(57)【要約】【課題】熱電材料層と基板との高い密着性を実現できることで、製造段階における熱電材料層の基板からの剥離防止を図ることができると共に、基板と水平方向の熱電特性を維持することが可能な熱電変換用積層構造、該熱電変換用積層構造を用いた熱電変換素子、該熱電変換素子を用いた赤外線センサ、及び前記熱電変換用積層構造の製造方法の提供を課題とする。【解決手段】基板１０と、Ｔｉ金属若しくはＴｉ合金からなる独立積層部２１を複数、相互に分散して積層形成してなる緩衝層２０と、Ｂｉ、Ｓｂの第１群から選ばれる１又は２の元素とＴｅ、Ｓｅの第２群から選ばれる１又は２の元素とを有効成分として含む熱電材料層３０とが、この順で積層されている熱電変換用積層構造である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、Ｔｉ金属若しくはＴｉ合金からなる独立積層部を複数、相互に分散して積層形成してなる緩衝層と、Ｂｉ、Ｓｂの第１群から選ばれる１又は２の元素とＴｅ、Ｓｅの第２群から選ばれる１又は２の元素とを有効成分として含む熱電材料層とが、この順で積層されていることを特徴とする熱電変換用積層構造。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電変換用積層構造を一定の長さをもって形成すると共に、前記熱電変換用積層構造の両端部にそれぞれ電極層を積層形成してなる温接点部と冷接点部とを設けたことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項３】
請求項２に記載の熱電変換素子の温接点部に接続している赤外線吸収発熱部を備えたことを特徴とする赤外線センサ。
【請求項４】
基板上に、Ｔｉ金属若しくはＴｉ合金による独立積層部を複数、相互に分散してなる緩衝層を積層形成する工程と、前記緩衝層を介して、Ｂｉ、Ｓｂの第１群から選ばれる１又は２の元素とＴｅ、Ｓｅの第２群から選ばれる１又は２の元素とを有効成分として含む熱電材料層を積層形成する工程とを有することを特徴とする熱電変換用積層構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換用積層構造、該熱電変換用積層構造を用いた熱電変換素子、該熱電変換素子を用いた赤外線センサ、及び前記熱電変換用積層構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線センサは、量子型と熱型とに大別される。このうち量子型は、感度及び応答速度で優れる反面、非常に高価であり、且つ即時性に劣るなど応用分野が限定される。一方、熱型は、ボロメータ型、焦電型及びサーモパイル型に分類され、感度及び応答速度に難はあるものの、安価なことから、近年著しい発展がみられる。特に自動車に積載する安価な民生用赤外線センサとしては、検出感度以外の全ての点で優れているサーモパイル型が実用化されつつある。
サーモパイル型赤外線センサとは、赤外線を吸収して熱に変換し、この熱エネルギーを熱電材料のゼーベック効果による熱起電力として検出するセンサである。この検出感度を向上させる方法として、赤外線強度を検知する熱電材料に特性の高いＢｉＴｅを適用することが有効と考えられる。しかしながら、ＢｉＴｅは非常に脆い材料であり、薄膜で使用すると製造過程の超音波洗浄等により基板から剥離し易いという問題があった。
従来、成膜条件を最適化することで、基板とＢｉＴｅを用いた熱電材料との密着性を向上させるものがあった。そのようなものとして、例えば下記特許文献１がある。
下記特許文献１は、熱電発電素子およびその製造方法に関する発明で、微小な熱電発電素子を製造し導電性接着剤により配線を行う方法と、その構造に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３５８３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１においては、微小な熱電発電素子の配線がショートやパターン欠落することがないメリットがある。
しかしながら、ＢｉＴｅは非常に脆い材料であり、薄膜で使用すると製造過程の超音波洗浄等により基板から剥離し易いという問題があるところ、上記特許文献１おいては、製造段階における熱電発電素子の基板からの剥離防止に対する対策は何らとられておらず、そのような構成も何ら開示されていないという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は上記従来における問題点を解決し、熱電材料層と基板との高い密着性を実現できることで、製造段階における熱電材料層の基板からの剥離防止を図ることができると共に、基板と水平方向の熱電特性を維持することが可能な熱電変換用積層構造、該熱電変換用積層構造を用いた熱電変換素子、該熱電変換素子を用いた赤外線センサ、及び前記熱電変換用積層構造の製造方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の熱電変換用積層構造は、基板と、Ｔｉ金属若しくはＴｉ合金からなる独立積層部を複数、相互に分散して積層形成してなる緩衝層と、Ｂｉ、Ｓｂの第１群から選ばれる１又は２の元素とＴｅ、Ｓｅの第２群から選ばれる１又は２の元素とを有効成分として含む熱電材料層とが、この順で積層されていることを第１の特徴としている。
