(57)【要約】  電源装置は、熱電発電装置と、初期エネルギー管理アセンブリと、静電変換器と、最終エネルギー管理アセンブリとを備える。前記熱電発電装置は、熱電発電装置にわたって作用する温度勾配に応じて、十分高い電圧を有する電気活性化エネルギーを生成するように構成される。前記初期エネルギー管理アセンブリは、前記熱電発電装置に接続され、前記熱電発電装置によって生成された電気活性化エネルギーを受け取って、調整するように適合される。前記静電変換器は、前記初期エネルギー管理アセンブリに接続され、前記初期エネルギー管理アセンブリから受け取った電気活性化エネルギーによって活性化することが可能であり、それに作用する振動エネルギーに応じて電気エネルギーを生成するように構成される。前記最終エネルギー管理アセンブリは、前記静電変換器に接続され、それによって生成された電気エネルギーを調整するように適合される。
2009540796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インプレーン熱電発電装置にわたって作用する温度勾配に応じて、比較的低いパワーで比較的高い電圧を生成するように適合されたインプレーン熱電発電装置と、
前記インプレーン熱電発電装置に連結されて、それによって生成された電力を受け取るように適合された初期エネルギー管理アセンブリと、
前記初期エネルギー管理アセンブリに接続された電圧変換器であって、前記初期エネルギー管理アセンブリから前記電圧変換器に電力を供給するための比較的高い電圧での電力を受け取る電圧変換器と、
クロスプレーン熱電発電装置であって、そのクロスプレーン熱電発電装置にわたって作用する温度勾配に応じて、比較的低い電圧で比較的高い電力を生成するように適合されたクロスプレーン熱電発電装置と、
を備え、
前記電圧変換器は、前記初期エネルギー管理アセンブリから受け取った電気エネルギーによる活性化の後に、前記クロスプレーン熱電発電装置によって生成されるエネルギーの電圧レベルを増加するように適合されている、熱電電源装置。
【請求項２】
前記熱電電源装置に接続された電子デバイスによる使用のために電力を処理するために、前記電圧変換器に接続された最終エネルギー管理アセンブリをさらに備える、請求項１記載の熱電電源装置。
【請求項３】
前記初期及び前記最終エネルギー管理アセンブリ、並びに前記電圧変換器は、単一電子アセンブリに組み込まれている、請求項２記載の熱電電源装置。
【請求項４】
前記初期及び最終エネルギー管理アセンブリは、それぞれエネルギー貯蔵要素を含む、請求項２記載の熱電電源装置。
【請求項５】
前記初期及び最終エネルギー管理アセンブリは、前記インプレーン及びクロスプレーン熱電発電装置のそれぞれから受け取った電圧を整流して、制限するように構成されている、請求項２記載の熱電電源装置。
【請求項６】
前記最終エネルギー管理アセンブリは、前記エネルギー貯蔵要素内の電気エネルギーの十分なレベルを検出したときに、電子デバイスに電力を放出するように構成されている、請求項４記載の熱電電源装置。
【請求項７】
前記初期エネルギー管理アセンブリは、前記エネルギー貯蔵要素内の電気エネルギーの十分なレベルを検出したときに、前記電圧変換器に電力を放出するように構成されている、請求項４記載の熱電電源装置。
【請求項８】
前記インプレーン熱電発電装置は、マイクロ−電子−機械システム（ＭＥＭＳ）技術を使用して製造されている、請求項１記載の熱電電源装置。
【請求項９】
前記インプレーン熱電発電装置は、シリコン基盤技術を使用して製造されている、請求項１記載の熱電電源装置。
【請求項１０】
前記インプレーン熱電発電装置は、相補型金属−酸化物半導体（ＣＭＯＳ）製造工程を使用して製造されている、請求項９記載の熱電電源装置。
【請求項１１】
前記インプレーン熱電発電装置は、
電気的に直列に接続され、上部プレートと下部プレートの間で介在して、それに熱的に接続された、複数の離隔した平行なホイルセグメントを備え、
前記ホイルセグメントのそれぞれの１つは、
対向する前方及び後方の基板面を有する基板と、
前記前方の基板面上に離隔した平行な配列で配置されて、それぞれのｎ型及びｐ型脚部が熱電材料から形成された、一連の伸長された交互のｎ型及びｐ型熱電脚部と、
を備え、
前記ｐ型熱電脚部のそれぞれの１つは、前記ｐ型熱電脚部の対向端部において隣接した前記ｎ型熱電脚部の１つに電気的に接続されて、前記一連のｎ型及びｐ型熱電脚部は、電気的に直列に接続され、熱的に並列に接続されている、請求項１記載の熱電電源装置。
【請求項１２】
前記上部プレート及び下部プレートの少なくとも１つは、電気伝導性材料で製造されて、前記一連の交互のｎ型及びｐ型熱電脚部の対向端部のそれぞれに電気的に接続され、
前記上部及び下部プレートの少なくとも１つは、前記初期エネルギー管理アセンブリに電気的に接続可能である、請求項１１記載の熱電電源装置。
【請求項１３】
前記上部及び下部プレートは、電気伝導性材料及び非電気伝導性材料の少なくとも１つで製造され、
前記熱電電源装置は、前記一連の交互のｎ型及びｐ型熱電脚部の対向端部のそれぞれを前記初期エネルギー管理アセンブリに接続するための電気伝導性配線を含む、請求項１１記載の熱電電源装置。
【請求項１４】
前記ｎ型及びｐ型熱電脚部は、Ｂｉ２Ｔｅ３型熱電材料から形成されている、請求項１１記載の熱電電源装置。
【請求項１５】
前記インプレーン熱電発電装置は、
互いに対して離隔した並列関係で配置された上部プレート及び下部プレートと、
前記上部プレートと下部プレートの間に形成されて、その間を熱的に相互接続する、らせん状に巻きつけられたホイルセグメントと、
を備え、
前記ホイルセグメントは、
上部及び下部エッジを有し、対向する前方及び後方の基板面を含む、伸長された基板と、
前記前方の基板面上に離隔した平行な配列で配置された、一連の伸長された交互のｎ型及びｐ型熱電脚部と、
を備え、
