(57)【要約】  トンネル、ダイオード、熱電子、熱光起電において電極間の分離を維持するための改良設計が開示されている。少なくとも一つの電極は可撓性材料より製作される。磁界は、可撓性電極で流れている電流と結合し、電極間で静電力または他の引力とを平衡させる力を発生させるために存在する。力の平衡は、複数の制御システム、作動装置や他の操作手段またはスペーサの使用を必要とすることなしに電極間の分離と平行を非常に狭い間隔に維持する。一方または両方の電極の形は、電極の全ての重複する領域にわたって一定の分離を維持するように設計されている。結果として、広域にわたる均一なギャップを備え、それらの間に二つの密接に間隔を置かれた平行電極を安定した平行に維持し、簡素化された製造しやすい単純な構造であり、熱を電気にまたは電気を冷却するために使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向電極または電極アセンブリを含むデバイスであって、印加される磁界分布の存在下において該電極または電極アセンブリ内の電流分布により発生する該電極または電極アセンブリ内の引力分布と、同等かつ反対の反発力分布とが、該二つの電極の対向面における安定・平衡分離状態を確立するように同時に作用する、デバイス。
【請求項２】
前記対向電極の一方または両方が可撓性である、請求項１のデバイス。
【請求項３】
導電性金属と層状金属／ガラスと層状金属／プラスチック複合体と半導体材料とで構成されるグループから選択された基材を前記可撓性電極が含む、請求項２のデバイス。
【請求項４】
シリコン、ゲルマニウムまたはガリウムヒ素、任意でガラス、ポリイミド、ポリエステル、ポリアミド、ポリアクリル、あるいは、ポリオレフィンと層状に組み合わされた金と銀とアルミニウムと銅とニッケルとで構成されるグループから選択される導電性金属を前記基材が含む、請求項３のデバイス。
【請求項５】
一つ以上の電極の表面が、低仕事関数材料、熱電気感知材料、複数の頂部および谷部、半導体共鳴器、抵抗性の下層と低仕事関数の上層とを有する層状材料、これらの組合せで製作されるか、被覆されるか、蒸着される、請求項１のデバイス。
【請求項６】
前記低仕事関数材料が、層状のアルカリ金属、アルカリ金属の合金、酸化物、ダイアモンド、ナノチューブ、または他の組合せを含む、請求項５のデバイス。
【請求項７】
前記低仕事関数材料が、セシウムと、ナトリウムと、カリウムと、トリウムと、金属被覆酸化物と、ダイアモンド膜と、シリコンと、ゲルマニウムと、カーボンナノチューブのアレイと、ナノメートル次元の酸化物粒子の集合体とで構成されるグループから選択される、請求項６のデバイス。
【請求項８】
さらに、いずれかの電極または該電極の付近に取り付けられる永久磁石を含む、請求項１のデバイス。
【請求項９】
前記永久磁石が前記対向電極の一方に設けられるか、該一方の一部である、請求項８のデバイス。
【請求項１０】
前記永久磁石が、鉄とコバルトとニッケルとネオジムとアルミニウムとの何らかの組合せによる導電性・強磁性磁気材料を有する、請求項８のデバイス。
【請求項１１】
前記電極の一方が、導電性材料で被覆された非導電性・強磁性材料を有する永久磁石で形成される、請求項８のデバイス。
【請求項１２】
さらに、前記磁気引力および反発力の大きさの過不足を補う、機械的、磁気的、静電気的、電気機械的あるいは電磁気的に発生した力を含む、請求項１のデバイス。
【請求項１３】
さらに、いずれかの電極の平衡当接位置の周囲での該電極の振動を防止するための減衰システムを含む、請求項１のデバイス。
【請求項１４】
前記電極の間における所望の分離距離分布またはその付近での引力分布と等しい反発力分布を磁界分布との組合せで発生させる電流密度分布を発生するような形状を前記可撓性電極が持つ、請求項２のデバイス。
【請求項１５】
前記可撓性電極の表面の幅が一端部から他端部へ指数的に増大する、請求項１４のデバイス。
【請求項１６】
前記一つ以上の電極が、静電気力と電極抵抗損失とを同時に低下させるように隆起および非隆起範囲によりパターンニングまたはラフニングされる、請求項１のデバイス。
【請求項１７】
前記可撓性電極が一端部において広くなっており、該広い端部が支持構造に固着される、請求項２のデバイス。
【請求項１８】
前記可撓性電極が一端部において狭くなっており、デバイスが作動停止している間は該狭い端部が絶縁支持体に当接する、請求項２のデバイス。
【請求項１９】
前記一方電極の一部分が非導電性材料のコーティングを有し、デバイスが作動停止している間は別の電極が該コーティングと当接する、請求項１のデバイス。
【請求項２０】
前記可撓性電極が、可撓性プラスチック膜に取り付けられた金属箔を含む、請求項２のデバイス。
【請求項２１】
前記電極が真空室に包囲される、請求項１のデバイス。
【請求項２２】
前記電極が、不活性ガスが充填された室に包囲される、請求項１のデバイス。
【請求項２３】
前記不活性ガスがアルゴンまたは窒素を含む、請求項２２のデバイス。
【請求項２４】
一定の力を達成するように、前記可撓性電極の電流密度と逆比例して前記磁界の強度が変化する、請求項２のデバイス。
【請求項２５】
前記対向電極の一方が螺旋形状に形成され、デバイスの中心から径方向に磁界が延在する、請求項１のデバイス。
【請求項２６】
前記螺旋形状が直線状に幅が増大するものである、請求項２５のデバイス。
【請求項２７】
前記螺旋形状が指数的に幅が増大するものである、請求項２５のデバイス。
【請求項２８】
さらに、前記電極に接続された熱源を含む、請求項１のデバイス。
【請求項２９】
さらに、前記電極に接続された電源を含む、請求項１のデバイス。
【請求項３０】
請求項１のデバイスを供給することと、安定・離間・平衡位置に対向電極を配置するように磁界および電流分布の強度を調節することとを含む、熱エネルギーを電流に変換するための、または電気エネルギーを冷凍に変換するためのプロセス。
【請求項３１】
前記対向電極が約２０ナノメートル以下の範囲で離間する、請求項３０のプロセス。
【請求項３２】
前記対向電極が１ナノメートルから２０ナノメートルの範囲で離れた安定・離間・平衡位置に配置するように前記磁界および前記電流分布の強度が調節される、請求項３０のプロセス。
【請求項３３】
６ナノメートルから２０ナノメートルの範囲の電極間隔を設けるように前記強度が調節される、請求項３０のプロセス。
【請求項３４】
１〜６ナノメートルの範囲の電極間隔を設けるように前記強度が調節される、請求項３０のプロセス。
【請求項３５】
請求項１のデバイスを用いて熱を冷却または電気エネルギーに変換するためのプロセス。
【請求項３６】
前記熱源が、放射源、環境からの熱、地熱エネルギー、エンジンまたは動物代謝から発生する熱である、請求項３５のプロセス。
【請求項３７】
前記熱源が人間の生体である、請求項３５のプロセス。
【請求項３８】
前記熱源が人間の生体であり、前記デバイスがハンドヘルドデバイスである、請求項３５のプロセス。
【請求項３９】
前記熱源が運転中の電気・蒸気・内燃エンジン、燃焼している燃料、その排気ガスである、請求項３５のプロセス。
【請求項４０】
前記熱源が内燃エンジンまたはその排気ガスであり、前記デバイスがヒートシンクとして該エンジンまたはガス排気管に組み込まれる、請求項３５のプロセス。
【請求項４１】
前記電極間に作用する均一な力分布を達成するため、一方または両方の電極において前記電流密度が低下するのと同じ方向に前記磁界強度が低下する、請求項１のデバイス。
【請求項４２】
一方または両方の電極において電流密度が上昇する方向に磁気材料の近接度が低下する、請求項４１のデバイス。
【請求項４３】
前記電極が周期的間隔の多層で構成される、請求項１のデバイス。
【請求項４４】
直列に組み立てられた、請求項１のデバイスのマルチユニットを含むデバイス。
【請求項４５】
並列に組み立てられた、請求項１のデバイスのマルチユニットを含むデバイス。
【請求項４６】
並列および直列に組み立てられた、請求項１のデバイスのマルチユニットを含むデバイス。
【請求項４７】
自然発生温度で作動する、請求項３５のプロセス。
【請求項４８】
前記デバイスが、冷凍装置、エアコンディショナ、冷却ブランケット、冷却衣類、人間または動物の体に装着または設けられる冷却装置に使用される、請求項３５のプロセス。
【請求項４９】
生産効率、パッケージング密度あるいは生産効率とパッケージング密度との組合せを達成するようにウェハ上またはウェハ積層体上に製作される、請求項１のデバイスのマルチデバイスを含むデバイス。
【請求項５０】
マルチデバイスへの、またはマルチデバイスからの熱の流れを蓄積する大型ヒートシンクにすべて接続される小型ヒートシンクに前記電極が配置される、請求項４３ないし４６および４９のいずれかのデバイス。
【請求項５１】
前記小型ヒートシンクが、前記大型ヒートシンクと異なる平面方向に延在して該大型ヒートシンクに接続されるフィンを含む、請求項５０のデバイス。
【請求項５２】
デバイスに通電されて電流が流れた時に個々のデバイスにギャップを形成する磁界を有する空隙を有するように構成された多数の永久磁石と透過性・強磁性材料とを含む、請求項１、４３ないし４６、４９、５０、５１のいずれかのデバイス。
【請求項５３】
アレイへ熱を流入させるための側と該アレイから熱を流出させるための側とを備えるデバイスのアレイを形成するように、透過性磁気材料で形成された格子の内側に前記永久磁石が配置される、請求項５２のデバイス。
【請求項５４】
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭ）加工・設計技術により生産される、請求項１、４３ないし４６、４９ないし５３のいずれかのデバイス。
【請求項５５】
前記電極の一方または両方が、業界で標準的な基板に膜成長と犠牲層除去との組合せから製作された片持ち梁構造のアレイから形成される、請求項５４のデバイス。
【請求項５６】
前記永久磁石および／または透過性磁気材料が、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、プラチナ、アルミニウム、ネオジムの一つ、これらの合金あるいはこれらの再結合焼結物である、請求項５２のデバイス。
【請求項５７】
さらに、電子トンネル電流がギャップ形成電流として発生するまで二つの電極または電極アセンブリの間の温度差を維持する分離を設けるギャップ形成開始電流を前記デバイスに発生させる電気回路を含む、請求項１のデバイス。
【請求項５８】
前記対向電極の一方または両方に単層、サブ単層、多数の単層を形成する蒸気を発生させる真空パッケージにセシウムまたはバリウムまたはセシウムとバリウムとの組合せを含めることにより、低仕事関数層が形成される、請求項１のデバイス。
【請求項５９】
生産時以降に不要なガスを除去するゲッターとして作用する材料を含む、請求項１及び４９ないし５６のいずれかのデバイス。
【請求項６０】
前記ゲッター材料が、チタンとセシウムとバリウムとナトリウムとカリウムとこれらの組合せとで構成されるグループから選択される、請求項５９のデバイス。
【請求項６１】
容器に出入する二つの熱経路を備える真空化容器に前記電極または電極アセンブリが設けられる、請求項１及び４９ないし５６のデバイス。
【請求項６２】
二つの熱経路の分離材料がガラス、セラミックあるいは熱伝導性の低い他の材料である、請求項６１のデバイス。
【請求項６３】
前記熱経路材料がシリコン、銅、アルミニウムあるいは熱伝導性の高い他の材料で製作される、請求項６１のデバイス。
【請求項６４】
前記容器の壁がガラスであり、前記熱経路がシリコンであって、それらが真空シールを形成するようにガラスフリットプロセスを用いて接合される、請求項６２または６３のデバイス。
【請求項６５】
前記電極への電気接続がシリコン内を流れて、ワイヤ孔、フィードスルー、または前記容器の内部への類似の接続の必要性を回避するため、シリコン材料がハイドーピングされる、請求項６３または６４のデバイス。
【請求項６６】
