(57)【要約】  トンネル、共振トンネル、ダイオード、熱電子、熱光起電、その他のデバイスにおける電極間の間隔を維持するための改良された設計が開示されている。少なくとも一つの電極は可撓性材料で製造されている。磁界は可撓性電極に流れる電流と組み合わされて存在し、前記電極間の静電気力あるいは他の吸引力と釣り合う、温度分布と組み合わされた力あるいは熱膨張力を発生する。前記釣り合い力により、前記電極の間隔と平衡が許容されるので、多数のコントロールシステム、アクチュエータ、あるいは他の処理手段、あるいはスペーサを使用する必要がない。片方あるいは両方の電極の形状は、前記電極の全体の重なり面積を超えて一定の間隔を維持するように、あるいは中央接触面積を最小限にするように設計されている。その結果、電子デバイスは、簡素な製造による簡素な形状で、大きい面積を超えてそれらの間で均一のギャップを備えた安定平衡位置で、２つ接近した平行間隔の電極を維持し、熱を電気に、電気を冷却に変換するのに使用する。【選択図】図１７
2010503219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の電極または電極アセンブリを包含し、該電極または電極アセンブリにおける引力分布と、同等だが反対の反発力分布とが同時に作用して、対向表面の全部または一部において該二つの電極の安定平衡分離状態を確立する、デバイス。
【請求項２】
自然電流分布、電圧分布、温度分布、以上の組合せにより前記デバイスの正常動作中に少なくとも一つの引力または反発力分布が形成および維持される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
ばねまたはスポンジ材料の分布からの付加力が、該引力および反発力の大きさの過不足を相殺する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
微小電気機械システム（ＭＥＭ）プロセスおよび設計技術により製造される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記対向電極の一方または両方が、業界標準の基板への膜成長および犠牲層除去の組合せから製造される片持ち梁構造のアレイから形成される、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
電子トンネル電流がギャップ形成電流として流れるまで該二つの電極または電極アセンブリの間の温度差を維持できる分離状態を形成するギャップ形成開始電流を該デバイスに発生させる電気回路をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
該対向電極の一方または両方に単層、準単層、多数の単層を形成する蒸気を発生させるセシウム、バリウム、またはセシウムとバリウムとの組合せを真空パッケージに含めることにより低仕事関数層が形成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
加熱、蒸発、凝縮により容器内にアルカリ金属を存在させるアルカリ金属の化合物がフィラメントに付着される、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
該アルカリ金属がセシウムであって、該化合物がクロム酸セシウムまたはビスマス‐セシウム合金である、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
該フィラメントが、ドーピングシリコンの熱発生側を電気的に経由してワイヤ孔およびフィードスルーを不要にするコネクタを含む、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
該フィラメントが該デバイスと平行に電気接続され、該アルカリ金属が蒸発した後で回路を開くように設計される、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１２】
生産時または生産後に不要ガスを除去するゲッターとして作用する材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ゲッター材料はチタン、セシウム、バリウム、ナトリウム、カリウム、以上の組合せで構成される群から選択される、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
該電極が離間した多数の層に配列される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
直列に組み立てられる、請求項１に記載のデバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項１６】
並列に組み立てられる、請求項１に記載のデバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項１７】
生産率、パッケージ密度、または生産率とパッケージ密度との組合せを達成するため、ウェハまたはウェハ積層体の上に製造される、請求項１に記載のデバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項１８】
多数のデバイスへのまたは多数のデバイスからの熱流を蓄積する大型ヒートシンクにすべてが接続された小型ヒートシンクに前記電極が配置される、請求項１に記載のデバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項１９】
該小型ヒートシンクが、該大型ヒートシンクと異なる平面方向に延在して該大型ヒートシンクに接続されるフィンを包含する、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記容器へのまたは前記容器からの二つの熱経路を備える真空容器に前記電極または電極アセンブリが格納される、請求項１に記載のデバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項２１】
該二つの熱経路の分離材料がガラス、セラミック、熱伝導性の低い他の材料である、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記熱経路材料が、シリコン、銅、アルミニウム、熱伝導性の高い他の材料で製作される、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記容器がガラス製の壁で形成されて前記熱経路がシリコンであり、ガラスフリットプロセスを用いて該壁と熱経路とが接合されて真空シールを形成する、請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記電極への電気接続が前記シリコン内を経由して、ワイヤ孔、フィードスルー、前記容器の内部への同様の接続の必要性を回避するように、前記シリコン材料がハイドーピングされる、請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２５】
該電極の若干の移動を許容しながら同時に該電極へまたは該電極から熱を伝導させるように、十分な熱伝導性を持つ軟質熱材料が使用される、請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２６】
該熱材料が、液体金属、シリコン非含有ポリマー、カーボンナノチューブを有する混合物、真空対応ガス、軟質または液体材料中の熱伝導性粒子の懸濁液のうちの一つである、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
該電極または電極アセンブリへの前記接続ワイヤが、はんだ、はんだバンプ、超音波ワイヤ接合、導電性エポキシ、はんだペースト、接触圧により装着される、請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２８】
作動して電流が流れた時に個々のデバイスでギャップを形成する磁界を含む空隙を有するように構成された多数の永久磁石と透過性・強磁性材料とを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２９】
透過性磁気材料から形成された格子の内側に前記永久磁石が載置されて、アレイへ熱を流入させる側と該アレイから熱を流出させる側とを備えるデバイスのアレイを形成する、請求項２８に記載のデバイス。
【請求項３０】
該永久磁石および／または透過性磁気材料が、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、白金、アルミニウム、ネオジムのうちの一つ、または合金、または再結合焼結物である、請求項２８に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記電極の少なくとも一方が湾曲形状を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３２】
該対向電極が原子レベルでの凹凸を持たない、請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３３】
該電極が真空室に包囲される、請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３４】
不活性ガスが充填された室に該電極が包囲される、請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記不活性ガスがアルゴンまたは窒素である、請求項３４に記載のデバイス。
【請求項３６】
電子トンネル、光子トンネル、音子ブロッキング、以上の組合せのため、中心点の狭い接触範囲と中心点を囲繞する広い範囲とを設けるように該湾曲形状が選択される、請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３７】
音子伝達または電子トンネルのブロッキングまたは以上の組合せにより、該中心点を囲繞する範囲に断熱のための０．５〜１ナノメートルのギャップが設けられる、請求項３６に記載のデバイス。
【請求項３８】
該中心点を囲繞する範囲に高温電子の熱トンネルのための１〜１０ナノメートルのギャップが設けられる、請求項３６に記載のデバイス。
【請求項３９】
該中心点を囲繞する範囲に熱光起電光子トンネルのための１０〜１００ナノメートルのギャップが設けられる、請求項３６に記載のデバイス。
【請求項４０】
熱膨張特性の異なる二つの材料の接合により該湾曲形状が設けられる、請求項３６に記載のデバイス。
【請求項４１】
該二つの材料が半導体および金属である、請求項４０に記載のデバイス。
【請求項４２】
前記半導体がシリコン、ガリウムヒ素、シリコンカーバイド、ゲルマニウム、またはテルルである、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項４３】
前記半導体がドーピング処理または未処理のテルル化ビスマスなどの熱電気感応材料である、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項４４】
前記半導体が光起電性感応材料である、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項４５】
該二つの電極の間の接触が分離力によって防止され、該分離力が引力を相殺する、請求項３１に記載のデバイス。
【請求項４６】
該分離力が、印加磁界と組み合わされた電極または電極アセンブリを流れる電流により発生されるローレンツ力である、請求項４５に記載のデバイス。
【請求項４７】
さらに、いずれかの電極または該電極の付近に取り付けられた永久磁石を含む、請求項４６に記載のデバイス。
【請求項４８】
該永久磁石が、鉄、コバルト、ニッケル、ネオジム、アルミニウムの何らかの組合せによる導電性の強磁性磁気材料を含有する、請求項４７に記載のデバイス。
【請求項４９】
作動して電流が流れた時に対向電極の間のギャップを個々のデバイスに形成する磁界を含む空隙を有するように構成された多数の永久磁石と透過性の強磁性材料とを含む、請求項４６に記載のデバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項５０】
該永久磁石が、アレイへ熱を流入させる側とアレイから熱を流出させる側とを備えるデバイスのアレイを形成するように透過性磁気材料から形成される格子の内側に配置される、請求項４９に記載のデバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項５１】
加熱、蒸発、凝縮により前記容器内にアルカリ金属を存在させるフィラメントにアルカリ金属の化合物が付着される、請求項４６に記載のデバイス。
【請求項５２】
該フィラメントコネクタが、ドーピングシリコンの高温上部および底部を電気的に経由してワイヤ孔およびフィードスルーを不要にする、請求項５１に記載のデバイス。
【請求項５３】
前記分離力が、前記電極の一方または両方に作用する熱膨張力である、請求項４５に記載のデバイス。
【請求項５４】
該熱膨張が動作中の該デバイスの部品の加熱または冷却による、請求項５３に記載のデバイス。
【請求項５５】
該熱膨張が外部の加熱または冷却源による、請求項５３に記載のデバイス。
【請求項５６】
熱膨張がトンネルおよび音子ブロッキング範囲の外側の支持体に作用する、請求項５３に記載のデバイス。
【請求項５７】
該支持体が両方の電極または両方の電極アセンブリと接触する、請求項５６に記載のデバイス。
【請求項５８】
前記電極または両方の電極アセンブリは真空室の頂部および底部になるように構成されている、請求項３１に記載のデバイス。
【請求項５９】
該支持体が一方の対向電極または電極アセンブリと直接接触して他の対向電極または電極アセンブリとは直接接触しない、請求項５６に記載のデバイス。
【請求項６０】
該分離力が、音子伝達による熱伝導、電子伝達による熱伝導、放射伝達による熱伝導、フェルミエネルギーレベル未満の電子の電導、以上の組合せを含む、該電極または電極アセンブリの間の仮想相互作用の一つ以上の群を減少または除去するように構成される、請求項４５に記載のデバイス。
【請求項６１】
前記引力および分離力の大きさの過不足を相殺する機械的、磁気的、静電気的、電気機械的、電磁気的に発生された付加力を含む、請求項４５に記載のデバイス。
【請求項６２】
該付加力がばねまたはスポンジ材料の分布による、請求項６１に記載のデバイス。
【請求項６３】
該電極または電極アセンブリが該他の電極または電極アセンブリと対向する層を有し、該層が熱電気効果を促進する高いゼーベックまたはペルチエ係数を有する、請求項３１に記載のデバイス。
【請求項６４】
該電極または電極アセンブリが該他の電極または電極アセンブリと対向する層を有し、該層が、低仕事関数材料あるいは熱トンネル効果を促進する共振トンネル厚さを有する、請求項３１に記載のデバイス。
【請求項６５】
前記低仕事関数材料はアルカリ金属、アルカリ金属の合金、酸化物、ダイアモンド、ナノチューブの層状または他の組合せで構成される、請求項６４に記載のデバイス。
【請求項６６】
熱光起電効果を促進するため、一方の電極が光電子放出層であって該他の電極が感光層を有する、請求項３１に記載のデバイス。
