(57)【要約】  底部プレート（１２）上に間隔を置いて配置されている頂部プレート（１４）を備える熱電発電装置（１０）用の箔片。箔片のアレイ（１６）は、底部プレートおよび頂部プレートの間に並べて垂直に配置されていて、これらプレートと熱的に接触している。各箔片は、約７．５〜５０ミクロンの厚さを有する基板（１８）、対向している前部基板面および背部基板面、および前部基板面上に平行に配置されている一連の間隔を置いた交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部を備える。前記各ｎ型およびｐ型脚部（３２，３４）は、約５〜１００ミクロンの厚さ、約１０〜１００ミクロンの幅、および約１００〜５００ミクロンの長さを有するテルル化ビスマスをベースとする熱電材料からできている。交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部（３２，３４）は、底部プレートと頂部プレートとの間の温度差が電力を発生するように、電気的に直列に接続していて、熱的に並列に接続している。
2007500951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電発電装置用の箔片であって、
対向する前部基板面および背部基板面を有する基板と、
前記前部基板面上に間隔を置いて平行に配置されている一連の細長い交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部を備え、前記各ｎ型およびｐ型脚部が、約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さの熱電材料から形成され、各ｎ型およびｐ型熱電脚部がある幅と長さを有し、前記幅が約１０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲にあり、前記長さが約１００ミクロン〜約５００ミクロンの範囲にある電脚部と、からなり、
前記一連のｎ型およびｐ型熱電脚部が電気的には直列で熱的には並列に接続するように、前記ｐ型熱電脚部の対向端部と、前記ｎ型熱電脚部のうちの隣接する熱電脚部と、が電気的に接続している箔片。
【請求項２】
前記基板が、約７．５ミクロン〜約５０ミクロンの範囲の厚さを有する請求項１に記載の箔片。
【請求項３】
前記基板が、約２５ミクロンの厚さを有する請求項１に記載の箔片。
【請求項４】
前記熱電材料の厚さが、約７ミクロンである請求項１に記載の箔片。
【請求項５】
前記ｐ型熱電脚部用の熱電材料が、下式を有する半導体化合物である請求項１に記載の箔片。
（Ｂｉ０．１５Ｓｂ０．８５）２Ｔｅ３＋約１０原子百分率Ｔｅ過剰分から約３０原子百分率Ｔｅ過剰分
【請求項６】
前記半導体化合物が、約１８原子百分率過剰分を有する請求項５に記載の箔片。
【請求項７】
前記各ｐ型熱電脚部が、約４０ミクロンの幅を有する請求項５に記載の箔片。
【請求項８】
前記各ｎ型熱電脚部が、約６０ミクロンの幅を有する請求項１に記載の箔片。
【請求項９】
前記ｎ型およびｐ型熱電脚部の長さが、約５００ミクロンである請求項１に記載の箔片。
【請求項１０】
前記半導体化合物が、スパッタリングにより前記基板上に成膜される請求項１に記載の箔片。
【請求項１１】
前記スパッタリング成膜速度が、約２ナノメートル／秒〜約１０ナノメートル／秒の範囲内にある請求項１０に記載の箔片。
【請求項１２】
前記スパッタリング成膜速度が、約２．７ナノメートル／秒である請求項１１に記載の箔片。
【請求項１３】
熱電発電装置用の箔片のアレイであって、前記各箔片が請求項１に記載のように構成され、
前記各ｐ型熱電脚部および前記ｎ型熱電脚部の隣接する熱電脚部が両方で熱電対を形成し、
箔片の前記アレイが、箔片の前記アレイ上にほぼ均一に分散している全部で約１０００〜約２０，０００の熱電対を含む箔片のアレイ。
【請求項１４】
熱電発電装置用の箔片であって、前記箔片が複数のｎ型およびｐ型熱電脚部を含み、前記
各ｐ型熱電脚部が下式を有する半導体化合物からなる箔片。
（Ｂｉ０．１５Ｓｂ０．８５）２Ｔｅ３＋約１０原子百分率Ｔｅ過剰分から約３０原子百分率Ｔｅ過剰分
【請求項１５】
前記半導体化合物が、約１８原子百分率の過剰分を有する請求項１４に記載の箔片。
【請求項１６】
熱電発電装置用の箔片であって、
約７．５ミクロン〜約５０ミクロンの範囲内の厚さを有し、対向する前部基板面および背部基板面を含む基板であって、低い熱伝導性を有する電気絶縁材からできている基板と、
前記各前部基板面上に平行に配置されている一連の間隔をおいた交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部を備え、前記各ｎ型およびｐ型脚部が、熱電材料からできていて、約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さを有し、各ｎ型およびｐ型熱電脚部がある幅と長さを有し、前記幅が約１０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲内にあり、前記長さが約１００ミクロン〜約５００ミクロンの範囲内にあり、
