(57)【要約】【課題】発熱体からの熱が効率良く伝達され且つ損傷を受けにくい熱電変換素子を提供する。【解決手段】第１面と第２面とを有し、第１面から第２面に向けて貫通する第１貫通孔１１ｃ及び第１貫通孔１１ｃと間隔をあけて配置された第２貫通孔１１ｄを有する電気絶縁性の支持部１１と、第１貫通孔１１ｃ内に充填されたｎ型半導体層１２と、第２貫通孔１１ｄ内に充填されたｐ型半導体層１３と、第１貫通孔１１ｃの第１面の開口部に露出しているｎ型半導体層１２の部分と、第２貫通孔１１ｄの第１面の開口部に露出しているｐ型半導体層１３の部分と接続する第１導電部１４と、を有する第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２と、第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２それぞれの第１面が同じ方向を向くように並べられた状態で、第１の単位素子Ａ１と第２の単位素子Ａ２とを接合する可撓性を有する接合部１５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と第２の面とを有し、第１の面から第２の面に向けて貫通する第１貫通孔及び前記第１貫通孔と間隔をあけて配置された第２貫通孔を有する電気絶縁性の支持部と、
前記第１貫通孔内に充填された第１の極性を有する半導体層と、
前記第２貫通孔内に充填された第２の極性を有する半導体層と、
前記第１貫通孔の第１の面の開口部に露出している前記第１の極性を有する半導体層の部分と、前記第２貫通孔の第１の面の開口部に露出している前記第２の極性を有する半導体層の部分と接続する第１導電部と、
を有する第１の単位素子及び第２の単位素子と、
前記第１の単位素子及び前記第２の単位素子それぞれの第１の面が同じ方向を向くように並べられた状態で、前記第１の単位素子と前記第２の単位素子とを接合する可撓性を有する接合部と、
を備える熱電変換素子。
【請求項２】
前記第１の単位素子における前記第２貫通孔の第２の面の開口部に露出している前記第２の極性を有する半導体層の部分と、前記第２の単位素子における前記第１貫通孔の第２の面の開口部に露出している前記第１の極性を有する半導体層の部分とを電気的に接続する可撓性を有する第２導電部を備える請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記接合部が空洞を有している請求項１又は２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
第１の面と第２の面とを有し、第１の面から第２の面に向けて貫通する第１貫通孔及び前記第１貫通孔と間隔をあけて配置された第２貫通孔を有する電気絶縁性の支持部と、
前記第１貫通孔内に充填された第１の極性を有する半導体層と、
前記第２貫通孔内に充填された第２の極性を有する半導体層と、
前記第１貫通孔の第１の面の開口部に露出している前記第１の極性を有する半導体層の部分と、前記第２貫通孔の第１の面の開口部に露出している前記第２の極性を有する半導体層の部分とを接続する第１導電部と、
を有する第１の単位素子及び第２の単位素子と、
前記第１の単位素子及び前記第２の単位素子それぞれの第１の面が同じ方向を向くように並べられた状態で、前記第１の単位素子と前記第２の単位素子とを接合する可撓性を有する第１接合部と、
を備える第１の熱電変換部及び第２の熱電変換部と、
前記第１の熱電変換部及び前記第２の熱電変換部を、前記第１の熱電変換部における前記第１の単位素子及び前記第２の単位素子それぞれの第２の面と、前記第２の熱電変換部における前記第１の単位素子及び前記第２の単位素子それぞれの第２の面とを対向させて接合する可撓性を有する第２接合部と、
を備える熱電変換素子。
【請求項５】
前記第１の熱電変換部の前記第２の単位素子の前記第２の極性を有する半導体層と、前記第２の熱電変換部の前記第２の単位素子の前記第２の極性を有する半導体層とを電気的に接続する第２導電部を備える請求項４に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
第１の面と第２の面とを有し、第１の面から第２の面に向けて貫通する第１貫通孔及び前記第１貫通孔と間隔をあけて配置された第２貫通孔を有する電気絶縁性の支持部と、
前記第１貫通孔内に充填された第１の極性を有する半導体層と、
前記第２貫通孔内に充填された第２の極性を有する半導体層と、
前記第１貫通孔の第１の面の開口部に露出している前記第１の極性を有する半導体層の部分と、前記第２貫通孔の第１の面の開口部に露出している前記第２の極性を有する半導体層の部分とを接続する導電部と、
を有する第１の単位素子及び第２の単位素子と、
前記第１の単位素子及び前記第２の単位素子それぞれの第１の面が同じ方向を向くように並べられた状態で、前記第１の単位素子と前記第２の単位素子とを接合する可撓性を有する接合部と、
を有する熱電変換素子を備える電子装置。
【請求項７】
基板上に、硬化した状態で可撓性を有する樹脂を塗布し、
前記樹脂が塗布された基板上に、第１の面と第２の面とを有し、第１の面から第２の面に向けて貫通する第１貫通孔及び前記第１貫通孔と間隔をあけて配置された第２貫通孔を有する電気絶縁性の支持部と、前記第１貫通孔内に充填された第１の極性を有する半導体層と、前記第２貫通孔内に充填された第２の極性を有する半導体層と、前記第１貫通孔の第１の面の開口部に露出している前記第１の極性を有する半導体層の部分と、前記第２貫通孔の第１の面の開口部に露出している前記第２の極性を有する半導体層の部分とを接続する導電部と、を有する第１の単位素子及び第２の単位素子を、前記第１の単位素子及び前記第２の単位素子それぞれの第１の面が同じ方向を向くように且つ各単位素子の間に前記樹脂が充填されるように配置し、
前記樹脂を硬化させた後、前記基板を前記樹脂から取り除く熱電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子、電子装置及び熱電変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱電変換素子を用いて、発電又は冷却が行われている。
【０００３】
熱電変換素子は、ｎ型半導体素子及びｐ型半導体素子を直列に接続した素子対を有している。この素子対を、発熱体と熱的に接触させることにより、素子対内に温度差が発生して起電力が生じる。
【０００４】
熱電変換素子の発電効率を向上するには、発熱体から発せられる熱を効率良く熱電変換素子に伝達することが好ましい。そのためには、発熱体と熱電変換素子との間の熱抵抗を小さくすることが好ましい。
【０００５】
例えば、複数の素子対が可撓性を有するシート上に配置された熱電変換素子が提案されている。この熱電変換素子は、シートが変形することにより、湾曲した表面を有する発熱体上に密着して配置することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２４４０２４号公報
【特許文献２】特開２００９−４３７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した熱電変換素子では、可撓性を有するシートが、素子対と発熱体との間に配置されるので、シートが熱抵抗となって、発熱体からの熱を素子対に伝達することが阻害される。
【０００８】
また、ｎ型半導体素子及びｐ型半導体素子は、機械的強度が弱いものが多い。上述した熱電変換素子では、湾曲した発熱体上に密着するシートの変形に伴って、ｎ型半導体素子又はｐ型半導体素子に対して働く外力により、ｎ型半導体素子又はｐ型半導体素子が損傷するおそれがある。
