(57)【要約】熱発電素子は、下面板の上方に離間配置された上面板を有する。一連の箔片は、電気的に及び機械的に端同士が接続され箔組立体を生成し、箔組立体は、らせん状に巻かれ、下面板及び上面板と熱的に接触している。各箔片には、基板が含まれ、基板には、一連の離間交互配置ｎ型及びｐ型熱電肢が、前側基板表面上に並列配置されている。各ｎ型及びｐ型肢は、テルル化ビスマス系熱電材料で形成され、厚さ約１０〜１００マイクロメートル、幅約１０〜１００マイクロメートル、及び長さ約１００〜５００マイクロメートルである。交互配置ｎ型及びｐ型熱電肢は、下面板と上面板との間の温度差により電力が発生するように、電気的に直列に接続され、熱的に並列に接続されている。
2009526401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱発電素子であって、
互いに平行に離間配置された上面板及び下面板と、同上面板及び下面板の各々は熱伝導性であり、略円形状であることと、
前記上面板と下面板との間に取り込まれ、前記上面板及び下面板を熱的に相互接続するらせん巻き箔片と、を含み、前記箔片は、
上端部及び下端部を有し、約７．５マイクロメートル〜約５０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、対向する前側基板表面及び後側基板表面を備える長尺状基板と、同長尺状基板は低熱伝導率を有する電気絶縁材料から形成されていることと、
前記前側基板表面上に平行に離間配置された一連の交互配置の長尺状ｎ型及びｐ型熱電肢と、同ｎ型及びｐ型肢は各々、約１０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの範囲の厚さを有するＢｉ２Ｔｅ３型熱電材料から形成されていることと、ｎ型及びｐ型熱電肢は各々、約１０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの範囲の幅と、約１００マイクロメートル〜約５００マイクロメートルの範囲の長さとを有することと、を含み、
前記ｐ型熱電肢の各々は、前記ｎ型及びｐ型熱電肢が電気的に直列に、かつ、熱的に並列に接続されるように、前記ｐ型熱電肢の対向端において前記ｎ型熱電肢のうちの隣接するｎ型熱電肢に電気的に接続されており、
前記上面板及び下面板は、前記一連の交互配置のｎ型及びｐ型熱電肢の対向端のそれぞれに電気的に接続されている、熱発電素子。
【請求項２】
前記ｐ型熱電肢の熱電材料は、次の組成、すなわち、
（Ｂｉ０．１５Ｓｂ０．８５）２Ｔｅ３、かつ、約１０原子％〜約３０原子％のＴｅ過剰
を有する半導体化合物である請求項１に記載の熱発電素子。
【請求項３】
前記ｐ型Ｂｉ２Ｔｅ３型熱電材料は、約２０℃において、最高約４５μＷ／（Ｋ２×ｃｍ）の力率（Ｐｐ）を有する請求項２に記載の熱発電素子。
【請求項４】
前記ｎ型熱電肢の前記熱電材料は、次の組成、すなわち、
Ｂｉ２（Ｔｅ０．９Ｓｅ０．１）３、かつ、約１０原子％〜約３０原子％の（Ｔｅ０．９Ｓｅ０．１）過剰
を有する半導体化合物である請求項１に記載の熱発電素子。
【請求項５】
前記ｎ型Ｂｉ２Ｔｅ３型熱電材料は、約２０℃において、最高約４５μＷ／（Ｋ２×ｃｍ）の力率（Ｐｎ）を有する請求項４に記載の熱発電素子。
【請求項６】
開回路電圧出力は、約４．０Ｖと約６．５Ｖとの間であり、
短絡電流出力は、前記上面板と下面板との間に約５Ｋの温度差が存在するとき、約６０μＡと約１００μＡとの間である請求項１に記載の熱発電素子。
【請求項７】
出力電力は、前記上面板と下面板との間に約５Ｋの温度差が存在するとき、約２．５Ｖと３．５Ｖとの間の電圧において、約７０μＷと約１３０μＷとの間である請求項１に記載の熱発電素子。
【請求項８】
前記上面板及び下面板は、約４ミリメートル（ｍｍ）〜約８０ｍｍの範囲の直径を有し、
前記上面板及び下面板は、前記熱発電素子の全高を約０．３ｍｍ〜約４．０ｍｍとするように離間されている請求項１に記載の熱発電素子。
【請求項９】
熱発電素子であって、
互いに平行に離間配置され、略円形状である上面板及び下面板と、
前記上面板と下面板との間に取り込まれ、前記上面板及び下面板を熱的に相互接続するらせん巻き箔組立体と、同らせん巻き箔組立体は、互いに対し端同士が接続する関係に配置され電気的に直列に接続された一連の箔片を含むことと、同箔片の各々は、
上端部及び下端部を有し、約７．５マイクロメートル〜約５０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、対向する前側基板表面及び後側基板表面を備える基板と、同基板は低熱伝導率を有する電気絶縁材料から形成されていることと、
前記前側基板表面及び後側基板表面のうちの少なくとも１つの上に平行に離間配置された一連の交互配置の長尺状ｎ型及びｐ型熱電肢と、同ｎ型及びｐ型肢は各々、約１０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの範囲の厚さを有するＢｉ２Ｔｅ３型熱電材料から形成されていることと、ｎ型及びｐ型熱電肢は各々、約１０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの範囲の幅と、約１００マイクロメートル〜約５００マイクロメートルの範囲の長さとを有することと、を含み、
前記ｐ型熱電肢の各々は、前記ｎ型及びｐ型熱電肢が電気的に直列に、かつ、熱的に並列に接続されるように、前記ｐ型熱電肢の対向端において前記ｎ型熱電肢のうちの隣接するｎ型熱電肢に電気的に接続されている熱発電素子。
【請求項１０】
前記箔片の各々は、対向する未接続端を有し、
前記箔組立体は、更に、複数のコネクタを含み、
前記コネクタの各々は、前記前側基板表面及び後側基板表面のうちの少なくとも１つに対して配置され、前記箔片のうちの隣接する箔片の未接続端を機械的に接続するように寸法決定及び構成されている請求項９に記載の熱発電素子。
【請求項１１】
前記箔組立体は、更に、前記コネクタを前記箔片のうちの隣接する箔片の未接続端に接合する低熱伝導性かつ非導電性の組立接着材の層を含む請求項１０に記載の熱発電素子。
【請求項１２】
前記箔片のうちの１つの箔片の前記ｎ型熱電肢のうちの最も端のｎ型熱電肢と前記箔片のうちの隣接する箔片の前記ｐ型熱電肢のうちの最も端のｐ型熱電肢との間に延在し、前記箔片を電気的に接続する導電性電気接着材の層を含む請求項９に記載の熱発電素子。
【請求項１３】
前記コネクタの各々は、上端部及び下端部と、同上端部及び下端部のうちの少なくとも１つに沿って配置された金属接点とを有し、
前記金属接点は、前記箔片のうちの１つの箔片の前記ｎ型熱電肢のうちの最も端のｎ型熱電肢を前記箔片のうちの隣接する箔片の前記ｐ型熱電肢のうちの最も端のｐ型熱電肢に電気的に接続するように寸法決定及び構成されている請求項１０に記載の熱発電素子。
【請求項１４】
前記金属接点は、前記箔片のうちの１つの箔片の最も端のｎ型及びｐ型熱電肢の対を前記箔片のうちの隣接する箔片の最も端のｎ型及びｐ型熱電肢の対に電気的に接続し、前記箔片間に電気的に冗長な接続を提供するように寸法決定及び構成されている請求項１３に記載の熱発電素子。
【請求項１５】
前記箔片の各々は、前記対向する未接続端のうちの少なくとも１つに隣接する前記上端部及び下端部のうちの少なくとも１つに沿って延在する端接点を含み、
前記端接点は、前記未接続端のうちの１つに隣接配置された前記ｎ型及びｐ型熱電肢のうちの少なくとも１つに電気的に接続されており、
前記箔組立体は、更に、前記コネクタと前記箔片の対の端接点との間に導電性電気接着材の層を含む請求項１３に記載の熱発電素子。
【請求項１６】
前記らせん巻き箔組立体は、非導電性熱接着材で前記上面板及び下面板に相互接続されている請求項９に記載の熱発電素子。
【請求項１７】
前記らせん巻き箔組立体は中央の中空コアを含む請求項９に記載の熱発電素子。
【請求項１８】
前記中空コアは、低熱伝導率を有する非導電性充填剤で少なくとも部分的に充填されている請求項９に記載の熱発電素子。
【請求項１９】
前記中空コアは、電子回路を含むように寸法決定及び構成されている請求項９に記載の熱発電素子。
【請求項２０】
熱発電素子用の箔組立体を製造する方法であって、
前側基板表面及び後側基板表面を有する基板材料を提供する工程と、
ｎ型及びｐ型熱電肢のアレイを前記前側基板表面上に成膜する工程と、
前記前側基板表面の前記上端部及び下端部のうちの少なくとも１つに沿って金属ブリッジを成膜する工程と、
前記ｎ型及びｐ型熱電肢と、前記基板材料上に成膜された金属ブリッジとを有する前記基板材料を、複数の箔片を形成するように切断する工程と、
複数のコネクタを形成するために、前記ｎ型及びｐ型熱電肢を除外するように前記基板材料を切断する工程と、
前記箔片の対を端同士が接続する関係に並べて、箔接合部を形成する工程と、
非導電性かつ低熱伝導性の組立接着材を用いて、少なくとも前記前側基板表面上において前記箔接合部を通じて一対のコネクタを接合することによって、前記箔片を機械的に相互接続する工程と、
前記箔片のうちの１つの箔片の前記ｎ型熱電肢のうちの最も端のｎ型熱電肢から前記対の前記箔片のうちの隣接する箔片の前記ｐ型熱電肢のうちの最も端のｐ型熱電肢に導電性接着材を延在させることによって、前記前側基板表面において前記箔片を電気的に相互接続する工程と、
を含む方法。
【請求項２１】
前記箔片の前記前側基板表面が径方向内向きになるように、前記箔組立体をらせん状に巻いて略円形にする工程を含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ｎ型及びｐ型熱電肢は、一連の高温及び低温スパッタリング工程を交互に用いて、前記基板上に成膜され、