前記ｐ型熱電脚部のそれぞれの１つは、前記ｐ型熱電脚部の対向端部において隣接した前記ｎ型熱電脚部の１つに電気的に接続されて、前記一連のｎ型及びｐ型熱電脚部は、電気的に直列に接続され、熱的に並列に接続されている、請求項１記載の熱電電源装置。
【請求項１６】
前記上部プレート及び下部プレートの少なくとも１つは、電気伝導性材料で製造されて、前記一連の交互のｎ型及びｐ型熱電脚部の対向端部のそれぞれに電気的に接続され、
前記上部及び下部プレートの少なくとも１つは、前記初期エネルギー管理アセンブリに電気的に接続可能である、請求項１５記載の熱電電源装置。
【請求項１７】
前記上部及び下部プレートは、電気伝導性材料及び非電気伝導性材料の少なくとも１つで製造され、
前記熱電電源装置は、前記一連の交互のｎ型及びｐ型熱電脚部の対向端部のそれぞれを前記初期エネルギー管理アセンブリに接続するための電気伝導性配線を含む、請求項１５記載の熱電電源装置。
【請求項１８】
前記ｎ型及びｐ型熱電脚部は、Ｂｉ２Ｔｅ３型熱電材料から形成されている、請求項１５記載の熱電電源装置。
【請求項１９】
前記クロスプレーン熱電発電装置は、マイクロ−電子−機械システム（ＭＥＭＳ）技術を使用して製造されている、請求項１記載の熱電電源装置。
【請求項２０】
前記クロスプレーン熱電発電装置は、電気メッキ技術を使用して製造されている、請求項１記載の熱電電源装置。
【請求項２１】
前記クロスプレーン熱電発電装置は、バルク多結晶熱電材料から形成された複数のｎ型及びｐ型熱電脚部を有する、請求項１記載の熱電電源装置。
【請求項２２】
前記クロスプレーン熱電発電装置は、あらかじめ構成された電極を有するウエハ上に熱電材料の薄膜を堆積して製造されている、請求項１記載の熱電電源装置。
【請求項２３】
前記熱電材料は、Ｂｉ２Ｔｅ３型材料である、請求項２２記載の熱電電源装置。
【請求項２４】
前記電圧変換器は、前記クロスプレーン熱電発電装置によって生成されたエネルギーの電圧レベルを増加させるために、電荷ポンプとして駆動するように構成されている、請求項１記載の熱電電源装置。
【請求項２５】
前記インプレーン及びクロスプレーン熱電発電装置は、共通の上部プレート及び共通の下部プレートを含み、前記インプレーン及びクロスプレーン熱電発電装置は、単一構造に組み込まれている、請求項１記載の熱電電源装置。
【請求項２６】
前記インプレーン熱電発電装置と、前記初期及び最終エネルギー管理アセンブリと、前記電圧変換器と、前記クロスプレーン熱電発電装置は、単一構造に組み込まれている、請求項２記載の熱電電源装置。
【請求項２７】
初期エネルギー管理アセンブリと、クロスプレーン熱電発電装置と、電圧変換器及び最終エネルギー管理アセンブリとを備える熱電電源装置に使用するためのインプレーン熱電発電装置において、前記初期エネルギー管理アセンブリは、前記インプレーン熱電発電装置に接続されて、それによって生成された電力を受け取るように適合され、前記電圧変換器は、前記初期エネルギー管理アセンブリに接続されて、前記初期エネルギー管理アセンブリから前記電圧変換器に電力を供給するための高い電圧でのエネルギーを受け取り、前記クロスプレーン熱電発電装置は、そのクロスプレーン熱電発電装置にわたって作用する温度勾配に応じて、比較的低い電圧かつ比較的高い電力で電気エネルギーを生成するように適合され、前記電圧変換器は、前記初期エネルギー管理アセンブリから受け取った電気エネルギーによる活性化の後に、前記クロスプレーン熱電発電装置によって生成されるエネルギーの電圧レベルを増加させるように適合され、
前記インプレーン熱電発電装置は、
離隔した一対の熱結合プレートに対して垂直に配向され、前記プレートと熱的に接続される、少なくとも１つのホイルセグメントを備え、
前記ホイルセグメントは、
対向する前方及び後方の基板面を有する基板と、
前記前方の基板面上に離隔した平行な配列で配置されて、それぞれのｎ型及びｐ型脚部が熱電材料から形成された、一連の伸長された交互のｎ型及びｐ型熱電脚部と、
を備え、
前記ｐ型熱電脚部のそれぞれの１つは、前記ｐ型熱電脚部の対向端部において隣接した前記ｎ型熱電脚部の１つに電気的に接続されて、前記一連のｎ型及びｐ型熱電脚部は、電気的に直列に接続され、熱的に並列に接続されている、インプレーン熱電発電装置。
【請求項２８】
前記ｎ型及びｐ型熱電脚部は、Ｂｉ２Ｔｅ３型熱電材料から形成されている、請求項２７記載のインプレーン熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、熱電デバイスに関し、より詳細には、例えば、マイクロ電子デバイスに電力を供給するために、比較的高い電圧パワー出力を生成するように特別に適合された自給自足型熱電電源装置に関する。
［関連出願の相互参照］
本出願は、「熱電電源装置（THERMOELECTRIC POWER SUPPLY）」という題で２００６年６月１６日付で出願されて、同時係属中である米国特許仮出願第６０／８１４，６４８号の利益を主張しており、その全体の内容は、ここに参照することにより組み込まれている。本出願は、さらに、「低電力熱電発電装置（LOW POWER THERMOELECTRIC GENERATOR）」という題で２００３年５月１９日付で出願された米国特許出願第１０／４４０，９９２号（現在米国特許第６，９５８，４４３号）の継続出願である「低電力熱電発電装置（LOW POWER THERMOELECTRIC GENERATOR）」という題の米国特許出願第１１／１８５，３１２号（２００５年１１月１７日付出願）の一部継続出願である「改善された低電力熱電発電装置（IMPROVED LOW POWER THERMOELECTRIC GENERATOR）」という題の、共同所有である米国特許出願第１１／３５２，１１３号（２００６年２月１０日付出願）に関連し、それらのそれぞれの全体の内容は、ここに参照することにより明示的に組み込まれている。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電子デバイスの小型化傾向に伴い、小型の電源装置の開発が必要とされている。電池及び太陽電池は、そのようなマイクロ電子デバイスの通常的な電源である。しかしながら、電池によって供給される電力は、経時的に消耗されるため、その電池を周期的に交換する必要性がある。太陽電池は、効率的な無限の寿命を有するが、太陽や他の光源が何時でも利用可能であるのではなく、電力の一時的な供給源しか提供することができない。また、太陽電池は、エネルギー変換効率を維持するために、その表面を周期的にクリーニングすることが必要とされる。
