(57)【要約】  熱電装置は、第１及び第２の熱源の間で途切れることなく伸びる第１及び第２の脚部（２ａ、２ｂ）を備える。この第１及び第２の脚部は、第１及び第２の導電性素子（８ａ、８ｂ）と第３及び第４の導電性素子（８ｃ、８ｄ）とをそれぞれ備える。この第１及び第３の導電性素子（８ａ、８ｃ）は、隣り合い、且つ、絶縁体（９）により隔てられている。第２及び第４の導電性素子（８ｂ、８ｄ）は、隣り合い、且つ、絶縁体（１０）により隔てられている。装置はさらに選択手段を備え、この選択手段は、第１及び第２の導電性素子（８ａ、８ｂ）からの第１の熱電対の形成と、前記第３及び第４の導電性素子（８ｃ、８ｄ）からの第２の熱電対の形成とを可能とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面（５）と接する第１の端部と第２の表面（６）と接する第２の端部とを有する第１及び第２の脚部（２ａ、２ｂ）を備える熱電装置であって、前記第１及び第２の脚部は、前記第１の表面と前記第２の表面との間で途切れることなく伸びる第１及び第２の導電性素子（８ａ、８ｂ）をそれぞれ備え、
前記第１及び第２の脚部（２ａ、２ｂ）は、前記第１の表面と前記第２の表面との間で途切れることなく伸びる第３及び第４の導電性素子（８ｃ、８ｄ）をそれぞれ備え、
前記第３の導電性素子（８ｃ）は、前記第１の導電性素子（８ａ）と隣り合い、且つ、絶縁体（９）により前記第１の導電性素子と隔てられており、前記第４の導電性素子（８ｄ）は、前記第２の導電性素子（８ｂ）と隣り合い、且つ、絶縁体（１０）により前記第２の導電性素子と隔てられており、
前記第１及び第２の導電性素子（８ａ、８ｂ）からの第１の熱電対の形成と、前記第３及び第４の導電性素子（８ｃ、８ｄ）からの第２の熱電対の形成とを可能とする選択手段を備える、
ことを特徴とする熱電装置。
【請求項２】
前記第１の導電性素子と前記第３の導電性素子（８ａ、８ｃ）とは同じ熱電特性の材料から形成され、前記第２の導電性素子と前記第４の導電性素子（８ｂ、８ｄ）とは同じ熱電特性の材料から形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電装置。
【請求項３】
前記選択手段は、前記第１及び第２の脚部（２ａ、２ｂ）の複数の外部表面上の可動接続素子（３）を備え、前記第１の脚部（２ａ）の前記外部表面は前記第１及び第３の導電性素子（８ａ、８ｃ）を露出し、前記第２の脚部（２ｂ）の前記外部表面は前記第２及び第４の導電性素子（８ｂ、８ｄ）を露出する、ことを特徴とする請求項２に記載の熱電装置。
【請求項４】
前記第１及び第３の導電性素子（８ａ、８ｃ）は同心円筒形状であり、前記第２及び第４の導電性素子（８ｂ、８ｄ）は同心円筒形状である、ことを特徴とする請求項３に記載の熱電装置。
【請求項５】
前記可動接続素子（３）は、変形可能である導電性材料から形成された中央部（３ｄ）を備える、ことを特徴とする請求項３に記載の熱電装置。
【請求項６】
前記可動接続素子（３）は、前記第１の脚部（２ａ）と接する第１の部分（３ａ）と前記第２の脚部（２ｂ）と接する第２の部分（３ｂ）とを備え、前記第１及び第２の部分は互いに対して移動することができる、ことを特徴とする請求項３に記載の熱電装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の導電性素子（８ａ、８ｂ）は第１の断面積（Ａｎｐ１）を有し、前記第３及び第４の導電性素子（８ｃ、８ｄ）は第２の断面積（Ａｎｐ２）を有し、前記第２の断面積は前記第１の断面積（Ａｎｐ１）と異なる、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電装置。
【請求項８】
前記選択手段は、
−  前記第１及び第２の導電性素子（８ａ、８ｂ）を接続する第１の金属層（１３ａ）と、
−  前記第１の金属層から電気的に絶縁され、前記第３及び第４の導電性素子（８ｃ、８ｄ）を接続する第２の金属層（１３ｂ）と、
−  電子回路（Ｖ＋、Ｖ−）中の前記第１及び第２の金属層のうちの一方又は他方を接続するスイッチ手段（１４、Ｔ１、Ｔ２）と、
を備えることを特徴とする請求項７に記載の熱電装置。
【請求項９】
前記第１及び第２の導電性素子（８ａ、８ｂ）の前記第１の断面積（Ａｎｐ１）は、ペルチェ効果及びゼーベック効果の２つの効果のうちの一方を助けるディメンションを持ち、前記第３及び第４の導電性素子（８ｃ、８ｄ）の前記第２の断面積（Ａｎｐ２）は、前記２つの効果の他方を助けるディメンションを有する、ことを特徴とする請求項７に記載の熱電装置。