【請求項６７】
前記負荷または電源との電圧整合を促進するため、多数の電極が直列、並列、または直列と並列の組合せで接続される、請求項３１に記載のデバイス。
【請求項６８】
該電極または電極アセンブリの対が二つの基板上に実装されるか構築される、請求項６７に記載のデバイス。
【請求項６９】
該基板が真空室でもあり、該基板が真空対応材料を含有する、請求項６８に記載のデバイス。
【請求項７０】
前記真空対応材料がシリコン、ポリイミド、ガラス、以上の組合せを含む、少なくとも材料群の一つを含む、請求項６９に記載のデバイス。
【請求項７１】
該電極対が個別に組み合わされて独自の真空室を形成し、該対がプリント回路基板技術を用いて実装される、請求項６７に記載のデバイス。
【請求項７２】
請求項１乃至３１のいずれか１項に記載のデバイスを設けることと、前記対向電極を安定離間平衡位置に配置するように磁界および電流分布または温度分布の強度を調節することとを包含する、熱エネルギーを電流に変換するため、または電気エネルギーを冷凍に変換するためのプロセス。
【請求項７３】
前記対向電極が約２０ナノメートル以下の範囲で離間する、請求項７２に記載のプロセス。
【請求項７４】
１ナノメートルから２０ナノメートルの範囲で離間した安定離間平衡位置に該対向電極を配置するように前記磁界および前記電流分布の強度が調節される、請求項７２に記載のデバイス。
【請求項７５】
該強度が２０ナノメートルから１０００ナノメートルの範囲の電極間隔を発生させ、主として放射電極から他方の感光性電極への光子熱トンネルにより電力への放射変換に使用するための感光性材料を一方の電極が有する、請求項７２に記載のデバイス。
【請求項７６】
該強度が２０ナノメートルから１００ナノメートルの範囲の電極間隔を発生させる、請求項７２に記載のデバイス。
【請求項７７】
請求項３１に記載のデバイスを設けることと、該デバイスに温度差を与えることとを包含する、熱を冷却または電気エネルギーへ変換するためのプロセス。
【請求項７８】
前記熱源が放射源、環境からの熱、地熱エネルギー、エンジンまたは動物代謝から発生した熱である、請求項７７に記載のプロセス。
【請求項７９】
該熱源が人体である、請求項７７に記載のプロセス。
【請求項８０】
該熱源が人体であって、前記デバイスがハンドヘルド機器である、請求項７７に記載のプロセス。
【請求項８１】
該熱源が作動中の電気、蒸気、内燃エンジン、燃焼燃料またはその排気ガスである、請求項７７に記載のプロセス。
【請求項８２】
該熱源が内燃エンジンまたは該エンジンの排気ガスであって、該デバイスが該エンジンまたは排気ガス管にヒートシンクとして組み込まれる、請求項７７に記載のプロセス。
【請求項８３】
自然発生温度で作動する、請求項７７に記載のプロセス。
【請求項８４】
該デバイスが、冷凍装置、エアコンディショナ、冷却ブランケット、冷却衣類、または人間または動物の体に装着または格納される冷却デバイスである、請求項７７に記載のプロセス。
【請求項８５】
前記電極が周期的間隔の多数の層に配置される、請求項７７に記載の前記デバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項８６】
直列に組み立てられた、請求項７７に記載の前記デバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項８７】
並列に組み立てられた、請求項７７に記載の前記デバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項８８】
生産率またはパッケージング密度または生産率とパッケージング密度との組合せを達成するためウェハまたはウェハ積層体の上に製造された、請求項７７に記載の前記デバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極間に非常に狭い間隔を持つように設計され、場合によっては電極間に断熱を必要とすることもあるダイオード、熱電子、トンネル、熱光起電、熱電気、その他のデバイスに関する。本発明は特に、熱トンネル・熱光起電発電機およびヒートポンプを用途とし、熱電子および熱電気方法を用いる類似のシステムに適用される。これらのトンネル発電機およびヒートポンプは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、逆に作動すると冷凍を行なう。本発明はまた、間に電気が流れる近接した平行間隔の二つの電極を必要とするデバイスに適用されてもよい。
【背景技術】
【０００２】
一つの導体（エミッタ）から別の導体（コレクタ）へ高エネルギー電子が流れる現象は、多くの電子デバイスで様々な目的のために使用されている。例えば、真空管ダイオードはこのように機能し、その物理現象は熱電子放出と呼ばれる。比較的広い有効な物理的間隔により課せられる制限のため、これらのダイオードは、（１０００ケルビン温度を超える）非常に高温で作動する必要がある。電子がコレクタまでの長い距離を移動して高い量子障壁を克服するのに充分なエネルギーを獲得するため、高温電極は非常に高温である必要がある。それにもかかわらず、真空管は電子ダイオード、そして後には増幅器の製造を可能にした。動作温度を下げようとしてセシウムなどのアルカリ金属または酸化物を用いて電極を被覆することにより、時とともにこれらのデバイスは最適化されている。熱電子発生温度は依然として室温よりはるかに高いが、この発電方法は燃焼または太陽光集光器からの熱を電気に変換するには有効である。
【０００３】
もっと最近になって、エミッタとコレクタとが２から２０ナノメートル程度の原子間距離で相互に非常に近接している場合には、はるかに低い温度、たとえ室温でも電子が流れることが発見された。この狭い間隔では、二つの電極の原子の電子雲は非常に近接しているため、物理的な伝導がなくてもエミッタ電子雲からコレクタ電子雲へ実際に高温電子が流れる。電子雲が交差しているが電子は物理的に接触していない時のこのタイプの電流は、トンネル電流と呼ばれる。例えば走査トンネル顕微鏡は、導電性表面に非常に近接した尖った導電性の針を用い、針が表面を走査する際の電流の流れを表すことによってこの表面の原子輪郭が描かれる。特許文献１は、走査トンネル顕微鏡法に適用されるこのような方法を教示している。
【０００４】
このような原子分離状態が広い面積（例えば１平方センチメートル）にわたって維持される場合には、ダイオードなどのデバイスによって多量の熱が電気に変換され、このようなデバイスは冷凍装置として、または浪費された熱エネルギーを多様なソースから回収する際に、有効であることが業界では知られている。非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３を参照すること。電極の間の間隔は、「高温」電子（フェルミレベルを超えるエネルギーを持つ電子）が流れるのに充分なほど狭くなければならないが、通常伝導（フェルミレベル以下の電子の流れ）を可能にするほど近接していてはならない。１平方センチメートルあたり数千ワットの電気から冷凍への変換を可能にする２から２０ナノメートルの有効な分離距離範囲が存在する。上記の非特許文献１を参照すること。一方の電極から他の電極への電子の移動において低い仕事関数を達成するため、放出電極にアルカリ金属または他の材料のコーティングまたは単層を設けることの長所も、これらの引例は示唆している。さらにこのコーティングまたは単層は、動作温度を低下させ、変換効率を上昇させる。
【０００５】
Ｍａｈａｎは、仕事関数が０．７ｅＶで５００Ｋと低温の電極を用いた熱電子冷凍装置の理論的効率はカルノー効率の８０％より高いことを証明した。非特許文献４を参照すること。類推により、電子トンネルプロセスの変換効率もカルノー効率に近い効率を持つと予測される。カルノー効率は、達成可能な熱エネルギー変換効率の上限に相当する。
【０００６】
広い面積にわたって原子規模での電極の分離状態を維持することは、導体から熱を除去するデバイスを構築する際の唯一かつ最重要な課題であった。走査トンネル顕微鏡は例えば、振動が発生しない特殊な実験室環境を必要とし、その動作は数平方ナノメートルの範囲に限定される。ごく最近になっても、作動装置での冷却の測定はすべて、数平方ナノメートルの範囲に限定されている。非特許文献３を参照すること。
【０００７】
約１００ナノメートルという、より大きな寸法での電極の分離は、熱光起電方法を用いた熱から電気への変換を助ける。熱光起電システムでは、光子がギャップを通り抜ける。熱源が一方の光電子放出電極に放射を行なわせ、第２の感光性電極が放射波長よりもはるかに短い距離だけ離間している場合には、標準的な光起電システムに対して１０倍もの変換パワーが可能である。熱源は、収束太陽光、化石燃料の燃焼、または他の手段でよい。光電子放出電極は、例えばタングステンから製作される。感光性電極は、シリコン、セレニウム、インジウムガリウムヒ化物から製作される。熱光起電方法に関するさらなる情報については、非特許文献５を参照すること。
【０００８】
直接的なエネルギー変換および冷却のための別の方法は、熱電素子によって達成される。これらの素子は、異なる材料間の接合部に温度差によって電圧が発生するゼーベック効果を呈するか、逆に、印加電圧によりこれらの接合部の間に温度差が発生するペルチエ効果を呈する材料を使用する。ゼーベック効果による電圧は一般的に二つの接合部における温度差に比例し、ペルチエ効果による熱伝達のパワーは接合部の間を流れる電流に比例する。熱電素子に関する解決困難な難題の一つは、接合部の間の材料が二つの電極の間の物理的な接点であるということであった。この接点が電気短絡を発生させてゼーベック効果による利点を制限するとともに、熱短絡を発生させてペルチエ効果による利点を制限する。接合部の間の材料にナノメータギャップがあれば、素子の高温側と低温側との間に断熱を設けることでペルチエ効果を制限する熱短絡の作用を軽減させることにより、この解決困難な問題を解決する。このようなギャップはまた、ゼーベック効果を制限する電気短絡も軽減させるだろう。このギャップが適切な寸法の真空ギャップであるならば、より大きな利点が得られるだろう。理論および実験による研究から、このような真空ギャップがあれば、これらの固体素子は冷却用のコンプレッサに匹敵し、また熱を電気に変換する際にガスタービンおよびスチームタービンなどの回転装置に匹敵することが明らかにされている。
【０００９】
ゆえに、入力としての熱源と出力としてパワーを必要とする電気回路の両方に使用するのが好都合なパッケージにおいて、熱エネルギーを電気エネルギーにコスト効率よく有効に変換するデバイスの必要性が残っている。排熱を含む豊富な熱源を電源にすることが容易になるだろう。このようなデバイスの採用が環境に役立ち、費用を節約し、その両方を行なうという例は、以下を含む。
（１）現在使用されている光起電素子よりもコスト効率良く、太陽の熱および光を電気に変換すること。このような熱変換デバイスを用いることによって太陽集光器からの熱エネルギーを再循環させるため高温の熱電子放出を使用することが、多くの文献に記載されている。上記の非特許文献４と、非特許文献６を参照すること。しかし、自然発生温度でトンネルが実施されるならば、このような変換のコストが低くなり、一層普及することになるだろう。
（２）自動車で使用されるものなど、内燃エンジンによって発生する熱を回収して有益な運動にすること。ハイブリッドガス電気自動車と呼ばれる現在販売されている自動車の中には、電力と内燃のいずれかを用いて運動を発生できるものがある。現在の内燃エンジンでは、ガソリンエネルギーの約７５％が排熱に変換されている。トンネル変換デバイスであれば、ハイブリッド自動車のエンジンからこの熱エネルギーの大部分を回収して、後で使用するためにバッテリに蓄積することができるだろう。特許文献２は、内燃室からの熱を変換してこのエネルギーを蓄積するか運動に変換する方法を教示している。
（３）有害ガスが大気へ流入する必要性を少なくすること。よりエネルギー効率の高いハイブリッド自動車は、大気へ放出される有害排気ガスが軽減されるという明白な例である。ハイブリッドエンジンのエンジン熱および排熱を変換してこれを蓄積するかハイブリッドバッテリで電気を発生させるデバイスであれば、ハイブリッド自動車の効率をさらに高めて、有害ガスを排出する必要性を少なくするだろう。冷凍に使用される冷却剤は熱を除去する必要のある他の有害ガスの例であり、トンネル変換デバイスは有害ガスを放出する必要性を少なくする。
（４）入手できる時に熱エネルギーを回収し、これをバッテリに化学エネルギーとして蓄積し、入手できない時にはこれを再利用すること。トンネル変換デバイスであれば、日中は太陽エネルギーを電気に変換し、これをバッテリに蓄積する。夜間は、蓄積されたバッテリ電力が電気の発生に使用される。
（５）地熱エネルギーからの発電。熱は地表の多くの場所に存在し、地中深くでは実質的に無限である。有効なトンネル変換デバイスであれば、このエネルギー供給を利用できる。
（６）小型かつ静音で固定されたソリッドステートデバイスによる冷凍の実施。このようなトンネルデバイスは、大型の空気機械およびコンプレッサの必要性に代わってエアコンディショナのため冷却または冷凍を行なう。
（７）体温からの発電。人体は約１００ワットの熱を発生し、この熱は、携帯電話、コードレス電話、ミュージックプレーヤー、携帯情報端末、懐中電灯などのハンドヘルド製品のための有益な電力に変換される。本開示で提示される熱変換デバイスは、体との部分的接触によって加えられる熱からこれらハンドヘルド製品を作動させるか、そのバッテリの充填を行なうのに充分な電力を発生させる。
（８）燃料の燃焼による電力。薪ストーブは数万ワットの熱を発生させる。このようなトンネルデバイスはこの熱から１または２キロワットを発生させることができ、これは一般的な家電機器に電力を供給するには充分である。天然ガス、石炭、その他など、他の燃料を燃焼させることにより、同様の用途が可能である。僻地の家庭でも、現代的な利便性を手に入れるために電力網への接続または騒音を出す発電機を必要としなくなる。
【００１０】
２０．０ナノメートル未満の分離ギャップに二つの平行な電極を一緒に設けようとするには、二つのパラメータに注目する必要がある。一方は表面粗さで、他方は表面平坦度である。表面粗さは狭い局所的な範囲における平滑状態との差異である。孔や傷は、表面粗さに影響する差異の例である。表面平坦度は、広い範囲にわたる平行状態との差異である。反り、曲がり、クリープは、表面平坦度に影響を与える差異の例である。
【００１１】
集積回路に現在利用が可能な最高技術を用いて二つのグリッド材料が研磨されて平坦にされた際には、１平方センチメートルの面積での表面平坦度はマイクロメートル程度である。さらに、熱、その他の応力が時間とともに反りや曲がりの変化を起こし、一度達成された均一な分離を維持するにはさらに課題が生じる。現在の技術を用いて研磨された金属または半導体の表面では、０．５ナノメートル未満の粗さを容易に達成できる。
【００１２】
最先端技術のトンネルエネルギー変換デバイスは、以下の制限のうち一つ以上を受ける。（１）トンネルには広すぎる分離状態、（２）大量のエネルギー変換には狭すぎる面積、（３）断熱を行なうことができず、結果的に変換効率が低い固体材料の層、（４）コスト効率の良い製造には複雑すぎる設計。