【０００９】
そこで、本明細書では、発熱体からの熱が効率良く伝達され且つ損傷を受けにくい熱電変換素子を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本明細書では、発熱体からの熱が効率良く伝達され且つ損傷を受けにくい熱電変換素子を有する電子装置を提供することを目的とする。
【００１１】
更に、本明細書では、発熱体からの熱が効率良く伝達され且つ損傷を受けにくい熱電変換素子の製造方法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】
【００１２】
本明細書に開示する熱電変換素子の一形態によれば、第１の面と第２の面とを有し、第１の面から第２の面に向けて貫通する第１貫通孔及び上記第１貫通孔と間隔をあけて配置された第２貫通孔を有する電気絶縁性の支持部と、上記第１貫通孔内に充填された第１の極性を有する半導体層と、上記第２貫通孔内に充填された第２の極性を有する半導体層と、上記第１貫通孔の第１の面の開口部に露出している上記第１の極性を有する半導体層の部分と、上記第２貫通孔の第１の面の開口部に露出している上記第２の極性を有する半導体層の部分と接続する第１導電部と、を有する第１の単位素子及び第２の単位素子と、上記第１の単位素子及び上記第２の単位素子それぞれの第１の面が同じ方向を向くように並べられた状態で、上記第１の単位素子と上記第２の単位素子とを接合する可撓性を有する接合部と、を備える。
【００１３】
また、本明細書に開示する熱電変換素子を有する電子装置の一形態によれば、第１の面と第２の面とを有し、第１の面から第２の面に向けて貫通する第１貫通孔及び上記第１貫通孔と間隔をあけて配置された第２貫通孔を有する電気絶縁性の支持部と、上記第１貫通孔内に充填された第１の極性を有する半導体層と、上記第２貫通孔内に充填された第２の極性を有する半導体層と、上記第１貫通孔の第１の面の開口部に露出している上記第１の極性を有する半導体層の部分と、上記第２貫通孔の第１の面の開口部に露出している上記第２の極性を有する半導体層の部分とを接続する導電部と、を有する第１の単位素子及び第２の単位素子と、上記第１の単位素子及び上記第２の単位素子それぞれの第１の面が同じ方向を向くように並べられた状態で、上記第１の単位素子と上記第２の単位素子とを接合する可撓性を有する接合部と、を有する熱電変換素子を備える。
【００１４】
更に、本明細書に開示する熱電変換素子の製造方法の一形態によれば、基板上に、硬化した状態で可撓性を有する樹脂を塗布し、上記樹脂が塗布された基板上に、第１の面と第２の面とを有し、第１の面から第２の面に向けて貫通する第１貫通孔及び上記第１貫通孔と間隔をあけて配置された第２貫通孔を有する電気絶縁性の支持部と、上記第１貫通孔内に充填された第１の極性を有する半導体層と、上記第２貫通孔内に充填された第２の極性を有する半導体層と、上記第１貫通孔の第１の面の開口部に露出している上記第１の極性を有する半導体層の部分と、上記第２貫通孔の第１の面の開口部に露出している上記第２の極性を有する半導体層の部分とを接続する導電部と、を有する第１の単位素子及び第２の単位素子を、上記第１の単位素子及び上記第２の単位素子それぞれの第１の面が同じ方向を向くように且つ各単位素子の間に上記樹脂が充填されるように配置し、上記樹脂を硬化させた後、上記基板を上記樹脂から取り除く。
【発明の効果】
【００１５】
本明細書に開示する熱電変換素子の一形態によれば、発熱体からの熱が効率良く伝達され且つ損傷を受けにくい。
【００１６】
また、本明細書に開示する電子装置の一形態によれば、発熱体からの熱が効率良く伝達され且つ損傷を受けにくい熱電変換素子を有するので、耐久性のある電源を備える。
【００１７】
更に、本明細書に開示する熱電変換素子の製造方法の一形態によれば、発熱体からの熱が効率良く伝達され且つ損傷を受けにくい熱電変換素子が得られる。
【００１８】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００１９】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本明細書に開示する熱電変換素子の第１実施形態を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図２】本明細書に開示する熱電変換素子の第２実施形態を示す図である。
【図３】本明細書に開示する熱電変換素子の第３実施形態を示す図である。
【図４】本明細書に開示する熱電変換素子の第４実施形態を示す図であり、（Ａ）は、熱電変換素子が円筒形の発熱体上に配置された状態を示しており、（Ｂ）は熱電変換素子の平面図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、本明細書に開示する熱電変換素子の第４実施形態の変形例１〜３を示す図である。
【図６】本明細書に開示する熱電変換素子の第４実施形態の変形例４を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図である。
【図７】本明細書に開示する電子装置の一実施形態を示す図である。
【図８】本明細書に開示する熱電変換素子の温度差を計算するモデルを説明する図である。
【図９】本明細書に開示する熱電変換素子の温度差を計算した結果を示す図である。
【図１０】本明細書に開示する熱電変換素子内の応力の計算を説明する図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｃ）は、本明細書に開示する熱電変換素子の製造方法の第１実施形態の工程（その１）を説明する図である。
【図１２】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する熱電変換素子の製造方法の第１実施形態の工程（その２）を説明する図である。
【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する熱電変換素子の製造方法の第１実施形態の工程（その３）を説明する図である。
【図１４】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する熱電変換素子の製造方法の第１実施形態の工程（その４）を説明する図である。
【図１５】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する熱電変換素子の製造方法の第１実施形態の工程（その５）を説明する図である。
【図１６】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する熱電変換素子の製造方法の第２実施形態の工程（その１）を説明する図である。
【図１７】本明細書に開示する熱電変換素子の製造方法の第２実施形態の工程（その２）を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本明細書で開示する熱電変換素子の好ましい第１実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００２２】
図１（Ａ）は、本明細書に開示する熱電変換素子の第１実施形態を示す断面図であり、図１（Ｂ）は平面図である。図１（Ａ）は、図１（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【００２３】