【０００３】
熱電発電装置は、相当な部分が導体内における電荷キャリア拡散に起因して、熱差異が電気に変換され得る現象であるゼーベック（ｓｅｅｂｅｃｋ）効果によって、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する自給自足型エネルギー源である。電力は、一端で結合している一対の異なる金属（ｎタイプ及びｐタイプ）からなる熱電対を使用して、ゼーベック効果の下で発電することができる。ｎタイプ及びｐタイプは、それぞれ、材料内における電荷キャリアの負タイプ及び正タイプを意味する。
【０００４】
熱電対の端部の間に存在する温度勾配は、人為的に印加されるか、或いは、人体によって常時リジェクトされる発散熱または廃熱として自然的に発生することができる。腕時計において、一側は、周辺温度の空気に露出され、その反対側は、着用者肌のより高い温度に露出される。それにより、通常、腕時計の厚さにわたって小さな温度勾配が存在する。熱電発電装置は、時計に組み込まれて発散熱または廃熱を利用することができ、内蔵ユニットとして腕時計の駆動のための十分な電力供給を生成することができる。有利なことに、通常の腕時計と類似したサイズの数多くのマイクロ電子デバイスは、少量の電力のみを必要とし、したがって、熱電発電装置による電力供給に対しても混和的である。
【０００５】
マイクロ電子工学産業において現われている連続的な発展は、多くの最近の電子デバイスの電力消費における減少と同時に、ある種の電子アプリケーションのさらなる小型化をもたらした。そのような電子デバイスに対する電力要件における減少は、熱電発電装置のような代案のエネルギー源の採用を可能とした。
【０００６】
通常、周辺に消失されている発散熱としての熱エネルギーを回収するための熱エネルギー収獲デバイスとして使用される場合、そのような熱電発電装置は、マイクロ電子工学またはセンサーシステムに電力を供給するために活用することができる。そのような最近の電子デバイスの機能的密度が、そのような電子デバイスを構成する数多くのサブコンポーネントの統合に一部分起因して増加することにより、そのデバイスの電力消費は、マイクロワット及びナノワットのレベルまでに縮小された。しかしながら、多くのマイクロ電子工学デバイスには、しばしば高い電力が要求されている。このような高い電力への要求は、たびたびミリワットの範囲にある。
【０００７】
上述したマイクロ電子工学の小型化における発展に鑑みるとき、本質的に連続的な電力の供給を提供することができるマイクロ電子工学デバイスのための電源装置への要望が当技術分野に存在する。さらに、動力源の周期的な交換を必要としないマイクロ電子工学デバイス用電源装置への要望が当技術分野に存在する。
【０００８】
また、安定的で且つ効率的な電源を提供することができ、効率的な無限の寿命を有するマイクロ電子工学デバイスのための電源装置に対する要求が当技術分野に存在する。最後に、例えば、単に小さい温度勾配を使用して本質的に一定のエネルギー源を電気エネルギーに変換することができるマイクロ電子工学デバイス用として使用可能な電源装置への要望が当技術分野に存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、人体によるかまたは廃熱によって発生するような、ただの小さい温度勾配からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するように特別に適合された熱電電源装置を提供することにより、マイクロ電子工学デバイス用電源装置に関して上述した要望に特別に対処して、それを軽減させる。より具体的には、本発明は、熱エネルギーを、ボルト範囲の電圧を有する比較的高いパワー出力に変換することができる熱電電源装置を提供し、センサーシステムのようなマイクロ電子工学デバイスに電力を供給するために、そのような電力を安定的で且つ信頼性のある方式で提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
広い意味で、本発明は、インプレーン（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）熱電発電装置と、クロスプレーン（ｃｒｏｓｓ−ｐｌａｎｅ）熱電発電装置と、初期エネルギー管理アセンブリと、電圧変換器と、最終エネルギー管理アセンブリとを備える。インプレーン熱電発電装置は、Ｓｔａｒｋらに許与された米国特許第６，９５８，４４３号に示されて記述されたものと類似に構成することができ、その全体の内容は、ここに参照することにより明示的に組み込まれている。インプレーン熱電発電装置は、一般に、低いパワー出力を有する比較的高い熱電電圧を生成するために、基板上に堆積されて、直列に配置された多数の熱電対を有して構成されている。
【００１１】
初期エネルギー管理システムは、インプレーン熱電発電装置から比較的高い電圧と低いパワー出力とを受け取り、熱電電圧を整流するように、ダイオードを介して過電圧に対して保護するように、そして、電圧変換器を活性化するためにエネルギー貯蔵要素に十分な量のエネルギーを貯蔵または蓄積するように、特別に構成されている。初期エネルギー管理アセンブリは、特定の電圧のしきい値を獲得した場合に電力を電圧変換器に放出するように適合された電圧検出器をさらに含んでいてもよい。
