(57)【要約】第１熱電薄膜および第２熱電薄膜の表面に平行な第１方向に交互に設けられた互いに反対の導電型を有する前記第１熱電薄膜１２ａおよび前記第２熱電薄膜１２ｂと、前記第１熱電薄膜と前記第２熱電薄膜との間において前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜と電気的および熱的に接続され、前記第１方向に交互に設けられた第１接続層１４ａおよび第２接続層１４ｂと、前記第１接続層および前記第２接続層にそれぞれ熱的に接続し前記表面に交差する第２方向に延伸する第１熱伝導層１６ａおよび第２熱伝導層１６ｂと、を具備する熱電変換装置。
2018042708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱電薄膜および第２熱電薄膜の表面に平行な第１方向に交互に設けられた互いに反対の導電型を有する前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜と、
前記第１熱電薄膜と前記第２熱電薄膜との間において前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜と電気的および熱的に接続され、前記第１方向に交互に設けられた第１接続層および第２接続層と、
前記第１接続層および前記第２接続層にそれぞれ熱的に接続し前記表面に交差する第２方向に延伸する第１熱伝導層および第２熱伝導層と、
を具備することを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の膜厚は１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層は、前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の表面に対し互いに反対側に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層が貫通し前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層より熱伝導率の小さな絶縁体を具備することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜は、前記表面に平行であって前記第１方向に交差する第３方向に延伸し、
前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の前記第３方向の長さは、前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の膜厚の１０倍以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の熱電変換装置。
【請求項６】
前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の前記第１方向の幅は、前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の膜厚より大きい請求項１から５のいずれか一項記載の熱電変換装置。
【請求項７】
前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層にそれぞれ熱的に接続する第１基部および第２基部を具備する請求項１から６のいずれか一項記載の熱電変換装置。
【請求項８】
前記第１熱伝導層が貫通し前記第１熱伝導層より熱伝導率の小さな固体の第１絶縁体と、
前記第２熱伝導層が貫通し前記第２熱伝導層より熱伝導率の小さな固体の第２絶縁体と、
前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層にそれぞれ熱的に接続する第１基部および第２基部と、
を具備し、
前記第１基部および前記第１絶縁体は、前記第１熱伝導層の間において第１溝を有し、
前記第２基部および前記第２絶縁体は、前記第２熱伝導層の間において第２溝を有することを特徴とする請求項３記載の熱電変換装置。
【請求項９】
前記第１熱電薄膜、前記第２熱電薄膜、前記第１接続層、前記第２接続層、前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層を含む層が前記表面に交差する方向に複数積層され、
前記複数の層のうち隣接する層の一方に含まれる第１熱伝導層と、前記隣接する層の他方に含まれる第２熱伝導層と、は熱的に接続されている請求項１から８のいずれか一項記載の熱電変換装置。
【請求項１０】
恒温動物の生体の表面に熱的に接続される第１基部と、
空気に熱的に接続される第２基部と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記第１熱電薄膜、前記第２熱電薄膜、前記第１接続層、前記第２接続層、前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層を備え、前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層はそれぞれ前記第１基部および前記第２基部に接続された熱電変換ユニットと、
