(57)【要約】  熱電発電装置は、一対の熱伝導性の上部プレートおよび下部プレートを備え、それらの間に箔アセンブリを有する。箔アセンブリは、一連の熱電脚部が形成された基板を備えてもよい。脚部は、少なくとも１列に配置されて交互に並べられた異種材料で形成されてもよい。熱電脚部の各々には、列の軸に非平行に配向された脚軸が画定されてもよい。基板両側の熱伝導性ストリップは、脚部の一端が上部プレートと熱的に接触し、脚部の反対端が下部プレートと熱的に接触するように、列における脚部の両端に整列されてもよい。熱伝導性ストリップは、脚部間に熱ギャップを画定し、上部プレートおよび下部プレートは脚部を通して長手方向に熱の流れを生じさせて電圧を発生する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電発電装置であって、
一対の上部および下部プレートと、
前記上部プレートと前記下部プレートとの間に挿置され、基板上面および基板下面を有するとともに、比較的低い熱伝導率を有する電気絶縁材料で形成された基板と、
前記基板上面と前記基板下面との少なくとも一方に少なくとも１列に配置されるとともに交互の異種材料で形成される一連の熱電脚部であって、前記列の軸に対し非平行に配向される脚軸を各々画定する一連の熱電脚部と、
前記熱電脚部の一端が前記上部プレートと熱的に接触し、前記熱電脚部の反対端が前記下部プレートと熱的に接触するように、前記基板の両側に取り付けられるとともに前記列において前記熱電脚部の両端に整列される少なくとも一対の熱伝導性ストリップと
を備え、前記熱伝導性ストリップは前記熱電脚部の間に熱ギャップを画定し、前記上部および下部プレートは前記熱電脚部を通して長手方向に熱の流れを生じさせる、熱電発電装置。
【請求項２】
前記基板の平面に平行でかつ前記熱電脚部の各々の脚軸に平行な方向に沿って前記脚部を電流が流れる、請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記基板上面および前記基板下面の各々は前記熱電脚部の少なくとも１つの列を含む、請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記熱伝導性ストリップと前記熱電脚部との間に挿置された少なくとも１つの電気絶縁層をさらに含む請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
前記基板上に形成された複数の列をさらに備え、該複数の列の熱電脚部は電気的に直列に接続されている、請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項６】
前記基板は複数の前記列を含み、
前記列の１つにおける前記熱電脚部の端部は列間隔を画定するために前記列の隣接する１つにおける前記熱電脚部の端部から離間されており、
前記熱伝導性ストリップの各々は前記列間隔に整列されている、
請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項７】
前記熱電脚部の脚軸は前記列の軸に対して実質的に垂直に配向されている、請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項８】
前記列において前記熱電脚部は互いに実質的に平行に配向されている、請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項９】
前記異種材料は前記熱電脚部がｎ型およびｐ型脚部を備えるように異種半導体材料を含み、
前記ｎ型およびｐ型脚部の少なくとも一方はＢｉ２Ｔｅ３型半導体材料からなる出発材料から形成されている、
請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項１０】
前記基板上に形成された複数の金属ブリッジをさらに備え、
前記異種材料は前記熱電脚部がｎ型およびｐ型脚部を備えるように異種半導体材料を含み、
前記ｎ型およびｐ型脚部の各々は対向する脚部端を有しており、前記ｐ型脚部の両端において前記ｐ型脚部が前記ｎ型脚部の隣接する一つに前記金属ブリッジによって電気的に相互接続されるように前記脚部端が前記金属ブリッジに重なっている、
請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項１１】
前記金属ブリッジは、タングステン、クロム、金、ニッケル、アルミニウム、銀、銅、チタン、モリブデン、タンタル、およびドープされた炭化ケイ素のうちの少なくとも１つを備える金属材料で形成される、請求項１０に記載の熱電発電装置。
【請求項１２】
前記異種材料は、前記熱電脚部がｎ型およびｐ型脚部の一方と金属脚部とを備えるように半導体材料と金属材料とを含み、
前記金属脚部の金属材料はタングステン、クロム、金、ニッケル、アルミニウム、銀、銅、チタン、モリブデン、タンタル、およびドープされた炭化ケイ素のうちの少なくとも１つを備える、
請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項１３】
前記ｎ型およびｐ型脚部の半導体材料はＢｉ２Ｔｅ３型半導体材料からなる、請求項１２に記載の熱電発電装置。
【請求項１４】
前記金属脚部は前記基板上に形成され、
前記半導体材料からなる半導体脚部は該半導体脚部のほぼ全長に沿って前記金属脚部から電気的に絶縁されており、
前記半導体脚部の脚部端は前記金属脚部の脚部端に重なり合って電気的に接続されている、
請求項１２に記載の熱電発電装置。
【請求項１５】
前記金属脚部と前記半導体脚部との間に挿置され、前記脚部端を電気的に結合するべく前記脚部端の各々において開口を有する電気絶縁層をさらに含む、請求項１４に記載の熱電発電装置。
【請求項１６】
前記列における前記一連の熱電脚部がジグザグパターンを形成するように、隣接する複数対の前記熱電脚部の脚軸が鋭角をなしている、請求項１２に記載の熱電発電装置。
【請求項１７】
前記異種材料は、
前記熱電脚部がｎ型およびｐ型脚部の一方と金属脚部とを備えるような半導体材料および金属材料と、
前記熱電脚部がｎ型およびｐ型脚部を備えるような半導体材料と、
のうちの少なくとも一方を備え、
前記ｎ型およびｐ型脚部の少なくとも一方は、約１５μｍ〜約１００μｍの範囲の脚部厚さと、約１０μｍ〜約５００μｍの範囲の幅と、約５０μｍ〜約５００μｍの範囲の長さとを有し、
前記金属脚部は、約０．５μｍ〜約５μｍの範囲の脚部厚さと、約１０μｍ〜約５００μｍの範囲の幅と、約５０μｍ〜約５００μｍの範囲の長さとを有する、
請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項１８】
前記ｎ型およびｐ型脚部の各々は約２０〜約３５μｍの脚部厚さを有する、請求項１７に記載の熱電発電装置。
【請求項１９】
前記基板は或る基板厚さを有し、
前記ｎ型およびｐ型脚部の脚部厚さは前記基板厚さの約１〜約１０倍であり、
前記基板厚さは前記金属脚部の脚部厚さの約１〜約５０倍である、
請求項１７に記載の熱電発電装置。
【請求項２０】
前記ｎ型およびｐ型の脚部厚さの前記基板厚さに対する厚さ比は約２〜約４の範囲内にあり、
前記基板厚さの前記金属脚部の脚部厚さに対する厚さ比は約１０〜約１５の範囲内にある、
請求項１９に記載の熱電発電装置。
【請求項２１】
前記基板はポリイミド材料で形成される、請求項１９に記載の熱電発電装置。
【請求項２２】
前記上部および下部プレートの間に約５Ｋの温度勾配で、
約０．２Ｖ〜約２．０Ｖの開放熱電電圧出力、
約０．１Ｖ〜約１．０Ｖの整合負荷における熱電電圧出力、
約０．１ｍＡ〜約５．０ｍＡの電流、
約０．１ｍＷ〜約０．５ｍＷの電力出力、
約０．１ｍＷ／ｃｍ２〜約０．５ｍＷ／ｃｍ２の電力出力密度、および
約０．０２％〜約０．２％のエネルギー変換効率、
の特性パラメータのうちの少なくとも１つを有する請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項２３】
約１０Ｋ／Ｗ〜約２０Ｋ／Ｗの熱抵抗を有する請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項２４】
熱電発電装置を形成する方法であって、
基板を設けるステップと、
前記基板上に金属ブリッジを形成するステップと、
前記基板上に交互にｎ型およびｐ型脚部を形成して熱電脚部の列を形成することにより、前記ｎ型およびｐ型脚部の端部を前記金属ブリッジに重ね合わせて前記ｎ型およびｐ型脚部を直列に電気的に相互接続させるステップであって、前記熱電脚部の各々が前記列の軸に対して非平行に配向される脚軸を画定する当該ステップと、
前記基板、前記金属ブリッジ、および前記ｎ型およびｐ型脚部を電気絶縁層で覆うステップと、
を備える方法。
【請求項２５】
前記熱電脚部の対向脚部端に整列された熱伝導性ストリップを用いて上部プレートおよび下部プレートを前記基板に接続することにより、前記基板、前記熱電脚部、および前記上部および下部プレートの間に熱ギャップを形成するステップをさらに備える請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記交互のｎ型およびｐ型脚部が前記熱電脚部の列を画定し、
前記熱電脚部の各々が脚軸を画定し、
前記熱電脚部の脚軸が前記列の軸に対して実質的に垂直に配向されている、
請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記基板上に前記金属ブリッジを形成するステップは、
タングステンの層を前記基板上に形成すること、
アルミニウムの層を前記タングステンの上に形成すること、
タングステンの層を前記アルミニウムの上に形成すること、
を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記半導体脚部はＢｉ２Ｔｅ３型半導体材料を備える材料から形成される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記熱ギャップを比較的低い熱伝導率を有する材料で満たすステップをさらに備える請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
熱電発電装置の箔アセンブリを形成する方法であって、
基板を設けるステップと、
前記基板上で互いに離間させて金属脚部の列を形成するステップと、
前記金属脚部を電気絶縁層で覆うステップと、
前記金属脚部の対向する脚部端において前記電気絶縁層に開口を形成するステップと、
前記基板上に前記金属脚部に対して交互に半導体脚部を形成して、前記列のジグザグパターンを形成するように前記半導体脚部の脚部端を前記金属脚部の脚部端に重ね合わせて電気的に接続するステップと、
前記基板、前記金属ブリッジ、および前記半導体脚部を電気絶縁層で覆うステップと、
を備える方法。
【請求項３１】
前記半導体脚部の両端および前記金属脚部の両端に整列される熱伝導性ストリップを用いて前記基板に上部プレートおよび下部プレートを接続することにより、前記基板、前記半導体脚部、および前記上部および下部プレートの間に熱ギャップを形成するステップをさらに備え、前記上部および下部プレートは、前記半導体脚部および前記金属脚部を通して長手方向に熱の流れを生じさせる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記半導体脚部および前記金属脚部の各々は脚軸を画定し、当該方法は、
隣接する複数対の前記半導体脚部および前記金属脚部の脚軸が鋭角を画定するような向きに前記半導体脚部および前記金属脚部の少なくとも一方を形成するステップをさらに備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記金属脚部はタングステン、クロム、金、ニッケル、アルミニウム、銀、銅、チタン、モリブデン、タンタル、およびドープされた炭化ケイ素のうちの少なくとも１つで形成され、
前記半導体脚部はＢｉ２Ｔｅ３型半導体材料を備える材料から形成されている、
請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記熱ギャップを比較的低い熱伝導率を有する材料で満たすステップをさらに備える請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して熱電装置に関し、より具体的には平面構造を有する熱電発電装置に関する
【背景技術】
【０００２】
