(57)【要約】【課題】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、発電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法を提供する。【解決手段】熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子１であって、第１主面１１ａｆを有する第１基板１１ａと、第１主面１１ａｆと対向する第２主面１１ｂｆを有する第２基板１１ｂと、第２基板１１ｂと離間する第１電極部１２ａと、第１電極部１２ａとは異なる仕事関数を有する第２電極部１２ｂと、第１基板１１ａと、第２基板１１ｂとの間に設けられる支持部１３と、ナノ粒子を含む中間部１４と、前記第１基板１１ａを貫通し、搭載面１１ａｓから露出する第１接続配線１５ａ、及び第２接続配線１５ｂとを備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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基板と接し、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基板を貫通し、前記第１基板の前記第１主面と対向する搭載面から露出する第１接続配線、及び第２接続配線と、
を備え、
前記第１接続配線は、前記第１電極部と接し、
前記第２接続配線は、前記第２電極部と接すること
を特徴とする熱電素子。
【請求項２】
前記第２電極部は、前記第２主面上に設けられ、
前記第２接続配線は、前記支持部を貫通し、前記第２電極部から前記搭載面まで延在すること
を特徴とする請求項１記載の熱電素子。
【請求項３】
前記第１電極部は、前記第２接続配線を間に挟んで２つ設けられること
を特徴とする請求項２記載の熱電素子。
【請求項４】
前記第２電極部は、前記第１主面上に設けられること
を特徴とする請求項１記載の熱電素子。
【請求項５】
前記第１方向から見て、前記第１電極部及び前記第２電極部は、櫛歯状に設けられること
を特徴とする請求項４記載の熱電素子。
【請求項６】
前記第１電極部及び前記第２電極部は、前記第２基板と離間し、
前記支持部は、前記第２基板と接すること
を特徴とする請求項４又は５記載の熱電素子。
【請求項７】
前記第２基板を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１〜６の何れか１項記載の熱電素子。
【請求項８】
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機能付半導体集積回路装置であって、
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基板と接し、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基板を貫通し、前記第１基板の前記第１主面と対向する搭載面から露出し、接続部材を介して実装用基板と電気的に接続される第１接続配線、及び第２接続配線と、
を備え、
前記第１接続配線は、前記第１電極部と接し、
前記第２接続配線は、前記第２電極部と接すること
を特徴とする発電機能付半導体集積回路装置。
【請求項９】
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基板と接し、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基板を貫通し、前記第１基板の前記第１主面と対向する搭載面から露出する第１接続配線、及び第２接続配線と、
を備え、
前記第１接続配線は、前記第１電極部と接し、
前記第２接続配線は、前記第２電極部と接すること
を特徴とする電子機器。
【請求項１０】
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、第１電極部を形成する第１電極部形成工程と、
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電極部を形成する第２電極部形成工程と、
前記第１主面上に、支持部を形成する支持部形成工程と、
前記第１基板を貫通し、前記第１基板の前記第１主面と対向する搭載面から露出する第１接続配線、及び第２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、
前記第１接続配線は、前記第１電極部と接し、
前記第２接続配線は、前記第２電極部と接すること
を特徴とする熱電素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１基板の第１主面上に、前記支持部を介して第２基板を積層する積層工程をさらに備え、
前記第２電極部形成工程は、第２基板の第２主面上に、前記第２電極部を形成し、
前記第２接続配線は、前記支持部を貫通し、前記第２電極部から前記搭載面まで延在すること
を特徴とする請求項１０記載の熱電素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第２電極部形成工程は、前記第１主面上に、前記第２電極部を形成すること
を特徴とする請求項１０記載の熱電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、発電機能付半導体集積回路装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６１４７９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、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した熱電素子では、エミッタ電極層及びコレクタ電極層のそれぞれが、熱電素子の上側と下側とのように上下に設けられる。熱電素子の上下に、エミッタ電極層及びコレクタ電極層が設けられていると、エミッタ電極層及びコレクタ電極層のそれぞれに対する電気的配線の接続を、熱電素子の上側及び下側のそれぞれで行わなければならない。このため、熱電素子への電気的配線の接続が難しい。
【０００６】
