(57)【要約】【課題】  熱電変換素子において、十分な温度差を確保することができると共に高い起電力を得ること。【解決手段】  絶縁性基板２と、該絶縁性基板２の表面に直接又は絶縁層３を介して互いにｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで帯状にパターン形成されていると共に端部で交互に接合されて電気的に直列接続された複数対の第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂと、を備え、第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂが、端部を絶縁性基板２の両側端部２ａ，２ｂの近傍に配して前記両側端部の間に延在して並べられ、絶縁性基板２の裏面であって両側端部２ａ，２ｂの中間部分に、他の部分よりも薄い厚さとされた中間薄肉部７が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、
該絶縁性基板の表面に直接又は絶縁層を介して互いにｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで帯状にパターン形成されていると共に端部で交互に接合されて電気的に直列接続された複数対の第１の導電体膜及び第２の導電体膜と、を備え、
前記第１の導電体膜及び前記第２の導電体膜が、前記端部を前記絶縁性基板の両側端部の近傍に配して前記両側端部の間に延在して並べられ、
前記絶縁性基板の裏面であって前記両側端部の中間部分に、他の部分よりも薄い厚さとされた中間薄肉部が形成されていることを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電変換素子において、
前記第１の導電体膜及び前記第２の導電体膜が、絶縁層を介して複数積層されていることを特徴とする熱電変換素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱電変換素子において、
前記絶縁性基板の裏面であって両側端部の近傍に、前記中間薄肉部以外の他の部分よりも薄い厚さとされた端部薄肉部が形成されていることを特徴とする熱電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電素子やサーモパイル等に適用可能な薄型の熱電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゼーベック効果による熱電発電（熱電発電素子）やペルチェ効果による熱電冷却（ペルチェ素子）、サーモパイル（熱電堆）等の素子として熱電変換素子が知られている。これらの熱電変換素子は、互いにｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とを接続した構造を有している。一般的な熱電変換素子としては、ｐ型熱電材料のブロック体とｎ型熱電材料のブロック体とを基板上に配列して直列に接続した構造であるが、この場合、微細な精密加工が難しく、小型化や薄型化が困難であった。
【０００３】
このため、従来、例えば特許文献１に記載されているように、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とを基材の表面にスパッタリング等の物理的蒸着技術により薄膜状に形成した熱電変換素子が提案されている。このような熱電変換素子では、薄膜状の熱電材料を形成するので、微細で複雑なパターンを持った熱電材料の形成が可能で、極めて小さく薄い熱電変換素子を実現可能としている。
【０００４】
また、特許文献２に記載されているように、ｐ型ＦｅＳｉ２膜のパターンの一部を露出させるようにして絶縁膜で被覆し、露出した部分に接合するようにｎ型ＦｅＳｉ２膜を被着するサーモパイルの製造方法が提案されている。この製法では、膜厚を厚くできる結果、内部比抵抗を低くでき、熱センサとしてのＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２７７３４３号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】特開平５−４１５４５号公報（特許請求の範囲）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記従来の技術では、薄膜を形成する基材としてセラミックス材料などの単層基板を用いているが、低温部と高温部との温度差が取り難く、特に小型化及び薄型化するほど、温度差が得難いという不都合がある。また、温度差が小さいため、得られる起電力も小さいという問題があった。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、十分な温度差を確保することができると共に高い起電力を得ることができる熱電変換素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の熱電変換素子は、絶縁性基板と、該絶縁性基板の表面に直接又は絶縁層を介して互いにｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで帯状にパターン形成されていると共に端部で交互に接合されて電気的に直列接続された複数対の第１の導電体膜及び第２の導電体膜と、を備え、前記第１の導電体膜及び前記第２の導電体膜が、前記端部を前記絶縁性基板の両側端部の近傍に配して前記両側端部の間に延在して並べられ、前記絶縁性基板の裏面であって前記両側端部の中間部分に、他の部分よりも薄い厚さとされた中間薄肉部が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
