(57)【要約】  熱電装置は、第１の材料から作られ、第１の脚部の第１の端部（７ａ）の高さで支持部（８）にアンカー固定されている第１の脚部（２ａ）と、第２の材料から作られ、第２の脚部の第１の端部（７ｂ）の高さで上記支持部（８）にアンカー固定されている第２の脚部（２ｂ）とを備える。さらに、第１および第２の接点領域（９ａ、９ｂ）が設けられている電気接続要素（３）は、熱電対（１ａ）を形成するために第１の脚部（２ａ）および第２の脚部（２ｂ）とそれぞれ電気接触している。装置は、第１および第２の脚部（２ａ、２ｂ）の高さで第１および第２の接点領域（９ａ、９ｂ）の位置を変更する手段を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料から作られ、第１の脚部の第１の端部（７ａ）の高さで支持部（８）にアンカー固定されている第１の脚部（２ａ）と、
第２の材料から作られ、第２の脚部の第１の端部（７ｂ）の高さで前記支持部（８）にアンカー固定されている第２の脚部（２ｂ）と、
熱電対（１ａ）を形成するために前記第１の脚部（２ａ）および前記第２の脚部（２ｂ）とそれぞれ電気接触している第１および第２の接点領域（９ａ、９ｂ）が設けられている電気接続要素（３）と、
前記第１および第２の脚部（２ａ、２ｂ）の高さで前記第１および第２の接点領域（９ａ、９ｂ）の位置を変更する手段と、
を備え、
前記接点領域（９ａ、９ｂ）の位置を変更する手段は、前記第１および第２の脚部（２ａ、２ｂ）に沿って移動可能な前記電気接続要素（３）を備えることを特徴とする熱電装置。
【請求項２】
前記移動可能な接続要素（３）は、膜（１０）によって支持され、この膜の変形が前記第１および第２の脚部（２ａ、２ｂ）に沿った前記接続要素（３）の摺動を可能にすることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記接続要素（３）は、この接続要素の摺動の方向に垂直であり、かつ、前記第１および第２の脚部（２ａ、２ｂ）の平面に平行な平面内にある方向にこの接続要素の厚さを変更する手段を備えることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記接続要素（３）の厚さを変更する手段は、刺激の作用によって体積を変える能力がある材料（１２）を含むことを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
熱電材料から作られ、相互に電気的に絶縁された２つの脚部（１０８ａ、１０８ｂ）を支持基材（１０１）に形成するステップと、
前記２つの脚部を電気接続し、前記基材（１０１）と垂直な方向に移動する能力がある可動要素（１１３）を形成するステップと、
を備えることを特徴とする熱電装置の製造方法。
【請求項６】
前記脚部（１０８ａ、１０８ｂ）の形成後、パッケージング層（１１０）が前記可動要素（１１３）の輪郭を少なくとも部分的に定める金型を形成するために堆積させられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記脚部は、
熱電材料の層（１０３）を堆積させるステップと、
縦方向を有し、中央部（１０７ｃ）によって連結された２つの領域（１０７ａ、１０７ｂ）を含み、前記領域（１０７ａ、１０７ｂ）の横寸法および縦寸法が前記中央部（１０７ｃ）の横寸法より大きいエッチングパターンを形成するステップと、
エッチングパターンを用いて前記熱電材料層（１０３）をエッチングするステップと、
前記脚部（１０８ａ、１０８ｂ）を剥離するために等方性方法で前記熱電材料層（１０３）を部分的にエッチングするステップと、
によって形成されることを特徴とする、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記エッチングパターンは、下端の第１の犠牲層（１０４）と上端の第２の犠牲層（１０６）によって形成され、前記パッケージング層（１１０）は、前記第２の犠牲層（１０６）と共に共通の平坦表面を形成し、空洞（１１１）が前記パッケージング層（１１０）までの前記中央部（１０７ｃ）の高さでの前記エッジングパターンの取り除きと、少なくとも前記中央部（１０７ｃ）の下にある前記パッケージング層の一部分の除去とによって形成されることを特徴とする、請求項６を引用する７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、
第１の材料から作られ、第１の脚部の第１の端部の高さで支持部にアンカー固定されている第１の脚部と、
第２の材料から作られ、第２の脚部の第１の端部の高さで上記支持部にアンカー固定されている第２の脚部と、
熱電対を形成するために第１の脚部および第２の脚部とそれぞれ電気接触している第１の接点領域および第２の接点領域が設けられている電気接続要素と、
を備える熱電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの熱電対１ａ、１ｂを持つ従来の熱電装置のアーキテクチャが図１に例示される。個々の熱電対１ａ、１ｂは、電気接続要素３によって一方の端部で相互に接続された２本の脚部２ａ、２ｂによって形成される。第１の脚部２ａは、好ましくは、Ｐ型材料から形成され、第２の脚部２ｂは、好ましくは、Ｎ型材料から形成される。この装置は、装置の効率を最適化するために、直列に設置され、金属コネクタ４ａによって相互に接続された、前述のような複数の熱電対１ａ、１ｂを備えることができる。金属コネクタ４ｂ、４ｃは、装置の電気接続部を形成するために一連の熱電対の端部に位置している。
