JPH04151882A - 薄膜熱電素子 - 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】 （ａｌ産業上の利用分野 この発明は、赤外線センサ、温度セン・す゛、熱セン・
す・などに用いられる小型で高感度な薄膜熱電素子に関
する。

（ｂ）従来の技術 従来より、赤外線センリ°、温度セン・す、熱セン・υ
などとして用いられる熱電対を多数直列接続した所謂・
す”−モバイル型熱電素子が開発されている一般に゛す
゛−モバイル型熱電素子は、熱電材料が多数直列接続さ
れ、温度差から生じる熱起電力が加算される構造を有し
、大きな熱起電力が得られる。これにより高効率の熱電
力変換素子や微少温度差を検知する高感度なセン・す・
とじて利用することができる。特にセンサ用途には小型
化、高感度化、高応答速度化、のために主に薄膜型の熱
電素子が用いられる。

従来の薄膜熱電素子はｎ型熱材料からなる薄膜パターン
とｐ型熱電材料からなる薄膜パターンとを絶縁基板上に
形成し、さらに電極を形成することによって熱電対を直
列接続している。

（Ｃ１発明が解決しようとする課題 このような従来の・す・−モバイル型の薄膜熱電素子は
、その高感度化のために種々の熱電材料が用いられ、温
度セン・す°や熱センサとしては十分実用できるものが
得られているが、赤外線を検知するセン・す°としては
従来から用いられている焦電型赤外線センソ・に比較し
てまだその感度が低い。

この発明の目的は、赤外線をも十分に検知できる高感度
な薄膜熱電素子を提供することにある。

（ｄ１課題を解決するための手段 前記目的達成のためにはゼーベック係数の高い熱電材料
を用いることは当然であるが、熱電対数を如何に増加さ
−Ｕるかが重要である。発明者らは、熱電材料を薄膜化
し且つ立体製膜することによって、従来と同一・す・イ
ズでより高感度なサーモパイル型の薄膜熱電素子が得ら
れることを見出したこの発明の請求項（１）に係る薄膜
熱電素子は、絶縁基板上に複数の熱電対の片方の導体を
構成するｎ型またはｐ型の半導体薄膜パターンが形成さ
れ、温冷接部を除く上記半導体薄膜パターン上に薄膜絶
縁層が形成され、この薄膜絶縁層上に、上記温冷接部を
介して接続され複数の熱電対を構成するｐ型またはｎ型
の半導体薄膜パターンが形成されてなる。

また請求項（２）に係る薄膜熱電素子は、薄膜絶縁層と
、この薄膜絶縁層を介するｎ型およびｐ型の半導体薄膜
パターンによって複数の熱電対直列回路を構成するとと
もにこれを東位層とし、薄膜絶縁層を介して上記単位層
を多層化するとともに上記熱電対直列回路を直列接続し
たことを特徴とする。

（８１作用 この発明の請求項（１）に係る薄膜熱電素子では、絶縁
基板上において、熱電対の片方の導体を構成するｎ型ま
たはｐ型の半導体薄膜パターンが形成され、この半導体
薄膜パターン上に薄膜絶縁層を介してさらに熱電対の他
方の導体を構成するｐ型またはｎ型の半導体薄膜パター
ンが形成されている。温冷接部には上記薄膜絶縁層が形
成されていなく、薄膜絶縁層下層のｎ型またはｐ型の半
導体薄膜パターンと薄膜絶縁層上層のｐ型またはｎ型の
半導体薄膜パターンとによって複数の熱電対の直列回路
が構成される。このように熱電対を構成する半導体材料
が薄膜パターンとして形成されているため、容易に微細
化することができ、しかも絶縁層を介して熱電対が立体
製膜されているため単位面積当たりの熱電対数が増大し
これにより高感度な薄膜熱電素子が得られる。

また、請求項（２）に係る薄膜熱電素子では、薄膜絶縁
層を介してその上層と下層に形成されている半導体薄膜
パターンとによって複数の熱電対直列回路が構成され、
この層構造を１単位として、複数の単位層構造が薄膜絶
縁層を介して多層化され、各単位層間で電気的に接続さ
れることによって多数の熱電対が直列接続された薄膜熱
電素子が得られる。この構造によれば単位面積当たりの
熱電対数を飛躍的に高めることができる。