【請求項１０】
前記第１の導電性素子（８ａ）は、前記第３の導電性素子（８ｃ）の各側に配置された２つの部分を備え、前記第２の導電性素子（８ｂ）は前記第４の導電性素子（８ｄ）の各側に配置された２つの部分を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温熱源（hot source）及び低温熱源（cold source）と接している熱電脚部（thermoelectric leg）を備える熱電装置（thermoelectric device）に関する。各脚部は導電性素子（conducting element）を備える。異なる熱電特性（thermoelectric nature）を持つ導電性素子は熱電対（thermocouple）を形成するために互いに接続されている。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来技術の熱電対モジュールを示す。各熱電対１は、脚部２ａ及び２ｂの対から形成されており、これらの脚部は、異なる特性の導電性材料から形成され、内部金属コネクター３によりその複数の端部のうちの１つを介して互いに接続されている。脚部２ａは通常Ｐ型の材料から形成され、脚部２ｂは通常Ｎ型の材料から形成され、これらは一般的にはＰ型及びＮ型のシリコンから形成される。このような対は、熱電対（thermopair）とも呼ぶことができる。
【０００３】
モジュールは、通常、金属接続コネクター４ａにより直列に電気的に接続された複数の熱電対１を備える。金属端子コネクターの端子４ｂ、４ｃは、直列に接続された複数の熱電対１の端に配置され、モジュールの電気的接続を与える。
【０００４】
熱電脚部２ａ及び２ｂを形成する複数の導電性材料又は複数の導電性素子は、異なる熱電特性を有する。異なる熱電特性とは、熱電対を形成することができる異なる化合物材料であること、又はドーピングのタイプが異なる同じ材料から形成されていることを意味する。
【０００５】
熱電モジュールはゼーベック効果モード又はペルチェ効果モードにおいて用いられることができる。熱電モジュールは、温度Ｔｈの高温側熱源（hot side reservoir）５と、温度Ｔｆの低温側熱源（cold side reservoir）６とを備える。熱源５及び６は、熱電対１の各側のコネクター３の面とコネクター４ａの面とにそれぞれ配置される。
【０００６】
ゼーベックモードにおいては、モジュールは、高温側５と低温側６との間の温度勾配から電気エネルギーを生成する。このモードは、電力生成モードとも呼ばれる。
【０００７】
ペルチェモードにおいては、モジュールの端子に電流を印加することにより、温度勾配を高温側５と低温側６との間に生成することができる。このモードは冷却モードとも呼ばれる。
【０００８】
熱電モジュールの効率は、実際には、用いられる材料と、その形状と、用いられる環境とに依存する。従来のモジュールは、冷却モード又は電力生成モードのいずれかに対して最適化されており、しかしながら、両方に対して同時に最適化されたものではなかった。
【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、所望のゼーベックモード又はペルチェモードに対して最適な動作を行うことができる単一のコンパクトな熱電装置を提供することである。
【００１０】
この目的は以下のことにより達成することができる。熱電装置は、第１の表面と接する第１の端部と第２の表面と接する第２の端部とを有する第１及び第２の脚部を備える。第１及び第２の脚部は、第１の表面と第２の表面との間で途切れることなく伸びる第１及び第２の導電性素子をそれぞれ備える。第１及び第２の脚部は、第１の表面と第２の表面との間で途切れることなく伸びる第３及び第４の導電性素子をそれぞれ備える。第３の導電性素子は第１の導電性素子と隣り合い、且つ、絶縁体により第１の導電性素子と隔てられている。第４の導電性素子は第２の導電性素子と隣り合い、且つ、絶縁体により第２の導電性素子と隔てられている。装置は、第１及び第２の導電性素子からの第１の熱電対の形成と、第３及び第４の導電性素子からの第２の熱電対の形成とを可能とする選択手段をさらに備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、従来技術の熱電モジュールを示す。