前記各ｐ型熱電脚部が、前記一連のｎ型およびｐ型熱電脚部が、電気的には直列におよび熱的には並列に接続するように、前記ｐ型熱電脚部の対向端部と隣接するｎ型熱電脚部とが電気的に接続している箔片。
【請求項１７】
前記各ｐ型熱電脚部が、下式を有する半導体化合物からできている請求項１６に記載の箔片。
（Ｂｉ０．１５Ｓｂ０．８５）２Ｔｅ３＋約１８原子百分率過剰分
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、熱電デバイスに関し、特にマイクロ電子デバイスと一緒に使用することができるコンパクトなサイズで比較的高電圧出力を有する自給自足型低電力熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電子デバイスがますます小型化する傾向があるので、小型の電源を開発する必要がある。電池および太陽電池は、このようなマイクロ電子デバイスのために従来から使用されている電源である。しかし、電池が供給する電力は、時間の経過とともに消耗し、電池を周期的に交換しなければならない。太陽電池は効果的なものであり寿命が無限であるが、電力の一時的な供給源にすぎない。何故なら太陽または他の光源はいつでも利用できるわけではないからである。
【０００３】
熱電発電装置は、確立した物理学の原理により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。ゼーベック効果は、可動部分を有さない固体型電気素子を使用する、熱エネルギーからの発電の基礎となる輸送現象である。ゼーベック効果は、一方の端部で接合している熱電対と呼ばれる一組の異なる金属（ｎ型およびｐ型）を使用する。ｎ型およびｐ型は、それぞれ材料内の電荷キャリアの負および正を意味する。熱電対の接合していない端部を低温状態に維持しながら熱電対の接合している端部を加熱すると、接合していない端部の両端に起電力（ｅｍｆ）、すなわち電圧電位が発生する。金属の自由電子理論に基づいて、２つの異なる金属の接合部のところの電子に作用する力が、高い電子密度を有する金属から低い電子密度を有する金属の方に電子を引きつけようとする。電子をもらった金属は負の電位となり、一方、電子を失った金属は正の電位になる。
【０００４】
熱電対の両端間の温度勾配は人工的に形成することもできるし、自然界にも、いつでも人体から反発する熱のような「廃熱」として存在することもできる。腕時計の場合には、一方の側面は周囲温度の空気に曝されていて、一方、他方の側面は着用者の皮膚の高い温度に曝されている。それ故、腕時計の両方の側面の間には小さな温度勾配が存在する。熱電発電装置は廃熱を利用するために腕時計に内蔵させることができ、内蔵ユニットとして腕時計を動作するのに十分な電力を発生することができる。都合のよいことに、典型的な腕時計のサイズ程度の多くのマイクロ電子デバイスは少量の電力しか必要としないし、そのため熱電発電装置が供給する電力で十分動作することができる。
【０００５】
熱電発電装置の動作パラメータはいくつかの方法で数学的に特徴づけることができる。例えば、熱電対の接合していない端部の両端で測定した電圧は、２つの端部間の温度差に正比例する。熱電対を構成しているｎ型熱電脚部およびｐ型熱電脚部は直列に電気的に接続しているが、その両端に維持されている温度差Ｔ１およびＴ２とは並列に熱的に接続している。ゼーベック効果による開回路電圧Ｖは、下式により数学的に表すことができる。
【０００６】
Ｖ＝Ｓ（Ｔ１−Ｔ２）
ここで、Ｓは、１度当たりのマイクロボルト（μＶ／Ｋ）で表したゼーベック係数である。
【０００７】
熱電発電装置の効率は、従来から下式により表してきた良さの指数（フィガーオブメリット（Ｚ））の熱電数字により特徴づけることができる。
Ｚ＝Ｓ２σ／κ
ここで、σおよびκは、それぞれ導電率および熱伝導度である。逆数Ｋで表した良さの指数Ｚの熱電数字は、熱電発電装置で使用することができる熱電材料の熱的および電気的特性である。熱電発電装置の効率を改善するための重要事項の１つは、電気抵抗が低く、ゼーベック係数が高く、熱伝導度が低い優れた効果の熱電膜を開発することである。
【０００８】
熱電発電装置を改善するためのもう１つの重要事項は、熱電対の集積密度を増大することである。多くの場合、廃熱源の場合には、熱源とヒートシンクとの間の温度差は小さい。温度差がこのように小さいので、十分な熱電電圧を発生するには多数の熱電対を直列に接続しなければならない。それ故、熱電対は、断面の幅に対する長さのアスペクト比が非常に大きなものでなければならない。
【０００９】