熱電発電装置は、導体中の電荷担体拡散によって熱差を電気に変換する現象、すなわちゼーベック効果に従って熱エネルギーを電気エネルギーに変換する自己充足的なエネルギー源である。電力は、一対の異種材料から構成される熱電対を利用することによるゼーベック効果に従って発生させることができる。異種材料は、対の一端で接合されたｎ型およびｐ型の熱電脚部を備えていてもよい。ｎ型およびｐ型という用語は、材料内の電荷担体の負型および正型を指す。
【０００３】
電気は、熱電対の端部間の温度勾配によって発生される。温度勾配は、人工的に加えられてもよく、人体によって一定に排出される廃熱など、自然発生的であってもよい。熱電発電装置に関する一応用では、腕時計が常温の空気にさらされ、空気が腕時計の片側でヒートシンクとして作用する。腕時計の反対側は、熱源として作用する使用者の皮膚の比較的高い温度にさらされる。腕時計の厚さを隔てて存在する温度勾配が利用される可能性があり、それによって熱電発電装置が腕時計を内蔵ユニットとして動作させるのに十分な電源を発生することができ。腕時計は、わずかな電力のみを必要とし、したがって熱電発電装置による給電に適合する多くのマイクロエレクトロニクスデバイスの１つである。
【０００４】
廃熱源では、熱源とヒートシンクの間にわずかな温度差しか存在しない場合が多い。温度差が小さいので、センサーシステムやマイクロ・センサー・ネットワーク内のデバイスなど、無制限に任意の数の様々なデバイスに給電する十分に大きい熱電電圧を発生するためには、比較的多数の熱電対を直列に接続しなければならない。しかしながら、電子回路の分野における最近の進歩によって、多数の熱電対を熱電発電装置に組み入れる必要性は少なくなっている。さらに具体的に言うと、変圧器、電圧増倍器、およびチャージポンプなどの電圧増倍要素の最近の改良によって、熱電発電装置の小さい電圧（たとえば、１０ｍＶ〜数百ｍＶの範囲の）を通常はバッテリによって給電される電子デバイスの駆動に必要な十分に高い電圧（たとえば、１〜４Ｖの範囲の）に効率よく変換する手段が提供される。
【０００５】
熱電発電装置によって発生される電圧は電気的に直列に接続された熱電対の数に比例するので、比較的低い電圧を増幅する能力は、熱電発電装置における熱電対の総数を減らす手段を提供する。熱電対数の減少は、熱電発電装置の外形寸法の縮減につながる。さらに、熱電対数の減少と熱電発電装置の物理的大きさの縮小は、熱電発電装置の全体的なコストの削減をもたらす。さらに、熱電対の電圧は熱電対全体にわたって作用する温度勾配に比例するので、電圧を増幅するために先進エレクトロニクスを採用することで比較的小さい温度勾配を利用する手段が得られる。小さい温度勾配から十分に高い電圧を発生する能力は、熱電発電装置が採用される可能性のある多種多様な用途の増加につながる。
【０００６】
熱電発電装置およびその他の熱電構造体は様々な配置で構成されてよい。たとえば、熱流束センサーは、面内構成で提供されうる一種の熱電構造体である。面内構成では、熱電脚部は基板上に形成され、電流が基板表面に平行な方向に沿って熱電脚部を長手方向に流れる。熱流束センサーでは、熱流束センサーの応答時間を増加させる熱電脚部の熱キャパシタンス（すなわち、熱質量）を最小にするために熱電脚部を厚さの比較的薄い薄膜として形成することが望ましい。さらに、熱流束センサーは、熱流束への影響を最小にしてセンサー全体にわたる温度降下を最小にするために、最小限の熱抵抗を有することが好ましい。
【０００７】
対照的に、熱電発電装置は、熱電発電装置全体にわたる温度降下を増加させるために大きい熱抵抗を有することが好ましい。面内構成の熱電発電装置の熱電脚部の厚さは、比較的高い出力につながる電気抵抗を最小にするために大きいことが好ましい。
【０００８】
しかしながら、比較的厚い熱電脚部と基板材料に形成される他の膜とに関連する欠点の１つは、熱電脚部と基板上の他の膜とを形成する工程で発生する内部応力である。内部応力は、基板材料に対する熱電材料の熱膨張係数の差に起因する場合がある。半導体脚部の熱膨張係数は室温における基板に適合する場合があるが、最高３００℃の高温では、膜の熱膨張係数は基板と整合しない可能性がある。たとえば、室温では、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）などのポリイミド基板は、２０×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数αを有しており、これは２０．１×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数αを有するＢｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３半導体材料などのＢｉ２Ｔｅ３型半導体材料の熱膨張係数と同程度の大きさである。また、金属膜の熱膨張係数も室温におけるポリイミド基板の熱膨張係数に適合する。たとえば、アルミニウム（Ａｌ）は２３．１×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数αを有しており、ニッケル（Ｎｉ）は１２．８×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数αを有しており、金（Ａｕ）は１４．３×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数αを有しており、銀（Ａｇ）は１９．７×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数αを有している。
【０００９】
しかしながら、高温では、ポリイミド基板（たとえば、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標））の熱膨張係数は著しく増加する。たとえば、１００℃〜２００℃の範囲の温度では、ポリイミドは３１×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数αを有している。２００℃〜３００℃の範囲の温度では、ポリイミドは４８×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数αを有している。このことから分かるように、薄膜がポリイミド基板上に形成されて処理される高温は、材料の線膨張係数間の不整合をもたらす。この点について、高温によるＢｉ２Ｔｅ３型半導体の蒸着に続いて加熱された基板を冷却すると、薄膜内の内部応力が増加する可能性がある。同様に、アニーリング処理中にポリイミド基板の薄膜構造を加熱すると、やはり、薄膜内の内部応力が増加して薄膜内に欠陥および／または損傷として現れる可能性がある。
【００１０】
先行技術に含まれるのは、面内構成を有する複数の熱電構造体である。たとえば、Ｐｅａｂｏｄｙに付与された米国特許第６，２７８，０５１号（特許文献１）は、複数のリンクまたは熱電脚部を有する熱流束センサーを開示している。脚部は、脚部端の最上部に形成される金属リンクによって電気的に直列に接続される。脚部と金属リンクの組合せは金属基板上に蒸着される。この点について、Ｐｅａｂｏｄｙのデバイスは面内配置を開示しており、熱は基板に平行な方向に沿って脚部を流れる。しかしながら、Ｐｅａｂｏｄｙでは、脚部が製造工程の結果として生じる可能性のある脚部の内部応力の形成を最小にするように構成される配置を開示していると解されていない。さらに、Ｐｅａｂｏｄｙの熱センサーは、脚部が銅−ニッケルなどの金属材料で形成されており、基板は熱伝導性が高い（すなわち、陽極酸化アルミニウム）ことを開示している。加えて、Ｐｅａｂｏｄｙは、センサーがポリマーの固体塊に効果的に埋め込まれるように熱流束センサーの熱ギャップがポリマー絶縁材料で満たされていることを開示している。さらに、熱が流れる経路は主として金属性であるので、Ｐｅａｂｏｄｙの熱流束センサーは約１．２ｃｍ２Ｋ／Ｗの比較的低い熱抵抗を有する。比較すると、本明細書に記載するような熱電発電装置は、約１９ｃｍ２Ｋ／Ｗの熱抵抗を有していてもよい。最後に、Ｐｅａｂｏｄｙセンサーは、熱電装置で望まれるような比較的高い感度（たとえば、約２０００ｍＶ／（Ｗ／ｃｍ２））に比べて比較的低い感度（たとえば、約８０ｍＶ／（Ｗ／ｃｍ２））を有する。
【００１１】
Ｋｏｒｎらに付与された米国特許第４，０２９，５２１号（特許文献２）は、基板に蒸着されて直列に配置された複数の熱電対接点を有する熱電対列を開示している。Ｋｏｒｎは、複数の熱電対の温接点および冷接点を形成するために基板上に約１μｍ厚の列をなした異種材料で形成された複数のめっきを開示している。Ｋｏｒｎは、熱電対が赤外領域などにおける電磁放射線の検出および測定に使用されることを示している。Ｋｏｒｎは、さらに、冷接点の近くに配置され、トンネルなどの断熱手段によって温接点から分離されたヒートシンクを開示している。Ｋｏｒｎは、デバイスの上面は熱放射を受けやすいのでデバイスの下面のヒートシンク（すなわち、熱結合板）を開示しているだけである。しかしながら、Ｋｏｒｎは、各列の脚部が列に対して概して平行に配置されることを開示しており、Ｋｏｒｎのデバイスを構成する材料の熱膨張係数の差を調整するものとは解されていない。
【００１２】
Ｋｏｌｏｍｏｅｔｓらに付与された米国特許第４，０４９，４６９号（特許文献３）は、基板の両面に形成された半導体材料の膜を有する面内熱電素子を開示している。基板の上面および下面の半導体材料は、基板に形成された孔を通じて電気的に接続される。半導体材料は、熱伝導材料のストリップによって片側で冷却プレートと接触している。同様に、半導体材料は、熱伝導材料のストリップによって反対側で加熱プレートと接触している。熱は、基板に平行な方向に沿って半導体材料を流れる。熱伝導材料のストリップは、ギャップを形成するために互いに離間して配置される。ストリップ間のギャップは、ガスで満たされてもよい。ストリップは、高い熱伝導性および電気伝導性を有するものとして示され、銀、銅、またはアルミニウムで形成されてもよい。しかしながら、Ｋｏｌｏｍｏｅｔｓは、Ｋｏｌｏｍｏｅｔｓデバイスを構成する半導体材料および基板の熱膨張係数の差を調整することによって基板上の半導体材料が内部応力を最小にするように配置されることをどこにも示していない。
【００１３】
Ｇｕｉｌｍａｉｎらに付与された米国特許第６，２０４，５０２号（特許文献４）は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）などの可撓性材料で形成される基板を有する面内熱センサーを開示している。基板は、複数の熱電対接点を形成するために交互に配列された銅／コンスタンタンの連続トラックまたは列を形成する一連の熱電対素子を含む。しかしながら、Ｇｕｉｌｍａｉｎの熱電対素子の各々は、列に平行に配置されると解されている。この点について、Ｇｕｉｌｍａｉｎは、Ｇｕｉｌｍａｉｎセンサーを構成する銅／コンスタンタンおよび基板の熱膨張係数の差を調整する配置を提供すると解されていない。
【００１４】
Ｂｒｏｕｗｅｒらに付与された米国特許第３，２９３，０８２号（特許文献５）は、基板上に複数の熱電対を形成するために交互に配列された異種材料の一連のストリップで形成された面内熱センサーを開示している。基板は、電気絶縁材料から構成されるものとして開示されている。接点のあるものは、デバイスの上面で放射にさらされる。デバイスの下面では、ある接点が、銅、アルミニウム、または銀などの高い熱容量を有する金属体から構成される下熱結合板と熱的に接触している。しかしながら、交互に配列された異種材料の一連のストリップは基板上で互いに平行に配置されて形成されるので、ＢｒｏｕｗｅｒはＢｒｏｕｗｅｒセンサーを構成するストリップおよび基板の熱膨張係数の差を調整する手段を提供すると解されていない。
【００１５】
Ｎｕｒｎｕｓらに付与された米国特許公開第２００４／００７５１６７号（特許文献６）は、その請求項１において、基板上に形成された少なくとも一対の半導体部品、あるいは基板上に形成された金属膜と対を作る半導体部品を有する１つの熱電素子の面内構成を開示している。Ｎｕｒｎｕｓは、ニッケル、クロム、アルミニウムなどの材料で形成された拡散障壁が基板上に１０ｎｍ〜１０μｍの厚さで蒸着されてもよいことを開示している。さらに、Ｎｕｒｎｕｓは、一対の半導体部品を相互接続する金属接点が金、ビスマス、ニッケル、銀、あるいはビスマス／錫／鉛／カドミウム共晶混合物で形成されてもよいことを開示している。しかしながら、Ｎｕｒｎｕｓは、一対の半導体部品または金属膜と対を作る半導体部品が基板に対して熱膨張係数の差を調整するように配置されることを開示していると解されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第６，２７８，０５１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，０２９，５２１号明細書
