WO2025258265A1 - 熱電デバイス及び熱電デバイスの製造方法 - Google Patents

熱電デバイス及び熱電デバイスの製造方法

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magnetic
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linear
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偉男 周
裕太郎 田畑
勝久 田口
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National Institute for Materials Science
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices

Definitions

  • thermoelectric devices such as heat flow sensors and power generation devices, as well as methods for manufacturing thermoelectric devices, which utilize the anomalous Nernst effect.
  • thermoelectric conversion functionality Devices that can convert thermal energy into electrical energy, or electrical energy into thermal energy, are known.
  • An example of a device with such thermoelectric conversion functionality is the heat flow sensor.
  • Heat flow sensors are expected to be used in applications such as high-speed temperature control of home appliances and automotive equipment, green building construction to detect thermal energy loss in walls, and in the medical field for deep temperature measurement and exhaled breath temperature monitoring.
  • heat flow sensors that utilize the anomalous Nernst effect, a thermoelectric effect that occurs in magnetic materials are easier to fabricate than conventional heat flow sensors, and are devices that can easily be made large-area and flexible. They are expected to be new sensors that solve the problems of conventional heat flow sensors that utilize the Seebeck effect.
  • the anomalous Nernst effect is a thermoelectric phenomenon in which, when a temperature gradient (heat flow) is applied to a magnetic material, an electric field is generated in a direction perpendicular to the magnetization and temperature gradient.
  • Heat flow sensors that utilize the anomalous Nernst effect have a structure in which thin films of linear magnetic material M1, processed into fine lines on the order of ⁇ m on a thin-film substrate or flexible sheet that serves as the base material, are connected in series in the in-plane direction of the base material by non-magnetic material N or another magnetic material M2.
  • this type of structure will be simply referred to as ⁇ M1/N(M2)>.
  • a necessary condition for measuring heat flow quantitatively is that a uniform, constant heat flow be generated in the direction perpendicular to the surface of the substrate.
  • heat non-uniformity will occur during use.
  • a constant heat flow will be generated not only in the direction perpendicular to the surface but also in the in-plane direction.
  • the voltage due to the Seebeck effect generated in the magnetic material of the thin wire and the non-magnetic material connecting it will be superimposed as an offset voltage on the voltage due to the anomalous Nernst effect.
  • This offset voltage can be significant compared to the voltage due to the anomalous Nernst effect, and may result in a large error in the detected heat flux value.
  • Heat flow sensor 10 is, for example, a sensor that detects voltage V generated based on a temperature gradient ⁇ T.
  • Heat flow sensor 10 comprises an insulating substrate 11 that serves as the base material, a magnetic material M1 for the thin wire linear body, and a non-magnetic material N for the thin wire linear body.
  • the thin wire-shaped magnetic material M1 is arranged in multiple parallel lines on the substrate 11.
  • the magnetic material M1 is a thin wire with a width of several ⁇ m to several hundred ⁇ m and a length of several mm to several hundred mm. Between these magnetic materials M1, non-magnetic material N is formed, electrically connecting the upper and lower ends of adjacent thin wires of magnetic material M1 in series.
  • Figure 1(a) shows the direction of the heat flow ⁇ T Z , the direction of the magnetization M, and the direction of the anomalous Nernst field E ANE , as well as the relationship between the external magnetic field and the voltage output, and the relationship between the heat flow density and the sensor output voltage V 0. This is a state in which no thermal non-uniformity occurs.
  • Figure 1(b) shows a state in which thermal non-uniformity occurs, heat flow occurs in the direction of ⁇ Ty, and the voltage due to the Seebeck effect is superimposed on the voltage due to the anomalous Nernst effect as an offset voltage.
  • magnetic materials M1 and M2 are magnetic materials but have different Seebeck coefficients, resulting in the Seebeck effect.
  • a heat flow occurs in the direction of ⁇ Ty, and the Seebeck effect voltage, the Seebeck electric field E M1 of M1, and the Seebeck electric field E M2 of M2, are superimposed on the voltage due to the anomalous Nernst effect as an offset voltage.
  • the electric field E M1 ⁇ the electric field E M2 the difference between the Seebeck electric fields of M1 and M2 caused by ⁇ Ty is E M1 - E M2 ⁇ 0, resulting in an offset voltage due to the Seebeck effect.
  • Patent Document 2 claims that by combining materials such that the difference in Seebeck coefficients is extremely small to create ⁇ M1/N>, it is possible to cancel offset voltages due to the Seebeck effect even when thermal non-uniformity occurs. However, even if the Seebeck coefficients are nearly equal at a certain temperature, the difference in the Seebeck coefficients changes as the operating temperature changes, and as a result, when thermal non-uniformity occurs, offset voltages due to the Seebeck effect are generated.