従来技術は、熱電発電装置の効率および動作特性を改善するための多数のデバイスを含む。ある従来技術のデバイスは、低温領域と対向する高温領域に熱的に接触するように配置されている熱伝導基板を含む。熱は高温領域から熱伝導基板へ流れ、多数の交互に配列されている結晶材料からカットしたｎ型およびｐ型熱電脚部に流れる。ｎ型およびｐ型熱電脚部は、電気的に直列に接続していて、熱的に並列に接続している。ｎ型およびｐ型熱電脚部は、二次元チェッカーボード・パターンの形に基板上に形成されている。全電圧は、各ｎ型およびｐ型のペアの両端間の個々の電圧の合計であるので、またｎ型およびｐ型熱電脚部の各熱電対は、所与の温度差に対して数ミリボルトしか発電できないので、交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部のチェッカーボード・パターンを内蔵するには非常に大きな面積が必要になる。このような広い面積が必要なので、熱電発電装置を小型にすることができない。
【００１０】
もう１つの従来技術のデバイスは、多数のｎ型およびｐ型熱電脚部用の絶縁空間を供給するためのギャップのない絶縁エッグクレート形ルーパを有する熱電モジュールを提供する。ギャップがないので、熱電脚部間の壁間の電気的短絡が起こらない。熱電脚部は、モジュールの高温側および低温側の間で電気的に直列に接続していて、熱的に並列に接続している。電気的接続部は、モリブデンの層の上のアルミニウムの層からなる。熱電脚部が相互に接続しているエリアを除いて、エッグクレート形ルーパ壁部を露出するために表面が研磨される。上記モジュールは、隣接する熱電脚部間の電気的短絡の問題を解決するが、上記デバイスは、多数の製造ステップを必要としそのためコストが高くなる。
【００１１】
熱電発電装置を小型化しようとするための他の従来技術のデバイスは、熱電対の個々のモノリシック構造を小型化することにより、熱電対の集積密度を増大してきた。このようなデバイスは、これらのバルク材料テルル化ビスマス熱電対の断面を十分小型にするのに成功したが、バルク材料からのこれらのテルル化ビスマス・タイプの熱電対の処理および製造が非常に難しく、製造コストが非常に高くなり、最終製品のコストが非常に高くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の熱電発電装置の上記問題点から見て、マイクロ電子デバイスの要件を満たす熱電発電装置用の技術の開発が待望されている。より詳細に説明すると、サイズがコンパクトで、比較的安いコストで大量生産することができる一方で、特に高い出力電圧を発生することができる低電力を発生するための熱電発電装置の開発が待望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、熱電発電装置に関連する上記問題を特に解決および軽減するためのものである。より詳細に説明すると、本発明は、サイズがコンパクトで、特にマイクロ電子デバイスと一緒に使用することができる自給自足型低電力熱電発電装置用の改良形箔片である。
【００１４】
熱電発電装置は、ゼーベック効果により有用な電力を発生するために熱勾配を利用する。熱電発電装置は、底部プレート、頂部プレート、および箔片のアレイからなる。箔片のアレイは、底部プレートと頂部プレートとの間に並んで配置されている。各箔片は、底部プレートおよび頂部プレートの間に垂直に配置されていて、これらのプレートと熱的に接触している。一連の交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部は、各箔片の基板上に配置されている。熱電脚部は、一般に、テルル化ビスマス・タイプの熱電材料から作られる。頂部プレートは、底部プレートの上に間隔を置いて配置されている。
【００１５】
底部および頂部プレートは、一般に、直交状態で配置することができ、セラミック材料のような任意の硬質の材料から作ることができる。底部および頂部プレートは、交互に配置されているｎ型およびｐ型熱電脚部の両端間に温度勾配ができるように、ヒートシンクと熱源との間で熱的接触を行うように構成される。
【００１６】
各箔片は、前部基板面および前部基板面に対向する背部基板面を有する。箔片は、箔片の背部基板面が隣接する箔片の前部基板面の方を向くように配置されている。間隔を置いて、交互に配置されているｎ型およびｐ型熱電脚部は、前部基板面上に相互に平行に配列されている。各ｎ型およびｐ型熱電脚部は、一般的に約５ミクロン（μｍ）〜約１００μｍの範囲の厚さを有する熱電材料からできていて、好適な厚さは約７μｍである。前部基板面は、前部基板面上のｎ型およびｐ型熱電脚部の形成の再現性を改善するために、背部基板面の表面の粗さと比較するとより平滑な表面の粗さを有する。
【００１７】
ｐ型およびｎ型熱電脚部のペアは、熱電発電装置の熱電対を形成している。熱電脚部の幅は、約１０μｍ〜約１００μｍの範囲であってもよいし、その長さは、約１００μｍ〜約５００μｍの範囲である。ｎ型およびｐ型熱電脚部の好適な長さは約５００μｍである。ｎ型熱電脚部の好適な幅は、約６０μｍであり、ｐ型熱電脚部の好適な幅は約４０μｍである。ｎ型およびｐ型の各熱電脚部の幾何学的形状は、ｎ型およびｐ型の各熱電脚部の導電率の違いに従ってある程度調整することができる。
