(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の第１の基板と、
前記第１の基板に形成された第１の貫通孔と、
前記第１の貫通孔内の一部に配置され、前記第１の基板の第１の面よりも低い位置に、前記第１の面と同じ方向を向く第１の端面が位置する第１の熱伝達媒体と、
前記第１の面および前記第１の端面の上方に配置され、前記第１の熱伝達媒体の前記第１の端面と熱的に結合している、熱電材料からなる熱電パターンと、
前記熱電パターンに、前記第１の熱伝達媒体とは異なる位置において熱的に結合し、前記熱電パターンに関して前記第１の熱伝達媒体とは反対向きに突出した第２の熱伝達媒体と
を有し、
前記第１の端面の上方に配置される熱電パターンが、前記第１の面の上方に配置される熱電パターンよりも低い位置に形成されている熱電素子。
【請求項２】
さらに、
前記第１の基板の前記第１の面及び前記熱電パターンの上に配置された絶縁性の第２の基板と、
前記第２の基板に形成され、前記第２の熱伝達媒体を収容する第２の貫通孔と
を有し、
前記第１の熱伝達媒体と前記第２の基板との間に空洞が設けられている請求項１に記載の熱電素子。
【請求項３】
前記第２の熱伝達媒体と前記第１の基板との間に空洞が設けられている請求項２に記載の熱電素子。
【請求項４】
さらに、
前記第１の基板に形成され、前記熱電パターンに沿って配置された複数の貫通孔からなる第１の貫通孔群と、
前記第１の貫通孔群に属する貫通孔内に配置され、前記第１の基板の第１の面よりも低い位置に、前記第１の面と同じ方向を向く第１の端面が位置し、前記熱電パターンに熱的に結合する複数の熱伝達媒体からなる第１の熱伝達媒体群と、
前記熱電パターンに沿って配置され、前記熱電パターンに熱的に結合し、前記熱電パターンに関して前記第１の熱伝達媒体群に属する熱伝達媒体とは反対向きに突出した複数の熱伝達媒体からなる第２の熱伝達媒体群と
を有し、
前記第１の貫通孔は、前記第１の貫通孔群に属する１つの貫通孔であり、前記第１の熱伝達媒体は、前記第１の熱伝達媒体群に属する１つの熱伝達媒体であり、前記第２の熱伝達媒体は、前記第２の熱伝達媒体群に属する１つの熱伝達媒体であり、
前記熱電パターンは、交互に直列接続された複数のＰ型熱電パターンとＮ型熱電パターンとを含み、
前記第１の熱伝達媒体群に属する熱伝達媒体と、前記第２の熱伝達媒体群に属する熱伝達媒体とは、前記Ｐ型熱電パターンとＮ型熱電パターンとの接続箇所において、前記熱電パターンに熱的に結合し、前記Ｎ型熱電パターンと前記Ｐ型熱電パターンとの各々の一方の端部には、前記第１の熱伝達媒体群に属する熱伝達媒体が熱的に結合し、他方の端部には、前記第２の熱伝達媒体群に属する熱伝達媒体が熱的に結合している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電素子。
【請求項５】
絶縁性の第１の基板に複数の第１の貫通孔を形成する工程と、
前記第１の貫通孔の各々の内部の一部に、第１の熱伝達媒体を充填し、前記第１の基板の一方の第１の面よりも低い位置に、前記第１の熱伝達媒体の第１の端面を配置する工程と、
前記第１の面および前記第１の端面の上方に、前記第１の熱伝達媒体と熱的に結合した熱電パターンを形成する工程であって、前記第１の端面の上方に配置される熱電パターンを、前記第１の面の上方に配置される熱電パターンよりも低い位置に形成する工程と、
前記熱電パターンに、前記第１の熱伝達媒体とは異なる位置で、第２の熱伝達媒体を熱的に結合させる工程と
を有する熱電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
曲面の表面を持つ発熱体に装着するために、フレキシブルな熱電素子が提案されている。フレキシブルな２枚のシートの間に、熱電変換材料からなるパターンが挟まれている。平面視において、熱電パターンの一部と重なるように、シートの一方の外面に熱伝導率の高い熱伝達部材が設けられる。反対側の外面にも、熱電パターンの他の部分と重なるように熱伝達部材が設けられる。
【０００３】
シートに厚さ方向の温度差が生じると、一方の熱伝達部材が高温になり、他方の熱伝達部材が低温になる。熱伝達部材間の温度差により、基材に、面内方向の温度差が生じる。この温度差により、熱電パターンに面内方向の温度差が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１８６２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高温の外面に設けられた熱伝達部材から、高温側のシートを経由して熱電パターンに熱が伝達される。これにより、熱電パターンの一部が高温になる。ところが、この部分の熱は、低温側のシートを経由して冷却されている。このため、熱電パターンの高温端の温度上昇が抑制されてしまう。また、熱電パターンを冷却すべき部分に、高温側のシートを経由して熱が伝達される。このため、熱電パターンの低温端の冷却効率が低下する。