  • thermoelectric devices As mentioned above, it is difficult to cancel the offset voltage due to the Seebeck effect over a wide temperature range in ⁇ M1/N> and ⁇ M1/M2> type thermoelectric devices.
  • the present invention aims to provide a thermoelectric device that utilizes the anomalous Nernst effect, which can cancel the electromotive force caused by the Seebeck effect over a wide temperature range, and a method for manufacturing such a thermoelectric device.
  • This invention relates to a new structure for a heat flow sensor that utilizes the anomalous Nernst effect, which can cancel out the electromotive force caused by the Seebeck effect as described above.
  • Problems caused by the Seebeck effect arise when the sensor is constructed using two types of materials with different Seebeck coefficients: magnetic material M1/non-magnetic material N, or magnetic material M1/magnetic material M2.
  • M1 and M2 are both magnetic materials, they are different materials and cause the Seebeck effect.
  • thermoelectric device comprises an insulating substrate, a plurality of first linear bodies formed of a magnetic material and arranged parallel to each other on the insulating substrate, and a second linear body formed of a magnetic material that electrically connects adjacent magnetic materials in series, and is characterized in that the magnetic material of the first linear bodies and the magnetic material of the second linear bodies are the same material.
  • the term "same material” preferably means a material having the same component composition, crystal structure, electrical properties, thermoelectric properties, and magnetic properties.
  • thermoelectric device is characterized in that the magnetization states of the first linear body and the second linear body are controlled, the magnetization direction of the first linear body is aligned, and the magnetization direction of the second linear body is not aligned.
  • thermoelectric device comprises an insulating substrate, a plurality of first linear bodies formed of a magnetic material arranged parallel to each other on the insulating substrate, and second linear bodies formed of a magnetic material that electrically connects adjacent magnetic materials in series, wherein the magnetic material of the first linear bodies and the magnetic material of the second linear bodies are the same material, and the method is characterized in that the first linear bodies are formed, an external magnetic field is applied to align the magnetization direction, and then the second linear bodies are formed, without applying an external magnetic field.
  • thermoelectric device that utilizes the anomalous Nernst effect, which can cancel the electromotive force caused by the Seebeck effect in any temperature range, and a method for manufacturing such a thermoelectric device.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an ⁇ M1/N> type heat flow sensor.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an ⁇ M1/M2> type heat flow sensor.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an ⁇ M1-a/M1-b> type heat flow sensor.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing a state in which the magnetization of magnetic materials M1-a and M1-b is controlled.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of an experimental device. 1 is a graph showing the relationship between heat flow and Seebeck electromotive force. 1 is a graph showing the relationship between heat flow density and anomalous Nernst voltage.
  • thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • a heat flow sensor that utilizes the anomalous Nernst effect is fabricated using magnetic materials made of the same material.
  • a structure can be created in which only magnetic materials M1 with the same component composition, crystal structure, electrical properties, thermoelectric properties, and magnetic properties are connected in series (magnetic material M1/magnetic material M1; magnetic materials M1 and M1 are the same magnetic material), even if an in-plane heat flow occurs, a Seebeck voltage will not be generated and the sensor can be completely canceled out.
  • the first linear body is magnetic material M1, and multiple pieces are deposited parallel to each other on an insulating substrate. Between these magnetic materials M1, second linear bodies are deposited to electrically connect adjacent magnetic materials M1 in series.
  • thermoelectric device configuration comprising an insulating substrate 11, first linear bodies M1 formed of a magnetic material and arranged in parallel on the insulating substrate 11, and second linear bodies M1 formed of a magnetic material that electrically connects adjacent magnetic materials in series, wherein the magnetic material of the first linear bodies M1 and the magnetic material of the second linear bodies M1 are materials having the exact same component composition, crystal structure, electrical properties, thermoelectric properties, and magnetic properties.
  • the same material is sufficient as long as it has at least the same component composition, crystal structure, and thermoelectric properties.
  • the anomalous Nernst voltage will be canceled out and the output will be zero.
  • an external magnetic field is applied to align the magnetization direction, and then the second linear body (M1-b) is formed under exactly the same process conditions as the M1-a line.
  • thermoelectric device configuration characterized by controlling the magnetization states of the first linear body and the second linear body, with the magnetization direction of the first linear body being aligned and the magnetization direction of the second linear body not being aligned.