【００１８】
ｐ型の各熱電脚部は、電流が熱電脚部を通してｐ型熱電脚部の底部から頂部へ、またｎ型熱電脚部の頂部から底部に流れることができるように、高温側の金属ブリッジおよび低温側の金属ブリッジにより、ｐ型熱電脚部の対向端部のところで隣接するｎ型熱電脚部に電気的に接続している。好適には、複数の箔片は一緒に接続していて、また箔片のアレイ上にほぼ均一に配置されていて、熱電対チェーンを形成している全部で約５０００の熱電対を含んでいることが好ましい。各熱電対は、１つのｎ型および１つのｐ型熱電脚部を含む。それ故、５０００の熱電対を有する熱電発電装置は、５０００のｎ型熱電脚部および５０００のｐ型熱電脚部を含む。好適には、熱電発電装置は、約１２０の箔片を含んでいることが好ましい。各箔片は、約４０の熱電対を含むが、任意の数の箔片を含むことができる。接触パッドは、熱電対チェーンの各端部のところに配置することができる。
【００１９】
高温側金属ブリッジおよび低温側金属ブリッジは、それぞれｎ型熱電脚部をｐ型熱電脚部に電気的に接続するように構成されている。また、高温側および低温側金属ブリッジは、それぞれ異物で容易に汚染される恐れがあるｎ型およびｐ型熱電脚部内に、望ましくない元素が拡散するのを防止するための拡散障壁としての働きをするように構成されている。さらに、高温側および低温側金属ブリッジは、それぞれｎ型およびｐ型熱電脚部からの望ましくない元素の拡散を防止するように構成されている。最後に、高温側および低温側金属ブリッジは、それぞれｐ型およびｎ型熱電脚部へおよびから熱を伝えるように構成されている。この点から考えて、高温側および低温側金属ブリッジは、金メッキしたニッケルのような熱伝導度が高い材料から作ることができる。
【００２０】
基板は、約７．５μｍ〜約５０μｍの範囲の厚さを有することができるが、好適には、基板の厚さは約２５μｍであることが好ましい。エネルギー変換効率を増大するために、基板を通しての熱流束を低減する必要があるので、熱電脚部が配置される基板の厚さを薄くすることが望ましい。ポリイミド・フィルムのような熱伝導度の低い電気絶縁材を基板用として使用することができる。ｎ型およびｐ型熱電脚部を形成している熱電膜は、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）タイプの半導体化合物から作ることができる。しかし、ｎ型およびｐ型熱電脚部の熱電性能を改善するために、半導体化合物の特定の組成を変更することができる。より詳細に説明すると、ｎ型熱電脚部の組成は、セレン（Ｓｅ）を含むことができる。ｐ型熱電脚部の組成は、アンチモン（Ｓｂ）を含むことができる。さらに、その製造を改善するために、ｐ型およびｎ型の各熱電脚部内の過剰なテルリウム（Ｔｅ）を変更することができる。
【００２１】
約２．７ナノメートル／秒の最適なスパッタリング成膜速度で、薄い基板上に比較的厚いテルル化ビスマスをベースとする熱電膜を堆積するために、マグネトロンスパッタリングを使用することができる。
【００２２】
図面を見れば、本発明の上記および他の特徴をよりよく理解することができるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図面を参照すると、図面は、本発明の好ましい実施形態を説明するためのものであって、本発明を制限するものではない。図１は、本発明の箔片１６を使用することができる熱電発電装置１０の斜視図である。すでに説明したように、熱電発電装置１０は、ゼーベック効果により有用な電力を発生するために温度勾配を利用する。熱電発電装置１０は、通常、底部プレート１２、頂部プレート１４および箔片１６のアレイからなる。箔片１６のアレイは、底部プレート１２と頂部プレート１４との間に並んで位置していて、各箔片１６は、底部プレート１２と頂部プレート１４との間に垂直に位置していて、これらのプレートと熱的に接触している。一連の全体的に細長い交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４が、各箔片１６の基板１８上に位置する。以下にさらに詳細に説明するように、熱電脚部３２、３４は、一般に、テルル化ビスマス・タイプの熱電材料４４から作られる。図１を見れば分かるように、頂部プレート１４は、底部プレート１２上に間隔を置いて配置されている。
【００２４】
