(57)【要約】  熱電モジュールは、直列に電気接続された熱電対（ｐ１、ｎ１）の第１の組を備える第１の電気経路（Ｅ１、Ｓ１）を備える。熱電モジュールは、直列に電気接続された熱電対（ｐ２、ｎ２）の第２の組を備える第２の電気経路（Ｅ２、Ｓ２）をさらに備え、第２の組の熱電対の個数は、第１の組の熱電対の個数より少ない。
2013528940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モジュールの第１の入力（Ｅ１）と第１の出力（Ｓ１）とを接続し、直列に電気接続された熱電対（ｐ１、ｎ１）の第１の組を備える第１の電気経路と、
前記モジュールの第２の入力（Ｅ２）と第２の出力（Ｓ２）とを接続し、直列に電気接続された熱電対（ｐ２、ｎ２）の第２の組を備える第２の電気経路と、
を備え、前記第２の組の熱電対の個数が前記第１の組の熱電対の個数より少ない、熱電モジュールであって、
前記第１の組および前記第２の組の個々の熱電対は、導電性材料から作られ、互いに電気接続されている２つの脚部を備え、前記モジュールは、前記第２の組の熱電対を形成するために前記第１の組の脚部を短絡する手段（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ）を備えることとを特徴とする、熱電モジュール。
【請求項２】
前記短絡する手段は、前記モジュールの第１の状態において前記第１の経路の前記熱電対からある距離をおいて保持され、前記モジュールの第２の状態において前記第１の経路の前記熱電対の脚部と電気的接触している導電性要素（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記導電性要素（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ）は、前記熱電対のそれぞれの側に配置されている第１および第２の可動プレート（１０ａ、１０ｂ）によって支持されていることを特徴とする、請求項２に記載のモジュール。
【請求項４】
前記経路の一方（Ｅ１、Ｓ１）は、ペルティエ効果モジュールを形成し、前記経路のもう一方（Ｅ２、Ｓ２）は、ゼーベック効果モジュールを形成することを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
【請求項５】
前記第１の入力（Ｅ１）と前記第２の入力（Ｅ２）とは、共通であることと、前記第１の出力（Ｓ１）と前記第２の出力（Ｓ２）とは、共通であることとを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、
モジュールの第１の入力と第１の出力とを接続し、直列に電気接続された第１の熱電対の組を備える第１の電気経路
を備える熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの熱電対１ａ、１ｂを具備した従来の熱電モジュール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互いに接続された２つの脚部２ａ、２ｂを備える。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。このモジュールは、モジュール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によって互いに接続された、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、モジュール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。換言すると、熱電対は、直列に電気接続され、並列に熱的接続されている。
【０００３】
熱電モジュールは、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され得る。熱電モジュールは、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、このモジュール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】
熱電モジュールの効率は、実際には、使用された材料と、モジュールの幾何学的性質と、使用環境とに依存する。モジュールは、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、発電モードのため最適化されるかのいずれかであり、決して同時に両方のため最適化されない。
【０００７】
文献国際公開第９６／１５４１２号は、ペルティエ効果を使用する熱電対を備える熱電モジュールについて記載する。熱電対は、それぞれ、特有の、異なる電気特性、および／または、寸法を有する２つの脚部を備える。これらの脚部は、カスケード状に配置され、２段のカスケードの熱電対の間に絶縁手段を設ける必要性を除去するために、導電性材料から作られた要素によって互いに接続されている。
【０００８】
文献国際公開第２００５／００１９４６号は、少なくとも２組の熱電対を備えるペルティエ効果熱電モジュールについて記載する。熱電対の個々の組は、入力および出力を備える。これらの熱電対の組は、絶縁層によって分離されるように交互に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第９６／１５４１２号