【図２】図２は、脚部の断面積に対するゼーベックモードの熱電装置により生成された電力のグラフを示す。
【図３】図３は、脚部の断面積に対するペルチェモードの熱電装置により生成された熱パワーのグラフを示す。
【図４】図４は、本発明にかかる包括的な熱電装置を概略的に示す。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態の装置の脚部を示す。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態の装置の脚部を示す。
【図７】図７は、電気接続素子により接続された図６の２つの脚部を備える熱電装置を示す。
【図８】図８は、図７の装置の電気接続素子の他の実施形態を示す。
【図９】図９は、図７の装置の電気接続素子のさらに他の実施形態を示す。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施形態の装置を示す。
【図１１】図１１は、図１０の装置の電気接続素子の断面を示す。
【図１２】図１２は、図１０の装置の電気接続素子の断面を示す。
【図１３】図１３は、図１０の装置の製造方法のある工程を示す。
【図１４】図１４は、図１０の装置の製造方法のある工程を示す。
【図１５】図１５は、図１０の装置の製造方法のある工程を示す。
【図１６】図１６は、図１０の装置の製造方法のある工程を示す。
【図１７】図１７は、図１０の装置の製造方法のある工程を示す。
【図１８】図１８は、図１０の装置の製造方法のある工程を示す。
【図１９】図１９は、図１０の装置の製造方法のある工程を示す。
【図２０】図２０は、図１０の装置の製造方法のある工程を示す。
【図２１】図２１は、図１０の装置の製造方法のある工程を示す。
【図２２】図２２は、図１１の接続素子の製造工程における断面を示す。
【図２３】図２３は、図２２の他の実施形態の工程における断面を示す。
【図２４】図２４は、図１２の接続素子の製造工程における断面を示す。
【図２５】図２５は、図１２の接続素子の製造工程における断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
他の利点及び特徴は、本発明の特有の実施形態についての下記の説明により、さらに明らかにされる。本発明の特有の実施形態は、単なる例示であって、本発明を限定するものではない。本発明の特有の実施形態は、添付の図面により示される。
【００１３】
熱電装置は、使用される条件と所望の動作モードとに対してその形状を調節することにより最適化することができる。熱電気及び熱の一般式を用いて得られるモデルは、この最適な形状を決定するために用いることができる。
【００１４】
図１のモジュールに基づくケーススタディは以下のように説明される。ゼーベックモードにおける装置の最適化はペルチェモードのものと異なることを強調する。
【００１５】
表１は、このモデルにおいて使用される熱電装置の電気、熱及び形状のパラメータをまとめたものである。装置の環境を定めるべく、熱交換機を装置と冷温側熱源６との間に配置する。熱交換機の特性も表１に示される。
【００１６】
第１のカテゴリーのパラメータ（温度）は、高温側５の温度Ｔｈケルビンと、冷温側６の温度Ｔｆケルビンとである。
【００１７】
第２のカテゴリーのパラメータは、材料の個々の特性を定義し、例えば、脚部を形成する導電性材料のゼーベック係数Ｓ、熱伝導率λ、電気抵抗率ρ、及び、例えば脚部の間の電気絶縁材料といったマトリックスの熱伝導率λＭＡＴである。
【００１８】
第３のカテゴリーは装置の形状を特徴づける。例えば、脚部の数ｎ（Ｎ＝ｎ／２は、熱電対の数と等しい）、脚部の高さＬ、ここでは長さｂを有する辺をもつ正方形により定められる脚部の断面積Ａｎｐ（Ａｎｐ＝ｂ２）、２つの連続した脚部の間の距離ｄ、及び、脚部を配置することができる利用可能表面積Ａｔｅである。
【表１】
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「熱交換」カテゴリーのパラメータは、冷温側の装置の環境を特徴づける：熱交換機の熱拡散表面積Ａｈｓ、及び、装置と冷温側熱源又は冷温源との間の熱交換器の熱伝導係数ｈである。この冷温源は、例えば外気温（Ｔｆ=３００Ｋ）にある空気であり、この空気を用いた熱交換機は、脚部が形成されている金属板又は基板とすることができる。
【００１９】