底部および頂部プレート１２、１４は、長方形のほぼ直交する構成を有することができる。しかし、通常、熱電発電装置１０の全体のサイズを決める底部および頂部プレート１２、１４は、任意の形または構成のものであってもよいことを理解することができるだろう。この点に関して、図１に示すように、底部および頂部プレート１２、１４はほぼ長方形の形をしているので、ほぼ同じサイズの箔片１６のアレイを内蔵できるように容易に変更することができるが、底部プレート１２および頂部プレート１４は、必要に応じて、腕時計またはほぼ腕時計のような形をしているデバイスのような身につけることができるマイクロ電子デバイスで使用することができるように円形にすることもできる。
【００２５】
底部プレート１２および頂部プレート１４は、本質的に硬質であり、熱伝導性が高い任意の材料から作ることができる。この点に関して、本発明の場合には、底部および頂部プレート１２、１４を作るためにセラミック材料を使用することができる。図１を見れば分かるように、底部プレート１２および頂部プレート１４は、それぞれヒートシンク２２と熱源２０との間で実質的な熱的接触が行われるように構成することができる。底部および頂部プレート１２、１４は、また、箔片１６が、箔片１６を損傷する恐れがある機械的接触および化学的影響から保護されるように、熱電デバイス１０用の保護ハウジングを提供するよう構成することもできる。
【００２６】
図２は、各箔片１６の基板１８フィルム上に配置されている交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４の配置を示す図１の２−２線に沿って切断した熱電発電装置１０の側断面図である。各箔片１６は、前部基板面４０および前部基板面４０に対向している背部基板面４２（図示せず）を有する。箔片１６は、箔片１６の背部基板面４２が、隣接する箔片１６の前部基板面４０の方を向くように配置することができる。間に間隔を有する交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４は、前部基板面４０上に相互に平行に配置されている。ｎ型およびｐ型の各熱電脚部３２、３４は、熱電材料４４からできている。熱電材料４４は、約５ミクロン（μｍ）〜約１００μｍの範囲の厚さを有することができるが、好適には、熱電材料４４の厚さは約７μｍであることが好ましい。
【００２７】
ここで図３について簡単に説明すると、この図は、熱電発電装置１０の熱電対４６を構成しているｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４の略図である。図３を見れば分かるように、ｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４は、それぞれの幅を有する。ｎ型熱電脚部の幅は、ａ１で示してある。ｐ型熱電脚部３４の幅は、ａ２で示してある。ｎ型熱電脚部３２およびｐ型熱電脚部３４両方の熱電脚部３２、３４の長さは、ｂで示してある。ｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４は、ほぼ同じ長さを有しているが、本発明の場合には、熱電発電装置１０を、ｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４が異なる長さを有するように構成することができる。都合のよいことに、幅に対する長さのアスペクト比を非常に大きくすることにより、小型化した熱電発電装置１０で比較的高い熱電電圧を発生することができる。
【００２８】
ｎ型およびｐ型の各熱電脚部３２、３４の幾何学的形状は、ｎ型およびｐ型の各熱電脚部３２、３４の導電率の違いによりある程度調整することができる。熱電脚部３２、３４の幅は、約１０μｍ〜約１００μｍの範囲内であればよい。熱電脚部３２、３４の長さは、約１００μｍ〜約５００μｍの範囲内であればよい。ｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４の好適な長さｂは、約５００μｍである。ｎ型熱電脚部３２の好適な幅ａ１は、約６０μｍであり、一方、ｐ型熱電脚部３４の好適な幅ａ２は、約４０μｍである。ｐ型熱電脚部３４の熱電特性は、通常、ｎ型熱電脚部３２の熱電特性より優れている。それ故、ｐ型熱電脚部３４の幅をｎ型熱電脚部３２の幅より狭くすることができる。図２の場合には、熱電脚部３２、３４は細長い形状をしているが、本発明の場合には、熱電脚部３２、３４を、例えば、Ｌ形またはＳ形の形状のような多数の他の形状にすることができる。
【００２９】
ｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４は、熱的に並列に接続していて、電気的に直列に接続している。図１および図２の略図に示すように、Ｐタイプの各熱電脚部３４は、高温側金属ブリッジ２６および低温側金属ブリッジ２８により、ｐ型熱電脚部３４の対向端部のところで、ｎ型の熱電脚部３２の隣接する熱電脚部に電気的に接続している。このようにして、電流は、熱電脚部３２、３４を通して、ｐ型熱電脚部３４の底部から頂部に、ｎ型熱電脚部３２の頂部から底部に流れることができる。交互に配列されている各熱電脚部３２、３４は、対向伝導性タイプの熱電脚部３２、３４の隣接する熱電脚部に接続していて、熱電対４６を形成している。
