JPH0193182A - 熱起電力素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、セラミック半導体を用いた熱起電力素子に
関するもので、特に、全体として取出される熱起電力の
増大を図るため、ｎ型セラミック半導体とｐ型セラミッ
ク半導体とを電気的に直列接続した、熱起電力素子に関
するものである。

［従来の技術］ 各種の物質が熱雷能を持つことは広く知られている。ま
た、この熱雷能によって発生する起電力を利用するもの
として、熱雷対や熱発電素子等があり、これらは、既に
広く実用化されている。なお、このような実用に足りる
特性値を持つ物質としては、金属・金属間化合物、半金
属化合物、半導体がある。

上述した物質の中で、半導体は、他の物質に比べて、熱
電能が大きく、さらに半導体内の多数キャリアの極性に
応じて、正または負の起電力を持っている。すなわち、
ｎ型キャリアの場合は高温側が正となり、ｐ型キャリア
の場合は高温側が負となる。このようなｎ型とｐ型の半
導体を接合し、接合部を温度接点とすることにより、全
体として取出される熱起電力を増大させ得ることは、公
知の手段である。たとえば、鉄ケイ素化合物に鉄および
ケイ素の酸化物を混入して半導体化して、ｐｎ接合を形
成する場合には、原料粉末を混合、加圧成形した後に焼
結を行ない、ｐｎ接合を得る。また、シリコン基板に半
導体プロセスを用いてｐｎ接合を形成する場合には、イ
オン打込みやＣＶＤ等の技術によりｐｎ接合を形成して
いる。

［発明が解決しようとする問題点コ 一方、同じ半導体の範鴎に入るものであっても、セラミ
ック半導体の場合は、ｐ型セラミック半導体とｎ型セラ
ミック半導体との接合の形成は、前述したようなセラミ
ック以外の半導体のように容品には行なえない場合が多
い。

すなわち、金属酸化物セラミックの金属原子を過剰また
は不足状態として半導体化させたセラミック半導体の場
合は、ｐｎ接合部にもとの金属酸化物層が形成され、し
たがって素子抵抗が極めて増大し、実用となる素子が得
られない場合が多い。

また、原子価制御により半導体化させたセラミック半導
体においても、添加物の拡散により、ｐｎ接合が十分に
形成されない場合がある。

以上は、セラミック半導体の焼成時にｐｎ接合を形成す
る場合について述べたものであるが、焼成後のセラミッ
ク半導体を後で電気的に接続して、このような接続部を
介してｐｎ接合を実現する方法もある。しかしながら、
焼成後のセラミック半導体は、直接、半田付けを行なう
ことができず、適当な手段によりメタライズした後に半
田付けをする必要があった。たとえば、特開昭５４−１
１４０９０号公報に開示される技術では、第６図に示す
ように、還元性酸化チタンからなる複数個のセラミック
半導体１〜４の多段直列接続による出力の増大を図るた
め、各セラミック半導体１〜４に、蒸着、厚膜印刷等の
方法でオーミック性の電極５〜１２をそれぞれ形成し、
導線１３〜１７を用いて、各電極５〜１２に順次半田付
けを行なうことにより、セラミック半導体１〜４の直列
接続を行なっていた。したがって、この従来技術では、
各セラミック半導体１〜４間の電気的接続が煩雑になる
とともに、素子としてのコンパクト性に欠けるという問
題点があった。

そこで、この発明は、複数個のセラミック半導体の電気
的接続が容易に達成されるとともに、コンパクト化また
は小形化が容易な、熱起電力素子を提供しようとするも
のである。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、全体として取出される熱起電力の増大を図
るため、口型セラミック半導体とｐ型セラミック半導体
とを電気的に直列接続した、熱起電力素子に向けられる
ものであって、上述した問題点を解決するため、次のよ
うな構成を備えることが特徴である。

すなわち、前記ｎ型およびｐ型セラミック半導体がそれ
ぞれ板状部材として構成され、かつ前記板状部材は、そ
の隣り合うものの相対向する少なくとも一方の面に厚膜
印刷およびその後の焼成により形成された絶縁層および
直列接続用導体層を介して積層化されていることを主成
分とする、ものである。

［発明の作用および効果］ この発明によれば、ｎ型およびｐ型セラミック半導体が
それぞれ板状部材として構成されるとともに、これら板
状部材が積層された構造をとるので、多数のｎ型および
ｐ型セラミック半導体が組合わされたとしても、熱起電
力素子全体として、小形化またはコンパクト化を図るこ
とができる。