【０００３】
熱電装置は、ゼーベックモードまたはペルティエモードのいずれかで使用することができる。熱電装置は、温度Ｔｈの高温側蓄熱部５と、温度Ｔｆの低温側蓄熱部６とを備える。
【０００４】
ゼーベックモードでは、この装置は、高温側５と低温側６との間の温度勾配からエネルギーを生成する。このモードは、発電モードとも称される。
【０００５】
ペルティエモードでは、この装置の端子での電流の印加は、高温側５と低温側６との間に温度勾配が発生されることを可能にする。このモードは、冷却モードとも称される。
【０００６】
熱電装置の効率は、実際には、使用された材料と、装置の幾何学的性質と、使用環境とに依存する。装置は、このようにして、冷却モードのため最適化されるか、または、発電モードのため使用されるかのいずれかであり、決して同時に両方のため使われない。
【０００７】
文献特開２００８−２８８５３５号公報は、直列に電気接続され、低温側と高温側との間に並列に熱的接続された熱電対を備える熱電モジュールについて記載する。個々の熱電対は、異なる材料から作られた２つの脚部の土台によって形成され、２つの支持部の間に配置されている。高温側の高さで、個々の熱電対の脚部は、圧縮バネのような弾性付勢手段が間に配置されたノッチ部を備える。付勢手段は、支持部から絶縁され、脚部と接触した２つの要素と接触する。弾性付勢手段は、熱電モジュールの膨張または熱応力の場合、安定した、永久的な電気的接触が脚部の間で行われることを可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２８８５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、発電モードおよび冷却モードの両方のため最適化され得る装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本目的は、添付の請求項によって、特に、接点領域の位置を変更する手段が上記第１の脚部および第２の脚部に沿って移動可能な電気接続要素を備えるという事実によって達成される傾向がある。
【００１１】
本発明は、
熱電材料から作られ、相互に電気的に絶縁された２つの脚部を支持基材に形成するステップと、
２つの脚部を電気接続し、基材と垂直な方向に移動する能力がある可動要素を形成するステップと、
を備える、熱電装置の製造方法にも関する。
【００１２】
他の利点および特徴は、非限定的な実施例の目的のためだけに記載され、添付図面に表された発明の特有の実施形態の説明からより明瞭に理解できることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】直列に接続された２つの熱電対を具備した、従来技術による装置を示した図である。
【図２】ゼーベック最適化位置における本発明による装置の実施形態を示した図である。
【図３】ペルティエ最適化位置における図２の装置を示した図である。
【図４】脚部の高さに応じてゼーベックモードにおいて装置によって発生された電力を示した図である。
【図５】脚部の高さに応じてペルティエモードにおいて装置によって発生された電力を示した図である。
【図６】図２の実施形態の改良を示した図である。
【図７】図３の実施形態の改良を示した図である。
【図８】直列に接続された３つの熱電対を備える装置を示した図である。
【図９】ゼーベックモードにおける熱電装置の別の実施形態を示した図である。
【図１０】ペルティエモードにおける熱電装置の別の実施形態を示した図である。
【図１１】熱電装置の製造方法の第１のステップの部分を示した図である。
【図１２】熱電装置の製造方法の第１のステップの部分を示した図である。
【図１３】熱電装置の製造方法の第１のステップの部分を示した図である。
【図１４】熱電装置の製造方法の第１のステップの部分を示した図である。
【図１５】熱電装置の製造方法の第１のステップの部分を示した図である。
【図１６】熱電装置の製造方法の第１のステップの部分を示した図である。
【図１７】第１のステップの部分に続いて取得された製品を３次元で示した図である。
【図１８】第１のステップの部分に続いて取得された製品を３次元で示した図である。
【図１９】方法の第２のステップの部分を示した図である。
【図２０】方法の第２のステップの部分を示した図である。
【図２１】方法の第２のステップの部分を示した図である。
【図２２】方法の第２のステップの部分を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に記載された実施形態は、全く同一の熱電対の内部で発電モードまたは冷却モードのいずれかを最適化するために脚部の実効高さが変更されることを可能にする。
【００１５】
図２に例示された第１の実施形態によれば、熱電装置は、第１の材料から作られた第１の脚部２ａと、第２の材料から作られた第２の脚部２ｂとを備える。第１の脚部２ａは、第１の脚部の第１の端部７ａの高さで支持部８にアンカー固定され、第２の脚部２ｂは、第２の脚部の第１の端部７ｂの高さで上記支持部８にアンカー固定されている。金属コネクタ４は、好ましくは、対応する第１の端部７ａ、７ｂと支持部８との間に個々の脚部の高さで嵌め込まれている。これらのコネクタは、たとえば、装置の数個の熱電対が必要に応じて直列に接続されることを可能にする。電気接続要素３は、熱電対１ａを形成するために第１の脚部２ａと第２の脚部２ｂとを接続する。この電気接続要素３は、第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂとそれぞれ電気的に接触した第１の接点領域９ａおよび第２の接点領域９ｂが設けられている。脚部２ａ、２ｂは、好ましくは、熱電対が形成されることを可能にする２つの異なる材料から形成される。これらの脚部２ａ、２ｂは、同じ熱電材料から形成されることが可能であり、第１の脚部は、Ｎドープ型であり、第２の脚部は、Ｐドープ型である。熱電材料は、ビスマス、アンチモンなどのような半金属、または、シリコン、シリコン・ゲルマニウム合金などのような縮退した半導体とすることも可能である。