前記第１基部と前記第２基部との間であって前記熱電変換ユニットの外側に設けられ、前記第１熱電薄膜、前記第２熱電薄膜、前記第１基部および前記第２基部の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する熱絶縁体と、
を具備することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の熱電変換装置。
【請求項１１】
恒温動物の生体の表面に熱的に接続される第１基部と、
空気に熱的に接続される第２基部と、
前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、第１接続層と第２接続層との間に設けられた第１熱電材料と前記第１熱電材料と反対の導電型を有する第２熱電材料とが、前記第１接続層と前記第２接続層とを介して交互に直列に接続され、前記第１接続部および前記第２接続部はそれぞれ前記第１基部および前記第２基部に熱的に接続された熱電変換ユニットと、
前記第１基部と前記第２基部との間であって前記熱電変換ユニットの外側に設けられ、前記第１熱電材料、前記第２熱電材料、前記第１基部および前記第２基部の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する熱絶縁体と、
を具備することを特徴とする熱電変換装置。
【請求項１２】
前記熱絶縁体は、固体層であることを特徴とする請求項１０または１１記載の熱電変換装置。
【請求項１３】
前記熱絶縁体は、大気圧より低い圧力を有する気体層または真空であり、
前記熱電変換装置は、前記気体層または真空を保持する保持部を具備することを特徴とする請求項１０または１１記載の熱電変換装置。
【請求項１４】
前記第１基部と前記第２基部との間に前記熱絶縁体を介し互いに離間した複数の前記熱電変換ユニットを具備することを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項記載の熱電変換装置。
【請求項１５】
集積回路素子と、
前記集積回路素子において発生した熱を放熱する放熱部材と、
請求項１から１０のいずれか一項記載の熱電変換装置を含み、前記集積回路素子と前記放熱部材との間に設けられ、前記第１熱伝導層が前記集積回路素子に熱的に接続し、前記第２熱伝導層が前記放熱部材に接続された発電装置と、
を具備することを特徴とする電子装置。
【請求項１６】
集積回路素子と、
前記集積回路素子において発生した熱を放熱する放熱部材と、
第１接続層と第２接続層との間に設けられた第１熱電材料と前記第１熱電材料と反対の導電型を有する第２熱電材料とが、前記第１接続層と前記第２接続層とを介して交互に直列に接続された熱電変換装置を含み、前記集積回路素子と前記放熱部材との間に設けられ、前記第１接続層が前記集積回路素子に熱的に接続し、前記第２接続層が前記放熱部材に接続された発電装置と、
を具備することを特徴とする電子装置。
【請求項１７】
前記発電装置が発電した電力を蓄え、前記集積回路素子に供給する蓄電装置を具備することを特徴とする請求項１５または１６記載の電子装置。
【請求項１８】
第１基部および第２基部と、
前記第１基部および前記第２基部の面方向に配列され、互いに反対の導電型を有する前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜と、
前記面方向に交差する方向において前記第１熱電薄膜と前記第２熱電薄膜と交互に熱的および電気的に接続され、それぞれ前記第１基部および前記第２基部と熱的に接続された第１接続層および第２接続層と、
を具備し、
前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の前記面方向の大きさは１μｍ以下であることを特徴とする熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換装置および電子装置に関し、例えば熱電薄膜を有する熱電変換装置および電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電材料から構成されるゼーベック素子を多数集積化した熱電発電モジュール（ＴＥＧ：Thermoelectric Generator）と呼ばれる熱電変換装置（または熱電発電装置）は、発電所や工場、さらには自動車の排熱を利用した発電技術として期待されている。最近では、マイクロ熱電発電モジュール（μＴＥＧ：Micro Thermoelectric Generator）と呼ばれる小型の熱電変換装置が、ウエアラブルデバイスやセンサーノードに活用できる環境発電素子として期待されている。また、このようなμＴＥＧではマイクロプロセッサやシステムオンチップ（ＳｏＣ）の排熱を利用した発電も考えられる。【０００３】
上側の基板の下面および下側の基板の上面にそれぞれ、多数の柱状に加工されたｎ型およびｐ型の熱電材料を互い違いに形成し、上側の基板と下側の基板とを接合することで、μＴＥＧを作製することが知られている（例えば特許文献１）。この構造では、熱電層内の熱流および電流の向きは基板の法線方向である。このタイプのμＴＥＧはπ型のゼーベック素子を多数接続した構造となるため、以下では、π型ということにする。【０００４】