【特許文献３】米国特許第４，０４９，４６９号明細書
【特許文献４】米国特許第６，２０４，５０２号明細書
【特許文献５】米国特許第３，２９３，０８２号明細書
【特許文献６】米国特許公開第２００４／００７５１６７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上から分かるように、基板に蒸着された熱電脚部の内部応力の形成を最小にする熱電発電装置と製造方法の必要性が当技術分野に存在する。この点について、製造工程中に熱電薄膜における欠陥および／または損傷の形成を最小にする熱電発電装置を製造するシステムおよび方法の必要性が当技術分野に存在する。さらに、熱電発電装置によって給電されねばならない用途の電気抵抗と熱抵抗を整合させるために熱電脚部の形状変化の選択を容易にする熱電発電装置を製造するシステムおよび方法の必要性が当技術分野に存在する。この点について、所与の用途の熱流量および温度勾配に脚部長さおよび／または脚部厚さを合わせる手段を提供する熱電発電装置を製造するシステムおよび方法の必要性が当技術分野に存在する。最後に、前述の属性を有し、かつ効率の良い方法で大量生産を容易にするために構造が簡単である熱電発電装置の必要性が当技術分野に存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
熱電発電装置に関する前述の必要性を本明細書で開示する実施形態によって特に取り上げて緩和し、面内構成の熱電発電装置を提供する。熱電発電装置は、熱発電脚部が基板上に蛇行パターンを形成するように基板上に列をなして配置され列軸に対して非平行に配向された熱電脚部を含む。熱電脚部および基板は一対の熱伝導性の熱結合板（すなわち、上部プレートおよび下部プレート）の間に挟まれる箔アセンブリを備える。箔基板は比較的薄く、このため、熱電脚部の内部応力に応じて調整したり曲げたりするのに必要な可撓性を欠く比較的硬く硬直したシリコンウエハーに比べると、このような内部応力に応じて屈曲および湾曲する薄い箔基板の能力に起因する熱電脚部の内部応力が最小となる。
【００１９】
有利には、熱電脚部の蛇行パターンは、金属ブリッジおよび熱電脚部など、基板上に形成された薄膜内の内部応力を最小化する手段も提供する。このような内部応力は、製造工程中に薄膜の熱膨張係数に対する基板の熱膨張係数の差の結果として発生する場合もある。この点について、熱電脚部の蛇行パターンは、基板に沿って比較的短い距離で脚部の横方向の向きに多くの変化をもたらす。多くの向きの変化は、熱電発電装置の熱電対を構成する熱電脚部の機械的安定性を改善する。さらに、熱電脚部の蛇行パターンは、熱電対の機械的安定性および信頼性をさらに高める熱電脚部の長さを最小にする手段を提供する。
【００２０】
ある実施形態では、熱電発電装置は間に箔アセンブリが挿置された上部プレートと下部プレートの対を備える。箔アセンブリの基板は、比較的低い熱伝導率を有する電気絶縁材料を備えていてもよい。熱電脚部は、半導体材料および／または金属材料などの熱電材料で形成されてもよい。熱電脚部は、交互に配列された異種材料で形成された一連の脚部として基板上に配置される。たとえば、熱電脚部は、ｎ型およびｐ型半導体材料でそれぞれ形成された交互のｎ型脚部およびｐ型脚部のパターンで基板上に配置されてもよい。あるいは、熱電脚部は、半導体材料の１つの型（たとえば、ｎ型またはｐ型）で形成された半導体脚部と交互に配列された金属脚部のパターンで基板上に配置されてもよい。熱電脚部は、１列または複数列で配置されてもよく、基板の上面および下面の一方または両方に形成されてもよい。
【００２１】
熱電脚部の各々は好ましくは列軸に非平行に配向される脚軸を画定する。熱電発電装置は、さらに、基板の反対側に設置できる少なくとも一対の熱伝導性ストリップを含んでいてもよい。熱伝導性ストリップは、熱電脚部の一端が上部プレートと熱的に接触し熱電脚部の反対端が下部プレートと熱的に接触するように列における熱電脚部の反対端と整列されてもよい。さらに、熱伝導性ストリップは、熱電脚部間と上部および下部プレート間とに熱ギャップを画定する。
【００２２】
熱ギャップは、熱伝導性ストリップによって提供される低い熱抵抗に対して熱抵抗の高い領域を画定する。熱ギャップは、空気、窒素、クリプトン、およびキセノンなど、無制限のガス、あるいは低熱伝導率のその他の適切な流体または固体で満たされてよい。熱ギャップは、熱電脚部を通して長手方向に熱の流れを生じさせる。面内熱電発電装置の配置では、熱は熱電脚部全体にわたって電位を生成するために熱電脚部を長手方向に流れる。発生された電流は、基板の平面に平行でかつ熱電脚部の各々の脚軸に平行な方向に沿って脚部を流れる。有利には、箔アセンブリの比較的簡単な構造と上部および下部の熱結合板への箔アセンブリの相互接続手段とによって、費用効果の高い熱電発電装置の大量生産が容易になる。
【００２３】
上記特徴、機能、および利点は、本開示の様々な実施形態において独立に実現することが可能であり、さらに他の実施形態において組み合わせられてもよく、そのさらなる詳細は以下の説明および図面を参照すると分かる。
【００２４】
本開示の上記およびその他の特徴は、全体を通じて同様の番号が同様の部品を示す以下の図面を参照すると一層明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】面内構成を有する熱電発電装置の斜視図である。
【図２】上部プレートと下部プレートの間に挟まれた箔アセンブリを備える熱電発電装置の実施形態の斜視分解図であり、箔アセンブリは熱伝導性ストリップによって上部プレートおよび下部プレートに熱的に接続される。
【図３】図１の３−３線に沿った熱電発電装置の断面図であり、基板上に配置された熱電脚部を備える箔アセンブリを示し、上部プレートおよび下部プレートの全体にわたる温度勾配は熱電脚部を通して長手方向に熱流をもたらす。
【図４】図３の４−４線に沿った熱電発電装置の平面図であり、交互に並べた異種材料で形成された一連の熱電脚部を示し、基板上に列をなして配置されており、熱電脚部を通して長手方向に熱の流れを生じさせる列における熱電脚部の反対端との熱伝導性ストリップの整列をさらに示す。
【図５】図３の熱電発電装置の図に似た熱電発電装置のさらなる実施形態の断面図であり、熱電脚部は基板の上下の両基板表面に形成される。
【図６Ａ】金属ブリッジによって相互接続されたｎ型およびｐ型脚部で形成された交互の熱電脚部を有する熱電発電装置の実施形態を製造する工程の概略平面図である。
【図６Ｂ】金属ブリッジによって相互接続されたｎ型およびｐ型脚部で形成された交互の熱電脚部を有する熱電発電装置の実施形態を製造する工程の概略平面図である。
【図６Ｃ】金属ブリッジによって相互接続されたｎ型およびｐ型脚部で形成された交互の熱電脚部を有する熱電発電装置の実施形態を製造する工程の概略平面図である。
【図６Ｄ】金属ブリッジによって相互接続されたｎ型およびｐ型脚部で形成された交互の熱電脚部を有する熱電発電装置の実施形態を製造する工程の概略平面図である。
【図６Ｅ】金属ブリッジによって相互接続されたｎ型およびｐ型脚部で形成された交互の熱電脚部を有する熱電発電装置の実施形態を製造する工程の概略平面図である。
【図６Ｆ】金属ブリッジによって相互接続されたｎ型およびｐ型脚部で形成された交互の熱電脚部を有する熱電発電装置の実施形態を製造する工程の概略平面図である。
【図７Ａ】熱電発電装置のさらなる実施形態を製造する工程の概略平面図であり、一連の熱電脚部はｎ型またはｐ型熱電脚部を交互に配列した金属脚部を備える。
【図７Ｂ】熱電発電装置のさらなる実施形態を製造する工程の概略平面図であり、一連の熱電脚部はｎ型またはｐ型熱電脚部を交互に配列した金属脚部を備える。
【図７Ｃ】熱電発電装置のさらなる実施形態を製造する工程の概略平面図であり、一連の熱電脚部はｎ型またはｐ型熱電脚部を交互に配列した金属脚部を備える。
【図７Ｄ】熱電発電装置のさらなる実施形態を製造する工程の概略平面図であり、一連の熱電脚部はｎ型またはｐ型熱電脚部を交互に配列した金属脚部を備える。
【図７Ｅ】熱電発電装置のさらなる実施形態を製造する工程の概略平面図であり、一連の熱電脚部はｎ型またはｐ型熱電脚部を交互に配列した金属脚部を備える。
【図７Ｆ】熱電発電装置のさらなる実施形態を製造する工程の概略平面図であり、一連の熱電脚部はｎ型またはｐ型熱電脚部を交互に配列した金属脚部を備える。
【図７Ｇ】図７Ｆの線７Ｇ―７Ｇに沿った熱電発電装置の断面図であり、基板上に形成されている金属脚を示しており、半導体脚部の脚部端は金属脚部の脚部端と重なってこの脚部端に電気的に結合されており、金属脚部と半導体脚部の間に挿置された電気絶縁層をさらに示す。
【図８Ａ】熱電発電装置のさらなる実施形態の概略平面図であり、熱電脚部は図６Ａ〜図６Ｆに示すものに似た交互の金属脚部および半導体脚部から構成され、半導体脚部は列軸に対して垂直に配向されている。
【図８Ｂ】熱電発電装置のさらなる実施形態の概略平面図であり、熱電脚部は図６Ａ〜図６Ｆに示すものに似た交互の金属脚部および半導体脚部から構成され、半導体脚部は列軸に対して垂直に配向されている。
【図８Ｃ】熱電発電装置のさらなる実施形態の概略平面図であり、熱電脚部は図６Ａ〜図６Ｆに示すものに似た交互の金属脚部および半導体脚部から構成され、半導体脚部は列軸に対して垂直に配向されている。
【図８Ｄ】熱電発電装置のさらなる実施形態の概略平面図であり、熱電脚部は図６Ａ〜図６Ｆに示すものに似た交互の金属脚部および半導体脚部から構成され、半導体脚部は列軸に対して垂直に配向されている。
【図８Ｅ】熱電発電装置のさらなる実施形態の概略平面図であり、熱電脚部は図６Ａ〜図６Ｆに示すものに似た交互の金属脚部および半導体脚部から構成され、半導体脚部は列軸に対して垂直に配向されている。
【図８Ｆ】熱電発電装置のさらなる実施形態の概略平面図であり、熱電脚部は図６Ａ〜図６Ｆに示すものに似た交互の金属脚部および半導体脚部から構成され、半導体脚部は列軸に対して垂直に配向されている。
【図９】熱電発電装置の製造工程の実施形態を示す流れ図である。
【図１０】熱電発電装置の製造工程のさらなる実施形態を示す流れ図である。
【図１１】上部プレートと下部プレートの様々な温度差における熱電発電装置の性能特性を示すプロットである。
【図１２】上部プレートと下部プレートの様々な温度差における熱電発電装置の性能特性を示すプロットである。
【図１３】上部プレートと下部プレートの様々な温度差における熱電発電装置の性能特性を示すプロットである。
【図１４】上部プレートと下部プレートの様々な温度差における熱電発電装置の性能特性を示すプロットである。
【図１５】上部プレートと下部プレートの様々な温度差における熱電発電装置の性能特性を示すプロットである。
【図１６】上部プレートと下部プレートの様々な温度差における熱電発電装置の性能特性を示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
ここで図面を参照すると、図は本開示のみの好ましい様々な実施形態を示すためのものであり本開示を制限するためのものではない。図１に示すのは面内構成を有する熱電発電装置１０の一実施形態の斜視図であり、熱電発電装置１０の熱電脚部２６の縦軸は熱電脚部２６が形成される基板２０の表面に平行に配向されている。
【００２７】
図２から分かるように、また以下でさらに詳しく説明するように、熱電脚部２６は交互に配列された材料型で形成され、１つまたは複数の列６０で配置される。熱電脚部２６は各列の軸に対して非平行に（たとえば、垂直に）配向されている。有利には、熱電脚部２６は、熱電脚部２６を構成する薄膜の構造物の内部応力を減らす基板２０上に蛇行パターンを形成する。このような内部応力は、製造工程中に高温において熱電脚部２６に対する基板２０の種々の線熱膨張係数から生じる可能性がある。
【００２８】
有利には、図２に示すような熱電脚部２６の蛇行パターンは、上記の内部応力の増加を最小にして、熱電脚部２６の長さを比較的短かくするとともに蛇行パターンの熱電脚部２６の横方向を常に変えることによって上記の応力を吸収することができる。蛇行パターンによって、最終的に箔アセンブリ１８の機械的安定性および信頼性が高まることになる。この点について、熱電発電装置１０の配置には非平面または曲面への熱電発電装置１０の取付けを容易にする一定の柔軟性がある。