このように素子が小形化されたときには、また、熱容量
を小さくでき、素子に対して与えられる温度勾配をより
敏感に検知することができるようになる。

また、全体として取出される熱起電力の増大を図るため
のｎ型およびｐ型セラミック半導体の電気的な直列接続
は、積層された板状部材の隣り合うものの間で、絶縁層
により不所望な部分での接触を避けながら、導体層を介
して行なわれているため、導線を用いて半田付けすると
いった煩雑な接続作業は不要となる。

なお、好ましい実施例では、絶縁層および導体層の厚膜
印刷後であって焼成前に、板状部材は積層状態とされる
。そして、絶縁層および導体層の焼成によって、板状部
材の積層状態が固定される。

このような構成を採用することにより、絶縁層および導
体層は、本来の電気的機能の他に、積層化された板状部
材相互を固定するための接合材としても機能させること
ができる。

また、好ましくは、ｎ型セラミック半導体はＢａ−Ｔｉ
系酸化物を主成分とするものが用いられ、ｐ型セラミッ
ク半導体はＮ１−Ｍｎ−Ｃｕ系酸化物を主成分とするも
のが用いられる。

さらに、導体層はオーミック接合電極を構成することが
なお好ましい。このようなオーミック接合電極とされる
と、ｐｎ接合が当該オーミック接合電極を介して行なわ
れるため、ｐｎ接合による整流特性が現われず、したが
って、素子に加わる温度勾配の向きに制限がなくなる。

［実施例コ 第１図は、この発明の一実施例の熱起電力素子２０の外
観を示す斜視図である。第１図では詳細に図示されてい
ないが、この熱起電力素子２０は、外部端子２１および
２２間において取出される全体としての熱起電力の増大
を図るため、ｎ−型セラミック半導体とｐ型セラミック
半導体とを多段直列接続した構造を有している。第１図
に示した熱起電力素子２０の構造を明らかにするため、
以下に、第２図ないし第５図を参照して、その製造方法
について説明する。

まず、第２図に示すように、ｎ型およびｐ型セラミック
半導体は、それぞれ、板状部材２３として用意される。

この段階では、板状部材２３を構成するセラミック半導
体は既に焼成を終えている。

次に、第３図に示すように、板状部材２３の一方面であ
って、長手方向の一方端に偏った位置に、導体層２４が
厚膜印刷により形成される。

次に、第４図に示すように、板状部材２３の導体層２４
が形成された面において、導体層２４が形成された領域
を除いたほぼ全領域に、絶縁層２５が、厚膜印刷により
形成される。

なお、導体層２４と絶縁層２５との形成順序は逆であっ
てもよい。

次に、第４図のようにして得られた板状部材２３は、第
５図に示す位置関係をもって積層される。

第５図において、ｐ型セラミック半導体からなる板状部
材はｒ２３ｐＪで表わされ、ｎ型セラミック半導体で構
成される板状部材はｒ２３ｎＪで表わされている。ｐ型
の板状部材２３ｐとｎ型の板状部材２３ｎとは、交互に
積層されている。そして、ｐ型の板状部材２３ｐにおけ
る導体層２４の位置と、ｎ型の板状部材２３ｎにおける
導体層２４の位置とは、板状部材２３ｐおよび２３ｎの
長手方向における互いに逆の端部に位置するようにされ
ている。

複数個の板状部材２３ｐおよび２３ｎが積層されてから
、厚膜印刷により形成された導体層２４および絶縁層２
５の焼成が実施される。これによって、複数個の板状部
材２３ｐおよび２３ｎの積層状態が機械的に固定される
。

このようにして積層され一体化されたとき、第１図に示
すような熱起電力素子２０が得られる。

この熱起電力素子２０において、複数個の板状部材２３
ｐおよび２３ｎは、それぞれの長手方向を通して、導体
層２４によって直列接続される。

このように直列接続された板状部材２３ｐまたは２３ｎ
の両端部に位置するものからは、第１図に示すように、
外部端子２１および２２がそれぞれ取出される。第１図
において、一方の外部端子２１は、たとえば第５図との
関連で説明すると、第５図の左端にある板状部材２３ｐ
に形成された導体層２４に直接接続される。他方、もう
一方の外部端子２２については、これが接続される導体
層２６を、この端部に位置する板状部材が第５図の板状
部材２３ｐであれば、当該板状部材２３ｐにおける導体
層２４が形成された面と逆の面であって、導体層２４が
形成された位置とは板状部材２３ｐの長平方向の逆の端
部に形成すればよい。