前記低温スパッタリング工程は、約１０℃〜約１００℃の範囲の温度で実施され、
前記高温スパッタリング工程は、約２００℃〜約４００℃の範囲の温度で実施される請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記前側基板表面上にニッケルの層をスパッタリングし、その後、同ニッケルの層上に金の層を蒸着することによって、前記コネクタの上端部及び下端部のうちの少なくとも１つに沿って金属接点を成膜する工程を更に含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記箔片の対向する未接続端において前記箔片の前記前側基板表面の前記上端部及び下端部のうちの少なくとも１つに沿って端接点を成膜する工程を更に含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
熱発電素子用の長尺状箔片を製造する方法であって、
前側基板表面及び後側基板表面を有する基板材料を提供する工程と、
ロールツーロール処理を用いて、前記前側基板表面にｎ型及びｐ型熱電肢のアレイを成
膜する工程と、
前記ｎ型及びｐ型熱電肢が電気的に直列に接続されるように、前記ｐ型熱電肢の対向端において前記ｐ型熱電肢の各々が前記ｎ型熱電肢のうちの隣接するｎ型熱電肢に電気的に接続されるよう、ロールツーロール処理を用いて、前記前側基板表面の前記上端部及び下端部のうちの少なくとも１つに沿って金属ブリッジを成膜する工程と、
を含む方法。
【請求項２６】
前記前側基板表面が径方向内向きになるように、前記箔片をらせん状に巻いて略円形にする工程を更に含む請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に熱電装置に関し、詳細には、マイクロエレクトロニクス装置に適合するように構成されている小型で比較的高い出力電圧の自立型低電力熱発電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロニクス装置の小型化の傾向が大きくなるにつれて、小型電源の開発が必要になっている。バッテリや太陽電池は、そのようなマイクロエレクトロニクス装置用の従来的な電源である。しかしながら、バッテリによって供給される電力は、時間の経過と共に消失し、バッテリを定期的に交換する必要がある。太陽電池は、実質的に無制限の耐用寿命を有するが、太陽や他の光源は、常に利用可能であるとは限らないため、一過性の電力の供給源を提供し得るだけである。更に、太陽電池は、エネルギ変換の効率を維持するために、それらの表面を定期的に清掃する必要がある。
【０００３】
熱発電素子は、確立された物理学の原理の下で熱エネルギを電気エネルギに変換する自立型エネルギ源である。ゼーベック効果は、これによって、大部分が導体の電荷キャリア拡散により熱の差を電気に変換し得る現象である。電力は、各々一端で接合された一対の異種の金属（ｎ型及びｐ型）を含む熱電対を利用することによって、ゼーベック効果に基づき生成され得る。ｎ型及びｐ型は、それぞれ、材料内における負及び正の種類の電荷キャリアを意味する。
【０００４】
熱電対端間に存在する温度勾配は、人為的に加えられたり、あるいは、自然なものでは、人体によって絶えず放出される熱等の“廃熱”として発生したりする。腕時計では、一方の側は、周囲温度の空気にさらされ、反対側は、より高い温度の着用者の皮膚にさらされる。従って、通常、小さい温度勾配が、腕時計の厚さの間に存在する。熱発電素子は、腕時計に組み込まれ、廃熱を利用し、腕時計を自己完結型のユニットとして動作させるのに充分な電力の供給を生成し得る。好都合なことに、通常の腕時計に寸法が似通った多くのマイクロエレクトロニクス装置は、小量の電力しか必要とせず、従って、熱発電素子による電力供給に適している。
【０００５】
熱発電素子の動作パラメータは、数学的に幾つかの方法で特徴付けることができる。例えば、熱電対の結合していない端間で測定される電圧は、２つの端間の温度差に正比例する。熱電対を構成するｎ型熱電肢（ｌｅｇ）及びｐ型熱電肢が、電気的に直列に接続され、その間に維持された温度差Ｔ１及びＴ２に対して、熱的に並列に接続されている場合、ゼーベック効果に基づく開回路電圧Ｖは、以下の式によって数学的に表わされる。即ち、
Ｖ＝Ｓ（Ｔ１−Ｔ２）
上式において、Ｓは、マイクロボルト／度（μＶ／Ｋ）で表わされるゼーベック係数である。
【０００６】
熱発電素子の効率は、従来的に以下の式によって定義される熱電性能示数（Ｚ）によって特徴付けることができる。即ち、
Ｚ＝Ｓ２σ／κ
上式において、σ及びκは、それぞれ、導電率及び熱伝導率である。Ｋの逆数で表わされる性能示数Ｚは、熱発電素子に用いられ得る熱電材料の熱的及び電気的特性を表す。熱発電素子の効率を改良するための鍵の１つは、低電気抵抗、高ゼーベック係数及び低熱伝導率を有する高度に効果的な熱電膜の開発にある。
【０００７】
熱発電素子を改良するための他の鍵は、熱電対の集積化密度を大きくすることにある。
廃熱源の場合、熱源と吸熱源（ｈｅａｔ  ｓｉｎｋ）との間に小さい温度差しか存在しないことが多い。温度差がこのように小さいことから、充分な熱電電圧を生成するために、非常に多くの熱電対を直列に接続する必要がある。その結果として、熱電対は、断面の長さ対幅において極端なアスペクト比を有する必要がある。
【０００８】
従来技術には、熱発電素子の効率及び動作特性を改良しようとする複数の装置が含まれる。１つの従来技術による装置には、低温領域と反対側の高温領域とに熱的に接触して配置された熱伝導基板が含まれる。熱は、高温領域から熱伝導基板に、そして、結晶材料から切り取られ、交互に配置された複数のｎ型及びｐ型熱電肢に流れる。ｎ型及びｐ型熱電肢は、電気的に直列に接続され、熱的に並列に接続されている。ｎ型及びｐ型熱電肢は、基板上に二次元の市松模様に形成される。合計電圧は、各ｎ型及びｐ型対間の個々の電圧の和であることから、また、ｎ型及びｐ型熱電肢の各熱電対は、所与の温度差に対して、数ミリボルトしか生成し得ないことから、市松模様の交互に配置されたｎ型及びｐ型熱電肢を包含するために、極めて大きな面積が必要である。そのような大きな面積が必要であると、熱発電素子の小型化が妨げられる。
【０００９】
他の従来技術による装置は、複数のｎ型及びｐ型熱電肢に絶縁空間を提供するためのギャップレス絶縁矩形格子を有する熱電モジュールを備える。ギャップが存在しないと、熱電肢間における電気的な壁間短絡の可能性がなくなる。熱電肢は、モジュールの高温側と低温側との間に、電気的に直列に接続され、熱的に並列に接続される。電気的接続は、モリブデン層を覆うアルミニウム層で構成される。表面は、熱電肢が相互接続される領域を除いて矩形格子壁が露出されるように研磨される。このモジュールは、隣接する熱電肢間の電気的短絡の問題を克服するが、この本装置は数多くの製造工程を必要とし、従って、多大の費用を要する。
【００１０】
熱発電素子を小型化しようとする他の従来技術による装置では、熱電対の個々の一体式構造を小型化することによって、熱電対の集積化密度が大きくなっている。そのような装置は、これらのバルク材料のテルル化ビスマス熱電対の断面を充分に小さい寸法に低減することに成功しているが、バルク材料からなるこれらのテルル化ビスマス型熱電対の取り扱いや組み立てが極端に困難であるため、生産コストが極端に高くなり、最終製品のコストが極めて高くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した従来の熱発電素子の欠陥に鑑みて、マイクロエレクトロニクス装置の要件への適合性がある熱発電素子に対する必要性が当分野に存在する。更に、具体的には、低電力を生成するための小型の熱発電素子であって、特に、比較的低コストで量産可能であり、高い出力電圧を生成するように構成された熱発電素子に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、具体的には、熱発電素子に関する上記欠陥を解決し軽減する。特に、本発明は、小型の改良された自立型低電力熱発電素子であり、特にマイクロエレクトロニクス装置に適合するように構成された熱発電素子である。
【００１３】
熱発電素子は、ゼーベック効果に基づき、熱勾配を利用して有用な電力を生成する。本明細書に開示する熱発電素子は、下面板、上面板、及び箔組立体から構成され、箔組立体には、単一の長尺状箔片又は、各端同士接合部をまたぐコネクタを用いて端同士が接続する関係に接合される一連の箔片のいずれかが含まれる。箔片を機械的に接続するために、接着材を用いて、端同士が接続する関係の箔片の前側及び後側基板表面のうちの少なくとも１つにコネクタが接合され得る。更に具体的には、コネクタは、少なくとも前側基板表
面に接合され得る。しかしながら、機械的な接続を強めるために、コネクタは、後側基板表面にも接合され得る。比較的高い導電性を有する電気接着材は、コネクタの上端部及び下端部に塗布され、箔片を電気的に接続し得る。しかしながら、コネクタは、随意で、箔片間の導電性を強化するためにコネクタの上端部及び下端部に隣接して成膜される金属接点を含んでもよい。
【００１４】
金属接点は、箔片のうちの１つのｎ型熱電肢のうちの最も端のものを箔片のうちの隣接する１つのｐ型熱電肢のうちの最も端のものに電気的に接続するように構成されている。このようにして、ｎ型及びｐ型熱電肢が、電気的に直列に接続され、熱的に並列に接続されるように、各ｐ型熱電肢は、ｐ型熱電肢の対向端にあるｎ型熱電肢のうちの隣接するものに電気的に接続される。
【００１５】