【００２９】
本明細書で開示するような熱発電装置１０の実施形態に関連するさらなる利点は、熱電発電装置１０が採用される個々の用途に熱電発電装置１０を構成する構成部品の形状を合わせる能力を含む。たとえば、熱電脚部２６の長さｌ、幅ｗ、および厚さｔｌは、熱電発電装置１０全体にわたる（すなわち、上部プレート１２および下部プレート１４全体にわたる）温度降下が増加させるために比較的高い熱抵抗を備えるように構成されてもよい。
【００３０】
面内熱電発電装置１０は、電気抵抗を減少させて出力を増加させるために熱電脚部２６が一般に大きい厚さを有する実施形態で提供されてもよい。熱電発電装置１０によって発生される電圧は隣接する複数対の熱電脚部２６によって形成される一連の熱電対４８全体に作用する温度勾配に比例するので、熱電発電装置１０全体にわたる温度降下を増加させる能力は熱電発電装置１０が適用される可能性のある様々な種類の用途の拡大につながる。
【００３１】
さらに図２を参照すると、ここに示されるのは、一連の熱電脚部２６が形成される基板上面２２を有する基板２０を備える箔アセンブリ１８である。熱電脚部２６は、異種半導体材料（すなわち、ｎ型およびｐ型脚部４２、４４）などの交互の異種材料で形成されることが好ましい。あるいは、熱電脚部２６を構成する交互の異種材料は、金属材料３４で形成された熱電脚部２６と交互に配列された半導体材料３８で形成されてもよい。
【００３２】
図２から分かるように、箔アセンブリ１８は、上部プレート１２と下部プレート１４の間に設置される。上部プレート１２および下部プレート１４は、各列において熱電脚部２６の反対端と整列されうる１つまたは複数の熱伝導性ストリップ６６によって熱電脚部２６に熱的に接続される。熱電脚部２６は、図２に示すような電気絶縁層７０によって上部プレート１２から電気的に絶縁されてもよい。基板２０は、熱電脚部２６が下部プレートから電気的に絶縁されるように電気絶縁材料で形成されることが好ましい。図から分かるように、下部プレート１４は、１つまたは複数の熱伝導性ストリップ６６によって基板２０の下面と熱的に接触している。たとえば、図２に示す熱電発電装置１０は、熱電脚部２６の４列６０の脚部端２８と整列状態にある３つの熱伝導性ストリップ６６を含む。図４から最も良く分かるように、下部プレート１４と接触している中間の熱伝導性ストリップ６６は、熱電脚部２６の中間の２列６０に対する熱導管として働く。外側の２つの熱伝導性ストリップ６６は各々が熱電脚部２６の最外列６０に対する熱導管として働く。
【００３３】
図３を参照すると、ここに示されるのは隣接する一対の列６０における熱電脚部２６の反対端と一般に整列していると見られる熱伝導性ストリップ６６の位置である。１つの熱結合板から箔アセンブリ１８を通って対向する上部プレート１２および下部プレート１４に熱が流れやすくするために、熱伝導性ストリップ６６が特に配置される。上部プレート１２に隣接して設置される熱伝導性ストリップ６６は隣接する一対の列６０の熱電脚部２６の端部と整列した状態で配置されるが、下部プレート１４に隣接して設置される熱伝導性ストリップ６６は隣接する一対の列６０における熱電脚部２６の対向脚部端２８と整列される。とりわけ、熱伝導性ストリップ６６は、高い熱抵抗の領域として働く熱ギャップ６８を形成して熱の大部分が熱電脚部２６を流れるようにするために互いに離間して配置される。このように、熱伝導性ストリップ６６は、熱が図３に矢印で示す熱流方向１６に沿って流れるように、熱電脚部２６の各々の対向脚部端２８と熱的に接触して設置される。この点について、熱は、熱電脚部２６全体にわたって電位を生成するように熱電脚部２６の各々を長手方向に流れる。
【００３４】
図３は熱源５２として上部プレート１２を示し、ヒートシンク５４として下部プレート１４を示しており、熱は上から下に流れるが、熱電発電装置１０はいずれの熱流の方向で動作してもよい。たとえば、熱は図３に矢印で示す方向と逆の方向に下部プレート１４から上部プレート１２に向かって流れてもよい。この点について、熱電発電装置１０はその対称構成によって熱流の方向とは無関係に発電する。
【００３５】
図４を参照すると、ここに示されるのは熱伝導性ストリップ６６から熱電脚部２６を通る熱流の方向を示す熱電発電装置１０の平面図である。図から分かるように、熱電脚部２６は異種材料の一連の交互の熱電脚部２６として配置される。たとえば、熱電脚部２６は、ｎ型およびｐ型脚部４２、４４などの様々な型の半導体材料から代替されてもよい。基板２０は、好ましくは比較的低い熱伝導率を有する電気絶縁材料で形成されることが好ましい。たとえば、好ましい実施形態では、基板２０は、Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ＆Ｃｏ．，Ｉｎｃから市販されているＫａｐｔｏｎ（登録商標）などのポリイミド材料で形成されてもよい。しかしながら、基板２０は、比較的低い熱伝導率を有する、好ましくは電気的絶縁物である適切な材料で形成されてもよい。
【００３６】
基板２０は、５μｍ〜１００μｍの範囲の基板厚さｔｓを有するが、これに限定されない任意の適切な基板厚さｔｓで提供されてよい。好ましくは、ポリイミド薄膜などの基板２０は７．５μｍの基板厚さｔｓで提供されるが、１２．５μｍも適切な基板厚さｔｓである可能性がある。基板２０は、半導体薄膜の蒸着およびアニーリング処理に関連する高温において機械的に安定である材料で形成されることが好ましい。さらに、基板２０は、寸法安定性を有し、かつ基板２０上の熱電脚部２６の蒸着に続いて熱電脚部２６を構造化する工程で一般に使用される酸などの化学物質に耐性を示す比較的薄い材料であることが好ましい。
【００３７】
図３を参照すると、熱電脚部２６は、基板２０材料だけでなく熱電発電装置１０が採用される用途にも適合する厚さで提供されることが好ましい。たとえば、熱電脚部２６は、１５μｍ〜最大約１００μｍまたはそれ以上の脚部厚さｔｓ範囲、好ましくは約２５μｍの厚さｔｓの半導体材料３８で形成されてもよい。
【００３８】
前述の通り、熱電発電装置は、熱電発電装置が熱電発電装置全体にわたる温度差を最大にするために高い熱抵抗を有するように構成されることが好ましいという点において、それらの構造が熱センサーとは異なる。さらに、面内熱電発電装置の熱電脚部は、電気抵抗を最小にして出力を増加させるために、基板厚さｔｓに対して比較的大きい脚部厚さｔｌを有することが好ましい。この点について、電力を生み出す熱電発電装置の構成は、熱流束センサーの構成とは一般に逆である。たとえば、熱流束センサーは、典型的に、熱電脚部の熱容量（すなわち、熱質量）を最小にすることによって熱流束センサーの応答時間を増加させるために比較的小さい厚さの熱電脚部を含む。
【００３９】
図３〜図４を参照すると、脚部長さｌなどの熱電脚部２６の外形は出力を最大にする大きさに作られてもよい。この点について、熱電脚部２６の脚部長さｌは５０μｍ〜５００μｍの範囲にあってもよいが、脚部長さｌは任意の範囲で提供されてよい。先に指摘したように、熱電脚部２６は、出力を増加させるために比較的短い長さで提供されることが好ましい。しかしながら、脚部長さの選択は、熱電脚部２６に直列および／または並列の他の抵抗があるため、熱電脚部２６全体にわたる温度降下を考慮して比較的短い脚部長さの熱抵抗に基づいて行なわれてもよい。
【００４０】
有利には、本明細書で開示したような熱電発電装置１０の面内構成は、熱電発電装置の交差面構成に比べて比較的広範囲の脚部長さの実施を容易にし、脚部長さの調整機能は基板２０に垂直な方向に沿った厚さ（すなわち、脚部長さ）を増加させる能力が制限される。脚部長さを変える能力によって、所与の熱環境に対する熱電発電装置１０の性能の調整が容易になる。たとえば、体熱利用などの比較的低い有効熱流量および低い温度勾配の用途の場合、熱電脚部２６は、比較的高い熱抵抗を実現するために比較的長い長さで提供されてもよい。さらに、熱電脚部２６は、約１０μｍ〜最大約５００μｍの範囲の幅など、任意の適切な幅ｗで提供されてもよい。
【００４１】
前述のように、熱電脚部２６の内部応力は、熱電脚部２６の横方向を頻繁に変更し、かつ脚部長さを最小にすることによって最小化されてもよい。この点について、熱電脚部２６の厚さは脚部長さに関連して大きさが定められてもよい。脚部長さは、熱電脚部２６における内部応力を考慮して箔アセンブリ１８の可撓性または柔軟性が増すように基板厚さｔｓに関連して大きさが定められてもよい。可撓性を増強すると、熱源５２またはヒートシンク５４の曲面への熱電発電装置１０の熱的接触が改善される可能性がある。この点について、熱電脚部２６の脚部厚さｔｌは、基板厚さｔｓに対する特定の比率で提供されてもよい。たとえば、脚部厚さｔｌは基板厚さｔｓの１〜約１０倍の倍数で提供されてもよく、さらに好ましくは、熱電脚部２６は基板２０の厚さの約２〜４倍である、脚部厚さｔｌで提供されてもよい。しかしながら、熱電脚部２６は、基板厚さｔｓに対して任意の脚部厚さｔｌで提供されてもよい。
【００４２】
熱電脚部２６が金属材料３４で形成される熱電発電装置１０の構成の場合、このような金属脚部３６は半導体材料３８で形成された熱電脚部２６に対して一般に縮小された厚さで提供されてもよい。たとえば、金属脚部３６は、約０．５μｍ〜約５μｍの脚部厚さｔｌを有していてもよいが、金属脚部３６は任意の厚さで提供されてもよい。金属脚部３６の採用を実行に移す熱電発電装置１０の構成は、以下でさらに詳しく説明するように、図７Ａ〜図７Ｇおよび図８Ａ〜図８Ｆに示される。
【００４３】
さらに図３〜図４を参照すると、ここに示されるのは熱電脚部２６に上部および下部プレート１２、１４を熱的に接続する基板２０の反対側に取り付けることができる熱伝導性ストリップ６６である。熱伝導性ストリップ６６は、熱電発電装置の略幅に沿って延びる細長いストリップとして示されているが、図３および図５に示すように互いに離間して配置され、上部プレート１２および下部プレートに熱電脚部２６の端部を熱的に接続する複数のセグメントとして構成されてもよいとも考えられる。さらに、熱伝導性ストリップ６６は上部および下部プレート１２、１４に熱電脚部２６の端部を熱的に接続するために熱伝導材料の不連続蒸着または局所蒸着として形成されてもよいと考えられる。この点について、熱伝導性ストリップ６６、セグメント、または蒸着は、多種多様な構成および広範な材料で構成されてもよい。たとえば、熱伝導性ストリップ６６は、熱伝導性接着剤のストリップとして、あるいは熱伝導性の上部および下部プレート１２、１４を形成する材料に似た材料のストリップとして構成されてもよい。
【００４４】
この点に関して、上部および下部プレート１２、１４は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、および高い熱伝導率を有するその他の適切な材料などの、金属材料またはセラミック材料を含むがこれらに限定されない任意の適切な材料で形成されてよい。熱伝導性ストリップ６６は、上部および／または下部プレート１２、１４に組み込まれてもよい。たとえば、セラミック熱結合板（すなわち、上部または下部プレート１２、１４）は、プレートの片側で熱伝導性ストリップ６６と一体的に形成されてもよい。熱伝導性ストリップ６６は、上部および下部プレート１２、１４を適切に製造することによって形成されてもよく、セラミック材料の焼結に先立って実施することができるダイシング、レーザー切断、およびマイクロスタンピング（すなわち、加圧成形）を含んでいてもよい。さらなる実施形態では、上部および下部プレート１２、１４の一方または両方が物理的気相成長工程（すなわち、スパッタリング、蒸着、電子線蒸着）、あるいは後にフォトリソグラフィ構造化が続く場合がある電着を用いて片側に形成される金属パターンとともにセラミックで形成されてもよい。
【００４５】
上部および下部プレート１２、１４は、任意ではあるが、金属箔のスタックとして形成されてもよく、その中に熱伝導性ストリップ６６が組み込まれてもよい。この点について、金属箔は、熱伝導性ストリップ６６の樋形凹みを作るために、加圧成形、折り畳み、折り目形成（creasing）、スタンピング、レーザー切断によって、あるいは上部および下部プレート１２、１４の表面を部分的に覆われたフォトリソグラフィマスクとはんだ付けすることによって上部および下部プレート１２、１４に形成されてもよい。上部および下部プレート１２、１４は、シリコンウエハーを用いて製造されたシリコン板から形成されてもよく、熱伝導性ストリップ６６は上部および下部プレート１２、１４の片側に熱伝導性ストリップ６６のマイクロマシニング（すなわち、エッチング）によって形成されてもよい。また、上部および下部プレート１２、１４は金属箔から形成されてもよく、熱伝導性接着剤のパターンがスクリーン印刷またはピン転写によって金属箔に形成されてもよい。あるいは、箔アセンブリ１８の金属接点７６が導電層に電気的に接続される場合、この導電性の上部および下部プレート１２、１４または、電気的に絶縁された上部および下部プレート１２、１４の一方または両方の導電層が熱電発電装置１０の金属接点として使用されてもよい。