【００１２】
電圧変換器は、具体的に、初期エネルギー管理アセンブリによって処理された後、インプレーン熱電発電装置からの電圧によって活性化されるか、或いは電力の供給を受けるように適合されている。それから、電圧変換器は、電荷ポンプを使用するなどによって電圧増幅の原理を利用して、クロスプレーン熱電発電装置からの低電圧出力を比較的高い電圧に変換することができる。より具体的には、電圧変換器は、クロスプレーン熱電発電装置の比較的低い熱電電圧出力を増幅するように適合されている。
【００１３】
有利に、クロスプレーン熱電発電装置は、低い電圧で比較的高いパワー出力を生成するように適合されている。残念なことに、クロスプレーン熱電発電装置を構成する熱電対の幾何学的な配列のために、比較的低い電圧での高いパワー出力が、小さい温度勾配で提供されるが、該電圧は、多くの最近の電子回路を駆動するには低すぎる。しかし、インプレーン熱電発電装置とクロスプレーン熱電発電装置とを組み合わせることにより、それらの組み合わせによる長所が、高い電力消費を必要とする電子デバイスへの使用に対して混和的な電力出力を有する熱電電源装置を提供するよう、個別の短所を克服するために使用されることができる。
【００１４】
本発明の熱電電源装置において、電圧変換器は、クロスプレーン熱電発電装置によって提供される比較的低い電圧を増幅した後、初期エネルギー管理アセンブリのように、同じく電圧を整流及び制限して、組み合わされたエネルギー貯蔵要素を充電し、さらに、マイクロ電子デバイスのような外部電力受信機に放出するために、電圧検出器を介して貯蔵エネルギーの充電状態を検出する最終エネルギー管理アセンブリに、電気エネルギーを直接供給する。
【００１５】
選択的に、最終エネルギー管理アセンブリによって放出された電力の一部は、インプレーン熱電発電装置における電力要件、及び、サイズと費用を低減させる能力を提供することができる電圧変換器を駆動させるために、電圧変換器に戻されて再循環されてもよい。したがって、初期エネルギー管理アセンブリは、電圧変換器を初期に活性化させるために使用され、その後、初期エネルギー管理アセンブリは、最終デバイスにエネルギーを提供するために使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ここに開示された各種の実施形態の利点及びさらなる特徴は、後述する詳細な説明及び図面を参照してよりよく理解されるはずであり、図面における同一の参照符号は、全体にわたって同一の部品を表わす。
【００１７】
以下において、本発明の好ましい実施形態を説明するための図面を参照するが、これは、本発明を何等限定するものではない。図１には、例えば、人体によるかまたは廃熱によって放出されるようなただの小さい温度勾配からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するように特別に適合された、熱電電源装置１０の概略的な説明図である。より詳細には、本発明の電源装置１０は、小さい温度勾配から、最近のマイクロ電子工学デバイス及びセンサーシステムに動力を供給するために十分な、安定的で且つ比較的高いレベルの電圧及び高いパワー出力を有する電気エネルギーを生成するように適合されている。
【００１８】
広い意味で、熱電電源装置１０は、インプレーン熱電発電装置１２と、クロスプレーン熱電発電装置１４と、初期エネルギー管理アセンブリ４０と、電圧変換器５８と、最終エネルギー管理アセンブリ６４とを備える。インプレーン熱電発電装置１２は、非常に小さい温度勾配で比較的高い電圧を生成するという長所を提供する。
【００１９】
直列に接続された比較的多い数の熱電対３８が配置されて、インプレーン熱電発電装置１２は、一般に、相互に対して平行でありながら離隔した関係で配置されている、比較的長くて薄いｎ型及びｐ型熱電脚部３４、３６の配列によって、比較的高い熱抵抗を有する。より具体的には、そのような熱電脚部の長さは、ミリメートルの範囲にあり、そのような脚部の厚さは、略数ミクロン〜数十ミクロン程度の大きさである。これに関して、その厚さに対する熱電脚部の長さの比率は、インプレーン熱電発電装置１２を通じて流れる熱の量が比較的に少ないようにされている。
【００２０】
残念ながら、インプレーン熱電発電装置１２の配列は、電気的に直列に接続された比較的多数の熱電対３８と相まって、結果的に比較的高い電気抵抗を生成する原因となる。また、高い電気抵抗は、その断面に対する熱電脚部の比較的大きい長さ比率の結果である。この高い電気抵抗は、比較的低いパワー出力をもたらす。また、インプレーン熱電発電装置１２の配列は、ｎ型及びｐ型熱電脚部３４、３６が上に堆積される基板２６を通じた寄生熱流の結果として、比較的低いレベルの効率をもたらす。
【００２１】
以前に言及したとおり、インプレーン熱電発電装置１２の構造に対する通常的な配列は、そのようなデバイスを、電気的に直列に接続される比較的多数の熱電対３８を有するホイルセグメント２４または一連のホイルセグメント２４として構成することである。熱電対３８を構成するｐ型及びｎ型熱電脚部３６、３４は、図２に示されているように、金属ブリッジ３０及び金属コンタクト３２を使用して接続される。そのような金属ブリッジ３０及び金属コンタクト３２は、インプレーン熱電発電装置１２の構造を構成する薄膜熱電構造を形成するために、ｐ型及びｎ型熱電脚部３６、３４を堆積した後に、基板２６上に堆積することができる。
【００２２】