また、この端部に位置する板状部材が第５図の板状部材
２３ｎであれば、この板状部材２３ｎに形成された導体
層２４を逆の面にまで引き出して、ここを導体層２６と
すればよい。あるいは、端部に位置する板状部材が板状
部材２３ｎである場合には、第１図に示した導体層２６
を、長平方向の逆の端部に形成してもよい。

次に、この発明を、より具体化した実験例に基づいて説
明する。

まず、ｎ型セラミック半導体にはＢａ　ＴＩ　Ｏ３にサ
マリウムを添加した正特性サーミスタ材料を用いた。ま
た、ｎ型セラミック半導体にはＮｉＭｎ２０４にＣｕＯ
を添加したものを用いた。これらの材料で構成されたと
き、ｎ型セラミック半導体の熱電能は、２０℃で、７３
０μＶ／にであり、ｎ型セラミック半導体では、２０℃
で、−１６０μＶ／にであった。これらｎ型およびｎ型
セラミック半導体からなる板状部材の片面に、導体層と
してオーミック銀ペーストを、絶縁層としてガラスフリ
ットペーストを、それぞれスクリーン印刷法で印刷した
。これら印刷ペーストの乾燥後、各板状部材を、ｎ型と
ｐ型とが交互にかつ電気的に直列に接続されるように積
層した。そして、ホットプレートにて加温しながら圧着
して、積層体を得た。その後、積層体を、８００℃に設
定されたトンネル炉にて焼成し、焼結された積層体を得
た。

なお、積層枚数は１０枚であった。

この試料に、２０℃の雰囲気中で、５℃の温度差を両端
に与えたところ、８．４　ｍＶ／にの熱起電力が得られ
た。

なお、上述した実施例の説明では、製造途中において、
板状部材の一方面に絶縁層および導体層が共に形成され
ていたが、導体層が形成される面と絶縁層が形成される
面とを互いに逆にして、結果として相隣り合う板状部材
の間に絶縁層および導体層が介在するようにしてもよい
。また、板状部材の両面に、導体層および絶縁層をそれ
ぞれ形成したものを用いてもよい。また、板状部材を積
層する前に、厚膜印刷により形成された絶縁層および導
体層を焼成して、積層状態の機械的な固定のための手段
として、別の材料または部材を用いてもよい。

なお、この発明に係る熱起電力素子においては、導体層
を介して直列接続が達成されるため、等価直列抵抗が増
大する傾向にあるが、これを、たとえば、熱流センサ、
赤外線センサ、等の検知素子として用いる場合には、こ
のような等価直列抵抗はそれほど問題ではなく、むしろ
、素子出力の増大により得られる感度向上が大きなメリ
ットとなるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係る熱起電力素子の外
観を示す斜視図である。第２図、第３図、第４図および
第５図は、第１図に示した熱起電力素子の製造方法を説
明するための図である。第６図は、従来の多段直列接続
構造を持つ熱起電力素子を図解的に示す斜視図である。 図において、２０は熱起電力素子、２１．　２２は外部
端子、２３．２３ｐ、２３ｎは板状部材、２４は導体層
、２５は絶縁層である。 （ほか２名） 第１１り 窩２図　　　第３■　　　あ４０ 第５（２）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）全体として取出される熱起電力の増大を図るため
   、ｎ型セラミック半導体とｐ型セラミック半導体とを電
   気的に直列接続した、熱起電力素子において、 前記ｎ型およびｐ型セラミック半導体がそれぞれ板状部
   材として構成され、かつ前記板状部材は、その隣り合う
   ものの相対向する少なくとも一方の面に厚膜印刷および
   その後の焼成により形成された絶縁層および直列接続用
   導体層を介して積層化されていることを特徴とする、熱
   起電力素子。
2. （２）前記板状部材は、前記絶縁層および前記導体層の
   前記厚膜印刷後であって前記焼成前に、積層状態とされ
   る、特許請求の範囲第１項記載の熱起電力素子。
3. （３）前記絶縁層および前記導体層の前記焼成によって
   、前記板状部材の積層状態が機械的に固定される、特許
   請求の範囲第２項記載の熱起電力素子。
4. （４）前記ｎ型セラミック半導体はＢａ−Ｔｉ系酸化物
   を主成分とし、前記ｐ型セラミック半導体はＮｉ−Ｍｎ
   −Ｃｕ系酸化物を主成分とする、特許請求の範囲第１項
   ないし第３項のいずれかに記載の熱起電力素子。
5. （５）前記導体層はオーミック接合電極を構成する特許
   請求の範囲第１　項ないし第４項のいずれかに記載の熱
   起電力素子。