前記電極にまたは該電極から熱を同時に伝えている間に該電極の若干の動きを可能にするため、充分な熱伝導性を備える軟質の伝熱材料が使用される、請求項６２、６３、６４、６５のいずれかのデバイス。
【請求項６７】
前記伝熱材料が、液体金属、ノンシリコンポリマー、カーボンナノチューブを有する混合物、真空対応グリースあるいは軟質または液体材料における熱伝導性粒子の懸濁液の一つである、請求項６６のデバイス。
【請求項６８】
前記電極または電極アセンブリへの接続ワイヤが、はんだ、はんだバンプ、超音波ワイヤ接合、導電性エポキシ、はんだペーストあるいは接触圧力により装着される、請求項６２、６３、６４、６５のいずれかのデバイス。
【請求項６９】
アルカリ金属の複合体がフィラメントに装着されて、加熱、蒸発および凝縮により前記容器の内部に前記アルカリ金属を存在させる、請求項５８のデバイス。
【請求項７０】
前記アルカリ金属がセシウムであり、前記複合体がクロム酸セシウムである、請求項６９のデバイス。
【請求項７１】
前記フィラメントコネクタが前記ドーピングシリコン伝熱側を電気的に通って、ワイヤ孔およびフィードスルーの必要性を回避する、請求項６５または６９のデバイス。
【請求項７２】
前記フィラメントが前記デバイスと電気的に並列接続され、前記アルカリ金属が蒸発した後に回路を開くように設計される、請求項６９のデバイス。
【請求項７３】
ばねまたはスポンジ材料の分布から前記付加力が生じる、請求項１２のデバイス。
【請求項７４】
前記強度が２０ナノメートルから１０００ナノメートルの範囲の電極間隔を発生させ、放射電極から他方の感光性電極への主として光子の熱トンネルによる電力への放射変換に使用するための感光性材料を一方の電極が有する、請求項３０のプロセス。
【請求項７５】
前記強度が２０ナノメートルから１００ナノメートルの範囲の電極間隔を設ける、請求項７４のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極間に非常に狭い間隔を持つ設計であって場合によっては電極間に断熱を必要とするダイオード、熱電子、トンネル、熱光起電、他のデバイスに関する。本発明は、熱トンネル・熱光起電発電機およびヒートポンプに適用でき、熱電子および熱電方法を用いた類似のシステムに適用が可能である。これらの熱トンネル発電機およびヒートポンプは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、逆に作動すると冷凍を行う。本発明はまた、間に電流が流れる近接した平行な二つの電極の間隔を必要とするデバイスに適用できる。
【背景技術】
【０００２】
一つの導体（エミッタ）から別の導体（コレクタ）へ高エネルギー電子が流れる現象は、多くの電子デバイスにおいて多様な目的で使用されている。例えば、真空管ダイオードはこのようにして設けられ、その物理現象は熱電子放出と呼ばれた。利用可能な比較的広い物理的間隔によって課せられる制限のため、これらのダイオードは（１０００ケルビン温度を超える）非常に高温で作動する必要があった。電子がコレクタまでの長い距離を移動するのに充分なエネルギーを獲得して高い量子障壁を克服するために、高温電極は非常に高温である必要があった。それにもかかわらず、真空管によって電子ダイオードおよび後の増幅器の構築が可能となった。動作温度を低下させるためにセシウムなどのアルカリ金属または酸化物を用いて電極を被覆することにより、時とともにこれらのデバイスは最適化された。熱電子発生の温度は依然として室温よりもはるかに高いが、この発電方法は燃焼または太陽光集光器からの熱を電気に変換するには有効である。
【０００３】
後に、エミッタとコレクタとが２から２０ナノメートルなどの規模の原子間距離で相互に非常に近接していれば、はるかに低い温度、たとえ室温でも電子が流れることが発見された。この狭い間隔では、二つの電極の原子の電子雲は非常に近接しているため、物理的な伝導がなくてもエミッタ電子雲からコレクタ電子雲へ実際に高温電子が流れる。電子雲が交差しているが電子は物理的に接触していない時のこのタイプの電流は、トンネル電流と呼ばれる。走査トンネル顕微鏡は例えば、導電性表面に非常に近接する尖った導電性の針を用い、針が表面を走査する際の電流の流れを図示することによってこの表面の原子輪郭が描かれる。特許文献１は、走査トンネリング顕微鏡法に適用されるこのような方法を教示している。
【０００４】
このような原子分離が広い面積（例えば１平方センチメートル）にわたって維持される場合には、ダイオードなどの単一のデバイスによって多量の熱が電気に変換され、これらのデバイスは冷凍装置として、または多様なソースから使われていない熱エネルギーを回収するのに有効であろうということは産業界で公知である。非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３を参照すること。電極の間の間隔は、「高温」電子（フェルミレベルを超えるエネルギーを持つ電子）が流れるのに充分なほど狭くなければならないが、通常伝導（フェルミレベル以下の電子の流れ）を可能にするほど近接していてはならない。１平方センチメートルあたり数千ワットの電気から冷凍への変換を可能にする２から２０ナノメートルの分離距離の有効範囲が存在する。前記の非特許文献１を参照すること。一方の電極から他の電極への電子の移動において低い仕事関数を達成するため、放出電極にアルカリ金属または他の材料のコーティングまたは単層を設けることの長所も、これらの引例は示唆している。このコーティングまたは単層はさらに、動作温度を低下させて変換効率を高める。
【０００５】
仕事関数が０．７ｅＶで５００Ｋという低温の電極を用いた熱電子冷凍装置の理論的効率はカルノー効率の８０％より高いことをＭａｈａｎは明らかにしている。非特許文献４を参照すること。類推すると、電子トンネルプロセスの変換効率も、高いカルノー効率を持つと予測される。カルノー効率は、達成可能な熱エネルギー変換効率の上限を表す。
【０００６】
広い面積にわたって原子次元での電極の分離を維持することは、導体から熱を除去するデバイスを構築する際の唯一の最も重要な課題であった。例えば走査トンネル顕微鏡では、振動のない特殊な実験室環境が必要であり、その動作は、数平方ナノメートルの範囲に制限される。ごく最近になっても、作動装置における冷却の測定はすべて数平方ナノメートルの範囲に制限されている。非特許文献３を参照すること。
【０００７】
約１００ナノメートルという比較的大きな寸法での電極の分離は、熱光起電方法を用いた熱から電気への変換を助けることができる。熱光起電システムでは、光子がギャップを通り抜ける。熱源により一方の光電子放出電極が放射を行い、第２の感光性電極が放射波長ほども離間していない場合には、標準的な光起電システムに対して１０倍までの変換パワーが可能である。熱源は、集束太陽光、化石燃料燃焼、他の手段でよい。光電子放出電極は例えばタングステンで製作されてよい。感光性電極はシリコン、セレニウムあるいはインジウムガリウムヒ化物で製作されてよい。熱光起電方法に関するさらなる情報については、非特許文献５を参照すること。
【０００８】
ゆえに、入力としての熱源と出力としてのパワーを必要とする電気回路の両方での使用に好都合なパッケージにおいて、熱エネルギーを電気エネルギーにコスト効率良く有効に変換するデバイスの必要性が残っている。排熱を含む豊富な熱源を容易に電源とすることができよう。このようなデバイスの採用が環境に役立ち、費用を節約し、その両方が可能である例に、以下のようなものがある。
（１）現在使用されている光起電性デバイスよりもコスト効率良く、太陽の熱および光を電気に変換すること。このような熱変換デバイスを用いることによる太陽光集光器からの熱エネルギーを再循環させるための高温熱電子放出が多くの文献に記載されている。前記の非特許文献４を参照すること。しかし、自然発生温度でトンネリングが実施されるならば、このような変換はさらにコストが低く、より普及することになるだろう。
（２）自動車で使用されるような内燃エンジンによって発生する熱を回収して有益な運動にすること。ハイブリッドガス電気自動車と呼ばれる、現在入手可能な自動車のあるものは、電力と内燃のいずれかを利用して運動を発生させることができる。現在の内燃エンジンでは、ガソリンエネルギーの約７５％が排熱に変換されている。トンネル変換デバイスであれば、ハイブリッド自動車のエンジンからこの熱エネルギーの大部分を回収して、後で使用するためにバッテリに入れておくことができる。特許文献２は、燃焼室からの熱を変換してこのエネルギーを蓄積するか運動に変換する方法を教示している。
（３）有害ガスが大気へ流入する必要性を少なくすること。よりエネルギー効率の良いハイブリッド自動車は、大気へ放出される有害排気ガスが減少される明白な例である。ハイブリッドエンジンのエンジン熱および排熱を変換してからこれを蓄積するかハイブリッドバッテリで電気を発生させるデバイスは、ハイブリッド自動車の効率をさらに高めるとともに有害ガスを排出する必要性を少なくする。冷凍に使用される冷却剤は熱を取り除く必要のある他の有害ガスの例であり、トンネル変換デバイスは有害ガスを放出する必要性を少なくするであろう。
（４）入手できる時に熱エネルギーを回収し、これを化学エネルギーとしてバッテリに蓄積し、入手できない時にこれを再利用すること。トンネル変換装置は、日中は太陽エネルギーを電気に変換し、これをバッテリに蓄積することができよう。夜間は、蓄積されたバッテリ電力を使用し電気を発生させることができよう。
（５）地熱エネルギーからの発電。熱は地表上の多くの場所に存在し、地球の奥深くでは実質的に無限である。有効なトンネル変換デバイスであれば、このエネルギー供給を利用できるだろう。
（６）小型で、音の静かな固定されたソリッドステートデバイスによる冷凍の実施。この場合、このようなトンネルデバイスはエアコンディショナのための冷却または冷凍を行って、大型の空気機械およびコンプレッサの必要性に置き換わることができよう。
（７）体温からの発電。人体は約１００ワットの熱を発生するが、この熱を携帯電話、コードレス電話、ミュージックプレーヤー、携帯情報端末、懐中電灯などのハンドヘルド製品のための有益な電力に変換できる。本開示で提示されるような熱変換デバイスは、人体との部分的接触によって加えられる熱から、これらハンドヘルド製品のためのバッテリを作動させたり充電するのに充分な電力を発生できる。
（８）燃焼している燃料からの電力。薪ストーブは数万ワットの熱を発生させる。このようなトンネルデバイスはこの熱から１または２キロワットを発生させることができ、これは一般的な家電機器に電力供給するには充分である。天然ガス、石炭、その他など他の燃料を燃焼させることによって、同様の用途が可能である。こうすれば、僻地の家庭でも、電力網への接続やうるさい発電機を必要とせずに現代的な便利さを手に入れることができる。
【０００９】
２０．０ナノメータ未満の分離ギャップに二つの平行電極を一緒に設けようとすると、二つのパラメータに注目する必要がある。一つは表面粗さで、もう一方は表面平坦度である。表面粗さは、狭い局所的範囲における平滑状態との差異である。孔および傷は表面粗さに影響する差異の例である。表面平坦度は、広い範囲における平行状態との差異である。反り、曲がり、クリープは表面平坦度に影響する差異の例である。
【００１０】
今日集積回路に利用可能な最高の技術を用いて二つのグリッド材料を平坦に研磨すると、表面平坦度は１平方センチメートルの範囲にわたってマイクロメータ規模となる。さらに、熱および他の応力が時間とともに反りや曲がりの変化を起こし、一度達成された均一な分離を維持するのにさらに課題が生じる。現在の技術を用いて研磨された金属または半導体の表面では、０．５ナノメータ未満の粗さを容易に達成できる。
【００１１】
最先端技術によるトンネルエネルギー変換デバイスは、以下の制約のうち一つ以上を受ける。（１）トンネリングには広すぎる分離、（２）大量のエネルギー変換には狭すぎる範囲、（３）断熱が不可能であって結果的に変換効率が低い固体材料の層、（４）コスト効率良く製造するには複雑すぎる設計。