【００３０】
図３の場合には、対応するｎ型熱電脚部３２は、その各上端部のところで、ｐ型熱電脚部３４の各上端部に接続している。図２の場合には、複数のｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４は、その対向端部のところで接続して複数の熱電対４６を形成し、一連の各対向端部上に自由なｐ型熱電脚部３４、および自由なｎ型熱電脚部３２を形成する。高温側金属ブリッジ２６のところの頂部プレート１４を通して熱源２０により熱が加えられるといつでも、熱流束４８が熱電発電装置１０を通して流れるように、記号Ｔで示す温度勾配が、底部プレート１２およびヒートシンク２２のところの熱電対４６の低温側金属ブリッジ２８に対して形成される。次に、電流は、記号Ａで示す方向に、電気回路３６内の負荷を通して流れる。熱電発電装置１０は、さらに、接触パッド３８のところの一連のｎ型および
ｐ型熱電脚部３２、３４の対向端部にそれぞれ接続している第１の電気リード線２４および第２の電気リード線３０を備えることができる。
【００３１】
各高温側金属ブリッジ２６および低温側金属ブリッジ２８は、ｎ型熱電脚部３２をｐ型熱電脚部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および低温側金属ブリッジ２８は、また、異物で容易に汚染される恐れがあるｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４内に望ましくない元素が拡散するのを防止するための拡散障壁としての働きをするように構成されている。さらに、各高温側金属ブリッジ２６および低温側金属ブリッジ２８は、ｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４からの望ましくない元素の拡散を防止す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および低温側金属ブリッジ２８は、ｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４へおよびから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および低温側金属ブリッジ２８は、金メッキしたニッケルのような熱伝導性の高い材料から作ることができる。
【００３２】
図２に示すように、第１の電気リード線２４は、ｎ型熱電脚部３２の自由端部に接続していて、第２の電気リード線３０は、ｐ型熱電脚部３４の自由端部に接続している。しかし、図１に示すように並べて配置されている箔片１６のアレイを有する熱電発電装置１０の場合には、箔片１６は直列に電気的に接続していて、そのため、箔片１６の先端部上のｎ型熱電脚部３２の自由な１つの熱電脚部は、箔片１６のうちの隣接する箔片のｐ型熱電脚部３４のうちの自由な熱電脚部に電気的に接続していて、その逆の接続も行われている。このような構成の場合、第１の電気リード線２４は、アレイの最先端の箔片１６のｎ型熱電脚部３２の自由端部に接続していて、一方、第２の電気的リード線３０は、アレイの最後部の箔片１６のｐ型熱電脚部３４の自由端部に接続している。
【００３３】
本発明の場合には、好適には、複数の箔片１６は、箔片１６のアレイ上にほぼ均一に分布している全部で約５０００の熱電対４６を含むことが好ましい。しかし、本発明の場合には、熱電発電装置１０は、約１０００〜約２０，０００の任意の数の熱電対４６を備えることができる。好適には、熱電発電装置１０は、それぞれが約４０の熱電対４６を含む約１２０の箔片１６を含むことが好ましい。しかし、別の方法としては、熱電発電装置１０は、所与の動作温度で必要な電力を発生するために必要な熱電対４６の全数を内蔵するのに十分な任意の数の箔片１６を含むことができる。すべての熱電対４６が電気的に直列に接続していると仮定した場合、熱電発電装置１０の全電圧出力は、単に各熱電対４６の両端に発生する個々の電圧の合計として計算される。
【００３４】
図２を参照すると、この図は、本発明の箔片１６の典型的な１つの箔片の基板１８である。基板１８は、約７．５μｍ〜約５０μｍの範囲の厚さを有する。しかし、好適には、基板１８の厚さは約２５μｍであることが好ましい。エネルギー変換効率を増大するために、基板１８を通る熱流束４８を低減したいので、熱電脚部３２、３４が配置される基板１８の厚さは薄くすることが望ましい。基板１８を備えることができる材料に関しては、基板１８上に配置されている熱電脚部３２、３４の隣接する熱電脚部を相互に電気的に絶縁することができるように電気絶縁材を使用することができる。
【００３５】