【００１３】
１０ミクロン以上の分離状態は多くの熱電子システムにより達成されているが、これらのシステムは非常に高い温度のみで作動し、安全のためにはコストの高い設計を必要とし、この温度が達成される環境に限定される。
【００１４】
約２．０から２０．０ナノメートルの分離状態は、特許文献３に教示された方法によって走査トンネル顕微鏡の設計で達成されているが、その有効面積は数平方ナノメートル程度であった。このような面積は、たとえ最適な材料であっても、大量のエネルギーを変換するのに充分な電流を流すには（望ましい約１平方センチメートル以上の面積と比較して）狭すぎる。
【００１５】
半導体業界では、数ナノメートル程度の膜厚のような物理的パラメータを制御するための方法が多く教示および採用されている。熱電素子は、層状材料の積層体によりエネルギーを変換する集積回路の例である。非特許文献７を参照すること。しかし、これらの方法すべてで、層内で固体材料が相互に接触する必要がある。熱は層から層へ容易に流れ、温度差と変換効率とを制限する。二つの電極が接触しているため、利用可能な熱電気感応材料に設計が左右され、電子の横断に対するエネルギー障壁は、真空ギャップの幅を設定することで可能なので、任意の構成とすることはできない。必要な性質を持つ材料は、ビスマスおよびテルル化物のような新型で高価な元素である。これらの理由から、熱電素子は冷却力のワットあたりのコストが高く、約７パーセントの低効率に制限される。
【００１６】
１平方センチメートルの面積にわたって二つの導体を約２．０から２０．０ナノメートル分離させるという技術は、これらの距離で非常に正確であるフィードバック制御システムのアレイを使用することで進歩してきた。制御システムは、実際の分離度を測定して、これを所望の分離度と比較するためのフィードバック手段と、次に所望の分離度を維持するため要素を近接または離間させるための移動手段とを含む。フィードバック手段は、分離度が低下するにつれて増大する、二つの電極の間のキャパシタンスを測定できる。これらの寸法のための移動手段は、最新技術では、圧電、磁歪、電歪現象を通して運動を発生させるアクチュエータである。特許文献４と特許文献５には、一方の表面を他方の表面を用いて成形してから、フィードバック制御システムを用いて使用前に平行状態を完成させることを含む設計が記載されている。一方の表面を他方に対して成形する際に使用される複雑なプロセスと、平行状態を維持するための多数のフィードバック制御システムの使用のため、この設計アプローチは低コストで製造する際の障害となる。
【００１７】
他の方法は、製造中に電極間に「犠牲層」を挿入することを必要とする特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９に記録されている。犠牲層は後で蒸発し、２から２０ナノメートルの所望の間隔に近いギャップが電極の間に形成される。これら三つの方法は、電極間の反りまたは熱膨張差による製造後の変動を受けやすいか、特許文献１０と特許文献１１に記載されているように、これらの変動を補正するためのアクチュエータのアレイを必要とするかのいずれかである。
【００１８】
所望の間隔を設けて長期間これを維持する別の方法は、ポールがテントを支えるのとまったく同じように可撓性電極の間隔を保持する誘電性スペーサの使用による、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５、特許文献１６、特許文献１７に記録されている。これらの誘電性スペーサの短所の一つは、一つの電極から他の電極へ熱を伝導して、変換プロセスの効率を下げてしまうことである。この方法の別の短所は、大きな静電気力の存在下では、可撓性金属電極が長期間にスペーサ間で延伸または変形して間隔の方へゆっくり移動し、これがトンネルまたは熱電子放出でなく伝導を行なわせることである。
【００１９】
電極間に所望の真空間隔を設けるための別の方法は、接合された二つのウェハの境界面に狭い空隙が形成される特許文献１８、特許文献１９、特許文献２０、特許文献２１で明らかにされている。これらの空隙は、数ナノメートルのギャップにおいて電子の熱トンネルを可能にするのに充分なほど狭い。これらのギャップは熱トンネルを助けるが、ギャップの周囲では不要な熱伝導が発生し、電極間隔の均一性の制御が困難である。
【００２０】
熱トンネルギャップを設けるまた別の方法は、特許文献２２に記載されているように、二つのウェハの対向表面を接触状態にしてから、アクチュエータを用いてこれらを数ナノメートルだけ離間させることによる。この方法では熱トンネルギャップを形成することが可能だが、多数のアクチュエータによるコストと、ギャップ範囲の外側のウェハ間における熱伝導とがこの方法では避けられない。
【００２１】
今日までの努力にもかかわらず、大量生産の低コスト熱トンネルデバイスにおいて２０．０ナノメートル未満の分離ギャップの電極間隔を設けてこれを維持するための要件を満たすという持続的かつ困難な課題が残っている。
【００２２】
（冷却を直接行なうことに加えて）真空ギャップで電子を移動させることが可能なデバイスのさらなる有用性は、熱電気積層体の上にこのギャップを設けることである。この組合せでは、熱電気ギャップの高温側と低温側とが断熱され、ゆえに一層効率的である。熱電気材料と真空ギャップとの組合せを用いるデバイスは、熱電気方法、熱トンネル方法、熱電子方法、これらの方法の組合せを介して、冷却または熱変換を行なうことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】米国特許第４，３４３，９９３号明細書
【特許文献２】米国特許第６，６５１，７６０号明細書
【特許文献３】米国特許第４，３４３，９９３号明細書
【特許文献４】米国特許第６，７２０，７０４号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００７／００３３７８２号明細書
【特許文献６】米国特許第６，７７４，００３号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００２／０１７０１７２号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００６／００３８２９０号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００１／００４６７４９号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００５／０１８９８７１号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００７／００５６６２３号明細書
【特許文献１２】米国特許第６，８７６，１２３号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００４／００５０４１５号明細書
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００６／０１９２１９６号明細書
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００３／００４２８１９号明細書
【特許文献１６】米国特許出願公開第２００６／０２０７６４３号明細書
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００７／００６９３５７号明細書
【特許文献１８】米国特許出願公開第２００４／０１９５９３４号明細書
【特許文献１９】米国特許出願公開第２００６／０１６２７６１号明細書
【特許文献２０】米国特許出願公開第２００７／００２３０７７号明細書
【特許文献２１】米国特許出願公開第２００７／０１３７６８７号明細書
【特許文献２２】米国特許出願公開第２００６／００００２２６号明細書
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Ｙ．Ｈｉｓｈｉｎｕｎａ、Ｔ．Ｈ．Ｇｅｂａｌｌｅ、Ｂ．Ｙ．Ｍｏｙｚｈｅｓ、Ｔ．Ｗ．Ｋｅｎｎｙによる「真空中の熱トンネルおよび熱電子放出を用いた冷凍の効率：ナノメータスケール設計の使用」（応用物理学通信第７８巻Ｎｏ．１７：２００１年４月２３日）
【非特許文献２】Ｙ．Ｈｉｓｈｉｎｕｎａ、Ｔ．Ｈ．Ｇｅｂａｌｌｅ、Ｂ．Ｙ．Ｍｏｙｚｈｅｓによる「半導体ヘテロ接合構造による真空熱電子冷凍」（応用物理学通信第８１巻Ｎｏ．２２：２００２年１１月２５日）
【非特許文献３】Ｙ．Ｈｉｓｈｉｎｕｍａ、Ｔ．Ｈ．Ｇｅｂａｌｌｅ、Ｂ．Ｙ．Ｍｏｙｚｈｅｓ、Ｔ．Ｗ．Ｋｅｎｎｙによる「ナノメータギャップにおける室温熱電子放出による冷却の測定」（応用物理学通信第９４巻Ｎｏ．７：２００３年１０月１日）
【非特許文献４】Ｇ．Ｄ．Ｍａｈａｎによる「熱電子冷凍」（応用物理学通信第７６巻Ｎｏ．７：１９９４年１０月１日）
【非特許文献５】Ｒ．ＤｉＭａｔｔｅｏ、Ｐ．Ｇｒｅｉｆｆ、Ｄ．Ｓｅｌｔｚｅｒ、Ｄ．Ｍｅｕｌｅｎｂｅｒｇ、Ｅ．Ｂｒｏｗｎ、Ｅ．Ｃａｒｌｅｎ、Ｋ．Ｋａｉｓｅｒ、Ｓ．Ｆｉｎｂｅｒｇ、Ｈ．Ｎｇｕｙｅｎ、Ｊ．Ａｚａｒｋｅｖｉｃｈ、Ｐ．Ｂａｌｄａｓａｒｏ、Ｊ．Ｂｅａｕｓａｎｇ、Ｌ．Ｄａｎｉｅｌｓｏｎ、Ｍ．Ｄａｓｈｉｅｌｌ、Ｄ．ＤｅＰｏｙ、Ｈ．Ｅｈｓａｎｉ、Ｗ．Ｔｏｐｐｅｒ、Ｋ．Ｒａｈｎｅｒ、Ｒ．Ｓｉｅｒｇｉｅによる「ミクロンギャップ熱光起電（ＭＴＰＶ）」（熱光起電発電第６部会、アメリカ物理学協会、２００４年）
【非特許文献６】Ｇ．Ｄ．Ｍａｈａｎ、Ｊ．Ａ．Ｓｏｆａｏ、Ｍ．Ｂａｒｔｋｏｉｗａｋによる「多層熱電子冷凍装置」（応用物理学通信第８３巻Ｎｏ．９、１９９８年５月１日）
【非特許文献７】Ｃｈｒｉｓ  ＬａＢｏｕｎｔｙ、Ａｌｉ  Ｓｈａｋｏｕｒｉ、Ｊｏｈｎ  Ｅ．Ｂｏｗｅｒｓによる「薄膜マイクロクーラの設計および特徴」（応用物理学通信第８９巻Ｎｏ．７、２００１年４月１日）
【非特許文献８】Ａ．Ｎ．Ｋｏｒｏｔｋｏｖ、Ｋ．Ｋ．Ｌｉｋｈａｒｅｖによる「共鳴ファラー・ノルドハイム放出による冷却化」（応用物理学書簡第７５巻Ｎｏ．１６：１９９９年８月２３日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
そのため、既存の設計よりも効率的かつ低コストのトンネル、ダイオード、他のデバイスで電極間の真空分離状態を維持するための改良設計の必要性がある。すなわち、均一な真空ギャップを備える近接電極を有する設計の必要性が存在するのである。より詳しく述べると、おそらくは熱電素子との組合せによるトンネル、熱電子、他の放出によりギャップでの電子の移動を可能にするため、電極間の近接ギャップで自己配置および自己整合を行なう一対の電極を有する設計の必要性が存在する。
【００２６】
上記の親出願では、先行技術により考案されていない方法で電子流を利用するデバイスおよびプロセスを説明および請求している。従来の設計では、トンネルデバイスでの電子の流れは二つの目的で使用されていた。（１）一つの導体から別の導体へ熱を伝達する熱力学的流体として、（２）変換されたエネルギーを、バッテリまたは電気回路へ、あるいはバッテリまたは電気回路から直接移動させるため。上記の親出願では、所望の電極分離状態で静電力または他の引力の均衡を保つ復元力を発生させるのにも電子流が使用されるデバイス構造およびプロセスについて記載している。
【００２７】
均一ギャップを備える近接電極を設けるデバイスおよびプロセスが開示される。より詳しく述べると、この開示は、電極間の近接ギャップで自己配置および自己整合を行なって、おそらくは熱電素子または熱光起電素子との組合せでトンネル、熱電子、他の放出によるギャップでの電子の移動を可能にする一対の電極に関する。
【００２８】
上記の親出願に記載したように、可撓性材料が電極の一方に使用され、可撓性電極に自然かつ同時に作用して広い面積にわたり他の電極の表面からの所望の距離において電極を安定平衡位置に配置、整合、維持する静磁気反発力と静電気力または他の引力との平衡を保ち、いずれかの電極における平坦度からの連続的な空間的差異に適応する磁界を、可撓性材料が含む。
【００２９】
組立の前に電極の対向表面を研磨することにより、０．５ナノメートル未満の表面粗さが達成される。金属、半導体、他の材料の表面粗さを０．５ナノメートル未満とする研磨技術は、業界では容易に利用できる。
【００３０】
１平方センチメートル以上の広い面積にわたって２０．０ナノメートル未満の分離状態を達成するため、所望の間隔で電極材料を静止させる非接触力の組合せが発生される。安定平衡条件では、これらのダイオードデバイスにすでに存在する力の一つは、エミッタとコレクタとの間の静電気力である。電圧が印加されると、反対の電荷が電極の各々に集まり、これらの電荷の存在が結果的に、電極間に引力を発生させる。静電気力は近接電極では支配的な引力であると考えられるが、重力、表面張力、ファンデルワールス力、カシミール力、静摩擦など、他の引力も存在する。
【００３１】
親出願に記載したように、可撓性電極が所望の間隔および整合状態を維持するように、可撓性電極に作用してあらゆる点において静電気引力と他の引力との均衡を保つ、同等だが反対向きの第２の力が発生する。この第２の力は、磁界の存在下で導体に電流が流れる時に力が発生するという物理現象によるものである。この力は、電流の方向と磁界の方向とにより画定される面に対して垂直な方向に作用する。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明では、親出願のデバイスおよびプロセスに対する改良を行なう。一面において、この第２の力は、一緒に接合された異なる熱膨張性を持つ二つの材料のアセンブリ、つまり「バイメタル」の曲げによるものである。この曲げ力は、熱的操作で移動する熱によるバイメタルの温度上昇または低下によって、または電気的操作での電気損失によって、あるいはこれらの組合せによって生じる。（１）広い面積に及ぶ、（２）損失のあるスペーサまたはアクチュエータアレイおよび制御システムなしで自動的に均一性を得る、という目標を個別にまたは同時に達成する磁力とバイメタル力のいずれかが、０．５から２００ｎｍのギャップを持つ本発明の実施例の設計に取り入れられる。
【００３３】
電極付近または電極内に永久磁石を設けることにより、必要な磁界を本発明の第一実施例に追加できる。鉄、コバルト、ニッケル、これらの合金などの永久磁石材料は、熱的にも電気的にも高い伝導性を持つ金属でもある。ゆえにこれらの磁気材料は、電極の熱的および電気的な伝導性と適合する。非伝導性の磁気材料を用いて磁界を設けることが望ましい場合であっても、放出側の電極を構成するため、このような磁石が導体で被覆されるか、または単純に平坦な導体が磁石に取り付けられる。
【００３４】
一般的には６００から１４００ケルビン温度であるキュリー温度レベルで磁気材料は磁性を失うので、永久磁石が設けられる表面の温度はその動作パラメータに影響する。しかし本発明では、磁石は変換デバイスの低温側と高温側のいずれかに設けられるので、磁石がキュリー温度に達するのを防ぐ構造が見られる。
【００３５】