【０００７】
上記本発明の第１の特徴によれば、基板と、Ｔｉ金属若しくはＴｉ合金からなる独立積層部を複数、相互に分散して積層形成してなる緩衝層と、Ｂｉ、Ｓｂの第１群から選ばれる１又は２の元素とＴｅ、Ｓｅの第２群から選ばれる１又は２の元素とを有効成分として含む熱電材料層とが、この順で積層されていることから、応力に対する変形吸収能を有するＴｉ金属層若しくはＴｉ合金層で基板上に緩衝層を形成し、緩衝層上に熱電材料層を積層形成することで、基板と熱電材料層との高い密着性を実現できる。よって熱電材料層を薄膜で使用した場合でも、製造段階において基板から剥離し難くすることができる。
また緩衝層は、Ｔｉ金属若しくはＴｉ合金からなる独立積層部を複数、相互に分散して積層形成することで構成されていることから、緩衝層と熱電材料層との間の絶縁性を確実に確保することができる。よって基板と水平方向の熱電特性を維持することができる。
更にＢｉ、Ｓｂの第１群から選ばれる１又は２の元素とＴｅ、Ｓｅの第２群から選ばれる１又は２の元素とを有効成分として含む熱電材料層とすることで、起電力の大きい熱電材料層とすることができる。
【０００８】
また本発明の熱電変換素子は、第１の特徴に記載の熱電変換用積層構造を一定の長さをもって形成すると共に、前記熱電変換用積層構造の両端部にそれぞれ電極層を積層形成してなる温接点部と冷接点部とを設けたことを第２の特徴としている。
【０００９】
上記本発明の第２の特徴によれば、第１の特徴に記載の熱電変換用積層構造を一定の長さをもって形成すると共に、前記熱電変換用積層構造の両端部にそれぞれ電極層を積層形成してなる温接点部と冷接点部とを設けたことから、基板と熱電材料層との高い密着性を実現可能な熱電変換素子とすることができる。また基板と水平方向の熱電特性を維持することができると共に、起電力の大きい熱電変換素子とすることができる。
【００１０】
また本発明の赤外線センサは、請求項２に記載の熱電変換素子の温接点部に接続している赤外線吸収発熱部を備えたことを第３の特徴としている。
【００１１】
上記本発明の第３の特徴によれば、第２の特徴に記載の熱電変換素子の温接点部に接続している赤外線吸収発熱部を備えたことから、基板と熱電材料層との高い密着性を実現可能な赤外線センサとすることができる。また基板と水平方向の熱電特性を維持することができると共に、起電力の大きい赤外線センサとすることができる。よって高い検出感度を有する赤外線センサとすることができる。
【００１２】
また本発明の熱電変換用積層構造の製造方法は、基板上に、Ｔｉ金属若しくはＴｉ合金による独立積層部を複数、相互に分散してなる緩衝層を積層形成する工程と、前記緩衝層を介して、Ｂｉ、Ｓｂの第１群から選ばれる１又は２の元素とＴｅ、Ｓｅの第２群から選ばれる１又は２の元素とを有効成分として含む熱電材料層を積層形成する工程とを有することを第４の特徴としている。
【００１３】
上記本発明の第４の特徴によれば、基板上に、Ｔｉ金属若しくはＴｉ合金による独立積層部を複数、相互に分散してなる緩衝層を積層形成する工程と、前記緩衝層を介して、Ｂｉ、Ｓｂの第１群から選ばれる１又は２の元素とＴｅ、Ｓｅの第２群から選ばれる１又は２の元素とを有効成分として含む熱電材料層を積層形成する工程とを有することから、基板上にＴｉ金属層若しくはＴｉ合金層による緩衝層を積層形成すると共に、該緩衝層を介して、Ｂｉ、Ｓｂの第１群から選ばれる１又は２の元素とＴｅ、Ｓｅの第２群から選ばれる１又は２の元素とを有効成分として含む熱電材料層を積層形成することができる。よって基板と熱電材料層との高い密着性を実現可能な熱電変換用積層構造を製造することができる。従って製造段階における熱電材料層の基板からの剥離防止を図ることができる。また緩衝層と熱電材料層との間の絶縁性を確実に確保することができ、基板と水平方向の熱電特性を維持することができる熱電変換用積層構造を製造することができる。また起電力の大きい熱電変換用積層構造を製造することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の熱電変換用積層構造、該熱電変換用積層構造を用いた熱電変換素子、該熱電変換素子を用いた赤外線センサ、及び前記熱電変換用積層構造の製造方法によれば、熱電材料層と基板との高い密着性を実現できることで、製造段階における熱電材料層の基板からの剥離防止を図ることができる。また基板と水平方向の熱電特性を維持することができると共に、起電力の大きい熱電変換用積層構造、該熱電変換用積層構造を用いた熱電変換素子、該熱電変換素子を用いた赤外線センサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る熱電変換素子の製造工程を簡略化して示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る赤外線センサの内部構造を簡略化して示す平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る熱電変換素子を構成する緩衝層の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱電変換用積層構造、該熱電変換用積層構造を用いた熱電変換素子、該熱電変換素子を用いた赤外線センサ、及び前記熱電変換用積層構造の製造方法を説明し、本発明の理解に供する。しかし、以下の説明は本発明の実施形態であって、特許請求の範囲に記載の内容を限定するものではない。