「抵抗」カテゴリーのパラメータは、各脚部２ａ、２ｂとコネクター３、４ａ、４ｂ、４ｃとの間のコンタクトの品質を示すコンタクト抵抗ＲＣ、及び、直列の熱電対の端子において測定された装置のトータル抵抗に対応する内部抵抗Ｒintである。
【００２０】
このモデル例においては、高温側及び冷温側は、それぞれ３５０ケルビンと等しいＴｈ及び３００ケルビンと等しいＴｆにある。モジュールの表面積Ａｔｅは１ｃｍ２に固定され、その上には１００００個の脚部、すなわち、５０００個の熱電対が配置される。複数の脚部は４０μｍの長さを持ち、空気により隔てられている。熱交換に関する最終的なパラメータは、２ｃｍ２の表面積Ａｈｓと１００Ｗｍ−２Ｋ−１の熱伝導係数ｈである。
【００２１】
特に高温側５における熱拡散のために、冷温側６の温度（Ｔｆ）は、コネクター４ａの面での熱電対の冷温温度に実際には対応するものではない。熱電対の冷温側は温度Ｔｆよりも高い温度ＴＣにある。従って、式中においては装置の温度差Ｔｈ−ＴＣが扱われ、環境における温度差Ｔｈ−Ｔｆは扱われない。
【００２２】
ゼーベック効果に従って及びペルチェ効果に従って動作する熱電対のパフォーマンスに対する脚部の断面積Ａｎｐの影響について検討することを提案する。脚部の辺及び断面積にそれぞれ対応するパラメータｂ及びＡｎｐは従って変化する。
【００２３】
ゼーベックモードにおいて生成された電力Ｑｇｅｎは、以下の式により表１のパラメータを用いて表現することができる。
【数１】
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【００２４】
式（１）は、パラメータＴｃ及びＲｉｎｔを含み、これらは既知ではなく、脚部の断面積Ａｎｐに依存する
内部抵抗Ｒｉｎｔは以下のように表記される。
【数２】
2013528941.tif 000005
【００２５】
Ｔｃを求めるために、熱交換機の面におけるパワーバランスを示す式は以下のように示される。
【数３】
2013528941.tif 000006
【００２６】
ここで、ＰＳｅｅｂは、熱交換器の界面において生成された熱電力を示し（温度ＴＣである）、Ｐｃｏｎｄは、伝導により伝わったパワーを示し、Ｐｊは、ジュール効果により生成されたパワーを示し、Ｐｈｓは、熱交換器の表面において（自然又は強制的な）対流によるパワーの減衰を示す。これらの４つのタームはＴＣを含む。各タームを以下の式により置き換えることにより、式（３）は以下のようになる。
【数４】
2013528941.tif 000007
【００２７】
ここで、ΔＴは温度差Ｔｈ−ＴＣを示し、λairは脚部を隔てる空気の熱伝導率を示し、Ｉは直列の熱電対により生成された電流を示し、さらに、Ａａｉｒは装置側の上の空気の熱交換面の面積を示す（Ａａｉｒ＝Ａｔｅ−２ＮＡｎｐ）。
【００２８】
パラメータＡｎｐの関数としてのＴＣを式（４）から得ることができる。
【００２９】
式（２）及び（４）により式（１）中の内部抵抗Ｒｉｎｔ及び温度ＴＣを置き換えることにより、生成された電力Ｑｇｅｎは、脚部の断面積Ａｎｐにのみに依存するものとして表現することができる。
【００３０】
図２は、脚部の断面積Ａｎｐに対するＱｇｅｎの変化を示す。最大電力Ｑｇｅｎ＿ＭＡXは断面積ＡｎｐＳｅｅｂ＝６．６７×１０−１０ｍ２の際に得られ、これは、ｂ＝２６μｍの長さを有する辺をもつ正方形に対応することがわかる。
【００３１】
この値ＡｎｐＳｅｅｂは、以下の式を解くことにより分析的に得ることができる。
【数５】
2013528941.tif 000008
【００３２】
同様に、モデル化はペルチェ効果に従い動作する装置に対しても行うことができる。熱電装置に１０ｍＡの入力電流Ｉを印加する。ペルチェ効果により生成されたパワー、ジュール効果及び熱伝導による損失を考慮し、ペルチェモードでの熱電装置の冷温電力は以下のような形式で表記することができる。
【数６】
2013528941.tif 000009
【００３３】
この式（６）は、脚部の断面積を示す変数Ａｎｐと、直列の熱電対を通過する電流Ｉと、トータル熱伝導率Ｋ（Ａｎｐ）とを含む。トータル熱伝導率は以下のように表記することができる。
【数７】
2013528941.tif 000010
【００３４】
図３は、式（２）、（６）、（７）及び表１のパラメータの値から得られた、脚部の断面積ＡｎｐによるＱｃｏｌｄの変化を示す。この場合、これらのパラメータはゼーベックモードとは異なる。従って、１０ｍＡと等しい入力電流は直列の熱電対を流れる。