本発明は、以下の長所を持つ単純で安価な熱トンネル、熱光起電、熱電子デバイスを製造するため、新規の非自明な方法で電極材料を近接させる方法を提供する。（１）先行技術で必要とされるアクチュエータおよび制御システムの必要性を回避することによる単純性、（２）電球および半導体産業ですでに開発されている技術および製造プロセスを利用して低コストの大量生産を実施すること、（３）一つの電極から他の電極への高温電子のトンネルを可能にして第１電極を冷却するように、スペーサを使用せずに電極間に狭い間隔ギャップを設けること、（４）１平方センチメートルなど広い電極面積にわたって均一な間隔ギャップを維持すること。
【００３６】
開示されるデバイスおよびプロセスの他のシステム、デバイス、特徴、および長所は、以下の図面および詳細な説明を検討すれば、当該技術の熟練者には明らかであるか明らかとなるだろう。付加的なシステム、デバイス、特徴、長所はすべてこの説明に含まれ、本発明の範囲内であり、添付の請求項によって保護される。
【００３７】
開示されるデバイスおよびプロセスの多くの面は、添付図面の図１〜２３を参照すればさらによく理解できる。図面中の部品は必ずしも同一縮尺ではなく、むしろ本発明の原理をはっきりと示す強調が行なわれている。さらに図面では、同様の参照番号が何枚かの図すべてで対応の部品を必要とするわけではない。実施例は図面に関連して開示されるが、そこに開示された実施例に開示内容を限定するような意図はない。逆に、すべての代替例、変形例、均等物すべてを包含することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本開示の自己配置電極デバイスの一実施例を示す。（ａ）図１のデバイスの電流、磁界、静磁気力の方向状態を示す。（ｂ）図１のデバイスの電極２の代替実施例を示す。
【図２】図１のデバイスの電極１の概略上面図である。（ａ）図２の電極の実施例の切除部分を示す底面斜視図である。
【図３】図１のデバイスの代替実施例を示す。
【図４】図１のデバイスのさらに別の実施例を示す。
【図５】図１〜４のデバイスにおける相互作用力を質的に示すグラフである。
【図６】研磨された金属電極を用いる図１，３，４のデバイスにおける相互作用力を量的に示すグラフである。
【図７】研磨されたシリコン電極を用いる図１，３，４のデバイスにおける相互作用力を量的に示すグラフである。
【図８】シリコンウェハ材料から電極が製作される様子を示す図面である。
【図９】（ａ）熱光起電の用途に適した広いギャップを持つ代替実施例を示す。（ｂ）図９（ａ）のデバイスにおける相互作用力を示す、図５と同様のグラフである。
【図１０】（ａ）（ｂ）（ｃ）半導体業界で一般的な加工技術を用いた大量生産のため、図８の多数の電極対が同時に組み立てられる様子を示す。
【図１１】（ａ）（ｂ）高密度および大容量のデバイス機能を達成するため図８，９（ａ），１０（ｃ）の多数の電極対が大型熱交換器に収納される様子を示す。
【図１２】（ａ）（ｂ）シリコン・ガラス・ガラスフリット真空密封と、業界で一般的である他の標準的な微小電気機械（ＭＥＭ）パッケージング技術を用いて、図８の電極対が収納される様子を示す。
【図１３】図８，９（ａ），１０（ｃ），１１（ａ），１２（ｂ）の小型デバイスから大型デバイスを製造するため、磁気透過性格子に装着された永久磁石のアレイを示す。
【図１４】電気が発生する実施例について、熱エネルギーを印加する前に図８，１０（ｃ），１１（ａ），１２（ｂ）のデバイスにギャップを形成するのに使用される開始電子回路の一例を示す。
【図１５】（ａ）（ｂ）バイメタル構造により電極が湾曲し、中央に狭い接触範囲が発生した第二実施例を示す。
【図１６】シリコンＭＥＭパッケージの代わりに、図１５のバイメタル実施例がギャップ幅を制御するための移動アクチュエータとの組合せで設けられる様子を示す。
【図１７】磁気ローレンツ力アクチュエータを用いて接触中心を分離させて中心点ギャップを設ける移動能力を持つ、図１５〜１６のバイメタル実施例による電極デバイスを示す。
【図１８】（ａ）（ｂ）（ｃ）エッジ支持体を用いて接触中心点を分離させる移動能力を持つ、図１５〜１６のバイメタル実施例による電極デバイスを示し、図１８（ａ）には非作用状態のデバイス、図１８（ｂ）には通常の作用状態のデバイス、図１８（ｃ）は温度超過状態のデバイスが描かれている。
【図１９】（ａ）（ｂ）（ｃ）真空室または他のハウジングの内側に載置された、外側容器を介したもの以外の熱接触を防止するための、それぞれ図１８（ａ）〜１８（ｃ）のデバイスを示す。
【図２０】ギャップスペースを独自の真空キャビティとすることにより分離真空室が不要となった第二実施例による電極デバイスの簡易設計を示す。
【図２１】ギャップ表面との物理的接触を少なくするか無くして動作中の破損を防止する、図２０に示されたものの代替設計を持つ電極デバイスを示す。
【図２２】密封されたデバイス集合体を設けるため、第二実施例による多数のデバイスが電気的には直列に、熱的には並列に接続された状態を示し、電気接続および真空ハウジングは可撓性ケーブル材料により達成されている。
【図２３】真空ハウジングとしてシリコンウェハ基板を用いる、図２２と類似した設計を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図面をより詳しく参照するが、何枚かの図を通して同様の参照番号が同様の要素を指し、本開示のデバイスおよびプロセスの実施例が図１〜２４に図示されている。
【００４０】
概略を述べると、対向する電極を使用し、二つの力分布を伴うデバイスおよびプロセスが開示される。電極間の主な静電気引力分布は、電極内の電荷によって発生する。印加される磁界分布と組み合わされた電極内の電流分布により、同等だが反対向きの反発力分布が発生する。二つの力分布は、対向表面にわたって電極の安定平衡分離状態を確立するように同時に作用する。
【００４１】
以下の詳細な説明において、図１〜８は上記の親出願の図１〜８と同一である。
【００４２】
図１は、本開示の一実施例を示す。電極１は可撓性金属箔、つまりポリイミドなどのプラスチック膜または基板に取り付けられた金属箔である。プラスチック基板は、静電気力および電磁力によって発生する反復的動作の後での箔の割れ、折れ、破損の防止に役立つ。プラスチック基板または電極１の電気的性質は、平衡中の振動または動作の不安定性を回避するようにも作用する。電極２は、導電材料で製作または被覆された永久磁石である。一つの形状例では、電極２は矩形ブロックである。両電極は、相互に対向する表面が研磨される。デバイスが熱エネルギーの変換に使用される場合には熱源３０が存在し、デバイスが冷凍装置として使用される場合には、これは冷却される物体である。デバイスが冷凍装置として使用される場合には電源１０が存在し、デバイスが熱変換発電機として使用される場合にはさらにこれは電気負荷となる。デバイスが作動中でない時（つまりデバイスがオフの時）に電極１の先端６の非導電性当接点となるように、絶縁層４が存在する。さらに、デバイスが作動中でない時に別の電極が当接する、電極間の所望の平衡間隔よりも薄い非導電性材料のコーティングを、電極の一方が有する。電極２の頂部の層またはコーティング５は、電極２と電極１との間の電子トンネルを促進するため低い仕事関数を持つように作られた材料である。コネクタ９ａ，９ｂおよびワイヤ８ａ，８ｂが回路を完成させる。室２０は、対向する電極１，２の間の範囲を真空または不活性ガスで密封して、電極の一方から他方への熱伝達を最小にする。適当なガスは、アルゴンとヘリウムとを含む。可撓性電極１の広い方の端部は室２０の支持構造に固着され、電源がオフになると電極１は絶縁層または膜４と先端６で当接する。
【００４３】
図１ａは、電極１に流れる電流（Ｉ）と、電極２に永久磁石が存在することによって発生する磁界（Ｂ）と、ＩとＢとの相互作用により生じる力Ｆとの方向状態を示す。力Ｆは電極１のあらゆる点で垂直方向上向きに作用し、電極１を電極２へと引き下げる静電気引力と対向してこれとの均衡を保つ。
【００４４】
図１ｂは電極２の代替構成を示す。ここでは、材料の表面は頂部５’のアレイによってパターンニングされている。これら頂部の幾何学形状は、頂部領域での電磁界による電極２からの電子放出を促進する。これらの頂部は、研磨後に電極２の表面が意図的または非意図的な粗さを持つことによって自然に発生するものでもよい。
【００４５】
図１のデバイスは、電源オフ、平衡状態、電源オフから平行状態への移行中、平衡状態から電源オフへの移行中にその動作を助ける付加力発生・変更機構またはシステムも有する。例えばこれらの機構は、平衡状態の当接位置付近で電極１の振動を防止するようにシステムの減衰を行なう。これらの付加力は、機械的、磁気的、電気機械的、電磁気的に、または主な静電気および磁気平衡力の大きさの過不足を補う他の方法によって発生する。
【００４６】
可撓性電極１の材料は、導電性金属、半導体材料、層状ガラス／金属、層状金属／プラスチックである。導電性金属の例は、金、銀、アルミニウム、銅を含む。半導体材料の例は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素を含む。導電性金属または半導体材料は任意で、金属がそれ自体では充分な可撓性を持たない場合に、ガラス、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ポリアクリル、ポリオレフィンなど、金属に可撓性を追加する材料に取り付けられるか、これと層状に組み合わされる。
【００４７】
電極２の永久磁石は、電極に包含されるかその一部である。実施例において、永久磁石は、鉄、コバルト、ニッケル、ネオジム、アルミニウムと組み合わされた導電性の強磁性材料を包含する。あるいは、導電性材料で被覆された一つ以上の非導電性の強磁性材料を永久磁石が包含してもよい。非導電性の強磁性材料の例は、フェライト、バリウムフェライト、バインダで密封された酸化鉄粒子を含む。
【００４８】
電極２の上の層またはコーティング５は、低仕事関数材料、熱電気感応材料、共鳴トンネル材料、電解強化テクスチュア、またはこれらの組合せである。低仕事関数材料の例は、アルカリ金属、アルカリ金属の合金、酸化物、ダイアモンド膜などのダイアモンド、ナノチューブによる層状または他の組合せを含む。表面粗さまたはパターンニングから生じる頂部および谷部の集合体（例えば図１ｂに図示されたような）は、電界を強めることで電極２からの電子放出を向上させる。最後に、共鳴トンネルを実施するように構成された半導体層も電子の放出を向上させる。半導体材料の例は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素を含む。熱電気感応材料の例は、様々なドーピングのテルル化ビスマスを含む。
【００４９】
図１の層５の低仕事関数材料または図１ｂの強化材料５’は、例えば、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ），カルシウム（Ｃａ）、リチウム（Ｌｉ）、その組合せまたは酸化物を含む。このような材料は放出電極２の仕事関数を４〜５ｅＶから１．１ｅＶ以下まで低下させることが分かっている。他の低仕事関数材料は、トリウム（Ｔｈ）、金属被覆酸化物、シリコンを含む。ここに言及されていない他の材料も低仕事関数を達成し、このような材料層を追加することは本発明を拡張したもので自明である。例えば、電子トンネルを促進するための異なるタイプの層、ワイドギャップ半導体層が、非特許文献８により提案されている。非特許文献８を参照すること。ここでは、厚さが注意深く制御された薄い酸化物層が電子を共鳴条件まで励起させることで、高温電子の真空への放出を補助する。また、図１の層５と図１ｂの５’は、放出を最大にして仕事関数を最小にするためのカーボンナノチューブのアレイまたは類似の構成であってもよい。絶縁層４の材料は、ガラス、ポリイミド、他のプラスチックを含む。
【００５０】
図１の電子の流れと本発明の独自性について、以下で説明する。電源または電気負荷１０から放出電極２へ自由電子が流れる。電極２から電極１へ放出される自由電子は、電極２から熱を除去する高温電子となるように本設計により選択される。本発明の一面は、図１ａに方向が示された磁界Ｂが存在する状態で、自由電子が電極１内で図１の左から右へ流れることである。この自由電子の流れる方向は、印加される磁界との組合せにより、静電気引力と均衡を保って広い範囲にわたり電極１と電極２との間に所望の一定分離状態を設ける、図１ａに方向が示された反発力を発生させる。
【００５１】
図２は、電子流の方向を指す矢印が付けられた、断面７を示す図１の電極１の実施例の概略上面図である。断面７は、断面７の長さで分割された７の左側の電極表面すべてによってピックアップされる集合トンネル電流に等しい電流密度を有する。トンネル電流は７の左側のトンネル作用の面積に比例すると予測されるので、左側の電極表面の面積の増大に比例して断面７の長さは適度に大きくなる。そのため電極１の境界線３は、指数関数を描く。こうして、可撓性電極１の表面の幅は、先端６から反対端部まで指数関数的に広くなる。指数関数は、積分点までそれとＸ軸とで囲まれる面積と数学的に等しい。境界線３が描く関数はまた、電極１内の経路長による電気抵抗など、電流密度の他の変化も補正できる。また場合によっては、製造を容易にするため三角形の電極１により設計を準最適化することが可能である。
【００５２】
図２ａは、図２に示された電極１の切除部分の底側の概略図である。電極２と対向する底面において電極１がどのようにパターンニングされているかを示す。このパターンにより、（隆起表面ｘの総面積Ｘにより定義される）トンネル面積を、電流を流すのに有効な総面積Ｙと異なるものにすることができる。このように電極１をパターンニングすると、総面積Ｙが広くなり、ゆえに集合電流が流れるための電気抵抗損失および発熱損失が低くなる。同時に、電極２に近い範囲を最小にすることで、電極をその所望の位置に配置するために超えられなければならない静電気力を低下させる。電極１をパターンニングするのと同じ効果は、研磨後の意図的または非意図的な表面粗さによっても達成される。断続的な隆起セグメント４は、電極１を支持して、デバイスが作動した時に電極１の箔材料が電極２の方へひだ状になる際に短絡を防止する薄い絶縁層である。
【００５３】
図３は、さらに小型のパッケージを実現できる本開示の別の実施例を示す概略図である。ここでは、電極２は、中心から径方向外側へ発散する磁化方向を持つ円筒形の永久磁石である。この時、電極１は１回転ごとに幅が指数的に増大する指数的螺旋の形状を取る。あるいは、製造を容易にするため、指数的螺旋形状に一層簡単に近似させた、線形に増加する螺旋形状を電極１が持ってもよい。電極１は螺旋形状を持つため、電流は接線方向である。電極１への力は垂直方向に作用して、図１で得られるものと類似した静電気引力との平衡を保つ反発力を提供する。総トンネル面積が図１のように一つの長い寸法にわたって広がる必要が無いため、電極１の螺旋形状によりこの実施例はさらに小型の設計を持つ。径方向の磁性（デバイスの中心から径方向に磁界を測定）を持つ円筒形の磁石は、ラウドスピーカの製造では一般的であるように、業界では普通に手に入るものである。この実施例の残りの部品は図１と同じである。
【００５４】