【００１２】
多くの熱電子システムによって１０ミクロン以上の分離が実施されているが、これらのシステムは非常に高温でのみ作動し、安全のためコストの高い設計を必要とし、この温度が達成される環境に限定される。
【００１３】
約２．０から２０．０ナノメートルの分離は、特許文献１に教示された方法によって走査トンネル顕微鏡の設計において実施されているが、有効範囲は数平方ナノメートルの規模であった。このような範囲は、たとえ最適な材料であっても、大量のエネルギーを変換するのに充分な電流を流すには（所望する約１平方センチメートル以上の範囲と比較して）狭すぎる。
【００１４】
半導体業界では、数ナノメートルの規模の膜厚のような物理的パラメータを制御するための多くの方法が教示され採用されている。熱電気デバイスは、層状材料の積層体によりエネルギーを変換する集積回路の例である。非特許文献７を参照すること。しかしこれらの方法はすべて、層内で固体材料が相互に接触することを必要とする。熱は層から層へ容易に流れ、温度差と変換効率とを制限する。二つの電極が接触しているため、設計は利用可能な熱電気感知材料に左右され、電子の横断に対するエネルギー障壁は、真空ギャップの幅の設定によって可能となるので、任意で決定することはできない。必要な性質を持つ材料は、ビスマスおよびテルル化物のような新型の高価な元素である。このような理由のため、熱電気デバイスは、冷却力ワットあたりのコストが高く、約７パーセントの低効率に制限される。
【００１５】
平方センチメートルの範囲にわたって約２．０から２０．０ナノメートルだけ二つの導体を分離する技術は、これらの距離にわたって非常に正確であるフィードバック制御システムのアレイの使用によって進歩してきた。制御システムは、実際の分離を測定してこれを所望の分離と比較するためのフィードバック手段と、所望の分離を維持するため要素を近接または離間させるための移動手段とを含む。フィードバック手段は、分離が減少すると増大する、二つの電極間のキャパシタンスを測定できる。これらの寸法のための移動手段は、最新技術では、圧電、磁歪、電歪現象を通して運動を発生させるアクチュエータである。特許文献３には、一方の表面を他の表面を用いて成形してから、フィードバック制御システムを用いて使用前に平行状態を完成させることを含む設計が記載されている。一方の表面を他に対して成形することを伴う複雑なプロセスと、平行状態を維持するための多数のフィードバック制御システムの使用のため、この設計アプローチは低コストでの製造を阻むものである。
【００１６】
他の方法は、製造中に電極間に「犠牲層」を挿入することを伴う特許文献４と、特許文献５と、特許文献６に記録されている。その後で犠牲層が蒸発すると、２から２０ナノメートルの所望の間隔に近いギャップが電極の間に形成される。これら三つの方法は、反りまたは電極間の熱膨張差のため製造後変動を受けやすいか、これらの変動を補正するためアクチュエータのアレイを必要とする。
【００１７】
所望の間隔を実施し長期にわたってこれを維持する別の方法は、ポールがテントを支えるのと同様に可撓性電極の間隔を保持する誘電性スペーサの使用によるもので、特許文献７と特許文献８に記録されている。これらの誘電性スペーサの短所の一つは、一つの電極から他の電極へ熱を伝えて、変換プロセスの効率を低下させることである。この方法の別の短所は、大きな静電気力が存在していると可撓性金属電極が長期にわたってスペーサの間で延伸または変形して、間隔に向かってゆっくりと移動し、こうしてトンネルまたは熱電子放出でなく伝導を行うことである。
【００１８】
電極間に所望の真空間隔を実施するための別の方法は、二つの接合ウェハの境界面に狭い空隙が形成することで、特許文献９で明らかにされている。これらの空隙は、数ナノメートルのギャップにおける電子の熱トンネリングを可能にするのに充分なほど狭い。これらのギャップは熱トンネリングを助けるが、ギャップの周囲で不要な熱伝導が発生し、電極間隔の均一性の制御が困難である。
【００１９】
熱トンネリングギャップを設けるさらに別の方法は、特許文献１０に記載されているように、二つのウェハの対向表面を接触させてから、アクチュエータを用いてこれらを数ナノメートル離間させることによるものである。この方法は熱トンネリングギャップを発生できるが、この方法では、多数のアクチュエータのコストと、ギャップ範囲の外側のウェハの間における熱伝導が苦しい。
【００２０】
大量生産の低コスト熱トンネルデバイスで電極間隔を２０．０ナノメートル未満の分離ギャップで達成しこれを維持するための要件を満たすという継続的で困難な課題が、今日までの努力にも関わらず残っている。
【００２１】
（直接冷却を行うことに加えて）真空ギャップにおいて電子を移動させることのできるデバイスの付加的な有用性は、熱電スタックの頂部にこのギャップを設けることである。この組合せでは、熱電ギャップの高温側と低温側とが断熱されるため、より効率的である。熱電材料と真空ギャップとの組合せを備えるデバイスは、熱電方法、熱トンネリング方法、熱電子方法あるいはこれら方法の組合せを介して、冷却または熱変換を行うことができる。
【００２２】
【特許文献１】米国特許第４，３４３，９９３号明細書
【特許文献２】米国特許第６，６５１，７６０号明細書
【特許文献３】米国特許第６，７２０，７０４号明細書
【特許文献４】米国特許第６，７７４，００３号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００２／０１７０１７２号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００１／００４６７４９号明細書
【特許文献７】米国特許第６，８７６，１２３号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００４／００５０４１５号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００４／０１９５９３４号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００６／００００２２６号明細書
【非特許文献１】Ｙ．Ｈｉｓｈｉｎｕｎａ、Ｔ．Ｈ．Ｇｅｂａｌｌｅ、Ｂ．Ｙ．Ｍｏｙｚｈｅｓ、Ｔ．Ｗ．Ｋｅｎｎｙによる「真空中の熱トンネルおよび熱電子放出を用いた冷凍の効率：ナノメータスケール設計の使用」（応用物理学通信第７８巻Ｎｏ．１７：２００１年４月２３日）
【非特許文献２】Ｙ．Ｈｉｓｈｉｎｕｎａ、Ｔ．Ｈ．Ｇｅｂａｌｌｅ、Ｂ．Ｙ．Ｍｏｙｚｈｅｓによる「半導体ヘテロ接合構造による真空熱電子冷凍」（応用物理学通信第８１巻Ｎｏ．２２：２００２年１１月２５日）
【非特許文献３】Ｙ．Ｈｉｓｈｉｎｕｍａ、Ｔ．Ｈ．Ｇｅｂａｌｌｅ、Ｂ．Ｙ．Ｍｏｙｚｈｅｓ、Ｔ．Ｗ．Ｋｅｎｎｙによる「ナノメータギャップにおける室温熱電子放出による冷却の測定」（応用物理学ジャーナル第９４巻Ｎｏ．７：２００３年１０月１日）
【非特許文献４】Ｇ．Ｄ．Ｍａｈａｎによる「熱電子冷凍」（応用物理学ジャーナル第７６巻Ｎｏ．７：１９９４年１０月１日）
【非特許文献５】Ｒ．ＤｉＭａｔｔｅｏ、Ｐ．Ｇｒｅｉｆｆ、Ｄ．Ｓｅｌｔｚｅｒ、Ｄ．Ｍｅｕｌｅｎｂｅｒｇ、Ｅ．Ｂｒｏｗｎ、Ｅ．Ｃａｒｌｅｎ、Ｋ．Ｋａｉｓｅｒ、Ｓ．Ｆｉｎｂｅｒｇ、Ｈ．Ｎｇｕｙｅｎ、Ｊ．Ａｚａｒｋｅｖｉｃｈ、Ｐ．Ｂａｌｄａｓａｒｏ、Ｊ．Ｂｅａｕｓａｎｇ、Ｌ．Ｄａｎｉｅｌｓｏｎ、Ｍ．Ｄａｓｈｉｅｌｌ、Ｄ．ＤｅＰｏｙ、Ｈ．Ｅｈｓａｎｉ、Ｗ．Ｔｏｐｐｅｒ、Ｋ．Ｒａｈｎｅｒ、Ｒ．Ｓｉｅｒｇｉｅによる「ミクロンギャップ熱光起電（ＭＴＰＶ）」（アメリカ物理学協会、第６回熱光起電発電会議：２００４年）
【非特許文献６】Ｇ．Ｄ．Ｍａｈａｎ、Ｊ．Ａ．Ｓｏｆａｏ、Ｍ．Ｂａｒｔｋｏｉｗａｋによる「多層熱電子冷凍装置」（応用物理学ジャーナル第８３巻Ｎｏ．９：１９９８年５月１日）
【非特許文献７】Ｃｈｒｉｓ  ＬａＢｏｕｎｔｙ、Ａｌｉ  Ｓｈａｋｏｕｒｉ、Ｊｏｈｎ  Ｅ．Ｂｏｗｅｒｓによる「薄膜マイクロクーラの設計および特徴」（応用物理学ジャーナル第８９巻Ｎｏ．７：２００１年４月１日）
【非特許文献８】Ａ．Ｎ．Ｋｏｒｏｔｋｏｖ、Ｋ．Ｋ．Ｌｉｋｈａｒｅｖによる「共鳴ファラー・ノルドハイム放出による冷却化」（応用物理学通信第７５巻Ｎｏ．１６：１９９９年８月２３日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
そのため、既存の設計よりも効率的で低コストであるトンネル、ダイオード、他のデバイスにおいて電極間の真空分離を維持するための改良設計の必要性が存在する。特に、均一な真空ギャップを持つ近接電極を有する設計の必要性が存在するのである。より詳しく述べると、おそらくは熱電要素との組合せによるトンネリング、熱電子、他の放出により、ギャップにおいて電子を移動させるため電極間の近接ギャップで自己配置および自己整合を行う一対の電極を有する設計の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本開示は、先行技術についての前述の、または他の課題および短所を克服することに関する。先行技術では考えられなかった方法での電子の流れを採用するデバイスおよびプロセスが開示される。従来の設計では、トンネルデバイスでの電子の流れは二つの目的で使用されていた。（１）一つの導体から別の導体へ熱を移動させるための熱力学的流体として、（２）バッテリまたは電気回路へ、あるいはバッテリまたは電気回路から、変換エネルギーを直接移動させるため、である。本発明では、所望する電極の分離で静電力または他の引力の均衡を保つ復元力を発生させるのにやはり電子流が使用されるデバイス構造およびプロセスが設けられる。
【００２５】
均一なギャップを備える近接電極を設けるデバイスおよびプロセスが開示される。より詳しく述べると、本開示は、おそらくは熱電要素と組み合わされたトンネリング、熱電子、他の放出により、ギャップでの電子の移動を可能にするため電極間の近接ギャップで自己配置および自己整合を行う一対の電極に関連するものである。
【００２６】
本発明は、電極の一方に可撓性材料を使用し、広い範囲にわたって他の電極の表面から所望の間隔距離の安定平衡位置に電極を配置、整合、維持するように可撓性電極に自然かつ同時に作用する静磁気反発力と静電気力または他の引力とを平衡させ、いずれかの電極における連続的かつ空間的な平坦度との差異に適応する磁界を含む。
【００２７】
組立前に電極の対向表面を研磨することにより、０．５ナノメートル未満の表面粗さが達成される。金属、半導体、他の材料に０．５ナノメートル未満の表面粗さを達成するため、業界では研磨技術が簡単に利用できる。
【００２８】
１平方センチメートル以上の広い範囲で２０．０ナノメートル未満の分離を達成するために、所望の間隔で電極材料を静止させる非接触力の組合せが発生される。安定平衡条件では、これらのダイオードデバイスにすでに存在する一つの力は、エミッタとコレクタとの間の静電気力である。電圧が印加されると、電極の各々で反対の電荷が集合して、これらの電荷が存在する結果、電極の間に引力が発生する。近接電極では静電気力が支配的な引力であると考えられるが、重力、表面張力、ファンデルワールス力、カシミール力、静摩擦など、他の引力も存在する。
【００２９】
本発明の一面は、可撓性電極が所望の間隔と整合とを維持するように、可撓性電極に作用してあらゆる点で静電気引力および他の引力との均衡を保つ同等で反対向きの第２の力を発生させる。この第２の力は、磁界の存在下で導体に電流が流れる時に力が発生するという物理現象によるものである。この力は、電流の方向と磁界の方向とにより規定される面に対して垂直な方向に作用する。
【００３０】
電極の付近または電極内に永久磁石を設けることにより、本発明の実施例に磁界を追加することができる。鉄、コバルト、ニッケル、およびこれらの合金などの永久磁石材料は、熱的および電気的に高い伝導性を持つ金属でもある。ゆえに、これらの磁気材料は、電極の熱的および電気的伝導性と適合する。非伝導性の磁気材料を用いて磁界を設けることが望ましい場合でも、放出電極を構成するため、このような磁石は導体で被覆されるか、単に平坦な導体が磁石に取り付けられる。