【００４６】
さらに図３〜図４を参照すると、上部および下部プレート１２、１４は、熱交換を改善したり、熱を熱源５２から結合入力したり、熱をヒートシンク５４に結合出力したりするために熱交換器またはヒートパイプなどの特定の形状に組み込まれてもよい。この点について、上部および下部プレート１２、１４の１つまたは複数は、単一構造物として熱交換器に組み込まれてもよく、熱交換器は上部および下部プレート１２、１４に直接取り付けられるかあるいはこれらと一体化される。このような配置では、熱交換器と上部および下部プレート１２、１４との熱的接続全体の熱抵抗が減少する。さらに、このような配置は、熱電発電装置１０全体にわたる温度勾配を増加させる可能性があり、生産コストを削減する可能性がある。また、熱伝導性の上部および下部プレート１２、１４は、適切な熱伝導性接着剤を用いて熱伝導性ストリップ６６によって箔アセンブリ１８に結合または接合されてもよい。このような熱伝導性接着剤は、室温硬化型であってもよく、熱および／または紫外線放射への暴露による硬化型があってもよい。
【００４７】
上部および／または下部プレートを熱伝導性ストリップ６６および／または箔アセンブリ１８に取り付けるためにはんだ付けが採用されてもよい。たとえば、上部および／または下部プレート１２、１４は、上部および／または下部プレート１２、１４を基板２０および／または電気絶縁層７０（たとえば、フォトレジスト層）にはんだ付けできる縞模様などの金属化ストリップを含んでいてもよい。さらに、はんだは、それ自体、上部および／または下部プレートを箔アセンブリ１８に接続するために熱伝導性ストリップ６６として使用されうる。この点について、好ましくはニッケル製の薄い金属ストリップが基板下面および／または熱伝導性ストリップ６６と反対の電気絶縁層７０の上面に蒸着されてもよい。このような金属ストリップは、はんだ付け可能な表面を得るとともにはんだ付けによって上部および下部プレート１２、１４と熱伝導性ストリップ６６との組立を容易にするために、スパッタリングおよびフォトリソグラフィ構造化（たとえば、リフトオフ法またはポジレジストとこれにに続くエッチング）を含むがこれらに限定されない任意の適切な手段によって蒸着されてもよい。
【００４８】
さらに図３〜図４を参照すると、列６０における熱電脚部２６は、列６０の隣接する熱電脚部２６の１つに電気的に直列に接続されることが好ましい。図３に示すように、熱電発電装置１０は、熱伝導性ストリップ６６と隣接する熱電脚部２６との間に挿置することができる電気絶縁材料のストリップ、セグメント、またはシートなど、少なくとも１つの電気絶縁層７０を含んでいてもよい。図５に示す構成の場合、熱電発電装置１０は、一対の電気絶縁層を含み、電気絶縁層の各々は熱伝導性ストリップ６６と熱電脚部２６の間に挿置されていてもよい。
【００４９】
図３〜図５を参照すると、各列６０における熱電脚部２６の脚部端２８は、列間隔６２を画定するために隣接する列６０における熱電脚部２６の脚部端２８から離間される。図３および図５から分かるように、熱伝導性ストリップ６６は、熱伝導性ストリップ６６のどの１つも列間隔６２のそれぞれの側で熱電脚部２６に対する熱の流入または流出を容易にするように、列６０の間隔に整列されることが好ましい。図５を簡単に参照すると、ここに示されるのは、図３に示したものと似ており、基板上面２２の熱電脚部２６と整列状態にある基板下面２４に形成された熱電脚部２６をさらに含む熱電発電装置１０の実施形態である。図から分かるように、熱電発電装置１０は、基板２０の反対側に取り付けられる熱伝導性ストリップ６６を含み、列６０の各々における熱電脚部２６の反対端と整列される。基板２０の両面に熱電脚部２６が形成されることによって、図５の基板２０を通る寄生熱流の量は熱電脚部２６を通る熱流よりも減少する可能性があり、熱電脚部２６を通る熱流は図３の熱電発電装置１０の配置と比較して図５の熱電発電装置１０のエネルギー変換効率を高める可能性がある。
【００５０】
また、熱電発電装置１０は、積み重ねられた複数の箔アセンブリを備えるスタック配置（図示せず）で提供されてもよい。各箔アセンブリ１８は、少なくとも１つの基板２０と１列または複数列６０の熱電脚部２６とを備える。多層箔の箔アセンブリ１８は、熱電発電装置１０の出力が向上するように熱的に互いに並列に接続されてもよい。熱電対４８（すなわち、複数対の熱電脚部２６）は、出力電圧を増加させるために電気的に直列に接続されてもよい。あるいは、熱電対４８は電流を増加させるために電気的に並列に接続されてもよい。たとえば、熱電発電装置１０は、その基板上面および下面２２、２４の少なくとも一方に熱電脚部２６が形成された少なくとも１つの基板２０を含む各箔アセンブリ１８を備える２つの箔アセンブリを含んでいてもよい。箔アセンブリは、上部および下部プレート１２、１４の対の間で背面同士、前面と背面、または前面同士を対向させて積層されてもよい。
【００５１】
図６Ａ〜図６Ｆを参照すると、ここに示されるのは、熱電発電装置１０の実施形態を製造する工程を示す一連の概略平面図である。図６Ａ〜図６Ｆの説明では、熱電発電装置１０は半導体材料３８で形成された熱電脚部２６の交互の配置を相互接続する複数の金属ブリッジ７４を含む。図６Ａから分かるように、金属ブリッジ７４は、基板上面および下面２２、２４の少なくとも一方に、一般に互いに並列配置で整列されてもよい。金属ブリッジ７４は、フォトリソグラフィ（たとえば、リフトオフ法）およびスパッタリングなどの適切な手段、あるいはその他の適切な手段によって基板２０上に形成されてもよい。有利には、金属ブリッジ７４は、熱電対４８の電気抵抗を最小にするとともにある配置と比べた熱的接触を改善する手段を提供し、熱電対４８の半導体脚部４０が互いに直接重ねて設置される。この点について、金属接点は、熱伝導性ストリップ６６から熱電脚部２６への熱伝達の均一性を改善する。
【００５２】
さらに、数倍厚いｐ型およびｎ型半導体脚部表面の金属材料（すなわち、金属ブリッジおよび金属接点）の薄層は、熱電発電装置の実施形態と比較して熱電対列の全電気抵抗の増加をもたらす可能性があり、金属材料（たとえば、金属ブリッジおよび金属接点）の薄層はいくつかの理由で半導体材料の蒸着に先立って基板に蒸着される。さらに、金属材料の薄層が半導体材料の表面に蒸着されるとき、このような半導体材料は汚れた表面を有する場合があり、この表面はエッチング工程からの反応生成物で汚染される場合がある。たとえば、ｐ型半導体脚部が最初に基板に蒸着され、これにｎ型脚部の蒸着およびｎ型脚部の構造化が続く場合、ｎ型脚部のみを選択的にエッチングするよう注意しない限りｎ型エッチング液がｐ型脚部に接することになる。ｎ型エッチング液がｐ型脚部に接すると、ｐ型脚部の再加工が必要になる可能性がある。その一方、金属材料がまず基板に蒸着され、これにｐ型脚部の蒸着が続く場合、金属材料はｎ型またはｐ型エッチング液の腐食を受けにくいので再加工の必要性はなくなる可能性がある。
【００５３】
金属ブリッジまたは接点の形成に先立って基板表面に半導体脚部を形成することに関するさらなる欠点は、金属材料（たとえば、金属ブリッジおよび金属接点）の比較的薄い層が半導体脚部表面に蒸着されたとき厚い半導体脚部の側面の比較的急な勾配に起因して金属材料の厚さが薄くなる場合があることである。この点について、半導体脚部の側面の金属材料は、半導体脚部の最上部または基板の最上部の金属材料の平面領域に比べて厚さが減少する場合がある。半導体脚部の側面の金属材料が薄くなると、熱電対列の全電気抵抗が増加する可能性がある。
【００５４】
金属ブリッジおよび金属接点の形成に先立って基板表面に半導体脚部を形成することに関連するもう１つの欠点は、半導体脚部のエッチングによって半導体脚部と金属ブリッジの界面の滑らかさが減少して熱電対列の電気抵抗がさらに増加することである。加えて、半導体脚部の上縁に沿った金属材料の薄層の厚さは、このような厚さの減少を阻止する方法を追加しない限りさらに減少する。
【００５５】
また、熱電脚部から基板に遷移するにつれて金属化の厚さが減少するので熱電対列の全電気抵抗がさらに増加する可能性もある。厚さの減少は、基板および熱電脚部をリフトオフマスクで覆う結果として生じ、マスクは金属ブリッジの形状およびサイズを画定する開口を含む。金属化の厚さの減少は、熱電脚部の大きい厚さに対するリフトオフマスクの開口の横寸法の小さいアスペクト比、さらに具体的に言うと、熱電脚部間のギャップの上方にある開口の面積に起因する陰影効果の結果である。さらに、２つの隣接する半導体脚部を接続する金属ブリッジに沿った電気路は、半導体脚部の厚さに起因して比較的長い。また、熱電対列の電気抵抗は、特に半導体脚部の側面においてエッチングされた半導体表面の比較的起伏のある不確定な構造に起因して増加する可能性がある。したがって、半導体脚部の形成に先立って基板上に金属材料（すなわち、金属ブリッジおよび金属接点）の薄層を形成することは、熱電発電装置の製造および性能に利点をもたらす可能性がある。本明細書に開示するように、熱電脚部を形成する工程は、基板に熱電材料（たとえば、半導体材料）の均質な薄膜を最初に蒸着し、これに熱電材料の構造化が続き、フォトリソグラフィ工程およびこれに続くウェットエッチング工程によって均質な膜の部分が除去されるステップを備える。こうして、脚部のパターンが形成されてもよい。
【００５６】
さらに図６Ａ〜図６Ｆを参照すると、熱電発電装置のある実施形態では、金属接点７６は、基板２０の角またはその他の適切な位置などにおいて基板２０上に形成されてもよい。金属接点７６は、熱電発電装置１０によって給電される可能性のあるデバイスなどの負荷に一連の熱電脚部２６を電気的に接続する手段を提供してもよい。この点について、熱電発電装置１０は、導電性接着剤および／または熱伝導性接着剤あるいははんだなどを使用して上部および／または下部プレート１２、１４によって物理的に支持することができる一対の導線７８を含んでいてもよい。金属接点７６の導線７８への電気的接続は、導電性接着剤、はんだ、または任意の適切なボンディング技術によって容易に行なわれる可能性がある。
【００５７】
一対の導線７８は、金属接点７６のそれぞれ１つに電気的に接続されてもよい。さらに、上部および下部プレート１２、１４はいずれも熱電発電装置１０をデバイスに接続する場合の電気接点として働く可能性があると考えられる。たとえば、一連の熱電脚部２６の一端は上部プレート１２に電気的に接続されてもよいが、一連の熱電脚部２６の反対端は下部プレート１４に接続されてもよい。このような電気的接続は、導電性接着剤を利用して容易化されてもよいが、ボンディング、はんだ付け、またはその他の適切な導電手段が利用されてもよい。さらなる実施形態では、上部および／または下部プレートは熱導体として作用するだけでなく熱電発電装置１０の電気接点として働く金属化セラミックプレートとして構成されてもよい。
【００５８】
図６Ｂは、熱電発電装置１０を製造する工程における第２のステップを示しており、熱電脚部２６の反対端が金属ブリッジ７４と少なくとも部分的に重なるように半導体材料３８で形成された一連の交互の熱電脚部２６が基板２０上に蒸着されてもよい。このように、金属ブリッジ７４は、隣接する複数対の熱電脚部２６を電気的に相互接続する。たとえば、図６Ｂは、テルル化ビスマス型（すなわち、Ｂｉ２Ｔｅ３型）半導体材料３８などの出発材料組成を用いて基板２０上に形成されたｎ型およびｐ型脚部４２、４４の少なくとも一方を示す。図から分かるように、熱電脚部２６は、列軸６２に対して実質的に非平行に配向されてもよい。図６Ｂに示すように、ｐ型熱電脚部２６の各々の脚軸３０は、列軸６２に対して実質的に垂直に配向されてもよい。さらに、列６０における熱電脚部２６は互いに実質的に平行に配向されてもよいが、熱電脚部２６の１つまたは複数は熱電脚部２６の残るものの方向とは異なる列軸６２に対して脚部列角αで配向されてもよい。
【００５９】