均一な反発力を得るため特殊形状の電極を一つ使用する本発明の自明な実施例が、図１と３の実施例に加えて、他にも多く存在する。図４は、このような他の実施例の一つの概略図である。電極の幅の変化の代わりに磁界の変化を利用している。例えば図４では、トンネル範囲からより多くの電流が得られるので、電極１の電流密度は左から右へ上昇する。電極１にわたって均一な力を得るため、電流密度が上昇するにつれて必要な磁界強度は低くなるので、磁界は左から右へ低下する。こうして、一定の力を得るように、磁界の強度は可撓性電極１の電流密度と反比例して変化する。磁界を左から右へ変化させる方法の一つは、電極２に含まれる永久磁石材料２３の奥行を変化させて、銅またはアルミニウムなどの非磁化材料２４の量を増加させることである。
【００５５】
図５は、トンネル範囲にわたって二つの電極間に一定の間隔を設けるため、図１から４で力がどのように相互作用を行なうかを示すグラフである。Ｙ軸４０は力であり、Ｘ軸は電極間の間隙ギャップ幅または分離度である。曲線４３は、電極１と電極２との間の静電気引力を示す。曲線４３で示される力は、間隙ギャップ４１の二乗に反比例している。曲線４６は、磁界の存在下で流れるトンネル電流により発生する、二つの電極間の反発力を示す。トンネルが発生するのに充分なほど狭い分離になるまで、この電流はゼロに近づく。次に、間隔がさらに狭くなると、電流は急激に上昇する。トンネル開始分離点４２と完全伝導分離点４４との位置は、使用されるプロセス条件に左右される。例えば、非特許文献１と３によれば、０．１〜２．０ボルトの電位が印加されるデバイスの場合、トンネルのための開始分離点４２はおよそ２０ナノメートルであり、本質的に完全な伝導点４４はおよそ１ナノメートルである。上記の非特許文献１および上記の非特許文献３を参照すること。点４５では引力と反発力とが等しい。これは、デバイスが安定した平衡位置で静止する分離状態である。デバイスへの何らかの干渉によって点４５より上で分離状態が生じた場合には、曲線４３で表される引力が曲線４６で表される反発力に打ち勝って平衡点４５へ戻そうとする傾向が生じる。同様に、分離状態を点４５より下にしようとする干渉の場合には、曲線４６で表される反発力が曲線４３で表される引力に勝って、デバイスをその平衡点４５へ再び戻す。
【００５６】
上述した電極構成に加えて、電極は周期的な間隔を持つ多数の層で設けられてもよい。加えて、高いレベルのエネルギー変換を実施するため、デバイスの多数ユニットが直列、並列、並列および直列で組み立てられてもよい。
【００５７】
動作時には、電極を安定離間平衡位置にするように、可撓性電極１の電流分布つまり密度と対向する電極２の磁界との強度が調節される。一実施例では、熱を電気エネルギーに変換する際に、あるいは電子トンネルまたは熱電子による電子移動、電子トンネルおよび熱電子原理の組合せを用いて冷却を行うのに本開示のデバイスが使用される時に、一方の電極に可撓性金属箔を用いて電極を１ナノメートルから２０ナノメートルの範囲の安定離間平衡位置にするように、電極１の電流密度または分布と電極２の磁界との強度が調節される。別の実施例では、熱電子移動による冷却への熱変換または発電に本開示のデバイスが使用される時に、一方または両方の電極の基板としてシリコンウェハを用いて、電極を１ナノメートルから２０ナノメートルの範囲の安定離間平衡位置にするように、電極１の電流密度つまり分布と電極２の磁界との強度が調節される。
【００５８】
本開示のデバイスは、冷却または電気エネルギーに熱を変換するプロセスに使用できる。熱源は、太陽放射、環境からの熱、地熱エネルギー、エンジンから発生する熱、または人体からの熱などだがこれに限定されない動物代謝などの放射源でよい。また熱源は、運転中の電気、蒸気、内燃エンジンからか、薪ストーブ、石炭ストーブ、他のタイプのストーブなどのストーブで燃料を燃やすことによるか、その排気ガスである。例えば熱源が運転中の内燃エンジンまたはその排気ガスからである時、本デバイスはヒートシンクとしてエンジンまたは排気ガス管に組み込まれる。燃焼用の燃料は、木材、天然ガス、石炭、他の燃焼性燃料である。変換されたエネルギーはバッテリなどに蓄積されるか、携帯電話、コードレス電話、上述した他の製品などのハンドヘルド電気機器に電力供給のため送られる。
【００５９】
さて、冷凍装置として作動している時の本開示のデバイスの動作について説明する。図１を再び参照すると、ゼロから上昇した電圧が電源１０により電極１と電極２との間に印加される。この電圧は結果的に、電極１の先端６を電極２の表面へ引っ張る静電気力を発生させる。電圧が徐々に上昇するにつれて、可撓性電極１は先端６から始まり丸くなるように電極２の表面へ下向きに曲がる。電極１が電極２に接近してトンネル電流が電極２から電極１へ上向きに流れ始めるまで、この曲げは続く。このトンネル電流はいったん電極１に達すると、コネクタ９ａと９ｂに向かって電極１内を右へ水平に流れる。この電流は図１ａのＩ方向に流れ、付近の電極２の永久磁石により発生する磁界はＢ方向であるため、電極１を押し上げるように力が作用する。電源１０からの電圧が上昇し続ける限り、電極１は平坦になり、電極２の表面と輪郭が一致する。静電気力は二つの電極表面を相互に引き合うように作用し、電極１を流れる電流からの対向力は二つの電極が所望の間隔よりも接近するのを防ぐ。
【００６０】
電極２における高温の高エネルギー状態から電極１における低温の低エネルギー状態まで移動する「高温電子」を熱源３０が発生させることを除いて、発電デバイスとしての本発明のデバイスの動作は同じようなものである。電極間に電流を発生させるのは一つのエネルギー状態から別のエネルギー状態へのこの電子の移動である。電気負荷１０はこうして発生された電気エネルギーのシンクとなる。
【００６１】
冷凍動作では、電極２から高温電子を引き出してこれを冷却するように電源からの電気エネルギーが使用される。発電機として作動している時に、熱源３０は電子を電源へ送るのに使用される。
【００６２】
上述した発明者および科学者によって得られた実験データおよび測定値と組み合わせた物理学の基本原理に基づく以下の例によって、本発明をさらに例示する。（１）本開示のデバイスが、業界で一般的な寸法およびプロセスを用いて設計および構築され、（２）発生した力を数量化すると、結果的に所望の電極分離度が得られ、（３）本発明のデバイスの電気的性質は変換された電気エネルギーを効率的に運搬および伝達することをこれらの例は示している。例は、電極分離度が２０ナノメートル未満である熱トンネル変換器について、また電極分離度が約１００ナノメートルである熱光起電変換器について、本発明のデバイスの上記の三つの属性を明らかにする。
【実施例１】
【００６３】
熱トンネル変換器について、図１，２，３における以下の寸法を検討する。
【００６４】
対向電極の重複する総トンネル面積Ｙは、１平方センチメートルつまり１０−４平方メートルである。可撓性電極１の長さＬは２センチメートル、最大幅Ｗは１センチメートルである。長さＬと幅Ｗとは図３についても同じように定義されるが、電極１は、図１の直線形状と比較して、螺旋形に巻かれている。総トンネル面積Ｘ（すべてのｘの合計）が総表面積Ｙの１０分の１つまり１０−５平方メートルとなるように、電極１の対向表面は表面パターンニングされるか表面粗さを持つ。電極２に使用される永久磁石材料は、１．２テスラの磁界強度Ｂを持つ。電極間の電圧Ｖは０．１５ボルトである。電極１と２の間の真空または認可不活性ガスの誘電率εは、１メートルあたり８．８×１０−１２ファラドに等しい。可撓性電極１の抵抗率γは、銅のものに近い、つまり１．７×１０−８オーム‐メートルであると推定される。上方コネクタ９ａから他の下方コネクタ９ｂへの電子経路の抵抗は、回路の残部と比較して薄くて可撓性を持つ必要があるために電極１に完全に集中すると推定される。可撓性電極１の厚さｔは２０ミクロンであり、そのため箔材料である。
【００６５】
静電気引力Ｆｅの式は１／２εＸＶ２／ｄ２であり、ｄは電極間の分離度である。磁気反発力Ｆｍの式はＩＬＢで、Ｉは電流であり、Ｌは電極１における電流の有効平均長である。
【００６６】
分離度と相関するトンネル電流Ｉは、Ｈｉｓｈｉｎｕｍａのグラフから得られ、１．０ｅＶという図１のコーティング５の仕事関数と、３００ケルビン温度の動作温度とを持つ。上記の非特許文献１および上記の非特許文献３を参照すること。
【００６７】
図６には、Ｙ軸上に対数目盛と、Ｘ軸上に算術目盛による電極分離ギャップｄが示された、上に挙げた数値についての力関数ＦｍとＦｅが図示されている。完全に数量化された時のみ、図５のようなグラフがこの図から得られる。安定平衡点４５は２．０ナノメートルに近く、Ｈｉｓｈｉｎｕｍａによれば、これは２０アンペアのトンネル電流を得るのに望ましい間隔範囲である。上記の非特許文献３を参照すること。干渉によって間隔ギャップが安定平衡状態からいずれかの方向にシフトしようとする際に、復元力は、可撓性電極の曲げ抵抗を克服してこれを平衡位置へ押し戻すのに充分な０．２ニュートンより大きい。
【００６８】
放出電極が室温であり、電流が２０アンペア、電圧が０．１５ボルトであると、デバイスは１６ワットの発電能力と冷凍能力のうちいずれかを達成し、上記の非特許文献３に記載されているように、これは、この例で使用される０．８のペルティエ係数を電流（Ｉ）に掛けたものとして計算される。可撓性電極１におけるこの電流の流れで失われる抵抗力は、Ｉ２ｒＬ／ｔｗである。上述した数値では、オーム電力損失は１．０ワットと計算され、これは、電力損失と加熱源電極１の両方として処理可能であると推定される。電極２から電極１への熱伝達は放射、対流、伝導によっても行われるが、アルゴンガスのレベルが０．０６ｍｍＨｇとなるまで本発明のデバイスの室が真空化された時には、熱伝達は１．３ワット以下であると推定される。最後に、上記の非特許文献３に記載されているように、電極２で発生する電気熱が存在し、これは電圧Ｖに電流Ｉを掛けたものに等しい、つまりこの例では約３．０ワットである。１６ワットの変換エネルギーからの残りの有効エネルギーは、１０．７ワットである。これは、計算による６７パーセントの効率に相当する。
【００６９】
そのため、確立された電磁気理論に基づく本デバイスのシステムレベル特徴は、高い効率を持つ熱トンネル変換器に実践活用するための実施可能な設計および手段として機能することが分かる。
【実施例２】
【００７０】
本発明の多面性を示す別の例は、材料の選択にある。例１で説明したように、好適な実施例は一方の電極として金属箔を含む。別の実施例では、可撓性電極として単結晶シリコンを使用する。シリコンは通常は可撓性材料と見なされないが、業界では普通、１平方センチメートルの表面において０．５ナノメートルの粗さと１マイクロメートルの平坦度とを持つように製造される。シリコンはヤング率で測定すると金属箔よりもはるかに剛性が高いが、理想的な平坦度を達成するのに必要なのは非常にわずかな曲げだけであることがその平坦度から分かる。本発明によって発生される力は、シリコンウェハを完全に平坦にするのに必要な１ミクロンだけシリコンウェハを曲げられることが分かっている。全般的に、可撓性電極または両電極の基材としてシリコンを用いると、いくつかの長所が得られる。（１）シリコンウェハは低コストで容易に入手できる。（２）シリコンウェハは望ましい粗さと平坦度の特徴を持っている。（３）低仕事関数の材料または材料パターンをシリコンに加えることは、業界では容易かつ頻繁に実施されている。（４）シリコンの抵抗率は、可撓性電極が本発明の他の電極と接触またはほぼ接触する間に可撓性電極の反応が速くなり過ぎないようにする。（５）所望するシリコンの抵抗率は、やはり業界でよく見られる慣行であるドーピングによって任意で制御できる。本発明の設計は全般として、半導体業界で普通に入手される材料およびプロセスにより行われる。
【００７１】
可撓性電極にシリコンを用いる本発明の例を説明するため、図８について検討する。ここで電極１は、箔裏材６２とシリコン基板６５とを含む。図８の電極１の形状は、例１で説明した最適な指数形状に近い三角形である。シリコン基板６５は標準的なウェハから切り取られ、導電性接着剤を用いて電極１の箔裏材６２に接合される。図８の電極２’は図１の電極２のような構造を持つが、ただ磁石は示されておらず、別に配置されるものとする。磁石を電極２’から分離することにより、図８の電極１と同じ材料およびプロセスを用いて図８の電極２’を構成することが可能である。矢印６１は、方向性を持つ電子の流れを指す。箔裏材はシリコンよりもはるかに高い導電性を持つため、電子は抵抗の最も少ない経路を通る。ゆえに、電子は伝導により電極２’の箔裏材を右から左へ流れてから、矢印部分６７によって示されているように電極２’のシリコン基板を垂直に流れ、そして電子は、矢印部分６６で示されているように真空中で電極２’の表面６４から電極１へトンネルまたは熱電子放出を介して流れる。電子が電極１に到達すると、矢印部分６８で示されたようにシリコン基板を垂直に流れ、最後に電極１の箔裏材６２に達する。次に、電極１の箔裏材６２を左から右へ、抵抗の非常に低い経路を通る。矢印６１で方向が示された電子の流れは、図８には示されていない付近の永久磁石の磁界と相互作用を行う。
【００７２】
この例では、シリコンの合計厚さｔｓはウェハあたり０．５ミリメートルまたは０．２５ミリメートルであり、これは業界で標準的な厚さである。シリコン材料は０．０２オーム‐ｃｍの抵抗率ｒｓを有するようにドーピングされ、これも一般的な慣行である。シリコンのヤング率Ｅｓは４７ギガパスカルつまり４．７×１０１０パスカルであることが知られている。シリコンウェハは、業界では表面粗さが０．５ナノメートルとなるまで研磨されるのが普通であり、横寸法が１センチメートルのウェハでは１．０ミクロンの表面平坦度ｄｘを持つ。
【００７３】
図７は、図６と比較した、力に対するシリコンの作用を示す。ギャップが非常に狭くなるので、静磁気力は０．６ニュートンに制限される。シリコンの抵抗は、電流、ひいては静磁気反発力を制限する。また、ギャップが非常に狭いと、すべての供給電圧においてシリコンの抵抗を低下させてギャップにはゼロ電圧が見られるが、これは非常に狭いギャップ間隔では静電気引力がゼロであることを意味する。
【００７４】
これらの作用を量的に表すため、供給電圧Ｖをシリコン抵抗で割ったものでありｒｓｔｓ／Ｌｗに等しい、本システムで流れる最大電流について検討する。例１の印加電圧、電極の長さと幅では、シリコンが存在する時の最大電流は約５０アンペアである。さらに、電流がこの５０アンペアレベルに近づくと、供給電圧がシリコンで完全に低下し、電極の対向表面では電圧差が得られない。
【００７５】
図７における復元力の差は比較的大きい。図によれば、所望の分離度から０．１ナノメートルの差異があると、０．０５ニュートンを超える復元力が発生する。以下で計算するように、この復元力は、電極１を平坦化するのに必要な曲げ力よりもはるかに大きく、電極２との平行状態を達成するのに必要な曲げ力よりもはるかに大きい。
【００７６】
電極１の１ミクロンの波形を平坦にするには、４０ｄｘＥｓｗｔｓ３／１２Ｌ３の力が必要である。この力は０．００３ニュートンであると計算される。電極１と電極２とが反対の波形を持つ場合には、必要な力はこの量の２倍つまり０．００６ニュートンであって、所望のギャップである０．１ナノメータ以内にギャップを維持するのに利用可能な０．０５ニュートンの復元力よりもはるかに小さい。
【００７７】