ｎ型とｐ型の短冊状の熱電薄膜を短冊の幅方向に交互に配列させ、熱電薄膜の延伸方向の端部を互い違いに接続させる構造が記載されている。この構造では、熱電薄膜内の熱流および電流の向きは短冊の長さ方向である。このタイプのμＴＥＧを以下インプレーン型という。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７４０２９１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
薄膜の熱電材料を用いることで、熱電変換装置の小型化および高集積化が可能である。しかしながら、π型やインプレーン型のμＴＥＧに薄膜の熱電材料を用いると、熱抵抗と電気抵抗とがトレードオフの関係となり、高出力な熱電変換装置を実現することが難しい。【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、小型かつ高出力の熱電変換装置および電子装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、第１熱電薄膜および第２熱電薄膜の表面に平行な第１方向に交互に設けられた互いに反対の導電型を有する前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜と、前記第１熱電薄膜と前記第２熱電薄膜との間において前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜と電気的および熱的に接続され、前記第１方向に交互に設けられた第１接続層および第２接続層と、前記第１接続層および前記第２接続層にそれぞれ熱的に接続し前記表面に交差する第２方向に延伸する第１熱伝導層および第２熱伝導層と、を具備することを特徴とする熱電変換装置である。【０００９】
上記構成において、前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の膜厚は１０μｍ以下である構成とすることができる。【００１０】
上記構成において、前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層は、前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の表面に対し互いに反対側に設けられている構成とすることができる。【００１１】
上記構成において、前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層が貫通し前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層より熱伝導率の小さな絶縁体を具備する構成とすることができる。【００１２】
上記構成において、前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜は、前記表面に平行であって前記第１方向に交差する第３方向に延伸し、前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の前記第３方向の長さは、前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の膜厚の１０倍以上である構成とすることができる。【００１３】
上記構成において、前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の前記第１方向の幅は、前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の膜厚より大きい構成とすることができる。【００１４】
上記構成において、前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層にそれぞれ熱的に接続する第１基部および第２基部を具備する構成とすることができる。【００１５】
上記構成において、前記第１熱伝導層が貫通し前記第１熱伝導層より熱伝導率の小さな固体の第１絶縁体と、前記第２熱伝導層が貫通し前記第２熱伝導層より熱伝導率の小さな固体の第２絶縁体と、前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層にそれぞれ熱的に接続する第１基部および第２基部と、を具備し、前記第１基部および前記第１絶縁体は、前記第１熱伝導層の間において第１溝を有し、前記第２基部および前記第２絶縁体は、前記第２熱伝導層の間において第２溝を有する構成とすることができる。【００１６】
上記構成において、前記第１熱電薄膜、前記第２熱電薄膜、前記第１接続層、前記第２接続層、前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層を含む層が前記表面に交差する方向に複数積層され、前記複数の層のうち隣接する層の一方に含まれる第１熱伝導層と、前記隣接する層の他方に含まれる第２熱伝導層と、は熱的に接続されている構成とすることができる。【００１７】