【０００６】
熱電パターンに効率的に温度差を生じさせることができる熱電素子が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、絶縁性の第１の基板と、前記第１の基板に形成された第１の貫通孔と、前記第１の貫通孔内の一部に配置され、前記第１の基板の第１の面よりも低い位置に、前記第１の面と同じ方向を向く第１の端面が位置する第１の熱伝達媒体と、前記第１の面および前記第１の端面の上方に配置され、前記第１の熱伝達媒体の前記第１の端面と熱的に結合している、熱電材料からなる熱電パターンと、前記熱電パターンに、前記第１の熱伝達媒体とは異なる位置において熱的に結合し、前記熱電パターンに関して前記第１の熱伝達媒体とは反対向きに突出した第２の熱伝達媒体とを有し、前記第１の端面の上方に配置される熱電パターンが、前記第１の面の上方に配置される熱電パターンよりも低い位置に形成されている熱電素子、が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によると、絶縁性の第１の基板に複数の第１の貫通孔を形成する工程と、前記第１の貫通孔の各々の内部の一部に、第１の熱伝達媒体を充填し、前記第１の基板の一方の第１の面よりも低い位置に、前記第１の熱伝達媒体の第１の端面を配置する工程と、前記第１の面および前記第１の端面の上方に、前記第１の熱伝達媒体と熱的に結合した熱電パターンを形成する工程であって、前記第１の端面の上方に配置される熱電パターンを、前記第１の面の上方に配置される熱電パターンよりも低い位置に形成する工程と、前記熱電パターンに、前記第１の熱伝達媒体とは異なる位置で、第２の熱伝達媒体を熱的に結合させる工程とを有する熱電素子の製造方法、が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
第１の端面を第１の面より低くすることにより、熱電パターンのうち、第１の熱伝達媒体に熱的に結合している部分の温度と、第１の熱伝達媒体の温度に近づけることができる。これにより、熱電パターンに大きな温度差を生じさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（１Ａ）は、実施例１による熱電素子の一方の基板の平面図であり、（１Ｂ）は、熱電素子の断面図である。
【図２】実施例１による熱電素子の空洞及びその周囲の断面図である。
【図３−１】実施例１による熱電素子の製造途中段階における断面図である。
【図３−２】実施例１による熱電素子の製造途中段階における断面図である。
【図４】（４Ａ）及び（４Ｂ）は、それぞれ実施例１及び比較例の熱電素子内の温度分布のシミュレーション結果を示す等温線図である。
【図５】実施例１及び比較例の熱電素子の熱電パターンの面内方向の温度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６−１】（６Ａ）及び（６Ｂ）は、実施例２による熱電素子の製造途中段階における断面図である。
【図６−２】（６Ｃ）は、実施例２による熱電素子の断面図である。
【図７】（７Ａ）及び（７Ｂ）は、実施例３による熱電素子の製造途中段階における断面図であり、（７Ｃ）は、実施例３による熱電素子の断面図である。
【図８】（８Ａ）及び（８Ｂ）は、実施例４による熱電素子の製造途中段階における断面図である。
【図９】（９Ａ）及び（９Ｂ）は、実施例５による熱電素子の製造途中段階における断面図であり、（９Ｃ）は、実施例５による熱電素子の断面図である。
【図１０】実施例５による熱電素子の動作時の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［実施例１］
図１Ａに、実施例１による熱電素子の一方の基板（第１の基板）の平面図を示す。絶縁性の第１の基板２０の上に、熱電パターン２１が形成されている。熱電パターン２１は、クランク状に折れ曲がった平面形状を持ち、交互に直列接続された複数のＰ型熱電パターン２１ＰとＮ型熱電パターン２１Ｎとを含む。Ｐ型熱電パターン２１ＰとＮ型熱電パターン２１Ｎとは、導電膜２２により相互に電気的に接続されている。
【００１２】
図１Ａにおいて、クランク状の熱電パターン２１の横方向（行方向）に延在する部分に、Ｐ型熱電パターン２１ＰとＮ型熱電パターン２１Ｎとが２個ずつ交互に配列している。縦方向（列方向）に延在する部分には、隣り合う行のＰ型熱電パターン２１ＰとＮ型熱電パターン２１Ｎとの端部同志を接続する導電膜２２が配置される。
【００１３】
熱電パターン２１の経路に沿って配列する複数の導電膜２２から、１つおきに選択した導電膜２２（例えば、１から順番に通し番号を付したとき、奇数番目の導電膜２２）に対応する位置に、第１の基板２０を貫通する貫通孔２５が形成されている。なお、Ｐ型熱電パターン２１ＰとＮ型熱電パターン２１Ｎとを列方向に接続する導電膜２２に対しては、Ｐ型熱電パターン２１Ｐと導電膜２２との接続部、及びＮ型熱電パターンと導電膜２２との接続部に、それぞれ第１の貫通孔２５が形成されている。貫通孔２５内の一部に、第１の熱伝達媒体３０が埋め込まれている。