インプレーン熱電発電装置は、複数の別の技術によって製造することができる。例えば、インプレーン熱電発電装置は、「センサー及びアクチュエータ、第７４号（Sensors and Actuators, No. 74）」（１９９９）という題の出版物で再版された、Ｈ．Ｇｌｏｓｃｈらによる、「エネルギー供給のための熱電変換器（A Thermoelectric Converter for Energy Supply）」という題の文献の第２４６−２５０頁に記述されたようなＭＥＭＳシリコン基盤技術を使用して製造することができる。さらに、インプレーン熱電発電装置は、インフィニオン・テクノロジーズ（Ｉｎｆｉｎｅｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ａ．Ｇ．）、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ、Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ及びミュンヘン（Ｍｕｎｉｃｈ）技術大学、電子工学の物理学研究所のＭ．Ｓｔｒａｓｓｅｒらによる、「ポリＳｉ及びポリＳｉＧｅ表面のマイクロ加工に基づく、微小化された熱電発電装置（Miniaturized Thermoelectric Generators Based on Poly-Si and Poly-SiGe Surface Micromachining）」という題の文献に記述されたようなシリコン技術を使用して製造することができる。
【００２３】
インプレーン熱電発電装置を製造するためのシリコン基盤技術のさらなる記述は、インフィニオン・テクノロジーズ及びミュンヘン技術大学のＭ．Ｓｔｒａｓｓｅｒらによる、「ＣＭＯＳ低電力熱電発電装置の分析（Analysis of a CMOS Low Power Thermoelectric Generator）」という題の文献に提供されている。インプレーン熱電発電装置は、また、マイクロ機械学及びマイクロエンジニアリング・ジャーナル、１１（２００１）に発表された、Ｗｅｎｍｉｎ  Ｑｕらによる、「自動的なマイクロシステムズのための電源としてのフレキシブルホイル基板上での熱電発電装置のマイクロ加工（Microfabrication of Thermoelectric Generators on Flexible Foil Substrates as Power Source for Autonomous Microsystems）」という題の文献の第１４６−１５２頁に開示されたものと類似した電気メッキ技術を使用して製造することができる。
【００２４】
その他の配列において、比較的高い密度の熱電対３８は、基板２６の積み上げを利用して達成することができる。さらに、ホイルセグメント２４または基板２６は、「低電力熱電発電装置（LOW POWER THERMOELECTRIC GENERATOR）」という題の米国特許公開公報第２００６０１５１０２１号に開示されたものと類似したラウンド状熱電発電装置を製造するためにらせん状にローリングすることができる。離隔した一対の熱結合プレート２２（すなわち、上部及び下部プレート）は、薄膜（すなわち、基板２６に堆積された熱電対３８）の積層部またはロールにボンディングなどによって付着されて、それにわたって熱結合を提供して、外部熱源１８及びヒートシンク２０への熱電発電装置の接続を可能とする。
【００２５】
初期エネルギー管理アセンブリ４０へのインプレーン熱電発電装置１２の電気接続は、熱結合プレート２２（すなわち、上部及び下部プレートの１つ）の少なくとも１つを使用することにより、あるいは熱電対チェーンの対向端部を初期エネルギー管理アセンブリ４０に直接連結することにより、容易にすることができる。接続を行うために熱結合プレート２２を使用する場合、上部プレート及び下部プレートは、好ましくは、金属材料のような電気伝導性材料で製造される。
【００２６】
熱結合プレート２２の内面は、好ましくは、非電気伝導性コーティングが局所的に省略されている一連の交互のｎ型及びｐ型熱電脚部３４、３６の末端部を除いて、非電気伝導性コーティングで被覆されている。熱結合プレート２２（すなわち、上部または下部プレート）は、次に、一連の交互のｎ型及びｐ型熱電脚部３４、３６の対向端部のそれぞれの１つに電気的に接続される。熱結合プレート２２は、時計に対する時計電池の電気的な接続と類似に、初期エネルギー管理アセンブリ４０に電気的に接続することができる。
【００２７】
或いは、インプレーン熱電発電装置１２は、インプレーン熱電発電装置１２の熱電対チェーンの端部への直接接続によって、初期エネルギー管理アセンブリ４０に接続することができる。より具体的には、そのような配列において、熱結合プレート２２（すなわち、上部及び下部プレート）は、比較的高い熱伝導性セラミックス材料または比較的高い熱伝導率を有するその他の適切な材料のような、電気的に非伝導性の材料で製造することができる。さらにまた、熱結合プレート２２の内面の少なくとも１つは、非電気伝導性コーティングで被覆することができる。
【００２８】
他の実施形態において、米国特許第６，９５８，４４３号に開示されているような、上部及び下部プレートをホイルセグメントにボンディングする熱伝導性糊または接着剤は、電気的に非伝導性であることが好ましく、それにより、別途の非電気伝導性コーティングに対する必要性が無くなる。また、熱結合プレート２２（すなわち、上部及び下部プレート）を、ホイルセグメント２４を上部及び下部プレートにボンディングする非電気伝導性コーティング及び／または非電気伝導性糊によってホイルセグメント２４から電気的に絶縁された電気伝導性材料（例えば、金属）で製造することが考慮されている。熱電電源装置１０は、一連の交互のｎ型及びｐ型熱電脚部３４、３６の対向端部のそれぞれの１つを初期エネルギー管理アセンブリ４０に接続するための電気伝導性配線を含んでいてもよい。
【００２９】