【００１７】
まず図１を参照して、本発明の実施形態に係る熱電変換素子１の製造方法を説明する。
【００１８】
図１（ａ）を参照して、基板１０上にＴｉ金属からなる独立積層部２１をスパッタリングにより複数、相互に分散して積層形成することで緩衝層２０を形成する。
基板１０としては、リジット基板、フレキシブル基板、リジットフレキシブル基板等、プリント基板として用いられるものであれば如何なるものであってもよい。例えば紙フェノール基板、紙エポキシ基板、ガラスコンポジット基板、ガラスエポキシ基板、セラミックス基板、テフロン（登録商標）基板、アルミナ基板、コンポジット基板、Ｓｉ基板、ＳｉＮ基板等とすることができる。
【００１９】
また独立積層部２１は、Ｔｉ金属からなるものに限るものではなく、Ｔｉ合金からなるものであってもよい。Ｔｉ合金としては、例えばＴｉ−Ｔａ、Ｔｉ−Ａｌを用いることができる。
また独立積層部２１の形成方法は、スパッタリングに限るものではなく、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）法等の他の物理的蒸着法、化学的蒸着法、その他、如何なるものであってもよい。
また緩衝層２０の厚みは２ｎｍ〜５ｎｍ、より好ましくは２ｎｍ〜３ｎｍとすることが望ましい。
なお、ここで緩衝層２０の「厚み」とは、図１（ａ）に示すように、基板１０の厚み方向Ａと同じ方向の寸法をさすものとする。
【００２０】
また独立積層部２１の形状、数、基板１０上における配置位置等は、本実施形態におけるものに限るものではなく、適宜変更可能である。例えば、独立積層部２１の形状としては、点、楕円、四角形、多角形、線条等とすることができる。また基板１０上における配置位置としては、複数の独立積層部２１が規則的に配置されるものであってもよいし、不規則に配置されるものであってもよい。
つまり複数の独立積層部２１を相互に分散させて積層形成することで、複数の独立積層部２１を相互に独立させることができ、基板１０と水平方向である、図１（ｃ）におけるＢ−Ｂ線方向に電流が流れない構成とできるものであれば、如何なるものであってもよい。より具体的には、緩衝層２０において、後述する温接点部４１側から冷接点部４２側へ電流が流れない構成とできるものであれば、如何なるものであってもよい。
【００２１】
次に図１（ｂ）を参照して、緩衝層２０を形成した後、Ｔｉ金属からなる独立積層部２１が酸化しないように、連続して熱電材料層３０をスパッタリングにより緩衝層２０の上に積層形成する。
熱電材料層３０としては、Ｂｉ、Ｓｂの第１群から選ばれる１又は２の元素と、Ｔｅ、Ｓｅの第２群から選ばれる１又は２の元素とを、有効成分として含むものを用いる。例えばＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｓｅ、Ｂｉ−Ｓｅ、Ｂｉ−Ｔｅ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｓｅ−Ｔｅとすることができる。このような構成とすることで、起電力の大きい熱電材料層３０とすることができる。
【００２２】
また熱電材料層３０の積層方法は、スパッタリングに限るものではなく、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）法などの他の物理蒸着法を用いるものであってもよい。
なお、熱電材料層３０の厚みは１００ｎｍ〜５００ｎｍ、より好ましくは３００ｎｍ〜４００ｎｍとすることが望ましい。
【００２３】
熱電材料層３０の積層形成により、図１（ｂ）に示すように、基板１０上に緩衝層２０を介して熱電材料層３０を積層形成してある熱電変換用積層構造１００が形成される。
【００２４】
次に図１（ｃ）を参照して、一定の長さをもって形成した熱電変換用積層構造１００の両端部に電極層４０を積層形成する。なお、この電極層４０は、温接点部４１と冷接点部４２とから構成されている。
電極層４０としては、金、白金、アルミニウム、銅等の良導電性金属を用いることができる。
また電極層４０の形成方法は、スパッタリング、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）法等の物理蒸着法を用いることができる。
以上の工程を経ることで、図１（ｃ）に示す熱電変換素子１が製造される。
この熱電変換素子１は、以下の特徴を有する。
【００２５】
応力に対する変形吸収能を有するＴｉ金属層若しくはＴｉ合金層で緩衝層２０を形成することで、基板１０と熱電材料層３０との高い密着性を実現できる。よって熱電材料層３０を薄膜で使用した場合でも、製造段階において基板１０から剥離し難くすることができる。