【００１４】
熱電パターン２１の経路の両端には、熱電素子の電極として作用する電極膜２４が形成されている。一方の電極膜２４は、Ｐ型熱電パターン２１Ｐの端部に接続され、他方の電極膜２４は、Ｎ型熱電パターン２１Ｎの端部に接続されている。
【００１５】
図１Ｂに、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図を示す。第１の基板２０に複数の貫通孔２５が形成されている。貫通孔２５の各々の側面は、両端の開口部近傍において、外側に向かって広がったテーパ形状にされている。貫通孔２５内の一部分に、第１の熱伝達媒体３０が埋め込まれている。第１の基板２０には、可撓性を有する絶縁シートが用いられる。一例として、ポリイミド、カプトン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエチルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）等を用いることができる。これらの材料から、熱電素子の動作温度、動作環境等によって適切なものを選択すればよい。
【００１６】
第１の熱伝達媒体３０には、第１の基板２０よりも熱伝導率の高い材料、例えば半田等の金属が用いられる。
【００１７】
第１の基板２０の一方の面（第１の面）２０Ａと同じ方向を向く第１の熱伝達媒体３０の端面（第１の端面）３０Ａは、第１の面２０Ａよりも低い位置に配置される。一例として、第１の端面３０Ａの深さ方向の位置は、第１の貫通孔２５のテーパ状の側面の最も深い位置とほぼ一致する。第１の熱伝達媒体３０の他方の端面（第２の端面）３０Ｂは、第１の基板２０の他方の面（第２の面）２０Ｂとほぼ同じ高さに配置される。
【００１８】
第１の基板２０の第１の面２０Ａ及び第１の熱伝達媒体３０の第１の端面３０Ａの上に、絶縁膜３１が形成されている。絶縁膜３１には、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等が用いられる。第１の基板２０の上に、絶縁膜３１を介して、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎが形成されている。
【００１９】
Ｐ型熱電パターン２１Ｐは、第１の端面３０Ａ上の領域から、隣の第１の熱伝達媒体３０に向かって、第１の貫通孔２５のテーパ状の側面を経由し、第１の面２０Ａ上の領域まで延びる。Ｎ型熱電パターン２１Ｎは、第１の端面３０Ａ上の領域から、Ｐ型熱電パターン２１Ｐとは反対向きに、第１の貫通孔２５のテーパ状の側面を経由し、第１の面２０Ａ上の領域まで延びる。
【００２０】
第１の端面３０Ａの上のＰ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎの端部は、絶縁膜３１を介して、第１の熱伝達媒体３０に熱的に結合される。Ｐ型熱電パターン２１Ｐには、Ｐ型の熱電材料、例えばクロメルが用いられる。Ｎ型熱電パターン２１Ｎには、Ｎ型の熱電材料、例えばコンスタンタンが用いられる。
【００２１】
熱電材料として、他の材料を用いてもよい。例えば、ＢｉＴｅ系材料、ＰｂＴｅ系材料、Ｓｉ−Ｇｅ系材料、シリサイド系材料、スクッテルダイト系材料、遷移金属酸化物系材料、亜鉛アンチモン系材料、ホウ素化合物、クラスタ固体、酸化亜鉛系材料、カーボンナノチューブ等を用いることができる。ＢｉＴｅ系材料の例として、ＢｉＴｅ、ＳｂＴｅ、ＢｉＳｅ、およびこれらの化合物が挙げられる。ＰｂＴｅ系材料の例として、ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、ＡｇＳｂＴｅ、ＧｅＴｅ、及びこれらの化合物が挙げられる。Ｓｉ−Ｇｅ系材料の例として、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅが挙げられる。シリサイド系材料の例として、ＦｅＳｉ、ＭｎＳｉ、ＣｒＳｉ等が挙げられる。スクッテルダイト系材料の例として、ＭＸ３、ＲＭ４Ｘ１２と表記される化合物が挙げられる。ここで、Ｍは、Ｃｏ、Ｒｈ、またはＩｒであり、Ｘは、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂであり、Ｒは、Ｌａ、Ｙｂ、またはＣｅを表す。遷移金属酸化物系材料として、ＮａＣｏＯ、ＣａＣｏＯ、ＺｎＩｎＯ、ＳｒＴｉＯ、ＢｉＳｒＣｏＯ、ＰｂＳｒＣｏＯ、ＣａＢｉＣｏＯ、ＢａＢｉＣｏＯ等が挙げられる。亜鉛アンチモン系材料の例として、ＡｎＳｂが挙げられる。ホウ素化合物の例として、ＣｅＢ、ＢａＢ、ＳｒＢ、ＣａＢ、ＭｇＢ、ＶＢ、ＮｉＢ、ＣｕＢ、ＬｉＢ等が挙げられる。クラスタ固体の例として、Ｂクラスタ、Ｓｉクラスタ、Ｃクラスタ、ＡｌＲｅ、ＡｌＲｅＳｉ等が挙げられる。酸化亜鉛系材料の例として、ＺｎＯが挙げられる。
【００２２】