【００３５】
このような条件の下で、脚部の断面積がゼーベックモードとして事前に決定されたものと等しい場合は、３．２Ｗの電力Ｑｃｏｌｄを得ることができる。図３の曲線から３．２Ｗというこの値は最適なものではないことが読み取れる。３．９４Ｗの最大電力Ｑｃｏｌｄ＿ＭＡＸは実際には断面積ＡｎｐＰｅｌｔ＝３．２４×１０−１０ｍ２の際に得ることができ、その場合、約１８μｍの辺を有する正方形となる。
【００３６】
従って、ペルチェモードに最適化された脚部の断面積は、ゼーベックモードに対して同じ熱電装置を最適化するために用いられる値よりも小さい。
【００３７】
このモデル化の例は、動作モードに応じて最適な脚部の断面積が変化することを示す。ペルチェ効果及びゼーベック効果のうちの１つのみに最適化された従来のモジュールとは異なり、同じモジュールで両方の動作モードにおいて最大の効率を得るために、以下に説明される装置は、脚部の断面積を調整（modulate）することができる構造を有する。
【００３８】
図４は、変化する断面積を持ち熱電装置の一般的実施形態を概略的に示す。装置は、２つの熱源の間を平行に熱的に接続され、少なくとも１つの熱電対を形成するように直列に電気的に接続された、２つの熱電脚部２ａ及び２ｂを備える。
【００３９】
各脚部は、熱源５と接する第１の端部と熱源６と接する第２の端部とを有する。熱源５は、例えば熱電装置の高熱表面を構成し、一方、熱源６は冷温表面を構成する。以下において「熱源」との表現は、ゼーベックモードにおいて装置の温度勾配をなす高温熱源又は冷温熱源、もしくは、ペルチェモードにおける冷却される環境のことを指す。
【００４０】
装置は複数の脚部を用い、各脚部は様々な導電性素子により形成され、好ましくは互いに平行に配置され、且つ、電気絶縁材料の層により隔てられている。従って、ここで「熱電脚部」とは、様々に固定取り付けされた導電性素子から形成された部分であり、各素子は、熱源５及び６の間を脚部の高さ全体にひろがる（extend over）。
【００４１】
この脚部の構造は、電気的に接続された異なる導電性素子によって異なる断面積を有する２つの熱電対を形成することができる。２つの熱電対のうちの一方又は他方は、所望の動作モードに従い選択される。
【００４２】
脚部２ａ及び２ｂのそれぞれは、第１の導電性素子８ａ、８ｂを備える。素子８ａ及び８ｂは、高温源５から冷温源６まで連続的に伸びている。脚部２ａの導電性素子８ａと脚部２ｂの導電性素子８ｂとは、好ましくは同じディメンションであり、図４中に符号Ａｎｐ１として示される同じ断面積を有する。
【００４３】
熱電装置の脚部２ａ及び２ｂのそれぞれは、第２の導電性素子をさらに備える。従って、脚部２ａは、素子８ａと隣り合い、且つ、電気絶縁体９により素子８ａと隔てられた導電性素子８ｃを備える。同様に、脚部２ｂは、素子８ｂと隣り合い、且つ、電気絶縁体１０により素子８ｂと隔てられた導電性素子８ｄを備える。導電性素子８ｃ及び８ｄは、好ましくは同じディメンションである。これらの断面積は符号Ａｎｐ２として示される。
【００４４】
導電性素子を形成する材料は、例えばシリコン及びゲルマニウムといった半導体材料、又は、特にアンチモン又はビスマスといった半金属から選択することができる。絶縁体９及び１０は好ましくは同じ材料からなり、例えば、樹脂、窒化物、酸化物及び空気から選択される。
【００４５】
以下の実施形態においては、第１の熱電対は導電性素子８ａ及び８ｂから形成され、一方、第２の熱電対は導電性素子８ｃ及び８ｄから形成される。従って、素子８ａを形成する材料と８ｂを形成する材料とは、異なる熱電特性であり、例えばｎ型にドーピングされた及びｐ型にドーピングされたシリコン−ゲルマニウム合金である。素子８ｃを形成する材料と８ｄを形成する材料とは、異なる熱電特性である。素子８ａを構成する材料と８ｃを構成する材料とは、同じ又は異なるものとすることができ、素子８ｂを構成する材料と８ｄを構成する材料とも同様である。
【００４６】
図５から７は、調節された断面積の脚部を有する装置の第１の実施形態の詳細を示すものである。
【００４７】
図５は、図４の装置の熱電脚部２ａの前面（左図）及び上面（右図）を示す。この実施形態では、脚部２ａのコアは円筒形状の導電性素子８ｃにより構成される。素子８ｃは電気絶縁材料９により覆われた円筒状の表面を有する。外部リングは、材料９及び円筒状の素子８ｃの周りに、円筒状の素子８ａにより形成される。従って、脚部２ａの素子８ａ及び８ｃは、絶縁材料９により隔てられた同心円筒である。第２の脚部も同様の構成である。