  • the Seebeck coefficient shown below differs in a sensor in which thin wires of magnetic material M1 and non-magnetic material N are alternately connected in series ( ⁇ M1/N> type heat flow sensor), or in a sensor in which two types of magnetic materials M1 and M2 with thermoelectric powers of the anomalous Nernst effect having opposite signs are alternately connected in series ( ⁇ M1/M2> type heat flow sensor).
  • all the thin wires in the anomalous Nernst heat flow sensor 10 are made of magnetic material M1, which has the exact same component composition, crystal structure, electrical properties, thermoelectric properties, and magnetic properties, so that the offset voltage is theoretically zero even when an in-plane heat flow occurs (all wires are M1-type heat flow sensors). That is, the following equation is realized.
  • M1-a After patterning M1-a, an external magnetic field sufficient to align the magnetization of M1-a is applied. Even when the external magnetic field is reduced to zero, the magnetization remains as residual magnetization. Then, to connect the M1-a wires, a film of the same magnetic material M1 is formed and patterned to form M1-b. As shown in Figure 4, immediately after film formation, the residual magnetization is zero, so the anomalous Nernst voltage generated in M1-b is zero. Therefore, M1-b plays a role similar to the non-magnetic material N in an ⁇ M1/N> type heat flow sensor, and at the same time, it has the dual role of canceling out the Seebeck voltage generated in M1-a when an in-plane heat flow occurs.
  • this embodiment has the advantage of only outputting a voltage for heat flows that flow purely in the perpendicular direction. This makes it possible to detect the average heat flow density in the perpendicular direction without error, without being affected by the temperature gradient in the in-plane direction, even when heat flows in the in-plane direction, which is unavoidable in the usage environment. This makes it possible to apply this to a wide range of applications, even for measurement objects that are prone to non-uniform heat flows.
  • a heat flow sensor was fabricated using an SmCo (samarium cobalt) amorphous magnetic material, with all wires made of SmCo.
  • an SmCo/Au heat flow sensor was also fabricated as an ⁇ M1/N> type.
  • the initial wire pattern was formed using a lift-off process. First, a pattern was formed on a thermally oxidized silicon substrate using photolithography. The substrate was then placed in a sputtering device, and a 150 nm thick SmCo amorphous thin film was deposited.
  • the M1-b wire which connects the M1-a wire in series, was formed using the exact same process, using lithography, sputter deposition, and lift-off processes.
  • an ⁇ M1-a/M1-b> type heat flow sensor was completed, with the entire wire made of SmCo.
  • an ⁇ SmCo/Au> type heat flow sensor was also completed as an ⁇ M1/N> type heat flow sensor, in which the wires connected in series were made of Au.
  • Figure 5 shows the general configuration of the experimental device 100. It is capable of measuring output voltage due to a temperature gradient.
  • a copper plate 103 is placed on a Peltier temperature controller 101 via an insulating glass plate 102.
  • the copper plate 103 is also equipped with heat dissipation fins 104.
  • the anomalous Nernst heat flow sensor 10 is placed on the copper plate 103 and measurements are taken.
  • Figure 6 shows the results of measuring the Seebeck electromotive force when a heat flow is applied in the in-plane direction of the heat flow sensor.
  • the ⁇ SmCo/Au> type detected a voltage proportional to the temperature gradient, reaching 100 ⁇ V at 0.1 K/mm. This is equivalent to the anomalous Nernst voltage output when a vertical heat flow of 1000 W/ m2 is applied, indicating the possibility of Seebeck offset, which can cause significant errors in the measurement of vertical heat flow.
  • the ⁇ SmCo/SmCo> type heat flow sensor which uses an entirely SmCo wire, did not generate a Seebeck electromotive force even when a temperature gradient was applied.
  • the heat flow sensor of this embodiment can also be applied to power generation devices that generate electricity using the anomalous Nernst effect.
  • Power generation devices can be used for a variety of purposes by utilizing temperature differences. For example, it is expected to be used in clothing and bags that generate electricity by using the difference between body temperature and the outside temperature, and in spontaneous power generation recycling systems that use waste heat from computers.