以下の理由から、シリコン電極材料による図７の力特徴は、金属箔材料による図６のものよりも望ましい。（１）シリコンが存在する場合の力は、純金属電極の場合のようにシステムを破損させるか不安定にする可能性のある振動または突然の動きを発生させるほど大きくならない。（２）金属箔に対して高いシリコンウェハの平坦度のため、所望の動作点のさらに近くでシステムが始動できる。（３）シリコンの抵抗は、結果的に、高温および電極材料への蒸発ダメージという結果を生む、狭い局所的範囲での電流の大量発生を防止する。（４）シリコンの剛性は、材料の移動量を減少させて長時間にわたってギャップを維持し、疲労、割れ、変形の危険性を低下させる。（５）シリコンの高い剛性と平坦度によって、局所的変動が存在してもギャップを確実に維持して、指数形状の精度、電極厚さの均一性、材料および設計の他のパラメータ変更の必要性を低下させる。
【実施例３】
【００７８】
図９ａは、熱光起電と呼ばれる異なるタイプのエネルギー変換の場合にこのデバイスがどのように使用されるかについての別の例を示す。この例では、熱源７１が、光線の波長よりも狭いギャップ７４を超えて感光性材料７５へ、７２で示された光線を光電子放出材料７３に放射させ、一方、感光性材料は矢印７６で示された電流を発生させる。この例では、光電子放出材料７３はタングステンまたは他の光電子放出金属である。感光性材料７５は、シリコン、セレニウム、ガリウム、ヒ素、インジウム、これらの組合せまたは合金である。ギャップ７４に必要な長さは一般的に、近接場光学条件を達成するため、光電子放出材料７３により放出される最小波長より短い、つまり約１００ナノメートルである。この場合の光電子放出電極７３は剛性かつ平坦であって、ギャップ側が研磨される。感光性電極７５は、平坦化されて約１００ナノメートルの非常に均一なギャップを形成するのに充分な可撓性を持つ。
【００７９】
図９ｂは、本発明による熱光起電の実行例において安定したギャップを形成することのできる力のグラフを示す。これらの距離では静電気力は非常に小さくて重要ではないため、二つの電極の間に引力を生じさせるようにばね力または同様の外力がこれに置き換えられる。ばね力は、ギャップ分離度と相関した線形振幅を持つ。図９には図示されていない磁界の存在下で流れる矢印７６で描かれた電流により、前出の例のように均衡を保つ反発力が発生する。この電流は、電極７３から放出された光子を受け取る感光性材料によって発生されるが、他の点では、前出の例で説明したように均一なギャップ分離度を設けてこれを維持するように作用する。図９ｂの反発力４６’は熱光起電電流に比例し、その作用と分離度は、上記の非特許文献５から導出された。
【実施例４】
【００８０】
図１０ａ〜１０ｃは、図８または図９の設計がどのように組み立てられるかを示し、多数のデバイスが電気的には直列に、熱的には並列に接続されている。さらに図１０ａ〜１０ｃは、半導体業界で広く使用されている製造技術を用いて多数のこれらデバイスをどのように拡張するかを示している。図１０ａは、多数のデバイスの片側を保持するベース基板８２を示す。この基板８２は、デバイスが熱トンネル冷却装置として作動する時には冷却され、また熱‐電気変換器として作動する時には加熱され、またデバイスが熱光起電変換器として作動する時には放射を行う。図１０ｂは、基板８２に多数のデバイスを製造するために形成される膜積層体の側面図を示す。基板８２は、シリコン、シリコンカーバイド、アルミニウム、ガリウムヒ素、業界で一般的に使用される類似の基板材料で製作される。層８８は、第１金属層８３を基板層８２から電気的に絶縁するが熱伝導は可能にする酸化物または類似の膜である。熱トンネル操作用に電流を伝えるため、または熱光起電操作用に熱を伝えるため、第１金属層８３は伝導率が高く比較的厚い層である。層８３は例えば銅でも、またはアルミニウムなど、より安価な金属でもよい。ギャップ層８４は、ギャップとの境界に最も適した金属または他の膜である。熱トンネルの場合には、金は不活性金属であるので、酸化および汚染から保護するためこの層８４は金である。熱光起電操作の場合には、ギャップを横断する光子への熱の変換を最大にするため、ギャップ層８４はタングステンまたは光電子放射性の高い他の材料である。層８５は、層８３，８４，８４’，８３’による膜積層体が形成された後で除去される犠牲層である。犠牲層により、第２電極を含む追加膜が設けられる構造となる。犠牲層８５を除去した後、前に説明した図５，６，７，９ｂの力均衡により、層８４と８４’との間にギャップが形成される。層８４’は、ギャップからエネルギーを受け取り、汚染または酸化から層８３’を保護するのに最適となる。熱トンネル操作の場合には、層８４’は金で製作される。熱光起電操作の場合には、層８４’は図９ａに材料７５として説明された感光性材料である。層８３’はデバイスから電流を運ぶ通電層であり、その材料は銅またはアルミニウムである。図１０ｂに示された膜積層体が半導体加工を用いて形成されると、図１０ｃに見られるように直列電気接続が行われる。この場合、ワイヤおよびワイヤボンド８６を用いて頂部の電極から隣接の基板電極まで電気接続が設けられる。ワイヤ８９は、多数のデバイスへの電気入力および出力となる。犠牲層８５は、処理液体、気体を用いて、または熱で溶解または蒸発させることにより除去される材料で製作される。
【００８１】
図８，９ａ，１０ｃに示されたように一対のデバイスが形成されると、例えば図１１ａに図示されたような熱交換器パッケージに挿入される。ここで電極対または電極対のアレイ９２は、一つのフィン９３から対応のフィン９３’へ熱を移動させる。フィン９３はすべて第１熱板９０に物理的に接続され、対応のフィン９３’はすべて第２熱板９０’に物理的に接続されている。小さな高温側９３と小さな低温側９３’とをそれぞれ集めることにより、熱板９０，９０’は、熱トンネルまたは熱光起電操作のための高温側および低温側となる。熱板９０，９０’は、銅、アルミニウム、シリコンなどの熱伝導性の高い材料から製作される。矩形管９１は密封可能な容器の壁となり、ガラス、テフロン（登録商標）、ポリイミド、充分な圧縮強度を持つ同様の材料など、熱伝導性の低い材料で製作される。熱伝導性が低いと、高温および低温の板９０，９０’を断熱してシステムの有効性を高めることができる。板９０，９０’が管壁９１と適合していない熱膨張特性を持つ場合には、バイトン、テフロン（登録商標）など軟質の真空対応ゴム、ポリイミド、またはこのようなタイプのシールのため業界でＯリングを製作するのに使用される同様の材料で、境界材料９５が製作される。熱板材料９０，９０’と管壁材料９１との熱膨張特性がほぼ等しい場合には、境界材料９５はガラスフリット、エポキシ、はんだ、溶接などの硬質接合材料でよい。図１１ｂは、図１１ａの熱交換器パッケージを囲繞して、図１１ａの電極対９２にギャップを形成するのに必要な磁界を供給する磁石構造をどのようにして構築するかを示している。磁気透過性材料１００の矩形リングに永久磁石１０１が固定されている。永久磁石１０１は、鉄、コバルト、ニッケル、ネオジム、ホウ素、アルミニウムの合金など、磁石に使用される標準的な材料から製作される。一般的にこの合金は焼結されて細かい粒子にされてから、磁化された時に高い残留磁性を達成するように結合剤で所望の形状に固められる。永久磁石１０１によって得られる磁気透過性および磁界を最大にするため、矩形リング１００は変圧器で使用されるのと同じ鋼で製作される。このような材料は、鉄分の多い鋼、その他、例えば鉄、コバルト、ニッケル、クロム、プラチナの合金である。
【００８２】
図１３は、熱交換器のアレイを収容するため磁石アセンブリがどのようにして拡張されるかを示す。磁気透過性材料１１０は、図８，９ａ，１０ｃ，１１ａに見られるデバイスを挿入するための空隙のアレイを持つ格子構造に構成されている。永久磁石１０１が各セルに挿入されると、磁石の間に磁界が発生する。
【００８３】
超小型製造プロセスでは、図１３の磁石アレイは図１０ｃの基板の上面に構築され、図１０ｃの電極対が図１３の磁石アレイの空隙に収容されるように構成される。この場合の小型化では、蒸着、スパッタリング、めっきなど標準的なプロセスを用いて、図１０ｂの電極膜の構造と類似した基板に直接、永久磁石１０１と透過性材料１１０とが上述した材料の金属膜として成長する。
【００８４】
図１４は、図８，１０ｃ，１１ａのデバイスが熱から電気への熱トンネル変換器として作動する時に必要とされる付加的な電気回路を示す。この発明のデバイス１２０では、ギャップ形成を行うため電流が流れる必要があるため、電流が流れる前にはギャップは存在していない。図１４では、デバイス１２０にギャップを形成するのに使用される電流を外部電源１２２が供給する。ギャップが形成されて一方の電極に熱が印加されると、他の電極に対して温度差が生じる。この温度差が存在すると、高温電子の熱トンネル電流が流れ始め、付加的な電流を発生させる。熱トンネル電流は、いったん流れると、それだけで上述したようにデバイス１２０のギャップを維持する。そうすると外部電源１２２はもはや必要なく、スイッチ１２３によって切断される。ゆえに図１４の回路は、熱を電気負荷１２６のための電源へ熱トンネル変換するための開始回路である。熱源が取り除かれ、続いて再配置される時には必ず、スイッチ１２３により再び外部電源１２２がオンになる。
【実施例５】
【００８５】
図１２ａは、真空環境が必要とされる時に微小電気機械システム（ＭＥＭ）が格納される様子と似た、本デバイスの電極を格納する別の例を示す。上下の熱板１３０はシリコンで製作され、標準的なシリコンウェハから切り取られる。シリコンは熱伝導率が高く、ゆえにこのデバイスの熱経路に大変適している。パッケージ１３２の壁は、熱伝導率が低いがシリコン熱板１３０のものに近い熱膨張係数を持つガラスで製作される。ガラスとシリコンとは熱膨張特性が類似しているため、１３０と１３１との間に周知のガラスフリット接合方法を使用することが可能である。ガラスフリット接合は、一般的に２枚のガラスを一緒に接合するのに使用されるが、空気に露出されたシリコン表面にはガラス二酸化ケイ素層が自然に形成されるので、ガラスをシリコンに接合することも可能である。その結果、真空の圧力にも容易に耐える、非常に硬質で密閉されたシールがガラスとシリコンとの間に形成される。加速度計、発振器、高周波数スイッチのＭＥＭ産業では、同様の真空パッケージが使用される。台座層１３１もシリコン製で、熱板１３４に接合される。上下の熱板１３０の上の金属層１３４は、電球および他の真空製品の寿命を制限する貫通孔および他の機構を必要とせずにパッケージ内部の電極に電気接続を行うのに使用される。
【００８６】
図１２ｂは、図１２ａの真空パッケージ内に電極が収納される様子を示している。電極対１４５は図８，９ａ，１０ｃに対応する。熱境界材料１４１は、各電極とパッケージの外側との間で熱を伝え、また、操作中に電極が動くようにするための軟質層となる。熱境界材料１４１の例は、Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのギャップパッド、Ａｐｉｅｚｏｎ  ｏｒ  Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌの真空グリース、ＭＥＲ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのカーボンナノチューブ複合体および混合物、熱伝導性粒子と混合された他の軟質材料である。接合材料１４３はガラス壁をシリコン熱板に接合し、この材料の例はエポキシおよびガラスフリットである。ワイヤ１４４は、電極の基部を上下の板に接続する。ワイヤの材料の例は、銅、アルミニウム、他の導電性材料で製作された平坦な箔または円筒形のワイヤである。銅層１３４により、抵抗性シリコン板１３０にわたって広く電流が流れる。導電性を高めてパッケージへの電流の抵抗損失を最小にするため、シリコン板はホウ素、ヒ素、同様の元素でドーピングされる。ゲッターフィラメント１４０は、電球内のフィラメントと全く同様に、銅パッド１３４に電圧が印加されると高温になる。セシウム蒸気を真空パッケージへ放出させるように、クロム酸セシウムなどの適当な材料でフィラメント１４０が被覆される。セシウム蒸気は、いったん放出されると以下の機能を行う。（１）密封後にパッケージ内に残った空気および他のガスと反応して固体を生成することにより、これらの空気およびガスを排出する。（２）同様の反応によって、デバイスの寿命中に室へ漏出するガスを除去する。（３）電極１４５のギャップ対向面にセシウム単層またはサブ単層を自然に形成することにより、低仕事関数層を生成してギャップにおける電子の放出を促進する。
【００８７】
磁力分布を用いる他の例
上記の基本的な例は、冷却または電力変換を実施するために機能的な熱トンネルシステムがどのように設計されるかを示している。上の例１と２で使用されたパラメータの一つ以上を変更することによって、他の例を容易に設計できる。以下の変更のうち一つ以上によってギャップ距離が増大する。（１）磁界の増大、（２）電圧の低下、（３）電流の増大、（４）可撓性電極の長さの増大、（５）可撓性電極の面積の減少。反対の変更を行うことによってギャップ距離は減少する。
【００８８】
ここに記載する特徴のうちいくつかは必須ではないか、または製造の複雑性を増すことなく達成できることに注意すべきである。ナノメートル寸法より大きな機能的な熱トンネル変換器は業界では生産されていないため、大きな規模での実際の作用は知られていない。例えば、再び図１ａ〜１ｂを参照すると、ギャップが若干小さくなれば低仕事関数層５は必要ない。研磨後の表面粗さによって強化材料５’をごく簡単に設けることができ、こうして、電子放出を向上させることが知られている頂部および谷部が自然に形成される。電極１，２の抵抗材料の選択によっては、当接先端６も不必要である。静電気力を低下させるためやはり頂部および谷部が設けられた図２ａの電極パターンニングも、研磨後の自然な表面粗さによって達成される。最後に、トンネルプロセスが空気ギャップで実験的に実証されているならば、真空室２０は必要ない。加えて、より簡単な三角形状の製造によって電極１の指数形状に近づけることができる。これらの複雑な特徴（先端６、層５、強化材料５’、図２ａのパターンニング、電極１の湾曲形状、真空室２０）はすべて、最終生産で必要とされるものを説明する際の完全を期すために本開示に含まれたものである。
【００８９】
ここに開示されるデバイスは、電極間に均一なギャップを必要とする電子産業用の様々なタイプの電子接合部を製造する際に役立つ。例えば、高温側と低温側との間の断熱が不充分な熱電気デバイスに本開示を採用できる。熱電積層体の上の真空間隔はより良好な断熱を行い、本開示は、熱電子または熱トンネル方法とは無関係に、またはこれと組み合わせてこのギャップを設ける手段を提供する。
【００９０】
ここに開示されるデバイスの製造の容易性についての最終的なコメントは、二つの非常に滑らかな表面が接近した時に生じる他の自然力についての説明を含む。滑らかな表面を接近させることが知られている二つの引力は、カシミール力とファンデルワールス力である。これらの力は、電圧を印加する前に本発明の二つの電極を接近させるには充分に強力であるが、本発明の動作中に、説明したような静電気力と静磁気力との所望の相互作用および優位性に影響を与えるほど強力であるとは考えられない。しかし、これらのカシミール力およびファンデルワールス力は、印加電圧によりデバイスを作動させる前に二つの電極を完全に表面接触させることを保証する。この場合、本発明の操作は、二つの電極を数ナノメートル分離させるのに必要であるに過ぎない。これらのカシミール力およびファンデルワールス力はまた、図１の絶縁層４の必要性を回避するのに役立ち、本発明の設計をさらに単純化する。