熱電脚部２６は、前述のＢｉ２Ｔｅ３型半導体化合物などの任意の適切な半導体化合物で形成されてもよい。たとえば、ｐ型脚部４４は、化学式（Ｂｉ０．１５Ｓｂ０．８５）２Ｔｅ３＋約１０atom％Ｔｅ過剰〜約３０atom％Ｔｅ過剰を有する出発化合物から形成されてもよい。ｐ型半導体化合物は、約２０℃において最大４５μＷ／（Ｋ２＊ｃｍ）の力率（Ｐｐ）を有していてもよい。ｎ型脚部４２は、化学式Ｂｉ２（Ｔｅ０．９Ｓｅ０．１）３＋約１０atom％（Ｔｅ０．９Ｓｅ０．１）過剰〜約３０atom％（Ｔｅ０．９Ｓｅ０．１）過剰を有する出発化合物から形成されてもよい。ｎ型半導体化合物は、約２０℃において最大約４５μＷ／（Ｋ２＊ｃｍ）の力率（Ｐｎ）を有していてもよい。
【００６０】
前述の通り、半導体化合物で形成された熱電脚部２６は、金属ブリッジ７４の厚さに比べて好ましくは比較的厚い半導体脚部４０を備える。たとえば、半導体脚部４０は、約１５μｍ〜約１００μｍ以上の脚部厚さｔｌで提供されてもよい。対照的に、金属ブリッジ７４は、約０．５μｍ〜約５μｍの厚さで提供されてもよいが、金属ブリッジ７４は任意の厚さで提供されてよい。同様に、金属接点７６は任意の適切な厚さで提供されてもよい。
【００６１】
図６Ｂに示すようなｐ型脚部４４の形成（たとえば、均質層の蒸着、フォトレジストマスクの適用とこれに続くウェットエッチング工程）に続いて、フォトレジストの層などの保護層がｎ型脚部４２の蒸着に先立ってｐ型脚部４４の表面に適用されてもよい。ｐ型脚部４４の表面にフォトレジスト層を適用することによって、ＨＮＯ３系（すなわち、硝酸系）エッチング液が酸化アルミニウム面を備える基板２０の表面に形成されたタングステン−アルミニウム膜（たとえば、金属脚部３６および金属接点７６）を損傷することなくｎ型脚部４２の構造化に使用されてもよい。金属ブリッジは、タングステンの層の基板へのスパッタリングと、これに続くアルミニウムの層のタングステン層へのスパッタリングおよび／または蒸着と、これに続くタングステンの層とによって基板上に形成されてもよい。
【００６２】
半導体脚部の形成に先立つ基板上の金属材料（すなわち、金属ブリッジおよび接点）の薄層の形成に関して、基板のポリイミド材料に対するタングステンの種々の熱膨張係数によって生じる内部応力を吸収するためのバッファとして作用するアルミニウムの薄層が基板に最初に蒸着されてもよい。たとえば、タングステンは、２０×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数αを有するＫａｐｔｏｎ（登録商標）などのポリイミド基板と比べて４．５×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数αを有する。アルミニウムは、タングステンの形成に先立つポリイミド基板上のアルミニウムの形成によってアルミニウムがタングステンとポリイミド基板の間でバッファとして作用しうるように、２３．１×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数αを有する。アルミニウムの基板への接着を改善するために、ポリイミドに対して好ましい接合特性を備えるタングステン、クロム、チタンなどの任意の適切な材料の極薄層がアルミニウム層の蒸着に先立って基板に蒸着されてもよい。また、タングステンは、金属ブリッジを形成するために使用されうる様々な材料の１つである。材料の選択は、熱電脚部と金属ブリッジの間の電気接触抵抗を最小にすることを考慮するとともにエッチング液に対する抵抗を考慮してのことであり、さらに拡散障壁を考慮してのことである。
【００６３】
ｎ型脚部を構造化する際の使用など、テルル化合物半導体材料を構造化する際に使用するエッチング液の例では、エッチング液は、活性成分として硝酸、窒化鉄、クエン酸、および湿潤剤の１つまたは複数を備えていてもよい。前述の通り、エッチング液は、上記のような半導体材料の薄膜など、テルル化合物の半導体膜の構造化に適している可能性がある。このようなテルル化合物は、ビスマスおよび／またはアンチモンを含有していてもよい。エッチング液は、フォトレジストマスクの最小限のエッチングによって一貫したエッチング工程を容易にする可能性がある。たとえば、エッチング液は、６５％硝酸（すなわち、ＨＮＯ３）の１０〜４０容量％を含有していてもよい。さらに、エッチング液は、クエン酸およびクエン酸塩の５〜３０質量％を含有していてもよい。少なくとも２つの原子価レベルに耐性を示す金属塩の０．５〜２．０質量％が加えられてもよい。たとえば、Ｆｅ３（ＮＯ３）３などの酸化鉄塩（たとえば、鉄（ＩＩＩ）塩）が使用されてもよい。
【００６４】
図６Ｃを参照すると、箔アセンブリ１８を形成する工程は、複数の既存のｐ型脚部４４に対して交互に半導体化合物の複数のｎ型脚部４２を形成するステップを含んでいてもよい。ｎ型およびｐ型脚部４２、４４の各々は、対向する脚部端２８を有しており、脚部端２８がその接点５０において金属ブリッジ７４と重なるように基板２０上に形成される。この点について、金属ブリッジ７４は、ｐ型脚部４４の反対端においてｎ型脚部４２の隣接する脚部にｐ型脚部４４を電気的に相互接続する。図６Ｃに示す説明では、箔アセンブリ１８はある配置で提供され、各列６０でｎ型およびｐ型脚部４２、４４は電気的に直列に接続されている。半導体脚部４０を相互接続する金属ブリッジ７４は、任意の適切な材料、あるいはタングステン、クロム、金、ニッケル、アルミニウム、銀、銅、チタン、モリブデン、タンタル、またはドープされた炭化ケイ素も含むがこれらに限定されない材料の組合せで形成されてもよい。さらに、金属ブリッジ７４は複数の薄層を備えていてもよい。
【００６５】
たとえば、銅の層が、ポリイミド基板２０の表面に蒸着され、これに続いて銅と金属ブリッジ表面に配置された半導体脚部４０との間の拡散障壁として働くニッケルの比較的薄い層が蒸着されてもよい。拡散障壁は、重なる異種材料間の望ましくない反応の発生を阻止するために様々な材料のいずれか１つを備えていてもよい。基板への銅の接合を改善するにはニッケルの中間層が望ましい可能性がある。別の例では、金属ブリッジ７４は、ポリイミド膜へのタングステンの好ましい接着によるポリイミド基板２０に最初に蒸着されるタングステンの比較的薄い層（たとえば、数ｎｍ厚などの極薄層）で形成されてもよい。この後、金属ブリッジに対する導電体および熱導体として働く薄いアルミニウム層（たとえば、２．５μｍ）がタングステン層の表面に蒸着されてもよい。金属ブリッジに電気的に接続される半導体脚部４０に対して拡散障壁として作用するタングステンの層（たとえば、１５０ｎｍ）がアルミニウム層の表面に蒸着されてもよい。さらに、タングステン層は、半導体脚部４０を形成するウェットエッチングの間に半導体脚部４０を構造化することができる不活性な表面を提供する。また、タングステンによって覆われないアルミニウム層の露出面は、ウェットエッチング工程で使用できる硝酸系のエッチング液に対してアルミニウムを保護するために加熱環境に暴露（たとえば、２５０℃で１時間暴露）することによって酸化されてもよい。アルミニウムは、その熱膨張係数が熱電脚部２６の半導体材料３８の熱膨張係数に適合しかつ電気伝導率および熱伝導率が比較的高いことから金属脚部３６の製造にとって有利な材料の１つである可能性がある。蒸着に先立って表面を調整するために、金属化（たとえば、金属脚部および金属ブリッジの）に先立ってかつ／または熱電脚部の蒸着に先立って逆スパッター工程としてのドライエッチングが基板などの表面に適用されてもよい。
【００６６】
図６Ｄを参照すると、ここに示されるのは、箔アセンブリ１８の平面図であり、電気絶縁層７０が熱電脚部２６を電気的に絶縁するための防護障壁として熱電脚部２６および金属ブリッジ７４の表面に配置される。金属接点７６の開口７２を提供して導線７８への電気接続を容易にするためにノッチ（ｎｏｔｃｈｅｓ）８４が保護層に含まれてもよい。金属接点７６は、金属ブリッジの形成に関して前述した材料など、任意の適切な材料で形成されてもよい。金属接点７６は、任意ではあるが、蒸着、スパッタリング、および／または電着を含む任意の適切な手段によって蒸着することができるニッケルの薄層を含んでいてもよい。ニッケル層は、接着を改善して金属接点のニッケル層表面に形成される場合の金の層に対する拡散障壁として作用する可能性がある。金属接点７６は、任意であるが、ニッケル層なしで金で形成されてもよい。
【００６７】
図６Ｅを参照すると、ここに示されるのは、箔アセンブリ１８の概略平面図であり、下部プレート１４は図３に最もよく見える熱伝導性ストリップ６６によって基板下面２４に取り付けられる。前述の通り、熱伝導性ストリップ６６は下部プレート１４と一体的に形成されてもよく、熱伝導性ストリップ６６は個別部品として提供されてもよい。図６Ｆは、熱伝導性ストリップ６６による箔アセンブリ１８への上部プレート１２の取付けを示す。熱伝導性ストリップ６６は、図３に示す位置決めと同様に位置決めされてよい。
【００６８】
図１を簡単に参照すると、図６Ａ〜図６Ｆに示す熱電発電装置１０は、熱電発電装置１０の内部を環境に対して保護し、水分、汚れ、化学薬品などの混入物質に対する障壁を提供するために周縁部に適用される封止剤８０を含んでいてもよい。さらに、上部および下部プレート１２、１４の間の周縁部を満たすことによって、封止剤８０は熱電発電装置１０の機械的安定性を高める可能性がある。封止剤８０は好ましくは比較的低い熱伝導率を有する。さらなる実施形態では、封止剤８０は熱電発電装置１０の機械的安定性を向上させるために熱ギャップ６８に設置されてもよい。しかしながら、熱ギャップ６８は、空気、窒素、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの気体材料、あるいはその他の適切な気体、液体、または固体材料、あるいはこれらの組合せを含むがこれらに限定されない低い熱伝導率を有する任意の材料で満たされてよい。
【００６９】
図７Ａ〜図７Ｆを参照すると、ここに示されるのは、交互の金属脚部３６および半導体脚部４０を備える熱電発電装置１０のさらなる実施形態である。図から分かるように、熱電脚部２６の脚部端２８は、熱電脚部２６がジグザグパターンを形成するようにその接点５０において互いに重なり合う。この点について、ジグザグパターンは基板２０上の熱電脚部２６の密度を増加させる。熱電脚部２６は、交互のｎ型およびｐ型脚部４４の配置の出力と比較して低い出力をもたらす金属脚部３６と交互に配列された半導体脚部４０（すなわち、ｎ型またはｐ型脚部４４のいずれか）を備える。図７Ａ〜図７Ｆに示す構成の出力は比較的低いが、脚部の密度を増加すると比較的低い出力が部分的に補償される。さらに、必要な半導体材料３８の型は１つだけ（たとえば、ｎ型またはｐ型のいずれか）であるので、交互に配列される金属脚部３６および半導体脚部４０の生産コストが削減される。
【００７０】
さらに、図７Ａ〜図７Ｆに示すジグザグパターンは蛇行パターンの変動を表わし、したがって熱電脚部２６の内部応力の減少に関連する利点をもたらす。図７Ａ〜図７Ｆに示す熱電発電装置１０の実施形態では、金属脚部３６に隣接する半導体脚部４０が比較的大きい厚さを有するのに比べて金属脚部３６は比較的小さい厚さを有する。
【００７１】
図７Ａでは、金属脚部３６は、脚部列角αとして図７Ａで表わされる角度で基板２０に蒸着されてもよい。金属脚部３６は、フォトリソグラフィ（たとえば、リフトオフ法）およびスパッタリングを含むがこれらに限定されない適切な方法で基板２０上に形成されてもよい。図から分かるように、金属脚部３６は、列軸６２に対して非平行に配向されてもよく、一般に互いに平行に配向されてもよいが、金属脚部３６のあるものは列６０の隣接する列との相互接続を容易にするために異なる脚部列角αで配向されてもよい。
【００７２】
図７Ｂを参照すると、ここに示されるのは、一連の半導体脚部４０（すなわち、ｎ型またはｐ型脚部４２、４４）から金属脚部３６を電気的に絶縁するために金属脚部３６の表面に適用されうる電気絶縁層７０である。図７Ｃから分かるように、半導体脚部４０は、金属脚部３６の表面に電気絶縁層７０を形成することによって半導体脚部４０のほぼ全長に沿って金属脚部３６から電気的に絶縁される。しかしながら、金属脚部３６は、図７Ｂに示すように電気絶縁層７０に形成された開口７２を介して半導体脚部４０に相互接続されてもよい。この点について、半導体脚部４０の脚部端２８は、接点５０において金属脚部３６の脚部端と重なり合っている。さらに、脚部端２８は、金属脚部３６の端部に電気的に接続されてもよい。半導体脚部４０は、ｎ型脚部４２またはｐ型脚部４４を備えていてもよい。金属ブリッジ７４に関して前述の通り、金属脚部３６は、タングステン、クロム、金、チタン、タンタル、モリブデン、およびドープされた炭化ケイ素も含むがこれらに限定されない任意の適切な材料だけでなく、ニッケル、アルミニウム、および銅、ならびにこれらの組合せを含むがこれらに限定されない比較的安価な材料で提供されてよい。半導体脚部４０の脚部端２８は、任意の適切な導電性接着剤またはその他の適切な手段を使用して電気絶縁層７０の開口７２から金属脚部３６の脚部端２８に接合されてもよい。