  • Heat flow sensor 11. Insulating substrate M1-a. First linear body M1-b. Second linear body M1. Magnetic material N. Non-magnetic material 100. Experimental apparatus 101. Peltier temperature controller 102. Glass plate 103. Copper plate 104. Heat dissipation fin

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  • Hard Magnetic Materials (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

ゼーベック効果による起電力をキャンセルさせることができる異常ネルンスト効果を利用する熱電デバイス及び熱電デバイスの製造方法を提供する。絶縁性基板１１と、前記絶縁性基板１１上に互いに平行となるように複数並設され磁性体材料で形成された第１の線状体Ｍ１－ａと、前記隣接する磁性体材料を電気的に直列に接続する磁性体材料で形成された第２の線状体Ｍ１－ｂと、を有し、前記第１の線状体Ｍ１－ａの磁性体材料と前記第２の線状体Ｍ１－ｂの磁性体材料とは同じ材料である。

Description

熱電デバイス及び熱電デバイスの製造方法
　本発明は、熱流センサや発電デバイス等の熱電デバイス及び熱電デバイスの製造方法に係り、異常ネルンスト効果を利用するものに関する。
　熱エネルギーを電気エネルギーに、あるいは電気エネルギーを熱エネルギーに変換することのできるデバイスが知られている。このような熱電変換機能を有するデバイスとしては、例えば、熱流センサがある。熱流センサは家電、車載等の高速温度制御や壁部での熱エネルギーロスを検知するグリーンビルディング建設への応用、深部温度計測や呼気温度モニタリング等の医療分野での応用を期待されている。中でも磁性体材料で発現する熱電効果のひとつである異常ネルンスト効果を利用した熱流センサは、従来の熱流センサよりも作製しやすく、大面積化、フレキシブル化も容易なデバイスである。ゼーベック効果を利用した従来型の熱流センサの問題を解決する新規センサとして期待されている。
　異常ネルンスト効果は、磁性材料に温度勾配(熱流)が加わった際に、磁化と温度勾配の直交方向に電界を生じる熱電現象である。
　異常ネルンスト効果を利用する熱流センサは、基材となる薄膜用基板やフレキシブルシート上にμｍオーダーの細さで細線状に加工された線状体の磁性体材料Ｍ１の薄膜を非磁性体材料Ｎ、もしくは他の磁性体材料Ｍ２で繋ぎ、基材の面内方向で直列に接続させた構造を有する。このような構造を以下では、簡易的に＜Ｍ１／Ｎ（Ｍ２）＞と表記することにする。
　センサとして利用時には、基材の面直方向に一様に一定の熱流を生じることが定量性良く熱流を測定するための必要条件になる。しかし、使用上、熱の不均一性が発生することが想定される。その場合、面直方向だけではなく面内方向へ一定の熱流を生じる。そのため、細線の磁性体材料やそれを繋ぐ非磁性体材料で生じるゼーベック効果による電圧が異常ネルンスト効果による電圧にオフセット電圧として重畳することになる。このオフセット電圧は、異常ネルンスト効果による電圧に対して無視できない大きさを有し得るため、検出される熱流束の値に大きな誤差をもたらす場合がある。
　図１及び図２を参照して、このような磁性体材料Ｍ１／非磁性体材料Ｎ及び磁性体材料Ｍ１／磁性体材料Ｍ２で形成された熱流センサの概略構成について説明する。以降各図では、各部材を認識可能な大きさとするために、説明上、各部材の縮尺を適宜変更している。また、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　図１の＜Ｍ１／Ｎ＞において、熱電デバイスを示しており、一例として熱流センサ１０を示している。図１（ａ）は正常使用時の動作を示しており、図１（ｂ）は異常使用時（熱の不均一性発生）の動作を示している。熱流センサ１０は例えば、温度勾配∇Ｔに基づいて発生する電圧Ｖを検出するセンサである。熱流センサ１０は、基材となる絶縁性基板１１と、細線線状体の磁性体材料Ｍ１と、細線線状体の非磁性体材料Ｎとを備えている。