箔組立体、箔片又はその両方は、らせん巻き構成で、下面板と上面板との間に置かれる。箔組立体は、下面板と上面板との間に垂直に、下面板及び上面板と熱的に接触して配置される。一連の交互配置ｎ型及びｐ型熱電肢は、熱発電素子の一実施形態において、箔組立体を構成する各箔片の基板上に配置される。他の実施形態において、ｎ型及びｐ型熱電肢は、単一の箔片の単一の長尺状基板上に配置される。熱電肢は、一般的に、テルル化ビスマス型熱電材料で組み立てられる。
【００１６】
上面板は、下面板の上方に離間して配置される。下面板及び上面板は、略円形の構成を有し、適切な熱伝導が可能な任意の剛性材料で組み立て得る。この点に関して、上面板及び下面板は、セラミック材料、金属材料又はいずれか他の適切な材料又はそれらの組合せで組み立て得る。温度勾配が、交互配置ｎ型及びｐ型熱電肢間で発生するように、下面板及び上面板は、吸熱源と熱源との間に熱的な接触を提供するように構成されている。
【００１７】
各箔片は、前側基板表面及び前側基板表面に対向する後側基板表面を有する。離間交互配置ｎ型及びｐ型熱電肢は、前側基板表面上に互いに並列に配置される。各ｎ型及びｐ型熱電肢は、一般的に、約１０マイクロメートル（μｍ）から約１００μｍの範囲の厚さを有する熱電材料で形成され、一般的に厚い構成が好まれるが、これは、それに対応する大きい断面積により、これに付随した大きい電流がそこを流れるためである。ｎ型及びｐ型熱電肢を前側基板表面上に形成する再現性を強化するために、前側基板表面は、後側基板表面より滑らかな表面粗さを有し得る。しかしながら、後側基板表面は、それ上に配置された熱電肢を有し、成膜プロセスに先立って、適切に前処理し得る。
【００１８】
各ｐ型及びｎ型熱電肢対は、熱発電素子の熱電対を構成する。熱電肢の幅は、約１０μｍから約１００μｍの範囲であってよく、その長さは、約１００μｍから約５００μｍの範囲であってよい。ｎ型及びｐ型熱電肢の好適な長さは、約５００μｍである。ｎ型熱電肢の好適な幅は、約６０μｍであり、一方、ｐ型熱電肢の好適な幅は、約４０μｍである。ｎ型及びｐ型熱電肢それぞれの幾何学的形状は、各ｎ型及びｐ型熱電肢の導電率の差に応じて、或る程度、調整し得る。
【００１９】
電流がｐ型熱電肢の下から上へ又はその逆に熱電肢を流れ得るように、各ｐ型熱電肢は、高温側金属ブリッジ及び低温側金属ブリッジによって、ｐ型熱電肢の対向端にある隣接するｎ型熱電肢に電気的に接続される。複数の箔片には、好適には、互いに接続され、実質的に均等にアレイ状の箔片上に分散され、熱電対連鎖を形成する合計約５０００個の熱電対を含み得る。しかしながら、任意の数の熱電対を熱発電素子に備えてよい。
【００２０】
各熱電対には、１つのｎ型及び１つのｐ型熱電肢が含まれる。従って、５０００の熱電対の連鎖を有する熱発電素子には、５０００のｎ型熱電肢及び５０００のｐ型熱電肢が含まれる。熱発電素子には、好適には、端同士が接続され箔組立体を形成する任意の数の箔
片を含み得る。箔組立体は、その後、らせん状に巻かれ、これにより、箔組立体の隣接配置された折り返しの前側及び後側基板表面が、互いに重なり合うが非導電接触状態で配置される。カバー層は、前側及び後側基板表面のうちの少なくとも１つに提供され、箔組立体の折り返し間の電気伝導を防止し得る。熱電対連鎖は、上面板及び下面板に接続され、これらは、更に外部負荷に接続し得る。
【００２１】
各高温側金属ブリッジ及び低温側金属ブリッジは、ｎ型熱電肢をｐ型熱電肢に電気的に接続するように構成されている。各高温側及び低温側金属ブリッジは、更に、異質な材料で簡単に汚染され得るｎ型及びｐ型熱電肢への望ましくない元素の拡散を妨げるために、拡散障壁としての役割を果たすように構成されている。更に、各高温側及び低温側金属ブリッジは、ｎ型及びｐ型熱電肢からの望ましくない元素の拡散を妨げるように構成されている。最後に、各高温側及び低温側金属ブリッジは、ｐ型及びｎ型熱電肢との間で熱を最適に伝えるように構成されている。この点に関して、高温側及び低温側金属ブリッジは、金メッキのニッケル等の高熱伝導性材料で組み立て得る。
【００２２】
各箔片の基板は、約７．５μｍから約５０μｍの範囲の厚さを有し得るが、基板の厚さは、好適には、約２５μｍである。エネルギ変換の効率を高めるために、基板を通る熱流束を低減したい場合、熱電肢が配置されている基板の厚さを低減することが望ましい。ポリイミド膜等の低熱伝導率の電気絶縁材料を基板に用い得る。
【００２３】
ｎ型及びｐ型熱電肢を構成する熱電膜は、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）型の半導体化合物で構成され得る。しかしながら、半導体化合物の特定の組成は、ｎ型及びｐ型熱電肢の熱電性能を強化するために変更され得る。具体的には、ｎ型熱電肢の組成は、元素ビスマス（Ｂｉ）、テルル（Ｔｅ）及びセレン（Ｓｅ）を含み得る。ｐ型熱電肢の組成は、元素ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）及びテルル（Ｔｅ）を含み得る。更に、過剰な元素テルル（Ｔｅ）及びセレン（Ｓｅ）は、ｎ型材料で提供され得る。過剰な元素テルル（Ｔｅ）は、ｐ型材料で提供され得る。これらの各元素の過剰量は、その組み立て及び電力特性を強化するために変更され得る。
【００２４】
熱発電素子用の箔片を生成するための方法では、マグネトロンスパッタリングは、比較的厚い“テルル化ビスマス型”熱電材料膜を基板に成膜する際に用いられ得る。なお、当分野で公知なように、テルル化ビスマスとは特定の材料系を意味しており、ｐ型及びｎ型材料が同じテルル化ビスマス型によることから、そのように称される。固有のスパッタリングターゲット組成、スパッタリング方式、及びアニール後プロセスにより、比較的高い値の熱電材料の力率（Ｐ）を達成可能である。例えば、熱発電素子の一実施形態において、室温におけるｐ型Ｂｉ２Ｔｅ３型熱電材料の力率（Ｐｐ）の平均値は、約４５μＷ／（Ｋ２×ｃｍ）であり、一方、室温におけるｎ型Ｂｉ２Ｔｅ３型熱電材料の力率（Ｐｎ）の平均値は、約４５μＷ／（Ｋ２×ｃｍ）である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、図面を参照する。図面は、好適な実施形態を示すことが目的であり、これらを限定することが目的ではない。図１は、略正方形の垂直積層構成の矩形アレイ状箔片１６が含まれる熱発電素子１０の一実施形態の斜視図である。
【００２６】
図１に示す実施形態は、２００５年７月２０日に出願の「低電力熱発電素子（ＬＯＷ  ＰＯＷＥＲ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ）」と題する米国特許出願第１１／１８５，３１２号明細書、及び２００３年５月１９日に出願の「低電力熱発電素子（ＬＯＷ  ＰＯＷＥＲ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ）」と題する米国特許第６，９５８，４４３号明細書の対象である。各々の全内容を引用によって本明細書に完全に援用する。いずれも本出願と同一の譲受人を有する。図２は、図１
に示す熱発電素子の側断面図であり、本明細書に開示する熱発電素子に用いられる一連の箔片の基板膜上に交互に配置されているｎ型及びｐ型熱電肢の構成を示す。図３は、熱発電素子の熱電対を構成する代表的なｐ型及びｎ型熱電肢の対の概略図である。
【００２７】
図４ａ〜７ｂには、らせん状に巻かれ円形状をなしている箔組立体５０において、複数の箔片１６の端同士が接合されている更なる実施形態における熱発電素子１０を示す。重要なこととして、そのような熱発電素子１０は、更に詳細に後述するように、部分的には、電気抵抗の大幅な低減により、従来技術による熱発電素子より相当大きい出力電力を達成する。上述したように、熱発電素子１０は、熱勾配を利用して、ゼーベック効果に基づき有用な電力を生成する。図８ａ〜８ｆは、様々な温度差の下で、改良された熱発電素子１０によって提供される改良された電力特性を示す。
【００２８】
更に図４ａ乃至７ｂを参照すると、熱発電素子１０は、略円形の又は円盤状の下面板１２と、略円形の又は円盤状の上面板１４と、単一の長尺状箔組立体５０を形成するように端同士が接続された一連の箔片１６とから構成されている。これに代えて、単体の長尺状箔片１６が円形状になるようにらせん状に巻かれ、個々の箔片１６の端同士を接続する必要を無くすこともできる。らせん巻き箔組立体５０は、製造プロセスの結果として、中空コア８２を含み得る。中空コア８２は、電力管理回路等の電子回路を含む空洞として用いられるように適合され得る。熱発電素子１０が円形状であるため、着用可能なマイクロエレクトロニクス装置等の特定の装置とのその適合性が強化される。例えば、熱発電素子１０は、腕時計又はほぼ腕時計様の形状の装置に用いられるように容易に適合され得る。
【００２９】
箔組立体５０が一連の箔片１６を含む熱発電素子１０の構成の場合、箔組立体５０は、円形状に巻かれ、そして、下面板１２と上面板１４との間に含まれる。この方向において、箔組立体５０は、また従って箔片１６は、下面板１２及び上面板１４と熱的に接触している状態で、下面板１２と上面板１４との間に垂直に配置される。
【００３０】
各箔片１６は、好適には低熱伝導率の非導電性基板１８で形成される。一連の交互に配置された略長尺状のｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４は、前側基板表面４０、後側基板表面４２、又は双方に配置される。更に詳細に後述するように、熱電肢３２，３４は、一般的に、テルル化ビスマス型熱電材料４４から組み立てられる。基板１８及び熱電材料４４用の材料組成の固有の組合せにより、相当改良された電力特性を有する熱発電素子１０が提供される。