本実施形態の熱電変換素子１０は、電気的に接続された第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２を備える。
【００２４】
第１の単位素子Ａ１は、第１の面１１ａと第２の面１１ｂとを有し、第１の面１１ａから第２の面１１ｂに向けて貫通する第１貫通孔１１ｃ及びこの第１貫通孔１１ｃと間隔をあけて配置された第２貫通孔１１ｄを有する電気絶縁性の支持部１１を有する。
【００２５】
図１（Ｂ）に示すように、支持部１１は、平面視した形状が矩形である。
【００２６】
支持部１１の第１貫通孔１１ｃ内には、ｎ型半導体層１２が充填され、第２貫通孔１１ｄ内には、ｐ型半導体層１３が充填される。
【００２７】
本実施形態では、貫通孔の断面形状は円形であり、半導体層は円柱形状を有しているが、貫通孔及び半導体層は、他の形状を有していても良い。
【００２８】
第１貫通孔１１ｃの第１の面１１ａの開口部に露出しているｎ型半導体層１２の部分と、第２貫通孔１１ｄの第１の面１１ａの開口部に露出しているｐ型半導体層１３の部分とは第１導電部１４によって、電気的に接続される。
【００２９】
支持部１１の第２の面１１ｂ上には、開口部に露出したｎ型半導体層１２の部分と電気的に接続する第３導電部１７ａ、及び、開口部に露出したｐ型半導体層１３の部分と電気的に接続する第４導電部１７ｂが配置される。
【００３０】
第３導電部１７ａ上には、第３導電部１７ａと電気的に接続する導電性の端子１８ａが配置される。同様に、第４導電部１７ｂ上には、第４導電部１７ｂと電気的に接続する導電性の端子１８ｂが配置される。
【００３１】
また、支持部１１の第１の面１１ａ上には、第１導電部１４を覆うように、電気絶縁性の保護層１９が配置される。同様に、支持部１１の第２の面１１ｂ上には、第３導電部１７ａ及び第４導電部１７ｂを覆うように、保護層１９が配置される。端子１８ａは、保護層１９を貫通して、外部に露出している。同様に、端子１８ｂは、保護層１９を貫通して、外部に露出している。保護層１９は、第１導電部１４、第３導電部１７ａ又は第４導電部１７ｂ及び支持部１１を保護する。
【００３２】
第２の単位素子Ａ２は、上述した第１の単位素子Ａ１と同様の構造を有するので、第１の単位素子Ａ１に対する説明は、第２の単位素子Ａ２に対しても適宜適用される。
【００３３】
熱電変換素子１０は、可撓性を有し、第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２を接合する接合部１５を備える。図１（Ｂ）に示すように、接合部１５は、平面視した形状が矩形である。
【００３４】
接合部１５は、接合部１５を厚さ方向に貫通する２つの貫通孔１５ａ、１５ｂを有しており、第１の単位素子Ａ１は貫通孔１５ａ内に配置され、第２の単位素子Ａ２は貫通孔１５ｂ内に配置される。
【００３５】
接合部１５は、第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２それぞれの第１の面１１ａが同じ方向を向くように並べられた状態で、第１の単位素子Ａ１と第２の単位素子Ａ２とを接合する。
【００３６】
第１の単位素子Ａ１と第２の単位素子Ａ２との間には、可撓性を有する接合部１５の一部が介在しており、この接合部１５の部分が変形することにより、熱電変換素子１０は、発熱体（図示しない）等の表面形状に追従して密着することが可能である。
【００３７】
接合部１５は、支持部１１の周りを囲むことにより、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３を内部に有する支持部１１に対して、外力が直接作用することを防止する。
【００３８】
また、熱電変換素子１０は、可撓性を有し、第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２を電気的に接続する第２導電部１６を備える。
【００３９】
第２導電部１６は、第１の単位素子Ａ１の第２貫通孔１１ｄの第２の面１１ｂの開口部に露出しているｐ型半導体層１３の部分と、第２の単位素子Ａ２の第１貫通孔１１ｃの第２の面１１ｂの開口部に露出しているｎ型半導体層１２の部分とを電気的に接続する。
【００４０】
第２導電部１６は、端子１８ｂ及び第４導電部１７ｂを介して、第１の単位素子Ａ１のｐ型半導体層１３と電気的に接続する。また、第２導電部１６は、端子１８ａ及び第３導電部１７ａを介して、第２の単位素子Ａ１のｎ型半導体層１２と電気的に接続する。
【００４１】
第２導電部１６は、第１の単位素子Ａ１と第２の単位素子Ａ２との間に位置する接合部１５の部分に積層されている。可撓性を有する第２導電部１６は、積層される接合部１５の部分の変形に追従する。さらに、第２導電部１６を電気的に保護する保護層を備えても良い。
【００４２】
次に、上述したｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３について、更に以下に説明する。
【００４３】
ｎ型半導体層１２又はｐ型半導体層１３の形成材料としては、電気的に接続されて熱電変換特性（ゼーベック効果）を示すものならば、ｎ型半導体又はｐ型半導体を特に制限無く用いることができる。例えば、ｎ型半導体層１２又はｐ型半導体層１３の形成材料として、テルライド、酸化物半導体、シリサイド、スクッテルダイト等を用いることができる。具体的には、ｎ型半導体層１２としてＢｉ２Ｔｅ３を用いることができ、ｐ型半導体層１３としてＢｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３を用いることができる。
【００４４】
次に、上述した支持部１１について、更に以下に説明する。
【００４５】
支持部１１は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３を保護する観点から、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３よりも、硬度及び機械的強度が高いことが好ましい。また、支持部１１は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３に温度差を生じさせて発電させる観点から、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３よりも、熱抵抗及び電気抵抗が高いことが好ましい。更に、支持部１１は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３よりも、化学的安定性が高いことが好ましい。
【００４６】
支持部１１の形成材料としては、例えば、ガラス、又は酸化アルミニウム等の酸化物を用いることができる。
【００４７】
次に、上述した接合部１５について、更に以下に説明する。
【００４８】
接合部１５は、支持部１１よりも、高い可撓性を有することが好ましい。接合部１５は、支持部１１よりも軟らかく、低いヤング率を有することが好ましい。また、接合部１５は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３よりも、熱抵抗及び電気抵抗が高いことが好ましい。
【００４９】
接合部１５の形成材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド、ＰＭＭＡ又はフッ素樹脂等の樹脂を用いることができる。
【００５０】
次に、上述した第２導電部１６について、更に以下に説明する。
【００５１】