　細線線状体の磁性体材料Ｍ１は、基板１１上に互いに平行となるように複数、つまり、複数本配列された構造からなる。磁性体材料Ｍ１は幅寸法が数μｍ～数百μｍ、長さ寸法が数ｍｍ～数百ｍｍの細線である。この磁性体材料Ｍ１の間に、隣接する磁性体材料Ｍ１の細線の上端と下端を電気的に直列接続する非磁性体材料Ｎを形成する。
　図１（ａ）は、熱流∇ＴＺの方向、磁化Ｍの方向や異常ネルンスト電界ＥＡＮＥの方向を示し、また、外部磁場と電圧出力との関係及び熱流密度とセンサ出力電圧Ｖ０との関係を示している。熱の不均一性が発生していない状態である。
　一方、図１（ｂ）は、熱の不均一性が発生し、熱流が∇Ｔｙの方向に生じ、ゼーベック効果による電圧が異常ネルンスト効果による電圧にオフセット電圧として重畳している状態である。
　次に、図２＜Ｍ１／Ｍ２＞においては、磁性体材料Ｍ１とＭ２とは、磁性体材料ではあるがゼーベック係数の異なる２種類の材料でありゼーベック効果を生じる。図２（ｂ）に示すように熱の不均一性が発生すると、熱流が∇Ｔｙの方向に生じ、ゼーベック効果による電圧、Ｍ１のゼーベック電界ＥＭ１及びＭ２のゼーベック電界ＥＭ２が異常ネルンスト効果による電圧にオフセット電圧として重畳する。電界ＥＭ１≠電界ＥＭ２のため、∇Ｔｙによって生じるＭ１とＭ２のゼーベック電界の差分がＥＭ１-ＥＭ２≠0となり、ゼーベック効果によるオフセット電圧が発生する。
　さらに、＜Ｍ１／Ｎ＞及び＜Ｍ１／Ｍ２＞は２つの細線線状体を異種材料とするため、材料ごとの温度依存性が異なる。特許文献２ではゼーベック係数の差が極めて小さくなるような材料を組み合わせた＜Ｍ１／Ｎ＞とすることで熱の不均一性が発生した場合でもゼーベック効果によるオフセット電圧をキャンセルできるとしている。しかし、ある特定の温度でゼーベック係数がほぼ等しくても、使用温度の変化に伴いゼーベック係数の差も変化し、その結果、熱の不均一性が発生すると、ゼーベック効果によるオフセット電圧が発生する。
特許第６０７９９９５号公報 国際公開第２０２３／０５４４１６号
Heat flux sensing by anomalous Nernst effect in Fe-Al thin films on a flexible Substrate Appl. Phys. Express. 13, 043001 (2020)
　上記したように、＜Ｍ１／Ｎ＞型及び＜Ｍ１／Ｍ２＞型の熱電デバイスでは広い温度範囲でゼーベック効果によるオフセット電圧をキャンセルすることは困難である。
　本発明は、広い温度範囲にてゼーベック効果による起電力をキャンセルさせることができる異常ネルンスト効果を利用する熱電デバイス及び熱電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
　本発明は、上記したようなゼーベック効果による起電力をキャンセルさせることができる異常ネルンスト効果を利用する熱流センサの新構造に関するものである。ゼーベック効果による問題は、磁性体材料Ｍ１／非磁性体材料Ｎ、もしくは磁性体材料Ｍ１／磁性体材料Ｍ２というゼーベック係数の異なる２種類の材料によって構成されるために発生するものである。Ｍ１とＭ２とは磁性体材料ではあるが異なる材料であり、ゼーベック効果を生じる。
　そこで、本発明の実施形態による熱電デバイスは、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に互いに平行となるように複数並設され磁性体材料で形成された第１の線状体と、隣接する前記磁性体材料を電気的に直列に接続する磁性体材料で形成された第２の線状体と、を有し、前記第１の線状体の磁性体材料と前記第２の線状体の磁性体材料とは同じ材料であることを特徴とする。ここで、同じ材料とは、好ましくは同じ成分組成・結晶構造・電気的特性・熱電特性・磁気特性を有する材料を意味する。
　また、本発明の実施形態による熱電デバイスは、前記第１の線状体及び前記第２の線状体の磁化状態が制御され、前記第１の線状体は磁化方向が揃えられ、前記第２の線状体は磁化方向が揃えられていないことを特徴とする。
　本発明の実施形態による熱電デバイスの製造方法は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に互いに平行となるように複数並設され磁性体材料で形成された第１の線状体と、隣接する前記磁性体材料を電気的に直列に接続する磁性体材料で形成された第２の線状体と、を有し、前記第１の線状体の磁性体材料と前記第２の線状体の磁性体材料とは同じ材料であって、前記第１の線状体を形成し、外部磁場を印加して磁化方向を揃えた後に、前記第２の線状体を形成し、外部磁場を印加しないことを特徴とする。