第１の端面３０Ａの各々の上に、Ｐ型熱電パターン２１Ｐの端部とＮ型熱電パターン２１Ｎの端部とが配置される。導電膜２２が、この２つの端部同士を電気的に接続する。行方向に隣り合う第１の熱伝達媒体３０のほぼ中間に、両側の第１の熱伝達媒体３０からそれぞれ延在するＰ型熱電パターン２１ＰとＮ型熱電パターン２１Ｎとを接続する導電膜２２が形成されている。導電膜２２には、例えば銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等が用いられる。
【００２３】
第２の基板４０に複数の第２の貫通孔４１が形成されている。第２の貫通孔４１の側面の開口部近傍も、第１の貫通孔２５と同様にテーパ状の構造を持つ。第２の貫通孔４１内に第２の熱伝達媒体４２が埋め込まれている。第２の熱伝達媒体４２の両側の端面は、それぞれ第２の基板４０の表面とほぼ同じ高さに配置される。第２の基板４０及び第２の熱伝達媒体４２には、それぞれ第１の基板２０及び第１の熱伝達媒体４２と同じ材料が用いられる。
【００２４】
第２の基板４０の第１の面４０Ａと、第１の基板２０の第１の面２０Ａとを向かい合わせて、両者が接着剤層５０を介して接着されている。第２の熱伝達媒体４２は、平面視において、第１の基板２０上の導電膜２２と重なる位置に配置される。第２の熱伝達媒体４２は、接着剤層５０を介して、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎに熱的に結合する。第１の熱伝達媒体３０と第２の基板４０との間に、空洞４５が形成される。
【００２５】
上述のように、第１の熱伝達媒体３０と第２の熱伝達媒体４２とは、熱電パターン２１に、相互に異なる位置で熱的に結合する。また、第１の熱伝達媒体３０と第２の熱伝達媒体４２とは、熱電パターン２１に関して、相互に反対向きに突出する。Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎの各々に着目すると、１つのパターンの一方の端部に第１の熱伝達媒体３０が熱的に結合し、他方の端部に第２の熱伝達媒体４２が熱的に結合する。
【００２６】
図２に、空洞４５及びその周囲の断面図を示す。Ｐ型熱電パターン２１Ｐと第１の熱伝達媒体３０との間、及びＮ型熱電パターン２１Ｎと第１の熱伝達媒体３０との間に、絶縁膜３１が配置されている。絶縁膜３１は、第１の熱伝達媒体３０を、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎから電気的に絶縁する。なお、絶縁膜３１は、Ｐ型熱電パターン２１Ｐと第１の熱伝達媒体３０との間、及びＮ型熱電パターン２１Ｎと第１の熱伝達媒体３０との間の熱伝達を阻害しないように、できるだけ薄くすることが好ましい。逆に、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎと、第１の熱伝達媒体３０との間の短絡を防止するための十分な厚さを確保することが好ましい。例えば、絶縁膜３１の厚さを０．０１μｍ〜１μｍの範囲内とすることが好ましい。
【００２７】
図３Ａ〜図３Ｇを参照して、実施例１による熱電素子の製造方法について説明する。
【００２８】
図３Ａに示すように、第１の基板２０に複数の第１の貫通孔２５を形成する。第１の基板２０の厚さは、例えば１２５μｍである。第１の貫通孔２５の形成には、レーザ加工または機械ドリル加工を適用することができる。レーザ加工の条件、機械ドリル加工の条件を調整することにより、開口部近傍がテーパ状になった貫通孔を形成することができる。第１の貫通孔２５の平面形状は、例えば円形である。なお、円形以外に、四角形、その他の多角形としてもよい。
【００２９】
一般的には、開口部近傍において口径が大きくならないストレート形状の貫通孔が形成されるように、加工条件が最適化される。本実施例１においては、加工条件を、ストレート形状の貫通孔を形成するための最適条件からずらすことにより、テーパ状の開口部を持つ貫通孔２５を形成することができる。
【００３０】
図３Ｂに示すように、第１の貫通孔２５内の一部に第１の熱伝達媒体３０を埋め込む。以下、第１の熱伝達媒体３０を埋め込む方法について説明する。第１の貫通孔２５の位置に整合する開口を持つマスクを用いて、第２の面２０Ｂから、半田ペーストを第１の貫通孔２５内に埋め込む。埋め込まれた半田ペーストが、第１の面２０Ａまで到達しないように、半田ペーストの量を調節しておく。
【００３１】
半田ペーストを埋め込んだ後、半田ペースト中の樹脂を揮発させるための熱処理を行う。熱処理温度は、例えば２００℃とする。半田ペーストが第１の面２０Ａまで到達していないため、第１の熱伝達媒体３０の第１の端面３０Ａの位置が、第１の面２０Ａよりも低くなり、凹部２０Ｃが形成される。第１の熱伝達媒体３０の第２の端面３０Ｂは、第２の面２０Ｂとほぼ同じ高さになる。
【００３２】