図３に示されているような構成のクロスプレーン熱電発電装置１４は、当技術分野において公知の標準ペルチェ冷却器に使用されるもののようなバルク多結晶材料を使用して製造することができる。このような典型的な構成において、ｐ型及びｎ型熱電脚部３６、３４の長さは、多結晶バルク材料を利用した構成のためのミリメートル範囲内にある。或いは、クロスプレーン熱電発電装置１４を製造するために薄膜技術を使用する構成方法において、熱電脚部の長さは、数十ミクロン範囲内にある。このような構成で、離隔した熱電脚部の対の上方及び下方端部上に配置された熱結合プレート２２は、薄膜堆積のための基板２６として作用する。
【００３０】
有利に、クロスプレーン熱電発電装置１４に対する図３に示されているような配列は、直列に配置された比較的小さい量の熱電対３８によって、比較的小さな電気抵抗を提供する。また、クロスプレーン熱電発電装置１４の構造における低い電気抵抗は、ｎ型及びｐ型熱電脚部３４、３６の断面積に対するその長さの比較的小さな比率の結果としてもたらされる。インプレーン熱電発電装置１２の配列と対照的に、クロスプレーン熱電発電装置１４における熱電脚部の比較的小さな縦横比は、結果的に比較的高いパワー出力をもたらす。
【００３１】
また、インプレーン熱電発電装置１２に存在しているような熱結合プレート２２を相互接続する基板２６の不在によって、クロスプレーン熱電発電装置１４は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する比較的高い効率能力を提供する。これは、インプレーン熱電発電装置１２の構造に存在しているような基板２６を通じた寄生熱流が不在する結果である。有利に、このような配列は、熱が熱電脚部のみを介して流れるようにする結果をもたらす。残念ながら、小さな縦横比によって提供される利点（すなわち、低い電気抵抗及び高いパワー出力）は、また、クロスプレーン熱電発電装置１４が、同一の低い縦横比によって比較的低い熱抵抗を示すことを意味する。
【００３２】
より具体的に、熱電脚部の断面に対するその長さの比較的低い比率は、比較的大量の熱がデバイスを通じて流れるようにする結果をもたらす低い熱抵抗の原因となる。クロスプレーン熱電発電装置１４の好ましくない特徴は、デバイスの全体サイズを依然として小型化し、電気的に直列に接続されうる比較的に制限された量の熱電対３８に関連されている。この制限された数の熱電対３８は、高いパワー能力にもかかわらず、小さい温度勾配で比較的低い電圧出力という結果をもたらす。
【００３３】
クロスプレーン熱電発電装置１４は、以下に言及する文献に記述された各種の薄膜技術によって製造することができる。例えば、クロスプレーン熱電発電装置１４は、ドイツのフライブルク（Ｆｒｅｉｂｕｒｇ）に所在する、フラウンホーファーＩＰＭ（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  Ｐｈｙｓｉｋａｌｉｓｃｈｅ  Ｍｅｓｓｔｅｃｈｎｉｋ）のＨ．Ｂｏｅｔｔｎｅｒによる、「マイクロペルト微小熱電デバイス：小さなサイズ、高い冷却パワー密度、短い応答時間（Micropelt Miniaturized Thermoelectric Devices: Small Size, High Cooling Power Densities, Short Response Time）」という題の文献、または、同じくＨ．Ｂｏｅｔｔｎｅｒによる、「マイクロペルト：最新技術、ロードマップ及び適用（Micropelt: State of the Art, Roadmap and Applications）」という題の論文に開示される方式だけではなく、同じくＨ．Ｂｏｅｔｔｎｅｒらによる、「マイクロシステム技術を使用した新たな熱電コンポーネント（New Thermoelectric Components Using Microsystem Technologies）」という題の文献に開示された薄膜技術を使用して製造することができる。
【００３４】
クロスプレーン熱電発電装置１４に対する各種の電気メッキ技術（例えば、ガルバニック（ｇａｌｖａｎｉｃ）処理）は、カリフォルニア技術研究所、ジェット推進研究所のＧ．Ｊｅｆｆｒｅｙ  Ｓｎｙｄｅｒらによって２００３年７月２７日付でオンライン上に発表された、「ＭＥＭＳ型電気化学プロセスにより製造された熱電マイクロデバイス（Thermoelectric Microdevice Fabricated by a MEMS-Like Electrochemical Process）」という題の開示文献に記述されているような技術を使用することができ、その全体の内容は、ここに参照することにより組み込まれている。
【００３５】
また、クロスプレーン熱電発電装置１４は、バルク多結晶熱電材料と、バルク多結晶熱電材料の機械的な切断技術を使用して製造することができる。バルク多結晶熱電材料は、融液（すなわち、液体）及び／またはパウダー技術技法及び／または機械合金化によって準備することができる。
【００３６】
有利に、本発明の熱電電源装置１０は、各デバイスの長所を利用する特有の配列でインプレーン及びクロスプレーン熱電発電装置１２、１４を組み合わせることにより、比較的高い電力を消費する多くのマイクロ電子デバイスに混和的な電力出力を提供する。より具体的には、インプレーン熱電発電装置１２の構造は、多くの最近のマイクロ電子デバイスを駆動する上で必要な１．５〜３ボルト範囲の電圧を提供することができるものの、そのような電気エネルギーが提供される比較的低い電流のために、必要な量の電力を生成することはできない。そのような低い電流は、インプレーン熱電発電装置１２の設計の高い電気的内部抵抗の結果である。
【００３７】
それと逆に、クロスプレーン熱電発電装置１４の構造は、結果的に比較的高い電流をもたらす低い内部抵抗によって、多くの電子デバイス６２に混和的な電力量を生成することができる。しかしながら、比較的小さい温度勾配でのクロスプレーン熱電発電装置１４のパワー出力は、結果として、多くの電子回路を駆動するには一般的に低すぎる熱電電圧をもたらす。
【００３８】