また、電気的配線の接続工程の前には、熱電素子に対して、例えば外観検査等が行われ、接続工程の後には、例えば導通検査等が行われる。しかし、熱電素子の上下に、エミッタ電極層及びコレクタ電極層が設けられていると、検査の際、熱電素子を上下反転させたり、検査装置のセンサ部を熱電素子の上側と下側との間で移動させたり、検査装置の探針部を熱電素子の上側及び下側のそれぞれに位置させたりしなければならない。このため、熱電素子の検査も難しい。
【０００７】
熱電素子への電気的配線の接続や、熱電素子の検査が難しくなると、例えば、熱電素子の生産性が妨げられてしまう可能性がある。この点、特許文献１では、上述した懸念を解決することが難しい。
【０００８】
この発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、その目的は、熱電素子への電気的配線の接続や、熱電素子の検査を容易化することが可能な熱電素子、発電機能付半導体集積回路装置、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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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基板と接し、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基板を貫通し、前記第１基板の前記第１主面と対向する搭載面から露出する第１接続配線、及び第２接続配線と、を備え、前記第１接続配線は、前記第１電極部と接し、前記第２接続配線は、前記第２電極部と接することを特徴とする。
【００１０】
第２発明に係る熱電素子は、第１発明において、前記第２電極部は、前記第２主面上に設けられ、前記第２接続配線は、前記支持部を貫通し、前記第２電極部から前記搭載面まで延在することを特徴とする。
【００１１】
第３発明に係る熱電素子は、第２発明において、前記第１電極部は、前記第２接続配線を間に挟んで２つ設けられることを特徴とする。
【００１２】
第４発明に係る熱電素子は、第１発明において前記第２電極部は、前記第１主面上に設けられることを特徴とする。
【００１３】
第５発明に係る熱電素子は、第４発明において、前記第１方向から見て、前記第１電極部及び前記第２電極部は、櫛歯状に設けられることを特徴とする。
【００１４】
第６発明に係る熱電素子は、第４発明又は第５発明において、前記第１電極部及び前記第２電極部は、前記第２基板と離間し、前記支持部は、前記第２基板と接することを特徴とする。
【００１５】
第７発明に係る熱電素子は、第１発明〜第６発明の何れかにおいて、前記第２基板を貫通する貫通孔をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
第８発明に係る発電機能付半導体集積回路は、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機能付半導体集積回路装置であって、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基板と接し、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基板を貫通し、前記第１基板の前記第１主面と対向する搭載面から露出し、接続部材を介して実装用基板と電気的に接続される第１接続配線、及び第２接続配線と、を備え、前記第１接続配線は、前記第１電極部と接し、前記第２接続配線は、前記第２電極部と接することを特徴とする。
【００１７】
第９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基板と接し、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基板を貫通し、前記第１基板の前記第１主面と対向する搭載面から露出する第１接続配線、及び第２接続配線と、を備え、前記第１接続配線は、前記第１電極部と接し、前記第２接続配線は、前記第２電極部と接することを特徴とする。
【００１８】
第１０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、第１電極部を形成する第１電極部形成工程と、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電極部を形成する第２電極部形成工程と、前記第１主面上に、支持部を形成する支持部形成工程と、前記第１基板を貫通し、前記第１基板の前記第１主面と対向する搭載面から露出する第１接続配線、及び第２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、前記第１接続配線は、前記第１電極部と接し、前記第２接続配線は、前記第２電極部と接することを特徴とする。
【００１９】
第１１発明に係る熱電素子の製造方法は、第１０発明において、前記第１基板の第１主面上に、前記支持部を介して第２基板を積層する積層工程をさらに備え、前記第２電極部形成工程は、第２基板の第２主面上に、前記第２電極部を形成し、前記第２接続配線は、前記支持部を貫通し、前記第２電極部から前記搭載面まで延在することを特徴とする。
【００２０】
第１２発明に係る熱電素子の製造方法は、第１０発明において、前記第２電極部形成工程は、前記第１主面上に、前記第２電極部を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
第１発明〜第９発明によれば、第１接続配線及び第２接続配線は、第１基板を貫通し、搭載面から露出する。このため、各接続配線の接続部（露出面）を、同一面上に設けることができる。これより、熱電素子への電気的配線の接続や、熱電素子の検査を容易化することが可能となる。
【００２２】
特に、第２発明によれば、第２接続配線は、支持部を貫通し、第２電極部から搭載面まで延在する。このため、第２接続配線が外部に晒される箇所を最小限に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。
【００２３】