【特許文献２】国際公開第２００５／００１９４６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、発電モードと冷却モードの両方のため最適化され得る熱電モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本目的は、添付の請求項によって、特に、第１の組および第２の組の個々の熱電対が互いに電気接続された導電性材料から作られた２つの脚部を備える事実と、上記モジュールが第１の組の脚部を短絡し、それによって、第２の組の熱電対を形成する手段を備える事実とによって達成される傾向がある。
【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本発明の特有の実施形態についての以下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】従来技術による２つの熱電対を具備した熱電モジュールを示した図である。
【図２】ペルティエ効果およびゼーベック効果の両方のため最適化された熱電モジュールの第１の実施形態の平面図である。
【図３】本モジュールの熱電対の個数に応じてゼーベックモードにおいてモジュールによって発生された電力を示した図である。
【図４】本モジュールの熱電対の個数に応じてペルティエモードにおいてモジュールによって発生された冷却力を示した図である。
【図５】図２の線Ａ−Ａによる断面図である。
【図６】第２の実施形態によるモジュールの平面図である。
【図７】ペルティエモードを表す図６のモジュール型式のモジュールの断面図である。
【図８】ゼーベックモードを表す図６のモジュール型式のモジュールの断面図である。
【図９】ゼーベックモードのため最適化されたときの第２の実施形態によるモジュールの平面図である。
【図１０】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図１１】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図１２】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図１３】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図１４】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図１５】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図１６】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図１７】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図１８】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図１９】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図２０】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図２１】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図２２】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図２３】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【図２４】第２の実施形態によるモジュールの製造のステップを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
従来技術のモジュールとは異なり、以下に記載された熱電モジュールとこれの実施形態とは、使用される熱電対の個数を変化させることを可能にする電気経路の使用によってペルティエモードおよびゼーベックモードにおけるモジュールの最適動作を可能にする。
【００１５】
以下、熱電対は、好ましくは、導電性、かつ、好ましくは、熱伝導性接続要素によって、脚部の一方の端部で互いに電気接続された２つの脚部を備える要素を定義する。全く同一の熱電対の脚部は、好ましくは、２種類の材料、たとえば、Ｐドープ型材料とＮドープ型材料から作られる。半金属（Ｂｉ、Ｓｂなど）、または、ＳｉおよびＳｉＧｅのような縮退した半導体を使用することが可能である。使用される材料は、実際には、モジュールの使用環境に依存することになり、その結果、当業者は、熱電モジュールの使用のため適した材料を選択することが可能である。
【００１６】
一般的な方法では、たとえば、図２に例示された熱電モジュールのような熱電モジュールは、複数の熱電対を備えることができる。モジュールの第１の入力Ｅ１と第１の出力Ｓ１とを接続する第１の電気経路は、直列に電気接続された熱電対ｐ１、ｎ１の第１の組を備え、モジュールの第２の入力Ｅ２と第２の出力Ｓ２とを接続する第２の電気経路は、直列に電気接続された熱電対ｐ２、ｎ２の第２の組を備える。第２の組の熱電対の個数は、第１の組の熱電対の個数より少ない。
【００１７】
モジュールの入力群／出力群は、モジュールが用途に応じて電流発生器または蓄熱部に電気接続されることを可能にする２つの端子に対応することができる。
【００１８】
脚部、したがって、熱電対の個数の変動は、実際には、モジュールの発電力（ゼーベック効果）または冷却力（ペルティエ効果）のいずれかが優先されることを可能にする。
【００１９】
換言すると、モジュールのパラメータに応じて、第１の経路は、ペルティエ効果モジュールを形成することが可能であり、第２の経路は、ゼーベック効果モジュールを形成することが可能である。ペルティエ効果と関連付けられた経路は、必ずしもゼーベック経路より長くはなく、結果として、使用された幾何学的性質および材料にすべて依存して、第１の経路がゼーベック効果モジュールを形成し、第２の経路がペルティエ効果モジュールを形成し得ることになる。