【００４８】
図６は、この脚部の構成に対応する電気接続モードを示す。各脚部の円筒は基板（不図示）の上に立っている。基板は、例えばｘｚ平面に平行な面に配置されている。従って、各脚部を形成する円筒はｙに沿って向く共通軸を有する。
【００４９】
電気接続素子３は、素子８ａ及び８ｃを露出する脚部２ａの外部表面上を移動することができる。図６の場合には、脚部の外部表面は、電気コネクター３と接しており、素子８ａ及び８ｃの上面に対応する。コネクターは例えばｘ方向に移動する。
【００５０】
図６中に実線で示される第１の位置においては、コネクター３は、脚部の外部リング、すなわち素子８ａと接触している。点線で示される第２の位置においては、コネクター３は素子８ａ及び８ｃと接触している。従って、コネクターは２つの円筒状の素子と電気的に接している。
【００５１】
同様に、コネクター３は、素子８ｂ及び８ｄを露出する脚部２ｂの外部表面上を移動する。
【００５２】
図７は、この第１の実施形態にかかる熱電装置の概観を示す。図５に示されるタイプの脚部２ａ及び２ｂは、図６中の関連する記載の１つのように、移動可能なコネクター３に対応するものである。
【００５３】
図６及び図７に概略的に示されるように、コネクター３が脚部２ａ及び２ｂの外部リングと接している場合には、素子８ａと素子８ｂとの間の電気的接続が形成され、第１の熱電対が形成される。この熱電対をなす導電性材料の断面はＡｎｐ１と等しい。コネクター３が、素子８ａ、８ｂ、８ｃ及び８ｄを少なくとも部分的に覆う場合（図６中の点線）には、すべての素子の間の電気的接続が形成される。そして、Ａｎｐ１とＡｎｐ２との総和に等しい断面積を有する第２の熱電対が得られる。
【００５４】
第１の熱電対は例えばペリチェ効果に従った動作に最適化されている。この場合、素子８ａ及び８ｂの断面積Ａｎｐ１は最大冷温電力が得られるように選択される。導電性素子の２つの対により形成される第２の熱電対は、例えばゼーベックモードにおいて用いられる。素子８ａ及び８ｃの断面積の総和と等しい対応する断面積は、電流生成を最適化するために選択される。
【００５５】
図７の実施形態においては、コネクター３は、脚部２ａと接する第１の部分３ａと脚部２ｂと接する第２の部分とを備える。部分３ａ及び３ｂは、例えば電線３ｃにより電気的に接続される。部分３ａ及び３ｂは、互いに対して移動することができる。各部分は例えば電気機械的アクチュエーターを用いて独立して動くことができる。
【００５６】
図８及び９は、コネクター３の他の実施形態を示す。コネクター３は、変形可能である導電性材料から形成された中央部分３ｄを備える単一の部分により形成することができる。コネクター３の部分３ａ及び３ｂは、それぞれ脚部２ａ及び２ｂと接しており、収縮又は膨張するように変形する材料３ｄによって反対方向に連続的に移動することができる。
【００５７】
図８の部分３ａ及び３ｂの位置は待機位置に対応することができ、変形可能な部分３ｄに力がかかっていない場合である。変形可能な部分３ｄを圧縮することにより（図９）、部分３ａはＸ方向に移動し、部分３ｂは−Ｘ方向移動し、第２の熱電対を形成する。反対に、待機位置は図９に対応することもできる。部分３ａ及び３ｂは、材料３ｄを膨張させることにより、各脚部のみの外部リングに接触することとなる。変形可能な材料としては例えば形態変化材料（shape change material）がある。
【００５８】
円筒状の脚部２ａ及び２ｂは、半導体材料から形成されたナノワイヤにより形成することができる。第１のステップは、例えばシリコンといった第１の材料のナノワイヤの成長を基板上で行う。ナノワイヤはその表面を酸化して、２つの導電性素子の間に例えば酸化シリコンＳｉＯ２といった絶縁材料の層を形成する。最終的には、最後のステップにおいて。第２の材料（例えばシリコン）の新しい成長を行い、絶縁材料を覆う。
【００５９】
図１０から１２は、調節された断面積の脚部を有する熱電装置の第２の実施形態を示す。
【００６０】
図１０は、熱電脚部２ａ、２ｂ及び２ａが基板１２の上に並んで配置されているような装置を示す。図１、図４から９の示される垂直構造と異なり、この構造は、例えば堆積し、次いで層をパターニングするといった薄膜製造（planer fabrication）に基づいている。
【００６１】