【００９１】
高レベルのエネルギー変換を達成するため、または電源と電圧を適合させるため、またはその両方のために、このデバイスの多数のユニットを並列および直列に接続することができる。
【００９２】
磁力実施例についての実験およびシミュレーションの結果
図８の電極構成が箔裏材として銅を用いてマイクロエレクトロニクス実験室で組み立てられ、この電極対が図１１ｂに示されたような磁石構造の内側に配置された。温度に比例した電圧を発生させるため、各電極に熱電対が装着され、真空圧が１Ｅ‐３トルとなるようにポンプ排気された真空室に、装置全体が置かれた。１．１アンペアの外部電源によって電極対が起動されると、３．０度の相対的温度差が二つの電極間で観察され、低温側は電子を放出している側であった。以下の動作のいずれかが行われた時に、この同じ相対的温度差が排除されたことが観察された。（１）真空を大気圧の窒素と置換すること、（２）外部電源を切ることによってチップを作動停止させること、（３）ギャップを形成する代わりに電極間の一定引力を増大させるように電流を逆転させること。これら三つの動作の各々が熱トンネル効果を取り除くと推定される。電極について観察された電気特性ばかりでなく、この装置の電気機械システムのコンピュータシミュレーションも、熱トンネルギャップを良好に形成するこの設計と一致していた。
【実施例６】
【００９３】
湾曲電極設計
図１５ａは、熱トンネル、熱光起電、熱電気の用途のための広いトンネル範囲を設ける別の設計を示す。この設計では、電極１５７の一つは若干凸状の湾曲を有する形状であり、他の電極１５８は平坦または凸状である。「バイメタル」構成とも呼ばれる、異なる熱膨張係数を持ち一緒に接合された材料層の組合せを設けることにより、このような湾曲は容易に実現できる。動作温度と異なる温度で二つの材料が一緒に接合されると、材料の熱膨張の差により積層体の湾曲が生じる。本発明の範囲を限定することはないが、図１５ａは、はんだペースト１５１を用いて銅膜１５２に接合された厚いバイメタル金属層１５０の例を示す。シリコン基板１５４の上に同じように形成されたチタン接着層１５３の上に、銅膜１５２が蒸着またはスパッタリングにより形成される。シリコン基板のギャップ側には別のチタン接着層１５５が設けられ、次に、熱トンネル用途にはセシウム単層または同様の材料と組み合わされた金、熱電気用途にはゼーベックまたはペルチエ係数の高い材料、熱光起電の用途には感光性または光電子放出材料である最終ギャップ対向層１５６が設けられる。
【００９４】
図１５ｂは、二つの電極が接近した時に湾曲から生じる円形範囲を示す。第１内側範囲１４９は、高温側から低温側への熱の流れを防止するため熱伝達の用途では一般的に最小にするか皆無にしなければならない物理的接触範囲である。第２内側範囲１４８は、印加電圧または熱励起を受けてフェルミレベル未満の電子がギャップを横断できる電子トンネル範囲を表す。この範囲は一般的に、熱トンネルおよび熱光起電の用途では最小である必要があるが、ギャップ対向層１５６が、一般的に電子熱伝導率は低いが音子移動により格子熱伝導率は高い半導体である場合には、音子による熱伝導を低下させるのにも役立つ。第３内側範囲１４７は、フェルミレベルを超える電子の電子トンネル範囲を表す。これらの電子は一般的に、熱トンネル用途に望ましい熱伝達を促進し、また、ゼーベックおよびペルチエ効果により発生するものに加えて熱伝達機構を設けることにより熱電気用途も助ける。外側範囲１４６は、本質的に電子は移動しないが光子は放射によって移動できる範囲を表す。光子のみを伝達するこの外側範囲は熱光起電効果を促進するが、発電などの高温の用途では特に、高温側から低温側への放射熱伝達を可能にするため熱電気および熱トンネル効果には有害である。
【００９５】
以下の説明では、あらゆる熱用途においてその存在が有害な接触範囲１４９を少なくするか無くす分離力を追加することにより、この多用途の湾曲電極発明がどのように改良されるかを示す。しかし、接触範囲の分離がなくても図１５の設計が非常に有用であることにも注目し、これを主張する。例えば熱電気の用途では、接合部における電子の流れを最大化するとともに音子の流れを最小化するため多大な努力が行われている。先行技術による熱電気デバイスの設計の多くでは、接合範囲のすべてが電気とともに熱の流れを可能にする。図１５の改良設計では、音子と電子の両方による熱の流れすべてを許容するのは接触範囲１４９のみであり、第２内側範囲１４８は電子の熱の流れのみを許容し、第３内側範囲１４７は、いくらかの熱トンネル効果とともに熱電効果を向上させる。この構成では、範囲１４９，１４８，１４７全体が電気を流すのに利用可能であることに注意すること。ゆえに、図１５は、熱電気設計を向上させるため熱の流れよりも広い範囲にわたる電気の流れを持つ重大な改良を示している。
【００９６】
熱光起電および熱トンネルの用途では、動的ギャップ制御または真空さえも必要としない低コストの設計のため、代わりに接触範囲１４９を残すことも望ましい。
【００９７】
図１５の湾曲電極システムは、図１６に図示されたギャップ形成アクチュエータ１６０を備える真空室に置かれる。ここで、他の電極はアクチュエータ１６１を有しても有さなくてもよい。真空室は、ガラス壁１４２とシリコンの上面および底面１３０を備える、図１２ｂと類似した構造である。胴の膜または板１３４は、動作モードに応じてデバイスに電力を供給するかデバイスから電力を除去するように作用する。銅線１６３およびはんだ１６２は、電極を内側の板または膜に接続する。
【実施例７】
【００９８】
ローレンツ力分離による湾曲電極設計
図１７は、印加磁界（不図示）の存在下で延出板１５９を流れる電流に作用するローレンツ力を用いて、図１５のギャップ形成アクチュエータ１６０がどのように構成されるかを示す。２枚の延出板１５９上の電流は反対方向に流れるため、前出の実施例で説明したようにファンデルワールス力、静電気力、ばね力、他の引力と均衡を保つことのできる反発力が二つの電極の間に発生する。
【実施例８】
【００９９】
熱膨張力分離による湾曲電極設計
図１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、図１５に１６０で示されたギャップ形成アクチュエータとして機能する熱アクチュエータについて異なる動作状態を示す。この例では、バイメタル材料１５０，１５４は異なる熱膨張係数を有する。支持体１６４は電極のエッジに置かれて、中央にギャップを形成するようにバイメタル力に押される接触点となる。
【０１００】
最初に、デバイスは図１８ａの状態にある。ここで二つの電極の中心点は図１５の設計と同様に接触している。デバイスに通電されると、一方または両方の電極で熱が発生して電極の少なくとも一方を平坦化させる。このプロセスの熱は、熱電気、熱トンネル、熱光起電効果のいずれかによる電気抵抗または熱伝達から発生するか、これらの組み合わせである。図１８ｂは、所望のギャップを形成するのに必要な程度まで電極が平坦化した状態を示す。ここではギャップが中央に形成される。図１８ｃに示されたように干渉によってこの平坦化プロセスが所望よりも大きなギャップを形成する場合には、トンネル電流が減少または停止して電極温度を低下させ、曲率を大きくして、図１８ｂの状態に自然に回復する。上述のように、このデバイスは所望のギャップを自動的に形成および維持し、アクチュエータのアレイ、多数の制御システム、損失のあるスペーサ、適合した表面を必要としないという前出実施例の長所を備える。
【０１０１】
図１８の支持体１６４は、高温側から低音側への不要な熱伝達のための重要なソースとなるような構造を持つ。図１９は、支持体１６４が片側から反対側へ短い熱経路を形成せず、真空室２０の壁を通るように熱経路が延長された改良構造を示す。
【０１０２】
図２０は、低コストと製造の容易化のため、熱アクチュエータ分離手段と組み合わされた湾曲電極がさらに単純化された様子を示す。この設計では、真空室２０は実際の電極を上部と底部として有し、壁１６４によって囲いが完成する。この設計では、層１５０，１５４の材料が異なることにより形成される熱膨張バイメタルの反発力によって均衡を保たれなければならない引力全体を、室２０からの真空圧が増大させる。層１５６は、熱電気、熱トンネル、熱光起電効果に適切な材料となる。この図では、電極１５８は低温側であると考えられ、高温側電極１５７へ移動した熱は、熱膨張を与えて電極１５７を平坦にし、中心点に所望のギャップを形成する。図２０の設計は、図１８について説明したのと同じ自動的なギャップ形成を実施する。
【０１０３】
図２０と図１８の設計では、ギャップが形成されていないか完全には形成されていない時に中心点接触が見られる。熱トンネルシステムでは、この接触は、表面の原子の平滑度を損ない、ギャップ形成後のトンネル電流を減少させる。これを防止するため、図２１は、電極１５８を他の電極１５７の方へ曲げるのに外部熱源１６７が使用される代替設計を示す。所望のギャップが形成されると、熱源１６７へのパワーが、維持のみのレベルまで低下する。このプロセスでは、ギャップ対向表面の破損を防止するため電極１５７，１５８の物理的接触がどのようにして回避されているかに注意すること。
【実施例９】
【０１０４】
湾曲電極集合体設計
図２２は、図１５〜２１の設計の多数のデバイスが集合して大型基板および大型真空パッケージとなった状態を示す。各々が独自の真空室を備える単一のデバイスを構成する代わりに、この設計では、図１５〜２１の多数の上部電極を一つの基板１７３に、多数の底部電極を別の基板１７４に集合させる。電極対の支持体（図２２では不図示）は、上部または底部の電極１７０に組み込まれている。集合基板のための材料１７１はポリイミドなどの真空対応材料であり、１７４の上に１７３を重ね、真空対応接着剤で外側エッジを密封することにより、真空パッケージが形成される。電極を表す図２２の「Ｍ」、「Ｐ」、「Ｎ」のインジケータは、それぞれ熱電気用途のための金属、ｐ型、ｎ型を指している。１７３上のｐ型すべてと１７４上のｎ型すべてによって、集合的な熱電気設計が得られる。熱トンネルの場合には、片側はエミッタ、反対側はコレクタである。熱光起電では、片側は光電子放出、反対側は感光性である。電気接続１６５，１６６は、電気負荷または電源に電気的に接続するための手段となる。ワイヤ接続１７２は、電源に最も適した直列または並列、あるいは負荷または直列と並列の組み合わせで各電極対を接続するための手段となる。図２２の図では、すべての電極対は直列に接続されている。
【０１０５】
シリコンウェハは、今日大量生産される電子回路のための有力な基板であるため、図２３は、個々のデバイスをシリコンウェハに集合させた状態を示す。周囲の電極と無関係に個々の電極が曲がるようにするため、点線１７６はウェハの裏側で溝が切削された箇所を示す。これらの溝は、熱膨張による移動のための曲げ点となるが、それでも真空室の上部または底部としてウェハが機能するのに十分な剛性は保っている。また、点線１７６およびその付近でシリコンを選択的にドーピングしないので、溝は隣接電極との電気的干渉を少なくする。このようにシリコンウェハを使用すると、図１５に示された膜積層体を図２３のウェハの上に形成できる。
【実施例１０】
【０１０６】
熱による曲げ力が存在する場合としない場合の湾曲設計の測定
１平方センチメートルの電極１５７，１５８を備える冷却デバイスが、図１５ａに示されたように構成され、その作用が図１８に図示されている。金属層１５０は真鍮であってその厚さは０．２５ｍｍであり、半導体層１５４は厚さ０．２７ｍｍのシリコンであって０．００３オーム‐ｃｍの抵抗率となるようにドーピングされ、接着層１５１は４００℃で溶融され流しかけられたはんだペーストであり、シリコン‐金属接着層１５５，１５３は厚さ２０ｎｍのチタンであり、ギャップ対向層１５６は片側が２０ｎｍの金の膜であり、ギャップに対向する３０ｎｍのビスマス熱電気感応層を備える２０ｎｍの金の膜であった。ビスマスは、摂氏１度あたり９０マイクロボルトのゼーベック係数を持つことが知られている。図１８の支持体１６４は、厚さが２５ミクロンで、図１５ａの方形電極１５７，１５８の間の四隅の各々での断面積がおよそ０．２５ｍｍであるＤｕＰｏｎｔ  ＫａｐｔｏｎＴＭ製のポリイミドで製作された。次に、０．００１トルまでポンプ排気された真空室において、ばね付勢ホルダの間にこのアセンブリが載置された。二つの電極の間に０．２４５ボルトの電圧を印加すると、周囲より２７℃上にアセンブリが加熱され、その結果０．８アンペアの電流が発生する。電極が周囲温度との接触状態にあることが分かっていると、０．８アンペアを発生するのに前もって必要なのは０．０１４ボルトに過ぎないため、ナノメータギャップが形成されたと仮定された。付加的な電圧は、ナノメータ真空ギャップにおける電圧であると考えられる。熱電対を二つの電極の裏側に置いた後、電圧および電流の極性が逆転するたびに９．６℃の温度変動が観察された。電極が接触状態にある時には、０．１３℃のみの温度変動が観察された。ゆえに、ギャップの存在は温度変動を７４倍増大させたことになる。
【０１０７】
本デバイスおよびプロセスについての上述の実施例、すなわち「好適な」実施例は、可能な実行例に過ぎず、本発明の原理を明白に理解するために提示されたものに過ぎないことを強調すべきである。ここに説明した自己配置電極デバイスについての多様な実施例は、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく設計および／または製作される。これらの変更および変形は本開示の範囲に含まれると考えられ、以下の請求項によって保護される。そのため、本発明の範囲は添付の請求項に指摘されたもの以外では限定されないものとする。
【符号の説明】
【０１０８】
１  電極
２，２’  電極
３  境界線
４  絶縁層
５  層／コーティング
５’  頂点
６  先端
７  断面
８ａ，８ｂ  ワイヤ
９ａ，９ｂ  コネクタ
１０  電源
２０  室
２３  永久磁石材料
２４  非磁化材料
３０  熱源
４０  Ｙ軸
４１  Ｘ軸
４２  トンネル
４３，４３’  反発力曲線
４４  完全伝導
４５，４５’  点
４６，４６’  引力曲線
６１  矢印
６２  箔裏材
６４  電極表面
６５  シリコン基板
６６  矢印
６７  矢印
７１  熱源
７２  光線
７３  光電子放出材料
７４  ギャップ
７５  感光性材料
８２  基板
８３，８３’  第１金属層
８４，８４’  ギャップ層
８５  犠牲層
８６  ワイヤボンド
８８  層
８９  ワイヤ
９０  第１熱板
９０’  第２熱板
９１  矩形管
９２  電極対アレイ
９３，９３’  フィン
９５  境界材料
１００  矩形リング
１０１  永久磁石
１１０  磁気透過性材料
１２０  デバイス
１２２  外部電源
１２３  スイッチ
１２６  電気負荷
１３０  熱板
１３１  台座層
１３２  パッケージ
１３４  金属層
１４０  ゲッターフィラメント
１４１  熱境界材料
１４２  ガラス壁
１４３  接合材料
１４４  ワイヤ
１４５  電極対
１４６  外側範囲
１４７  第３内側範囲
１４８  第２内側範囲
１４９  第１内側範囲
１５０  金属層
１５１  はんだペースト
１５２  銅膜
１５３  チタン接着層
１５４  シリコン基板