図３Ｃに示すように、第１の面２０Ａ及び第１の端面３０Ａの上に、絶縁膜３１を形成する。絶縁膜３１には、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁物が用いられる。絶縁膜３１の形成には、例えばスパッタリング等が適用される。
【００３３】
図３Ｄに示すように、絶縁膜３１の上に、例えばクロメルからなるＰ型熱電パターン２１Ｐを形成する。Ｐ型熱電パターン２１Ｐの形成には、その平面形状に整合する開口を有するメタルマスクを用いたスパッタリングが適用される。Ｐ型熱電パターン２１Ｐの厚さは、例えば１μｍとする。第１の貫通孔２５の開口部近傍がテーパ状にされているため、第１の端面３０Ａ上の端部から第１の面２０Ａ上の端部まで、断線を生じさせること無く、Ｐ型熱電パターン２１Ｐを形成することができる。
【００３４】
図３Ｅに示すように、絶縁膜３１の上に、例えばコンスタンタンからなるＮ型熱電パターン２１Ｎを形成する。Ｎ型熱電パターン２１Ｎの形成には、その平面形状に整合する開口を有するメタルマスクを用いたスパッタリングが適用される。Ｎ型熱電パターン２１Ｎの厚さは、例えば１μｍとする。Ｐ型熱電パターン２１Ｐと同様に、第１の端面３０Ａ上の端部から第１の面２０Ａ上の端部まで、断線を生じさせること無く、Ｎ型熱電パターン２１Ｎを形成することができる。
【００３５】
図３Ｆに示すように、例えば銅（Ｃｕ）からなる導電膜２２を形成する。導電膜２２の形成には、その平面形状に整合する開口を有するメタルマスクを用いたスパッタリングが適用される。導電膜２２の厚さは、例えば０．３μｍとする。
【００３６】
図３Ｇに示すように、第２の基板４０に第２の貫通孔４１を形成し、その中に第２の熱伝達媒体４２を埋め込む。第２の基板４０の厚さは、例えば７５μｍである。第２の貫通孔４１及び第２の熱伝達媒体４２の形成方法は、図３Ａ及び図３Ｂに示した第１の貫通孔２５及び第１の熱伝達媒体３０の形成方法と同一である。ただし、第２の基板４０が第１の基板２０よりも薄いため、第２の熱伝達媒体４２は、第２の貫通孔４１内をほぼ完全に埋め尽くす。これにより、第２の熱伝達媒体４２の両側の端面は、第２の基板４０の表面とほぼ同じ高さになる。
【００３７】
第２の基板４０の一方の面に接着剤を塗布することにより、接着剤層５０を形成する。接着剤層５０が形成された面を、第１の基板２０の第１の面２０Ａに対向させる。第２の熱伝達媒体４２が、隣り合う第１の熱伝達媒体３０のほぼ中間の導電膜２２と重なるように、第１の基板２０と第２の基板４０との位置合わせを行う。接着剤層５０を硬化させることにより、図１Ｂに示した熱電素子が得られる。
【００３８】
次に、実施例１による熱電素子の動作について説明する。図１Ｂに示した第１の基板２０の外側の面と、第２の基板４０の外側の面との間に、温度差を生じさせる。例えば、第１の基板２０の外側の面を第１の熱源に結合させ、第２の基板４０の外側の面を第２の熱源に結合させる。第１の熱源及び第２の熱源の一方は、高温側熱源であり、他方は低温側熱源である。一例として、第１の基板２０の外側の面が接触する第１の熱源を低温側熱源とし、第２の基板４０の外側の面が接触する第２の熱源を高温側熱源とする。
【００３９】
第１の熱伝達媒体３０及び第２の熱伝達媒体４２の熱伝導率が、第１の基板２０及び第２の基板４０の熱伝導率よりも高い。このため、高温の第２の熱源から、第２の熱伝達媒体４２、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ、及び第１の熱伝達媒体３０を経由して低温の第１の熱源に至る熱流路が形成される。さらに、第２の熱源から、第２の熱伝達媒体４２、Ｎ型熱電パターン２１Ｎ、及び第１の熱伝達媒体３０を経由して第１の熱源に至る熱流路が形成される。これにより、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎに、面内方向の温度差が発生する。この温度差により、熱起電力が発生する。
【００４０】
第２の熱伝達媒体４２とＰ型熱電パターン２１Ｐとの間、及び第２の熱伝達媒体４２とＮ型熱電パターン２１Ｎとの間には、薄い接着剤層５０が挿入されているのみである。また、第１の熱伝達媒体３０とＰ型熱電パターン２１Ｐとの間、及び第１の熱伝達媒体３０とＮ型熱電パターン２１Ｎとの間には、薄い絶縁膜３１が挿入されているのみである。このため、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎの高温端を、効率的に加熱することができる。また、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎの低温端を効率よく冷却することができる。
【００４１】
第２の基板４０の熱伝導率は、第２の熱伝達媒体４２の熱伝導率より低いが、一部の熱は、第２の基板４０の外側の面から、厚さ方向に伝導し、第１の面４０まで至る。実施例１においては、第１の熱伝達媒体３０と第２の基板４０との間に空洞４５が形成されている。空洞４５が断熱材として作用する。このため、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎの低温端への、高温部からの熱の流入を抑制することができる。第１の貫通孔２５の開口部をテーパ形状にしているため、ストレート形状の場合に比べて、断熱効果をより高めることができる。
