(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成した第１金属薄膜の両端に、前記第１金属とは異なる種類の第２金属薄膜を半導体薄膜層を介在して接続し、片側から通電して吸熱作用を行う接続部分により冷却作用を行うことを特徴とするペルチェ効果を利用した冷却方法。
【請求項２】
基板に形成した第１金属薄膜と、
前記第１金属薄膜の両端部に半導体薄膜層を介在して接続した該第１金属とは異なる種類の第２金属からなる第２金属薄膜と、
前記第１金属薄膜の片側の第２金属薄膜から他側の第２金属薄膜に通電する通電手段とを備え、
前記通電により吸熱作用を生じる両金属の接続部で冷却作用を行うことを特徴とするペルチェ効果を利用した冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異種金属の接合部分に生じるペルチェ効果を利用した冷却方法及び装置に関し、特に異種金属の薄膜を接合した部分に生じるペルチェ効果を利用して、電子回路素子やマイクロリアクタ等を冷却するのに適したペルチェ効果を利用した冷却方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種装置の作動によって熱が発生する際には、それらの装置が効率よく機能するため、また機能損傷を生じないようにするために冷却を行うことは必須のことであり、それぞれの装置において種々の冷却手段を採用している。
【０００３】
近年の半導体技術の進歩により小さな素子内に多くの回路を組み込むことができるようになった反面、例えばＣＰＵを初めとする高密度回路素子等の電子デバイスにおいては発熱が多くなり、熱によってこれらの装置の機能低下、或いは破損が生じる。
【０００４】
その対策として従来は冷却ファンを駆動して周囲の空気の強制的な入れ替えを行い、また、回路素子基板の裏面等に放熱フィンを設けてこの部分に集中的に冷却風を流通することができるようにしている。また、特にレーザ発光ダイオードは多くの熱を発生し、出力が大きくなるほどより多くの熱を発生するため、ダイオード素子、及びその駆動回路を含む基板の冷却を上記のような手段で行うほか、水冷によって冷却を行うこともある。
【０００５】
このような冷却手段は放熱フィンの構造部分、冷却ファンの構造部分等において大型化せざるを得ず、電子デバイスを含めた装置全体が大型化し、また冷却ファンの駆動により騒音を発生する問題もあった。その対策として特定の成分からなる半導体の熱電材料を用い、その通電によって生じるペルチェ効果による冷却側を前記のような電子デバイスに接触させて冷却することも行われている。
【０００６】
しかしながら従来用いられている熱電材料はバルク材からなり、小型化するには限界があった。その対策として、例えば特開昭６３−７６４６３号公報に示されるように、ペルチェ効果を生じる熱電素子を薄膜化することが提案され、更に例えば特開平６−３１８７３８号公報に示されるようにこの薄膜熱電素子を積層することにより多くの電流を流すことができるようにしたものも提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電気デバイスの冷却は上記のように重要であり、その冷却手段はなくてはならないものとなっており、それを小型化するために薄膜ペルチェ熱電素子を用いることが提案されているが、ペルチェ効果を生じる熱電素子は、例えば前記特開平６−３１８７３６号公報に記載されているように、Ｃｕ２Ｏ、ＮｉＯ、Ｍｎ２Ｏ３のＰ型半導体金属酸化物、ＺｎＯ、ＭｏＳ、Ｆｅ３Ｏ４、ＦｅＯ、ＣｕＯのＮ型半導体金属酸化物等が用いられ、その製造に際しては同公報に記載しているように多くの手数を要するほか、高度の半導体製造技術を必要とする。
【０００８】