【００１６】
この装置は、第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂの高さで第１の接点領域９ａおよび第２の接点領域９ｂの位置を変更する手段をさらに備える。これは、実際には、個々の脚部２ａ、２ｂの第１の端部７ａ、７ｂと関連付けられた接点領域９ａ、９ｂとの間の電気経路の長さを調節することにより脚部の実効高さが変更されることを可能にする。換言すると、電気接続要素３は、支持部８から離れて、または、支持部８に向かって、すなわち、図２のＹ軸に沿って接点領域９ａ、９ｂを移動させるために移動できる。
【００１７】
図２では、この装置は、ゼーベックモードを優先し、第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂの実効高さは、脚部２ａ、２ｂの第１の端部７ａ、７ｂと、電気接続要素３の上記脚部と関連付けられた接点領域９ａ、９ｂとの間の電気経路の長さに対応するＬＳに等しい。好ましくは、高さＬＳは、脚部２ａ、２ｂの脚部２ａ、２ｂの実際の高さＬＬｅｇ以下である。
【００１８】
図３では、この装置は、ペルティエモードで最適化され、その結果、第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂの実効高さは、脚部２ａ、２ｂの第１の端部７ａ、７ｂと、電気接続要素３の上記脚部と関連付けられた接点領域９ａ、９ｂとの間の電気経路の長さによって画定される。図３では、この実効高さは、ＬＳ未満であるＬＰに等しい。
【００１９】
図２および３では、脚部２ａ、２ｂの第１の端部７ａ、７ｂと、関連付けられた接点領域９ａ、９ｂとの間の距離は、第１の端部７ａ、７ｂに最も接近した接点領域９ａ、９ｂの一部分から計算される。
【００２０】
換言すると、第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂの高さで第１の接点領域９ａおよび第２の接点領域９ｂの位置を変更する手段は、実際には、第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂの実効高さが調節されることを可能にする。この装置は、このようにして、選択された動作モードを最適化するために、外部環境、たとえば、高温側５と低温側６との間の温度に適合する能力がある。
【００２１】
たとえば、以下の表Ｉに定義されたパラメータを考慮して装置を特徴付けることが可能である。
【表１】
2013528939.tif 000003
この表では、熱的パラメータは、装置の端子での温度（ケルビン単位で熱電対の高温側Ｔｈおよび低温側Ｔｆ）を定義する。
【００２２】
材料パラメータは、脚部を形成するために使用される材料の特性、たとえば、ゼーベック係数と、熱伝導率と、電気抵抗率と、さらに脚部間の充填材料に対応するマトリックス（本実施例では、利用されている材料は、空気である）の熱伝導率とを定義する。
【００２３】
幾何学的パラメータは、脚部の個数ｎ（但し、ｎ／２は、熱電対の個数Ｎに等しい）と、脚部の高さＬと、本例では、１辺の寸法がｂである正方形によって定義される脚部の断面Ａｎｐと、２つの隣接脚部の間隔ｄと、脚部が分布する装置の表面Ａｔｅと、最も外側の脚部と装置の端部との間の距離（技術的な製造上の検討に必要な端部・脚部間距離）とによって装置を定義する。
【００２４】
熱交換パラメータは、熱交換表面Ａｈｓ、および、装置と環境（低温側）との間の伝達率ｈである。
【００２５】
電気的パラメータは、脚部とこの脚部の接続要素との間の電気抵抗に対応する電気接点抵抗Ｒｃと、接点抵抗と脚部の電気抵抗とを含む一連の熱電対の端子で測定された装置の内部抵抗に対応する内部抵抗Ｒｉｎｔとを定義する。
【００２６】
このようなパラメータを用いると、ゼーベックモードにおける電力と、ペルティエモードにおける冷却力とは、等式の形式で記述できる。後に続く等式は、電気的視点および熱的視点から組み込まれたパラメータと、装置が設置されることになる環境に結び付けられたパラメータとを考慮するモデルに基づいている。低温側の使用のため利用できる温度は、実際には、温度Ｔｆより実際に高い温度Ｔｃにある熱電対の低温に現実には対応しない温度Ｔｆである。その結果、等式中で考慮されるのは、環境の温度差Ｔｈ−Ｔｆではなく、装置の温度差Ｔｈ−Ｔｃである。
【００２７】
実施例において、そして、表１の特性によれば、高温側Ｔｈおよび低温側Ｔｆは、それぞれ、温度３５０ケルビンおよび３００ケルビンにある。モジュールの表面Ａｔｅは、１ｃｍ２に、個々の脚部が８×８μｍ２の正方形の形をした断面を有している４２，０００個の脚部、すなわち、２１，０００個の熱電対が配置される。最後に、熱交換器に関係するパラメータは、２ｃｍ２という表面Ａｈｓと、熱伝達率１０００Ｗ＊ｍ−２＊Ｋ−１とを有している。
【００２８】
ゼーベックモードにおける電力Ｑｇｅｎは、その結果、等式：
【数１】
2013528939.tif 000004
によって表現できる。
【００２９】
等式（１）では、Ｔｃは、既知であり、内部抵抗Ｒｉｎｔと同様にＬに依存し、Ｎは、熱電対の個数を表す（Ｎ＝ｎ／２）。