【００３１】
一般的には６００から１４００ケルビン度であるキュリー温度レベルで磁気材料は磁性を失うので、永久磁石が設けられる表面の温度は永久磁石の動作パラメータに影響する。しかし本発明では、磁石は変換デバイスの低温側と高温側のいずれかに設けられるため、磁石がキュリー温度に到達するのを防ぐ構造を発見できる。
【００３２】
本発明は、以下の長所を持つ単純で安価な熱トンネリング、熱光起電または熱電子デバイスを製造するために、新規の非自明なやり方で電極材料を近接させる方法を提供する。（１）先行技術に必要とされるアクチュエータと制御システムの必要性を回避することによる単純性、（２）電球および半導体産業ですでに開発された技術および製造プロセスを利用して低コストの大量生産を実施すること、（３）一つの電極から他の電極への高温電子のトンネリングを可能にして第１電極を冷却するように、スペーサを用いず電極間に狭い間隔ギャップを実現すること、（４）１平方センチメートルなど広い電極範囲にわたって均一な間隔ギャップを維持すること。
【００３３】
開示されるデバイスおよびプロセスの他のシステム、デバイス、特徴、長所は、当該技術の熟練者には明らかであるか、以下の図面および詳細な説明を検討すれば明らかとなるだろう。付加的なシステム、デバイス、特徴、長所はすべて本説明に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の請求項により保護される。
【００３４】
開示されるデバイスおよびプロセスの多くの面は、添付図面である図１〜１４を参照にすればより良く理解できる。図面中の部品は必ずしも同一縮尺ではなく、むしろ本発明の原理を明示する際には強調が行われている。さらに図面では、同様の参照番号が数枚の図すべてで対応の部品を必要とするわけではない。実施例は図面に関連して開示されているが、開示された実施例に開示内容を制限する意図はない。逆に、意図しているのは、すべての代替例、変形例、均等物をすべて有することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
同様の参照番号が数枚の図を通して同様の要素を指す図をより詳しく参照すると、本開示のデバイスおよびプロセスの実施例が図１〜１４に図示されている。
【００３６】
概して、対向電極を採用して二つの力分布を伴うデバイスおよびプロセスが開示される。電極の間の主な静電気引力分布は、電極内の電荷によって発生される。印加される磁界分布と組み合わされた電極内の電流分布により、同等で反対向きの反発力分布が発生する。対向面において電極の安定して平衡な分離状態を確立するように、二つの力分布は同時に作用する。
【００３７】
図１は、本開示の一実施例を示す。電極１は、可撓性金属箔つまりポリイミドなどのプラスチック膜または基板に取り付けられた金属箔である。プラスチック基板は、静電気力および電磁力によって生じる反復的動作の後での金属箔が割れたり、折れたり、破損するのを防止するのに役立つ。電極１のプラスチック基板または電気的性質は、平衡中の振動つまり動作の不安定性を回避するようにも作用する。電極２は、導電材料で製作されるか被覆される永久磁石である。形状の一例では、電極２は矩形ブロックである。両電極は相互に対向する表面が研磨される。デバイスが熱エネルギーの変換に使用される場合には熱源３０が存在し、デバイスが冷凍装置として使用される場合には冷却される物体である。デバイスが冷凍装置として使用される場合には電源１０が存在し、デバイスが熱変換発電機として使用される場合にはさらに電気負荷である。デバイスが作動中でない時（つまりデバイスが作動停止している間）に電極１の先端６の非導電性当接点となるように、絶縁層４が存在する。さらに電極の一方は、デバイスが作動中でない時にもう一方の電極が当接する電極の間の所望の平衡間隔よりも薄い非導電性材料のコーティングを有する。電極２の頂部の層またはコーティング５は、電極２と電極１との間の電子トンネリングを容易にする低い仕事関数を持つように考案された材料である。コネクタ９ａ、９ｂおよびワイヤ８ａ、８ｂは回路を完成させる。室２０は、対向する電極１、２の間の範囲を真空または不活性ガスで密封して、電極の一方から他方への熱伝達を最小にする。適当なガスにはアルゴンとヘリウムがある。可撓性電極１の広い方の端部は室２０の支持構造に固定され、電力が切られると電極１は絶縁層または膜４と先端６で当接する。
【００３８】
図１ａは、電極１に流れる電流（Ｉ）と、電極２内に永久磁石が存在することによって発生する磁界（Ｂ）と、ＩとＢとの相互作用から生じる力Ｆとの方向状態を示す。力Ｆは電極１のあらゆる点で垂直上向き方向に作用し、電極１を電極２へ下方に引っ張る静電引力と対向して均衡を保つ。
【００３９】
図１ｂは電極２の代替構成を示す。ここでは、材料の表面は頂部５のアレイによってパターンニングされている。これらの頂部の領域での電磁界のため、頂部の幾何学形状は電極２からの電子放出を盛んにする。これらの頂部は、研磨後の電極２の表面の意図的または非意図的な粗さによって自然に発生するものであってもよい。
【００４０】
図１のデバイスはまた、電源オフ、平衡状態あるいは電源オフから平衡状態への移行中あるいは平衡状態から電源オフへの移行中に、デバイスの動作を助ける付加力発生・変更機構またはシステムを有する。例えばこれらの機構は、平衡当接位置の周囲で電極１の振動を防止するように、システムの減衰を行う。これらの付加力は機械的、磁気的、電気機械的、電磁気的に、または主な静電気および磁気平衡力の大きさの過不足を補う他の方法によって発生されてよい。
【００４１】
可撓性電極１の材料は、導電性金属、半導体材料、層状ガラス／金属あるいは層状金属／プラスチックであってよい。導電性金属の例としては、金、銀、アルミニウム、銅がある。半導体材料の例としては、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素がある。導電性金属または半導体材料は任意で、金属がそれ自体で充分に可撓性でない場合に金属に可撓性を追加するガラス、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ポリアクリルあるいはポリオレフィンなどの材料に取り付けられるか、この材料と層状に組み合わされてもよい。
【００４２】
電極２の永久磁石は電極に設けられるかその一部であってもよい。典型的実施例において、永久磁石は鉄、コバルト、ニッケル、ネオジムあるいはアルミニウムと組み合わされた導電性の強磁性材料を有してもよい。あるいは永久磁石は、導電性材料で被覆された一つ以上の非導電性の強磁性材料を有してもよい。非導電性の強磁性材料の例としては、フェライト、バリウムフェライト、バインダで密封された鉄酸化物粒子がある。
【００４３】
電極２上の層またはコーティング５は、低仕事関数材料、熱電気感知材料、共鳴トンネル材料、電界強化テクスチュア、またはこれらの組合せであってよい。低仕事関数材料の典型的実施例には、層状のアルカリ金属、アルカリ金属の合金、酸化物、ダイアモンド膜などのダイアモンド、ナノチューブ、またはその他の組合せがある。表面粗さまたはパターンニングから生じる頂部および谷部の集合体（例えば図１ｂに図示されたような）は電界を強化して、電極２からの電子放出を向上させる。最後に、共鳴トンネリングを達成するように構成された半導体層も電子放出を向上させる。典型的な半導体材料としては、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素がある。典型的な熱電気感知材料としては、様々なドーピングのテルル化ビスマスがある。
【００４４】
図１の層５の低仕事関数材料または図１ｂの強化材料５’は、例えば、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ），カルシウム（Ｃａ）、リチウム（Ｌｉ）およびその組合せまたは酸化物であってよい。このような材料は放出電極２の仕事関数を４〜５ｅＶから１．１ｅＶ以下まで低下させることが分かっている。この他の低仕事関数材料には、トリウム（Ｔｈ）、金属被覆酸化物、シリコンがある。ここに言及されていない他の材料も低仕事関数を達成することができ、このような材料層の追加は本発明の自明な拡大である。例えば、電子トンネリングを促進するための異なるタイプの層、ワイドギャップ半導体層がＫｏｒｏｔｋｏｖによって提案されている。非特許文献８を参照すること。ここでは、厚さが注意深く制御された薄い酸化物層が電子を共鳴条件まで励起させる、それにより、高温電子が真空へ放出されるのを助ける。また図１の層５および図１ｂの５’は、放出を最大化して仕事関数を最小にするためのカーボンナノチューブのアレイまたは同様の構成でもよい。絶縁層４材料はガラス、ポリイミド、他のプラスチックを含む。
【００４５】
図１の電子の流れと本発明の独自性について、以下に説明する。自由電子は電源または電気負荷１０から放出電極２へ流れる。電極２から電極１へ放出される自由電子は、電極２から熱を取り除くことができる高温電子となるように本設計によって選択される。本発明の一面は、図１ａに方向が示された磁界Ｂの存在下において、自由電子が電極内１で図１の左から右へ流れることである。この自由電子の流方向は印加される磁界と組み合わされて、静電気引力と均衡を保ち広い範囲にわたって電極１と電極２との間に一定で所望の分離を達成する、図１ａに方向が示された反発力を発生させる。
【００４６】
図２は、電子流の方向を指す矢印を伴った、断面７を示す図１の電極１の典型的実施例の概略上面図である。断面７は、断面７の長さで分割された７の左側の電極表面のすべてによってピックアップされる集合トンネル電流に等しい電流密度を持つ。トンネル電流は７の左側のトンネリング作用の範囲に比例すると予測されるので、断面７の長さは、左側の電極表面の範囲の増大に比例して適切に大きくなる。そのため、電極１の境界線３は指数関数を描く。こうして可撓性電極１の表面の幅は、先端６から反対端部まで指数関数的に広くなっている。指数関数は、積分点までそれとＸ軸とによって囲まれる範囲と数学的に等しい。境界線３が描く関数は、電極１内の経路長による電気抵抗など、電流密度の他の変化も補正できる。また場合によっては、製造を容易にするため三角形電極１によって設計を準最適化することができる。
【００４７】
図２ａは、図２に示された電極１の切除部分の底側の概略図である。電極２に面する底面で電極１がどのようにパターンニングされているかを図示したものである。パターンにより、（隆起表面ｘの総面積Ｘにより定義される）トンネリング面積は、電流の流れに利用可能な総面積Ｙと異なっている。このようにして電極１をパターンニングすることで、総面積Ｙが広くなり、ゆえに集合電流が流れるように電気抵抗損失および熱発生損失が低くなる。同時に、電極２に近い範囲を最小化し、これが、電極を所望の位置に配置するために超えられなければならない静電気力を低下させる。電極１のパターンニングの同じ作用は、研磨後の意図的または非意図的な表面粗さによっても達成できる。断続的隆起セグメント４は、電極１を支持して、デバイスが作動した時に電極１の箔材料が電極２へとひだ状になった際に短絡を防止する薄い絶縁層である。
【００４８】
図３は、より小型のパッケージを実現できる本開示の別の実施例を示す概略図である。ここで電極２は、中心から径方向外側へ発散する磁化方向を持つ円筒形永久磁石である。この時に電極１は、一回転ごとに幅が指数的に増大する指数螺旋の形状を取る。あるいは、製造を容易にするため指数螺旋形状に一層簡単に類似させた線形増加螺旋形状を電極１が持ってもよい。電極１は螺旋形状を持つため、電流は接線方向に流れる。電極１上の力は垂直方向に作用して、図１で達成されたものと類似した静電気引力と平衡を保つ反発力を提供する。図１のように一つの長い寸法にわたって総トンネル範囲が広がる必要がないため、電極１の螺旋形状によってこの実施例は一層小型の設計である。径方向の磁性（デバイスの中心から径方向の磁界を測定）を持つ円筒形磁石は、ラウドスピーカの構築では一般的であるので、業界で普通に入手できる。この実施例の残りの部品は図１と同じである。