装置は、第１の熱電対を形成するための素子８ａ及び８ｂの間の第１の電気接続１３ａと、第２の熱電対を形成するための素子８ｃ及び８ｄの間の第２の電気接続１３ｂとを備える。素子８ａ及び８ｂの断面積Ａｎｐ１は、素子８ｃ及び８ｄの断面積Ａｎｐ２と異なる。よって、第１及び第２の熱電対は、異なるサイズの断面積を有する。これらのうちの一方は、好ましくはゼーベックモードでの動作に最適化されており、他方はペルチェモードでの動作に最適化されている。
【００６２】
第１の電気接続１３ａは、素子８ａ及び８ｂを接続する金属層１３ａにより形成することができ、好ましくは脚部２ａ及び２ｂの1つの端部に位置する。金属層１３ｂは、好ましくは層１３ａの近傍であって層１３ａと平行に配置され、素子８ｃ及び８ｄを接続する。
【００６３】
各熱電対は、好ましくは連続的な脚部２ａ、２ｂの対により形成された同じ特性の他の熱電対と直列に接続される。脚部２ｂの外部素子８ｂは、金属層１３ｃにより、図１０の右において以下の脚部２ａの外部素子と電気的に接続される。同様に、脚部２ｂのコア８ｄは、金属層１３ｄにより、以下の熱電対の脚部２ａのコアに電気的に接続される。
【００６４】
金属層１３ｃ及び１３ｄは、好ましくは脚部の反対側の端にある層１３ａ及び１３ｂと同様に形成される。従って、２つの独立した電気経路は導電性素子から形成される。
【００６５】
２つの直列の熱電対は、スイッチ装置１４により外部電気回路（不図示）と接続される。装置１４は、入力−出力端子Ｖ＋及びＶ−に２つの電気経路のうちの一方又は他方を接続する。装置がペルチェモードで動作している際には、これらの入力−出力端子Ｖ＋及びＶ−は装置の電源端子（supply terminal）である。反対に、ゼーベックモードにおいては、入力−出力端子Ｖ＋及びＶ−は外部回路の電源端子である。
【００６６】
図１０に示される実施例においては、装置１４は２つのスイッチＴ１及びＴ２を備え、例えばＭＯＳトランジスタ型である。各スイッチは、入力−出力端子Ｖ＋及びＶ−のうちの１つと対応する直列の熱電対との間の電気経路に配置される。
【００６７】
スイッチＴ１及びＴ２は、互いに逆位相の関係にある信号φ及び信号／φにより制御される。このようにして、直列の熱電対の１つのみがどの時点においても外部回路（電力供給又は負荷）と接続する。例えば、直列の第１の熱電対を用いて２つの効果であるペルチェ効果又はゼーベック効果のうちの一方に応じた動作のために、トランジスタＴ１は信号φによりオンにされる。直列の第２の熱電対を用いた他方の効果に応じた動作のために、トランジスタＴ２は逆位相の信号／φによりオンされる。
【００６８】
この実施形態においては、素子８ａは、素子８ｃの各側に対称に配置された２つの部分からなる。同様に、素子８ｄは、素子８ｂの各側に対称に配置されている。しかしながら、装置はこのような対称な構成に限定されるものではない。特に、素子８ａ及び８ｃは、図４に示されるように並んで配置することができる。
【００６９】
図１１及び１２は、図１０の装置の断面であって、それぞれ、導電性素子８ａ上の層１３ａにより形成された電気接続におけるものと、導電性素子８ｃ上の層１３ｂにより形成された電気接続におけるものとである。導電性材料から形成された素子８ａ及び８ｃは電気絶縁材料により囲まれている。絶縁材料の上部は除去され、領域１５ａの素子８ａと接続する（図１２）、もしくは、領域１５ｂの素子８ｃと接続する（図１３）ことを可能にする。
【００７０】
図１３から２１は、図１０にかかる熱電脚部の製造方法の第１の連続する複数の工程を示す。
【００７１】
図１３においては、電気絶縁材料の層１６及び１７は基板１２の上に堆積される。エッチングマスク１８は層１７の上に形成される。マスク１８は好ましくはフォトリソグラフィーでパターニングされた樹脂を備える。マスクにより定められた開口部は熱電脚部のディメンションに対応するディメンションを有する。
【００７２】
図１４においては、誘電層１６及び１７は、マスク１８を介して異方性エッチングされる。マスク１８は、例えばＯ２タイプのプラズマエッチングにより、層１６及び１７に対して選択的に除去される。
【００７３】
図１５は、上述のエッチング領域において、基板１２の上のスペーサー１９ａ及び１９ｂの製造を示す。スペーサーは、好ましくは犠牲材料の層のコンフォーマルな堆積と犠牲材料の異方性エッチングにより形成される。犠牲材料は例えば酸化シリコン酸化又は窒化シリコンである。
【００７４】