特に、第３発明によれば、第１電極部は、第２接続配線を挟んで２つ設けられる。このため、第２電極部の面積拡大に伴う抵抗の増加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。
【００２４】
特に、第４発明によれば、第２電極部は、第１主面上に設けられる。このため、各電極部の間隔（電極間ギャップ）を、高精度に形成することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を容易に実現することが可能となる。
【００２５】
特に、第４発明によれば、各電極部は、同一平面上に設けられる。このため、温度変化に伴う各電極部の形状変化に起因する電極間ギャップの変動を抑制することができる。これにより、温度変化に伴う電気エネルギーの不安定化を抑制することが可能となる。
【００２６】
特に、第５発明によれば、第１方向から見て、第１電極部及び第２電極部は、櫛歯状に設けられる。このため、各接続配線の数を増加させずに、電気エネルギーを発生させる部分の面積を拡大させることができる。これにより、電気エネルギーの発生量の増大を図ることが可能となる。
【００２７】
特に、第６発明によれば、第１電極部及び第２電極部は、第２基板と離間し、支持部は、第２基板と接する。このため、各電極部の高さバラつきが発生した場合においても、除去等の処理を行う必要がない。これにより、製造工程の簡略化を実現することが可能となる。また、各電極部の対向する面に加え、各電極部の上部を介した電子の移動を実現することができる。これにより、電気エネルギーの発生量のさらなる増大を図ることが可能となる。
【００２８】
特に、第７発明によれば、貫通孔は、第２基板を貫通する。このため、中間部を容易に充填することができる。これにより、中間部の充填時間を短縮することが可能となる。
【００２９】
第１０発明によれば、接続配線形成工程は、第１基板を貫通し、搭載面から露出する第１接続配線、及び第２接続配線を形成する。このため、各接続配線の接続部（露出面）を、同一面上に設けることができる。これより、熱電素子への電気的配線の接続や、熱電素子の検査を容易化することが可能となる。
【００３０】
第１１発明によれば、第２接続配線は、支持部を貫通し、第２電極部から搭載面まで延在する。このため、第２接続配線が外部に晒される箇所を最小限に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。
【００３１】
第１２発明に係る熱電素子の製造方法によれば、第２電極部形成工程は、第１主面上に、第２電極部を形成する。このため、各電極部の間隔（電極間ギャップ）を、高精度に形成することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１（ａ）は、第１実施形態に係る発電機能付半導体集積回路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、第２実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置及び熱電素子の模式平面図である。
【図２】図２（ａ）は、第１実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置及び熱電素子の第１変形例を示す模式断面図であり、図２（ｂ）は、第２実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置及び熱電素子の模式平面図である。
【図３】図３（ａ）は中間部の一例を示す模式断面図であり、図３（ｂ）は中間部の他の例を示す模式断面図である。
【図４】図４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５】図５（ａ）〜図５（ｆ）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】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第２実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置及び熱電素子の一例を示す模式断面図であり、図６（ｃ）は、第２実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置及び熱電素子の模式平面図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第２実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第２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９】図９（ａ）〜図９（ｃ）は、第２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】図１０（ａ）〜図１０（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１０（ｅ）〜図１０（ｈ）は、熱電素子を含む発電機能付半導体集積回路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。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態における熱電素子、発電機能付半導体集積回路装置、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。
【００３４】
（第１実施形態）
＜発電機能付半導体集積回路装置（装置１００）＞
図１は、第１実施形態に係る発電機能付半導体集積回路装置（以下、装置１００とする）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、第１実施形態に係る装置１００及び熱電素子１の一例を示す模式平面図である。
【００３５】
図１に示すように、装置１００は、熱電素子１と、実装用基板１１１と、第１配線１１２ａと、第２配線１１２ｂ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１１２ａ及び第２配線１１２ｂを介して図示せぬ負荷へ出力する。負荷は、例えば実装用基板１１１上に配置される。負荷の一端は第１配線１１２ａと電気的に接続され、他端は第２配線１１２ｂと電気的に接続される。負荷は、例えば電気的な機器を示している。負荷は、装置１００に含まれる熱電素子１を主電源又は補助電源に用いて駆動される。