【００２０】
ゼーベック効果モードでは、目的は、最大電力Ｑｇｅｎを取得することであり、ペルティエ効果モードでは、目的は、最大冷却力Ｑｃｏｌｄを取得することである。
【００２１】
実施例の目的のため、以下の表Ｉに定義されたパラメータを考慮してモジュールを特徴付けることが可能である。
【表１】
2013528940.tif 000003
この表では、熱的パラメータは、ケルビン単位で熱電対の端子での温度（高温側Ｔｈおよび低温側Ｔｆ）を定義する。
【００２２】
材料のパラメータは、脚部を形成するために使用される材料の特性、ゼーベック係数Ｓと、熱伝導率λと、電気抵抗率ρと、脚部間に存在する材料の伝導率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λａｉｒ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、脚部が分布するモジュールの表面Ａｔｅと、（技術的な製造上の問題のための）最も外側の脚部をモジュールの端部から分離する脚部・端部距離とによってモジュールを定義する。
【００２４】
環境に伴う熱交換パラメータは、モジュールの低温側と環境との間の熱交換表面Ａｈｓと、モジュールの高温側と環境との間の伝達率ｈとを定義し、ｈは、たとえば、強制対流中の水によって定義され得る。
【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モジュール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、モジュール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。低温側温度は、温度Ｔｆであるが、この低温側温度は、実際には、温度Ｔｆより高い温度Ｔｃにある熱電対の低温に現実には対応しない。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、モジュールの温度差Ｔｈ−Ｔｃである。
【００２７】
後に続く実施形態の特有の実施例では、使用される熱電材料は、ゲルマニウムナノドットに基づく量子ドット超格子（ＱＤＳＬ）型のナノ構造材料である。異なる脚部は、空気によって分離され、そのため、λａｉｒが存在する。
【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】
2013528940.tif 000004
によって表現できる。
【００２９】
等式（１）では、Ｔｃは、未知であり、内部抵抗Ｒｉｎｔと同様にＮ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】
2013528940.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、熱電モジュールのレベルで入力された電力と低温側から出力された熱との平衡性を表現する等式は、以下の通り、すなわち、
【数３】
2013528940.tif 000006
と記述されるべきであり、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】
2013528940.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Ｎの関数でもあることを明らかにする。等式（１）および（４）は、このように、熱電対の個数ＮによるＱｇｅｎの依存性を実証する。表Ｉにおいて決められた変数によれば、図３は、熱電対の個数Ｎに対するＱｇｅｎの変動を示し、ここで、τは、利用できる表面に関する脚部の充填率を表す。図３では、１９．４ｍＷ．ｃｍ−２という最適点Ｑｇｅｎ＿ｍａｘが５６，２００という熱電対の個数ＮＳｅｅｂに対して観察できる。
【００３３】
この値ＮＳｅｅｂは、等式：
【数５】
2013528940.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モジュールの冷却力は、以下の形式：
【数６】
2013528940.tif 000009
で記述できる。
【００３５】
この等式（６）は、熱電対の個数を表す変数Ｎと、一連の熱電対を流れる電流Ｉとをさらに利用し、Ｋ（Ｎ）は、
【数７】
2013528940.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４は、熱電対の個数に応じたＱｃｏｌｄの変動を表し、ここで、τは、利用できる表面に関する脚部の充填率を表す。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。これらの条件下で、ゼーベック効果を優先するモジュールと同数の熱電対を有するモジュールは、図４に示されるように、１５．２Ｗという電力Ｑｃｏｌｄを発生することになる。この値は、最適からはほど遠いが、図４は、実際に、熱電対の個数を２倍にする（５６，２００から１１２，４００に変わる）ことによって、同じ条件下で、３１Ｗ、すなわち、約１００％の性能の向上を得ることができることを明らかにする。
【００３７】
これは、様々な電気経路を提案することによって状況（ゼーベックモードまたはペルティエモードにおける動作）に適合させられ得る上記モジュールの特有の利点が正当であることを証明する。
【００３８】