また、近年、半導体微細加工技術を用いて、マイクロスケールの反応容器や分析用チャネルなどをシリコン、あるいはガラスなどの基板上に形成する技術開発が行われている。このようにして製作したマイクロチップでは、表面積／体積比の増大などの効果により、従来に比べて高速かつ高精度な反応分析が可能となり、また、コンパクトでかつ自動化されたシステムが実現できる。
【０００９】
このようなシステムは今後の生・化学反応技術の一分野として確立することが注目されている。その際に上記のような微少領域において所定の条件で反応を行わせる必要があり、したがって微少領域の温度制御を行うことが重要な要素となる。この技術分野においてもペルチェ効果を利用した冷却装置による温度制御手段は小型化と温度制御の容易さの点で有効であるが、その際にもより小型化した冷却手段が必要となり、その開発が期待されている。
【００１０】
本発明は上記のような従来技術の課題に鑑み、簡単な構成で製造の容易な手段を用いて、ペルチェ効果を利用し電子部材を初めとする各種部材の冷却を行うことができるようにしたペルチェ効果を利用した冷却方法及びその冷却方法を実施する装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、基板に形成した第１金属薄膜の両端に、前記第１金属とは異なる種類の第２金属薄膜を半導体薄膜層を介在して接続し、片側から通電して吸熱作用を行う接続部分により冷却作用を行うことを特徴とするペルチェ効果を利用した冷却方法としたものである。
【００１３】
また、請求項２に係る発明は、基板に形成した第１金属薄膜と、前記第１金属薄膜の両端部に半導体薄膜層を介在して接続した該第１金属とは異なる種類の第２金属からなる第２金属薄膜と、前記第１金属薄膜の片側の第２金属薄膜から他側の第２金属薄膜に通電する通電手段とを備え、前記通電により吸熱作用を生じる両金属の接続部で冷却作用を行うことを特徴とするペルチェ効果を利用した冷却装置としたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は基本的に２種の金属を接続することにより、両金属の仕事関数の相違によってその接続部分で生じる吸熱、発熱現象を利用し、且つそれをより効率よく利用して高性能の冷却手段とするものであるが、その詳細を説明するに際して、最初に本発明に至った技術的な課程を説明する。
【００１６】
２種の金属を接触させると、各金属の仕事関数および自由電子数の差により、その差を埋める方向に電子は一方の金属から他方の金属に移り、両者の間に電位差が起きる。このようにして起きる電気が接触電気であり、２種の金属の接点を加熱すると、自由電子の動きが活発になり、熱エネルギーと電気エネルギーとの間に交換が行われ熱電効果が生じる。この熱電効果には、２種の金属の両端を互いに接続させ、その両接続部分を異なった温度に保つことにより起電力が生じるゼーベック効果と、その逆に２種の金属の両端を互いに接続させ、電流を流したときジュール熱以外に熱が発生し、もしくは吸熱が生じるペルチェ効果とが存在することが知られている。
【００１７】
上記のように異種金属を接続した時の表面電位分布モデルについて検討するに際して、本発明者は金と白金を互いに線状に接続したものを用いて検討を行った。なお、実際には金と白金をシリコン、ＳｉＯ２、ガラス、雲母基板上に直流二極スパッタリング方式により製膜を行い、厚さ５００Å、１０００Å、２０００Å、４０００Åで、幅４ｍｍ、接続後の長さ２〜４ｃｍ程度のものを作成して検討を行った。
【００１８】
このような接触型の薄膜熱電素子の場合には、図４のような表面電位分布モデルが考えられる。即ち、金・白金薄膜における電位は、金及び白金の仕事関数を考慮すると図４の実線Ａのような電位になる。金及び白金薄膜にはそれぞれ抵抗があり、電位に傾きを持つため表面電位は点線Ｂのようになる。また、金、白金接合部において電子の再配置により、金薄膜及び金厚膜から白金薄膜に電子が移動し、金、白金接合部において化学ポテンシャルが一致していることを考慮すると、同図中の一点鎖線Ｃのような電位分布になると考えられる。