【００３６】
熱電素子１の熱源としては、例えば、実装用基板１１１上等に配置された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、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。
【００３７】
＜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、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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と、第１主面１１ａｆと対向する搭載面１１ａｓとを有する。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。
【００４０】
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。第２電極部１２ｂは、例えば第２主面１１ｂｆ上に接して設けられる。
【００４１】
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と接する。支持部１３は、例えば第２電極部１２ｂと接し、第２電極部１２ｂを介して第２主面１１ｂｆと離間する。
【００４２】
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。
【００４３】
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及び第２接続配線１５ｂは、第１基板１１ａを貫通し、搭載面１１ａｓから露出する。第１接続配線１５ａは、第１電極部１２ａと接する。第２接続配線１５ｂは、第２電極部１２ｂと接する。第２接続配線１５ｂは、例えば支持部１３を貫通し、第２電極部１２ｂから搭載面１１ａｓまで延在する。
【００４４】
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。
【００４５】
以下、第１実施形態に係る熱電素子１及び装置１００の構成を、さらに詳細に説明する。
【００４６】
＜＜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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
＜＜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、例えば第１接続配線１５ａ及び第１接続部材１０１ａを介して、第１配線１１２ａと電気的に接続される。第２電極部１２ｂは、例えば第２接続配線１５ｂ及び第２接続部材１０１ｂを介して、第２配線１１２ｂと電気的に接続される。
【００５０】
第２電極部１２ｂの第２主面１１ｂｆにおける面積は、例えば第１電極部１２ａの第１主面１１ａｆにおける面積よりも大きい。この場合、第２電極部１２ｂは、搭載面１１ａｓに露出した第２接続配線１５ｂと容易に接続することが可能となる。なお、例えば図２に示すように、第１電極部１２ａは、支持部１３及び第２接続配線１５ｂを間に挟んで少なくとも２つ設けられてもよい。この場合、第２電極部１２ｂの面積拡大に伴う抵抗の増加を抑制することができる。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
＜＜支持部１３＞＞
支持部１３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、第１電極部１２ａ及び中間部１４を囲む。支持部１３は、例えば図２（ｂ）に示すように、ギャップ部１４ａ及び第１電極部１２ａを２つ以上に分離するように設けられてもよい。
【００６３】
支持部１３は、第１方向Ｚに沿って、第１基板１１ａ及び第２電極部１２ｂと接して設けられる。支持部１３は、第２電極部１２ｂ及び第２基板１１ｂを支持する。第１方向Ｚに沿って、支持部１３の長さ（高さ）は、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間の電極間ギャップよりも大きい。
【００６４】
支持部１３は、例えば絶縁性を有する。支持部１３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。
【００６５】
支持部１３の材料として、例えば金属が用いられ、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。この場合、支持部１３は、第１電極部１２ａと離間する。支持部１３が金属を含むことで、支持部１３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、支持部１３における厚さの変動を防ぐことができる。特に、支持部１３の表面に金を用いる場合、支持部１３の表面に露出した金と、第１基板１１ａ上に設けた金とを、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。
【００６６】
＜＜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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
＜＜実装用基板１１１＞＞
実装用基板１１１は、絶縁性を有する。実装用基板１１１は、例えば公知のプリント配線板の絶縁部を示す。実装用基板１１１の材料の例としては、耐熱性が良い絶縁性セラミック、又は耐熱性が良い絶縁性樹脂等を挙げることができる。絶縁性セラミックの一例は、アルミニウム酸化物である。絶縁性樹脂の例は、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（Poly Ether Ether Ketone）、又はＰＥＩ（Poly Ether Imide）等である。