【００４２】
さらに、第１の熱伝達媒体３０の高さが、第１の基板２０の厚さに比べて低い。このため、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎの低温端と、第１の熱源との熱流路が、第１の基板２０の厚さよりも短くなる。これにより、低温端を効率的に冷却することが可能になる。
【００４３】
図４Ａ及び図４Ｂを参照して、温度分布のシミュレーション結果について説明する。図４Ａは、空洞４５が形成された実施例１に対応する構造のシミュレーション結果を示し、図４Ｂは、空洞が形成されていない比較例の構造のシミュレーション結果を示す。第１の基板２０の外側の面を０℃とし、第２の基板４０の外側の面を１００℃とした。図４Ａ、図４Ｂに、等温線を曲線で示している。
【００４４】
空洞４５を設けると、図４Ａに示したように、１０℃の等温線が、熱電パターン２１と交差している。これは、熱電パターン２１の低温端の温度が１０℃以下になることを意味する。これに対し、空洞を形成しない場合には、図４Ｂに示したように、１０℃〜４０℃の等温線が熱電パターン２１と交差しない。これた、熱電パターン２１の低温端の温度が４０℃以上であることを意味する。
【００４５】
図５に、シミュレーション結果から求めた温度分布を示す。横軸は、熱電パターンの高温端からの距離を単位μｍで表し、縦軸は温度を単位「℃」で表す。実線ａ及び破線ｂが、それぞれ図４Ａ及び図４Ｂの構造の温度分布を示す。
【００４６】
実施例１に対応する図４Ａの構造では、高温端と低温端との温度差が３６．１℃であるのに対し、比較例の構造では、温度差が１３．６℃である。このように、実施例１の構造を採用することにより、熱電パターン２１に、より大きな温度差を生じさせることができる。温度差が大きくなることにより、熱電発電の出力電力も大きくなる。
【００４７】
図３Ｇに示した基板の貼り合わせ工程は、例えば大気中で行われるが、真空中で行ってもよい。真空中で行う場合には、空洞４５内を真空にすることができる。接着剤層５０として、真空を長期間維持することができる性能をもった接着剤を使用することにより、空洞４５を長期間、真空に保つことができる。空洞４５を真空にすると、空洞４５による断熱効果を高めることができる。
【００４８】
実施例１では、熱電パターン２１と第１の熱伝達媒体３０との間に、両者を絶縁するための絶縁膜３１を形成した。両者を絶縁する必要があるのは、第１の基板２０の外側の面を、導電性の第１の熱源に接触させたときに、複数の第１の熱伝達媒体３０が相互に短絡されてしまうためである。第１の熱源が導電性ではない場合には、熱電パターン２１と第１の熱伝達媒体３０とを絶縁する必要はない。この場合には、絶縁膜３１を省略し、熱電パターン２１を第１の熱伝達媒体３０に直接接触させてもよい。
【００４９】
また、第１の熱源が導電性である場合、第１の基板２０の外側の面、及び第１の熱伝達媒体３０の外側の端面の上に、絶縁膜を形成してもよい。この場合には、複数の第１の熱伝達媒体３０が相互に短絡されないため、絶縁膜３１を省略することができる。
【００５０】
［実施例２］
図６Ａ〜図６Ｃを参照して、実施例２による熱電素子について説明する。以下の説明では、実施例１との相違点に着目し、実施例１と同一の構成については説明を省略する。
【００５１】
図６Ａに示すように、第１の基板２０に、第１の貫通孔２５、第１の熱伝達媒体３０、絶縁膜３１、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ、Ｎ型熱電パターン２１Ｎ、及び導電膜２２を形成する。実施例１では、隣り合う第１の熱伝達媒体３０から相互に近づく向きに延びたＰ型熱電パターン２１ＰとＮ型熱電パターン２１Ｎとを、導電膜２２で接続した。実施例２では、両者は接続されておらず、その先端の間隔が、実施例１の構成の間隔よりも広い。
【００５２】
絶縁膜３１の上に、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎと重ならないように、接着剤層５１を形成する。
【００５３】
実施例１では、第２の基板４０に形成された第２の熱伝達媒体４２の両側の端面が、第２の基板４０の表面とほぼ同じ高さであった。実施例２では、第２の熱伝達媒体４２の一方の端面（第１の端面）４２Ａが、第１の熱伝達媒体３０と同様に、第２の基板４０の表面（第１の面）４０Ａよりも低くなっている。このため、第２の貫通孔４１の開口部に凹部４０Ｃが形成される。
【００５４】