上記構成において、恒温動物の生体の表面に熱的に接続される第１基部と、空気に熱的に接続される第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、前記第１熱電薄膜、前記第２熱電薄膜、前記第１接続層、前記第２接続層、前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層を備え、前記第１熱伝導層および前記第２熱伝導層はそれぞれ前記第１基部および前記第２基部に接続された熱電変換ユニットと、前記第１基部と前記第２基部との間であって前記熱電変換ユニットの外側に設けられ、前記第１熱電薄膜、前記第２熱電薄膜、前記第１基部および前記第２基部の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する熱絶縁体と、を具備する構成とすることができる。【００１８】
本発明は、恒温動物の生体の表面に熱的に接続される第１基部と、空気に熱的に接続される第２基部と、前記第１基部と前記第２基部との間に設けられ、第１接続層と第２接続層との間に設けられた第１熱電材料と前記第１熱電材料と反対の導電型を有する第２熱電材料とが、前記第１接続層と前記第２接続層とを介して交互に直列に接続され、前記第１接続部および前記第２接続部はそれぞれ前記第１基部および前記第２基部に熱的に接続された熱電変換ユニットと、前記第１基部と前記第２基部との間であって前記熱電変換ユニットの外側に設けられ、前記第１熱電材料、前記第２熱電材料、前記第１基部および前記第２基部の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する熱絶縁体と、を具備することを特徴とする熱電変換装置である。【００１９】
上記構成において、前記熱絶縁体は、固体層である構成とすることができる。【００２０】
上記構成において、前記熱絶縁体は、大気圧より低い圧力を有する気体層または真空であり、前記熱電変換装置は、前記気体層または真空を保持する保持部を具備する構成とすることができる。【００２１】
上記構成において、前記第１基部と前記第２基部との間に前記熱絶縁体を介し互いに離間した複数の前記熱電変換ユニットを具備する構成とすることができる。【００２２】
本発明は、集積回路素子と、前記集積回路素子において発生した熱を放熱する放熱部材と、上記熱電変換装置を含み、前記集積回路素子と前記放熱部材との間に設けられ、前記第１熱伝導層が前記集積回路素子に熱的に接続し、前記第２熱伝導層が前記放熱部材に接続された発電装置と、を具備することを特徴とする電子装置である。【００２３】
本発明は、集積回路素子と、前記集積回路素子において発生した熱を放熱する放熱部材と、第１接続層と第２接続層との間に設けられた第１熱電材料と前記第１熱電材料と反対の導電型を有する第２熱電材料とが、前記第１接続層と前記第２接続層とを介して交互に直列に接続された熱電変換装置を含み、前記集積回路素子と前記放熱部材との間に設けられ、前記第１接続層が前記集積回路素子に熱的に接続し、前記第２接続層が前記放熱部材に接続された発電装置と、を具備することを特徴とする電子装置である。【００２４】
上記構成において、前記発電装置が発電した電力を蓄え、前記集積回路素子に供給する蓄電装置を具備する構成とすることができる。【００２５】
本発明は、第１基部および第２基部と、前記第１基部および前記第２基部の面方向に配列され、互いに反対の導電型を有する前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜と、前記面方向に交差する方向において前記第１熱電薄膜と前記第２熱電薄膜と交互に熱的および電気的に接続され、それぞれ前記第１基部および前記第２基部と熱的に接続された第１接続層および第２接続層と、を具備し、前記第１熱電薄膜および前記第２熱電薄膜の前記面方向の大きさは１μｍ以下であることを特徴とする熱電変換装置である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、小型かつ高出力な熱電変換装置および電子装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、ゼーベック素子を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）は、比較例１に係る熱電変換装置のそれぞれ平面図および断面図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、比較例２に係る熱電変換装置のそれぞれ平面図および断面図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１に係る熱電変換装置のそれぞれ平面図および断面図である。
【図５】図５（ａ）から図５（ｃ）は、比較例１におけるγに対するそれぞれｍ０、γｄおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、比較例１におけるｔ０に対するＰＯＵＴ、ｍ０、γｄ、(１-γ）ｄおよびｔＣｕのシミュレーション結果を示す図である。
【図７】図７は、比較例１におけるＶＳに対するＰＯＵＴ、ｍ０、γｄ、(１-γ）ｄおよびｔＣｕのシミュレーション結果を示す図である。
【図８】図８（ａ）から図８（ｃ）は、実施例１におけるγに対するそれぞれｍ０、γｄおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。