【００３０】
Ｒｉｎｔは、等式：
【数２】
2013528939.tif 000005
によって定義され得る。
【００３１】
Ｔｃの表現を見分けるために、等式は、熱電装置のレベルで入力された電力と低温側から出る熱との平衡性を表現して記述されるべきであり、すなわち、
【数３】
2013528939.tif 000006
であり、式中、ＰＳｅｅｂは、ゼーベック効果を表し、Ｐｃｏｎｄは、伝導による熱伝達を表し、Ｐｊは、ジュール効果による損失を表し、Ｐｈｓは、対流による熱伝達を表す。これらの４つの項は、Ｔｃを利用し、等式：
【数４】
2013528939.tif 000007
の解法をもたらし、式中、ΔＴは、ＴｈとＴｃとの間の温度差を表し、λａｉｒは、空気の熱伝導率を表し、Ｉは、熱電対を流れる電流を表す。
【００３２】
この等式（４）は、ＴｃがパラメータＬの関数でもあることを示す。等式（１）および（４）は、このように、脚部の高さＬによるＱｇｅｎの依存性を明らかにする。表Ｉにおいて決められた変数によれば、図４は、脚部の実効高さに対するＱｇｅｎの変動を示す。同図では、１５．４ｍＷ．ｃｍ−２という点Ｑｇｅｎ＿ｍａｘが３５μｍという脚部高さに対して観察できる。
【００３３】
この値ＮＳｅｅｂは、等式：
【数５】
2013528939.tif 000008
を解法することによって解析的に得ることも可能である。
【００３４】
テストがペルティエモードに対しても実行された。ペルティエ効果、ジュール効果および熱伝導を考慮すると、パルティエ効果を優先する熱電装置の冷却力は、以下の形式：
【数６】
2013528939.tif 000009
で記述できる。
【００３５】
この等式（６）は、脚部の高さを表す変数Ｌと、一連の熱電対を流れる電流Ｉとをさらに利用し、Ｋ（Ｌ）は、
【数７】
2013528939.tif 000010
によって定義される全熱伝導度を表す。
【００３６】
等式（６）および（７）の適用により、図５は、脚部の高さＬに応じたＱｃｏｌｄの変動を表す。本例では、入力パラメータは、ゼーベックモードとは異なる。このようにして、１０ｍＡに等しい入力電流が一連の熱電対の中を流れる。
【００３７】
これらの条件下で、脚部の高さがゼーベックモードのため予め決定された高さに等しい場合、７．６Ｗという電力Ｑｃｏｌｄが得られることになる。図５の曲線を読むと、７．６Ｗというこの値が最適値から遠く離れていることが分かる。実際上、図５は、より小さい脚部高さが１６．２Ｗという最適電力Ｑｃｏｌｄ＿ｍａｘが得られることを可能にすることを明らかにする。このペルティエ最適化された脚部高さは、１１μｍであり、実際には、ゼーベック効果のため同じ熱電装置を最適化するために必要とされるより遙かに小さい。
【００３８】
その結果、この実証は、装置の熱電対が可変実効高さを有する脚部を備える装置によって示された特定の利点と、ゼーベックモードまたはペルティエモードのため選択的に最適化されることによって装置が提供し得る利益とを確認する。
【００３９】
特定の例示的実施形態によれば、第１の領域９ａおよび第２の領域９ｂの位置を変更する手段は、電気接続要素３を備える。この接続要素３は、したがって、上記脚部２ａ、２ｂに沿って移動可能である。その結果、この例示的実施形態では、脚部２ａ、２ｂの実効高さが図２および３に表されるように調節されることを可能にするのは、接続要素３の可動性である。
【００４０】
図２および３の例示的実施形態では、可動接続要素３は、膜１０によって支持することができ、膜の変形は、第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂに沿った接続要素３の摺動を可能にする。膜１０は、少なくとも１つの支柱１１ａ、１１ｂによって支持部８に接続され得る（図２および３では、この装置は、脚部２ａ、２ｂの各側に配置された２つの支柱を備える）。当然ながら、これは、実施形態の特定の実施例に過ぎず、当業者は、たとば、接続要素３が脚部の縦方向に、すなわち、図２および３のＹ軸に沿って脚部２ａ、２ｂの間を摺動することを可能にするほかのタイプの手段によって膜の動作を適合させることが可能である。
【００４１】
熱電対１ａが動作中であるとき、接続要素３と第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂとの間の電気接点が上端位置および下端位置の両方で確保される（ゼーベックまたはペルティエモード）。ある種の例では、装置が製造されるときの設計誤差は、第１の脚部２ａと第２の脚部２ｂとの間の完全な等距離が確保されることを可能にしないので、接続要素３と第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂとの間にこのような機能上の遊びを引き起こすことがある。この機能上の遊びは、接続要素３と熱電対の第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂとの間の電気接点の損失の原因となり、その結果、熱電対は、不安定になる。同様に、第１の脚部２ａと第２の脚部２ｂとを相互により接近させて局所的に設置する原因となる設計誤差は、電気接続要素３の摺動がゼーベック位置からペルティエ位置へ、または、その逆に移動するために行われるとき、熱電対を破損する傾向があるということになる。
【００４２】
