１５ｂ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１５ａ、１５ｂの劣化を抑制することが可能となる。また、第２接続配線１５ｂは、第１接続配線１５ａ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、第１接続配線１５ａ及び第２接続配線１５ｂは、支持部１３よりも外部側における第１主面１１ａｆに接する。このため、各接続配線１５ａ、１５ｂの接続部（他端部）を、同一面上に設けることができる。これにより、各接続配線１５ａ、１５ｂと外部配線との電気的接続や、熱電素子の検査等を容易化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、互いに離間する第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂを有する。このため、各支持部１３ａ、１３ｂと、各基板１１ａ、１１ｂとの間に挟まれる各接続配線１５ａ、１５ｂの面積を大きくすることができる。これにより、電極間ギャップのバラつきをさらに抑制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、接続配線形成工程Ｓ１３０は、支持部１３上、及び第１電極部１２ａ上に接続配線１５を形成する。また、積層工程Ｓ１４０は、支持部１３及び接続配線１５を介して、第１基板１１ａ上に第２基板１１ｂを積層する。このため、接続配線１５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と接続される接続配線１５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、上述した実施形態と同様に、積層工程Ｓ１４０は、支持部１３及び接続配線１５を介して、第１基板１１ａ上に第２基板１１ｂを積層する。このとき、接続配線１５の厚さを均一にした状態で、支持部１３と各基板１１ａ、１１ｂの何れかとの間に挟ませることができる。このため、各電極部１２ａ、１２ｂの間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。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化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Ｓ１３０は、支持部１３（例えば第２支持部１３ｂ）上、及び第２電極部１２ｂ上に、第１接続配線１５ａと離間する第２接続配線１５ｂを形成する。このため、第２接続配線１５ｂ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１５ａ、１５ｂの劣化を抑制することが可能となる。また、第２接続配線１５ｂは、第１接続配線１５ａ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、積層工程Ｓ１４０は、第１接続配線１５ａと、第１接続部１５ａａとを接合し、第２接続配線１５ｂと、第２接続部１５ｂａとを接合する。このため、積層工程Ｓ１４０により形成される電極間ギャップのバラつきを抑制することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を容易に図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１０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１０（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１０（ｂ）は、図１０（ａ）における１０Ｂ－１０Ｂ線に沿った模式平面図である。
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１０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１０（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１０（ｂ）は、図１０（ａ）における１０Ｂ－１０Ｂ線に沿った模式平面図である。
上述した実施形態と、第３実施形態との主な違いは、貫通孔１６と、封止部１７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１６＞＞
貫通孔１６は、例えば図１０（ａ）に示すように、第１基板１１ａを第１方向Ｚに貫通するほか、例えば第２基板１１ｂを第１方向Ｚに貫通してもよい。貫通孔１６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１６は、１つ以上設けられ、設けられる場所は任意である。
貫通孔１６は、例えば図１０（ａ）に示すように、第１基板１１ａを第１方向Ｚに貫通するほか、例えば第２基板１１ｂを第１方向Ｚに貫通してもよい。貫通孔１６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１６は、１つ以上設けられ、設けられる場所は任意である。
貫通孔１６は、例えば図１０（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１６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１７＞＞
封止部１７は、貫通孔１６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１７は、例えば少なくとも一部を貫通孔１６内に設けられてもよい。封止部１７は、貫通孔１６の数に応じて設けられる。
封止部１７は、貫通孔１６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１７は、例えば少なくとも一部を貫通孔１６内に設けられてもよい。封止部１７は、貫通孔１６の数に応じて設けられる。