　上記した本発明の実施形態によれば、どの温度帯でもゼーベック効果による起電力をキャンセルさせることができる異常ネルンスト効果を利用する熱電デバイス及び熱電デバイスの製造方法を提供することができる。
＜Ｍ１／Ｎ＞型熱流センサを示す構成図である。 ＜Ｍ１／Ｍ２＞型熱流センサを示す構成図である。 ＜Ｍ１－ａ／Ｍ１－ｂ＞型熱流センサを示す構成図である。 磁性体材料Ｍ１－ａとＭ１－ｂの磁化が制御されている状態を示す説明図である。 実験装置の概略を示す構成図である。 熱流とゼーベック起電力との関係を示すグラフである。 熱流密度と異常ネルンスト電圧との関係を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態に係る熱電デバイスについて説明する。
　まず、図示は省略するが＜Ｍ１／Ｍ１＞型熱流センサの実施形態について説明する。
　異常ネルンスト効果を利用する熱流センサを同じ材料からなる磁性体材料を用いて作製する。好ましくは同じ成分組成・結晶構造・電気的特性・熱電特性・磁気特性を有する磁性体材料Ｍ１のみで直列接続した構造を作製（磁性体材料Ｍ１／磁性体材料Ｍ１；磁性体材料Ｍ１とＭ１とは同じ磁性体材料である)することができれば、面内熱流が発生した場合においてもゼーベック電圧が発生することなく完全にキャンセルすることができる。第１の線状体は磁性体材料Ｍ１であり、絶縁性基板上に互いに平行となるように複数並設されて成膜されている。この磁性体材料Ｍ１の間に、隣接する磁性体材料Ｍ１を電気的に直列に接続する第２の線状体として成膜して形成する。
　このようにゼーベック効果に着目し磁性体材料Ｍ１とＭ１とを全く同じ成分組成・結晶構造・電気的特性・熱電特性・磁気特性を有する磁性体材料で構成することで従来にはない新構造の熱流センサを構成することができる。
　本実施形態は、絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１上に互いに平行となるように複数並設され磁性体材料で形成された第１の線状体Ｍ１と、隣接する磁性体材料を電気的に直列に接続する磁性体材料で形成された第２の線状体Ｍ１と、を有し、第１の線状体Ｍ１の磁性体材料と第２の線状体Ｍ１の磁性体材料とは全く同じ成分組成・結晶構造・電気的特性・熱電特性・磁気特性を有する材料であることを特徴とする熱電デバイスの構成である。ここで、同じ材料は、少なくとも同じ成分組成・結晶構造であり、同じ熱電特性を有する材料であればよい。
　次に、＜Ｍ１－ａ／Ｍ１－ｂ＞型熱流センサの実施形態について詳細に説明する。
　第１の線状体Ｍ１の磁性体材料と第２の線状体Ｍ１の磁性体材料とは同じ材料であっても、Ｍ１／Ｍ１の接続で、双方のＭ１線の磁化方向が同じ方向に揃っている場合、異常ネルンスト電圧もキャンセルされてしまい、出力はゼロなってしまう。本実施形態では、最初の第１の線状体であるＭ１線パターンを成膜して形成後（Ｍ１－ａ）、外部磁場を印加して磁化方向を揃えた後に、第２の線状体である（Ｍ１－ｂ）をＭ１－ａ線と全く同様のプロセス条件で成膜し、磁場を加えず、磁化をゼロ状態とした異常ネルンスト熱流センサを作製することにより、ゼーベック電圧だけをオフセットさせることができる熱流センサを提供する。
　本実施形態は、第１の線状体及び第２の線状体の磁化状態が制御され、第１の線状体では磁化方向を揃えられ、第２の線状体では磁化方向を揃えられていないことを特徴とする熱電デバイスの構成である。
　図３に示すように熱流が∇Ｔｙの方向に生じ、ゼーベック効果による電圧、Ｍ１－ａのゼーベック電界ＥＭ１－ａ及びＭ２－ｂのゼーベック電界ＥＭ２－ｂが生じるが、ゼーベック電界ＥＭ１－ａ＝ゼーベック電界ＥＭ２－ｂのためゼーベックオフセット電圧は発生しない。したがって、検出の正確性を向上することができる。
　さらに、本実施形態について説明を加える。異常ネルンスト効果を用いた熱流センサ１０では、センサ面全体での面直方向に熱流(面直熱流)が均一に流れた状態で正確な熱流密度を得ることができる。しかし、実際の利用においては、熱源や環境状態により、センサ面全体の面直熱流の均一性が損なわれ、面内方向にも温度勾配(面内熱流)を生じることがある。この場合、面直熱流による異常ネルンスト効果による電圧に加えて、面内熱流によるゼーベック効果由来の電圧が重畳し、出力電圧に対する大きなオフセット電圧となり、計測される熱流密度に誤差を生むことになる。