上記実証は、２つの別個のモジュールに適用できる。２つの経路を１つのモジュールの内部に一体化する問題は、実際上、２つの効果が十分に最適化されるべき場合、ゼーベックモードでの動作のため予約された熱電対ＮＳｅｅｄと、ペルティエモードにおける動作のため予約された熱電対の個数Ｎｐｅｌｔとの加算に対応する熱電対の総数Ｎｔｏｔを考慮しなければならない、ということにある。実際に、第１および第２の経路が電気的に独立である場合、すべての熱電対は、それにもかかわらず、モジュールの高温側と低温側との間の温度勾配が原因で、熱的に活性状態である。
【００３９】
このように、上記の定義された等式では、電気的に介在する熱電対と熱的に介在する熱電対との間で区別がなされなければならない。発電（ゼーベック）モードでは、等式（１）および（４）は、このとき、それぞれ、
【数８】
2013528940.tif 000011
および
【数９】
2013528940.tif 000012
になる。
【００４０】
同様に、冷却モードでは、等式（６）および（７）は、それぞれ、
【数１０】
2013528940.tif 000013
および
【数１１】
2013528940.tif 000014
になる。
【００４１】
最後の４つの等式では、モジュールを最適化するために、電気項（ＮＳｅｅｂまたはＮＰｅｌｔ）または熱項（Ｎｔｏｔ）のいずれかに対応する熱電対の正当な個数が考慮されなければならないことが明白である。
【００４２】
幾何学的性質によれば、上記等式は、このようにして、モジュールが両方の効果のため十分に最適化されることを可能にする。
【００４３】
図２および５に例示された第１の実施形態では、モジュールは、２つの別個の電気経路を組み入れる。換言すると、熱電対の第１の組と熱電対の第２の組とは連結されない。第１の経路は、たとえば、ペルティエ効果、すなわち、モジュールの冷却モードでの動作を優先するために最適化されている。この第１の経路は、第１の入力Ｅ１および第１の出力Ｓ１によって画定され、直列に接続された８個の熱電対、すなわち、好ましくは、８個のペア（ｐ１、ｎ１）を形成するために異なる材料から交互に形成された１６個の脚部を含む。第２の経路は、たとえば、ゼーベック効果、すなわち、電流発生モードでの動作を優先するために最適化されている。この第２の経路は、第２の入力Ｅ２および第２の出力Ｓ２によって画定され、直列に接続された４個の熱電対、すなわち、４個のペア（ｐ２、ｎ２）を形成する８個の脚部ｐ２、ｎ２を含む。図２では、第１の入力と第２の入力とは、区別可能であり、第１の出力と第２の出力とは、区別可能である。
【００４４】
当然ながら、前述の通り、ペルティエ最適化された経路は、必ずしもゼーベック経路より長くはない。
【００４５】
このように、図２では、入力Ｅ１および出力Ｓ１の選択は、たとえば、冷却モードでのモジュールの使用を決定することになり、入力Ｅ２および出力Ｓ２の選択は、発電モードでのモジュールの使用を決定することになる。このため、スイッチ型のセレクタが入力／出力（Ｅ１、Ｅ２、Ｓ１、Ｓ２）の一方またはもう一方を接続するためにモジュールの入力および出力に取り付けられ得る。
【００４６】
図５は、図２の線Ａ−Ａによる断面図を表す。この断面図は、好ましくは、たとえば、低温蓄熱部を形成する下端支持部７と、たとえば、高温蓄熱部を形成する上端支持部８との間で、コネクタ４ａによって直列に接続されている３個の熱電対１ａ、１ｂ、１ｃを含む。個々の熱電対は、好ましくは、脚部の端部と上端支持部８との間に位置している接続要素３によって互いに接続されている第１の脚部２ａと第２の脚部２ｂとを備える。図５の例示的実施形態では、コネクタ４ａは、下端支持部７に形成され、好ましくは、関連付けられた脚部と下端支持部７との間に設置される。第１の熱電対１ａの第１の脚部２ａは、入力Ｅ１としての役割を果たすコネクタ４ｂに接続され得る。図５の右端に位置する脚部は、後に続く熱電対の第１の脚部を構成する。
【００４７】
図に表されていない代替的な実施形態によれば、図２の入力Ｅ１およびＥ２の高さにある脚部ｐ１およびｐ２は、下端支持部の高さでこれらの入力の土台に電気接続される。モジュールは、このようにして、２つの経路に共通した単一の入力と、２個の別個の出力とを備える。出力Ｓ１、Ｓ２の簡単な選択は、その結果、たとえば、２状態スイッチを使用することにより、動作モードが選択されることを可能にする。同じ原理によれば、モジュールが単一の出力と２個の別個の入力とを備えることも可能である。
【００４８】
表Ｉの値を適用することにより、等式（８）から（１１）までで行われる計算は、３１３４個の最適化されたゼーベック熱電対と、３８９９個の最適化されたペルティエ熱電対とに対する、すなわち、モジュール内に存在する合計７０３３個の熱電対に対するモジュールの最適化を明らかにする。発電モードでは、モジュールは、３．４ｍＷ／ｃｍ２という電力密度Ｑｇｅｎを提供し、冷却モードでは、０．０３ｍＷという熱電力Ｑｃｏｌｄを提供することになる。このようなモジュールは、２つの機能が同じモジュール内で最適化されることを可能にする。
【００４９】
２つの別個の電気経路を具備した第１の実施形態によるモジュールの製造方法は、ベース基材に導電性膜を堆積し、続いて、ゼーベック型のコネクタおよびペルティエ型のコネクタの輪郭を定めるためにベース基材をパターニングするステップを含むことができる。熱電材料の積層は、その後、ゼーベックコネクタおよびペルティエコネクタの上に堆積させられる。パターンは、ゼーベック最適化された熱電対およびペルティエ最適化された熱電対と関連付けられることになる異なる脚部の輪郭を定めるために熱電積層の上に形成される。このパターンは、その後、基材まで、または、ゼーベック／ペルティエコネクタまでエッチダウンされる。異なる脚部は、その後、電気的絶縁層に浸漬させることができ、この電気的絶縁層は、その後、脚部の自由端を同一平面のままにしておくために平坦化される。脚部が形成された後、脚部は、経路毎に交互になる第１の型および第２の型（好ましくは、Ｐ型およびＮ型）のドーピングを取得するためにドープされ得る。