【図９】図９は、実施例１におけるｔ０に対するＰＯＵＴ、ｍ０、γｄ、(１-γ）ｄおよびｔＣｕのシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例１におけるＶＳに対するＰＯＵＴ、ｍ０、γｄ、(１-γ）ｄおよびｔＣｕシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る熱電変換装置の断面図である。
【図１２】図１２は、実施例１の変形例２に係る熱電変換装置の平面図である。
【図１３】図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例１の変形例３に係る熱電変換装置の断面図および平面図である。
【図１４】図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例１の変形例４に係る熱電変換装置の断面図であり、図１４（ｃ）は、実施例１の変形例５に係る熱電変換装置の断面図である。
【図１５】図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、実施例１の変形例６に係る熱電変換装置を用いた電子装置の断面図である。
【図１６】図１６は、実施例２に係る電子装置の断面図である。
【図１７】図１７は、実施例２の変形例１に係る電子装置のブロック図である。
【図１８】図１８は、実施例２の変形例１に係る電力システムのブロック図である。
【図１９】図１９（ａ）および図１９（ｂ）は、シミュレーションモデルを示す図である。
【図２０】図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、実施例１におけるそれぞれγおよびｍ０に対するγｄ、（１−γ）ｄ、ΔＴ、βΔＴ、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。
【図２１】図２１は、実施例１におけるｔ０に対するγｄ、（１−γ）ｄ、ΔＴ、βΔＴ、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。
【図２２】図２２は、比較例１におけるｔ０に対するγｄ、（１−γ）ｄ、ΔＴ、βΔＴ、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。
【図２３】図２３（ａ）および図２３（ｂ）は、それぞれ比較例１および実施例１に係る熱電変換装置の断面模式図である。
【図２４】図２４は、実施例１における出力電圧Ｖｏｕｔに対する電流Ｉおよび出力電力ＰＯＵＴを示す図である。
【図２５】図２５は、比較例１における最小寸法に対するγｄ、（１−γ）ｄ、ΔＴ、βΔＴ、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。
【図２６】図２６（ａ）は、実施例４に係る熱電変換装置の平面図、図２６（ｂ）は、図２６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２７】図２７は、実施例４におけるＤに対するγｄ、（１−γ）ｄ、ΔＴ、βΔＴ、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。
【図２８】図２８（ａ）は、実施例４の変形例１に係る熱電変換装置の平面図、図２８（ｂ）は、図２８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２９】図２９（ａ）は、実施例４の変形例１におけるＬに対するｔＣｕ、γｄ、ｍ０、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図、図２９（ｂ）は、ｔＣｕに対するＬ、γｄ、ｍ０、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。
【図３０】図３０は、熱絶縁体が真空のときのｔＣｕに対するＬ、γｄ、ｍ０、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。
【図３１】図３１は、実施例４の変形例２に係る熱電変換装置の断面図である。
【図３２】図３２（ａ）は、実施例４の変形例３に係る熱電変換装置の平面図、図３２（ｂ）は、図３２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３３】図３３（ａ）は、実施例４の変形例４に係る熱電変換装置の平面図、図３３（ｂ）は、図３３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、ゼーベック素子を示す模式図である。図１に示すように、ゼーベック素子１０は、熱電材料３２ａ、３２ｂ、電極２４ａ、２４ｂおよび接続層３４ａを含む。熱電材料３２ａおよび３２ｂは例えばそれぞれｎ型およびｐ型である。熱電材料３２ａおよび３２ｂの一端は接続層３４ａを介し接続されている。熱電材料３２ａおよび３２ｂの他端はそれぞれ電極２４ａおよび２４ｂに接続されている。接続層３４ａに矢印３６ａのように吸熱し、電極２４ａおよび２４ｂから矢印３６ｂのように放熱すると、ゼーベック効果により、電極２４ａと２４ｂとの間に起電力が生じる。電極２４ａと２４ｂとの間に負荷４０を接続すると、電流４２が流れる。このようなゼーベック素子１０を複数直列に接続することにより、起電力を大きくできる。