【００４９】
図１と３の実施例に加えて、均一な反発力を達成するため特殊形状の電極を一つ使用する、本発明の他の自明な実施例が多く存在する。図４は、このような他の実施例の概略図である。電極の幅の変化の代わりに、磁界の変化を用いている。例えば図４では、トンネル範囲でより多くの電流が利用可能であるので、電極１の電流密度は左から右へ上昇する。電極１にわたって均一な力を達成するには、より高い電流密度が得られると必要な磁界強度は低くなるため、磁界は左から右へ低下する。こうして、一定の力を達成するように、可撓性電極１の電流密度に逆比例して磁界強度が変化する。磁界を左から右へ低下させる方法の一つは、電極２に設けられる永久磁石材料２３の奥行を変化させて、銅またはアルミニウムのような非磁化材料２４の量を増加することである。
【００５０】
図５は、図１から４においてトンネル範囲で二つの電極間に一定の間隔を設けるため力がどのように相互作用するかを示すグラフである。Ｙ軸４０は力であり、Ｘ軸４１は電極の間の間隔ギャップ幅または分離距離である。曲線４３は、電極１と電極２との間の静電気引力を示す。曲線４３で示される力は、間隔ギャップ４１の二乗に逆比例している。曲線４６は、磁界の存在下で流れるトンネル電流によって発生する、二つの電極間の反発力を示す。この電流は、トンネリングが発生するのに充分なほど分離が狭くなるまでゼロに近づく。次に、間隔がさらに減少すると非常に急激に上昇する。トンネリング開始分離点４２と完全な伝導分離点４４との位置は、使用されるプロセス条件に左右される。Ｈｉｓｈｉｎｕｍａによれば、例えば、印加電位が０．１〜２．０ボルトのデバイスではトンネリングの開始分離点４２はおよそ２０ナノメートルであり、基本的に完全な伝導点４４はおよそ１ナノメートルである。前記の非特許文献１、非特許文献3を参照すること。引力と反発力とは点４５で等しい。これは、デバイスが安定平衡位置になった分離状態である。デバイスへの何らかの干渉によって分離状態が点４５より大きくなった場合には、引力４３が反発力４６に打ち勝って、平衡点４５へ戻ろうとする傾向が生じる。同様に、分離状態を点４５より下げようとする何らかの干渉が加わると、反発力４６が引力４３に打ち勝って、デバイスを再び平衡点４５へ戻す。
【００５１】
前述した電極構成に加えて、電極は周期的間隔を持つ多数の層で配置されてもよい。加えて、高レベルのエネルギー変換を達成するため、デバイスのマルチユニットが直列、並列あるいは並列と直列で組み立てられてもよい。
【００５２】
動作時には、安定した離間状態の平衡位置に電極を配置するように、可撓性電極１の電流分布つまり密度と対向電極２の磁界との強度が調節される。一実施例において、熱を電気エネルギーに変換する際に、または電子トンネリングまたは熱電子による電子移動、電子トンネリングおよび熱電子原理の組合せを用いて冷却するのに本開示のデバイスが使用される時には、一方の電極に可撓性金属箔を用いて１ナノメートルから２０ナノメートルの範囲の安定した離間状態の平衡位置に対向電極を配置するように、電極１の電流密度つまり分布と電極２の磁界との強度が調節される。別の実施例において、熱電子移動による冷却または発電への熱変換に本開示のデバイスが使用される時には、一方または両方の電極の基板としてシリコンウェハを用いて、１ナノメートルから２０ナノメートルの範囲の安定した離間状態の平衡位置に対向電極を配置するように、電極１の電流密度つまり分布と電極２の磁界との強度が調節される。
【００５３】
本開示のデバイスは、冷却または電気エネルギーに熱を変換するプロセスに使用することができる。熱源は、太陽放射、環境からの熱、地熱エネルギー、エンジン、または人体からの熱などだがこれに限定されることのない動物代謝などの放射源でよい。熱源はまた、運転中の電機、蒸気、内燃エンジンからのものであってもいいし、薪ストーブ、石炭ストーブ、他のタイプのストーブなどのストーブなどで燃料を燃やすことによるものであるか、その排気ガスであってよい。熱源が、例えば運転中の内燃エンジンまたはその排気ガスからである時、本デバイスはヒートシンクとしてエンジンまたはガス排気管に組み込まれてよい。燃焼のための燃料は、木材、天然ガス、石炭、他の燃焼性燃料でよい。変換されたエネルギーは、バッテリなどに蓄積されるか、携帯電話、コードレス電話あるいは前述した他の製品などのハンドヘルド電気機器に電力供給するために送られる。
【００５４】
冷凍装置として作動している時の本開示のデバイスの動作について、これから説明する。再び図１を参照すると、ゼロから上昇する電圧が、電源１０により電極１と電極２との間に印加される。この電圧の結果、電極１の先端６を電極２の表面へ引っ張る静電気力が生じる。電圧が徐々に上昇するにつれて、先端６から始まって丸くなるように可撓性電極１は電極２の表面へと下向きに屈曲する。トンネル電流が電極２から電極１へ上向きに流れ始めるほど電極１が電極２に接近するまで、この屈曲は続く。このトンネル電流は、いったん電極１に達すると、コネクタ９に向かって電極１内を右へ水平に流れる。この電流は図１ａのＩ方向に流れて、付近の電極２の永久磁石によって発生される磁界はＢ方向であるため、電極１を上向きに押すように力が作用する。電源１０からの電圧が上昇し続ける限り、電極１は平坦となり、電極２の表面と輪郭が一致する。静電気力は二つの電極表面を相互に引き合うように作用し、電極１の電流からの対向力は、二つの電極が所望の間隔よりも接近することを防止する。
【００５５】
発電デバイスとしての本発明のデバイスの動作は、高温である電極２の高エネルギー状態から低温である電極１の低エネルギー状態へ移動する「高温電子」を熱源３０が発生させることを除いて類似している。電極の間に電流を発生させるのは、この、一つのエネルギー状態から別のエネルギー状態への電子の移動である。電気負荷１０は、こうして発生された電気エネルギーのシンクとなる。
【００５６】
冷凍動作では、電極２から高温電子を引き出してこれを冷却するように、電源からの電気エネルギーが使用される。発電機として作動している時には、熱源３０は電源へ電子を送るのに使用される。
【００５７】
（実施例）発明者および前述した科学者達によって得られた実験データおよび測定値と組み合わせた物理学の基本的原理に基づく以下の例によって、本発明をさらに例示する。これらの例は、（１）本開示のデバイスは業界で一般的な寸法およびプロセスを用いて設計および構築でき、（２）発生量の決められた力によって、結果的に所望の電極分離が得られ、（３）本発明のデバイスの電気的性質は、変換された電気エネルギーを効果的に運搬および伝達できることを示している。例は、電極分離が２０ナノメートル未満である熱トンネル変換器と、電極分離が約１００ナノメートルである熱光起電変換器について、本発明のデバイスの前記三つの属性を明らかにする。
【実施例１】
【００５８】
熱トンネル変換器について、図１、２、３において以下の寸法を検討する。
【００５９】
対向電極の総重複トンネル面積は、１平方センチメートルまたは１０−４平方メートルである。可撓性電極１の長さＬは２センチメートル、最大幅Ｗは１センチメートルである。長さＬと幅Ｗとは図３でも同様に定義されるが、電極１は、図１の直線形状と比較して、螺旋形に巻かれている。総トンネル面積Ｘ（すべてのｘの合計）が総表面積Ｙの１０分の１、つまり１０−５平方メートルとなるように、電極１の対向面は表面パターンニングされるか表面粗さを持つ。電極２に使用される永久磁石材料は、１．２テスラの磁界強度Ｂを持つ。電極間の電圧Ｖは０．１５ボルトである。電極１と２の間の真空または認可不活性ガスの誘電率εは８．８×１０−１２ファラド／メートルに等しい。可撓性電極１の抵抗率γは、銅のそれに近い、つまり１．７×１０−８オーム‐メートルである。上方コネクタ９ａから他の下方コネクタ９ｂへの電子経路の抵抗は、回路の残部と比較して薄く可撓性を持つ必要があるために電極１に充分に集中すると推定される。可撓性電極１の厚さｔは２０ミクロンであり、そのため箔材料である。
【００６０】
静電気引力Ｆｅの式は１／２εＸＶ２／ｄ２であり、ｄは電極間の分離である。磁気反発力Ｆｍの式はＩＬＢで、Ｉは電流であり、Ｌは電極１における電流の有効平均長である。
【００６１】
分離関数としてのトンネル電流Ｉは、Ｈｉｓｈｉｎｕｍａのグラフから得られ、１．０ｅＶという図１のコーティング５の仕事関数と、３００ケルビン度の動作温度を持つ。前記の非特許文献１、非特許文献３を参照すること。
【００６２】
図６には、Ｙ軸上に対数目盛と、Ｘ軸上に算術目盛による電極分離ギャップｄが示された、上に挙げた値についての力関数ＦｍとＦｅが図示されている。量がすべて決定された時のみ、この図から図５のようなグラフが得られる。安定平衡点４５は２．０ナノメートルに近く、Ｈｉｓｈｉｎｕｍａによれば、これは２０アンペアのトンネル電流を達成するのに望ましい間隔範囲である。前記の非特許文献3を参照すること。干渉によって間隔ギャップが安定平衡状態からいずれかの方向にシフトしようとする際には、復元力は０．２ニュートンより大きく、これは可撓性電極の曲げ抵抗を克服するのに充分であって、これを平衡位置へ押し戻す。
【００６３】
放出電極が室温、電流が２０アンペア、電圧が０．１５ボルトであると、デバイスは１６ワットの発電能力と冷凍能力のうちいずれかを達成し、前記の非特許文献3に記載されているように、これは、この例で使用される０．８のペルティエ係数を電流（Ｉ）に掛けたものとして計算される。可撓性電極におけるこの電流の流れで損失する抵抗力はＩ２ｒＬ／ｔｗである。前述した値では、オーム電力損失は１．０ワットと計算され、これは、電力損失と加熱源電極１の両方として処理可能であると推定される。電極２から電極１への熱伝達は放射、対流、伝導によっても行われるが、アルゴンガスのレベルが０．０６ｍｍＨｇまで発明のデバイスの室が真空化された時には１．３ワット以下であると推定される。最後に、前記の非特許文献3に記載されているように、電極２で発生する電気熱が存在し、この例では電圧Ｖに電流Ｉを掛けたものに等しい、つまり約３．０ワットである。１６ワットの変換エネルギーからの残りの利用可能エネルギーは１０．７ワットである。これは、計算された６７パーセントの効率に相当する。
【００６４】
そのため、確立された電磁気理論に基づく本デバイスのシステムレベル特徴によって、高い効率を持つ熱トンネル変換器に実践活用するための実施可能な設計および手段をサポートできることが分かった。
【実施例２】
【００６５】
本発明の多面性を示す別の例は、材料の選択にある。例１で説明したように、好適な実施例は一方の電極として金属箔を含む。別の実施例では、可撓性電極として単結晶シリコンを使用してもよい。シリコンは通常は可撓性材料と見なされないが、業界では普通、１平方センチメートルの表面において０．５ナノメートルの粗さと１マイクロメートルの平坦度とを持つように製造される。シリコンはヤング率で測定すると金属箔よりもはるかに剛性が高いが、理想的な平坦度を達成するには非常にわずかな屈曲しか必要としないことがその平坦度から分かる。本発明によって発生される力は、シリコンウェハを完全に平坦にするのに必要な１ミクロンだけ、シリコンウェハを屈曲できることが分かっている。全般的に、可撓性電極または両電極の基材としてシリコンを用いるといくつかの長所が得られる。（１）シリコンウェハは低コストで容易に入手できる。（２）シリコンウェハは望ましい粗さと平坦度の特徴を持っている。（３）低仕事関数材料または材料のパターンをシリコンに追加することは、業界では容易かつ頻繁に実施されている。（４）シリコンの抵抗率により、可撓性電極が本発明の他の電極と接触またはほぼ接触する間、可撓性電極の速すぎる反応を防止する。（５）所望するシリコンの抵抗率は、業界ではやはりよく見られる慣行であるドーピングによって任意で制御できる。本発明の設計は全般的に、半導体業界で普通に入手される材料およびプロセスにより行われる。