第２導電部１６は、例えば、金属を用いた薄膜により形成される。具体的には、第２導電部１６は、スパッタリング法又は蒸着法を用いて積層された積層膜（Ｔｉ又はＣｒ等の下地膜とＡｕ又はＣｕ等の配線層との積層膜（バリア層として密着層と配線層の間にPt等を積層しても良い））としても良い。また、第２導電部１６は、インクジェット法又は印刷法を用いて形成されたＡｕ膜やＡｇ膜としても良い。
【００５２】
次に、上述した保護層１９について、更に以下に説明する。
【００５３】
保護層１９は、発熱体（図示せず）又は放熱体（図示せず）と、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３との間の熱の伝達を妨げないように、熱伝導率の高いことが好ましい。この観点から、保護層１９の厚さは、導電部等を保護する程度の厚さを有していれば、薄いことが好ましい。
【００５４】
保護層１９の形成材料としては、例えば、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、パリレン、樹脂等を用いることができる。
【００５５】
次に、熱電変換素子１０を形成する各構成要素の寸法について、以下に説明する。
【００５６】
ｎ型半導体層１２又はｐ型半導体層１３の径は、５μｍ〜１００μｍであることが好ましく、例えば、５０μｍとすることができる。ｎ型半導体層１２又はｐ型半導体層１３の長さは、５０μｍ〜５００μｍであることが好ましく、例えば、３００μｍとすることができる。
【００５７】
ｎ型半導体層１２又はｐ型半導体層１３の長さと径とのアスペクト比は、例えば、２〜４０とすることができる。ｎ型半導体層１２又はｐ型半導体層１３の径を小さくすると、単位面積あたりに多くの半導体層を配置することができるが、半導体層を製造することが困難となる場合がある。また、ｎ型半導体層１２又はｐ型半導体層１３の長さを長くすると、温度差を大きくして起電力を増大できるが、半導体層を製造することが困難となる場合がある。また、径を小さく、長さを長くすると、半導体層の電気抵抗が増加する。このため、使用状況に応じて最適な形状が存在する。
【００５８】
ｎ型半導体層１２が充填される第１貫通孔１１ｃと、ｐ型半導体層１３が充填される第２貫通孔１１ｄとの間の距離は、例えば、５μｍ〜１００μｍとすることができる。
【００５９】
第１の単位素子Ａ１と第２の単位素子Ａ２との間の距離は、例えば、５００μｍ〜５０００μｍとすることができる。
【００６０】
上述した本実施形態の熱電変換素子１０によれば、第１の単位素子Ａ１と第２の単位素子Ａ２との間に位置する接合部１５の部分が変形することにより、発熱体（図示しない）等の表面形状に追従して密着することが可能である。
【００６１】
また、熱電変換素子１０によれば、発熱体（図示せず）又は放熱体（図示せず）と、支持部１１の開口部から露出しているｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３との間において、熱が効率良く伝達される。
【００６２】
また、熱電変換素子１０によれば、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３が、接合部１５により囲まれた支持部１１内に配置されているので、外力を受けても損傷を受けにくい。
【００６３】
熱電変換素子１０は、様々な曲面を有する発熱体から効率良く熱エネルギーを取り出すことが可能となる。発熱体としては、例えば、人体又は他の動物、工場、発電所又は住宅で発生する熱排気又は熱排水等が挙げられる。熱電変換素子１０を形成する使用材料を選択することによって、高温での使用にも適用可能である。
【００６４】
熱電変換素子１０は、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて製造することができる。このような熱電変換素子１０は、携帯型マイクロエネルギー源、局部冷却デバイス又はセンサ等へ応用することができる。
【００６５】
また、熱電変換素子１０は、電力を供給することにより、温度差を有する物体間の熱の伝達に用いることもできる。このようにして、熱電変換素子１０を、物体の加熱又は冷却に用いても良い。
【００６６】
次に、上述した熱電変換素子の他の実施形態を、図２〜図６を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。
【００６７】
図２は、本明細書に開示する熱電変換素子の第２実施形態を示す図である。
【００６８】
本実施形態の熱電変換素子２０は、４つの単位素子Ａ１〜Ａ４を備えており、４つの単位素子Ａ１〜Ａ４は、可撓性を有する接合部１５を介して接合される。
【００６９】
接合部１５は、接合部１５を厚さ方向に貫通する４つの貫通孔１５ａ〜１５ｄを有している。第１の単位素子Ａ１は貫通孔１５ａ内に配置され、第２の単位素子Ａ２は貫通孔１５ｂ内に配置され、第３の単位素子Ａ３は貫通孔１５ｃ内に配置され、第４の単位素子Ａ４は貫通孔１５ｄ内に配置される。
【００７０】
各単位素子間には、可撓性を有する接合部１５の一部が介在しており、この接合部１５の部分が変形することにより、熱電変換素子１０は、発熱体（図示しない）等の表面形状に追従して密着することが可能である。
【００７１】
本実施形態では、４つの単位素子Ａ１〜Ａ４は、電気的に直列に接続される。なお、４つの単位素子Ａ１〜Ａ４は、電気的に並列に接続されても良い。
【００７２】
各単位素子Ａ１〜Ａ４は同じ構造を有しているので、以下に述べる第１の単位素子Ａ１の説明は、他の単位素子に対しても適宜適用される。
【００７３】
第１の単位素子Ａ１は、第１の面と第２の面とを有し、第１の面から第２の面に向けて貫通する第１貫通孔１１ｃ及びこの第１貫通孔１１ｃと間隔をあけて配置された第２貫通孔１１ｄを有する電気絶縁性の支持部１１を有する。図２において、第１の面は、支持部１１の紙面手前側の面を意味し、第２の面は、支持部１１の紙面奥側の面を意味する。
【００７４】
支持部１１は、また、第１の面から第２の面に向けて貫通する第３貫通孔１１ｅ及びこの第３貫通孔１１ｅと間隔をあけて配置された第４貫通孔１１ｆを有する。
【００７５】
支持部１１の第１貫通孔１１ｃ内にはｎ型半導体層１２が充填され、第２貫通孔１１ｄ内にはｐ型半導体層１３が充填され、第３貫通孔１１ｅ内にはｐ型半導体層１３が充填され、第４貫通孔１１ｆ内にはｎ型半導体層１２が充填される。
【００７６】
第１貫通孔１１ｃの第１の面の開口部に露出しているｎ型半導体層１２の部分と、第２貫通孔１１ｄの第１の面の開口部に露出しているｐ型半導体層１３の部分とは第１導電部１４ａによって、電気的に接続される。
【００７７】
同様に、第３貫通孔１１ｅの第１の面の開口部に露出しているｐ型半導体層１３の部分と、第４貫通孔１１ｆの第１の面の開口部に露出しているｎ型半導体層１２の部分とは第１導電部１４ｂによって、電気的に接続される。
【００７８】
第２貫通孔１１ｄの第２の面の開口部に露出しているｐ型半導体層１３の部分と、第４貫通孔１１ｆの第２の面の開口部に露出しているｎ型半導体層１２の部分とは、導電性の第５導電部２２によって電気的に接続される。
【００７９】
熱電変換素子２０は、可撓性を有し、第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２を電気的に接続する第２導電部２１ａを備える。
【００８０】
第２導電部２１ａは、第１の単位素子Ａ１の第３貫通孔１１ｅの第２の面の開口部に露出しているｐ型半導体層１３の部分と、第２の単位素子Ａ２の第１貫通孔１１ｃの第２の面の開口部に露出しているｎ型半導体層１２の部分とを電気的に接続する。