この熱電変換素子では、絶縁性基板の裏面であって両側端部の中間部分、すなわち第１の導電体膜及び第２の導電体膜の中間部分の直下に、他の部分よりも薄い厚さとされた中間薄肉部が形成されているので、両側端部の一方を低温部とすると共に他方を高温部とすることで、中間部分の中間薄肉部によって高温部から低温部への熱伝導性を低下させることができ、十分な温度差を確保することができる。
【００１０】
また、本発明の熱電変換素子は、前記第１の導電体膜及び前記第２の導電体膜が、絶縁層を介して複数積層されていることを特徴とする。
すなわち、この熱電変換素子では、第１の導電体膜及び第２の導電体膜が、絶縁層を介して複数積層されているので、小さいスペースでも多層構造によって熱電対部分を多数直列に接続することができ、高い起電力を得ることができる。特に、絶縁層をＺｒＯ２膜等の熱伝導性の低い材料で形成することで、より明確な温度差を得ることが可能になる。
【００１１】
また、本発明の熱電変換素子は、前記絶縁性基板の裏面であって前記両側端部の近傍に、前記中間薄肉部以外の他の部分よりも薄い厚さとされた端部薄肉部が形成されていることを特徴とする。
すなわち、この熱電変換素子では、絶縁性基板の裏面であって両側端部の近傍、すなわち第１の導電体膜及び第２の導電体膜の両端部の直下に、中間薄肉部以外の他の部分よりも薄い厚さとされた端部薄肉部が形成されているので、低温部又は高温部とされる両側端部の近傍が、端部薄肉部によって小さい熱容量となることで、高い応答性を得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る熱電変換素子によれば、絶縁性基板の裏面であって両側端部の中間部分に、他の部分よりも薄い厚さとされた中間薄肉部が形成されているので、中間薄肉部によって高温部から低温部への熱伝導性を低下させることができ、十分な温度差を確保することができる。また、第１の導電体膜及び第２の導電体膜を、絶縁層を介して複数積層することで、熱電対部分を多数直列に接続することができ、高い起電力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る熱電変換素子の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態において、熱電変換素子を示す分解斜視図及び裏面側から見た斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図４】第１実施形態において、第１の導電体膜と第２の導電体膜との接合を示す要部の拡大平面図である。
【図５】第１実施形態において、熱電変換素子の製造方法を工程順に示す要部の拡大断面図である。
【図６】本発明に係る熱電変換素子の第２実施形態を示す斜視図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ線矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る熱電変換素子の第１実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１５】
本実施形態の熱電変換素子１は、熱電発電素子や温度センサ等に適用されるものであって、図１から図４に示すように、絶縁性基板２と、該絶縁性基板２の表面に直接又は絶縁層３を介して互いにｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで帯状にパターン形成されていると共に端部で交互に接合されて電気的に直列接続された複数対の第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂと、直列接続された第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂの末端に接続された一対のリード線５と、を備えている。
【００１６】
上記各第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂは、端部を絶縁性基板２の両側端部２ａ，２ｂの近傍に配して両側端部２ａ，２ｂの間に延在して並べられている。また、図４に示すように、互いに端部で接合される第１の導電体膜４Ａと第２の導電体膜４Ｂとは、一方の導電体膜の端部がＬ字状に曲がって他方の導電体膜の端部に重なって接合部４ａを形成している。
【００１７】