第２の基板４０の第１の面４０Ａの上に、絶縁膜３２が形成されている。絶縁膜３２には、例えば絶縁膜３１と同じ絶縁材料が用いられる。絶縁膜３２の上に、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ、Ｎ型熱電パターン２１Ｎ、及び導電膜２２が形成されている。これらの構造は、第１の基板２０の第１の面２０Ａの上に形成されたＰ型熱電パターン２１Ｐ、Ｎ型熱電パターン２１Ｎ、及び導電膜２２と同一である。
【００５５】
絶縁膜３２の上に、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎと重ならないように、接着剤層５１を形成する。
【００５６】
図６Ｂに示すように、第１の基板２０の第１の面２０Ａと、第２の基板４０の第１の面４０Ａとを対向させる。平面視において、相互に隣り合う第１の熱伝達媒体３０の中間に、第２の熱伝達媒体４２が位置するように、第１の基板２０と第２の基板４０との位置合わせを行う。このとき、第１の基板２０の上に形成されたＰ型熱電パターン２１Ｐと、第２の基板４０の上に形成されたＰ型熱電パターン２１Ｐとが部分的に重なる。同様に、第１の基板２０の上に形成されたＮ型熱電パターン２１Ｎと、第２の基板４０の上に形成されたＮ型熱電パターン２１Ｎとが部分的に重なる。
【００５７】
図６Ｃに示すように、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ同士を接触させ、Ｎ型熱電パターン２１Ｎ同士を接触させる。接着剤層５１を硬化させることにより、第１の基板２０と第２の基板４０とを貼り合わせる。超音波接合または加熱圧着により、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ同士、及びＮ型熱電パターン２１Ｎ同士の電気的接続を確保する。
【００５８】
実施例２では、第２の熱伝達媒体４２と第１の基板２０との間にも、空洞４６が形成される。このため、第１の基板２０の外側の面と、第２の熱伝達媒体４２との間の熱流を抑制することができる。これにより、実施例１に比べて、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎの各々の両端に、より効率的に温度差を生じさせることができる。
【００５９】
［実施例３］
図７Ａ〜図７Ｃを参照して、実施例３による熱電素子について説明する。以下の説明では、実施例１との相違点に着目し、実施例１と同一の構成については説明を省略する。
【００６０】
図７Ａに示すように、第１の基板２０に、第１の貫通孔２５、第１の熱伝達媒体３０、絶縁膜３１、及びＰ型熱電パターン２１Ｐを形成する。この製造途中段階の構造は、実施例１の図３Ｄに示した構造と同一である。
【００６１】
図７Ｂに示すように、絶縁膜３１の上に導電膜２６を形成する。導電膜２６の平面形状は、実施例１の図３Ｆに示したＮ型熱電パターン２１Ｎと導電膜２２とを合成した形状とほぼ等しい。導電膜２６は、相互に隣り合うＰ型熱電パターン２１Ｐを電気的に接続する。導電膜２６には、例えば図３Ｆの導電膜２２と同じ導電材料が用いられる。
【００６２】
図７Ｃに示すように、第１の基板２０の上に、第２の基板４０を配置して、両者を貼り合わせる。第２の基板４０には、接着剤層５０及び第２の熱伝達媒体４２が形成されている。第２の熱伝達媒体４２は、相互に隣り合う第１の熱伝達媒体３０のほぼ中間に位置し、Ｐ型熱電パターン２１Ｐと導電膜２６との接続部分に熱的に結合する。
【００６３】
実施例３では、Ｐ型熱電パターン２１Ｐの両端に効率的に温度差を生じさせることができる。Ｐ型熱電パターン２１Ｐの代わりに、Ｎ型熱電パターン２１Ｎを用いてもよい。
【００６４】
酸化物系熱電材料で、特性の揃ったＰ型材料とＮ型材料とを準備することが困難な場合がある。また、Ｐ型材料とＮ型材料とで、好適な成膜条件が大きく異なる場合には、１枚の基板上に両者を形成することが困難である。このような場合には、実施例３のように、Ｐ型熱電材料またはＮ型熱電材料の一方のみを用いる構成が有効である。
【００６５】
また、実施例３の構造では、実施例１、２に比べて、製造工程数を削減することができる。このため、製造コストを抑制することが可能である。
【００６６】
［実施例４］
図８Ａ〜図８Ｂを参照して、実施例４による熱電素子について説明する。以下の説明では、実施例１との相違点に着目し、実施例１と同一の構成については説明を省略する。
【００６７】
図８Ａに示すように、第１の基板２０の第１の面２０Ａに、円錐台状の複数の凹部２５Ａを形成する。凹部２５Ａの開口面（円錐台の底面）の直径、及び深さ（円錐台の高さ）は、共に約１５０μｍとする。凹部２５Ａの形成は、紫外レーザ、例えばＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を用いて行う。紫外レーザを用いることにより、凹部２５Ａの形状を高精度に制御することができる。
【００６８】
図８Ｂに示すように、凹部２５Ａが形成された位置に、第１の貫通孔２５を形成する。第１の貫通孔２５の形成には、例えば炭酸ガスレーザドリル、機械式ドリル等を用いることができる。第１の貫通孔２５の直径は、例えば１００μｍである。その後の工程は、実施例１の場合と共通である。