【００８１】
第２導電部２１ａは、第１の単位素子Ａ１と第２の単位素子Ａ２との間に位置する接合部１５の部分に積層されている。可撓性を有する第２導電部２１ａは、積層される接合部１５の部分の変形に追従する。
【００８２】
また、熱電変換素子２０は、可撓性を有し、第２の単位素子Ａ２及び第３の単位素子Ａ３を電気的に接続する第２導電部２１ｂを備える。
【００８３】
第２導電部２１ｂは、第２の単位素子Ａ２の第３貫通孔１１ｅの第２の面の開口部に露出しているｐ型半導体層１３の部分と、第３の単位素子Ａ３の第１貫通孔１１ｃの第２の面の開口部に露出しているｎ型半導体層１２の部分とを電気的に接続する。
【００８４】
第２導電部２１ｂは、第２の単位素子Ａ２と第３の単位素子Ａ３との間に位置する接合部１５の部分に積層されている。可撓性を有する第２導電部２１ｂは、積層される接合部１５の部分の変形に追従する。
【００８５】
更に、熱電変換素子２０は、可撓性を有し、第３の単位素子Ａ３及び第４の単位素子Ａ４を電気的に接続する第２導電部２１ｃを備える。
【００８６】
第２導電部２１ｃは、第３の単位素子Ａ３の第３貫通孔１１ｅの第２の面の開口部に露出しているｐ型半導体層１３の部分と、第４の単位素子Ａ４の第１貫通孔１１ｃの第２の面の開口部に露出しているｎ型半導体層１２の部分とを電気的に接続する。
【００８７】
第２導電部２１ｃは、第３の単位素子Ａ３と第４の単位素子Ａ４との間に位置する接合部１５の部分に積層されている。可撓性を有する第２導電部２１ｃは、積層される接合部１５の部分の変形に追従する。
【００８８】
また、熱電変換素子２０は、第１の単位素子Ａ１の第１貫通孔１１ｃの第２の面の開口部に露出しているｎ型半導体層１２と電気的に接続する第２導電部２１ｄを備える。更に、熱電変換素子２０は、第４の単位素子Ａ４の第３貫通孔１１ｅの第２の面の開口部に露出しているｐ型半導体層１３と電気的に接続する第２導電部２１ｅを備える。第２導電部２１ａ〜２１ｃを保護する保護層をさらに備えても良い。
【００８９】
このように、熱電変換素子２０では、全てのｎ型半導体層１２とｐ型半導体層１３とが電気的に直列に接続される。そして、熱電変換素子２０によって発電された電力は、第２導電部２１ｄ及び第２導電部２１ｅから取り出される。
【００９０】
上述した本実施形態の熱電変換素子２０によれば、上述した第１実施形態よりも多くの数の単位素子を有しており、且つ、１つの単位素子が、上述した第１実施形態よりも多くの数の半導体層を有しているので、より大きな起電力が得られる。
【００９１】
図２に示す熱電変換素子２０では、１つ単位素子には、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を有する素子対が２個配置されているが、１つ単位素子に配置される素子対の数は２個でなくても良い。単位素子に配置される素子対の数は適宜設定され得る。
【００９２】
また、図２に示す熱電変換素子２０には、４つの単位素子が配置されているが、配置される単位素子の数は適宜設定され得る。
【００９３】
例えば、１つの熱電変換素子には、１００〜１０００個の素子対が配置されるように単位素子及び単位素子の数が設定され得る。
【００９４】
図３は、本明細書に開示する熱電変換素子の第３実施形態を示す図である。
【００９５】
本実施形態の熱電変換素子３０は、電気的に接続された第１の熱電変換部１０ａ及び第２の熱電変換部１０ｂを備える。第１の熱電変換部１０ａ及び第２の熱電変換部１０ｂそれぞれは、第６導電部３２及び第７導電部３３を有する点を除いて、上述した第１実施形態の熱電変換素子と同様の構造を有している。
【００９６】
第１の熱電変換部１０ａは、端子１８ａを介して、第１の単位素子Ａ１の第３導電部１７ａと電気的に接続する第６導電部３２を有する。また、第１の熱電変換部１０ａは、端子１８ｂを介して、第２の単位素子Ａ２の第４導電部１７ｂと電気的に接続する第７導電部３３を有する。同様に、第２の熱電変換部１０ｂも、第６導電部３２及び第７導電部３３を有する。
【００９７】
熱電変換素子３０は、可撓性を有し、第１の熱電変換部１０ａと第２の熱電変換部１０ｂとを対向させて接合する第２接合部３１を備える。
【００９８】
第１の熱電変換部１０ａにおける第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２それぞれの第２の面１１ｂと、第２の熱電変換部１０ｂにおける第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２それぞれの第２の面１１ｂとは、第２接合部３１を介在して対向する。
【００９９】
第１の熱電変換部１０ａの第１の単位素子Ａ１は、第２接合部３１を介在させて、第２の熱電変換部１０ｂの第１の単位素子Ａ１と対向して配置される。同様に、第１の熱電変換部１０ａの第２の単位素子Ａ２は、第２接合部３１を介在させて、第２の熱電変換部１０ｂの第２の単位素子Ａ２と対向して配置される。
【０１００】
熱電変換素子３０では、接合部１５及び第２接合部３１が変形することにより、発熱体（図示しない）等の表面形状に追従して密着することが可能である。
【０１０１】
第２接合部３１は、支持部１１よりも、高い可撓性を有することが好ましい。第２接合部３１は、支持部１１よりも軟らかく、低いヤング率を有することが好ましい。また、第２接合部３１は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３よりも、熱抵抗及び電気抵抗が高いことが好ましい。
【０１０２】
第２接合部３１の形成材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド、ＰＭＭＡ又はフッ素樹脂等の樹脂を用いることができる。
【０１０３】
また、熱電変換素子３０は、第１の熱電変換部１０ａの第２の単位素子Ａ２のｐ型半導体層１３と、第２の熱電変換部１０ｂの第２の単位素子Ａ２のｐ型半導体層１３とを電気的に接続する第８導電部３４を備える。第８導電部３４は、第２接合部３１を介在させて対向するｐ型半導体層１３同士を電気的に接続する。
【０１０４】
第８導電部３４は、第７導電部３３及び端子１８ｂ及び第４導電部１７ｂを介して、第１の熱電変換部１０ａにおける第２の単位素子Ａ２のｐ型半導体層１３と電気的に接続する。
【０１０５】
同様に、第８導電部３４は、第７導電部３３及び端子１８ｂ及び第４導電部１７ｂを介して、第２の熱電変換部１０ｂにおける第２の単位素子Ａ２のｐ型半導体層１３と電気的に接続する。
【０１０６】
上述した本実施形態の熱電変換素子３０によれば、２つの熱電変換部を積層することにより、積層方向の熱抵抗を増加させてより大きな温度差を半導体層に与えることにより、更に大きな起電力が得られる。図３に示す例では、２つの熱電変換部が積層されているが、更に多くの熱電変換部を積層しても良い。
【０１０７】
また、本実施形態の熱電変換素子３０によれば、第２導電部１６、第３導電部１７ａ、第４導電部１７ｂ、第６導電部３２、第７導電部３３及び第８導電部３４が、第１の熱電変換部１０ａと第２の熱電変換部１０ｂとの間に配置される。即ち、これらの導電部により形成される配線層１０ｃが、第１の熱電変換部１０ａと第２の熱電変換部１０ｂとの間に配置される。詳しくは後述するが、このような配線層１０ｃの配置によって、熱電変換素子３０の変形により、配線層１０ｃに対して応力が集中することが低減される。
【０１０８】