封止部１７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１６及び封止部１７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、中間部形成工程Ｓ１５０を容易に行うことができる。すなわち、積層工程Ｓ１４０の後、少なくとも１つの貫通孔１６から中間部１４を充填し、例えば他の貫通孔１６から吸引（真空引き）を行う。その後、封止部１７を形成して、貫通孔１６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、接続配線１５は、第１基板１１ａと支持部１３との間、又は、第２基板１１ｂと支持部１３との間に挟まれ、第１電極部１２ａと接する。このため、接続配線１５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と接続される接続配線１５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、上述した実施形態と同様に、接続配線１５は、第１基板１１ａと支持部１３との間、又は、第２基板１１ｂと支持部１３との間に挟まれる。このとき、接続配線１５の厚さを均一にした状態で、支持部１３と各基板１１ａ、１１ｂの何れかとの間に挟ませることができる。このため、各電極部１２ａ、１２ｂの間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。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化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１６は、第１基板１１ａ及び第２基板１１ｂの少なくとも何れかを第１方向Ｚに貫通する。このため、貫通孔１６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る。
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る。
上述した実施形態と、第４実施形態との主な違いは、支持部１３が導電性を有する点である。上述した構成と同様の構成については、説明を省略する。
第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂは、導電性を有する。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てもよい。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。
図１１に示すように、第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂは、各基板１１ａ、１１ｂの少なくとも何れかに接して設けられる。第１支持部１３ａは、例えば第１端子１１１と接してもよく、この場合、第１配線１０１は、第１支持部１３ａ、及び第１接続配線１５ａを介して、第１電極部１２ａと電気的に接続される。第２支持部１３ｂは、例えば第２端子１１２と接してもよく、この場合、第２配線１０２は、第２支持部１３ｂ、及び第２接続配線１５ｂを介して、第２電極部１２ｂと電気的に接続される。これらにより、各電極部１２ａ、１２ｂと外部配線との電気的接続を容易に実施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、各支持部１３ａ、１３ｂと接する各端子１１１、１１２等を容易に設けることが可能となる。これにより、各電極部１２ａ、１２ｂ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。
本実施形態によれば、上述した実施形態と同様に、接続配線１５は、第１基板１１ａと支持部１３との間、又は、第２基板１１ｂと支持部１３との間に挟まれ、第１電極部１２ａと接する。このため、接続配線１５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と接続される接続配線１５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、上述した実施形態と同様に、接続配線１５は、第１基板１１ａと支持部１３との間、又は、第２基板１１ｂと支持部１３との間に挟まれる。このとき、接続配線１５の厚さを均一にした状態で、支持部１３と各基板１１ａ、１１ｂの何れかとの間に挟ませることができる。このため、各電極部１２ａ、１２ｂの間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。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を図ることが可能となる。
また、本実施形態によれば、第１支持部１３ａ及び第２支持部１３ｂは、導電性を有する。このため、各電極部１２ａ、１２ｂと電気的に接続させる部分として、各支持部１３ａ、１３ｂを用いることができる。これにより、各電極部１２ａ、１２ｂと外部配線との電気的接続や、熱電素子１の検査等を実施する際の接続部分を増やすことができ、さらに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。
＜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１２（ａ）～図１２（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１２（ｅ）～図１２（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１２（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１２（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１２（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１２（ｂ）に示す電子機器５００は、電池の交換が不要である。