【００３１】
図４ｂ及び５ｂに見られるように、上面板１４は、下面板１２の上方に離間して配置される。下面板及び上面板１２，１４は、略円形又は丸形を有し得る。しかしながら、下面板及び上面板１２，１４は、ほぼ熱発電素子１０の全体的な寸法を決定するが、任意の形状又は構成であってよいことが認識される。この点に関して、略丸形の下面板及び上面板１２，１４は、渦巻状に巻かれた一連の箔片１６を一体化するように容易に適合可能である。一態様では、箔組立体５０が、同じ寸法及び同じ構成のｐ型並びにｎ型熱電肢３２が各々上部に配置された、ほぼ同様に構成された箔片１６から構成されてよいことが想定される。このように、箔組立体５０は、同じ寸法の箔片１６の複製物から経済的に構築され得る。
【００３２】
下面板１２及び上面板１４は、好適には、相当剛性の高熱伝導性の任意の材料から組み立てられ得る。例えば、下面板及び上面板１２，１４を組み立てるために、金属、セラミック材料又はその両方を利用することが想定される。下面板１２及び上面板１４は、図１に見られるように、それぞれ吸熱源２２と熱源２０との間に熱的な接触を提供するように構成され得る。下面板及び上面板１２，１４は、更に、保護筐体を提供するように構成されており、これにより、箔片１６は機械的接触及び化学的影響から保護される。この点に
関して、箔片１６を損傷又は短絡させ得る湿気、ごみ及び他の影響を防ぐために箔片１６を封止するように、上面板１４と下面板１２との間において箔組立体５０の最外表面に封止剤７０を設けてよい。
【００３３】
次に、特に、図４ａ乃至７ｂを参照すると、円盤状の上面板及び下面板１４，１２間に取り込まれた箔組立体５０を有する熱発電素子１０が示されている。図４ａ及び５ａに見られるように、上面板及び下面板１４，１２には、随意で、その周囲に延在する周囲フランジ７８が含まれてよい。そのような周囲フランジ７８は、意図的に設けられてもよく、通常のプレス加工、打ち抜き加工又はその両方を利用することによって上面板及び下面板１４，１２が大量に（即ち、数多く）製造される製造プロセスの結果であってもよい。
【００３４】
そのような上面板及び下面板１４，１２は、薄い金属材料又は金属箔からプレス加工され、その結果、小さい端部バリ（即ち、周囲フランジ）を含み得る。好都合なことに、周囲フランジ７８は、上面板及び下面板１４，１２の剛性及び機械的な安定性を高め得る。更に、周囲フランジ７８は、好適には、上面板及び下面板１４，１２の周辺の境界内に箔組立体５０を含む。最後に、周囲フランジ７８は、箔組立体５０上に成膜されたｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の対を金属ブリッジ２６，２８を介して結合する位置において、箔組立体５０の最外部との間の熱流を増大させ得る。
【００３５】
前述したように、上面板及び下面板１４，１２は、好適には、高熱伝導性であり、この点において、それらの熱抵抗が低いため、好適には、熱発電素子１０の熱損失を低減するという点で熱結合板としての役割を果たす。上面板及び下面板１４，１２は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、被覆鋼、及びはんだ付け可能金属合金及びそれらの様々な組合せを含む金属材料等の任意の適切な高熱伝導性材料から組み立てられ得ると考えられる。更に、上面板及び下面板１４，１２は、任意に金属材料と組み合わ可能なセラミック材料から組み立てられてよい。この点に関して、セラミックにはメタライゼーション処理が行われ、セラミック材料の表面上に金属の層が形成されてよい。熱発電素子の用途に応じて、上面板及び下面板のうちの少なくとも１つの熱交換能力を大きくすることが望ましい場合がある。例えば、上面板及び下面板のうちの少なくとも１つは、表面積を大きくされ得る。そのような表面積の拡大は、熱が周辺環境に対して更に容易に放散されるか又は伝達されるように、冷却フィン構造を利用して実現され得る。
【００３６】
５０〜２５０μｍ（ｕｍ）程度の薄い金属箔は、好適には、それらの低熱抵抗により上面板及び下面板１４，１２用の材料として適する。更に、そのような薄い金属箔材料は、打ち抜きやプレス加工等の単純な製造プロセスによって、上面板及び下面板１４，１２に簡単に転用され得る。図５ｂに見られるように、上面板及び下面板１４，１２のうちの少なくとも１つには、それを通過する穴８０であって、中央に配置され、箔組立体５０のらせん巻き時に形成される中空コア８２内への電子回路の一体化又は挿入を可能にするために利用される穴８０を含み得る。
【００３７】
上面板及び下面板１４，１２は任意の寸法に構成可能であるが、約４ミリメートル（ｍｍ）から約８０ｍｍの範囲の直径を有し、更に好適には約５ｍｍから２５ｍｍの外径、最も好適には約８ｍｍの外径を有することが想定される。上面板及び下面板１４，１２は、基板１８材料の全高（即ち、幅）に応じて、熱発電素子１０の全高を約０．３ｍｍ〜約４．０ｍｍとするように離間されている。更に好適には、熱発電素子１０の高さは約０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの間であり、最も好適には高さ約１．０ｍｍである。
【００３８】
上面板及び下面板１４，１２双方は、これによって熱発電素子１０を電力供給対象の装置に接続する電気接点として利用され得ると考えられる。この点に関して、直列接続された一連のｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の一端は、好適には、上面板１２に電気的に接続
され、一方、一連のｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の対向端は、下面板１２に接続される。そのような電気的接続は、電気接着材６４を利用して円滑化され得る。しかしながら、接合、半田付け又はその両方及び他の適切な導電手段を利用して、上面板及び下面板１４，１２を箔組立体５０上のｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の対向端のそれぞれに接続し得る。上面板及び下面板１４，１２が、セラミック材料等の非導電性材料で組み立てられる場合、一対の第１及び第２電気リード２４，３０は、上述した米国特許第６，９５８，４４３号明細書に開示されたものと同様な方法で、熱電対連鎖の対向端に接続され得る。しかしながら、上面板、下面板又はその両方は、熱発電素子用の熱導体としての役割を果たし、また、電気接点として機能する金属化セラミック板として構成され得る。
【００３９】
図２に示すものは、箔組立体５０を構成する箔片１６のうちの１つの少なくとも一部分の代表的な図であり、基板１８上に配置された交互配置のｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の構成を示す。前述したように、各箔片１６は、前側基板表面４０と、前側基板表面４０に対向する後側基板表面４２とを有する。箔片１６の端同士を接続した後、箔組立体５０を巻く際、後側基板表面４２は、箔片１６の隣接する巻き部分の前側基板表面４０と対向する。
【００４０】
離間された交互配置のｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４は、前側及び後側基板表面４０，４２のいずれか又は双方に互いに平行に配置される。短絡を防止するために、ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の成膜後、標準的なポジフォトレジスト材料のカバー層７２が箔片１６に成膜され得る。カバー層は、基板１８に含まれる場合、金属接点及び金属ブリッジを生成するために用いられるメタライゼーション処理の後、設けられる。熱電材料４４は、約１０マイクロメートル（μｍ）から約１００μｍの範囲の厚さを有し得るが、ｎ型熱電材料４４の好適な厚さは、約１５μｍである。
【００４１】
次に、簡単に図３を参照すると、図示したものは、熱発電素子１０の熱電対４６を構成するｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の対の概略図である。図３に見られるように、ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４は、それぞれの幅を有する。ｎ型熱電肢３２の幅は、ａ１として示す。ｐ型熱電肢３４の幅は、ａ２として示す。ｎ型熱電肢３２及びｐ型熱電肢３４双方の熱電肢３２，３４の長さは、ｂとして示す。ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４は、ほぼ等しい長さを有し得るが、ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の長さが異なる熱発電素子１０が構成されることも想定される。好都合なことに、長さ対幅のアスペクト比が極端であることにより、小型の熱発電素子１０が比較的高い熱電電圧を生成し得る。
【００４２】
ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４それぞれの幾何学的形状は、ある程度、各ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の導電率の差に応じて調整され得る。熱電肢３２，３４の幅は、約１０μｍから約１００μｍの範囲であってよい。熱電肢３２，３４の長さは、約１００μｍから約５００μｍの範囲であってよい。ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の好適な長さｂは、約５００μｍである。ｎ型熱電肢３２の好適な幅ａ１は、約６０μｍであり、一方、ｐ型熱電肢３４の好適な幅ａ２は、約４０μｍである。ｐ型熱電肢３４の熱電特性は、通常、ｎ型熱電肢３２より優れている。従って、ｐ型熱電肢３４の幅は、ｎ型熱電肢３２より狭くてよい。熱電肢３２，３４は、長尺状構成を有するものとして図２に示すが、熱電肢３２，３４は、数多くの他の構成で、例えば、Ｌ状又はＳ状の構成で形成され得ると考えられる。
【００４３】
ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４は、熱的に並列に、また、電気的に直列に接続される。図２に概略的に示すように、各ｐ型熱電肢３４は、ｐ型熱電肢３４の対向端において、高温側金属ブリッジ２６及び低温側金属ブリッジ２８によって、複数のｎ型熱電肢３２のうちの隣接するｎ型熱電肢３２に電気的に接続される。このようにして、電流は、ｐ型熱電肢３４の下から上へ及びｎ型熱電肢３２の上から下へ熱電肢３２，３４を流れ得る。熱電
肢３２，３４のうち交互に配置された各熱電肢は、反対の導電性型を有する熱電肢３２，３４のうちの隣接する１つに接続され、熱電対４６を形成する。
【００４４】
図３において、代表的なｎ型熱電肢３２は、そのそれぞれの上端において、ｐ型熱電肢３４のそれぞれの上端に接続される。図２において、複数のｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４は、その対向端において接続され、複数の熱電対４６を形成するとともに、各箔片１６の対向末端上に未接続のｐ型熱電肢３４及び未接続のｎ型熱電肢３２を残す。高温側金属ブリッジ２６において熱源２０によって上面板１４を介して熱が加えられる時には、下面板１２及び吸熱源２２において熱電対４６の低温側金属ブリッジ２８に対し、符号ΔＴによって示される温度勾配が生成され、熱流束４８が熱発電素子１０を流れる。そして、電気回路３６の負荷を通じて符号Ａによって示される方向に、電流が流れる。熱発電素子１０は、上面板及び下面板１４，１２が熱発電素子１０用の電気接点としても機能しない場合、一連のｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の対向端にそれぞれ接続された第１電気リード２４及び第２電気リード３０を更に含み得る。
【００４５】
各高温側金属ブリッジ２６及び低温側金属ブリッジ２８は、ｎ型熱電肢３２をｐ型熱電肢３４に電気的に接続するように構成されている。各高温側金属ブリッジ２６及び低温側金属ブリッジ２８は、更に、異質な材料で簡単に汚染され得るｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４への望ましくない元素の拡散を妨げるために、拡散障壁としての役割を果たすように構成されている。更に、各高温側金属ブリッジ２６及び低温側金属ブリッジ２８は、ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４からの望ましくない元素の拡散を妨げるように構成されている。最後に、各高温側金属ブリッジ２６及び低温側金属ブリッジ２８は、ｐ型及びｎ型熱電肢３２，３４との間で熱を伝えるように構成されている。この点に関して、高温側金属ブリッジ２６及び低温側金属ブリッジ２８は、金メッキのニッケル等の高熱伝導性材料で組み立てられ得る。
【００４６】
図２，６ａ及び７ａに示した図において、第１電気リード２４は、ｎ型熱電肢３２の未接続端に接続され、一方、第２電気リード３０は、ｐ型熱電肢３４の未接続端に接続される。しかしながら、図１に示す並列構成で配置されたアレイ状の箔片１６を有する熱発電素子１０の場合、箔片１６は、電気的に直列に接続され、これにより、箔片１６の末端上の複数のｎ型熱電肢３２のうちの未接続のｎ型熱電肢３２は、複数の箔片１６のうちの隣接する箔片１６の複数のｐ型熱電肢３４のうちの未接続のｐ型熱電肢３４に電気的に接続される。あるいは逆に、箔片１６の末端上の複数のｐ型熱電肢３４のうちの未接続のｐ型熱電肢３４が、複数の箔片１６のうちの隣接する箔片１６の複数のｎ型熱電肢３２のうちの未接続のｎ型熱電肢３２に電気的に接続される。そのような構成において、第１電気リード２４は、アレイの最前方の箔片１６のｎ型熱電肢３２の未接続端に接続され、一方、第２電気リード３０は、アレイの最後方の箔片１６のｐ型熱電肢３４の未接続端に接続される。
【００４７】
箔組立体５０の複数の箔片１６には、好適には、アレイ状の箔片１６上にほぼ均等に分散された合計約５０００の熱電対４６が含まれ得ると考えられるが、熱発電素子１０には、約１０００〜約２０，０００の任意の数の熱電対４６が含まれ得ると考えられる。図６ａに示す本実施形態では、更に詳細に後述するように、箔片１６間の端間接続の電気的な冗長性による実効的な熱電対４６の数の減少を考慮して、合計５２６５の熱電対４６が備えられ得る。
【００４８】
一実施形態において、熱発電素子１０は、約１メートルの全長を有する箔組立体５０を生成するように端同士が接続された約１９枚の箔片１６を含み得る。しかしながら、これに代えて、熱発電素子１０は、所与の動作温度において要求電力を生成するのに必要な合計数の熱電対４６を一体化するのに充分な任意の数の箔片１６を含み得る。全ての熱電対
４６が、電気的に直列に接続されているとすると、熱発電素子１０の合計出力電圧は、寄与しない熱電対４６を図６ａに示す電気的に冗長な接続型の一部として考慮して、単に各熱電対４６間で生成された個々の電圧の和として計算される。
【００４９】
好適な一実施形態において、基板１８の厚さは、好適には、約２５μｍであるが、基板１８は、約７．５μｍから約５０μｍの範囲の厚さを有する。エネルギ変換効率を大きくするために、基板１８を通る熱的な熱流束４８を低減することが望まれることから、熱電肢３２，３４が配置される基板１８の厚さを減少させることが望ましい。基板１８を構成し得る材料に関して、電気絶縁材料は、基板１８上に配置された熱電肢３２，３４のうちの隣接するものが、互いに電気的に絶縁されるように利用し得る。
【００５０】
基板１８材料は、更に、低熱伝導率を有し、また、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社製のカプトン（登録商標）膜等のポリイミド膜であってよい。その低熱伝導率のため、ポリイミド膜は、熱発電素子１０にとって極めて優れた基板１８である。更に、ポリイミド膜は、約２１．１℃（約７０°Ｆ）の室温範囲において熱電肢３２，３４に用いられるテルル化ビスマス型材料と同程度の熱膨張係数を有する。従って、ポリイミド膜を利用することによって、基板１８／熱電材料４４界面に発生し得る残留機械応力は、最小限に抑えられるか又は解消され得る。この点で、熱発電素子１０の全体的な耐久性及び耐用寿命が強化され得る。
【００５１】
ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４を構成する熱電材料４４は、上述したように、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）型の半導体化合物で構成され得る。しかしながら、半導体化合物の特定の組成は、ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の熱電性能を強化するために変更され得る。この点に関して、スパッタリング等による成膜の際に、ｐ型熱電肢３４，３２の出発材料として用いられる半導体化合物は、次の組成を有する材料を含み得る。即ち、
（Ｂｉ０．１５Ｓｂ０．８５）２Ｔｅ３、かつ、１８原子％のＴｅ過剰
但し、過剰は、約１０原子％〜約３０原子％の範囲のＴｅ過剰であってよい。
【００５２】
スパッタリングによりｎ型熱電肢３２を組み立てる際に用いられる半導体化合物（即ち、出発材料又はターゲット材料）には、好適には、次の組成を有する材料を含み得る。即ち、
Ｂｉ２（Ｔｅ０．９Ｓｅ０．１）３、かつ、約２２原子％の（Ｔｅ０．９Ｓｅ０．１）過剰
但し、過剰は、約１０原子％〜約３０原子％の（Ｔｅ０．９Ｓｅ０．１）の範囲内のどこでもよい。ｐ型及びｎ型熱電材料４４ｓ用の上記配合組成は、初期又は出発材料に関連しており、この材料から、スパッタリングターゲットが作られることに留意されるべきである。本明細書に開示する組立方法では、ｎ型及びｐ型肢用の熱電材料４４は、スパッタリング処理に先立つ出発材料である。本明細書に開示する熱電材料４４の化学量論的組成は、利点として、比較的高い熱電性能示数（Ｚ）を生じる。
【００５３】
複数の異なる微細加工手法を基板１８への熱電材料４４の成膜に用い得るが、マグネトロン又はプラズマトロンスパッタリング等のスパッタリング方法は、好適には、高真空成膜設備の助けを借りて利用され得る。スパッタリングは、薄い基板１８への比較的厚いテルル化ビスマス系熱電材料４４の成膜に用いられ得る。上述した材料系と共に用いられると、大幅に高い出力電力が、本発明の熱発電素子１０で達成可能である。そのように大きな出力電力は、部分的には、室温範囲において、他の材料系と比較して、比較的高い性能示数（Ｚ）を有し、また、約３２°Ｆ〜約２１２°Ｆの範囲（即ち、約０℃〜約１００℃の範囲と等価な範囲）において効果的に動作するテルル化ビスマス型材料系を用いることによる。
【００５４】