【００５０】
第２の導電性膜は、その後、（電気的絶縁層および脚部の開放端の上の）積層に堆積させられ、その後、同じ熱電対の脚部の輪郭が定められることを可能にする上端パターンを用いて絶縁層までエッチダウンされる。この上端パターンは、２つの異なる形状、すなわち、ゼーベック最適化された経路のための接続要素を形成するため設計された１つの形状と、ペルティエ最適化された経路のための接続要素を形成するため設計された別の形状とを備える。
【００５１】
図６から９に例示された第２の実施形態では、第１の組および第２の組は、共通に熱電対要素を有している。換言すると、第２の電気経路は、第１の電気経路の要素から第１の電気経路に形成される。実際には、これらの熱電対要素は、脚部、接続要素、または、コネクタとすることができる。
【００５２】
第１の組および第２の組の個々の熱電対は、このようにして、互いに電気接続された導電性材料から作られた２つの脚部を備え、上記モジュールは、第１の集合の脚部を短絡し、それによって、熱電対の第２の組を形成する手段（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ）を備える。
【００５３】
図６は、第１の電気経路を画定する一連の熱電対を形成する、すなわち、例示的実施形態では、ペルティエ最適化されたモジュールを形成する１４個の熱電対（ｐ１、ｎ１）を備える熱電モジュールを平面図で例示する。図６では、一連の熱電対ｐ１、ｎ１は、これらの熱電対の端部の１つの高さで直列に互いに接続された複数行によって形成されている。
【００５４】
図６のモジュール型式のモジュールの行による断面図が図７に例示される。この図７では、短絡手段は、たとえば、モジュールの第１の状態において第１の経路の熱電対からある距離をおいて保持されている導電性要素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄによって形成される。
【００５５】
図７では、このモジュールは、たとえば、ペルティエ最適化され、すなわち、熱電対すべてが活性状態である。特に、この実施例の場合、行は、６個の熱電対１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆを備え、各熱電対は、好ましくは、脚部２ａ、２ｂの端部と、たとえば、高温蓄熱部を形成する上端支持部８との間に位置している接続要素３によって互いに接続された第１の脚部２ａと第２の脚部２ｂとを備える。図７の例示的実施形態では、コネクタ４ａは、６個の熱電対１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆを直列に接続するために、たとえば、低温蓄熱部を形成する下端支持部７に形成されている。これらのコネクタ４ａは、好ましくは、関連付けられた脚部と下端支持部７との間に嵌め込まれている。第１の熱電対１ａの第１の脚部２ａは、そのとき、入力Ｅ１としての役割を果たすコネクタ４ｂに接続され得る。ゼーベック効果に対してモジュールを最適化するために、穴部が特定の場所で下端支持部７および上端支持部８に穿孔され、モジュールの第２の状態において新しい熱電対を形成するように熱電対のある一定の脚部を短絡するために設計された導電性要素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの通過を可能にする。
【００５６】
換言すると、導電性要素は、第１の経路内に第２の経路を形成するために、モジュールの第２の状態において第１の経路の熱電対の脚部と電気的接触している。
【００５７】
本実施形態では、第１の入力および第２の入力は、好ましくは、共通であり、第１の出力および第２の出力は、好ましくは、共通である。
【００５８】
図７では、穴部は、上端支持部８の高さで、第１の熱電対１ａの第２の脚部と第２の熱電対１ｂの第１の脚部との間に、そして、第４の熱電対１ｄの第２の脚部と第５の熱電対１ｅの第１の脚部との間に形成されている。これらの穴部は、２つの隣接する熱電対の接続要素を互いに直接的に接続するため導電性要素９ａ、９ｂを通過させるために形成されている。さらに下端支持部７は、第３の熱電対１ｃの第１の脚部と第３の熱電対１ｃの第２の脚部との間に、そして、第６の熱電対１ｆの第１の脚部と第６の熱電対１ｆの第２の脚部との間に形成された穴部を備える。これらの下端穴部は、同じ熱電対のコネクタ４ａを直接的に接続するため導電性要素９ｃ、９ｄを通過させるために形成されている。この特有の実施例は、当然ながら、当業者がモジュールの目的に応じて変更することができる実施形態に過ぎない。
【００５９】
図８は、導電性要素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが、たとえば、ゼーベック最適化されたモジュールを形成するために短絡位置にある点だけが相違している図７のモジュールの同じ断面図を例示する。したがって、行は、実施例では、ゼーベック熱電対と称される２個の活性熱電対１’ａおよび１’ｂだけを備える。図８の第１のゼーベック熱電対１’ａは、ペルティエ最適化された行の第１の熱電対１ａの第１の脚部と、ペルティエ最適化された行の第２の熱電対１ｂの第２の脚部とによって形成されている。これらの２つの脚部は、このとき、ペルティエ最適化された行の第１の熱電対１ａの接続部と、第１の導電性要素９ａと、ペルティエ最適化された行の第２の熱電対１ｂの接続要素とによって互いに電気接続されている。