接続要素３は、その結果、接続要素の摺動方向（図６および７のＹ軸方向）に垂直であり、かつ、第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂの平面に平行な平面内にある一方向（図６および７のＸ軸方向）に接続要素の厚さを変更する手段を備えることができる。接続要素３の厚さを変更する手段は、刺激の作用、たとえば、温度変化または所定の電圧の印加によって、体積を変える能力がある材料１２を備えることができる。体積の変化は、当然ながら、材料１２が拡大したときに脚部２ａ、２ｂと接続要素３との間の電気的接触を可能にさせ、材料１２が縮小したときに接続要素３が摺動することを可能にするために可逆的である。実施例の目的のため、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｌｉｐｏｎ（登録商標）、またはポリピロールがある一定の条件下で使用され得る。刺激は、電気的、熱的または光学的でもよい。
【００４３】
体積を変える能力がある材料１２は、たとえば、電気接続要素３内に形成された体積変化材料から作られたセグメントであり、上記セグメントは、好ましくは、摺動方向を含む平面に平行であり、かつ、第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂの平面に垂直である平面内にある。図６では、電気接続要素３は、ゼーベックモードのため最適化された上端位置にあり、電気接続要素３の接点領域９ａ、９ｂは、それぞれ、第１の脚部２ａおよび第２の脚部２ｂと接触している。図７では、接続要素３が脚部２ａ、２ｂを破損することなく脚部２ａ、２ｂの間を摺動することを可能にするために接続要素３と２つの脚部２ａ、２ｂとの間に十分な機能上の遊びを作り出すように、体積を変える能力がある材料が縮小するように刺激が印加される。電気接続要素３は、このようにして、ペルティエモードのため最適化された位置まで支持部８の方向に低下させることが可能であり、体積を変える能力がある材料は、たとえば、新しい刺激によって拡大し、その結果、電気接続要素３の接点領域９ａ、９ｂは、脚部２ａ、２ｂの高さで電気接続する。
【００４４】
この装置は、相互に直列に接続された数個の熱電対をさらに備えることができる。このような装置は、図８に例示され、脚部２ａ、２ｂの上方に吊された膜１０は、この場合、相互に電気的に絶縁された複数の電気接続要素３ａ、３ｂ、３ｃを備える。図８では、３つの熱電対１ａ、１ｂ、１ｃは、個々の脚部の第１の端部と接触したコネクタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄによって支持部８の高さで直列に接続されている。
【００４５】
様々な実施形態は、支持部８に向けられた表面に電気接続要素３を備える変形可能な膜に限定されない。よって、脚部に沿った電気接続要素の移動を可能にするどのようなタイプの手段でも、たとえば、Ｚ軸および／またはＸ軸および／またはＹ軸に沿って移動する能力があるレールを使用できる。
【００４６】
図９および１０に例示された例示的実施形態によれば、接続要素３は、移動可能であり、相互に独立に移動する能力がある２つの接点要素３’、３’’を備える。個々の脚部２ａ、２ｂは、このようにして、個別に最適化され得る。
【００４７】
実施例の目的のため、個々の脚部２ａ、２ｂの第２の端部は、斜端部１３ａ、１３ｂの形をなし、接続要素３の関連付けられた接点領域９ａ、９ｂは、相補的な斜端部の形状を有している。したがって、脚部２ａ、２ｂに関して接点領域９ａ、９ｂの位置を変更することにより、脚部２ａ、２ｂの実効高さを変更することが可能である。図９では、装置は、ゼーベック位置に接点領域９ａ、９ｂが個々に設けられている２つの接点要素３’、３’’を備える電気接続要素３と共に熱電対を備える。図１０では、同じ装置は、ペルティエ位置にあり、接点要素３’、３’’は、支持部８に向かって、すなわち、Ｘ軸およびＹ軸に沿って、移動させられる。実効高さＬＰは、この場合、脚部の第１の端部７ａと、関連付けられた接点要素３’、３’’の最も近い部分（９ａ、９ｂ）とを分離する距離によって定義される。
【００４８】
上記実施例では、移動するのは、装置の上端部分、すなわち、接続要素および関連付けられた膜である。当然ながら、接続要素を固定し、いずれか１つの熱電対の脚部を移動可能にすることによって同じタイプの装置を実現することも可能である。
【００４９】
別の（図示されていない）実施例によれば、第１の支持部の表面に脚部を形成し、その後、第１の支持部の表面と対向するように設計された第２の支持部の表面に電気接続要素を形成することも可能であり、接点領域は、第１の脚部および第２の脚部とそれぞれ電気的接触するように設計されている。この場合、脚部を支える第１の支持部の表面と電気接続要素を支える第２の支持部の表面との間の距離を調節するために手段が設けられるだけでよい。
【００５０】
以上に定義されたような熱電装置の製造方法は、少なくとも、
熱電材料から作られ、相互に電気的に絶縁された２つの脚部を支持基材に形成するステップと、
２つの脚部を電気接続し、基材と垂直な方向に移動する能力がある可動要素を形成するステップと、
を備える。
【００５１】
可動接続要素は、実際には、脚部の後に、好ましくは、犠牲材料から作られたパッケージング層から形成され得る。このパッケージング層は、形成される可動要素の輪郭を少なくとも部分的に定める金型を形成することを可能にする。
【００５２】