またＴｉ金属からなる独立積層部２１を複数、相互に分散して積層形成して緩衝層２０を構成することで、隣接する独立積層部２１間に電流が流れることを防止することができる。つまり熱電材料層３０よりも高い抵抗値を有する緩衝層２０とすることができる。よって緩衝層２０と熱電材料層３０との間に絶縁層を介することなく、緩衝層２０と熱電材料層３０との絶縁を確保することができる。よって基板１０と水平方向の熱電特性を維持することができる。
更にＢｉ、Ｓｂの第１群から選ばれる１又は２の元素とＴｅ、Ｓｅの第２群から選ばれる１又は２の元素とを有効成分として含む熱電材料層３０とすることで、起電力の大きい熱電変換素子１とすることができる。
【００２６】
次に図２を参照して、本実施形態に係る赤外線センサ２００を説明する。
この赤外線センサ２００は、遠赤外線センサであり、基板１０上に既述した熱電変換素子１を備えると共に、温接点部４１に赤外線吸収発熱部５０を接続しているものである。
同一部材、同一機能を果たすものについては、同一番号を付し、以下の説明を省略する。
【００２７】
赤外線吸収発熱部５０に赤外線が吸収されることで、赤外線吸収発熱部５０と接続されている温接点部４１の温度が上昇する。
温接点部４１の温度が上昇すると、冷接点部４２との温度差に応じた電位差が熱電材料層３０に生じる。つまり熱電材料層３０の電位差に応じた起電力が得られる。この起電力が冷接点部４２を構成する電極から取り出され、電気信号として基板１０上の読み出し回路に送られる。この電気信号は、熱電変換素子１が配置されている領域に入射された赤外線量を示している。そして基板１０上の図示していない多数の熱電変換素子１からの電気信号に基づいて、外部回路で赤外線画像が作成される。
【００２８】
なお赤外線吸収発熱部５０は、ニッケルクロム膜、白金膜等で形成することができる。
【００２９】
次に図３を参照して本発明の実施形態に係る熱電変換素子１を構成する緩衝層２０の変形例を説明する。
【００３０】
まず図３（ａ）を参照して、本変形例１は、緩衝層２０を構成する独立積層部を線条に形成したものである。その他の点においては、既述した本発明の実施形態における熱電変換素子１と同一である。同一部材、同一機能を果たすものについては、同一番号を付し、以下の説明を省略する。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、Ｃ−Ｃ線方向を長寸とした線条の独立積層部２２を複数、Ｂ−Ｂ線方向に間隔を隔てて積層形成することにより、緩衝層２０においてＢ−Ｂ線方向、即ち図１（ｃ）に示す温接点部４１側から冷接点部４２側へ、電流が流れない構成とすることができる。よって熱電材料層３０よりも高い抵抗値を有する緩衝層２０とすることができる。従って緩衝層２０と熱電材料層３０との間に絶縁層を介することなく、緩衝層２０と熱電材料層３０との絶縁を確保することができる。よって基板１０と水平方向の熱電特性を維持することができる。
【００３２】
次に図３（ｂ）を参照して、本変形例２は、緩衝層２０を構成する独立積層部をブロック状に形成したものである。その他の点においては、既述した本発明の実施形態における熱電変換素子１と同一である。同一部材、同一機能を果たすものについては、同一番号を付し、以下の説明を省略する。
なお「ブロック状」とは、複数の独立積層部２３が図３（ｂ）に示すＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線方向において、均等な間隔で規則正しく配置された状態を示すものとする。
【００３３】
独立積層部２３をブロック状に形成することで、緩衝層２０においてＢ−Ｂ線方向、即ち図１（ｃ）に示す温接点部４１側から冷接点部４２側へ、電流が流れない構成とすることができる。更にＣ−Ｃ線方向にも電流が流れることを防止することができる。よって一段と熱電材料層３０よりも高い抵抗値を有する緩衝層２０とすることができる。従って緩衝層２０と熱電材料層３０との間に絶縁層を介することなく、緩衝層２０と熱電材料層３０との絶縁を確保することができる。よって基板１０と水平方向の熱電特性を一段と維持することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は基板と熱電材料層との密着性及び熱電特性に優れた熱電変換素子として遠赤外線カメラ等に利用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１            熱電変換素子
１０          基板
２０          緩衝層
２１          独立積層部
２２          独立積層部
２３          独立積層部
３０          熱電材料層
４０          電極層
４１          温接点部
４２          冷接点部
５０          赤外線吸収発熱部
１００        熱電変換用積層構造
２００        赤外線センサ
【図１】
2011018689.tif 000003
【図２】
2011018689.tif 000004
【図３】
2011018689.tif 000005