【００６９】
実施例４では、第１の貫通孔２５の開口部のテーパ形状を高精度に制御することができる。このため、テーパ形状部分における断線等が生じにくくなり、信頼性、及び歩留まりを高めることができる。
【００７０】
［実施例５］
図９Ａ〜図９Ｃを参照して、実施例５による熱電素子について説明する。以下の説明では、実施例１との相違点に着目し、実施例１と同一の構成については説明を省略する。
【００７１】
図９Ａに示すように、第１の基板２０に、第１の熱伝達媒体３０、絶縁膜３１、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ、Ｎ型熱電パターン２１Ｎ、及び導電膜２２を形成する。図９Ａに示した製造途中段階の構造は、実施例１の図３Ｆに示した構造と同一である。
【００７２】
図９Ｂに示すように、絶縁膜３１、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ、Ｎ型熱電パターン２１Ｎ、及び導電膜２２を、絶縁膜３３で覆う。絶縁膜３３には、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料が用いられる。絶縁膜３３の形成には、例えばスパッタリングが適用される。絶縁膜３３の厚さは、例えば０．１μｍとする。なお、絶縁膜３３に、有機絶縁材料を用いてもよい。有機絶縁材料を用いる場合には、絶縁膜３３の形成に、スピンコート法等を適用することができる。
【００７３】
絶縁膜３３の上に、第２の熱伝達媒体４２を形成する。第２の熱伝達媒体４２は、相互に隣り合う第１の熱伝達媒体３０のほぼ中間に位置する導電膜２２の上に配置される。第２の熱伝達媒体４２は、絶縁膜３３を介して、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎに熱的に結合する。
【００７４】
以下、第２の熱伝達媒体４２の形成方法について説明する。第２の熱伝達媒体４２を形成すべき領域に開口が設けられたマスクを用いて、絶縁膜３３の上に金属半田を成膜する。約２５０℃の熱処理を行うことにより、金属半田を一旦溶融させて半球状にする。これにより、第２の熱伝達媒体４２が形成される。なお、第２の熱伝達媒体４２を、円錐台、角錐台形状にしてもよい。
【００７５】
図１０に、実施例５の熱電素子の使用時の断面図を示す。第１の基板２０の外側の面が第１の熱源５５に接触し、第２の熱伝達媒体４２の頂部が第２の熱源５６に接触している。第２の熱伝達媒体４２が、実施例１の図１Ｂに示した第２の熱伝達媒体４２と同じ機能を有する。第１の熱源５５及び第２の熱源５６の一方が高温側の熱源として作用し、他方が低温側の熱源として作用する。
【００７６】
実施例５では、第１の熱伝達媒体３０が配置される位置に凹部２０Ｃが形成されている。凹部２０Ｃが形成されていない構造に比べて、第１の熱伝達媒体３０に結合するＰ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎの端部が、第２の熱源５６から離れ、第１の熱源５５に近づく。このため、第１の熱源５５に結合すべきＰ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎの端部を、第１の熱源５５の温度に近づけることができる。これにより、Ｐ型熱電パターン２１Ｐ及びＮ型熱電パターン２１Ｎの両端に効率的に温度差を生じさせることができる。
【００７７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００７８】
２０  第１の基板
２０Ａ  第１の面
２０Ｂ  第２の面
２０Ｃ  凹部
２１  熱電パターン
２１Ｐ  Ｐ型熱電パターン
２１Ｎ  Ｎ型熱電パターン
２２  導電膜
２４  電極膜
２５  第１の貫通孔
２６  導電膜
３０  第１の熱伝達媒体
３０Ａ  第１の端面
３０Ｂ  第２の端面
３１、３２、３３  絶縁膜
４０  第２の基板
４０Ａ  第１の面
４０Ｃ  凹部
４１  第２の貫通孔
４２  第２の熱伝達媒体
４２Ａ  第１の端面
４５、４６  空洞
５０、５１  接着剤層
５５  第１の熱源
５６  第２の熱源
【図１】
0005589589.tif 000002
【図２】
0005589589.tif 000003
【図３−１】
0005589589.tif 000004
【図３−２】
0005589589.tif 000005
【図４】
0005589589.tif 000006
【図５】
0005589589.tif 000007
【図６−１】
0005589589.tif 000008
【図６−２】
0005589589.tif 000009
【図７】
0005589589.tif 000010
【図８】
0005589589.tif 000011
【図９】
0005589589.tif 000012
【図１０】
0005589589.tif 000013