すなわち、第１の導電体膜４Ａと第２の導電体膜４Ｂとは、互いに端部の接合部４ａで接続されて一対で一つの熱電対部を構成している。また、第１の導電体膜４Ａと第２の導電体膜４Ｂとは、複数が交互に接続されて折り返すことで全体として櫛歯状に配設され、複数の熱電対部が繰り返し直列接続されて構成されている。この第１の導電体膜４Ａと第２の導電体膜４Ｂとによる熱電対部のパターンの繰り返し数（第１の導電体膜４Ａと第２の導電体膜４Ｂとの接続の数）を増やすことによってその感度を向上させることができる。
【００１８】
これら第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂは、例えばｐ型熱電材料及びｎ型熱電材料の双方がＦｅＳｉ２系熱電材料で形成されている。例えば、ＦｅＳｉ２系熱電材料以外には、既知のＢｉ−Ｔｅ系熱電材料、Ｍｇ―Ｓｉ系熱電材料、Ｍｎ−Ｓｉ系熱電材料、酸化物系熱電材料でもよい。
【００１９】
また、第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂは、絶縁層３を介して複数積層されている。この絶縁層３は、熱伝導性の低い材料が好ましく、本実施形態では、ＺｒＯ２膜が採用されている。各層の絶縁層３は、第１の導電体膜４Ａと第２の導電体膜４Ｂとの折り返し部分の一部（接合部４ａ）を除いて第１の導電体膜４Ａ又は第２の導電体膜４Ｂの表面と絶縁性基板２全体とを覆っている。
【００２０】
最下層である第１層Ｌ１の第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂは、一端がリード線５の一方に接続されていると共に他端が一層上に積層された第２層Ｌ２の第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂの一端に接続されている。第２層Ｌ２の第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂの他端は、さらにその上に積層された層の第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂの一端に接続されている。
【００２１】
そして、最上層Ｌｎの第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂの他端は、他方のリード線５に接続されている。このように上下の層間でも第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂは交互に直列接続されている。なお、図３では、簡略的に第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂの層を三層のみで図示している。
【００２２】
上記絶縁性基板２は、例えば、アルミナ基板等のセラミックス材料で形成されている。
また、絶縁性基板２の裏面であって両側端部２ａ，２ｂの中間部分、すなわち第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂの中間部分の直下に、他の部分よりも薄い厚さとされた中間薄肉部７が形成されている。
この中間薄肉部７は、絶縁性基板２の裏面中央部に矩形状に形成された穴部である。
なお、上記リード線５は、電流測定器又は電圧測定器（図示略）に接続される。
【００２３】
次に、本実施形態の熱電変換素子１の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
【００２４】
まず、絶縁性基板２として、図５の（ａ）に示すように、例えば所定の一定厚さのアルミナ基板を使用し、図５の（ｂ）に示すように、この絶縁性基板２の上面全面に、第１の導電体膜４Ａとして例えばｐ型ＦｅＳｉ２膜をスパッタリングにより所定の厚さに被着する。さらに、図５の（ｃ）に示すように、この第１の導電体膜４Ａ上に第１フォトレジスト膜１１を被着、露光等することにより所定のパターンの第１フォトレジスト膜１１を形成する。
【００２５】
次に、図５の（ｄ）に示すように、ＨＦ＋ＨＮＯ３系またはＨＦ＋Ｈ２ＳＯ４系等のエッチング液で選択的にエッチングして第１フォトレジスト膜１１の下地以外の部分の第１の導電体膜４Ａを除去する。図５の（ｅ）に示すように、さらに、第１フォトレジスト膜１１を除去して第１の導電体膜４Ａのパターンを絶縁性基板２上に形成する。
【００２６】
次に、図５の（ｆ）に示すように、この第１の導電体膜４Ａを第２フォトレジスト膜１２で覆い、露光、エッチングしてこの第１の導電体膜４Ａ上の一部に所定パターンの第２フォトレジスト膜１２を残す。さらに、図５の（ｇ）に示すように、この絶縁性基板２、第１の導電体膜４Ａおよび第２フォトレジスト膜１２の全体を覆うように絶縁層３としてＺｒＯ２膜を被着する。そして、図５の（ｈ）に示すように、リフトオフ法によりこの第２フォトレジスト膜１２を絶縁層３の一部とともに剥離することにより、第１の導電体膜４Ａのパターンの一部を露出部４ｂとして露出させる。
【００２７】