図４（Ａ）は、本明細書に開示する熱電変換素子の第４実施形態を示す図であり、熱電変換素子が円筒形の発熱体上に配置された状態を示しており、図４（Ｂ）は熱電変換素子の平面図である。
【０１０９】
本実施形態の熱電変換素子４０は、可撓性を有するので、円筒形状の発熱体４１の表面に密着して配置される。
【０１１０】
熱電変換素子４０は、複数の単位素子Ａが、可撓性を有する接合部１５により接合されている。各単位素子Ａは、接合部１５を厚さ方向に貫通する貫通孔内に配置される。また、各単位素子Ａは、図示しない導電部を用いて、電気的に直列又は並列に接続される。
【０１１１】
単位素子Ａとしては、上述した実施形態の単位素子を用いることができる。また、単位素子Ａとして、上述した第３実施形態のように、複数の単位素子が第２接合部を介して積層されたものを用いても良い。
【０１１２】
図４（Ｂ）に示すように、本実施形態の熱電変換素子４０では、単位素子の平面視した形状は正方形である。
【０１１３】
熱電変換素子４０では、発熱体４１の湾曲する向きに配置される方向では、単位素子Ａは、隣接する単位素子Ａとの間の距離が長さＬ１で配置される。また、熱電変換素子４０では、発熱体４１の湾曲しない向きに配置される方向では、単位素子Ａは、隣接する単位素子Ａとの間の距離が、長さＬ１よりも短い長さＬ２で配置される。長さＬ１は、長さＬ２よりも長くなっており、熱電変換素子４０が、発熱体４１の湾曲した表面により密着して配置され易くなっている。
【０１１４】
次に、上述した第４実施形態の熱電変換素子の変形例１〜４を、図面を参照して、以下に説明する。
【０１１５】
図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、本明細書に開示する熱電変換素子の第４実施形態の変形例１〜３を示す図である。
【０１１６】
上述した第４実施形態では、単位素子Ａの平面視した形状は正方形であったが、単位素子Ａの平面視した形状は、他の形状であっても良い。
【０１１７】
図５（Ａ）に示す変形例１では、単位素子Ａの平面視した形状は長方形である。
【０１１８】
図５（Ｂ）に示す変形例２では、単位素子Ａの平面視した形状は６角形である。
【０１１９】
図５（Ｃ）に示す変形例３では、単位素子Ａの平面視した形状は円形である。
【０１２０】
図６（Ａ）は、本明細書に開示する熱電変換素子の第４実施形態の変形例４を示す平面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【０１２１】
変形例４の熱電変換素子４０は、４つの単位素子Ａ１〜Ａ４が、接合部１５を介して接合されている。
【０１２２】
熱電変換素子４０では、単位素子Ａ１と単位素子Ａ２との間の接合部１５の部分に空洞４２が配置されている。
【０１２３】
同様に、単位素子Ａ１と単位素子Ａ３との間の接合部１５の部分に空洞４２が配置されている。また、単位素子Ａ２と単位素子Ａ４との間の接合部１５の部分に空洞４２が配置されている。更に、単位素子Ａ３と単位素子Ａ４との間の接合部１５の部分に空洞４２が配置されている。
【０１２４】
更にまた、単位素子Ａ１と単位素子Ａ４との間の接合部１５の部分（単位素子Ａ２と単位素子Ａ３との間の接合部１５の部分）にも、空洞４２が配置されている。
【０１２５】
このように、可撓性を有する接合部１５が空洞４２を有することにより、接合部１５の変形量を増大させることができる。
【０１２６】
従って、変形例４では、接合部１５が大きく変形することができるので、発熱体４１の表面形状により追従して密着することにより、発熱体４１と熱電変換素子４０との間の熱の伝達性を更に向上できる。
【０１２７】
図７は、本明細書に開示する電子装置の一実施形態を示す図である。
【０１２８】
本実施形態の電子装置５０は、熱電変換素子５１と、蓄電素子５２と、電力制御回路５４と、センサ５３と、演算回路５５と、送信回路５６と、受信回路５７と、アンテナ５８とを備える。
【０１２９】
熱電変換素子５１としては、上述した各実施形態の熱電変換素子を用いることができる。熱電変換素子５１は、例えば、人体等の発熱体に配置されて発電する。
【０１３０】
電力制御回路５４は、熱電変換素子５１が発電した電力を入力して、蓄電素子５２に蓄電させる。また、電力制御回路５４は、熱電変換素子５１又は蓄電素子５２から電力を入力して、演算回路５５に出力する。
【０１３１】
センサ５３は、温度、湿度又は心拍数等の被センシング値を検知して、検知した被センシング値を演算回路５５に出力する。
【０１３２】
演算回路５５は、センサ５３から被センシング値を入力して、入力した被センシング値を演算し、演算した結果を、送信回路５６を介してアンテナ５８から送信する。
【０１３３】
また、演算回路５５は、受信回路５７を介してアンテナ５８から受信した指示情報を入力し、入力した指示情報に基づいて、電力制御回路５４を制御する。
【０１３４】
本実施形態の電子装置５０は、例えば、熱電変換素子５１をメンテナンスフリーの電源として有するので、電池の交換又は電池の充電を必要としない。従って、電子装置５０は、熱電変換素子５１を人体等の発熱体上に配置することにより、発電して作動を続けることができる。
【０１３５】
図７に示す例では、電子装置５０はセンサ装置であったが、電子装置５０は、センサ装置以外の装置であっても良い。
【０１３６】
次に、本明細書に開示する熱電変換素子は、発熱体等の熱が効率良く伝達されることを、図面を参照して、以下に説明する。
【０１３７】
図８は、本明細書に開示する熱電変換素子の温度差を計算するモデルを説明する図である。
【０１３８】
可撓性を有する基板６１の上に熱電変換素子６０を配置して、熱電変換素子６０の下面６０ｂと上面６０ａとの間の温度差を有限要素法を用いて計算した。
【０１３９】
熱電変換素子６０は、縦１００μｍ×横１００μｍ×厚さ２００μｍの寸法を有し、熱伝導率が１Ｗ／ｍ／Ｋのガラスにより形成されるとした。基板６１は、縦１００μｍ×横１００μｍ×厚さ０〜２００μｍの寸法を有し、熱伝導率が０．２Ｗ／ｍ／Ｋのエポキシ樹脂により形成されるとした。
【０１４０】
基板６１は、温度３６℃の発熱体上に配置され、熱電変換素子６０の上面には温度２６℃の放熱体が配置されるとした。即ち、熱電変換素子６０の上面と基板６１の下面との間の温度差は１０℃である。
【０１４１】
計算では、接触熱抵抗と、導電部及び保護層による温度ロスは考慮しなかった。
【０１４２】
図９は、本明細書に開示する熱電変換素子の温度差を計算した結果を示す図である。
【０１４３】
基板６１の厚さが２００μｍの時には、熱電変換素子６０の上面６０ａと下面６０ｂとの間の温度差は約１．７℃であった。熱電変換素子６０の上面と基板６１の下面との間の温度差１０℃の内の大半（約８．３℃）は、基板６１において生じている。
【０１４４】
熱電変換素子６０の上面６０ａと下面６０ｂとの間の温度差は、基板６１の厚さが減少するのと共に増加して、基板６１の厚さがゼロの時には１０℃となる。
【０１４５】
本明細書に開示する熱電変換素子は、図８に示すような基板６１を有しておらず、支持部１１の開口部からｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３が露出しているので、発熱体又は放熱体との間で熱が効率良く伝達されることが分かる。
【０１４６】
本明細書に開示する熱電変換素子は可撓性を有するので、変形することにより内部に応力が発生する。熱電変換素子は、導電部により形成される配線層（図３の配線層１０ｃを参照）を有しおり、配線層に対して応力が集中する場合がある。
【０１４７】