【００２９】
熱電変換装置（または熱電発電装置）は、例えば機械加工により切断したｎ型熱電材料およびｐ型熱電材料のペレットを多数接合して作製する。また、熱電変換装置は、ｎ型熱電材料を多数のペレット状に形成した基板に、ｐ型熱電材料を多数のペレット状に形成した基板を張り合わせることにより作製することもできる。これらの作製方法では、ゼーベック素子の集積度を大きくすることが難しく、ゼーベック素子の集積度は例えば数１００個程度である。
【００３０】
ゼーベック素子１つ当たりの起電力は小さいため、ゼーベック素子を複数直列に接続して用いることが好ましい。しかし、ゼーベック素子の集積度が小さいと、直列に接続されるゼーベック素子数が制約される。このため、熱電変換装置の出力電力を高くしようとすると、ゼーベック素子１個当たりの起電力を優先して熱電変換装置を設計することになる。このように１個当たりの起電力を優先した設計では、一般的には、出力電力に対し最適化された構造とはならない。
【００３１】
そこで、半導体集積回路等の作製に用いられるフォトリソグラフィ技術等に基づく微細加工技術および薄膜形成技術を応用して熱電変換装置を作製することが考えられる。このような方法では、集積化されるゼーベック素子の数と素子形状および寸法の大きな自由度から所望の出力特性を有する熱電変換装置を設計できる。これにより、最適化された構造を有するゼ−ベック素子を高密度かつ大規模に集積化した熱電変換装置を実現できる可能性がある。
【００３２】
［比較例１］
熱電材料として薄膜を用いる熱電変換装置の構造について検討した。比較例１はπ型のゼーベック素子を用いる例である。図２（ａ）および図２（ｂ）は、比較例１に係る熱電変換装置のそれぞれ平面図および断面図である。図２（ａ）では、熱電薄膜、接続層および電極を図示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの配列方向をＸ方向およびＹ方向とし、各層の積層方法をＺ方向としている。
【００３３】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、熱電変換装置１１０において、熱電薄膜１２ａおよび熱電薄膜１２ｂがＸ方向に交互に配列されている。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂは例えばそれぞれｎ型およびｐ型である。隣接する熱電薄膜１２ａと１２ｂとは、−Ｚ方向および＋Ｚ方向においてそれぞれ接続層１４ａおよび１４ｂに電気的および熱的に接続されている。一対の熱電薄膜１２ａと１２ｂとで１つのゼーベック素子１０を形成する。複数のゼーベック素子１０は、電極２４ａと２４ｂとの間に直列に接続されている。接続層１４ａは−Ｚ方向において電気的な絶縁膜２０を介し高温の基部２２ａに熱的に接続されている。接続層１４ｂは＋Ｚ方向において電気的な絶縁膜２０を介し低温の基部２２ｂに熱的に接続されている。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの間に電気的および熱的な絶縁層１８が設けられている。
【００３４】
基部２２ａおよび２２ｂのＸ方向およびＹ方向の寸法をＤ、１個の熱電薄膜１２ａまたは１２ｂを含む正方形２６の１辺の長さをｄ、正方形２６内の熱電薄膜１２ａまたは１２ｂの１辺の寸法を素子寸法γｄとする。電極２４ａと２４ｂとの間の電圧差のうちゼーベック素子１０による起電力ＶＳ、基部２２ａと２２ｂの表面間の温度差をΔＴ、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚をｔ０、接続層１４ａおよび１４ｂの膜厚をｔＣｕ、絶縁膜２０の膜厚をｔＡｌ２Ｏ３、基部２２ａおよび２２ｂの膜厚をｔＨＳとする。
【００３５】
比較例１では、Ｚ方向に熱伝導が生じる。このため、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０が小さくなる（例えば１００ｎｍ）と、熱抵抗が小さくなり、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのＺ方向の温度差ΔＴＧ（不図示）が小さくなる。このため、起電力が低下してしまう。十分な熱抵抗を得ようとすると、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのＸ方向およびＹ方向の寸法を膜厚ｔ０程度とすることになり、加工プロセスが容易ではなく現実的でない。
【００３６】
［比較例２］
比較例２は、インプレーン型のゼーベック素子を用いる例である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、比較例２に係る熱電変換装置のそれぞれ平面図および断面図である。図３（ａ）では、熱電薄膜、接続層および基部を図示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの配列方向および延伸方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向とし、各層の積層方法をＺ方向としている。
【００３７】