図１２（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１２（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１２（ｅ）～図１２（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１２（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１２（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１２（ａ）～図１２（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
１４ ：中間部
１４ａ ：ギャップ部
１５ ：接続配線
１５ａ ：第１接続配線
１５ａａ ：第１接続部
１５ｂ ：第２接続配線
１５ｂａ ：第２接続部
１６ ：貫通孔
１７ ：封止部
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
１４１ ：ナノ粒子
１４１ａ ：絶縁膜
１４２ ：溶媒
５００ ：電子機器
５０１ ：電子部品
５０２ ：主電源
５０３ ：補助電源
Ｒ ：負荷
Ｓ１１０ ：支持部形成工程
Ｓ１２０ ：電極部形成工程
Ｓ１３０ ：接続配線形成工程
Ｓ１４０ ：積層工程
Ｓ１５０ ：中間部形成工程
Ｚ ：第１方向
Ｘ ：第２方向
Ｙ ：第３方向
ｅ ：電子
１１ ：基板
１１ａ ：第１基板
１１ａｆ ：第１主面
１１ｂ ：第２基板
１１ｂｆ ：第２主面
１２ａ ：第１電極部
１２ｂ ：第２電極部
１３ ：支持部
１３ａ ：第１支持部
１３ｂ ：第２支持部
１４ ：中間部
１４ａ ：ギャップ部
１５ ：接続配線
１５ａ ：第１接続配線
１５ａａ ：第１接続部
１５ｂ ：第２接続配線
１５ｂａ ：第２接続部
１６ ：貫通孔
１７ ：封止部
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
１４１ ：ナノ粒子
１４１ａ ：絶縁膜
１４２ ：溶媒
５００ ：電子機器
５０１ ：電子部品
５０２ ：主電源
５０３ ：補助電源
Ｒ ：負荷
Ｓ１１０ ：支持部形成工程
Ｓ１２０ ：電極部形成工程
Ｓ１３０ ：接続配線形成工程
Ｓ１４０ ：積層工程
Ｓ１５０ ：中間部形成工程
Ｚ ：第１方向
Ｘ ：第２方向
Ｙ ：第３方向
ｅ ：電子
Claims (17)
- 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、
第１主面を有する第１基板と、
前記第１主面と第１方向に離間して設けられ、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、
前記第１主面上に設けられ、前記第２基板と離間する第１電極部と、
前記第２主面上に設けられ、前記第１基板及び前記第１電極部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部と、
前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられる支持部と、
前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１電極部と接する第１接続配線と、
前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１接続配線と離間し、前記第２電極部と接する第２接続配線と、
を備え、
前記第１基板の前記第１主面の面積は、前記第２基板の前記第２主面の面積よりも大きく、
前記第１接続配線及び前記第２接続配線は、前記支持部よりも外部側における前記第１主面に接すること
を特徴とする熱電素子。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、
第１主面を有する第１基板と、
前記第１主面と第１方向に離間して設けられ、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、
前記第１主面上に設けられ、前記第２基板と離間する第１電極部と、
前記第２主面上に設けられ、前記第１基板及び前記第１電極部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部と、
前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられる支持部と、
前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１電極部と接する第１接続配線と、
前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１接続配線と離間し、前記第２電極部と接する第２接続配線と、
を備え、
前記支持部は、
前記第１接続配線と接する第１支持部と、
前記第２接続配線と接し、前記第１接続配線及び前記第１支持部と離間する第２支持部と、
を有すること
を特徴とする熱電素子。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、
第１主面を有する第１基板と、
前記第１主面と第１方向に離間して設けられ、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、
前記第１主面上に設けられ、前記第２基板と離間する第１電極部と、
前記第２主面上に設けられ、前記第１基板及び前記第１電極部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部と、
前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられる支持部と、
前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１電極部と接する第１接続配線と、
前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも何れかを前記第１方向に貫通する貫通孔と、
を備えること
を特徴とする熱電素子。 - 前記支持部は、
前記第１接続配線と接する第１支持部と、
前記第２接続配線と接し、前記第１接続配線及び前記第１支持部と離間する第２支持部と、
を有すること
を特徴とする請求項１記載の熱電素子。 - 前記第１支持部及び前記第２支持部は、導電性を有すること
を特徴とする請求項２又は４記載の熱電素子。 - 前記第１支持部及び前記第２支持部は、前記第１基板及び前記第２基板の何れかと一体に設けられること