図１６は導電性素子８ｃの形成を示す。例えばドーピングされたシリコンから形成された導電性材料の層は、スペーサー１９ａ及び１９ｂの間にある空間の中に形成され、さらに、スペーサー１９ａ及び１９ｂと同じ面をなすように薄層化される。薄層化は例えば化学機械研磨又は化学エッチングにより行うことができる。ドーピングは、局所的なイオン注入による堆積を連続的に行うことにより、もしくは、ガス状のドーパントを堆積の際に追加することにより行うことができる。
【００７５】
図１７において、スペーサー１９ａ及び１９ｂは、層１６、１７に対して及び素子８ｃの材料に対して選択的に除去される。
【００７６】
図１８は、素子８ｃは電気絶縁材料９により覆われている。材料９は好ましくは素子８ｃの表面酸化により形成される。酸化は、例えば酸素の下での熱処理により行うことができる。シリコン素子８ｃの場合には、酸化シリコンＳｉＯ２を得ることとなる。
【００７７】
図１９においては、素子８ａの導電性材料は、素子８ｃの各側に形成され、素子８ｃの上部上の絶縁体９と平坦な表面を形成するように薄層化される。素子８ａの材料は例えば素子８ｃの材料と同一である。
【００７８】
図２０及び２１は、素子８ａ及び８ｃの上方にスペーサー２０ａ、２０ｂ、２１ａ及び２１ｃの形成を示す。スペーサー２０ａ及び２０ｂは、素子８ｃの各側において素子８ａの部分のみを覆う。スペーサー２１ａ及び２１ａは、それぞれスペーサー２０ａ及び２０ｂにそれぞれ接しており、素子８ａを部分的に覆い、さらに絶縁材料９を部分的に覆う。スペーサー２１ａ及び２１ｂの間にある自由領域は、素子８ｃのほぼ上方に配置され、しかしながら素子８ａにまで至ることはない。
【００７９】
図１３から２１に関係する工程は、装置の熱電脚部２ａ及び２ｂのすべてに共通する。
【００８０】
図２２から図２５は、製造方法の第２の連続する複数の工程を示す。これらは脚部の間の電気接続の形成に対応する。図２２及び図２３は金属層１３ａの形成を示す。
【００８１】
図２２においては、スペーサー２１ａ及び２１ｂはフォトリソグラフィーにより事前に定められた領域においてエッチングされる。この領域は、第１の脚部の素子８ａと第２の脚部の素子８ｃ（不図示）とに接する金属層１３ａの形成を与える。よって、素子８ａとの接続は、スペーサー２１ａ及び２１ｂを除去することにより得られる。金属層１３ａはスペーサー２０ａ及び２０ｂの間にある空間に堆積される。層１３ａは好ましくは化学機械研磨により平坦化される。
【００８２】
図２３に示される他の実施形態においては、すべてのスペーサーは除去される。素子８ａ上の層１３ａの接続は、素子８ａの上面全体の上に形成される。
【００８３】
図２４及び２５は金属層１３ｂの形成を示す。
【００８４】
図２４においては、絶縁材料９の上部はフォトリソグラフィーにより定められた他の領域においてエッチングされる。このエッチングは、連続する工程の中で電気接続を形成するように素子８ｃに接続する開口部を形成する。スペーサー２１ａ及び２１ｂは、好ましくはエッチングマスクとして機能する。従って、この接続領域はスペーサー２１ａ及び２１ｂの間にある空間の下に配置される。
【００８５】
図２５は、金属層１３ｂはスペーサー２１ａ及び２１ｂの間の空間に堆積され、次いで化学機械研磨により最終的に平坦化される。
【００８６】
製造方法は、脚部２ａに関するものして脚部２ａについての言及を用いて説明した。しかしながら、例えば図４に示される脚部２ｂといった装置の他の熱電脚部にも、方法を適用することができる。
【００８７】
どの脚部の導電性素子であっても、好ましくは同じ熱電特性の材料から形成される。一般的には、導電性素子はすべてシリコンから形成することができる。脚部２ａの素子８ａ及び８ｃはｎ型ドーピングされ、脚部２ｂの素子８ｂ及び８ｄはｐ型ドーピングされることができる。他の例においては、素子８ａ及び８ｂはそれぞれｎ型ドーピングされたシリコン及びｐ型ドーピングされたシリコンから形成され、一方、素子８ｃ及び８ｄはそれぞれｎ型ドーピングされたシリコン−ゲルマニウム合金及びｐ型ドーピングされたシリコン−ゲルマニウム合金から形成される。
【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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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