【００１９】
図４（ａ）には金薄膜から白金薄膜へ、（ｂ）には白金薄膜から金薄膜への通電を示している。白金薄膜から金薄膜へ通電が行われているときのＤ点において、金薄膜から白金薄膜に通電が行われているときよりΔＶｐだけ電位が大きくなっていることが明らかである。これより、表面電位分布計測による白金側における電位差と定性的に一致し、フェルミ順位による電位を考慮した表面電位分布モデルが正しいことがわかった。
【００２０】
図５には金と白金を互いに重なりをもつように製膜した接合型薄膜熱電素子の表面電位分布モデルを示しており、この場合も前記と同様に製膜し、互いに１ｍｍ程度の重なりをもつものを作成して検討した。この場合についても前記接触型と同様にフェルミ順位による電位差を考慮した電位分布モデルを作成すると、金薄膜から白金薄膜に通電が行われているとき、接合部分において吸熱の可能性があり、白金薄膜から金薄膜に通電が行われているときの金厚膜においても吸熱の可能性があることがわかる。
【００２１】
本発明はこのような原理に基づいてなされたものであり、図１（ａ）に示すように第１金属Ａ薄膜１と金属Ｂ薄膜２と第２金属Ａ薄膜３を、互いに半導体薄膜４、５を介して接続して異種金属薄膜接続体からなる冷却装置を形成した例を模式的に示している。
【００２２】
実際にこの冷却装置を製作する際には、この第１金属Ａ薄膜１と第２金属Ａ薄膜３は前記と同様に金を用い、金属Ｂ薄膜としては白金を用いる。この薄膜の厚さは任意に設定することができるが、前記実験例と同様に、５００Å〜４０００Å程度のものが用いられる。また、その幅についても任意に設定することができるが、これも前記実施例と同様に４ｍｍ程度のものを用いることができる。
【００２３】
本発明においては上記のように、２種の金属を接合する部分に半導体薄膜４、５を設け、接合される両金属間で金属電位分布を保つことができるようにしている。なお、この半導体は前記従来のペルチェ効果をなすための半導体とは異なり、単に電子の連続的な流れを切る為に用いているものである。したがって各半導体共にＰ型半導体であっても良く、またＮ型半導体であっても良く、更にいずれかがＰ型半導体、他側がＮ型半導体としてもその作用は同じである。ただし、各半導体は、金属Ａと金属Ｂの中間の仕事関数をもつものを選択することが好ましい。
【００２４】
上記のような異種金属薄膜接続体を用いた冷却装置において、その仕事関数をみると図１（ｂ）に示すように、金属Ａと金属Ｂの仕事関数の相違により基本的には図中凹型の特性を備え、その途中において半導体４、５の仕事関数の高さ部分に小さな段を生じている特性となる。なお、前記小さな段の高さの差が両半導体の仕事関数の差であり、両半導体共に同じものを使用した場合には両者の高さは一致する。
【００２５】
このような装置に対して図１（ｃ）に示すように電流ｉを流すと、その仕事関数に対応した電位差として同図に示すような電圧の変化が生じることとなり、第２金属Ａ薄膜３と金属Ｂ薄膜２との間で発熱作用を生じ、金属Ｂ薄膜２と第１金属Ａ薄膜１との間で吸熱作用を生じる。この特性に対応して、実際の各薄膜の抵抗を考慮した表面電位については図１（ｄ）に示すような特性となる。
【００２６】
本発明は上記のように、同種の金属Ａ薄膜間に異種の金属Ｂ薄膜を挟んで接続した異種金属薄膜接続体の基本構造をなし、それによって生じる吸熱作用部分を冷却装置として使用する。また、両金属薄膜間に半導体薄膜を設けて電位分布を保つようにし、その作用をより効果的に行うことができるようにしたものである。
【００２７】
上記のような原理に基づく本発明の異種金属薄膜接続体からなる冷却装置を実際に製作する際は、例えば図２（ａ）に示すようにシリコン基板１０上に金属Ｂ薄膜１１を形成し、その両端に第１半導体薄膜１２と第２半導体薄膜１３を形成し、第１半導体薄膜１２の上に端部が位置するように第１金属Ａ薄膜１４を形成し、第２半導体薄膜１３の上に端部が位置するように第２金属Ａ薄膜１５を形成する。各金属の選定は任意に行うことができるが、前記のように金属Ａを金、金属Ｂを白金に設定しても良く、また、第１半導体と第２半導体共にＰ型半導体であっても良く、またＮ型半導体であっても良く、更にいずれかをＰ型半導体、他側をＮ型半導体としても良い。