　面直熱流がセンサ面内で不均一の場合、センサ面内方向への温度勾配が生じる。このとき磁性体材料Ｍ１と非磁性体材料Ｎの細線を交互に直列接続させたセンサ（＜Ｍ１／Ｎ＞型熱流センサ）、あるいは異常ネルンスト効果の熱電能の符号が逆である２種類の磁性材料Ｍ１，Ｍ２を交互に直列接続させたセンサ（＜Ｍ１／Ｍ２＞型熱流センサ）では、以下に示すゼーベック係数が異なる。
　このため、面内方向に生じた温度勾配∇Ｔｉｎにより有限のゼーベック電圧が異常ネルンスト電圧に重畳することになる。例えば、隣接する磁性体材料Ｍ１と非磁性体材料Ｎに同じ方向と大きさの温度勾配∇Ｔｉｎは、以下の式のようになる。
　そのため、以下の条件では有限のオフセット電圧が生じることになる。
　本実施形態は、異常ネルンスト熱流センサ１０において、全ての細線を全く同じ成分組成・結晶構造・電気的特性・熱電特性・磁気特性を有する磁性材料Ｍ１で作ることにより、面内熱流が生じた場合でも原理的にオフセット電圧をゼロにする(全線状体がＭ１型熱流センサ)ものである。すなわち、以下の式を実現するものである。
　しかし、図４に示すように、隣接する磁性体材料Ｍ１－ａとＭ１－ｂの磁化が同一方向に揃っていた場合、面直方向の熱流による温度勾配∇Ｔｏｕｔで生じる異常ネルンスト効果による出力電圧はそれぞれ打ち消し合ってしまい、感度をゼロにしてしまう。つまり、この構造ではセンサとして動作しない。そこで、Ｍ１－ａとＭ１－ｂの磁化状態を制御する。同図は、磁性体材料Ｍ１－ａの磁化方向が揃っている場合、及び磁性材料Ｍ１－ａを接続するところの磁性体材料Ｍ１－ｂの磁化方向が揃っていない場合を示している。
　まず、Ｍ１－ａのパターニング後にＭ１－ａの磁化を揃えるのに十分な外部磁場を印加する。外部磁場をゼロにしても残留磁化として磁化は残る。その後、Ｍ１－ａ線同士を接続するため、同じ磁性材料Ｍ１細線を成膜しパターニングしてＭ１－ｂとする。図４に示すように成膜直後は、残留磁化はゼロであるため、Ｍ１－ｂで生じる異常ネルンスト電圧はゼロとなる。従って、Ｍ１－ｂは＜Ｍ１／Ｎ＞型熱流センサにおける非磁性体材料Ｎと同様の役割をすると同時に、面内熱流が生じた場合にはＭ１－ａで生じたゼーベック電圧をキャンセルする２つの役割を有することになる。
　以上のように本実施形態によれば、純粋に面直方向に流れる熱流にしか電圧を出力しないという特徴を有する。これにより、使用環境下で避け難い面内方向の熱流発生時においても、面内方向の温度勾配の影響を受けることなく、面直方向の熱流密度の平均値を誤差なしに検知が可能となる。熱流の不均一性を生じやすい測定対象に対しても幅広い用途への応用が可能となる。
　さらに、同じ磁性材料のみで構成されているため、材料による温度依存性の違いがなく、どの温度帯でも面内方向の温度勾配の影響を受けることなく面直方向の熱流を検知することができ、例えば、温度変化の生じるバッテリー充放電の熱流計測等が可能となる。
　次に、本実施形態の効果を確認するためＳｍＣｏ（サマリウムコバルト）アモルファス磁性体を用いた全線状体をＳｍＣｏとする熱流センサを作製した。比較のために＜Ｍ１／Ｎ＞型として、ＳｍＣｏ／Ａｕの熱流センサも作製した。全線状体をＳｍＣｏとする熱流センサは、最初の線状体である細線パターンをリフトオフプロセスで形成するため、まず、フォトリソグラフィーによって熱酸化膜シリコン基板上にパターン形成した。その後、スパッタ装置に基板を導入し、厚さ１５０ｎｍのＳｍＣｏアモルファス薄膜を成膜した。有機溶剤によってリフトオフすることにより、Ｍ１－ａ線となるＳｍＣｏアモルファス線状体の細線パターンを形成した。その後、試料を電磁石間に挿入し、約０．３Ｔの磁場を細線パターンの幅方向に印加することによって、Ｍ１－ａ線の幅方向に残留磁化を残した。
　続いてＭ１－ａ線を直列に繋ぐＭ１－ｂ線を全く同様のプロセスを用いて、リソグラフィー、スパッタ成膜、リフトオフプロセスで形成し、磁場を一切印加しないことにより、全線状体がＳｍＣｏの＜Ｍ１－ａ／Ｍ１－ｂ＞型熱流センサを完成させた。比較のため、＜Ｍ１／Ｎ＞型熱流センサとして、直列に繋ぐ線をＡｕとした＜ＳｍＣｏ／Ａｕ＞型熱流センサも完成させた。