【００７５】
＜＜配線部１１２＞＞
配線部１１２は、実装用基板１１１上に接して設けられる。配線部１１２は、例えば公知のプリント配線板におけるパターン形成された導電部を示す。配線部１１２は、第１配線１１２ａと、第２配線１１２ｂとを有する。
【００７６】
第１配線１１２ａは、第１接続部材１０１ａ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配線１１２ｂは、第２接続部材１０１ｂ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。
【００７７】
＜＜接続部材１０１＞＞
装置１００は、例えば接続部材１０１を有してもよい。接続部材１０１は、熱電素子１と、配線部１１２とを電気的に接続するために用いられる。接続部材１０１は、第１接続部材１０１ａと、第２接続部材１０１ｂとを有する。第１接続部材１０１ａは、第１接続配線１５ａの接続部（搭載面１１ａｓからの露出面）と接する。第２接続部材１０１ｂは、第１接続配線１５ａの接続部（搭載面１１ａｓからの露出面）と接する。接続部材１０１として、導電性を有する材料が用いられ、例えば半田が用いられる。
【００７８】
＜＜貫通孔１６＞＞
熱電素子１は、例えば貫通孔１６を有してもよい。貫通孔１６は、例えば図１に示すように、第２基板１１ｂを第１方向Ｚに貫通する。貫通孔１６は、例えば第２電極部１２ｂを、第１方向Ｚに貫通してもよい。貫通孔１６は、例えば複数設けられてもよい。
【００７９】
貫通孔１６は、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。
【００８０】
＜＜封止部１７＞＞
熱電素子１は、例えば封止部１７を有してもよい。封止部１７は、貫通孔１６の外部側を覆い、貫通された第２基板１１ｂ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。
【００８１】
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。
【００８２】
＜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３参照）。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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
＜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５（ｆ）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。
【００８６】
＜＜第１電極部形成工程Ｓ１１０＞＞
先ず、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電極部１２ａを形成する（第１電極部形成工程Ｓ１１０）。第１電極部１２ａは、例えば図１（ｂ）に示すように、第１方向Ｚから見て、四角形状に形成され、例えば図２（ｂ）に示すように、第１主面１１ａｆ上に複数形成されてもよい。
【００８７】
＜＜第２電極部形成工程Ｓ１２０＞＞
次に、例えば図５（ｂ）に示すように、第２基板１１ｂの第２主面１１ｂｆ上に、第２電極部１２ｂを形成する（第２電極部形成工程Ｓ１２０）。第２電極部１２ｂは、第１電極部１２ａと離間して形成される。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、四角形状に形成され、第１電極部１２ａの面積よりも大きく形成される。本実施形態によれば、第２電極部形成工程Ｓ１２０では、第２主面１１ｂｆと接する第２電極部１２ｂの面積は、第１主面１１ａｆと接する第１電極部１２ａの面積よりも大きく形成される。これにより、第２電極部１２ｂに接する第２接続配線１５ｂを、容易に形成することが可能となる。
【００８８】
なお、第１電極部形成工程Ｓ１１０と、第２電極部形成工程Ｓ１２０とを実施する順番は、任意である。第１電極部形成工程Ｓ１１０及び第２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。
【００８９】
＜＜支持部形成工程Ｓ１３０＞＞
次に、例えば図５（ｃ）に示すように、第１主面１１ａｆ上に、支持部１３を形成する（支持部形成工程Ｓ１３０）。このとき、第１電極部１２ａ上には、支持部１３に囲まれたスペース１４ｓが形成される。支持部１３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るほか、例えば図２（ｂ）に示すように、一対の第１電極部１２ａの間に、一部が挟まれた状態で形成されてもよい。
【００９０】
支持部形成工程Ｓ１３０は、例えば第１電極部形成工程Ｓ１１０よりも前に実施してもよい。支持部形成工程Ｓ１３０では、例えばスパッタリング法又は蒸着法を用いた真空環境下で支持部１３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、スピンコート法等を用いた常圧環境下で支持部１３を形成してもよい。支持部１３として、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等が用いられる。
【００９１】
＜＜接続配線形成工程Ｓ１４０＞＞
次に、例えば図５（ｄ）に示すように、第１基板１１ａを貫通し、搭載面１１ａｓから露出する接続配線１５（第１接続配線１５ａ、第２接続配線１５ｂ）を形成する（接続配線形成工程Ｓ１４０）。第１接続配線１５ａは、第１電極部１２ａと接し、第１電極部１２ａの接触面から搭載面１１ａｓまで延在して形成される。第２接続配線１５ｂは、第２電極部１２ｂと接し、支持部１３及び第１基板１１ａを貫通して第２電極部１２ｂの接触面から搭載面１１ａｓまで延在して形成される。なお、形成される接続配線１５の数は、任意である。
【００９２】
接続配線形成工程Ｓ１４０では、例えばレーザー加工を用いて、搭載面１１ａｓに貫通孔を形成したあと、メッキ法により接続配線１５の材料を埋め込むことにより、接続配線１５が形成される。接続配線形成工程Ｓ１４０では、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の異方性エッチング法を用いて、搭載面１１ａｓに貫通孔を形成してもよい。