を特徴とする請求項２又は４記載の熱電素子。 - 前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも何れかを前記第１方向に貫通する貫通孔をさらに備えること
を特徴とする請求項１又は２記載の熱電素子。 - 前記第１電極部と、前記第２電極部との間の電極間ギャップは、１０μｍ以下であり、
前記ナノ粒子の直径は、前記電極間ギャップの１／１０以下であること
を特徴とする請求項１～７の何れか１項記載の熱電素子。 - 前記ナノ粒子は、表面に設けられた絶縁膜を有し、
前記絶縁膜の厚さは、２０ｎｍ以下であること
を特徴とする請求項１～８の何れか１項記載の熱電素子。 - 前記中間部は、６０℃以上の沸点を有する溶媒を含むこと
を特徴とする請求項１～９の何れか１項記載の熱電素子。 - 前記中間部は、前記ナノ粒子のみが充填された状態を示すこと
を特徴とする請求項１～９の何れか１項記載の熱電素子。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を備えた発電装置であって、
前記熱電素子は、
第１主面を有する第１基板と、
前記第１主面と第１方向に離間して設けられ、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、
前記第１主面上に設けられ、前記第２基板と離間する第１電極部と、
前記第２主面上に設けられ、前記第１基板及び前記第１電極部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部と、
前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられる支持部と、
前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１電極部と接する第１接続配線と、
前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１接続配線と離間し、前記第２電極部と接する第２接続配線と、
を備え、
前記第１基板の前記第１主面の面積は、前記第２基板の前記第２主面の面積よりも大きく、
前記第１接続配線及び前記第２接続配線は、前記支持部よりも外部側における前記第１主面に接すること
を特徴とする発電装置。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子と、前記熱電素子を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品と、を含む電子機器であって、
前記熱電素子は、
第１主面を有する第１基板と、
前記第１主面と第１方向に離間して設けられ、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、
前記第１主面上に設けられ、前記第２基板と離間する第１電極部と、
前記第２主面上に設けられ、前記第１基板及び前記第１電極部と離間し、前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部と、
前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられる支持部と、
前記第１電極部と、前記第２電極部との間に設けられ、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１電極部と接する第１接続配線と、
前記第１基板と前記支持部との間、又は、前記第２基板と前記支持部との間に挟まれ、前記第１接続配線と離間し、前記第２電極部と接する第２接続配線と、
を備え、
前記第１基板の前記第１主面の面積は、前記第２基板の前記第２主面の面積よりも大きく、
前記第１接続配線及び前記第２接続配線は、前記支持部よりも外部側における前記第１主面に接すること
を特徴とする電子機器。 - 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、
第１基板の第１主面上、及び第２基板の第２主面上の少なくとも何れかに、支持部を形成する支持部形成工程と、
前記第１主面上に第１電極部を形成し、前記第２主面上に前記第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部を形成する電極部形成工程と、
前記支持部上、及び前記第１電極部上に第１接続配線を形成する接続配線形成工程と、
前記第１電極部と、前記第２電極部とを第１方向に離間して対向するように、前記支持部及び前記第１接続配線を介して、前記第１基板上に前記第２基板を積層する積層工程と、
前記第１電極部と、前記第２電極部との間に、前記第１電極部の仕事関数と、前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を形成する中間部形成工程と、
を備えること
を特徴とする熱電素子の製造方法。 - 前記接続配線形成工程は、前記支持部上、及び前記第２電極部上に、前記第１接続配線と離間する第２接続配線を形成することを含むこと
を特徴とする請求項１４記載の熱電素子の製造方法。 - 前記支持部は、
前記第１接続配線と接する第１支持部と、
前記第２接続配線と接し、前記第１接続配線及び前記第１支持部と離間する第２支持部と、
を有し、
前記接続配線形成工程は、
前記第１主面上における前記第１接続配線と離間した位置に、前記第１接続配線と同じ材料の第２接続部を形成し、
前記第２主面上における前記第２接続配線と離間した位置に、前記第２接続配線と同じ材料の第１接続部を形成すること
を含み、
前記積層工程は、
前記第１支持部上に形成された前記第１接続配線と、前記第１接続部とを接合し、
前記第２支持部上に形成された前記第２接続配線と、前記第２接続部とを接合すること
を含むこと
を特徴とする請求項１５記載の熱電素子の製造方法。 - 前記支持部形成工程は、前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも何れかの一部を除去して前記支持部を形成することを含むこと
を特徴とする請求項１４～１６の何れか１項記載の熱電素子の製造方法。
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