しかし、本発明の熱電電源装置１０内に電圧変換器５８を備えることで、クロスプレーン熱電発電装置１４の低い電圧での比較的高いパワー出力は、クロスプレーン熱電発電装置１４の電圧を増加させることにより電圧変換器５８によって利用されることができる。電圧変換器５８は、電荷ポンプ６０の原理を使用する。それから、電圧変換器５８は、電気エネルギーを最終エネルギー管理アセンブリ６４に直接供給する。
【００３９】
図１に示されているように、最終エネルギー管理アセンブリ６４は、電圧変換器５８に接続されて、それからパワーを受け取る。電圧変換器５８は、インプレーン熱電発電装置１２によって初期に生成された電気エネルギーで、初期エネルギー管理アセンブリ４０によるそれの処理の後に、活性化されるか或いは電力の供給を受ける。より具体的には、最終エネルギー管理アセンブリ６４は、クロスプレーン熱電発電装置１４から受け取った電圧を整流及び制限して、最終エネルギー管理アセンブリ６４内に含まれるコンデンサ５２や再充電可能な薄膜電池５４のようなエネルギー貯蔵要素５０を充電し、また、電圧検出器５６を利用してエネルギー貯蔵要素５０の充電状態を検出するように適合される。
【００４０】
より具体的には、電圧検出器５６の検出能力は、エネルギー貯蔵要素５０内の電気エネルギーの十分なレベルを検出したとき、最終エネルギー管理アセンブリ６４が電子デバイス６２にパワーを放出することを可能とする。図１に示されているように、最終エネルギー管理アセンブリ６４は、マイクロ電子工学、及びセンサーシステムを非制限的に含む、任意の数のアプリケーションであってもよいデバイスに電力を供給するために、マイクロ電子デバイスのようなデバイスにパワーを放出する。
【００４１】
選択的に、最終エネルギー管理アセンブリ６４によって放出されるエネルギーの一部は、電圧増幅の目的のための電力供給のために、電圧変換器５８にまた戻されて再循環されることができる。そのような構成において、インプレーン熱電発電装置１２のサイズ、及び、最終的には費用だけではなく、電力要件をも低減することが可能となる。また、初期エネルギー管理アセンブリ４０は、ただ電圧変換器５８を開始またはスタートするように駆動することが必要であり、その後には初期エネルギー管理アセンブリ４０の駆動がそれ以上必要ではないため、初期エネルギー管理アセンブリ４０の電力要件、サイズ及び費用もまた低減することが可能となる。選択的に、初期エネルギー管理アセンブリ４０によって生成された電力が電圧変換器５８を駆動するために必要ではない場合、そのような電力は、エネルギー貯蔵要素５０内に貯蔵することのできる最終エネルギー管理アセンブリ６４に伝達することができる。
【００４２】
さらに、本発明の熱電電源装置１０は、最終エネルギー管理アセンブリ６４と電気的に接続された再充電可能な薄膜電池５４またはコンデンサ５２などの比較的に大きなエネルギー貯蔵要素５０を含むように構成することができる。そのような比較的に大きなエネルギー貯蔵要素５０は、最終電子デバイス６２及び／または電圧変換器５８によって必要ではない過剰なエネルギーを貯蔵するように構成することができる。
【００４３】
初期エネルギー管理アセンブリ４０の特定のアーキテクチャに関連して、初期エネルギー管理アセンブリ４０は、インプレーン熱電発電装置１２によって生成された熱電電圧を整流及び制限して、過電圧の生成に対して保護し、また、エネルギー貯蔵要素５０の形態でエネルギー貯蔵能力を初期に提供するだけではなく、電力が電圧変換器５８に放出される時点を調整するための電圧調整能力を提供するように働くことが考慮されている。
【００４４】
熱電電圧の整流は、温度フローまたは温度勾配の方向に関係なく、ただ１つの極性を有する電圧を提供するために、ダイオード４４の使用を通じて容易に行うことができる。あるいは、整流器４２は、ダイオードブリッジ４６を使用することにより、熱流の方向に関係なく、温度勾配の利用が可能となるように適合することができる。付加的な実施形態は、インプレーン及び／またはクロスプレーン熱電発電装置１２、１４による貯蔵エネルギーの放電を遮断するために、少なくとも１つのダイオードを含んでいてもよい。
【００４５】
初期エネルギー管理アセンブリ４０は、さらに、ツェナー・ダイオード（Ｚｅｎｅｒ  ｄｉｏｄｅ）、単一ダイオード４４または当技術分野においてよく知られた方式で直列に配置されている複数のダイオード４４を利用することにより、過電圧の保護を提供することができる。初期エネルギー貯蔵要素５０は、電圧変換器５８を活性化するために十分なエネルギーを蓄積するように構成された、再充電可能な薄膜電池または小さなコンデンサ５２を含むことができる。電圧検出は、貯蔵されたエネルギーの量に対応する規定電圧のしきい値で、スイッチまたは複数のスイッチの利用を通じて容易に行うことができる。所定のしきい値以上で、貯蔵要素内における電荷は、電圧変換器５８にパワーとして放出されることができる。所定のしきい値以下で、電流の流れは、妨害されるかまたは防止されることがある。
【００４６】
以前に言及したとおり、電圧変換器５８は、電圧ポンプ６０の方式で電圧増幅の原理を利用し、クロスプレーン熱電発電装置１４の比較的低い電圧の高いパワー出力を利用可能な高い電圧に変換するように特別に適合されている。このような方式において、熱電電源装置１０は、エネルギー管理システムと、最終電子アプリケーション及び／または電圧変換器５８そのもののような電子デバイスを駆動するか、或いはそれに電力を供給することができる。
【００４７】
最終エネルギー管理アセンブリ６４は、初期エネルギー管理アセンブリ４０について上述したものと類似した能力を提供するように適合することができる。これと関連し、最終エネルギー管理アセンブリ６４は、好ましくは、ダイオード４４またはダイオードブリッジ４６を使用して、対向方向での熱流に対して単一極性の電圧を提供するために熱電電圧を整流するように適合されている。また最終エネルギー管理アセンブリ６４は、好ましくは、最終電子アプリケーションに対する損傷を防止するために過電圧保護を提供し、それに加え、熱電電源装置１０が接続されるアプリケーションに電力を供給するために、小さなコンデンサ５２または再充電可能な薄膜電池５４のようなエネルギー貯蔵要素５０を含むように適合されている。