【００６０】
図８の第２のゼーベック熱電対１’ｂは、ペルティエ最適化された行の第４の熱電対１ｄの第１の脚部と、ペルティエ最適化された行の第５の熱電対１ｅの第２の脚部とによって形成されている。これらの２つの脚部は、ペルティエ最適化された行の第４の熱電対１ｄの接続要素と、上端支持部８の高さの第２の導電性要素９ｂと、ペルティエ最適化された行の第５の熱電対１ｅの接続要素とによって互いに電気接続されている。２個のゼーベック熱電対１’ａおよび１’ｂは、下端支持部７の高さで第３の導電性要素９ｃによって電気接続された２個の隣接するコネクタ４ａによって直列に接続され、図８では、この直列接続部は、ペルティエ最適化された行の第３の熱電対１ｃの短絡によって形成される。
【００６１】
ペルティエ最適化された行の第６の熱電対１ｆは、新しいゼーベック最適化された行を終端するために下端支持部７の高さで第４の導電性要素９ｄによって不活性状態にされる。
【００６２】
図８では、不活性状態になった図７の異なる要素は、破線によって表されている。換言すると、図６において見ることができるモジュールは、ゼーベックモードでは、図９のモジュールに類似し、１４個の初期熱電対ではなく、６個の活性熱電対ｐ２、ｎ２だけを備え、不活性脚部ｐ１およびｎ１は、破線によって表されている。
【００６３】
図７および８の特有の実施例では、短絡動作の手段は、上端および下端のそれぞれの第１の可動プレート１０ａおよび第２の可動プレート１０ｂを備える。個々のプレートは、プレート１０ａ、１０ｂがモジュールに向かって動かされたとき、導電性要素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが現れ、新しい熱電対を形成するためにある一定の熱電対を短絡し得るように配置された導電性要素を具備している。
【００６４】
第１のプレート１０ａおよび第２のプレート１０ｂは、それぞれ、上端支持部８および下端支持部７と実質的に平行になることが可能であり、第１のプレート１０ａおよび第２のプレート１０ｂにそれぞれ関連付けられた導電性要素は、下端支持部７および上端支持部８に穿孔された関連付けられた穴部に対向するように第１のプレートおよび第２のプレートに配置されている。換言すると、導電性要素は、熱電対のそれぞれの側に、好ましくは、熱電対の脚部と垂直に配置された第１の可動プレート１０ａおよび第２の可動プレート１０ｂによって支持されている。
【００６５】
第１のプレート１０ａおよび第２のプレート１０ｂは、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）を使用することにより動かされ得る。これらのプレートは、たとえば、刺激が印加されたときに移動する能力がある膜によって形成され得る。
【００６６】
ある一定の熱電対の短絡は、互いにさらに遠く離れた新たな熱電対が第１の経路の異なる熱電対の脚部を使用して形成されることを可能にする。実施例の目的のため、短絡手段は、ペルティエ最適化されたモードからゼーベック最適化されたモードに切り替わるとき、モジュールの活性熱電対の個数を半分に分割することができる。
【００６７】
第２の実施形態は、効率が改善され、寄生効果が低減されることを可能にする。このようにして、総数５６，２００個の熱電対に対するモジュールは、すべての熱電対を使用するペルティエモードにおいて冷却力１５．２Ｗを供給し、個数２８，１００個の熱電対に対するゼーベックモードにおいて電力９．７ｍＷ．ｃｍ−２を供給する。これらの２つのモードと関連付けられた性能は、優秀であり、ペルティエ最適化だけが行われ、発電モードでは増加した電力密度を提供するモジュールへの冷却中に等価的な性能が得られることを可能にする。
【００６８】
第２の実施形態によるモジュールの製造方法は、図１０に例示されるように、第１の電気的絶縁層Ｄ１と、第１の導電性層Ｍ１と、第２の電気的絶縁層Ｄ２と、第２の導電性層Ｍ２と、熱電材料の層ＴＥと、下端犠牲層Ｓｂと、中央犠牲層Ｓｃと、上端犠牲層Ｓｈとの支持基材１０１への連続的な堆積を備える。
【００６９】
このようにして達成された積層は、熱電モジュールの下端部分を形成するために使用されることになる。
【００７０】
第１に、パターンがエッジの輪郭を定めるために積層に形成される。図１１は、８個の脚部１０３からなる３行の輪郭を定めるために設計されたパターン１０２が形成されるスタックの平面図を例示する。この積層は、その後、図１１の線Ｃ−Ｃによる断面図である図１２の場合のように、第２の導電性層Ｍ２までパターン１０２に応じてエッチングされる。図１１および１２の特有の実施例では、各行は、好ましくは、ペルティエ効果を最適化するために直列に接続された４個の熱電対１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを備えることになる。好ましくは、同じ行の２個の隣接する脚部は、異なる材料、たとえば、交番するｐドープ型脚部およびｎドープ型脚部から作られる。熱電材料は、たとえば、パターン１０２に応じたエッチングステップの直後に、イオン注入によってドープされ得る。
【００７１】