【００９３】
＜＜中間部形成工程Ｓ１５０＞＞
次に、例えば図５（ｅ）に示すように、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Ｓ１５０）。中間部形成工程Ｓ１５０では、第１電極部１２ａ上、及び支持部１３に囲まれた部分（スペース１４ｓ）に、中間部１４が形成される。
【００９４】
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、中間部１４を第１電極部１２ａ上に形成する。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。
【００９５】
＜＜積層工程Ｓ１６０＞＞
次に、例えば図５（ｆ）に示すように、第１主面１１ａｆ上に、支持部１３を介して第２基板１１ｂを積層する（積層工程Ｓ１６０）。積層工程Ｓ１６０では、中間部１４を介して、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとが対向するように、第２基板１１ｂが積層される。これにより、各電極部１２ａ、１２ｂ及び支持部１３に囲まれたギャップ部１４ａが形成される。
【００９６】
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）に示す接続部材１０１を介して、実装用基板１１１上の配線部１１２と、接続配線１５とを電気的に接続させることで、本実施形態に係る装置１００を形成することができる。
【００９７】
なお、例えば積層工程Ｓ１６０の前後において、第２基板１１ｂに貫通孔１６を形成する工程を有してもよい。この場合、貫通孔１６を形成したあとに、貫通孔１６を介して中間部１４の形成（中間部形成工程Ｓ１５０）を行うことができる。この場合、例えば実装用基板１１１上の配線部１１２と、接続配線１５とを電気的に接続させたあと、中間部形成工程Ｓ１５０を実施することができる。このため、加熱処理を用いて実装用基板１１１上に電子部品等を実装したあとに、中間部形成工程Ｓ１５０を実施できる。これにより、加熱処理に伴う溶媒１４２の蒸発等を防ぐことができ、熱電素子１の劣化を抑制することが可能となる。
【００９８】
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、第１基板１１ａを貫通し、搭載面１１ａｓから露出する。このため、各接続配線１５ａ、１５ｂの接続部（露出面）を、同一面上に設けることができる。これより、熱電素子１への電気的配線の接続や、熱電素子１の検査を容易化することが可能となる。
【００９９】
また、本実施形態によれば、第２接続配線１５ｂは、支持部１３を貫通し、第２電極部１２ｂから搭載面１１ａｓまで延在する。このため、第２接続配線１５ｂが外部に晒される箇所を最小限に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。
【０１００】
また、本実施形態によれば、第１電極部１２ａは、第２接続配線１５ｂを挟んで２つ設けられる。このため、第２電極部１２ｂの面積拡大に伴う抵抗の増加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。
【０１０１】
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してもよい。この場合、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。
【０１０２】
また、本実施形態によれば、貫通孔１６は、第２基板１１ｂを貫通してもよい。このため、中間部１４を容易に充填することができる。これにより、中間部１４の充填時間を短縮することが可能となる。また、熱電素子１の使用に伴う中間部１４の再充填を、容易に実施することができる。これにより、熱電素子１のリサイクル化を実現することが可能となる。
【０１０３】
また、本実施形態によれば、接続配線形成工程Ｓ１４０は、第１基板１１ａを貫通し、搭載面１１ａｓから露出する第１接続配線１５ａ、及び第２接続配線１５ｂを形成する。このため、各接続配線１５ａ、１５ｂの接続部を、同一面上に設けることができる。これより、熱電素子１への電気的配線の接続や、熱電素子１の検査を容易化することが可能となる。
【０１０４】
また、本実施形態によれば、第２接続配線１５ｂは、支持部１３を貫通し、第２電極部１２ｂから搭載面１１ａｓまで延在する。このため、第２接続配線１５ｂが外部に晒される箇所を最小限に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。
【０１０５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る装置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）及び図６（ｂ）は、第２実施形態に係る装置１００及び熱電素子１の一例を示す模式断面図であり、図６（ｃ）は、第２実施形態に係る装置１００及び熱電素子１の一例を示す模式平面図である。
【０１０６】
上述した実施形態と、第２実施形態との違いは、第２電極部１２ｂが第１基板１１ａ上に設けられる点である。上述した構成と同様の構成については、説明を省略する。
【０１０７】
図６に示すように、第２電極部１２ｂは、第１主面１１ａｆ上に接して設けられる。第２実施形態では、第１電極部１２ａの第１方向Ｚから見た平面形状、及び第２電極部１２ｂの第１方向Ｚから見た平面形状のそれぞれが、櫛歯型である。
【０１０８】
各電極部１２ａ、１２ｂのそれぞれの櫛歯部は、第２方向Ｘに沿って延びる。櫛歯の向きは、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとで、互いに反対である。第１電極部１２ａの櫛歯部と、第２電極部１２ｂの櫛歯部とは、互いに離間しながら噛み合う。これにより、第１電極部１２ａの櫛歯部と、第２電極部１２ｂの櫛歯部との間に、電極間ギャップが規定される。熱電素子１において、電極間ギャップが規定される方向は、第２方向Ｘ（電極間ギャップＧｘ）と、第３方向Ｙ（電極間ギャップＧｙ）との２方向になる。