　図５は実験装置１００の概略構成を示している。温度勾配による出力電圧を測定することができる。ペルチェ温調器１０１の上に断熱性のガラス板１０２を介して銅製の板１０３が配置されている。また、銅製の板１０３には放熱フィン１０４が設けられている。異常ネルンスト熱流センサ１０を銅製の板１０３上に設置し測定する。
　図６は熱流センサの面内方向に熱流を印加した場合におけるゼーベック起電力の測定結果を示している。＜ＳｍＣｏ／Ａｕ＞型では温度勾配に比例した電圧が検出されており、０．１Ｋ／ｍｍで１００μＶに及ぶ。これは垂直熱流として１０００Ｗ／ｍ２もの熱流が加わった場合の異常ネルンスト電圧出力と同等であり、垂直熱流の計測に大きな誤差をもたらすゼーベックオフセットを生じさせる可能性を示している。一方、全線状体をＳｍＣｏとした＜ＳｍＣｏ／ＳｍＣｏ＞型熱流センサでは、温度勾配を加えても、ゼーベック起電力は生じない結果を得た。
　図７は＜ＳｍＣｏ／ＳｍＣｏ＞型熱流センサのセンサ感度の測定結果を示している。外部磁場ゼロで０．３μＶ／（Ｗ・ｍ２）の感度を持つ熱流センサとして機能することが確認された。
　以上のように本実施形態によれば、使用環境下で避け難い面内方向の熱流発生時においても(面内方向の温度勾配の発生時においても)その発生の影響を受けることなく、面直方向の熱流密度を誤差なしに検知が可能となる。
　なお、本実施形態の熱流センサは異常ネルンスト効果を利用して発電を行う発電デバイスにも適用できる。発電デバイスは、温度差を利用して様々な用途に用いることができる。例えば、体温と外界温度との差を利用して発電する衣服や鞄、パソコンの廃熱を利用した自発発電リサイクルシステムなどが期待できる。
　本発明は、上記実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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とその均等の範囲に含まれる。
１０・・・・・・熱流センサ
１１・・・・・・絶縁性基板
Ｍ１－ａ・・・・第１の線状体
Ｍ１－ｂ・・・・第２の線状体
Ｍ１・・・・・・磁性体材料
Ｎ・・・・・・・非磁性体材料
１００・・・・・実験装置
１０１・・・・・ペルチェ温調器
１０２・・・・・ガラス板
１０３・・・・・銅製の板
１０４・・・・・放熱フィン

Claims (7)

  1. 　絶縁性基板と、
    　前記絶縁性基板上に互いに平行となるように複数並設され磁性体材料で形成された第１の線状体と、
    　隣接する前記磁性体材料を電気的に直列に接続する磁性体材料で形成された第２の線状体と、を有し、
    　前記第１の線状体の磁性体材料と前記第２の線状体の磁性体材料とは同じ材料であることを特徴とする熱電デバイス。
  2. 　前記同じ材料は、少なくとも同じ成分組成・結晶構造であり、同じ熱電特性を有する材料であることを特徴とする請求項１に記載の熱電デバイス。
  3. 　前記同じ材料は、同じ成分組成・結晶構造・電気的特性・熱電特性・磁気特性を有する材料であることを特徴とする請求項１に記載の熱電デバイス。
  4. 　前記第１の線状体及び前記第２の線状体の磁化状態が制御され、前記第１の線状体は磁化方向が揃えられ、前記第２の線状体は磁化方向が揃えられていないことを特徴とする請求項１に記載の熱電デバイス。
  5. 　絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に互いに平行となるように複数並設され磁性体材料で形成された第１の線状体と、隣接する前記磁性体材料を電気的に直列に接続する磁性体材料で形成された第２の線状体と、を有し、前記第１の線状体の磁性体材料と前記第２の線状体の磁性体材料とは同じ材料であって、前記第１の線状体を形成し、外部磁場を印加して磁化方向を揃えた後に、前記第２の線状体を形成し、外部磁場を印加しないことを特徴とする熱電デバイスの製造方法。
  6. 　前記同じ材料は、少なくとも同じ成分組成・結晶構造であり、同じ熱電特性を有する材料であることを特徴とする請求項５に記載の熱電デバイスの製造方法。
  7. 　前記同じ材料は、同じ成分組成・結晶構造・電気的特性・熱電特性・磁気特性を有する材料であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の熱電デバイスの製造方法。
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