また、基板１８の材料は、低い熱伝導度を有することができ、ＤｕＰｏｎｔ社から販売されているカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）フィルムのようなポリイミド・フィルムであってもよい。その低い熱伝導度のために、ポリイミド・フィルムは熱電発電装置１０用の優れた基板１８である。さらに、ポリイミド・フィルムは、約７０°Ｆの室温において、熱電脚部３２、３４で使用するテルル化ビスマス・タイプの材料の熱膨張係数とほぼ同じ範囲内の熱膨張係数を有する。それ故、ポリイミド・フィルムを使用することにより、基板１８／熱電材料４４の界面で発生する残留機械応力を最小にするか、なくすことができる。この点に関して、熱電発電装置１０の全耐久性および使用できる寿命を改善することができ
る。
【００３６】
ｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４を形成している熱電材料４４は、すでに説明したように、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）タイプの半導体化合物から構成されている。しかし、ｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４の熱電性能を改善するために、半導体化合物の特定の組成を変更することができる。この点に関して、ｐ型熱電脚部３２を製造する際に使用する半導体化合物は、下式を有する材料を含むことができる。
【００３７】
（Ｂｉ０．１５Ｓｂ０．８５）２Ｔｅ３＋１８原子百分率Ｔｅ過剰分
しかし、過剰分は、約１０原子百分率Ｔｅ過剰分から約３０原子百分率Ｔｅ過剰分の範囲であればよい。半導体化合物の他の実施形態の場合、熱電発電装置１０は、複数のｎ型およびｐ型熱電脚部３２、３４を含むことができる。ｐ型の各熱電脚部３４は、上式（Ｂｉ０．１５Ｓｂ０．８５）２Ｔｅ３＋約１０原子百分率Ｔｅ過剰分から約３０原子百分率Ｔｅ過剰分を有する半導体化合物からできている。
【００３８】
基板１８上に熱電材料４４を堆積する際に多くの微細加工技術を使用することができるが、高度真空蒸着装置の助けにより、マグネトロンスパッタリングのようなスパッタリング方法を使用することができる。スパッタリングは、薄い基板１８上に比較的厚いテルル化ビスマスをベースとする熱電材料４４を堆積するために使用することができる。
【００３９】
都合のよいことに、基板１８上への熱電材料４４の堆積速度が速くなってきていて、その結果、熱電発電装置１０の全コストが安くなっている。熱電材料４４を形成する場合、最適なスパッタリング成膜速度は約２．７ナノメートル／秒である。しかし、スパッタリング成膜速度は、堆積する特定の組成および目的の熱電材料４４の特性により異なるので、スパッタリング成膜速度は、約２ナノメートル／秒から約１０ナノメートル／秒の範囲である。
【００４０】
当業者であれば本発明の他の修正および改善も容易に思い付くことができるだろう。それ故、本明細書で説明し、図示した部材の特定の組合せは、本発明のいくつかの実施形態を表すためだけのものであって、本発明の精神および範囲に含まれる別のデバイスに限定するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の複数の箔片の配置を示す熱電発電装置の斜視図。
【図２】各箔片の基板フィルム上に位置する交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部の配置を示す、図１の２−２線に沿って切断した熱電発電装置の側断面図。
【図３】熱電発電装置の熱電対を形成しているｐ型およびｎ型熱電脚部のペアの略図。
【図１】
2007500951.tif 000003
【図２】
2007500951.tif 000004
【図３】
2007500951.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成17年3月22日(2005.3.22)
【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】
熱電発電装置用の箔片であって、
対向する前部基板面および背部基板面を有する基板と、
前記前部基板面上に間隔を置いて平行に配置されている一連の細長い交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部を備え、前記各ｎ型およびｐ型脚部が、約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さのＢｉ２Ｔｅ３型の熱電材料から形成され、各ｎ型およびｐ型熱電脚部がある幅と長さを有し、前記幅が約１０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲にあり、前記長さが約１００ミクロン〜約５００ミクロンの範囲にある電脚部と、からなり、
前記一連のｎ型およびｐ型熱電脚部が電気的には直列で熱的には並列に接続するように、前記ｐ型熱電脚部の対向端部と、前記ｎ型熱電脚部のうちの隣接する熱電脚部と、が電気的に接続している箔片。