【０１０９】
すなわち、熱電素子１には、平行平板型電極を持つ熱電素子１のほか、櫛歯型電極を持つ熱電素子１を用いることもできる。
【０１１０】
熱電素子１では、各電極部１２ａ、１２ｂを櫛歯型とするので、平行平板型の熱電素子１と比較して、熱等による電極間ギャップの変動が、より少なくなる。これにより、例えば、熱電素子１は、熱電素子１と比較して、発電効率の微小な変動を抑制しやすい、という利点を得ることができる。
【０１１１】
熱電素子１では、さらに、第１電極部１２ａと第２基板１１ｂとの間に、第１方向Ｚに沿ったギャップＧｅｌ１を設け、第２電極部１２ｂと第２基板１１ｂとの間に、ギャップＧｅｌ２を設けている。すなわち、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂは、第２基板１１ｂと離間し、支持部１３は、第２基板１１ｂと接する。また、第１電極部１２ａの上面及び第２電極部１２ｂの上面は、中間部１４と接する。
【０１１２】
ギャップＧｅｌ１及びＧｅｌ２を設けることにより、支持部１３と第２基板１１ｂとの間にすきまを生じさせることなく、各電極部１２ａ、１２ｂのそれぞれを、ギャップ部１４ａ内に収容することが可能となる。ギャップＧｅｌ１の長さと、ギャップＧｅｌ２の長さとは、互いに等しくなるように設定されてもよいし、互いに異なるように設定されてもよい。後者の場合は、例えば、第１電極部１２ａの仕事関数と、第２電極部１２ｂの仕事関数との差を大きくするために、いずれか一方の電極部１２ａ、１２ｂの表面に、コーティングや、表面改質等の表面処理が行われた場合に見られる。あるいは、互いに材料が異なる第１電極部１２ａと、第２電極部１２ｂとを、１つのエッチング工程によって、同時に形成した場合に見られる。
【０１１３】
また、第１電極部１２ａの上面及び第２電極部１２ｂの上面が、中間部１４と接することで、各電極部１２ａ、１２ｂの対向する面に加え、各電極部１２ａ、１２ｂの上部（特に上面や、上面の角部）を介した電子ｅの移動を実現することができる。
【０１１４】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、溶媒注入の一例を示す模式断面図である。図７（ａ）に示す模式断面は、図６（ｂ）に示す模式断面に対応する。図７（ｂ）に示す模式断面は、図６（ｂ）に示す模式断面に対応する。
【０１１５】
図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、第２基板１１ｂには、貫通孔１６を設けることもできる。貫通孔１６は、例えば、スペース１４ｓ内への中間部１４の形成（充填）に利用される。中間部１４の注入に、貫通孔１６を利用するとき、ギャップＧｅｌ１及びＧｅｌ２がスペース１４ｓ内にあると、中間部１４が、ギャップＧｅｌ１及びＧｅｌ２を介して、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に廻り込むようになる。これにより、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に、中間部１４を充填しやすくなる、という利点を得ることができる。
【０１１６】
貫通孔１６が複数設けられる場合、中間部１４は、例えば、１つの充填孔１６ａから、スペース１４ｓ内へ注入される。このとき、もう１つの充填孔１６ｂは、例えば、エア抜きの孔として利用される。また、充填孔１６ｂを介して、スペース１４ｓ内を真空引きしながら、充填孔１６ａから中間部１４を注入してもよい。
【０１１７】
各電極部１２ａ、１２ｂは、例えば図８に示すように、櫛歯部の一部を拡幅した拡幅部１２ａｅ、１２ｂｅを有してもよい。各拡幅部１２ａｅ、１２ｂｅ内には、接続配線１５が設けられる。例えば図８（ａ）に示すように、第１方向Ｚから見て、各拡幅部１２ａｅ、１２ｂｅは、千鳥格子状に設けられる。例えば図８（ｂ）に示すように、各拡幅部１２ａｅ、１２ｂｅは、櫛歯部の基端側に設けられてもよい。各拡幅部１２ａｅ、１２ｂｅを設けることで、櫛歯部の先端側から接続配線１５までの距離を短くすることができる。これにより、電気抵抗の低減を図ることが可能となる。
【０１１８】
＜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（ａ）〜図９（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図である。
【０１１９】
上述した実施形態と、第２実施形態との違いは、第２電極部１２ｂが第１基板１１ａ上に形成される点である。上述した製造方法と同様の構成については、説明を省略する。
【０１２０】
本実施形態では、例えば図９（ａ）に示すように、第１電極部形成工程Ｓ１１０において、第１電極部１２ａを櫛歯状に形成する。なお、櫛歯部の数は、任意である。
【０１２１】
例えば図９（ｂ）に示すように、第２電極部形成工程Ｓ１２０において、第１主面１１ａｆ上に、第２電極部１２ｂを櫛歯状に形成する。例えば図６（ｃ）に示すように、第１方向Ｚから見て、第２電極部１２ｂの櫛歯の向きは、第１電極部１２ａと反対に形成される。なお、櫛歯部の数は、任意である。
【０１２２】
例えば図９（ｃ）に示すように、接続配線形成工程Ｓ１４０において、第１基板１１ａを貫通し、搭載面１１ａｓから露出する接続配線１５を形成する。このとき、第２接続配線１５ｂは、第１主面１１ａｆ上で第２電極部１２ｂと接し、支持部１３を貫通しない。
【０１２３】
その後、上述した中間部形成工程Ｓ１５０等を経て、本実施形態における熱電素子１が形成される。なお、上述した実施形態と同様に、形成された熱電素子１に、図６（ａ）に示す接続部材１０１を介して、実装用基板１１１上の配線部１１２と、接続配線１５とを電気的に接続させることで、本実施形態に係る装置１００を形成することができる。
【０１２４】
本実施形態によれば、上述した実施形態と同様に、第１接続配線１５ａ及び第２接続配線１５ｂは、第１基板１１ａを貫通し、搭載面１１ａｓから露出する。このため、各接続配線１５ａ、１５ｂの接続部を、同一面上に設けることができる。これより、熱電素子１への電気的配線の接続や、熱電素子１の検査を容易化することが可能となる。
【０１２５】