１５５  チタン接着層
１５６  最終ギャップ対向層
１５７  電極
１５８  電極
１５９  延出板
１６０  ギャップ形成アクチュエータ
１６２  はんだ
１６４  支持体
１６５  電気接続
１６６  電気接続
１６７  外部熱源
１７０  電極
１７１  集合基板材料
１７２  ワイヤ接続
１７３  基板
１７４  基板
１７６  溝
Ｆ  力
Ｂ  磁界
Ｉ  電流
【図１】
2010503219.tif 000003
【図２】
2010503219.tif 000004
【図３】
2010503219.tif 000005
【図４】
2010503219.tif 000006
【図５】
2010503219.tif 000007
【図６】
2010503219.tif 000008
【図７】
2010503219.tif 000009
【図８】
2010503219.tif 000010
【図９】
2010503219.tif 000011
【図１０】
2010503219.tif 000012
【図１１】
2010503219.tif 000013
【図１２】
2010503219.tif 000014
【図１３】
2010503219.tif 000015
【図１４】
2010503219.tif 000016
【図１５】
2010503219.tif 000017
【図１６】
2010503219.tif 000018
【図１７】
2010503219.tif 000019
【図１８】
2010503219.tif 000020
【図１９】
2010503219.tif 000021
【図２０】
2010503219.tif 000022
【図２１】
2010503219.tif 000023
【図２２】
2010503219.tif 000024
【図２３】
2010503219.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月16日(2009.4.16)
【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】
対向する一対の電極または電極アセンブリを包含し、該電極または電極アセンブリにおける引力分布と、同等だが反対の反発力分布とが同時に作用して、対向表面の全部または一部において該二つの電極の安定平衡分離状態を確立する、デバイス。
【請求項２】
以下の特徴、すなわち、（ａ）自然電流分布、電圧分布、温度分布、以上の組合せにより前記デバイスの正常動作中に少なくとも一つの引力または反発力分布が形成および維持される、（ｂ）ばねまたはスポンジ材料の分布からの付加力が、該引力および反発力の大きさの過不足を相殺する、（ｃ）微小電気機械システム（ＭＥＭ）プロセスおよび設計技術により製造される、（ｄ）前記対向電極の一方または両方が、業界標準の基板への膜成長および犠牲層除去の組合せから製造される片持ち梁構造のアレイから形成される、（ｅ）電子トンネル電流がギャップ形成電流として流れるまで該二つの電極または電極アセンブリの間の温度差を維持できる分離状態を形成するギャップ形成開始電流を該デバイスに発生させる電気回路をさらに含む、（ｆ）該対向電極の一方または両方に単層、準単層、多数の単層を形成する蒸気を発生させるセシウム、バリウム、またはセシウムとバリウムとの組合せを真空パッケージに含めることにより低仕事関数層が形成され、任意で、加熱、蒸発、凝縮により容器内にアルカリ金属を存在させるアルカリ金属の化合物がフィラメントに付着され、該アルカリ金属が好ましくはセシウムであって、該化合物が好ましくはクロム酸セシウムまたはビスマス‐セシウム合金であり、さらに、該フィラメントが好ましくは、ドーピングシリコンの熱発生側を電気的に経由してワイヤ孔およびフィードスルーを不要にするコネクタを含み、該フィラメントが好ましくは該デバイスと平行に電気接続され、該アルカリ金属が蒸発した後で回路を開くように設計され、（ｇ）生産時または生産後に不要ガスを除去するゲッターとして作用し、チタン、セシウム、バリウム、ナトリウム、カリウム、以上の組合せで構成される群から選択される材料を好ましくは含み、（ｈ）該電極が離間した多数の層に配列される、のうち一つ以上を特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
直列または並列に組み立てられる、請求項１に記載のデバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項４】
（Ａ）生産率、パッケージ密度、または生産率とパッケージ密度との組合せを達成するため、ウェハまたはウェハ積層体の上に製造される、および／または（Ｂ）多数のデバイスへのまたは多数のデバイスからの熱流を蓄積する大型ヒートシンクにすべてが接続された小型ヒートシンクに前記電極が配置され、該小型ヒートシンクが好ましくは、該大型ヒートシンクと異なる平面方向に延在して該大型ヒートシンクに接続されるフィンを包含する、請求項１に記載のデバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項５】
前記容器へのまたは前記容器からの二つの熱経路を備える真空容器に前記電極または電極アセンブリが格納され、任意で、該二つの熱経路の分離材料がガラス、セラミック、熱伝導性の低い他の材料である、請求項１に記載のデバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項６】
前記熱経路材料が、シリコン、銅、アルミニウム、熱伝導性の高い他の材料で製作され、さらに任意で、以下の特徴、すなわち、（ａ）前記容器がガラス製の壁で形成されて前記熱経路がシリコンであり、ガラスフリットプロセスを用いて該壁と熱経路とが接合されて真空シールを形成する、（ｂ）前記電極への電気接続が前記シリコン内を経由して、ワイヤ孔、フィードスルー、前記容器の内部への同様の接続の必要性を回避するように、前記シリコン材料がハイドーピングされる、（ｃ）該電極の若干の移動を許容しながら同時に該電極へまたは該電極から熱を伝導させるように、十分な熱伝導性を持つ軟質熱材料が使用され、該熱材料が好ましくは、液体金属、シリコン非含有ポリマー、カーボンナノチューブを含有する混合物、真空対応ガス、軟質または液体材料中の熱伝導性粒子の懸濁液のうちの一つである、（ｄ）該電極または電極アセンブリへの前記接続ワイヤが、はんだ、はんだバンプ、超音波ワイヤ接合、導電性エポキシ、はんだペースト、接触圧により装着される、
のうち一つ以上を特徴とする、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
作動して電流が流れた時に個々のデバイスでギャップを形成する磁界を含む空隙を有するように構成された多数の永久磁石と透過性・強磁性材料とを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
以下の特徴、すなわち（ａ）透過性磁気材料から形成された格子の内側に前記永久磁石が載置されて、アレイへ熱を流入させる側と該アレイから熱を流出させる側とを備えるデバイスのアレイを形成する、（ｂ）該永久磁石および／または透過性磁気材料が、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、白金、アルミニウム、ネオジムのうちの一つ、または合金、または再結合焼結物である、のうち一つ以上を特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記電極の少なくとも一方が湾曲形状を有し、任意で、以下の特徴、すなわち（ａ）該対向電極が原子レベルでの凹凸を持たない、（ｂ）該電極が真空室に包囲される、（ｃ）不活性ガス、好ましくはアルゴンまたは窒素が充填された室に該電極が包囲される、（ｄ）電子トンネル、光子トンネル、音子ブロッキング、以上の組合せのため、中心点の狭い接触範囲と中心点を囲繞する広い範囲とを設けるように該湾曲形状が選択される、のうち一つ以上を特徴とし、さらに任意で以下の特徴すなわち、（ｉ）音子伝達または電子トンネルのブロッキングまたは以上の組合せにより、該中心点を囲繞する範囲に断熱のための０．５〜１ナノメートルのギャップが設けられる、（ｉｉ）該中心点を囲繞する範囲に高温電子の熱トンネルのための１〜１０ナノメートルのギャップが設けられる、（ｉｉｉ）該中心点を囲繞する範囲に熱光起電光子トンネルのための１０〜１００ナノメートルのギャップが設けられる、（ｉｖ）熱膨張特性の異なる二つの材料の接合により該湾曲形状が設けられ、該二つの材料が好ましくは半導体、より好ましくはシリコン、ガリウムヒ素、シリコンカーバイド、ゲルマニウム、テルル、ドーピング処理または未処理のテルル化ビスマスなどの熱電気感応材料、または光起電性感応材料、金属である、（ｅ）該二つの電極の間の接触が分離力によって防止され、該分離力が引力を相殺し、該分離力が好ましくは、印加磁界と組み合わされた電極または電極アセンブリを流れる電流により発生されるローレンツ力であり、さらに任意で、いずれかの電極または該電極の付近に取り付けられた永久磁石を含み、該永久磁石が好ましくは、鉄、コバルト、ニッケル、ネオジム、アルミニウムの何らかの組合せによる導電性の強磁性磁気材料を含有する、（ｆ）該電極または電極アセンブリが真空室の上部および底部でもあるように構成される、のうち一つ以上をさらに特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
作動して電流が流れた時に対向電極の間のギャップを個々のデバイスに形成する磁界を含む空隙を有するように構成された多数の永久磁石と透過性の強磁性材料とを含み、該永久磁石が好ましくは、アレイへ熱を流入させる側とアレイから熱を流出させる側とを備えるデバイスのアレイを形成するように透過性磁気材料から形成される格子の内側に配置される、請求項９に記載のデバイスの多数ユニットを包含するデバイス。
【請求項１１】
以下の特徴、すなわち、（ａ）加熱、蒸発、凝縮により前記容器内にアルカリ金属を存在させる一つ以上のフィラメント接続にアルカリ金属の化合物が付着され、該フィラメントコネクタが任意で、ドーピングシリコンの高温上部および底部を電気的に経由してワイヤ孔およびフィードスルーを不要にする、（ｂ）前記分離力が、前記電極の一方または両方に作用する熱膨張力である、のうち一つ以上を特徴とし、任意でさらに以下の特徴、すなわち、（ｉ）該熱膨張が動作中の該デバイスの部品の加熱または冷却による、（ｉｉ）該熱膨張が外部の加熱または冷却源による、（ｉｉｉ）熱膨張がトンネルおよび音子ブロッキング範囲の外側の支持体に作用し、該支持体が任意で両方の電極または両方の電極アセンブリと接触するか、該支持体が任意で一方の対向電極または電極アセンブリと直接接触して他の対向電極または電極アセンブリとは直接接触しない、（ｃ）該分離力が、音子伝達による熱伝導、電子伝達による熱伝導、放射伝達による熱伝導、フェルミエネルギーレベル未満の電子の電導、以上の組合せを含む、該電極または電極アセンブリの間の仮想相互作用の一つ以上の群を減少または除去するように構成される、（ｄ）さらに、前記引力および分離力の大きさの過不足を相殺する機械的、磁気的、静電気的、電気機械的、電磁気的に発生された付加力を含み、該付加力が任意でばねまたはスポンジ材料の分布による、（ｅ）該電極または電極アセンブリが該他の電極または電極アセンブリと対向する層を有し、該層が熱電気効果を促進する高いゼーベックまたはペルチエ係数を有する、（ｆ）該電極または電極アセンブリが該他の電極または電極アセンブリと対向する層を有し、該層が、低仕事関数材料、好ましくは熱トンネル効果を促進するアルカリ金属、アルカリ金属の合金、酸化物、ダイアモンド、ナノチューブの層状または他の組合せ、あるいは共振トンネル厚さを有する、（ｇ）熱光起電効果を促進するため、一方の電極が光電子放出層であって該他の電極が感光層を有する、（ｈ）前記負荷または電源との電圧整合を促進するため、多数の電極が直列、並列、または直列と並列の組合せで接続される、のうち一つ以上を特徴とし、さらに任意で以下の特徴、すなわち（ｉ）該電極または電極アセンブリの対が二つの基板上に実装されるか構築され、該基板が好ましくは真空室でもあり、該
基板が真空対応材料を含有し、好ましくは材料群の少なくとも一つがシリコン、ポリイミド、ガラス、以上の組合せを含む、（ｉｉｉ）該電極対が個別に組み合わされて独自の真空室を形成し、該対がプリント回路基板技術を用いて実装される、のうち一つ以上を特徴とする、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のデバイスを設けることと、前記対向電極を安定離間平衡位置に配置するように磁界および電流分布または温度分布の強度を調節することとを包含する、熱エネルギーを電流に変換するため、または電気エネルギーを冷凍に変換するためのプロセス。
【請求項１３】
以下の特徴、すなわち、（ａ）前記対向電極が約２０ナノメートル以下の範囲で離間する、（ｂ）１ナノメートルから２０ナノメートルの範囲で離間した安定離間平衡位置に該対向電極を配置するように前記磁界および前記電流分布の強度が調節される、（ｃ）該強度が２０ナノメートルから１０００ナノメートルの範囲の電極間隔を発生させ、主として放射電極から他方の感光性電極への光子熱トンネルにより電力への放射変換に使用するための感光性材料を一方の電極が有する、（ｄ）該強度が２０ナノメートルから１００ナノメートルの範囲の電極間隔を発生させる、のうち一つ以上を特徴とする請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のデバイスを設けることと、該デバイスに温度差を与えることとを包含する、熱を冷却または電気エネルギーへ変換するためのプロセス。
【請求項１５】
以下の特徴、すなわち（ａ）前記熱源が放射源、環境からの熱、地熱エネルギー、エンジンまたは動物代謝から発生した熱である、（ｂ）該熱源が人体である、（ｃ）該熱源が人体であって、前記デバイスがハンドヘルド機器である、（ｄ）該熱源が作動中の電気、蒸気、内燃エンジン、燃焼燃料またはその排気ガスである、（ｅ）該熱源が内燃エンジンまたは該エンジンの排気ガスであって、該デバイスが該エンジンまたは排気ガス管にヒートシンクとして組み込まれる、（ｆ）自然発生温度で作動する、（ｇ）該デバイスが、冷凍装置、エアコンディショナ、冷却ブランケット、冷却衣類、または人間または動物の体に装着または格納される冷却デバイスである、のうち一つ以上を特徴とする請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１６】
以下の特徴、すなわち（ａ）前記デバイスの多数ユニットを包含し、前記電極が周期的間隔の多数の層に配置される、（ｂ）直列に組み立てられた該デバイスの多数ユニットを包含する、（ｃ）並列に組み立てられた該デバイスの多数ユニットを包含する、（ｄ）生産率またはパッケージング密度または生産率とパッケージング密度との組合せを達成するためウェハまたはウェハ積層体の上に製造された該デバイスの多数ユニットを包含する、のうち一つ以上を特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のデバイス。
【国際調査報告】
2010503219.tif 000026