図１１以降に例示された特定の実施例として、この方法は、熱電対の個々の将来の脚部の高さで、支持基材１０１に電気コネクタ１０２ａ、１０２ｂを形成することを含むことができる。図１１および１２では、コネクタ１０２ａ、１０２ｂは、たとえば、導電層１０２の堆積によって形成され（図１１）、この導電層は、その後、電気コネクタ１０２ａ、１０２ｂの輪郭を定めるためにパターニングされる（図１２）。その後、好ましくは、熱電材料から作られた層１０３がコネクタ１０２ａ、１０２ｂに堆積させられ、その後、第１の犠牲層１０４、たとえば、第１のタイプの誘電体層によって覆われる（図１２）。熱電材料は、上記一覧された材料から選択することができる。熱電材料層１０３は、堆積させられた後に、個々の将来の熱電対の高さでＮドープ型脚部およびＰドープ型脚部を形成するために、たとえば、イオン打ち込みによって局所的にドープされ得る。
【００５３】
少なくとも１つの膜支持支柱１０５ａ、１０５ｂがその後にパターニングされ得る（図１３）。この支柱は、中心にコネクタ１０２ａ、１０２ｂが配置される円形形状を持つことが可能であり、または、一方の端部で膜を支持するために設計された、基材１０１に垂直である簡単な縦支柱とすることが可能である。図１３では、２つの膜支持支柱１０５ａ、１０５ｂが電気コネクタ１０２ａ、１０２ｂの各側にパターニングされている。実施例の目的のため、１つまたは複数の支柱１０５ａ、１０５ｂは、熱電層１０３および第１の犠牲層１０４のパターニングによって、たとえば、下端が支持基材１０１によって輪郭が定められている少なくとも１つ（膜が２つの支柱によって支持される場合、２つ）の空隙領域を形成するためにリソグラフィステップおよびエッチングステップによって作ることができる。個々の空隙領域は、その後、支柱１０５ａ、１０５ｂを形成するために設計された材料の堆積によって充填され、有利なことには、使用される材料は、Ｃｕ、Ａｌ、ＴｉＮ、または、マイクロエレクトロニクスで使用され、ＣＶＤまたはＰＶＤ堆積技術に適合し得る何らかの標準的な金属のような導電性とすることができる。支柱１０５ａ、１０５ｂの形成は、好ましくは、第１の犠牲層１０４および支柱１０５ａ、１０５ｂの頂点と同一平面にある実質的に平坦な表面を形成するために、第１の犠牲層１０４までの化学機械研磨が後に続けられる。
【００５４】
図に表されていない代替的な実施形態によれば、支柱は、第１の例では、支持基材１０１に、すなわち、導電層１０２、熱電層１０３および第１の犠牲層１０４の堆積前に、形成することも可能である。
【００５５】
支柱１０５ａ、１０５ｂの形成後、第２の犠牲層１０６が図１４に例示されるように第１の犠牲層１０４に堆積させられる。第２の犠牲層１０６は、好ましくは、異なる層の選択的エッチングを可能にするために第１の犠牲層１０４の材料とは異なる材料から作られる。
【００５６】
第２の犠牲層１０６は、その後、パターンに応じてパターニングされる。図１５は、積層の平面図を例示し、それ故に、１番目の目に見える層は、第２の犠牲層１０６である。この第２の犠牲層１０６の上に、パターンは、２つの支柱１０５ａ、１０５ｂを通る縦軸Ａ１を図に表す。このパターンは、電気コネクタ１０２ａ、１０２ｂより上に配置された２つの領域１０７ａ、１０７ｂを含む梁の形式でもよい。これらの２つの領域１０７ａ、１０７ｂは、梁の中央部１０７ｃによって相互に接続されている。梁は、１つの領域１０７ａに接続され、１つの支柱１０５ａの上を通る側方部１０７ｄをさらに備える。別の側方部１０７ｅは、別の領域１０７ｂに接続され、他の支柱１０５ｂの上を通る。
【００５７】
２つの領域１０７ａ、１０７ｂと、中央部１０７ｃと、側方部１０７ｄ、１０７ｅの設計を含むパターンに応じたこのパターニングは、その後、選択的エッチング、たとえば、支持基材１０１またはコネクタ１０２ａ、１０２ｂまで、ハードマスクとしての第２の犠牲層１０６、第１の犠牲層１０４および熱電材料層１０３のパターニングを使用する異方性プラズマによるエッチングが実行されることを可能にする。図１６は、支柱およびコネクタ１０２ａ、１０２ｂが剥離されたことを観察することができる異方性エッチング後の積層の平面図を例示する。
【００５８】
図１７における３次元図に例示されるように、将来の脚部１０８ａ、１０８ｂは、両方共に、中央部１０７ｃの高さで第１の壁部１０９ａによって相互に接続され、関連付けられた側方部１０７ｄ、１０７ｅの高さで第２の壁部１０９ｂおよび第３の壁部１０９ｃによってそれぞれ支柱１０５ａ、１０５ｂに接続されている。脚部１０８ａ、１０８ｂは、当業者に知られたどのようなタイプの方法によっても、たとえば、エッチングが後に続けられるイオン打ち込みによって剥離することができる。
【００５９】
図１５から１８の特定の実施例において、パターン１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅは、等方性エッチングによる脚部１０８ａ、１０８ｂの形成および剥離を実現し易くするために成形されている。パターン１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅに応じた等方性エッチングの後、脚部１０８ａ、１０８ｂは、このようにして、第１の壁部１０９ａによって相互に接続され、脚部１０８ａは、第２の壁部１０９ｂによって支柱１０５ａに接続され、脚部１０８ｂは、第３の壁部１０９ｃによって支柱１０５ｂに接続されている（図１７）。熱電層１０３の等方性エッチングは、壁部１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃの除去を可能にする（図１８）。本実施例では、側方部１０７ｄ、１０７ｅと、中央部１０７ｃと、領域１０７ａ、１０７ｂとは、それぞれ、２つの支柱１０５ａ、１０５ｂを通る縦軸Ａ１に垂直な幅Ｄ３、Ｄ１およびＤ２を有している（図１５）。寸法Ｄ１およびＤ３は、好ましくは、同一であり、領域１０７ａ、１０７ｂの寸法Ｄ２は、Ｄ１とＤ３との間の最大寸法より大きい。