前述したように、熱発電素子１０の効率は、σ及びＫが、それぞれ導電率及び熱伝導率であり、Ｓが、マイクロボルト／度（μＶ／Ｋ）で表わされるゼーベック係数である場合、式Ｚ＝Ｓ２σ／κによって定義される熱電性能示数（Ｚ）によって特徴付けられ得る。Ｚは、Ｐ／κと書き換えることができ、この場合、Ｐは、力率である。本発明の本明細書に開示する熱発電素子１０の熱電対４６構成では、熱電肢を通る熱流の方向は、基板１８を通る熱流の方向に平行である。従って、力率を熱電材料４４の有効性の目安と見なすことは、好ましいと思われる。
【００５５】
成膜手順と組み合わせた本発明の熱電肢の固有の材料組成により、熱電材料４４の比較的高い値の力率（Ｐ）が、達成された。例えば、スパッタリングによって、基板１８にＢｉ２Ｔｅ３型熱電材料４４を成膜すると、従来技術による構成と比較して、ｐ型及びｎ型熱電材料４４双方に対して、力率の値が改良されることが分かった。
【００５６】
具体的には、最適化されたスパッタリング手順をｐ型Ｂｉ２Ｔｅ３型熱電材料４４に用いると、室温範囲において、約３５μＷ／（Ｋ２×ｃｍ）の力率（Ｐｐ）に対し、ゼーベック係数（Ｓｐ）は約２１０μＶ／Ｋであり、導電性（σｐ）は約８００  １／（Ω×ｃｍ）であることが分かった。ｎ型Ｂｉ２Ｔｅ３型熱電材料４４の場合、室温範囲において、約２３μＷ／（Ｋ２×ｃｍ）の力率（Ｐｎ）に対し、ゼーベック係数（Ｓｎ）は約１８０μＶ／Ｋであり、導電性（σｎ）は約７００  １／（Ω×ｃｍ）であった。なお、上述した結果に対するｎ型熱電肢３２の厚さは約１５μｍであった。
【００５７】
上述した機械的及び電気的特性を有する熱発電素子１０に対して、出力電力の改良が実現され、図８ａ〜８ｆに記録されている。例えば、上面板及び下面板１４，１２間の約５Ｋの温度差の場合、開回路出力電圧は、約４．０Ｖ乃至約６．５Ｖの範囲内にあり得、測定値は約５．２Ｖである。同様に、短絡電流出力は、約６０μＡ乃至約１００μＡの範囲内にあり得、測定値は約７６μＡである。熱発電素子１０の好適な実施形態の場合、負荷が整合されていると、出力電力は、上面板及び下面板１４，１２間の約５Ｋの温度差において及び約２．０Ｖ乃至約３．５Ｖ間の電圧（測定値約２．６Ｖ）において、約７０μＷ乃至約１３０μＷの範囲内にあると考えられる。
【００５８】
特に、図８ａ〜８ｆに見られるように、熱発電素子１０の電力特性及び電気的パラメータは、上面板１４と下面板１４，１２との間の温度差に応じて変動する。例えば、図８ａ及び８ｄは、上面板及び下面板１４，１２間の様々な温度差に対する熱発電素子１０の電気的パラメータのグラフである。更に、具体的には、図８ａ及び８ｄは、ボルト単位の電圧対マイクロアンペア単位で測定された電流のグラフである。図８ａに見られるように、熱発電素子１０は、５Ｋの温度勾配において、開回路電圧５．２ボルトと、短絡電流出力７６．５マイクロアンペア（μＡ）を与える。
【００５９】
図８ｂ及び８ｅは、負荷が整合された場合の出力電力のグラフであり、熱発電素子１０の抵抗に対する負荷抵抗の比としてグラフに示す。図８ｂに見られるように、この場合、即ち、熱発電素子１０の抵抗に対する負荷抵抗の比が約１の場合、出力電力は、上面板及び下面板１４，１２間の温度差５Ｋにおいて、ほぼ１００マイクロワット（μＷ）である。図８ｃ及び８ｆにおいて、図示したものは、整合負荷における（即ち、熱発電素子１０の抵抗に対する負荷抵抗の比が１に等しい）熱発電素子１０の出力電力と、上面板及び下面板１４，１２間の温度差のグラフである。図８ｃに見られるように、熱発電素子１０は、温度勾配５Ｋにおいて出力電圧２．６ボルトを与え、また、そのような負荷整合時、出力電力１００μＷを与える。図８ａ及び８ｆにおいて参照したそのような測定値は、基本的な温度３０℃で得ている。更に、８ｃを参照すると分かるように、熱発電素子１０の出力電力及び出力電圧は、双方共、一般的に、対応する上面板及び下面板１４，１２間の温度勾配の増加と共に増加する。
【００６０】
次に、特に図６ａ乃至７ｂを参照すると、図示したものは、直列の箔片１６の端同士を機械的に且つ電気的に接続させ得る幾つかの実施形態である。前述したように、箔組立体５０には、端同士が接続するように配置され互いに機械的に且つ電気的に接続された複数の箔片１６を含み得る。熱電肢は、前又は後側基板表面４０，４２のうちの１つのいずれかに又は基板１８表面の双方に成膜し得るが、前側基板表面４０だけに成膜すると、熱電肢が、らせん状に巻かれた時、内向きの方向に配置でき、これによって、基板１８系の内側での熱機械的張力が小さくなり得るという点において、有利である。
【００６１】
逆に、熱電肢は、基板１８に成膜され、一方、基板１８は、その後、平坦な即ち平面の向きで、引き続き、基板１８が巻かれ円形パッケージにされることから、比較的高い機械的な応力が外側（即ち、後側基板表面）に発生し、対照的に、巻かれる際、機械的な力が、箔片１６の内側（即ち、前側基板表面）に生成される。箔組立体５０の折り返し間の短絡は、更に詳細に後述するように、熱電肢の成膜後、ストライプの両側にカバー層７２を設けることによって、防止される。
【００６２】
箔組立体５０を巻く工程には、その中心における中空コア８２の生成を含み得る。箔組立体５０の巻線用の最小直径は、約１ｍｍであり、これは、中空コア８２の内径に等しいと考えられる。しかしながら、熱発電素子１０が、電子回路等の何らかの構成要素を含む又は内包するように構成される場合、中空コア８２は、最大約８０ｍｍ（例えば、腕時計又は同様な装置の寸法）に拡張して、箔組立体５０が、より多くのリング形状又はドーナツ形状で提供されるようにしてよい。
【００６３】
更に図６ａ乃至７ｂを参照すると、箔片１６のうちの隣接するもの同士の端間接続は、箔組立体５０において、複数のコネクタ５２を利用して、円滑化され得る。各コネクタ５２は、隣接する箔片１６間の接合部を跨ぐスプライスとして機能することができ、この点において、前側及び後側基板表面４０，４２のうちの少なくとも１つに対して配置し得る。前述したように、そのような追加の機械的な安定性は、コネクタを前側及び後側基板表面双方に接合することによって提供される。コネクタ５２は、箔片１６のうちの隣接するものの未接続端を少なくとも機械的に接続するように構成されている。
【００６４】
図６ｂに見られるように、端同士の接続された箔片１６の後側基板表面及び前側基板表面の純粋に機械的な接続用のコネクタ５２を示す。基板１８には、前側及び後側基板表面４０，４２双方に熱電肢を含み得るが、後側基板表面４２が、熱電肢がない場合、図６ｂに示すようなコネクタ５２の接合は、組立接着材６２を利用して円滑化されるが、これは、好適には、非導電性であり、低熱伝導率のものである。そのような組立接着材６２は、好適には、エポキシ又はアクリレート接着剤等のＵＶ又は可視光硬化性接着材である。しかしながら、低熱伝導率で適切な機械的パラメータを備えた任意の適切な非導電性接着材を用いてよい。
【００６５】
コネクタ５２は、ポリエステル箔又は低熱伝導率で更に非導電性の他の適切な材料で組み立てられると考えられる。コネクタ５２は、ＵＶ透過性ポリエステル箔材料で組み立て得る。コネクタ５２の寸法は、好適には、コネクタ５２が、図６ｂ及び６ｃに示すように、横方向に測定される長さが相対的に小さくなるように決定する。寄生熱流束４８を低減するために、そのように短い長さは、コネクタにおいて望ましい。しかしながら、箔片１６間の機械的な安定性は、より長いコネクタ５２を利用して強化される。後側基板表面４２に接合するための１つのコネクタ５２の代表的な長さは、約１５００μｍであるが、コネクタ５２は、任意の長さで設け得る。コネクタ５２は、好適には、基板１８より小さい厚さを有するポリエステル箔材料で、更に好適には、約１２μｍの厚さを有するポリエステル箔材料で組み立て得る。
【００６６】
組立接着材６２を介したコネクタ５２の接合は、組立体及び電気接着材へのコネクタ５２の接着力を増すために、また、金属接点５４とコネクタ５２との間の接着力を増すために、コネクタ５２の少なくとも１つの側の前処理によって円滑化し得る。そのような金属接点５４は、更に詳細に後述するように、箔片１６を電気的に接続するためのものである。コネクタ５２は、箔片１６間の相互接続を円滑にするために、好適には、基板１８の高さとほぼ等価な高さである。図６ｂに見られるように、金属接点５４は、好適には、熱電肢が無い基板１８の側に取り付けられるコネクタ５２から除外し得る。図６ｃは、熱電肢の電気的接続を円滑にする金属接点５４の位置及び構成を示す。
【００６７】
図６ｃにおいて、図示したものは、そこに配置された金属接点５４を有するコネクタ５２である。そのような金属接点５４は、好適には、１μｍ乃至約５μｍニッケルの範囲内の厚さであり、また、薄い（例えば、１００ナノメートル（ｎｍ））層の金によって覆ってよく、この層は、適切な薄膜プロセス（即ち、スパッタリング、熱蒸着等）によって又は厚膜プロセスによって成膜し得る。
【００６８】
次に、図６ａ及び７ａにおいて、図示したものは、接合される箔片１６の隣接配置された未接続端である。基板１８上に配置された交互配置ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４に加えて、端接点７６が、好適には、各箔片１６におけるｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の最も端のものを接続するための手段を提供するために、基板１８の上端部及び下端部５８，６０に沿って含まれる。この点で、端接点７６は、各箔片１６の未接続端に隣接して配置されたｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４のうちの少なくとも１つを電気的に接続するための手段を提供する。
【００６９】