次に、図５の（ｉ）に示すように、第１の導電体膜４Ａの露出部４ｂ及び絶縁層３の全体を覆うように第２の導電体膜４Ｂを、スパッタリング等で被着する。さらに、図５の（ｊ）に示すように、この第２の導電体膜４Ｂ上に所定パターンの第３フォトレジスト膜１３を被着する。そして、図５の（ｋ）に示すように、ＨＦ＋ＨＮＯ３系等のエッチング液で第３フォトレジスト膜１３の下地以外の第２の導電体膜４Ｂを選択的にエッチングする。さらに、図５の（ｌ）に示すように、第３フォトレジスト膜１３を除去する。この結果、第１の導電体膜４Ａの一部（露出部４ｂ）と第２の導電体膜４Ｂの一部とは接合されて接合部４ａとなる。
【００２８】
次いで、第１の導電体膜４Ａと第２の導電体膜４Ｂとを結晶化させるために４００〜９００℃でアニールを行う。このアニールは、熱起電力を高めるものである。
さらに、上記リソグラフィプロセスのうち図５の（ｆ）〜（ｌ）で示す工程を、各層毎に繰り返し、第１の導電体膜４Ａと第２の導電体膜４Ｂとを交互にパターン形成しつつ接合部４ａを除いて絶縁層３を挟むことで、電気的に直列接続された複数の熱電対部を有する層を複数積層する。
【００２９】
次に、上記各薄膜形成後、図３に示すように、絶縁性基板２の裏面に所定パターンのメタルマスクを配して、両側端部２ａ，２ｂの中間部分、すなわち第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂの中間部分の直下に、ブラスト加工を行うことで、所定厚さまで薄くした矩形状の中間薄肉部７を形成する。
そして、接続された第１の導電体膜４Ａと第２の導電体膜４Ｂとの末端に電極部としてリード線５をハンダ付けすることで、熱電変換素子１が作製される。
【００３０】
このように本実施形態の熱電変換素子１では、絶縁性基板２の裏面であって両側端部２ａ，２ｂの中間部分、すなわち第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂの中間部分の直下に、他の部分よりも薄い厚さとされた中間薄肉部７が形成されているので、両側端部２ａ，２ｂの一方を低温部とすると共に他方を高温部とすることで、中間部分の中間薄肉部７によって高温部から低温部への熱伝導性を低下させることができ、十分な温度差を確保することができる。
【００３１】
例えば、側端部２ａを高温部とし、側端部２ｂを低温部とした場合、側端部２ａの熱が側端部２ｂへと伝わる際に、中間部分の中間薄肉部７が介在していることで熱が伝わり難くなり、側端部２ａと側端部２ｂとで高い温度差が得られる。この高い温度差に対応して、側端部２ａ近傍から側端部２ｂ近傍にわたって延在する複数対の第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂによって高い起電力が得られる。
【００３２】
また、第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂが、絶縁層３を介して複数積層されているので、小さいスペースでも多層構造によって熱電対部分を多数直列に接続することができ、高い起電力を得ることができる。特に、絶縁層３をＺｒＯ２膜等の熱伝導性の低い材料で形成することで、より明確な温度差を得ることが可能になる。
【００３３】
次に、本発明に係る熱電変換素子の第２実施形態について、図６及び図７を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３４】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、絶縁性基板２の裏面中央部に中間薄肉部７だけが形成されているのに対し、第２実施形態の熱電変換素子２１は、図６及び図７に示すように、絶縁性基板２２の裏面であって両側端部２ａ，２ｂの近傍に、中間薄肉部７以外の他の部分よりも薄い厚さとされた端部薄肉部２８が形成されている点である。
【００３５】
すなわち、第２実施形態では、中間薄肉部７だけでなく該中間薄肉部７の両側にそれぞれ端部薄肉部２８にも対応したパターンを有するメタルマスクを用いて、絶縁性基板２２の裏面をブラスト加工することで、中間薄肉部７と一対の端部薄肉部２８とが形成されている。これら端部薄肉部２８は、側端部２ａ又は側端部２ｂに沿って延在した長方形状の穴部である。
【００３６】
このように、第２実施形態の熱電変換素子２１では、絶縁性基板２２の裏面であって両側端部２ａ，２ｂの近傍、すなわち第１の導電体膜４Ａ及び第２の導電体膜４Ｂの両端部の直下に、中間薄肉部７以外の他の部分よりも薄い厚さとされた端部薄肉部２８が形成されているので、低温部又は高温部とされる両側端部２ａ，２ｂの近傍が、端部薄肉部２８によって小さい熱容量となることで、高い応答性を得ることができる。
【００３７】
なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１，２１…熱電変換素子、２，２２…絶縁性基板、２ａ，２ｂ…絶縁性基板の両側端部、３…絶縁層、４Ａ…第１の導電体膜、４Ｂ…第２の導電体膜、７…中間薄肉部、２８…端部薄肉部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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