【００２８】
このような冷却装置を実際の装置に対して適用するに際しては、図２（ｂ）に示すように、第１金属Ａ薄膜１４と金属Ｂ薄膜１１間で吸熱作用を行う方向に電流を流している状態では、この第１金属Ａ薄膜１４の端部位置に冷却したいエレクトロニクス素子１６を形成、或いは載置する。それにより、このエレクトロニクス素子１６は冷却され、且つこの冷却装置に対する通電量の制御によって冷却能力をコントロールし、エレクトニクス素子の温度制御を行うことができる。
【００２９】
図３にはこの冷却装置を用いてエレクトロニクス素子１６を冷却する際のより具体的例を示し、この実施例においてはシリコン基板２０の表面に対して、互いに平行に図中４本の異種金属薄膜接続体２１、２２、２３、２４による冷却手段を形成し、その上にエレクトロニクス素子１６を載置している。なお、各異種金属薄膜接続体の接続部には、前記と同様に半導体薄膜層を介在させている。また、この実施例においては、図中４本の異種金属薄膜接続体のうち互いに隣接する異種金属薄膜接続体は、図３（ｂ）に示すように、金属Ａ薄膜と金属薄膜Ｂの位置関係を逆に設定し、各異種金属薄膜接続体に対して異なる方向に電流ｉを流すようにした例を示している。
【００３０】
本発明による異種金属薄膜接続体による冷却方法及び装置は、上記のようなエレクトロニクス素子として、例えば半導体レーザ素子の冷却に効果的に利用することができるが、エレクトロニクス素子の冷却に限らず、生・化学反応等のために用いるマイクロスケールの反応装置の冷却に用いることもできる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明による冷却方法は上記のように構成したので、簡単な手段によりペルチェ効果を利用して冷却を行うことができ、電子部材を初めとする各種部材の冷却を行うことができる。
【００３２】
また本発明による冷却装置は、金属薄膜を接続することにより生じるペルチェ効果を利用して冷却作用を行うことができ、簡単な半導体製造技術を用いるのみで容易に製造することができ、極めて小型化することができるので電子部材を初めとする各種部材の冷却装置としてコンパクトに、且つ容易に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例の基本構成と各種特性、及び冷却作用の原理を示す図である。
【図２】本発明による冷却装置の断面図であり（ａ）は冷却装置の基本構成を示し、（ｂ）はその冷却装置によりエレクトロニクス素子を冷却する状態を示す断面図である。
【図３】本発明による冷却装置を実際に被冷却部材に適用する状態を示す図であり、（ａ）はそれを下側から見た斜視図、（ｂ）は底面図である。
【図４】金属膜の端部を互いに線接続したときの表面電位分布を示す図である。
【図５】金属膜の端部を互いに重ね合わせて面接続したときの表面電位分布を示す図である。
【符号の説明】
１  第１金属Ａ薄膜
２  金属Ｂ薄膜
３  第２金属Ａ薄膜
４、５  半導体薄膜
１０  シリコン基板
１１  金属Ｂ薄膜
１２  第１半導体
１３  第２半導体
１４  第１金属Ａ薄膜
１５  第２金属Ａ薄膜
【図１】
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【図２】
0003637388.tif 000003
【図３】
0003637388.tif 000004
【図４】
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【図５】
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