そして、コネクタ５２は、隣接する箔片１６の隣接端接点７６間に導電性経路を提供するために用い得る。この点に関して、金属接点５４は、箔片１６に沿ってｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４を相互接続するために用いられる高温側及び低温側金属ブリッジ２６，２８と寸法が同じであってよい。金属接点５４は、箔片１６のうちの１つのｎ型熱電肢３２のうちの最も端のものを箔片１６のうちの隣接する１つのｐ型熱電肢３４のうちの最も端のものに電気的に接続するように寸法決定及び構成されている。そのような構成を図７ａに示すが、ここでは、左端の箔片１６には、ｐ型熱電肢に接続された上端部５８に金属ブリッジが含まれる。
【００７０】
図７ａにおいて、右端の箔片１６には、ｎ型熱電肢３２を接続する箔片１６の上端部５８に金属ブリッジが含まれる。更に、各箔片１６の下端部６０には、低温側金属ブリッジ２８が含まれるが、これは、ｎ型又はｐ型熱電肢３２，３４のいずれにも接続されないが、機械的な力のバランスを取るために、また、箔接合部５６における箔組立体５０の上端部及び下端部５８，６０間の厚さを対称にするために設けられる。そのような対称の厚さは、箔接合部５６における箔片へのコネクタ５２の接合を円滑にする。
【００７１】
次に、図７ｂを簡単に参照すると、図示したものは、コネクタ５２を箔片１６に接合するための好適な実施形態であって、それらの間に機械的及び電気的接続を提供するための実施形態である。具体的には、図７ｂは、それぞれ、上端部及び下端部５８，６０の端接点７６間に配置された組立接着材６２の層を示す。そのような組立接着材６２は、隣接する箔片１６の未接続端を機械的に接続するために、好適には、低熱伝導率かつ非導電性であり、コネクタ５２の中間部分を前側及び後側基板表面４０，４２のうちの少なくとも１つに接合するように構成されている。端接点７６に沿う上端部及び下端部５８，６０にあるのは、電気接着材６４の層であり、これは、好適には、低熱伝導性であり、また、コネクタ５２の上端部及び下端部５８，６０における金属接点５４を隣接する箔片１６の端接点７６のそれぞれに接合するように構成されている。そのような電気接着材６４は、好適
には、エポキシ又はアクリレート接着剤等のＵＶ又は可視光硬化性接着材である。しかしながら、適切な機械的パラメータを備えた任意の適切な導電性接着材を用いてよい。
【００７２】
図７ｂに示す構成は、ｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の最も端のものを電気的に直列に単に接続するための方法を提供する。しかしながら、両箔片間の電気的な接続が悪い場合に熱電装置の故障を防止するために、冗長性の提供に資するべく、代替の接合構成を図６ａ及び６ｄに示すが、これは、隣接する箔片１６間の電気接点の冗長性を増す。具体的には、図６ａに示す接合構成は、端接点７６が、箔片１６の未接続端に隣接する上端部及び下端部５８，６０のうちの少なくとも１つに沿って延在させる。
【００７３】
端接点７６は、好適には、ｎ型熱電肢３２のうちの１つ及び箔片１６の未接続端に最も近く配置されたｐ型熱電肢３４のうちの１つに電気的に接続される。組立及び電気接着材６４ｓの上述した塗布を用いて、図６ｃに示すコネクタ５２構成の適用時、金属接点５４のうちの少なくとも１つは、左端箔片１６の最も端のｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の対を右側箔片１６の最も端のｎ型及びｐ型熱電肢３２，３４の対に電気的に接続するように構成される。図６ｄを簡単に参照すると、図示したものは、組立及び電気接着材６４を塗布し得るパターンであり、これは、箔接合部５６の単一冗長バージョン用の図７ｂに示したものと同様である。
【００７４】
図６ｄ及び７ｂを簡単に参照すると、そこに図示したものは、カバー層７２における開口部即ち窓７４である。前述したように、カバー層７２は、成膜プロセスに続き、熱電肢及び基板１８上に塗布される。そのような窓７４は、局所的に非導電性カバー層７２を省くために、適切なマスキング又は他の適切な製造工程によって生成し得る。カバー層７２は、らせん状に巻かれる際、箔組立体５０の連続的な折り返し間の電気的接触を防止するように本来意図されている。更に、カバー層７２は、熱電肢の機械的な安定化を提供し、酸化及び腐食から保護し、化学的接触等を制限する。図６ｄ及び７ｂに見られるように、そのような窓７４は、端接点７６が電気的に接合されるコネクタ５２の金属接点５４の寸法よりわずかに小さくなるように構成し得る。
【００７５】
例えば、端接点７６、金属接点５４又はその両方が、約１５０μｍの高さを有する場合、端接点７６上のカバー層７２の窓７４は、高さ約１２０μｍであると考えられる。同様に、窓７４は、長さ約２２０μｍを有し得るが、これは、コネクタ５２の金属接点５４の長さと適合性がある。コネクタ５２の一般的な長さに関しては、任意の適切な寸法が、与えられるが、好適には、そこに成膜された金属接点５４を有するコネクタ５２の場合、約５００μｍであってよい。前述したように、後側基板表面４２に搭載されたコネクタ５２（即ち、これは、熱電肢が無いことがある）の長さは、一般的に長くなり、約１５００μｍ程度であり得る。
【００７６】
図４ａ及び５ａを再度参照すると、図示したものは、熱発電素子１０の断面図であり、上面板及び下面板１４，１２間に封止された箔片１６の折り返しを示す。前述したように、箔組立体５０を巻いて円形パッケージにすると、中空コア８２が生成され、これは、好適には、低熱伝導率の非導電性充填剤６８で充填される。そのような充填剤６８は、中空コア８２の内側と上面板及び下面板１４，１２の外側との間に生成された圧力差による機械的な力の生成を防止するように機能し得る。これに代えて、図５ａは、上面板及び下面板１４，１２のうちの少なくとも１つに形成され、電子回路又はいずれか他の適切な構成要素の挿入を円滑にする穴８０を示す。
【００７７】
図５ａに示す構成において、電子回路は、最初に、中空コア８２に挿入し、そして、充填剤６８で充填されてよい。充填剤７０は、更に、中空コア８２の周囲に提供して、箔組立体５０への電気的及び熱的伝導を防止し得る。充填剤６８は、任意の適切な材料で構成
してよく、好適には、接着材、発泡樹脂又はその両方、中空ガラス球（例えば、マイクロバルーン）又はそれらの任意の混合物もしくは組合せを含む弾性又は非弾性材料等の低熱伝導率を有する材料である。
【００７８】
電子回路については、熱発電素子１０の最終電子応用品用の電子電力管理システムに対する一部の又は完全な解決策を代表して、電子回路は、熱発電素子１０に一体化し、更にそれによって電力供給し得る。更に、らせん巻き箔組立体５０は、電子回路を中心とするリングを形成し得ると考えられる。このように、電子回路の全体的な寸法は、中空コア８２の最小内径を決定する。しかしながら、電子回路の一部を更に形成するが中空コア８２の内に配置できない追加の電子部品は、代わりに、熱発電素子１０の外側に別個のユニットとして配置構成でき、また、上面板１４、下面板１２又はその両方に搭載し得ると考えられる。更に、薄膜バッテリは、上面板及び下面板１４，１２のうちの少なくとも１つの内側に成膜し得る。このようにして、上面板及び下面板１４，１２は、中空コア８２内に収まるように構成し得る薄膜バッテリ用の基板として機能し得る。これに代えて、薄膜バッテリは、上面板及び下面板１４，１２のうちの少なくとも１つの任意の又は全ての部分間を延在するように構成し得る。
【００７９】
そのような電子回路には、電子低電力管理システム、最終電子応用品又はその両方を含むことができ、また、腕時計、パルス／血圧測定器及び他の医療装置、ＲＦＩＤ装置、並びにＲＦ技術形式で更に提供し得るセンサ装置等の様々な装置を含み得る。電力管理システムの形態の電子回路は、熱発電素子１０によって生成された電力を処理するために、また、安定で保護された電源を最終電子応用品に提供するために、一体化し得る。理想的には、電力管理システムそれ自体は、消費電力をできるだけ少なくすべきであり、以下の特徴、即ち、過電圧保護、エネルギ蓄積、逆熱電電圧及び逆電流に対する保護、逆熱電電圧を変換する整流器、電子応用品用の低電圧保護、及び電子応用品（即ち、腕時計）用のエネルギ蓄積管理を含み得る。
【００８０】
過電圧保護は、最終電子応用品と順方向に及び並列に接続されたダイオード又は一連のダイオード等の手段によって円滑化し得る。エネルギ蓄積は、コンデンサ（低漏洩大容量型及び超コンデンサ型）、充電式薄膜バッテリ、又は両装置の組合せ等の様々な電子部品によって円滑化し得る。逆電圧に対する保護は、順方向で熱発電素子１０と直列接続されたショットキーダイオード等の低順方向電圧を有するダイオードを利用して円滑化し得る。
【００８１】
整流器は、逆電圧を変換するために設けることができ、また、逆熱電電圧を何らかの電子回路に電力供給するために用い得るように、例えば、グレーツブリッジ（Ｇｒａｅｔｚ−Ｂｒｉｄｇｅ）（例えば、４つのダイオードの構成）等の様々な構成要素を用いることによって、実現し得る。更に、整流器は、電子低電力管理システム、最終電子応用品又はその両方によって生成された逆電流の阻止を実現し得る。
【００８２】
最終電子応用品の低電圧保護は、比較器回路を利用して円滑化し得る。そのような比較器回路は、最終電子応用品の動作電圧が、しきい値電圧より下がる場合、熱発電素子１０によって生成された電力を遮断するように構成し得る。エネルギ蓄積管理は、熱発電素子１０の最適な用途にとって重要であり得る。この点に関して、必要に応じて熱発電素子１０によって電力を提供し得るが、更に、過剰エネルギの浪費を防止するためにエネルギを蓄積し得るようなエネルギ蓄積管理システムを構成することが望ましい。そのようなエネルギ蓄積管理は、電圧レベル要求に応じて蓄積容量にエネルギを供給する電子回路を用いて、実現し得ると考えられる。電子低電力管理システムの一部又は全回路は、集積化密度及び機能強化用及び消費電力低減用のＡＳＩＣ（即ち、特定用途向け集積回路）として実現し得る。