【００６６】
可撓性電極としてシリコンを用いる本発明の例を説明するため、図８を検討する。ここで電極１は、箔裏材６２とシリコン基板６５とからなる。図８の電極１の形状は三角形で、例１で説明した最適な指数形状に近い。シリコン基板６５は標準的なウェハから切り取られて、導電性接着剤を用いて電極１の箔裏材６２に接合されてよい。図８の電極２’は図１の電極２のような構造を持つが、ただ磁石は示されておらず、別々に配置されるものとする。磁石を電極２’から分離することにより、図８の電極１と同じ材料およびプロセスを用いて図８の電極２’を構成することが可能である。矢印６１は、方向性を持つ電子の流れを指す。箔裏材はシリコンよりもはるかに高い導電性を持つため、電子は抵抗の最も少ない経路を通る。ゆえに、電子は伝導により電極２’の箔裏材を右から左へ流れてから、矢印部分６７によって示されているように電極２’のシリコン基板を通って垂直に流れ、そして電子は、矢印部分６６で示されているように真空中で電極２’の表面６４から電極１へトンネリングまたは熱電子放出を介して流れる。電子が電極１に到達すると、矢印部分６５で示されたようにシリコン基板を通って垂直に流れ、最後に電極１の箔裏材６２に達する。次に、電極１の箔裏材６２を左から右へ、抵抗の非常に低い経路を通る。矢印６１で方向が示された電子の流れは、図８には示されていない付近の永久磁石の磁界と相互作用を行う。
【００６７】
この例では、シリコンの合計厚さｔｓはウェハあたり０．５ミリメートルまたは０．２５ミリメートルであり、これは業界で標準的な厚さである。シリコン材料は０．０２オーム‐ｃｍの抵抗率ｒｓを有するようにドーピングされ、これも一般的な慣行である。シリコンのヤング率Ｅｓは４７ギガパスカルつまり４．７×１０１０パスカルであることが知られている。シリコンウェハは、業界では表面粗さが０．５ナノメートルとなるまで研磨されるのが普通であり、横寸法が１センチメートルのウェハでは１．０ミクロンの表面平坦度ｄｘを達成する。
【００６８】
図７は、図６と比較した、力に対するシリコンの作用を示す。ギャップが非常に狭くなるので、静磁気力は０．６ニュートンに抑えられる。シリコンの抵抗は、電流、ひいては静磁気反発力を制限する。また、ギャップが非常に狭いと、すべての供給電圧においてシリコンの低下を発生させてギャップにはゼロ電圧が現れ、これは非常に狭いギャップ間隔では静電気引力がゼロであることを意味する。
【００６９】
これらの作用を量的に表すため、供給電圧Ｖをシリコン抵抗で割ったものでありｒｓｔｓ／Ｌｗに等しい、本システムで流れる最大電流を検討する。例１の印加電圧、電極の長さと幅では、シリコンが存在すると最大電流は約５０アンペアである。さらに、電流がこの５０アンペアレベルに近づくと、供給電圧はすべてシリコンで低下し、電極の対向面では電圧差が得られない。
【００７０】
図７における復元差異力は比較的大きい。図によれば、所望の分離から０．１ナノメートルの差異があると、０．０５ニュートンを超える復元力が発生する。これから計算するように、この復元力は、電極１を平坦化するのに必要な曲げ力よりもはるかに大きく、電極２との平行状態を達成するのに必要な曲げ力よりもはるかに大きい。
【００７１】
電極１の１ミクロンの波形を平坦にするには、４０ｄｘＥｓｗｔｓ３／１２Ｌ３の力が必要である。この力は０．００３ニュートンであると計算される。電極１と電極２とが対向する波形を持つ場合には、必要な力はこの量の２倍つまり０．００６ニュートンであって、所望のギャップの０．１ナノメータ以内にギャップを維持するのに利用可能な０．０５ニュートンの復元力よりもはるかに小さい。
【００７２】
以下の理由から、シリコン電極材料による図７の力特徴は、金属箔材料による図６のものよりも望ましい。（１）シリコンが存在する場合の力は、純金属電極の場合のようにシステムを損傷するか不安定にする可能性のある振動または突然の動きを発生させるほど大きくない。（２）シリコンウェハの平坦度は金属箔よりも高いので、所望の動作点のさらに近くでシステムが始動できる。（３）シリコンの抵抗は、結果的に、高温および電極材料への蒸発ダメージという結果を生む、狭い局所的範囲での電流の大量発生を防止する。（４）シリコンの剛性は、材料の移動量を減少させて長時間にわたってギャップを維持し、疲労、割れ、変形の危険性を低下させる。（５）シリコンの高い剛性と平坦度によって、局所的変動が存在してもギャップを確実に維持して、指数形状、電極厚さの均一性、材料および設計の他のパラメータ変動の精度をあまり必要としなくなる。
【実施例３】
【００７３】
図９ａは、熱光起電と呼ばれる別のタイプのエネルギー変換の場合にこのデバイスがどのように使用できるかについての別の例を示す。この例では、熱源７１が、光線の波長よりも狭いギャップ７４を超えて感光性材料７５へ、７２で示された光線を光電子放出材料７３に放射させ、感光性材料は矢印７６で示された電流を発生させる。この例では、光電子放出材料７３はタングステンなどであってよい。感光性材料７５はシリコン、セレニウム、ガリウム、ヒ素、インジウムあるいはこれらの組合せまたは合金であってよい。ギャップ７４に必要な長さは一般的に、近接場光学条件を達成するため、光電子放出材料７３により放出される最小波長より短い、つまり約１００ナノメートルである。この場合の光電子放出電極７３は剛性かつ平坦であって、ギャップ側が研磨されている。感光性電極７５は、平坦化されて約１００ナノメートルの非常に均一なギャップを形成するのに充分な可撓性を持つ。
【００７４】
図９ｂは、本発明の熱光起電実行例において安定したギャップを形成できる力のグラフを示す。これらの距離では静電気力は非常に小さくて重要ではないため、二つの電極の間に引力を生じさせるようにばね力または同様の外力がこれにとって換わってもよい。ばね力は、ギャップ分離と相関した直線状の大きさを持つ。図９には図示されていない磁界の存在下で流れる矢印７６で描かれた電流により、均衡を保つ反発力が前の例のように発生する。この電流は、電極７３から放出された光子を受け取る感光性材料によって発生されるが、さもなければ、前の例で説明したように均一なギャップ分離を設けてこれを維持するように作用する。図９ｂの反発力４６’は熱光起電電流に比例し、その作用と分離状態は、前記の非特許文献５から導出された。
【実施例４】
【００７５】
図１０ａ〜１０ｃは、図８または図９の設計がどのように組み立てられるかを示し、多数のデバイスが電気的には直列に、熱的には並列に接続されている。さらに図１０ａ〜１０ｃは、半導体業界で広く使用されている製造技術を用いて多数のこれらデバイスをどのようにスケールアップするかを示している。図１０ａは、多数のデバイスの片側を保持するベース基板８２を示す。この基板８２は、デバイスが熱トンネル冷却装置として作動する時には冷却され、または熱‐電気変換器として作動する時には加熱され、デバイスが熱光起電変換器として作動する時には放射を行う。図１０ｂは、基板８２に多数のデバイスを製造するために形成される膜積層体の側面図を示す。基板８２は、シリコン、シリコンカーバイド、アルミニウム、ガリウムヒ素あるいは業界で一般的に使用される類似の基板材料で製作される。層８８は、第１金属層８３を基板層８２から電気的に絶縁するが熱伝導は可能である酸化物または類似の膜である。第１金属層８３は、熱トンネル動作のために電流を伝えるため、または熱光起電動作のために熱を伝えるため、伝導率が高く比較的厚い層である。層８３は例えば銅でも、またはアルミニウムなどのより安価な金属でもよい。ギャップ層８４は、ギャップとの境界に最も適した金属または他の膜である。熱トンネルの場合には、金は不活性金属であるので、酸化および汚染から保護するためこの層８４は金である。熱光起電動作の場合には、ギャップを横断する光子へ熱が最大に変換されるように、ギャップ層８４はタングステンまたは光電子放射性の高い他の材料であってよい。層８５は、層８３、８４、８４’、８３’による膜積層体が形成された後に除去される犠牲層である。犠牲層により、第２電極を含む追加膜が構造に設けられる。犠牲層８５を除去した後、前に説明した図５、６、７、９ｂの力均衡により、層８４と８４’との間にギャップが形成される。層８４’は、ギャップからエネルギーを受け取り、汚染または酸化から層８３’を保護するのに最適となる。熱トンネル動作の場合には、層８４’は金で製作されてよい。熱光起電動作の場合には、層８４’は図９ａに材料７５として説明された感光性材料であってよい。層８３’はデバイスから電流を運ぶ通電層であり、その材料は銅またはアルミニウムであってよい。半導体加工を用いて図１０ｂに示され膜積層体が形成されると、図１０ｃに見られるように直列電気接続が行われる。この場合、電気接続は、ワイヤおよびワイヤボンド８６を用いて頂部電極から隣接基板電極まで設けられる。ワイヤ８９は、多数のデバイスへの電気入力および出力となる。犠牲層８５は、処理液体、気体を用いて、または熱で溶解または蒸発させることにより除去される材料で製作されてよい。
【００７６】
図８、９ａ、１０ｃに示されたように一対のデバイスが形成されると、例えば図１１ａに図示されたような熱交換器パッケージに挿入できる。ここで電極対または電極対のアレイ９２は、一つのフィン９３から対応のフィン９３’へ熱を移動させる。フィン９３はすべて第１熱板９０に物理的に接続され、対応のフィン９３’はすべて第２熱板９０’に物理的に接続されている。小さな高温側９３と小さな低温側９３’とをそれぞれ集合させることにより、熱板９０，９０’は、熱トンネルまたは熱光起電動作のための高温側および低温側となる。熱板９０，９０’は、銅、アルミニウムあるいはシリコンなどの熱伝導性の高い材料から製作される。矩形管９１は密封容器の壁となり、ガラス、テフロン（登録商標）、ポリイミドあるいは充分な圧縮強度を持つ同様の材料など、熱伝導性の低い材料で製作される。熱伝導性が低いと、高温および低温のプレート９０，９０’を断熱してシステムの有効性を高めることができる。プレート９０，９０’が管壁９１と適合していない熱膨張特性を持つ場合には、バイトン、テフロン（登録商標）など軟質の真空対応ゴム、ポリイミド、またはこのようなタイプのシールのため業界でＯリングを製作するのに使用される同様の材料で境界材料９５が製作されてよい。熱板材料９０，９０’と管壁材料９１との熱膨張特性がほぼ等しい場合には、境界材料９５はガラスフリット、エポキシ、はんだ、溶接などの硬質接合材料でよい。図１１ｂは、熱交換器パッケージ１１ａを囲繞して、図１１ａの電極対９２にギャップを形成するのに必要な磁界を供給する磁石構造をどのようにして構築するかを示している。永久磁石１０１は磁気透過性材料１００の矩形リング内に固定される。鉄、コバルト、ニッケル、ネオジム、ホウ素、アルミニウムの合金など、磁石に使用される標準的な材料から永久磁石１０１が製作されてよい。一般的にこの合金は細かい粒子に焼結されてから、磁化された時に高い残留磁性を達成するように結合剤で所望の形状に固められる。永久磁石１０１によって得られる磁気透過性および磁界を最大にするため、矩形リング１００は変圧器で使用されるのと同じ鋼で製作される。このような材料は、鉄分の多い鋼、その他、例えば鉄、コバルト、ニッケル、クロム、プラチナの合金であってよい。
【００７７】
図１３は、熱交換器のアレイを収容するため磁石アセンブリがどのようにしてスケールアップされるかを示す。磁気透過性材料１１０が、図８、９ａ、１０ｃ、１１ａに見られるデバイスを挿入するための空隙のアレイを持つ格子構造に構成されている。永久磁石１０１が各セルに挿入されると、磁石の間に磁界が発生する。
【００７８】
超小型製造プロセスでは、図１３の磁石アレイは図１０ｃの基板の頂部に構築され、図１０ｃの電極対が図１３の磁石アレイの空隙に収容されるように構成されてよい。この場合の小型化では、蒸着、スパッタリング、めっきなど標準的なプロセスを用いて、図１０ｂの電極膜の構造と類似した基板に、直接、前述した材料の金属膜として永久磁石１０１と透過性材料１１０とを成長させてよい。