（ｆｌ実施例 第１の実施例として請求項（１）に相当する薄膜熱電素
子の構造およびその製造途中の状態を第１図〜第４図に
示す。

先ず、ｎ型とｐ型の半導体薄膜パターン形成用のターゲ
ットを作成するため、ｎ型ターゲット材料として、Ｆｅ
３３ｍｏ１％、Ｓｉ３３ｍｏ１％、Ｃｏｌｍｏｌ％の各
粉末を混合し、またｐ型用ターゲット材料としてＦｅ３
３ｍｏ１％、５ｉ３３　　ｍｏ１ン６、Ｍｎ　　１　ｍ
ｏ１％の各粉末を混合し、それぞれ高周波溶解炉により
１６００℃で溶解する。そしてそれぞれ円板状の砂型に
鋳込み冷却する。冷却後、円板状インゴットの表面を研
磨してｎ型とｐ型の珪化鉄半導体ターゲン１〜を作成す
る。

次に、マスクを用いて第１図に示ずよ・うにＳｉＯ２絶
縁基板１の上に上記ｐ型珪化鉄ターゲットをＡｒ中でＲ
Ｆスパッタリングして図中２で示す形状のｐ型半導体薄
膜パターンを成膜する。この時のスパンタリング条件は
次のとおりである。

基板温度＝３００℃ 高周波出カニｓｏｏｗ〜１．ＳｋＷ レート：１〜１０μｍ／ｂｒ 続いて、Ｓｉターゲットを用いＡｒ−０２中でＲＦスパ
ックリングすることによって、第２図に示すように半導
体薄膜パターンの温冷接部２ａ。

２ｂを除く半導体薄膜パターンの上部に５ｉＯ７絶縁層
３を形成する。このときのスパッタリング条件は次のと
おりである。

基板温度；１５０°Ｃ 高周波出カニ５００Ｗ〜１．５ｋＷ レート：２〜２０ｐｍ／Ｉ）ｒ 続いて、マスクを用いて、前記ｎ型珪化鉄ターゲットを
Ａｒ中でＲＦスパッタリングすることによって、第３図
に示すように基板１、ｐ型半導体薄膜パターンの温冷接
部および絶縁層３の上部に図中４で示す形状のｎ型半導
体薄膜パターンを成膜する。第３図において２Ｔは下層
に設けられているｐ型半導体薄膜パターンの温冷接部の
終端、４Ｔは上層のｎ型半導体薄膜パターンの温冷接部
の終端である。なお、このときのスパッタリング条件は
次のとおりである。

基板温度二３００°Ｃ 高周波出カニ５００Ｗ〜１．５ｋＷ レート：　１〜１０　μｍ／ｌ−ｔ　ｒこのように絶縁
層３を介してｐ型半導体薄膜パターンとｎ型半導体薄膜
パターンとからなる複数の熱電対直列回路を構成する。

その後、マスクを用いて例えばＮｉ電極からなるリード
取付端子５，５を蒸着する。

第１図〜第４図では図面を明瞭化するため熱電対数を少
なく描いたが、５　ｎｌ　Ｉｎｎ角板板１００対の熱電
対を有する薄膜熱電素子を作成し、その感度を言１測し
たところ約１００　Ｖ／Ｗが得られた。

第２の実施例として請求項（２）に相当する薄膜熱電素
子の構造および製造途中の状態を第５図〜第１０図に示
す。

まず、第１の実施例と同様にｎ型珪化鉄ターゲットとｎ
型珪化鉄ターケソトを作成し、第１図に示したように絶
縁基板１上にｎ型半導体薄膜パターン２を成膜する。こ
のときのスパッタリング条件は第１の実施例に示した条
件と同様である。続いて第２図に示したように温冷接部
２ａ、２ｂを除くｐ型半導体薄膜パターンの上部に絶縁
層３を形成する。

続いてマスクを用いてｎ型珪化鉄ターゲットをＡｒ中で
ＲＦスパッタリングすることによって、第５図に示すよ
うに基板工、ｐ型半導体薄膜パターンの温冷接部および
絶縁層３上にｎ型半導体薄膜パターン４を成膜する。こ
のときのスパッタリング条件も第１の実施例に示した条
件と同様である。