【００７３】
図７Ｄを参照すると、ここに示されるのは、金属脚部３６および半導体脚部４０の組合せの表面に保護コーティングとして適用されうる第２の電気絶縁層７０である。図７Ｅでは、下部プレート１４は図６Ｆに関して前述したものと同様に熱伝導性ストリップ６６によって基板２０に熱的に接続されてもよい。図７Ｆは、熱伝導性ストリップ６６による熱電脚部２６への上部プレート１２の熱的接続を示す。図７Ｇを参照すると、ここに示されるのは、図７Ｆの７Ｇ−７Ｇ線に沿った部分断面図であり、熱電脚部２６の反対端における熱伝導性ストリップ６６の相対的位置決めを示す。また、図７Ｇから分かるように、電気絶縁層７０が示されており、半導体脚部４０の脚部端２８に電気的に結合する金属脚部３６の端部に形成された開口７２を有する金属脚部３６表面に適用される。上部プレートを備える箔アセンブリ１８を電気的に絶縁する半導体脚部４０の表面には、第２の電気絶縁層７０が適用されていることが分かる。図７Ｇは、さらに、熱源５２の上部プレート１２からヒートシンク５４の下部プレート１４への熱流の方向を示す。
【００７４】
図７Ｃを簡単に参照すると、ここに示されるのは、好ましくは、ただし任意として基板２０上の熱電対４８の密度を増加させるために互いに鋭角を形成しうる脚部間角度θを形成する金属脚部３６および半導体脚部４０である。脚部間角度θはジグザグパターンを通じて一貫していてもよいが、脚部間角度θは熱電対４８によって異なっていてもよい。図７Ａ〜図７Ｆに示す配置では、熱電脚部２６は、図６Ａ〜図６Ｆに示した熱電発電装置１０で必要とされた金属ブリッジ７４素子など、隣接して配置された熱電脚部２６の端部を接続する個別素子の必要性を排除するジグザグパターンを形成する。
【００７５】
図８Ａ〜図８Ｆを参照すると、ここに示されるのは、交互の半導体脚部４０および金属脚部３６を含み、図７Ａ〜図７Ｆに示した実施形態に関して記述されるものと同様のジグザグパターンで形成されている熱電発電装置１０のさらなる実施形態である。この点について、図８Ｃ〜図８Ｆに示したジグザグパターンでは、図６Ｃ〜図６Ｆに示した蛇行配置に関して基板２０上の熱電対４８の密度が２倍になる。図７Ａ〜図７Ｆに関しては前述の通り、このような構成の出力は、交互に配列されたｎ型およびｐ型脚部４４の配置に対する出力と比較して低いが、脚部密度が２倍になることで低い相対出力が部分的に補償される。さらに、必要な半導体材料３８の型は１つだけ（たとえば、ｎ型またはｐ型のいずれか）であるので、生産コストが削減される。
【００７６】
図８Ａ〜図８Ｆの実施形態では、半導体脚部４０は、基板２０上の熱電脚部２６の密度をさらに増加させるための手段として列軸６２に対して概して垂直に配向されている。図８Ａは、基板２０上で列６０をなす金属脚部３６の蒸着または形成を示しており、金属脚３６は列軸６２に対して非垂直である脚部列角αで配向されている。図８Ｂは、電気絶縁層の適用と脚部端２８における複数の開口７２の形成とを示す。図８Ｃは、脚部列角αで配向される半導体脚部４０の蒸着を示しており、半導体脚部４０は列軸６２に対して一般に垂直である。電気絶縁層７０に形成された開口７２に起因して、半導体脚部４０の脚部端２８は、金属脚部３６の脚部端２８と重なりこれに電気的に結合される。図７Ａ〜図７Ｆに示した実施形態に関して前述の通り、脚部間角度θはジグザグパターンを通じて一貫していてもよいが、脚部間角度θは熱電対４８によって異なっていてもよい。図８Ｄは、箔アセンブリ１８を上部プレートから電気的に絶縁するための第２の電気絶縁層７０の適用を示す。図８Ｅは、前述のものに似た熱伝導性ストリップ６６による箔アセンブリ１８への下部プレート１４の接続を示す。同様に、図８Ｆは、熱伝導性ストリップ６６による箔アセンブリ１８への上部プレート１２の接続を示す。
【００７７】
図６Ａ〜図６Ｆ、図７Ａ〜図７Ｆ、および図８Ａ〜図８Ｆに示した構成の各々では、組み立てられた熱電発電装置１０は、図１に示すように熱電発電装置１０の周縁部の周りに適用されうる封止剤８０によって環境から保護されてもよい。また、低い熱伝導率を有する封止剤８０は、素子に対する保護を提供しかつ／または熱電発電装置１０の機械的安定性を高めるために熱ギャップ６８に挿入されてもよい。前述の通り、熱ギャップは、任意の形の好ましくは低い熱伝導率を有する任意の適切な材料で満たされてもよい。たとえば、熱ギャップは、空気、窒素、アルゴン、クリプトン、キセノン、またはその他の適切な気体、液体、あるいは固体材料、あるいはこれらの組合せで満たされてもよい。
【００７８】
箔アセンブリ１８を形成するためにウエハー技術および／またはロール・ツー・ロール加工またはその組合せを含むがこれらに限定されない熱電発電装置を形成するために、複数の異なる製造方法が採用されてよい。たとえば、図６Ａ〜図６Ｆに示した実施形態に関するウエハー技術では、工程は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）などのポリイミド材料を含むがこれらに限定されない任意の材料で形成されうる基板２０を提供するステップを最初に備えていてもよい。基板は、ウエハーを形成するために支持用のフレームに取り付けられてもよい。基板が支持された時点で、金属ブリッジ７４および金属接点７６はフォトリソグラフィおよびスパッタリングによって蒸着されてよい。
【００７９】
この点について、熱電対列の反対端に設置された熱電脚部２６および／または金属接点７６の間の金属ブリッジ７４は、エッチング工程に先立って作り出されてもよく、したがって、半導体脚部のエッチングに使用されるフルオロホウ酸系、過塩素酸系、または硝酸系の溶液などの適用されるエッチング液に対する保護を必要とする可能性がある。前述の通り、このような金属接点７６および金属ブリッジ７４およびその他の金属膜は、タングステン、クロム、および／または金、白金、チタン、タンタル、モリブデン、およびドープされた炭化ケイ素を含んでいてもよく、スパッタリングまたは熱蒸着によって適用されてもよい。金属接点７６および金属ブリッジ７４は、リフトオフフォトリソグラフィなどのフォトグラフィまたはその他の適切な方法を用いて構造化されてもよい。金属接点７６および金属ブリッジ７４は、高い熱電気伝導率を有する１つまたは複数の好ましい低コスト金属から形成されてもよい。前述の通り、このような金属は、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、または銅（Ｃｕ）、あるいはこれらの任意の組合せを含むが、これらに限定されない。前述の通り、このような金属材料は、スパッタリングまたは熱蒸着によって適用されてもよく、フォトリソグラフィを使用して構造化されてもよい。
【００８０】
アルミニウム、ニッケル、銀、または銅などの好ましい低コスト金属がエッチング工程に先立って蒸着される場合には、保護層がタングステン、クロム、金、チタン、モリブデン、タンタル、またはドープされた炭化ケイ素などの金属材料３４の薄層を用いて適用されてもよい。保護層は、金属材料３４の最上部に適用される比較的大きいリフトオフマスクを用いるフォトリソグラフィと、これに続くリフトオフマスクによるスパッタリングまたは熱蒸着とによって適用されてもよい。あるいは、保護層は、フォトグラフィマスクの適用後のドライおよび／またはウェットエッチングによってスパッタリング工程の後に適用されてもよい。アルミニウムはＨＮＯ３系エッチング液に耐えうるように酸化されてもよい。任意であるが、金属接点７６を形成する工程は、熱電発電装置によって給電される負荷またはデバイスに箔アセンブリ１８を電気的に結合するために金、ニッケル、または銀、あるいはこのような材料の組合せの電着を含んでいてもよい。
【００８１】
さらに前述の通り、任意の適切な材料で形成され好ましくはニッケルで形成される比較的薄い金属ストリップは、基板の下面および／または熱電脚部２６の反対の電気絶縁層７０の最上部に蒸着されてもよい。金属材料は、リフトオフ法またはポジレジストとこれに続くエッチングなどを使用してスパッタリングおよびフォトリソグラフィ構造化によって蒸着されてもよい。前述したように、このような金属材料は、はんだ付けによる熱伝導性ストリップ６６を用いて箔アセンブリ１８に上部および下部プレート１２、１４を組み立てるためにはんだ付け可能な表面を適用する場所を提供してもよい。
【００８２】
基板上の金属材料（たとえば、金属ブリッジ７４、金属接点７６）の形成に続いて、脚部端が金属ブリッジ７４の端部に重なるようにｐ型脚部４４が基板２０上に形成されてもよい。ｐ型脚部４４は、熱電対のｐ型脚部４４を作り出すためにスパッタリング、フォトリソグラフィ、およびフルオロホウ酸系または硝酸系のエッチング液などの適切な腐食液を用いたウェット化学エッチングによって半導体材料３８で形成されてもよい。エッチング液に暴露される場合の金属接点、金属脚部は、フォト・レジスト・コーティングによって保護されてもよい。同様に、ｎ型脚部４２は、熱電対のｎ型脚部４２を作り出すためにスパッタリング、フォトリソグラフィ、および硝酸系のエッチング液または過塩素酸系の選択的エッチング液などの適切な選択的腐食液を用いたウェット化学エッチングなどによってＢｉ２Ｔｅ３型半導体化合物などの適切な半導体材料３８で形成されてもよい。ｎ型およびｐ型脚部４４は、一連の交互のホットおよびコールド・スパッタリング・ステップを用いて基板２０に蒸着されてもよい。コールド・スパッタリング・ステップは、約１０℃〜約１００℃の範囲の温度で実施されてもよい。ホット・スパッタリング・ステップは、約２００℃〜約３５０℃の範囲の温度で実施されている。
【００８３】
ｎ型脚部４２を構造化するためにＨＮＯ３系のエッチング液を使用しうるｎ型脚部４２の蒸着に先立って、ｐ型脚部４４の表面に保護フォトレジストが適用されてもよい。硝酸系の液はｎ型とｐ型の脚部を異なる速度でエッチングする。硝酸系の液はフォトレジスト層を適用する必要性が緩和または排除されるようにｐ型脚部のエッチング速度を下げる温度で実施されてもよい。さらに、エッチング液の組成または化学成分の比を変えると、ｎ型材料の選択的エッチングが可能になる可能性がある。ｎ型およびｐ型脚部４４の両方を構造化するためにＨＮＯ３系のエッチング液を使用することによって、酸化アルミニウム表面を備える基板２０上に形成されたタングステン−アルミニウム金属脚部３６および金属接点７６はＨＮＯ３系エッチング液に耐性を示す。
【００８４】
箔アセンブリ１８の製造に続いて、電気絶縁層７０はフォトリソグラフィなどの任意の適切な工程を用いて図６Ｄ、７Ｄ、および８Ｄに示すような熱電脚部２６の表面に適用されてもよい。電気絶縁層７０は、箔アセンブリ１８の最終的な形状およびサイズへの切削またはダイシングに先立って焼鈍されてもよい。上部および下部プレート１２、１４は、これらの間に箔アセンブリ１８が挟まれるように箔アセンブリ１８に取り付けられてもよい。前述の通り、上部および下部プレート１２、１４の取付けには、箔アセンブリ１８に上部および下部プレート１２、１４を熱的に接続する熱伝導性ストリップ６６を使用するための様々な手段が備えてられていてもよい。
【００８５】
熱電発電装置１０を形成する方法のさらなる実施形態は、基板２０上のｎ型およびｐ型脚部４４の形成と、これに続く２００３年５月１９日に出願された「ＬＯＷ  ＰＯＷＥＲ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ」と題し、その全容が参照により本明細書に明示的に組み込まれる米国特許第６，９５８，４４３号に開示された工程に似た隣接する複数対の熱電脚部２６の脚部端を電気的に接続するための金属ブリッジ７４の蒸着とを備えていてもよい。たとえば、工程は、熱電対のｐ型脚部４４を作り出すためにｐ型半導体材料３８のスパッタリング、フォトリソグラフィ、およびウェット化学エッチングによって基板２０上にｐ型脚部４４（またはｎ型脚部４２）を形成するステップを備えていてもよい。ｎ型脚部４２（またはｐ型脚部４４）は、この後、熱電対のｎ型脚部４２を作り出すためにｎ型半導体材料３８のスパッタリング、フォトリソグラフィ、および選択的ウェット化学エッチングによって基板２０上に形成されてもよい。金属ブリッジ７４および金属接点７６を備える金属材料３４は、フォトリソグラフィおよびスパッタリングによる金属化を用いて適用されてもよい。上記の電気絶縁層７０などの保護カバー層は、フォトリソグラフィとこれに続く焼鈍ステップとを用いて適用されてもよい。最終段階では、箔アセンブリ１８は、上部および下部プレート１２、１４の取付けに先立って所望の形状およびサイズに切削またはダイシングされてよい。