【００７９】
図１４は、図８、１０ｃ、１１ａのデバイスが熱から電気への熱トンネル変換器として作動する時に必要とされるかもしれない付加的電気回路を示す。この発明のデバイス１２０では、ギャップ形成を行うため電流が流れる必要があるため、電流が流れる前にはギャップは存在していない。図１４では、外部電源１２２はデバイス１２０にギャップを形成するのに使用される電流を供給する。ギャップが形成されて一つの電極に熱が印加されると、他方の電極に対して温度差が発生する。この温度差が存在すると、高温電子の熱トンネル電流が流れ始め、付加的な電流を発生させる。熱トンネル電流が流れると、前述したように、それだけでデバイス１２０のギャップを維持できる。この時、外部電源１２２はもはや必要なく、スイッチ１２３によって切断される。ゆえに図１４の回路は、熱を電気負荷１２６のための電源へ熱トンネル変換するための開始回路である。熱源が取り除かれ、次に再配置されると必ず、スイッチ１２３が再び外部電源１２２を入れることができる。
【実施例５】
【００８０】
図１２ａは、真空環境が必要である時にマイクロ電気機械システム（ＭＥＭ）がどのように収納されるかに類似した、本デバイスの電極を収納する別の例を示す。上下の熱板１３０はシリコンで製作され、標準的なシリコンウェハから切り取られる。シリコンは熱伝導率が高く、ゆえにこのデバイスの熱経路に充分に適している。パッケージ１３２の壁は、熱伝導率が低いがシリコン熱プレート１３０のものと近い熱膨張係数を持つガラスで製作される。ガラスとシリコンとは熱膨張特性が類似しているため、１３０と１３１との間に周知のガラスフリット接合方法を使用することが可能である。ガラスフリット接合は、一般的に２枚のガラスを一緒に接合するのに使用されるが、空気に露出されたシリコン表面には、当然、ガラス二酸化ケイ素層が形成されるので、ガラスをシリコンに接合するのにも使用できる。その結果、真空の圧力にも容易に耐える、非常に硬質で密閉されたシールがガラスとシリコンとの間に形成される。ＭＥＭ産業では同様の真空パッケージが加速度計、発振器、高周波数スイッチに使用される。台座層１３１もシリコン製で、熱板１３４に接合されてよい。上下の熱板１３０の上の金属層１３４は、電球および他の真空製品の寿命を制限する貫通孔や他の機構を必要とせずにパッケージ内部の電極に電気接続を行うのに使用される。
【００８１】
図１２ｂは、図１２ａの真空パッケージ内に電極がどのように設けられるかを示している。電極対１４５は図８、９ａ、１０ｃに対応する。熱境界材料１４１は、各電極とパッケージの外側との間で熱を伝え、動作中に電極が動くようにするための軟質層となる。熱境界材料１４１の例としては、Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのギャップパッド、Ａｐｉｅｚｏｎ  あるいは  Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌの真空グリース、ＭＥＲ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのカーボンナノチューブ複合体および混合物、あるいは熱伝導性粒子と混合された他の軟質材料がある。接合材料１４３はガラス壁をシリコン熱板に接合し、この材料の例としてはエポキシおよびガラスフリットがある。ワイヤ１４４は、電極の基部を上下の板に接続する。ワイヤの材料の例としては、銅、アルミニウム、その他の導電性材料で製作された平坦な箔または円筒形ワイヤがある。銅層１３４により、抵抗性シリコン板１３０全体に広く電流が流れる。導電性を高めてパッケージへの電流の抵抗損失を最小にするため、シリコン板はホウ素、ヒ素、あるいは同様の元素でドーピングされる。ゲッターフィラメント１４０は、電球内のフィラメントと全く同様に、銅パッド１３４に電圧が印加されると高温になる。クロム酸セシウムなどの適当な材料がフィラメント１４０を被覆して、セシウム蒸気を真空パッケージへ放出させる。セシウム蒸気は、いったん放出されると以下の機能を行う。（１）パッケージ内に残った空気および他のガスと反応して固体を生成することにより、シール後にこれらの空気およびガスを排出する。（２）同様の反応によって、デバイスの寿命中ずっと、室へ漏出するガスを除去する。（３）電極１４５のギャップ対向面にセシウム単層またはサブ単層を自然に形成することにより、低仕事関数層を生成してギャップにおける電子の放出を助ける。
【００８２】
（その他の実施例）前記の基本例は、機能的な熱トンネルシステムが冷却または電力変換を達成するようにどのように設計されるかを示している。例１と２で使用されたパラメータの一つ以上を変更することによって、他の例を容易に設計できる。以下の変更のうち一つ以上によってギャップ距離を増大することができる。（１）磁界の増大、（２）電圧の低下、（３）電流の増大、（４）可撓性電極の長さの増大、（５）可撓性電極の面積の減少。反対の変更を行うことによってギャップ距離を減少することができる。
【００８３】
前述した特徴のうちいくつかは必要でないか、製造の複雑性を増すことなく達成できることに注意すべきである。ナノメートル次元より大きな機能的な熱トンネル変換器は業界では生産されていないため、大きなスケールでの実際の挙動は知られていない。例えば、再び図１ａ〜１ｂを参照すると、ギャップが若干小さい場合には低仕事関数層５は必要ないかもしれない。研磨後の表面粗さによって強化材料５’を簡単に設けることができるかもしれず、こうして、電子放出を向上させることが知られている頂部および谷部が自然に形成される。電極１、２の抵抗材料の選択によっては、当接先端６も不必要かもしれない。静電気力を低下させるためやはり頂部および谷部が設けられた図２ａの電極パターンニングも、研磨後の自然な表面粗さによって達成されるかもしれない。最後に、トンネルプロセスが空気ギャップで実験的に実証されているならば、真空室２０は必要ないかもしれない。加えて、より製造しやすい三角形によって電極１の指数形状に近づけることができる。これらの複雑な特徴（先端６、層５、強化材料５’、図２ａのパターンニング、電極１の湾曲形状、真空室２０）はすべて、最終生産で必要とされるかもしれないものを説明する上で完全を期すために本開示に含めたものである。
【００８４】
ここに開示したデバイスは、電極間に均一なギャップを必要とする電子業界の様々なタイプの電子接合部を製造する際に役立つ。例えば、高温側と低温側との間の断熱が不充分な熱電デバイスに本開示を採用できる。熱電積層体の上の真空間隔はより良好な断熱を行うので、本開示は、熱電子または熱トンネル方法とは無関係に、またはこれと組み合わせてこのギャップを設ける手段を提供する。
【００８５】
ここに開示したデバイスの製造の容易性についての最終的なコメントは、二つの非常に滑らかな表面が接近した時に生じる他の自然力についての説明に関わる。滑らかな表面を接近させることが知られている二つの引力は、カシミール力とファンデルワールス力である。これらの力は、電圧を印加する前に本発明の二つの電極を接近させるには充分に強いが、本発明の動作中には、説明したような静電気力と静磁気力との所望の相互作用および優位性に影響を与えるほど強力であるとは予測されない。しかし、これらのカシミール力およびファンデルワールス力は、印加電圧によりデバイスを作動させる前に二つの電極を確実に完全表面接触させる。この場合、本発明の動作は、二つの電極を数ナノメートルだけ分離させるのを必要とするだけである。これらのカシミール力およびファンデルワールス力はまた、図１の絶縁層４の必要性を回避するのに役立ち、本発明の設計をさらに単純化する。
【００８６】
高レベルのエネルギー変換を達成するため、または電源と電圧を一致させるため、またはその両方のために、このデバイスの多数のユニットを並列および直列に接続することができる。
【００８７】
（実験およびシミュレーションの結果）図８の電極構成は、箔裏材として銅を用いてマイクロエレクトロニクス実験室で組み立てられ、この電極対が図１１ｂに示されたような磁石構造の内側に配置された。温度に比例した電圧を発生させるため、各電極に熱電対が装着され、真空圧が１Ｅ‐３トルとなるようにポンプ排気された真空室に、装置全体が配置された。１．１アンペアの外部電源によって電極対が起動されると、３．０度の相対的温度差が二つの電極間で観察され、低温側は電子を放出している側であった。以下の動作のいずれかが行われた時に、この同じ相対的温度差が取り除かれたことが観察された。（１）真空を大気圧の窒素と置換すること、（２）外部電源を切ることによってチップを作動停止させること、（３）ギャップを形成する代わりに電極間の一定引力を増大させるように電流を逆転させること。これら三つの動作の各々が熱トンネリング作用を取り除いたと推定される。電極について観察された電気特性ばかりでなく、この装置の電気機械システムのコンピュータシミュレーションも、熱トンネリングギャップを良好に形成するこの設計と一致していた。
【００８８】
前述した本デバイスおよびプロセスの実施例、特に「好適な」実施例は、単なる可能な実行例であって、本発明の原理を明白に理解するために提示されたものに過ぎないことを強調しておく。ここに説明した自己配置電極の多様な実施例を、発明の趣旨および範囲から逸脱せずに設計および／または製作することができる。このような変形および変更は、すべて本開示の範囲に含まれ、前記の請求項によって保護されるものとする。そのため、本発明の範囲は添付請求項に支持されたものを除いて限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本開示の自己配置電極デバイスの一実施例を示す。
【図１ａ】図１のデバイスの電流、磁界、静磁気力の方向状態を示す。
【図１ｂ】図１のデバイスの電極２の代替実施例を示す。
【図２】図１のデバイスの電極１の概略上面図である。
【図２ａ】図２の電極の実施例の切除部分を示す底面斜視図である。
【図３】図１のデバイスの代替実施例を示す。
【図４】図１のデバイスのさらに別の実施例を示す。
【図５】図１〜４のデバイスにおける相互作用力を質的に示すグラフである。
【図６】研磨金属電極を用いる図１、３、４のデバイスにおける相互作用力を量的に示すグラフである。
【図７】研磨シリコン電極を用いる図１、３、４のデバイスにおける相互作用力を量的に示すグラフである。
【図８】シリコンウェハ材料から電極が製作される方法を示す図面である。
【図９ａ】熱光起電の用途に適した広いギャップを備える代替実施例を示す。
【図９ｂ】図９ａのデバイスにおける相互作用力を示す、図５と同様のグラフである。
【図１０ａ】半導体業界で一般的な加工技術を用いた、図８の多数の電極対が同時に組み立てられる大量生産のための方法を示す。
【図１０ｂ】半導体業界で一般的な加工技術を用いた、図８の多数の電極対が同時に組み立てられる大量生産のための方法を示す。
【図１０ｃ】半導体業界で一般的な加工技術を用いた、図８の多数の電極対が同時に組み立てられる大量生産のための方法を示す。
【図１１ａ】図８、９ａ、１０ｃの多数電極対が、高密度および高容量のデバイス機能を達成するため大型熱交換器に収納される様子を示す。
【図１１ｂ】図８、９ａ、１０ｃの多数電極対が、高密度および高容量のデバイス機能を達成するため大型熱交換器に収納される様子を示す。
【図１２ａ】業界で一般的なシリコン・ガラス・ガラスフリット真空密封および他の標準的な微小電気機械（ＭＥＭ）パッケージング技術を用いて、図８の電極対が収納される様子を示す。
【図１２ｂ】業界で一般的なシリコン・ガラス・ガラスフリット真空密封および他の標準的な微小電気機械（ＭＥＭ）パッケージング技術を用いて、図８の電極対が収納される様子を示す。
【図１３】図８、９ａ、１０ｃ、１１ａまたは１２ｂの小型デバイスから大型デバイスを製造するために磁気透過性格子に装着される永久磁石のアレイを示す。
【図１４】電気が発生する実施例において、熱エネルギーを印加する前に図８、１０ｃ、１１ａまたは１２ｂのデバイスにギャップを形成するのに使用できる開始電子回路の一例を示す。