また、本実施形態によれば、第２電極部１２ｂは、第１主面１１ａｆ上に設けられる。このため、各電極部１２ａ、１２ｂの間隔（電極間ギャップ）を、高精度に形成することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を容易に実現することが可能となる。
【０１２６】
また、本実施形態によれば、各電極部１２ａ、１２ｂは、同一平面上に設けられる。このため、温度変化に伴う各電極部１２ａ、１２ｂの形状変化に起因する電極間ギャップの変動を抑制することができる。これにより、温度変化に伴う電気エネルギーの不安定化を抑制することが可能となる。
【０１２７】
また、本実施形態によれば、第１方向Ｚから見て、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂは、櫛歯状に設けられる。このため、各接続配線１５ａ、１５ｂの数を増加させずに、電気エネルギーを発生させる部分の面積を拡大させることができる。これにより、電気エネルギーの発生量の増大を図ることが可能となる。
【０１２８】
また、本実施形態によれば、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂは、第２基板１１ｂと離間し、支持部１３は、第２基板１１ｂと接する。このため、各電極部１２ａ、１２ｂの高さバラつきが発生した場合においても、除去等の処理を行う必要がない。これにより、製造工程の簡略化を実現することが可能となる。また、各電極部１２ａ、１２ｂの対向する面に加え、各電極部１２ａ、１２ｂの上部を介した電子ｅの移動を実現することができる。これにより、電気エネルギーの発生量のさらなる増大を図ることが可能となる。
【０１２９】
また、本実施形態によれば、第２電極部形成工程Ｓ１２０は、第１主面１１ａｆ上に、第２電極部１２ｂを形成する。このため、各電極部１２ａ、１２ｂの間隔（電極間ギャップ）を、高精度に形成することができる。これにより、電気エネルギーの発生量の安定化を容易に実現することが可能となる。
【０１３０】
（第３実施形態）
＜電子機器＞
上述した熱電素子１及び装置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。
【０１３１】
図１０（ａ）〜図１０（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１０（ｅ）〜図１０（ｈ）は、熱電素子１を含む装置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。
【０１３２】
図１０（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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
図１０（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１０（ｂ）に示す電子機器５００は、電池の交換が不要である。
【０１３７】
図１０（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。
【０１３８】
図１０（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。
【０１３９】
図１０（ｅ）〜図１０（ｈ）のそれぞれに示すように、電子機器５００は、装置１００を備えていてもよい。装置１００は、電気エネルギーの源として熱電素子１を含む。
【０１４０】
図１０（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１０（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。
【０１４１】
図１０（ａ）〜図１０（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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【符号の説明】
【０１４４】
１        ：熱電素子
１１      ：基板
１１ａ    ：第１基板
１１ａｆ  ：第１主面
１１ａｓ  ：搭載面
１１ｂ    ：第２基板
１１ｂｆ  ：第２主面
１２ａ    ：第１電極部
１２ａｅ  ：拡幅部
１２ｂ    ：第２電極部
１２ｂｅ  ：拡幅部
１３      ：支持部
１４      ：中間部
１４ａ    ：ギャップ部
１４ｓ    ：スペース
１５      ：接続配線
１５ａ    ：第１接続配線
１５ｂ    ：第２接続配線
１６      ：貫通孔
１６ａ    ：充填孔
１６ｂ    ：充填孔
１７      ：封止部
１００    ：装置
１０１    ：接続部材
１０１ａ  ：第１接続部材
１０１ｂ  ：第２接続部材
１１１    ：実装用基板
１１２    ：配線部
１１２ａ  ：第１配線
１１２ｂ  ：第２配線
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
Ｇｅｌ１  ：ギャップ
Ｇｅｌ２  ：ギャップ
Ｇｘ      ：電極間ギャップ
Ｇｙ      ：電極間ギャップ
Ｓ１１０  ：第１電極部形成工程
Ｓ１２０  ：第２電極部形成工程
Ｓ１３０  ：支持部形成工程
Ｓ１４０  ：接続配線形成工程
Ｓ１５０  ：中間部形成工程
Ｓ１６０  ：積層工程
Ｚ        ：第１方向
Ｘ        ：第２方向
Ｙ        ：第３方向
ｅ        ：電子
【図１】
2020145303.tif 000003
【図２】
2020145303.tif 000004
【図３】
2020145303.tif 000005
【図４】
2020145303.tif 000006
【図５】
2020145303.tif 000007
【図６】
2020145303.tif 000008
【図７】
2020145303.tif 000009
【図８】
2020145303.tif 000010
【図９】
2020145303.tif 000011
【図１０】
2020145303.tif 000012