そこで、熱電変換素子が変形した場合の配線層への応力を、有限要素法を用いて計算したので、以下に説明する。
【０１４８】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、本明細書に開示する熱電変換素子内の応力の計算を説明する図である。
【０１４９】
図１０（Ａ）は、上述した第１実施形態に対応する熱電変換素子７０Ａの配線層７１Ａの応力を計算したモデルを示す。
【０１５０】
熱電変換素子７０Ａは、単位素子に対応するガラスの部分と、接合部に対応するエポキシ樹脂の部分とを有する。また、熱電変換素子７０Ａは、第２導電部と第３導電部と第４導電部と端子に対応する配線層７１Ａを有する。各構成要素の寸法は、図１０（Ａ）に示す通りである。
【０１５１】
ガラスのヤング率は８７ＧＰａとし、ポアソン比は０．２４とした。エポキシ樹脂のヤング率は２ＧＰａとし、ポアソン比は０．３とした。配線層のヤング率は７４ＧＰａとし、ポアソン比は０．４２とした。
【０１５２】
熱電変換素子７０Ａの長手方向の第１端部７０ａを固定して、第２端部７０ｂに対して１０ＭＰａの応力を加えた時に、配線層７１Ａに発生する最大応力は５５０１ＭＰａであった。
【０１５３】
図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示す熱電変換素子７０Ａのガラス及びエポキシ樹脂の部分の厚さを２倍にした熱電変換素子７０Ｂの配線層７１Ｂの応力を計算したモデルを示す。
【０１５４】
熱電変換素子７０Ｂの長手方向の第１端部７０ａを固定して、第２端部７０ｂに対して１０ＭＰａの応力を加えた時に、配線層７１Ｂに発生する最大応力は２００２ＭＰａであった。熱電変換素子７０Ｂのガラス及びエポキシ樹脂の部分の厚さを、熱電変換素子７０Ａの２倍にしたので、配線層７１Ｂに生じる応力は、配線層７１Ａの半分程度に減少した。
【０１５５】
図１０（Ｃ）は、上述した第３実施形態に対応する熱電変換素子７０Ｃの配線層の応力を計算したモデルを示す。
【０１５６】
熱電変換素子７０Ｃは、図１０（Ａ）に示す一対の熱電変換素子７０Ａによって配線層７１Ｃが挟まれた構造を有する。ここで、配線層７１Ｃは、図３の配線層１０ｃに対応する。
【０１５７】
熱電変換素子７０Ｃの長手方向の第１端部７０ａを固定して、第２端部７０ｂに対して１０ＭＰａの応力を加えた時に、配線層７１Ｃに発生する最大応力は２７８ＭＰａであった。配線層７１Ｃの最大応力は、配線層７１Ａの１／１０以下である。熱電変換素子７０Ｃの上側には引っ張り応力が生じ、下側には圧縮応力が生じるので、配線層７１Ｃが位置する厚さ方向の中央では、応力が一番低くなっている。
【０１５８】
従って、熱電変換素子の配線層に生じる応力を低減するには、上述した第３実施形態の構造を用いることが好ましいことが分かった。
【０１５９】
また、第１実施形態の熱電変換素子の配線層に生じる応力を低減するには、単位素子及接合部の厚さを厚くすることが好ましいことが分かった。
【０１６０】
次に、本明細書に開示する熱電変換素子の好ましい製造方法の第１実施形態について、図面を参照して、以下に説明する。本実施形態の製造方法は、上述した第１実施形態の熱電変換素子を形成する。
【０１６１】
まず、図１１（Ａ）に示すように、紫外線に対して感光性を有する支持基板８０の上に、開口部８１ａ、８１ｂを有するマスク８１を配置する。そして、マスク８１の上方から支持基板８０に対して紫外線が照射される。開口部８１ａ、８１ｂを通過した紫外線が支持基板８０に照射されて、紫外線が照射された支持基板８０の露光部分が変質する。
【０１６２】
支持基板８０としては、紫外線に対して感光性を有するガラス基板を用いることができる。
【０１６３】
次に、図１１（Ｂ）に示すように、支持基板８０に対して加熱処理が行われる。加熱処理としては、例えば、窒素雰囲気において、温度５００℃×１時間の加熱を行った後、温度５９０℃×２時間の加熱を行うことが挙げられる。この加熱処理によって、支持基板８０の露光部分８２ａ、８２ｂのエッチング速度が増加する。
【０１６４】
次に、図１１（Ｃ）に示すように、支持基板８０がエッチングされて、露光部分８２ａ、８２ｂが除去されることにより、第１貫通孔１１ｃ及び第２貫通孔１１ｄを有する支持部１１が形成される。第１貫通孔１１ｃ及び第２貫通孔１１ｄは、支持部１１の第１の面１１ａから第２の面１１ｂに向けて貫通する孔である。
【０１６５】
支持基板８０のエッチング法としては、例えば、フッ酸水溶液を用いたエッチングを用いることができる。
【０１６６】
次に、図１２（Ａ）に示すように、支持部１１の第１貫通孔１１ｃ内にｎ型半導体が充填されて、ｎ型半導体層１２が形成される。
【０１６７】
ｎ型半導体を第１貫通孔１１ｃ内に充填する方法としては、例えば、エアロゾルデポジション法を用いることができる。エアロゾルデポジション法は、微細且つ高アスペクト比の貫通孔内に粉体粒子を充填するのに適している。
【０１６８】
具体的には、基板８４上に支持部１１が配置される。そして、開口部８３ａを有するマスク８３を、開口部８３ａと第１貫通孔１１ｃの位置を一致させて、支持部１１の上方に配置する。そして、エアロゾルデポジション法を用いて、ｎ型半導体の粉体粒子を第１貫通孔１１ｃ内に充填する。ｎ型半導体の粉体粒子としては、例えば、粒径が略２００ｎｍのＢｉ２Ｔｅ３を用いることができる。
【０１６９】
次に、図１２（Ｂ）に示すように、支持部１１の第２貫通孔１１ｄ内にｐ型半導体が充填されて、ｐ型半導体層１３が形成される。
【０１７０】
具体的には、開口部８５ａを有するマスク８５を、開口部８５ａと第２貫通孔１１ｄの位置を一致させて、支持部１１の上方に配置する。そして、エアロゾルデポジション法を用いて、ｐ型半導体の粉体粒子を第２貫通孔１１ｄ内に充填する。ｐ型半導体の粉体粒子としては、例えば、粒径が略２００ｎｍのＢｉ０．３Ｓｂ１．７Ｔｅ３を用いることができる。
【０１７１】
そして、貫通孔内の粉体粒子に対して圧力を加えた状態で加熱処理を行うことが、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１３の熱電変換特性を向上する上で好ましい。加熱処理としては、例えば、不活性ガス雰囲気において、温度４００℃×１時間の加熱を行うことが挙げられる。
【０１７２】
そして、支持部１１の第１の面１１ａにおいて、第１貫通孔１１ｃ及び第２貫通孔１１ｄから突出している半導体層の部分が、研磨により除去される。
【０１７３】
上述した説明では、ｎ型半導体層１２が形成された後に、ｐ型半導体層１３が形成されたが、ｐ型半導体層１３が形成された後に、ｎ型半導体層１２が形成されても良い。
【０１７４】
また、貫通孔の開口が大きい場合又はアスペクト比が小さい場合には、ホットプレス法を用いて粉体粒子を貫通孔内に充填してもよい。また、メッキ法を用いて、貫通孔内に半導体層を形成してもよい。
【０１７５】
次に、図１３（Ａ）に示すように、支持部１１の第１の面１１ａ上に、第１導電部１４が形成される。また、支持部１１の第２の面１１ｂ上に、第３導電部１７ａ及び第４導電部１７ｂが形成される。
【０１７６】
これらの導電部は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法又はインクジェット描画法等を用いて形成される。
【０１７７】
次に、図１３（Ｂ）に示すように、支持部１１の第１の面１１ａ上に、第１導電部１４を覆うように、保護層１９が形成される。また、支持部１１の第２の面１１ｂ上に、第３導電部１７ａ及び第４導電部１７ｂを覆うように、保護層１９が形成される。保護層１９は、例えば、スパッタリング法またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成される。