同様に、縦軸Ａ１に沿った領域１０７ａ、１０７ｂの寸法Ｄ４は、Ｄ１とＤ３との間の最大寸法より大きい。これらの制約は、その後、パターンの異方性エッチングの後、図１８に例示されるように、熱電層１０３の等方性エッチングによって、脚部１０８ａ、１０８ｂが剥離されることを可能にさせ、脚部は、その結果、薄化される。換言すると、一般的な方法で、脚部は、支持基材１０１への熱電材料層１０３の堆積によって形成することが可能であり、その後、縦方向を有し、中央部１０７ｃによって連結された２つの領域１０７ａ、１０７ｂを含むエッチングパターンの形成が続けられ、領域１０７ａ、１０７ｂの横寸法および縦寸法は、中央部１０７ｃの横寸法より大きい。熱電材料層１０３は、その後、エッチングパターンを用いてエッチングされ、最後に、熱電材料層１０３は、脚部１０８ａ、１０８ｂを剥離するために、等方性方法で部分的にエッチングされる。
【００６０】
脚部１０８ａ、１０８ｂが剥離された後、組立体全体は、好ましくは、前述されたパッケージング層を形成する第３の犠牲層１１０に浸漬される。この第３の犠牲層１１０は、好ましくは、第１の犠牲層１０４および第２の犠牲層１０６とは異なる材料から形成される。前述のように、異なる材料の選択は、その後、異なる犠牲層が選択的にエッチングされることを可能にすることになる。第３の犠牲層１１０は、その後、たとえば、ＣＭＰ、または、エッチングが後に続くＣＭＰによって第２の犠牲層１０６と共に平坦な表面を形成するために平坦化される。
【００６１】
その後、積層の断面図である図１９に例示されるように、中央部１０７ｃのパターンに応じて、第２の犠牲層１０６と、第１の犠牲層１０４と、第３の犠牲層１１０の一部分とを選択的にエッチングすることにより積層に開口空洞１１１を形成することが可能である。第３の犠牲層１１０は、好ましくは、空洞１１１内の第１の脚部１０８ａおよび第２の脚部１０８ｂの側面と同一平面になるまで、等方性方法でエッチングされる。空洞１１１は、その後、接続要素および膜の一部分を両方共に形成することになる導電性材料で充填され得る。最後に、第１の犠牲層１０４および第３の犠牲層１１０を除去することが可能であり、膜は、その後、完全には除去されていない第２の犠牲層１０６によって部分的に形成される。
【００６２】
換言すると、エッチングパターン１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅは、下端の第１の犠牲層１０４と上端の第２の犠牲層１０６とによって形成され得る。本例では、第３の犠牲層１１０によって形成されたパッケージング層は、第２の犠牲層１０６と共に共通の平坦表面を形成する。その後、空洞１１１が、パッケージング層まで中央部１０７ｃの高さでエッチングパターンの取り除きによって、そして、少なくとも中央部１０７ｃの一部分の下にあるパッケージング層の一部分の除去によって形成される。
【００６３】
図１９および２０に例示された好ましい実施形態によれば、第３の犠牲層１１０の平坦化後に、第２の犠牲層１０６が第１の犠牲層１０４まで選択的に取り除かれる。このステップ（図に表されていない）は、前に定義されたパターンの形状と同じ全体的な形状を有している開口空洞の輪郭が定められることを可能にする。換言すると、空洞は、２つの領域１０７ａ、１０７ｂと、中央部１０７ｃと、側方部１０７ｄ、１０７ｅとによって輪郭が定められた形状を有している。図２０では、２つの領域１０７ａ、１０７ｂと、中央部１０７ｃと、側方部１０７ｄ、１０７ｅとは、それぞれ、好ましくは、第１の材料１１２ａ、第２の材料１１２ｂおよび第３の材料１１２ｃによって充填される。
【００６４】
以下の実施例は、領域１０７ａ、１０７ｂと、部分１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅとを異なる材料で充填するために使用することができる方法を与える。本実施例では、中央部１０７ｃの寸法Ｄ１は、側方部１０７ｅ、１０７ｄの寸法Ｄ３の２倍より大きく、領域１０７ａ、１０７ｂの寸法Ｄ２と、領域１０７ａ、１０７ｂの寸法Ｄ４とは、幅Ｄ１によって画定された寸法の２倍より大きい（図１５）。これは、側方部１０７ｄ、１０７ｅが、等角堆積により、Ｄ３の半分に等しい厚さを持つ第３の材料の層１１２ｃを堆積させ、そして、側方部１０７ｄ、１０７ｅから第３の材料１１２ｃを除去することなく、領域１０７ａ、１０７ｂと中央部１０７ｃとの高さで、Ｄ３の半分に等しい厚さに亘って第３の材料１１２ｃを除去することによって第１の段階で充填されることを可能にする。その後、第２のステップで、中央部１０７ｃは、等角堆積により、Ｄ１の半分に等しい厚さを持つ第２の材料１１２ｂの層を堆積することにより充填される。第２の材料１１２ｂは、その後、中央部１０７ｃから第２の材料１１２ｂを除去することなく、Ｄ１の半分に等しい厚さに亘って領域１０７ａ、１０７ｂの高さで除去される。最後に、領域１０７ａ、１０７ｂは、第１の材料１１２ａで充填することができる。
【００６５】
図１９は、空洞１１１が第２の材料１１２ｂを除去し、中央部１０７ｃの高さで第１の犠牲層１０４を除去し、そして、空洞１１１内の第１の脚部１０８ａおよび第２の脚部１０８ｂの側面と同一平面になるまで犠牲層１１０の一部分を除去することによって途中で形成される次のステップを例示する。第３の犠牲層１１０の一部分の除去は、好ましくは、脚部が空洞１１１内で同一平面になることを可能にするために等方性エッチングによって実行される。
【００６６】
図２１では、第１の材料１１２ａおよび第３の材料１１２ｂは、犠牲層１０４の残部と同一平面になるまで選択的に取り除かれる。