【００８３】
図４ａ及び５ａを更に参照すると、熱発電素子１０には、上面板及び下面板１４，１２間において、箔片１６の外周部周辺を延在する封止剤７０の層を含み得る。そのような封止剤７０は、好適には、非導電性で低熱伝導率である。そのような封止剤７０は、好適には、湿気吸収、腐食、流体汚染、ごみに対する熱発電素子１０の保護並びに他の望ましくない元素に対する密閉を増すように構成されている。封止剤７０は、箔組立体５０の外部領域、中空コア８２内領域、及び上面板又は下面板１４，１２のいずれかにおける穴８０を充填するように塗布し得る。
【００８４】
本発明の熱発電素子１０の製造において、初期の工程には、基板１８の準備を含み、また、基板１８を適切な寸法に切断する工程を含み得る。その後、アニール処理及びフレームに基板１８を接着してそこに保持する工程を含み得る。そのような基板１８は、任意の適切な材料であってよく、好適には、カプトンテープである。基板１８の組立て後、また、アニール処理に続き、ｐ型熱電材料４４を基板１８に成膜する。
【００８５】
そのような成膜工程には、真空チャンバ及びプラズマエッチャの準備と、真空チャンバへのターゲット及びウェーハホルダの挿入とが含まれる。前述したように、そのようなｐ型熱電材料４４は、好適には、上述した過剰量のＴｅのテルル化ビスマス型である。プラズマドライエッチングに続き、ｐ型熱電材料４４の低温スパッタリングを室温で実施する。そして、ｐ型熱電材料４４の結晶成長を増すために、高温スパッタリングを実施する。高温及び低温スパッタリング処理は、成膜された熱電材料４４に最適な力率を提供するために、任意の回数（好適には、各々３回）繰り返してよい。ｐ型熱電材料４４の成膜に続き、フォトレジストを塗布し構成することによって、そのフォトリソグラフィを実施する。そして、ｐ型熱電材料４４をエッチングによって構成し、その後、フォトレジストを除去する。
【００８６】
そして、ｎ型熱電材料４４の成膜は、適切なテルル化ビスマス材料のターゲットを用いて、プラズマエッチャにより真空チャンバにおいて実施する。前述したように、そのようなｎ型熱電材料４４は、好適には、テルル化ビスマス型であり、上述した過剰量のＴｅ及びＳｅを備える。更に、ｎ型熱電材料４４により、最適な層を提供するために、低温及び高温スパッタリングを交互に実施してよい。ｎ型熱電材料４４のフォトリソグラフィ及びエッチングによる構成に続き、次に、リフトオフフォトリソグラフィを実施し、その後、高温及び低温金属ブリッジ２６，２８、箔片１６の端接点７６、及びコネクタ５２の金属接点５４用のニッケル・金層の成膜を行う。リフトオフ構成、カバー層７２を生成するフォトリソグラフィ、アニール、及び箔片１６へのウェーハの切断に続き、箔片１６は、端同士が接続するように組み立てられ得る。
【００８７】
箔片組立処理は、図６ｅに示した位置において、組立接着材６２用いて、図６ｂに示すものと同様なコネクタ５２を前側及び後側基板表面４０，４２のうちの少なくとも１つに接着することで、開始し得る。そして、図６ｃにおいて示したように構成されたコネクタ５２を前側基板表面４０に付着させることによって、箔片１６の機械的及び電気的接続を実施し得るが、ここで、電気接着材６４は、隣接配置された箔片のｎ型及びｐ型熱電肢の最も端のものの間に跨るように塗布される。これに代えて、端接点７６及び金属接点５４が、図６ｄ及び７ｂに示したパターンで箔片上に設けられている場合、電気接着材６４は、金属接点を箔片のうちの１つの端接点のうちの少なくとも１つに接合するように塗布して、電気的な接続を改良し得る。そのような電気接着材６４は、炉等の任意の適切な手段において硬化してよい。
【００８８】
一連の箔片１６の相互接続に続き、箔組立体５０は、らせん状に巻いて円形状にし、そして、例えば、熱接着材６６を用いることによって、上面板及び下面板１４，１２に取り
付け、これを対流炉等の任意の適切な手段において硬化し得る。そのような熱的な接着材６６は、上面板及び下面板１４，１２がセラミックス等のＵＶ又は可視光通過材料で構成される場合、エポキシ又はアクリレート接着剤等のＵＶ又は可視光硬化性接着材であってよい。しかしながら、適切な機械的パラメータと共に高熱伝導率の任意の適切な非導電性接着材を用いてよい。そして、箔組立体５０の最対向端にある金属端接点の最も端のものは、上面板及び下面板１４，１２が、装置の電源供給用の電気接点として機能し得るように、上面板及び下面板１４，１２のそれぞれに接続してよい。そのような接点は、従来の腕時計バッテリの接点と機能的に及び構造的に同様であってよい。そして、その動作に悪影響を及ぼし得る湿気、化学薬品、機械的影響及び他の何らかのごみに対して熱発電素子１０を保護するために、装置の封止を実施する。
【００８９】
代替の製造プロセスにおいて、長尺状箔片は、ｎ型及びｐ型熱電肢のアレイを基板材料の前側及び後側基板表面のうちの少なくとも１つに成膜するために、ロールツーロール処理手法を用いて、熱発電素子用に組み立て得ると考えられる。そのようなロールツーロール処理は、２００５年８月２３日、チャン・パーク（Ｃｈａｎ  Ｐａｒｋ）らに対して発行された米国特許第６，９３３，０９８号、表題「基板網における同期光リソグラフィ露光による表示装置のロールツーロール製造のためのプロセス」に開示されたものと同様であってよく、この全内容は、特に、本明細書に引用・参照する。同様に、金属ブリッジ及び端接点は、同様なロールツーロール処理手法を用いて、前側及び後側基板表面のうちの少なくとも１つに成膜し得る。同様に、金属接点が含まれる又は除外されたコネクタの組み立てもまたそのようなロールツーロール処理中に組み立て得る。
【００９０】
本発明の追加の修正及び改良もまた当業者には明らかであろう。従って、本明細書で例示し述べた部品の特定の組合せは、本発明の或る実施形態だけを表すように意図されており、本発明の精神及び範囲内において、代替の手段を制限するものとして機能するように意図されてはいない。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の複数の箔片の構成を示す熱発電素子の斜視図。
【図２】各箔片の基板膜上に配置された交互配置のｎ型及びｐ型熱電肢の構成を示す図１の２−２線に沿った熱発電素子の側断面図。
【図３】熱発電素子の熱電対を構成するｐ型及びｎ型熱電肢の対の概略図。
【図４ａ】代替の実施形態における円形状の熱発電素子の断面図であり、上面板と下面板との間に取り込まれたらせん巻き箔組立体を示し、更に、箔組立体の中央の中空コア内に配置された充填材を示す図。
【図４ｂ】図４ａの熱発電素子の上面図であり、上面板の円形の形状を示す図。
【図５ａ】熱発電素子の断面図であり、上面板中に形成され、充填剤が無ければ中空であるコア内の充填剤に延在する穴であって、例えば、熱発電素子内に電子回路を封入するために用い得る穴を示す図。
【図５ｂ】図５ａに示す熱発電素子の上面図であり、上面板中に形成され中央に配置された穴を示す図。
【図６ａ】端同士が接続するように配置された一対の箔片で構成された箔組立体の側面図であり、箔片のうちの１つの最も端のｎ型及びｐ型熱電肢の対を箔片のうちの隣接する１つの最も端のｎ型及びｐ型熱電肢に電気的に接続するために用い得る各々隣接配置された箔片の上端部及び下端部において未接続端に隣接する端接点の構成を示す図。
【図６ｂ】隣接配置された箔片を重ね継ぎするための前側及び後側基板表面のうちの少なくとも１つに用い得るコネクタの平面図。
【図６ｃ】隣接配置された箔片間の電気的な接続の改良のためにコネクタの上端部及び下端部に配置された金属接点を有するコネクタの改良構成の平面図。
【図６ｄ】隣接配置された一対の箔片の側面図であり、各箔片の上端部と下端部との間のほぼ中間に配置された組立接着材の層及び隣接配置された箔片の端接点のそれぞれに配置された電気接着材を示す図。
【図６ｅ】図６ｄに示す箔組立体の反対側表面の側面図であり、隣接配置された箔片をコネクタ（図示せず）で機械的に接続するために、そこに配置された組立接着材の層を示す図。
【図７ａ】箔片のうちの１つの端型熱電肢のうちの最も端のものから箔片のうちの隣接する１つのｐ型熱電肢のうちの最も端のものとの間で“単一の”電気的な接続で端同士が接続するように配置された一対の箔片の側面図。
【図７ｂ】図７に示す箔片の側面図であり、機械的に及び電気的に箔片を接合するために用い得る組立接着材及び電気接着材の位置を示す図。
【図８ａ】上面板と下面板との間の様々な温度差における熱発電素子の電力特性を示すグラフ。
【図８ｂ】上面板と下面板との間の様々な温度差における熱発電素子の電力特性を示すグラフ。
【図８ｃ】上面板と下面板との間の様々な温度差における熱発電素子の電力特性を示すグラフ。
【図８ｄ】上面板と下面板との間の様々な温度差における熱発電素子の電力特性を示すグラフ。
【図８ｅ】上面板と下面板との間の様々な温度差における熱発電素子の電力特性を示すグラフ。
【図８ｆ】上面板と下面板との間の様々な温度差における熱発電素子の電力特性を示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図８ｆ】
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【国際調査報告】
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