【０１７８】
このようにして、第１の単位素子Ａ１が形成される。また、図示しないが、第２の単位素子Ａ２が、第１の単位素子Ａ１と同様に形成される。
【０１７９】
上述した説明では、１つの支持部１１が形成されて、その支持部に半導体層及び導電部及び保護層が形成されて、１つの単位素子が形成された。また、複数の支持部が接続された支持部連続体を形成し、その支持部連続体に半導体層及び導電部及び保護層を形成して、単位素子連続体を形成した後、個々の端子素子に切断しても良い。
【０１８０】
次に、図１４（Ａ）に示すように、第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２が用意されて、第３導電部１７ａ及び第４導電部１７ｂそれぞれの部分に導電性のプラグ８６が形成される。プラグ８６は、例えば、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて形成される。
【０１８１】
次に、図１４（Ｂ）に示すように、基板８７上に、硬化した状態で可撓性を有する樹脂８８が塗布される。樹脂８８としては、例えば、熱硬化樹脂又は光効果樹脂等を用いることができる。本実施形態では、樹脂８８としては、熱硬化樹脂を用いた。
【０１８２】
そして、樹脂８８が塗布された基板８７上に、第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２が、第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２それぞれの第１の面１１ａが同じ方向を向くように且つ各単位素子の間に樹脂８８が充填されるように配置される。本実施形態では、第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２それぞれの第１の面１１ａは、基板８７とは反対の向きを向くように、基板８７上に配置された。
【０１８３】
第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２は、例えば、フリップチップボンダ等を用いて基板８７上に配置される。
【０１８４】
次に、図１５（Ａ）に示すように、第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２が配置された基板８７が加熱処理されて、樹脂８８が硬化して接合部１５が形成される。加熱処理としては、例えば、温度９０℃×５分の加熱をした後に、温度１３０℃×５分の加熱を行うことが挙げられる。
【０１８５】
次に、図１５（Ｂ）に示すように、接合部１５により接合された第１の単位素子Ａ１及び第２の単位素子Ａ２から基板８７が取り除かれる。そして、保護層１９から突出しているプラグ８６の部分と、保護層１９上に積層されている樹脂８８の部分とが研磨により除去されて端子１８ａ、１８ｂが形成され、図１に示す熱電変換素子１０が得られる。
【０１８６】
次に、本明細書に開示する熱電変換素子の好ましい製造方法の第２実施形態について、図面を参照して、以下に説明する。本実施形態の製造方法は、上述した第３実施形態の熱電変換素子を形成する。
【０１８７】
まず、図１６（Ａ）に示すように、図１５（Ｂ）に示す熱電変換部１０ａが用意され、端子１８ａを介して、第１の単位素子Ａ１の第３導電部１７ａと電気的に接続する第６導電部３２が形成される。また、端子１８ｂを介して、第２の単位素子Ａ２の第４導電部１７ｂと電気的に接続する第７導電部３３が形成される。
【０１８８】
第６導電部３２及び第７導電部３３は、例えば、スパッタリング法、蒸着法、インクジェット法又は印刷法を用いて形成される。
【０１８９】
次に、図１６（Ｂ）に示すように、熱電変換部１０ａに対して、第２導電部１６及び第６導電部３２及び第７導電部３３及び保護層１９を覆うように、硬化した状態で可撓性を有する樹脂が塗布されて樹脂層８９が形成される。樹脂層８９を形成する樹脂としては、例えば、熱硬化樹脂又は光効果樹脂等を用いることができる。本実施形態では、樹脂層８９を形成する樹脂として、熱硬化樹脂を用いた。図示しないが、熱電変換部１０ｂが、熱電変換部１０ａと同様に形成される。
【０１９０】
次に、図１７に示すように、第１の熱電変換部１０ａと第２の熱電変換部１０ｂとが、樹脂層８９同士を対向させて接合される。具体的には、第１の熱電変換部１０ａと第２の熱電変換部１０ｂとは、加圧された状態で加熱処理されて接合される。加熱処理としては、例えば、温度９０℃×５分の加熱をした後に、温度１３０℃×５分の加熱を行うことが挙げられる。この熱圧着処理により、樹脂層８９同士が一体化して第２接合部３１が形成される。
【０１９１】
そして、第１の熱電変換部１０ａにおけるｐ型半導体層１３と、第２の熱電変換部１０ｂにおけるｐ型半導体層１３とを電気的に接続する第８導電部３４が形成される。第８導電部３４は、例えば、導電性のペーストが塗布されて、加熱処理することにより形成される。このようにして、図３に示す熱電変換素子３０が得られる。
【０１９２】
本発明では、上述した実施形態の熱電変換素子、電子装置及び熱電変換素子の製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【０１９３】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【０１９４】
１０、２０、３０、４０    熱電変換素子
１０ａ、１０ｂ    熱電変換部
Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４    単位素子
１１    支持部
１１ａ    第１の面
１１ｂ    第２の面
１１ｃ    第１貫通孔
１１ｄ    第２貫通孔
１１ｅ    第３貫通孔
１１ｆ    第４貫通孔
１２    ｎ型半導体層  （第１の極性を有する半導体層）
１３    ｐ型半導体層  （第２の極性を有する半導体層）
１４    第１導電部
１５    接合部
１６    第２導電部
１７ａ    第３導電部
１７ｂ    第４導電部
１８ａ、１８ｂ    端子
１９    保護層
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ    第２導電部
２２    第５導電部
３１    第２接合部
３２    第６導電部
３３    第７導電部
３４    第８導電部  （第２導電部）
４１    発熱体
４２    空洞
５０    電子装置
５１    熱電変換素子
５２    蓄電素子
５３    センサ
５４    電力制御回路
５５    演算回路
５６    送信回路
５７    受信回路
５８    アンテナ
６０    熱電変換素子
６０ａ    上面
６０ｂ    下面
６１    基板
７０    熱電変換素子
７１    配線層
８０    支持基板
８１    マスク
８１ａ、８１ｂ    開口部
８２ａ、８２ｂ    露光部分
８３    マスク
８３ａ    開口部
８４    基板
８５    マスク
８５ａ    開口部
８６    プラグ
８７    基板
８８    樹脂
８９    樹脂層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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