【請求項２】
前記基板が、約７．５ミクロン〜約５０ミクロンの範囲の厚さを有する請求項１に記載の箔片。
【請求項３】
前記基板が、約２５ミクロンの厚さを有する請求項１に記載の箔片。
【請求項４】
前記Ｂｉ２Ｔｅ３型の熱電材料の厚さが、約７ミクロンである請求項１に記載の箔片。
【請求項５】
前記ｐ型熱電脚部用のＢｉ２Ｔｅ３型の熱電材料が、下式を有する半導体化合物である請求項１に記載の箔片。
（Ｂｉ０．１５Ｓｂ０．８５）２Ｔｅ３＋約１０原子百分率Ｔｅ過剰分から約３０原子百分率Ｔｅ過剰分
【請求項６】
前記半導体化合物が、約１８原子百分率Ｔｅ過剰分を有する請求項５に記載の箔片。
【請求項７】
前記各ｐ型熱電脚部が、約４０ミクロンの幅を有する請求項５に記載の箔片。
【請求項８】
前記各ｎ型熱電脚部が、約６０ミクロンの幅を有する請求項１に記載の箔片。
【請求項９】
前記ｎ型およびｐ型熱電脚部の長さが、約５００ミクロンである請求項１に記載の箔片。
【請求項１０】
前記半導体化合物が、スパッタリングにより前記基板上に成膜される請求項５に記載の箔片。
【請求項１１】
前記スパッタリング成膜速度が、約２ナノメートル／秒〜約１０ナノメートル／秒の範囲内にある請求項１０に記載の箔片。
【請求項１２】
前記スパッタリング成膜速度が、約２．７ナノメートル／秒である請求項１１に記載の箔片。
【請求項１３】
熱電発電装置用の箔片のアレイであって、前記各箔片が請求項１に記載のように構成され、
前記各ｐ型熱電脚部および前記ｎ型熱電脚部の隣接する熱電脚部が両方で熱電対を形成し、
箔片の前記アレイが、箔片の前記アレイ上にほぼ均一に分散している全部で約１０００〜約２０，０００の熱電対を含む箔片のアレイ。
【請求項１４】
熱電発電装置用の箔片であって、前記箔片が複数のｎ型およびｐ型熱電脚部を含み、前記各ｐ型熱電脚部が下式を有する半導体化合物からなる箔片。
（Ｂｉ０．１５Ｓｂ０．８５）２Ｔｅ３＋約１０原子百分率Ｔｅ過剰分から約３０原子百分率Ｔｅ過剰分
【請求項１５】
前記半導体化合物が、約１８原子百分率のＴｅ過剰分を有する請求項１４に記載の箔片。
【請求項１６】
熱電発電装置用の箔片であって、
約７．５ミクロン〜約５０ミクロンの範囲内の厚さを有し、対向する前部基板面および背部基板面を含む基板であって、低い熱伝導性を有する電気絶縁材からできている基板と、
前記各前部基板面上に平行に配置されている一連の間隔をおいた交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部を備え、前記各ｎ型およびｐ型脚部が、Ｂｉ２Ｔｅ３型の熱電材料からできていて、約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さを有し、各ｎ型およびｐ型熱電脚部がある幅と長さを有し、前記幅が約１０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲内にあり、前記長さが約１００ミクロン〜約５００ミクロンの範囲内にあり、
前記各ｐ型熱電脚部が、前記一連のｎ型およびｐ型熱電脚部が、電気的には直列におよび熱的には並列に接続するように、前記ｐ型熱電脚部の対向端部と隣接するｎ型熱電脚部とが電気的に接続している箔片。
【請求項１７】
前記各ｐ型熱電脚部が、下式を有する半導体化合物からできている請求項１６に記載の箔片。
（Ｂｉ０．１５Ｓｂ０．８５）２Ｔｅ３＋約１８原子百分率Ｔｅ過剰分
【請求項１８】
熱電発電装置用の箔片を製造する方法であって、該箔片は基板および一連のｎ型およびｐ型熱電脚部を備え、該基板は対向する前部基板面および背部基板面を有し、
該前部基板面上に間隔を置いて平行に配置されている一連の細長い交互に配列されているｎ型およびｐ型熱電脚部を備え、前記各ｎ型およびｐ型脚部が、約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さの熱電材料から形成され、各ｎ型およびｐ型熱電脚部がある幅と長さを有し、前記幅が約１０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲にあり、前記長さが約１００ミ
クロン〜約５００ミクロンの範囲にある電脚部と、からなり、
前記一連のｎ型およびｐ型熱電脚部が電気的には直列で熱的には並列に接続するように、前記ｐ型熱電脚部の対向端部と、前記ｎ型熱電脚部のうちの隣接する熱電脚部と、が電気的に接続し、
前記基板上にスパッタリングによって熱電材料を成膜する工程、からなる方法。
【請求項１９】
前記スパッタリング成膜速度が、約２ナノメートル／秒〜約１０ナノメートル／秒の範囲内にある請求項１８に記載の箔片。
【請求項２０】
前記スパッタリング成膜速度が、約２．７ナノメートル／秒である請求項１８に記載の箔片。
【国際調査報告】
2007500951.tif 000006
2007500951.tif 000007