【図１】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図２ａ】
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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９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年10月1日(2008.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向電極または電極アセンブリを含むデバイスにおいて、印加される磁界分布の存在下で該電極または電極アセンブリ内の電流分布により発生する該電極または電極アセンブリ内の引力分布および同等で反対の反発力分布が、該二つの電極の対向面において該電極の安定・平衡分離状態を確立するように同時に作用することを特徴とするデバイス。
【請求項２】
（ａ）前記対向電極の一方または両方が可撓性であること、
（ｂ）一つ以上の電極の表面が、低仕事関数材料、アルカリ金属、アルカリ金属の合金、酸化物、ダイアモンド、ナノチューブの層状または他の組合せ、セシウム、ナトリウム、カリウム、トリウム、金属被覆酸化物、ダイアモンド膜、シリコン、ゲルマニウム、カーボンナノチューブのアレイとナノメートル次元の酸化物粒子の集合体、熱電気感知材料、複数の頂部および谷部、半導体共鳴器、抵抗性の下層と低仕事関数の上層とを有する層状材料、あるいはこれらの組合せで製作されるか、被覆されるか、蒸着されること、
（ｃ）任意でばねまたはスポンジ材料の分布により形成されて前記磁気引力および反発力の大きさの過不足を補う、機械的、磁気的、静電気的、電気機械的、あるいは電磁気的に発生した力を含むこと、
（ｄ）いずれかの電極の平衡当接位置の周囲での該電極の振動を防止するための減衰システムを含むこと、
（ｅ）静電気力と電極抵抗損失とを同時に低下させるように、前記電極の一方以上が隆起および非隆起範囲によりパターンニングまたはラフニングされること、
（ｆ）一方の電極の一部分が、デバイスが通電停止している間に別の電極が当接する非導電性材料のコーティングを有すること、
（ｇ）前記電極が真空室に包囲されること、
（ｈ）不活性ガス、アルゴンまたは窒素が充填された室に前記電極が包囲されること、
（ｉ）前記対向電極の一方が螺旋形状に形成され、前記磁界がデバイスの中心から径方向に延在し、該螺旋形状が、幅が直線状に増大するか、幅が指数的に増大するものであること、
（ｊ）前記電極に接続された熱源を含むこと、
（ｋ）前記電極に接続された電源を含むこと、
（ｌ）前記電極の間に作用する均一な力分布を達成するため、一方または両方の電極で前記電流密度が上昇すると、前記磁界強度が同じ方向に低下し、磁気材料の近接度が、一方または両方の電極で電流密度が上昇する方向に低下すること、
（ｍ）前記電極が離間した多数の層で構成されること、
該（ａ）〜（ｍ）の内、１つまたはそれ以上を特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記電極の一方または両方が可撓性を有しており、
（ａ）前記可撓性電極が、導電性金属と層状金属／ガラスと層状金属／ガラス複合体と半導体材料とから選択される基材を含むこと、
（ｂ）前記可撓性電極が、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素から選択される基材、または任意でガラス、ポリイミド、ポリエステル、ポリアミド、ポリアクリルあるいはポリオレフィンと層状に組み合わされた金と銀とアルミニウムと銅とニッケルとで構成されるグループから選択される導電性金属を含むこと、
（ｃ）前記可撓性電極が、該電極の間の所望の分離距離分布またはその付近での引力分布と等しい反発力分布を前記磁界分布との組合せで発生させる電流密度分布を発生させる形状であり、該可撓性電極の表面の幅が、一端部から他端部へ指数的に増大すること、
（ｄ）前記可撓性電極が一端部において広くなっており、該広い端部が支持構造に固着されること、
（ｅ）前記可撓性電極が一端部において狭くなっており、デバイスが作動停止した時に該狭い端部が絶縁支持体と当接すること、
（ｆ）前記可撓性電極が、可撓性プラスチック膜に取り付けられる金属箔を含むこと、
（ｇ）一定の力を達成するように、前記磁界の強度が前記可撓性電極の電流密度と逆比例して変化すること、
該（ａ）〜（ｇ）の内、１つまたはそれ以上を特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
いずれかの電極またはその付近に取り付けられる永久磁石を含み、該永久磁石が、
（ａ）前記対向電極の一方に設けられるかその一部であること、
（ｂ）鉄、コバルト、ニッケル、ネオジム、アルミニウムあるいはその組合せから選択される導電性・強磁性磁気材料を含むこと、
（ｃ）前記電極の一方が、導電性材料で被覆された非導電性・強磁性材料を含む永久磁石で形成されること、
該（ａ）〜（ｃ）の内、１つまたはそれ以上を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】
直列、並列あるいは並列および直列に組み立てられた請求項１ないし４のいずれかに記載のデバイスのマルチユニットを含むことを特徴とするデバイス。
【請求項６】
生産効率、パッケージング密度あるいは生産効率とパッケージング密度の組合せを達成するようにウェハ上またはウェハ積層体上に製作される、請求項１ないし４のいずれかに記載のデバイスのマルチデバイスを含むことを特徴とするデバイス。
【請求項７】
マルチデバイスに出入する熱の流れを蓄積する大型ヒートシンクに接続された小型ヒートシンクに前記電極が設けられ、該小型ヒートシンクが、該大型ヒートシンクとは別の平面方向に延在して該大型ヒートシンクに接続されるフィンを含むことを特徴とする請求項４または５に記載のデバイス。
【請求項８】
（ａ）デバイスが作動して電流が流れた時に各デバイスにギャップを形成する磁界を有する空隙を持つように構成された多数の永久磁石および透過性・強磁性材料を含み、該永久磁石が、アレイへ熱が流入する側とアレイから熱が流出する側とを備えるデバイスのアレイを形成するように透過性磁気材料から形成された格子の内側に設けられること、
（ｂ）前記デバイスがマイクロ電気機械システム（ＭＥＭ）加工・設計技術によって生産されること、
（ｃ）業界標準の基板における膜成長と犠牲層除去との組合せから生産される片持ち梁構造のアレイから前記電極の一方または両方が形成されること、
（ｄ）前記永久磁石および／または透過性磁気材料が、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、プラチナ、アルミニウムあるいはネオジムの一つ、またはその合金、またはその再結合焼結物であること、
（ｅ）前記ギャップ形成電流によって前記電子トンネル電流が発生するまで、前記二つの電極または電極アセンブリの間の温度差を維持できる分離状態を設ける、前記デバイスのギャップ形成開始電流を発生させる電気回路を含むこと、
（ｆ）前記対向電極の一方または他方に単層、サブ単層あるいは多数の単層を形成する蒸気を発生させる真空パッケージにセシウムまたはバリウムあるいはセシウムとバリウムとの組合せを含めることにより低仕事関数層が形成されること、
（ｇ）加熱、蒸発、凝縮により前記容器内にアルカリ金属を存在させるアルカリ金属の複合体がフィラメントに装着され、該アルカリ金属がセシウム、クロム酸セシウムであり、該フィラメントコネクタが任意で、ワイヤ孔およびフィードスルーを省略するようにドーピングシリコン伝熱側を電気的に通るか、デバイス内で電気的に並列接続され、該アルカリ金属が蒸発した後で回路を開くように設計されること、
（ｈ）生産時以降に不要なガスを除去するゲッターとして作用する材料を含み、該ゲッター材料が、チタンとセシウムとバリウムとナトリウムとカリウムとこれらの組合せとから選択されること、
該（ａ）〜（ｈ）の内、１つまたはそれ以上を特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項９】
入口および出口二つの熱経路を備える真空化容器に前記電極または電極アセンブリが収容されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１０】
（ａ）ガラス、セラミックあるいは熱伝導性の低い他の材料により二つの熱経路が分離されること、
（ｂ）前記熱経路材料がシリコン、銅、アルミニウムあるいは熱伝導性の高い他の材料で製作されること、
（ｃ）前記容器の壁がガラスであるとともに前記熱経路がシリコンであって、それらは真空シールを形成するようにガラスフリット加工を用いて接合され、前記電極への電気接続が前記シリコンを通って、ワイヤ孔、フィードスルーあるいは前記容器の内部への同様の接続を省略するように、前記シリコン材料がハイドーピングされること、
（ｄ）前記電極へ、または該電極から同時に熱を伝える間の該電極の若干の動きを可能にするように充分な熱伝導性を備える軟質伝熱材料が使用され、該軟質伝熱材料が、液体金属、ノンシリコンポリマー、カーボンナノチューブを有する混合物、真空対応グリースあるいは軟質または液体材料中の熱導電性粒子の懸濁液のうちの一つであること、
（ｅ）前記電極または電極アセンブリへの接続ワイヤが、はんだ、はんだバンプ、超音波ワイヤ接合、導電性エポキシ、はんだペーストあるいは接触圧力により装着されること、
該（ａ）〜（ｅ）の内、１つまたはそれ以上を特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載のデバイスを供給することと、前記対向電極を安定・離間・平衡位置に配置するように前記磁界および前記電流分布の強度を調節することとを特徴とする熱エネルギーを電流に変換するための、または電気エネルギーを冷凍に変換するためのプロセス。
【請求項１２】
（ａ）前記対向電極が約２０ナノメートル以下の範囲で離間していること、
（ｂ）１ナノメートルから２０ナノメートルの範囲で離れた安定・離間・平衡位置に前記対向電極を配置するように、前記磁界および前記電流分布の強度が調節されること、
（ｃ）６ナノメートルから２０ナノメートルの範囲の電極間隔を設けるように前記強度が調節されること、
（ｄ）１〜６ナノメートルの範囲の電極間隔を設けるように前記強度が調節されること、
（ｅ）前記強度が、２０ナノメートルから１０００ナノメートル、２０ナノメートルから１００ナノメートルの範囲の電極間隔を設け、一方の電極が、放射電極から他方の感光性電極への主として光子の熱トンネルによる電力への放射変換に使用するための感光性材料を有すること、
該（ａ）〜（ｅ）の内、１つまたはそれ以上を特徴とする請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１３】
請求項１ないし１０のいずれかに記載のデバイスを用いることを特徴とする熱を冷却または電気エネルギーに変換するためのプロセス。
【請求項１４】
（ａ）前記熱源が、放射源、環境からの熱、地熱エネルギーあるいはエンジンまたは動物代謝から発生する熱であること、
（ｂ）前記熱源が人間の生体であること、
（ｃ）前記熱源が人間の生体であり、前記デバイスがハンドヘルドデバイスであること、
（ｄ）前記熱源が、運転中の電気、蒸気あるいは内燃エンジン、燃焼中の燃料あるいはその排気ガスであること、
（ｅ）前記熱源が内燃エンジンまたはその排気ガスであり、前記デバイスがヒートシンクとして該エンジンまたは排気ガス管に組み込まれること、
（ｆ）前記デバイスが大気温度で作動すること、
（ｇ）前記デバイスが、冷凍装置、エアコンディショナ、冷却ブランケット、冷却衣類、人間または動物の体に装着または設けられる冷却デバイスに使用されること、
該（ａ）〜（ｇ）の内、１つまたはそれ以上を特徴とする請求項１３に記載のプロセス。