図１１では、行間スペースは、実際には２つの隣接する行の２個の対向する脚部の間の最小距離に対応する距離ＣＤ０によって画定される。図１１および１２では、左から右に、個々の行の高さで、第１の熱電対１ａは、距離ＣＤ３によって分離された２つの脚部を備え、その後、第１の熱電対１ａは、距離ＣＤ１によって第２の熱電対１ｂから分離され、第２の熱電対１ｂは、距離ＣＤ３によって分離された２つの脚部を備え、第２の熱電対１ｂは、距離ＣＤ２によって第３の熱電対１ｃから分離され、第３の熱電対１ｃは、距離ＣＤ４によって分離された２つの脚部を備え、第３の熱電対１ｃは、距離ＣＤ２によって第４の熱電対１ｄから分離され、その結果、行が４個以上の熱電対を備える場合、サイクルが繰り返され、図中、第４の熱電対は、距離ＣＤ３によって分離された２つの脚部を備える。製造が実行されるときに自己整合を実現し易くするために、ＣＤ０＞ＣＤ４＞ＣＤ３＞ＣＤ２＞ＣＤ１となり、すなわち、一連の広い距離と狭い距離とが存在する。当然ながら、以下のモジュールは、全く同じ行の２個の隣接する脚部の間でどのような距離を用いても達成することが可能であり、すなわち、自己整合を実現し易くしないが、従来のフォトリソグラフィステップおよびエッチングステップを使用できることを意味する。パターン１０２に応じたエッチング後、上記定義された距離の１つずつは、異なる脚部および行を分離する空乏スペースの輪郭を定める。
【００７２】
第２の導電性層Ｍ２までエッチングした後、（横寸法ＣＤ０の）２つの行間のスペースが犠牲行間材料１０４によって充填される。この行間材料は、ＣＤ０によって画定された２つの行間のスペースを充填するために形成されている。行間材料は、このようにして、互いに対向する２つの行の脚部の側方壁部の高さで２つの隣接する行のすべての脚部と接触した棒状部を形成する。換言すると、行間材料１０４の堆積後、行間材料によって覆われた２つの対向する側壁部と、２つの他の空いている側壁部とが脚部毎に得られる。２段階で、行間スペースを充填することが可能であり、第１のステップでは、材料の等角堆積は、開放した状態を維持する行間スペースを除いて、すべてのスペースを充填する。エッチングは、その後、行間の高さだけで等角堆積材料を除去し、その後、第２のステップでは、行間材料が堆積させられる。この等角堆積を使用する方法は、ＣＤ０が距離ＣＤ１、ＣＤ２、ＣＤ３、ＣＤ４より大きくされることを必要とする。別の方法は、行間材料を直接的に堆積させることと、その後、行間スペースの高さだけで材料を残すためにエッチングが後に続けられるフォトリソグラフィによって行間材料を選択的に除去することとを含む。
【００７３】
図１３では、行間材料の局在化の後、２個の隣接する熱電対１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの間のスペースは、第１の犠牲材料Ｓ１によって充填される。換言すると、空乏領域／脚部／充填領域／脚部の循環が得られる。特有の自己整合の場合、図１２の距離ＣＤ１およびＣＤ２によって画定されたスペースは、第１の犠牲材料Ｓ１によって充填される。この充填は、同じ熱電対の２つの脚部を分離する距離が２個の隣接する熱電対を分離する距離より大きい場合（ＣＤ３およびＣＤ４がＣＤ１およびＣＤ２より大きい場合）、等角堆積と、後に続くエッチングとによって選択的に実行され得る。そうではない場合、距離ＣＤ１およびＣＤ２によって画定されたスペースだけを充填するために、堆積と、後に続く、フォトリソグラフィおよびエッチングステップとを実行することも可能である。
【００７４】
その後、開放領域では（すなわち、ＣＤ３およびＣＤ４によって画定されたスペースの高さで）、第２の導電性層Ｍ２は、第２の絶縁層Ｄ２が同一平面上になるまで、好ましくは、図１３の場合のように第２の導電性層Ｍ２の側方エッチングを可能にする等方性エッチングを用いてエッチングされる。これは、異なるコネクタ４ａが成形されることを可能にする。
【００７５】
第２の導電性層Ｍ２がエッチングされた後、熱電対１ａ、１ｂ、１ｄの脚部の間のスペースは、第２の犠牲材料Ｓ２によって充填される。換言すると、図１３では、２つの脚部の間には、開放している１つのスペースだけが存在し、このスペースは、距離ＣＤ４によって画定されるスペースである。第２の犠牲材料Ｓ２は、等角堆積と、後に続くエッチングとによって局在化することが可能であり、距離ＣＤ３は、そのとき、ＣＤ４によって画定されたスペースを残すために距離ＣＤ４より小さくされる。当然ながら、ＣＤ４だけを開放状態で残すために、第２の犠牲材料Ｓ２の堆積と、後に続くフォトリソグラフィおよびエッチングステップとを実行することも可能である。
【００７６】
第２の犠牲材料Ｓ２の堆積後、第２の絶縁層Ｄ２が第１の導電性層Ｍ１まで異方性方法でエッチングされる（図１３）。
【００７７】
図１４では、第２の絶縁層Ｄ２のエッチングに続いて、第３の熱電対１ｃの脚部間のスペース、すなわち、距離ＣＤ４によって画定された既存の空乏領域は、第３の犠牲材料Ｓ３によって充填される。第２の犠牲材料Ｓ２は、その後、距離ＣＤ３によって画定されたスペースの高さで、すなわち、熱電対１ａの２つの脚部の間と、熱電対１ｂの２つの脚部の間と、熱電対１ｄの２つの脚部の間とでアクセス可能である第２の絶縁層Ｄ２を作成するために選択的に除去される。この時点で、第２の絶縁層Ｄ２は、第１の導電性層Ｍ１まで選択的に除去される。
【００７８】
第１の導電性層Ｍ１は、このようにして、距離ＣＤ３によって画定されたスペースを介してアクセス可能である。この導電性層Ｍ１は、その後、ＣＤ４によって画定された個々のスペースの高さに、突出部品の形で、導電性要素１０９ａの輪郭が定められるまで、等方性エッチングによってエッチングされる。
【００７９】