【００６７】
図２２に例示された最後のステップは、脚部１０８ａ、１０８ｂと接触する接続要素１１３を２つの脚部１０８ａ、１０８ｂの間に形成することと、上記接続要素１１３を支持する膜１１４を形成することとにより構成される。膜１１４は、支持支柱１０５ａ、１０５ｂの頂点にアンカー固定される。仕上げるために、第１の犠牲層１０４および第３の犠牲層１１０の残部は、選択的に除去される。
【００６８】
代替的な実施形態によれば、第１の材料および第３の材料は、取り除かれることがなく、空洞１１１は、導電性材料によって直接的に充填される。膜１１４は、その後、第１の材料および第３の材料によって形成され、材料が空洞を充填する。最後に、第１の犠牲層１０４および第３の犠牲層１１０の残部は、最終装置を得るために選択的に除去される。
【００６９】
展開によれば、熱電装置は、前述されたような数個の熱電対の構成を備える。膜および接続要素は、その後、熱電対の短絡を防止するために、個々の要素と膜との間の電気的絶縁層の介挿を用いる２ステップで形成される。
【００７０】
図に表されていない代替的な実施形態によれば、接続要素の形成後に、穴部が支持基材の方向で接続要素に形成される。この穴部は、その後、接続要素の厚さを変化させる手段を形成するために体積変化材料によって充填される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年1月7日(2013.1.7)
【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】
第１の材料から作られ、第１の端部（７ａ）が支持部（８）にアンカー固定されている第１の脚部（２ａ）と、
第２の材料から作られ、第１の端部（７ｂ）が前記支持部（８）にアンカー固定されている第２の脚部（２ｂ）と、
熱電対（１ａ）を形成するために前記第１の脚部（２ａ）および前記第２の脚部（２ｂ）とそれぞれ電気接触している第１および第２の接点領域（９ａ、９ｂ）が設けられている電気接続要素（３）と、
前記第１および第２の脚部（２ａ、２ｂ）の高さで前記第１および第２の接点領域（９ａ、９ｂ）の位置を変更する手段と、
を備え、
前記接点領域（９ａ、９ｂ）の位置を変更する手段は、前記第１および第２の脚部（２ａ、２ｂ）に沿って移動可能な前記電気接続要素（３）を備えることを特徴とする熱電装置。
【請求項２】
前記移動可能な電気接続要素（３）を支持する膜（１０）を備え、前記膜（１０）は、前記膜（１０）を変形することにより前記第１および第２の脚部（２ａ、２ｂ）に沿って前記移動可能な電気接続要素（３）を摺動させるために構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記移動可能な電気接続要素（３）は、この移動可能な電気接続要素（３）の摺動方向に垂直であり、かつ、前記第１および第２の脚部（２ａ、２ｂ）を含む平面に平行な平面内にある方向にこの移動可能な電気接続要素（３）の寸法を変更する手段を備えることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記移動可能な電気接続要素（３）の寸法を変更する手段は、刺激の作用によって体積を変えるために構成されている材料（１２）を含むことを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
熱電材料から作られ、相互に電気的に絶縁された２つの脚部（１０８ａ、１０８ｂ）を支持基材（１０１）に形成するステップと、
前記２つの脚部（１０８ａ、１０８ｂ）を電気接続し、前記基材（１０１）と垂直な方向に移動するために構成されている可動要素（１１３）を形成するステップと、
を備えることを特徴とする熱電装置の製造方法。
【請求項６】
前記脚部（１０８ａ、１０８ｂ）の形成後、パッケージング層（１１０）が前記可動電気接続要素（１１３）の輪郭を少なくとも部分的に定める金型を形成するために堆積させられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記脚部は、
熱電材料の層（１０３）を堆積させるステップと、
縦方向を有し、中央部（１０７ｃ）によって連結された２つの領域（１０７ａ、１０７ｂ）を含み、前記領域（１０７ａ、１０７ｂ）の横寸法および縦寸法が前記中央部（１０７ｃ）の横寸法より大きいエッチングパターンを形成するステップと、
エッチングパターンを用いて前記熱電材料層（１０３）をエッチングするステップと、
前記脚部（１０８ａ、１０８ｂ）を剥離するために等方性方法で前記熱電材料層（１０３）を部分的にエッチングするステップと、
によって形成されることを特徴とする、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記エッチングパターンは、下端の第１の犠牲層（１０４）と上端の第２の犠牲層（１０６）によって形成され、前記パッケージング層（１１０）は、前記第２の犠牲層（１０６）と共に共通の平坦表面を形成し、空洞（１１１）が前記パッケージング層（１１０）までの前記中央部（１０７ｃ）の高さでの前記エッジングパターンの取り除きと、少なくとも前記中央部（１０７ｃ）の下にある前記パッケージング層の一部分の除去とによって形成されることを特徴とする、請求項６を引用する７に記載の方法。
【国際調査報告】
2013528939.tif 000033
2013528939.tif 000034
2013528939.tif 000035
2013528939.tif 000036