【００８６】
代替的実施形態では、熱電発電装置１０を形成する方法は図６Ａ〜図６Ｆを参照して前述した工程に似た工程を含んでいてもよく、金属ブリッジ７４および／または金属接点７６は基板２０上に形成され、これに続いてｐ型およびｎ型脚部４２の脚部端が金属ブリッジ７４の端部に重なるようにｐ型およびｎ型脚部４２が形成される。第２の組の金属ブリッジ７４および金属接点７６が、ｎ型およびｐ型脚部４４の脚部端が金属ブリッジ７４間に挟まれるようにこれらと全体的に整列されて、最初に蒸着された金属ブリッジ７４および金属接点７６の表面に蒸着されてもよい。このような配置は以前に形成された金属ブリッジ７４および金属接点７６を強化する可能性がある。ダイシングまたは切削ステップは、箔アセンブリ１８への上部および下部プレート１２、１４の取付けに先立って箔アセンブリ１８を形成しかつ／またはそのサイズを定めるために反復されてもよい。
【００８７】
図７Ａ〜図７Ｆおよび８Ａ〜図８Ｆに示して前述したように半導体材料３８および金属材料３４の交互の熱電脚部２６を有する熱電発電装置１０の実施形態に関して、工程は基板２０の提供と、これに続く基板上の金属脚部３６および金属接点７６の形成とを含んでいてもよい。金属脚部３６および金属接点７６は、熱電対の金属接点７６および金属脚部３６を作り出すためにフォトリソグラフィおよびスパッタリングなど、前述したような任意の適切な方法を用いて蒸着されてもよい。電気絶縁層７０は、この後、基板２０の表面に適用されてもよく、フォトリソグラフィを使用して脚部端３８以外の金属脚部３６を覆い、この後、電気絶縁層７０は焼鈍されてもよい。ｐ型脚部４４は、熱電対のｐ型脚部４４を作り出すためにｐ型半導体のスパッタリング、フォトリソグラフィ、およびウェット化学エッチングによって蒸着されてもよい。電気絶縁層７０のカバー層がフォトリソグラフィを用いて適用されてもよく、その後、電気絶縁層７０は焼鈍されてもよい。箔アセンブリ１８は、所望の形状に切断された後、前述と同様の方法で上部および下部プレート１２、１４が取り付けられてもよい。
【００８８】
熱電脚部２６および／または金属脚部３６を基板に形成する際に多くの様々な製造方法が利用されてよいが、マグネトロンまたはプラズマトロンスパッタリングなどのスパッタリング法が好ましくは高真空蒸着装置の助けを借りて利用されてもよい。スパッタリングは、テルル化ビスマス型の半導体材料３８などの比較的厚い半導体材料３８を比較的薄い基板に蒸着するために利用されてよい。本開示の熱電発電装置１０は、これを前述の材料系とともに使用すると著しく高い出力が達成可能である。このような高い出力は、室温範囲における他の材料系と比べて比較的高い性能指数（Ｚ）を有しており、かつ約３２°Ｆ〜約２１２°Ｆ（すなわち、約０℃〜約１００℃の範囲に等しい）の範囲で効率よく動作するテルル化ビスマス型（Ｂｉ２Ｔｅ３型）の材料系を採用することが一因として挙げられる。
【００８９】
熱電発電装置１０の効率は、式Ｚ＝Ｓ２σ／κで規定される熱電性能指数（Ｚ）によって評価されてもよく、ここで、σおよびκはそれぞれ電気伝導率および熱伝導率であり、ＳはμＶ／Ｋで表わされるゼーベック係数である。ＺはＰ／κと書き直すことができ、ここでＰは力率である。
【００９０】
蒸着手順と組み合わせた本発明の熱電脚部２６の固有の材料組成によって、半導体材料３８の力率（Ｐ）の比較的高い値が達成可能である。たとえば、スパッタリングによってＢｉ２Ｔｅ３型半導体材料３８を基板２０に形成すると、先行技術の配置に比べてｐ型およびｎ型脚部４２の両方に対して改善された力率値が得られる可能性がある。
【００９１】
より具体的には、出発材料としてＢｉ２Ｔｅ３型半導体材料３８のｐ型脚部４４に対して最適化されたスパッタリング手順を採用すると、ゼーベック係数（Ｓｐ）は約２１０μＶ／Ｋとなり、室温範囲で約３５μＷ／（Ｋ２＊ｃｍ）の力率（Ｐｐ）に対して約８００  ｌ／（Ω＊ｃｍ）の電気伝導率（σｐ）を有する可能性がある。出発材料としてＢｉ２Ｔｅ３型半導体材料３８のｎ型脚部４２の場合、ゼーベック係数（Ｓｎ）は約−１８０μＶ／Ｋとなるが、電気伝導率（σｎ）は室温範囲で約２３μＷ／（Ｋ２＊ｃｍ）の力率（Ｐｎ）に対して約７００  ｌ／（Ω＊ｃｍ）となる可能性がある。
【００９２】
また、前述のような箔アセンブリは、基板上面および下面２２、２４の少なくとも一方に一連の熱電脚部２６を蒸着するために、ロール・ツー・ロール加工技術を用いて製造されてもよい。このようなロール・ツー・ロール加工は、２００５年８月２３日に発行されてＣｈａｎ−Ｐａｒｋらに付与された「ＰＲＯＣＥＳＳ  ＦＯＲ  ＲＯＬＬ−ＴＯ−ＲＯＬＬ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ  ＯＦ  Ａ  ＤＩＳＰＬＡＹ  ＢＹ  ＳＹＮＣＨＲＯＮＩＺＥＤ  ＰＨＯＴＯＬＩＴＨＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＥＸＰＯＳＵＲＥ  ＯＮ  Ａ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ  ＷＥＢ」と題し、その全容が参照により本明細書に明示的に組み込まれる米国特許第６，９３３，０９８号に開示されるものに似ている可能性がある。金属ブリッジ７４および金属接点７６は、同様に、類似したロール・ツー・ロール加工を用いて基板上面および下面２２、２４の少なくとも一方に蒸着されてもよい。同様に、本明細書に開示する熱電発電装置１０の実施形態は、２００８年９月３０日に出願された「ＬＯＷ  ＰＯＷＥＲ  ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ」と題し、その全容が参照により本明細書に明示的に組み込まれる米国特許公開第２００９／００２５７７１号に開示された方法の１つまたは複数によって製造されてもよい。
【００９３】
様々な実施形態で開示されている熱電発電装置１０は、材料系に依存する様々な特性パラメータ、構成要素の外形、ならびに熱電脚部２６、金属ブリッジ７４、基板２０、熱伝導性ストリップ６６、および上部および下部プレート１２、１４の配置を示す場合がある。たとえば、上部および下部プレート１２、１４の間に約５Ｋの温度勾配がある場合、熱電発電装置１０は、図１に示す対向する導線などにおいて熱電脚部２６の一連の列の反対端で測定される場合に約０．２Ｖ〜約２．０Ｖの開放熱電電圧出力を提供することができる。上部および下部プレート１２、１４の間の温度勾配は、熱電発生装置における上部プレートから下部プレートあるいは下部プレートから上部プレートまでの温度差として定義される。上部および下部プレート１２、１４の間に約５Ｋの温度勾配がある場合、熱電発電装置１０は、約０．１Ｖ〜約１．０Ｖの整合負荷に熱電電圧出力を提供することができる。熱電発電装置１０の電流は、上部および下部プレート１２、１４の間の約５Ｋの温度勾配に対して約０．１ｍＡ〜約５．０ｍＡの範囲内とすることができるが、熱電発電装置１０は０．１ｍＡ〜５．０ｍＡ範囲以上または以下の出力電流を提供するように構成することができる。熱電発電装置１０は、上部および下部プレート１２、１４の間の約５Ｋの温度勾配に対して約０．１ｍＷ〜約０．５ｍＷの電力出力を提供することができる。熱電発電装置１０のエネルギー変換効率は、上部および下部プレート１２、１４の間の約５Ｋの温度勾配に対して約０．０２％〜約０．２０％とすることができる。基板面積に対する電力出力として定義される電力出力密度は、上部および下部プレート１２、１４の間の約５Ｋの温度勾配に対して約０．１ｍＷ／ｃｍ２〜約０．５ｍＷ／ｃｍ２の範囲内とすることができる。熱電発電装置１０は、約１０Ｋ／Ｗ〜約２０Ｋ／Ｗの熱抵抗を示すことができる。しかしながら、前述の通り、熱電発電装置１０の特性パラメータは、熱電発電装置１０を構成する材料系と構成要素の外形とに依存し、したがって前述の性能範囲から外れる可能性がある。
【００９４】
図１１〜図１６を参照すると、ここに示されるのは、上部プレート１２と下部プレート１４の間の温度差によって変動する可能性のある熱電発電装置１０の電力特性および電気的パラメータを示すプロットである。たとえば、図１１および１４は、上部および下部プレート１２、１４の間の様々な温度差に対する熱電発電装置１０の電気的パラメータのプロットである。より具体的には、図１１および１４は、Ｖ単位の電圧対μＡ単位で測定された電流のプロットである。図１１から分かるように、熱電発電装置１０は、５Ｋの温度勾配において約０．５５Ｖの開路電圧と約１０００μＡの短絡電流出力を提供する。
【００９５】
図１２および１５は、整合負荷を熱電発電装置１０の抵抗に対する負荷抵抗の比としてプロットに示した場合の出力のプロットである。図１２から分かるように、熱電発電装置１０の抵抗に対する負荷抵抗の比が約１である場合、上部および下部プレート１２、１４に５Ｋの温度差があるときの電気的出力は約１４０μＷである。
【００９６】
図１３および１６を参照すると、ここに示されるのは、上部および下部プレート１２、１４の温度差に対する整合負荷（すなわち、熱電発電装置の抵抗に対する負荷抵抗の比が１に等しい）における熱電発電装置１０の出力のプロットである。図１３から分かるように、熱電発電装置１０は、５Ｋの温度勾配における約０．２８Ｖの電圧出力とこのような整合負荷における約１４０μＷの出力とを提供する。図１１〜図１６で参照されるこのような測定値は、３０℃の基準温度で得られる。さらに、図１３を参照することで分かるように、熱電発電装置１０の出力および電圧出力はいずれも、一般に、上部および下部プレート１２、１４の温度勾配の対応する増加に伴って増加する。
【００９７】
本開示のさらなる修正および改良は当業者にとって明らかである可能性がある。それゆえ、本明細書に記載され図示された部品の個々の組合せは、本開示の一定の実施形態のみを表わすものであり、本開示の趣旨および範囲内の代替的な実施形態またはデバイスを制限するものとしての機能を果たすものではない。
【図１】
2013508983.tif 000003
【図２】
2013508983.tif 000004
【図３】
2013508983.tif 000005
【図４】
2013508983.tif 000006
【図５】
2013508983.tif 000007
【図６Ａ】
2013508983.tif 000008
【図６Ｂ】
2013508983.tif 000009
【図６Ｃ】
2013508983.tif 000010
【図６Ｄ】
2013508983.tif 000011
【図６Ｅ】
2013508983.tif 000012
【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
2013508983.tif 000014
【図７Ｂ】
2013508983.tif 000015
【図７Ｃ】
2013508983.tif 000016
【図７Ｄ】
2013508983.tif 000017
【図７Ｅ】
2013508983.tif 000018
【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図８Ａ】
2013508983.tif 000021
【図８Ｂ】
2013508983.tif 000022
【図８Ｃ】
2013508983.tif 000023
【図８Ｄ】
2013508983.tif 000024
【図８Ｅ】
2013508983.tif 000025
【図８Ｆ】
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【図１１】
2013508983.tif 000027
【図１２】
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2013508983.tif 000029
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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