導電性要素１０９ａの形成後、各行の高さで、行間材料を除いて、すなわち、材料Ｓ１およびＳ３を残して、すべての犠牲材料が取り除かれ、空乏領域は、その後、図１５に例示されるように、第４の犠牲材料Ｓ４によって充填される。当然ながら、犠牲材料Ｓ１およびＳ３を同じ場所に残し、第４の材料Ｓ４でスペースを充填することが可能である。第４の犠牲材料Ｓ４の堆積は、構造体が残りの上端犠牲層Ｓｈと同一平面になるまで、構造体の平準化を後に続けることができる。第４の犠牲材料Ｓ４は、上端犠牲層Ｓｈと同一平面であり、下端犠牲層Ｓｂの高さの下で終端する連続膜を形成するために、少なくとも異なる脚部の間のスペースを充填するように堆積させられることも可能である。
【００８０】
モジュールの下端部分は、この時点で完成し、上端部分の接続部は、まだ設けられていない。
【００８１】
図１６は、下端部分を形成し、中央犠牲層Ｓｃの側方表面に達するためにすべての行の高さで行間材料を除去した後の図１１の線Ｂ−Ｂによる断面図を例示する。
【００８２】
図１７は、たとえば、各脚部の高さでの等方性エッチングによる中央犠牲層Ｓｃの部分選択エッチングの後に得られ、第３の導電性材料の層Ｍ３が部分選択エッチングによって作られた空乏を充填するために堆積させられている結果を例示する。２つの埋め込まれた電気接続パターンは、その後、個々の脚部の高さで２つの対向する面に得られる。
【００８３】
行間スペースは、その後、再び、（前に堆積させられた材料と同じ材料とすることができる）行間材料によって充填され、第４の犠牲材料Ｓ４は、図１８（図１１の線Ｃ−Ｃによる断面図）に例示されるように、下端犠牲層Ｓｂの下端部分の高さまで個々の脚部の間で選択的に除去され、その結果、下端犠牲層Ｓｂの側方表面を剥離する。第４の犠牲材料Ｓ４の部分除去後、第５の犠牲材料Ｓ５が距離ＣＤ１およびＣＤ２の高さに、すなわち、図１８では、第１の熱電対１ａと第２の熱電対１ｂとの間、第２の熱電対１ｂと第３の熱電対１ｃとの間、および、第３の熱電対１ｃと第４の熱電対１ｄとの間に画定されたスペースだけを充填するために堆積させられる。これは、前述のように、堆積と、その後に続くフォトリソグラフィおよびエッチングとによって、または、等角堆積と、その後に続くエッチングとによって達成され得る（ＣＤ３およびＣＤ４は、ＣＤ１およびＣＤ２より大きい）。
【００８４】
第５の犠牲材料Ｓ５の堆積後、下端犠牲層Ｓｂは、等方性方法で部分的にエッチングされ、第５の犠牲材料Ｓ５は、その後、中央犠牲層の下端部分まで、すなわち、図１９に例示されるように層Ｍ３の下端部分まで除去される。
【００８５】
第４の導電性層Ｍ４は、その後、堆積させられ、この堆積の後に、行間材料と同一平面になるまで平準化され、続いて、中央犠牲層Ｓｃの上端部分まで第４の導電性層Ｍ４が除去され、図２０の断面図によれば、これは、第３の導電性層Ｍ３の上端部分に対応する。この時点では、熱電対１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの接続要素１０５は、距離ＣＤ３およびＣＤ４によって画定されたスペースの高さに形成されている。
【００８６】
その後（図２１）、開放されたままのスペースは、距離ＣＤ１によって、すなわち、第１の熱電対１ａと第２の熱電対１ｂとの間に画定されたスペースを除いて、第６の犠牲材料Ｓ６によって充填され、その結果、このレベルでの導電性要素の形成を可能にする。
【００８７】
図２１の拡大図である図２２では、スペースＣＤ１の高さで、第６の犠牲材料Ｓ６の堆積後、第４の導電性層Ｍ４は、個々の棒状部が２つの別個の隣接する脚部の高さで、スペースＣＤ１の高さの導電性層Ｍ３の反対側部と接触した、互いに実質的に平行である２つの棒状部ｂ１、ｂ２を形成するために第５の犠牲層Ｓ５まで選択的にエッチングされ得る。積層は、その後、第６の犠牲材料Ｓ６および上端犠牲層Ｓｈを部分的に除去し、しかし、行間材料１０４の内部高さを保つことにより平準化される（図２３）。上端犠牲層Ｓｈの部分除去の厚さと実質的に等しい厚さの第７の犠牲層Ｓ７がその後に堆積させられる。その後、図２３に例示されるように、第５の導電性層Ｍ５がＣＤ１によって画定されたスペースの高さで導電性要素１０９ｂの輪郭を局所的に定めるために堆積させられる。膜がその後に積層の上に形成され、このようにして層Ｍ５によって形成された要素１０９ｂは、膜に固定されている。
【００８８】
最後に、下端犠牲層Ｓｂ、中央犠牲層Ｓｃ、および上端犠牲層Ｓｈと、犠牲材料Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６とは、直列に接続された４個の熱電対１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄによって形成された図２４によるモジュールを得るために除去される。さらに、残りの金属層Ｍ４は、第２の熱電対１ｂと第３の熱電対１ｃとの短絡、および、第３の熱電対１ｃと第４の熱電対１ｄとの短絡を防ぐために、ＣＤ２によって画定されたスペースの高さで選択的に除去される。
【００８９】
図２４では、第１の導電性要素１０９ｂは、第１の熱電対１ａの第２の脚部を第２の熱電対１ｂの第１の脚部と電気的接触させるために移動するように設計され、第２の導電性要素１０９ａは、第３の熱電対１ｃの第１の脚部を第３の熱電対１ｃの第２の脚部と電気接触させるために、すなわち、熱電対１ｃを短絡するために移動するように設計されている。
【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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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
2013528940.tif 000039
2013528940.tif 000040
2013528940.tif 000041
2013528940.tif 000042