【００４８】
選択的に、比較的に大きな再充電可能な薄膜電池５４またはコンデンサ５２のような付加的なエネルギー貯蔵要素５０は、電気デバイスに電力を供給するのに必要ではない過剰なエネルギーを蓄積することができるように、最終エネルギー管理アセンブリ６４に組み込まれていてもよい。初期エネルギー管理アセンブリ４０と類似に、最終エネルギー管理アセンブリ６４は、熱電電源装置１０が接続されるマイクロ電子デバイスまたはアプリケーションへのエネルギーの放出を調整及び決定するために、電圧検出器５６をさらに含んでいてもよい。
【００４９】
上述したそれぞれの配列において、初期エネルギー管理アセンブリ４０及び最終エネルギー管理アセンブリ６４の特徴は、熱電電源装置１０が駆動する熱的環境及び特定のアプリケーションによって最適化される。より具体的には、上述した初期及び最終エネルギー管理アセンブリの特徴は、熱電発電装置によって電力が供給されるデバイスの要件だけではなく、熱電電源装置１０が駆動する熱的環境の特徴によって減少されることができる。
【００５０】
熱電電源装置１０のコンポーネントに対するさらなる実施形態または配列が図４及び図５に示されている。図４には、インプレーン熱電発電装置１２が、クロスプレーン熱電発電装置１４とは別の要素として構成された配列が示されている。図１に示されたように、インプレーン及びクロスプレーン熱電発電装置１２、１４は、共通の熱源１８及びヒートシンク２０を共有するように構成することができる。
【００５１】
それと逆に、図４に示されたように、熱電電源装置１０は、インプレーン及びクロスプレーン熱電発電装置１２、１４が、熱源１８及びヒートシンク２０の目的用として、別途の熱結合プレート２２を有するように配列することができることが考慮されている。また、図１は、電気的に相互接続される別のコンポーネントとして提供された電圧変換器５８と初期及び最終エネルギー管理アセンブリ４０、６４の、その他のコンポーネントを示している。
【００５２】
図５に示されているさらに別の配列において、熱電電源装置１０は、図４の別途の熱結合プレート２２と対照的に、インプレーン及びクロスプレーン熱電発電装置１２、１４が、共通の熱源１８及びヒートシンク２０（すなわち、共通の熱結合プレート２２）を共有するように配列することができる。
【００５３】
しかし、図５に示されているように、インプレーン及びクロスプレーン熱電発電装置１２、１４は、単一構造に組み込むことができ、初期及び最終エネルギー管理アセンブリ４０、６４と電圧変換器５８とを備えるアセンブリに電気的に接続されることができる。以前に言及したとおり、インプレーン熱電発電装置１２は、基板２６上に配置されて、金属ブリッジ３０及び金属コンタクト３２を使用して相互接続される熱電脚部を有した基板２６をそれぞれ備える積層熱電対列を非制限的に含む、いくつかの配列で提供することができる。
【００５４】
それとは別に、インプレーン熱電発電装置１２は、比較的多数の熱電脚部が直列に接続されるらせん状の連続基板２６として配列することができ、基板２６部位は、熱電脚部を電気的に直列に接続するために、基板２６の間に金属コンタクト３２を使用して端部間接続されることができる。らせん状または熱電対列の積み上げ構造は、熱源１８及びヒートシンク２０を熱的に接続するために、上端及び下端に配置される熱結合プレート２２を有することができる。最終実施形態において、熱電電源装置１０を構成するコンポーネントのそれぞれは、単一構造に組み込まれて、封止され、数多くの一般のマイクロ電子デバイスに使用されるように適合することができる便利なアセンブリを形成するように考慮されている。
【００５５】
本発明の様々な実施形態の記述は、以上で説明した好ましい実施形態に提示されており、他の創意的な概念が、それ以外にも多様に実施されて、採択されることができる。添付の請求の範囲は、従来の技術によって制限される範囲を除く変形を含むと解釈されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】インプレーン熱電発電装置と、クロスプレーン熱電発電装置と、初期エネルギー管理アセンブリと、電圧変換器と、最終エネルギー管理アセンブリとを備える、一実施形態における熱電電源装置の概略図である。
【図２】薄膜技術を使用して基板に堆積されるｐ型及びｎ型熱電脚部の基本的な構成を示した、インプレーン熱電発電装置の斜視図である。
【図３】離隔した一対の熱結合プレートがｐ型及びｎ型熱電脚部の市松状配列で構成されている、クロスプレーン熱電発電装置の斜視図である。
【図４】インプレーン及びクロスプレーン熱電発電装置が個別的な要素として構成され、初期エネルギー管理アセンブリ、電圧変換器、及び最終エネルギー管理アセンブリが、例えば、単一の電子アセンブリに組み込まれている、別の実施形態における熱電電源装置の概略図である。
【図５】インプレーン及びクロスプレーン熱電発電装置が図１に示されたものと類似した同じ熱結合プレートを共有するが、初期及び最終エネルギー管理アセンブリが電圧変換器とともに単一の電子アセンブリに組み込まれている、さらに別の実施形態における熱電電源装置の概略図である。
【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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【国際調査報告】
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