このようにして絶縁層３を介してｐ型半導体薄１１ｇハ
ターンとｎ型半導体薄膜パターンとによる複数の熱電対
直列回路を構成する。なお、第５図において２Ｔａおよ
び２Ｔｂはそれぞれｐ型半導体薄膜パターンの温冷接部
であり、１層目の熱電対直列回路の終端および始端であ
る。

続いて、マスクを用いＳｉターゲットをＡｒＯ２中でＲ
Ｆスパッタリングすることによって第６図に示すように
熱電対直列回路の端部２ＴａおｉＱ２絶縁層３の成膜条
件と同様である。尚、第６図以降の図では下層の絶縁１
層３を省略する。

続いて、マスクを用いてｎ型珪化鉄ターゲット・をＡ　
ｒ中でＲＦスパッタリングすることによって第７図に示
すように絶縁層６の上部にｐ型半唇体薄膜パターン７を
成膜する。これによりｐ型半導体薄膜パターンの一部７
Ｔａを第６図に示した２Ｔａに接続する。このときのス
パッタリング条件は下層のｎ型半導体薄膜パターン２成
膜である。

続いて、マスクを用いてＳｉターリ°ソトをＡｒＯ□中
でＲＦスパッタリングすることによって第８図に示すよ
うにｐ型半導体薄膜パターンの温冷接部７ａ，７ｔ＋を
除く領域にＳｉＯ□絶縁層８を形成する。このときのス
パッタリング条件は下層の５ｉｎ２絶縁膜３，６の成膜
条件と同様である。尚、第８図以降の図では下層の絶縁
膜６を省略する。

続いて、マスクを用いてｎ型珪化鉄ターゲットをＡｒ中
てＲＦスパッタリングすることによって第９図に示すよ
うにｐ型半導体薄膜パターンの温冷接部、絶縁層８の上
部にｎ型半導体薄膜パターン９を成膜する。このときの
スパンタリング条件は下層のｎ型半導体薄膜パターン４
成膜時と同様である。なお、第９図において９Ｔａは最
上層に設けられているｎ型半導体薄膜パターンの終端で
ある。このようにして熱電対直列回路を全体として２層
形成する。

その後、マスクを用いてＮｉ電極を蒸着することによっ
てリード取り付は端子１０．１０を形成する。

第１Ｏ図に示した構造において５　ｍ　ｒｒ＋角基板基
板００対の熱電対を有する薄膜熱電素子を作成し、その
感度を計測したところ約１９０　Ｖ／Ｗが得られた。

（ｇ１発明の効果 この発明によれば、単位面積当たりの熱電対数を飛躍的
に増加さゼることができ、小型で高感度な薄膜熱電素子
が得られ、これを赤外線センソ°としても利用すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は第１および第２の実施例に係る薄膜熱
電素子の製造途中の状態を表す平面図、第３図および第
４図は第１の実施例に係る薄膜熱電素子の製造途中の状
態を表す平面図および完成した薄膜熱電素子の平面図で
ある。第５図〜第９図は第２の実施例に係る薄膜熱電素
子の製造途中の状態を表す平面図、第１０図は完成した
薄膜熱電素子の平面図である。 絶縁基板、 ７−ｐ型半導体薄膜パターン、 ６．８−絶縁層、 Ｑ　　ｒｓ型半導体薄膜パターン、 １０−リード取イ」端子。 ■ （υ ■ ■ 、Ｏ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁基板上に複数の熱電対の片方の導体を構成す
   るｎ型またはｐ型の半導体薄膜パターンが形成され、温
   冷接部を除く上記半導体薄膜パターン上に薄膜絶縁層が
   形成され、この薄膜絶縁層上に、上記温冷接部を介して
   接続され複数の熱電対を構成するｐ型またはｎ型の半導
   体薄膜パターンが形成されてなる薄膜熱電素子。
2. （２）前記薄膜絶縁層と、この薄膜絶縁層を介する前記
   ｎ型およびｐ型の半導体薄膜パターンからなる単位層構
   造により複数の熱電対直列回路を構成し、上記単位層構
   造を薄膜絶縁層を介して多層化するとともに上記熱電対
   直列回路を直列接続したことを特徴とする請求項（１）
   記載の薄膜熱電素子。