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、熱電変換装置１１２において、熱電薄膜１２ａおよび熱電薄膜１２ｂはＸ方向に交互に配列されており、Ｙ方向に延伸している。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂは例えばそれぞれｎ型およびｐ型である。隣接する熱電薄膜１２ａと１２ｂとは、−Ｙ方向および＋Ｙ方向においてそれぞれ接続層１４ａおよび１４ｂに電気的および熱的に接続されている。一対の熱電薄膜１２ａと１２ｂとで１つのゼーベック素子１０を形成する。複数のゼーベック素子１０は、電極２４ａと２４ｂとの間に直列に接続されている。接続層１４ａは−Ｙ方向において高温の基部２２ａに熱的に接続されている。接続層１４ｂは＋Ｙ方向において低温の基部２２ｂに熱的に接続されている。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの間に絶縁層１８が設けられている。
【００３８】
比較例２では、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの熱伝導の生じるＹ方向の長さＬを大きくできる。これにより、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのＹ方向の温度差ΔＴＧ（不図示）を大きくできる。しかしながら、長さＬが大きくなると熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの電気抵抗が大きくなる。これにより、起電力ＶＳを大きくできても出力電力は大きくできない。
【００３９】
以上のように、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂを用いたπ型の比較例１では、熱抵抗が小さくなりすぎ、インプレーン型の比較例２では、電気抵抗が大きくなりすぎる。このように、比較例１および２では、トレードオフ関係にある熱抵抗と電気抵抗とを最適化し高出力電力を実現するために適した構造とはなっていない。
【実施例１】
【００４０】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１に係る熱電変換装置のそれぞれ平面図および断面図である。図４（ａ）では、熱電薄膜、接続層および電極を図示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの表面をＸＹ平面とし、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの配列方向（幅方向）および延伸方向（長さ方向）をそれぞれＸ方向およびＹ方向とし、各層の積層方法をＺ方向としている。【００４１】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、熱電変換装置１００において、平面視において熱電薄膜１２ａおよび熱電薄膜１２ｂは短冊状である。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂはＸ方向に交互に配列されており、Ｙ方向に延伸している。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂは例えばそれぞれｎ型およびｐ型である。隣接する熱電薄膜１２ａと１２ｂとは、Ｘ方向において交互に接続層１４ａおよび１４ｂに電気的および熱的に接続されている。接続層１４ａおよび１４ｂはＹ方向に延伸している。一対の熱電薄膜１２ａと１２ｂとで１つのゼーベック素子１０を形成する。複数のゼーベック素子１０は、電極２４ａと２４ｂとの間に直列に接続されている。接続層１４ａおよび１４ｂはそれぞれ−Ｚ方向および＋Ｚ方向において熱伝導層１６ａおよび１６ｂと熱的に接続されている。熱伝導層１６ａおよび１６ｂは電気的な絶縁膜２０を介しそれぞれ高温の基部２２ａおよび低温の基部２２ｂに熱的に接続されている。熱伝導層１６ａおよび１６ｂの間に絶縁層１８ａおよび１８ｂが設けられている。【００４２】
熱電変換装置１００のＸ方向およびＹ方向の寸法をＤ、Ｘ方向の熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのピッチをｄ、１個の熱電薄膜１２ａまたは１２ｂの寸法を素子寸法γｄとする。電極２４ａと２４ｂとの間の電圧差のうちゼーベック素子１０による起電力ＶＳ、基部２２ａと２２ｂの表面間の温度差をΔＴとする。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂ並びに接続層１４ａおよび１４ｂの膜厚をｔ０、熱伝導層１６ａおよび１６ｂの膜厚をｔＣｕ、絶縁膜２０の膜厚をｔＡｌ２Ｏ３、基部２２ａおよび２２ｂの膜厚をｔＨＳとする。【００４３】
このような構造では、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの熱流および電流の方向はＸ方向となる。比較例１では、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０が小さくなると、熱抵抗が小さくなったが、実施例１では、膜厚ｔ０が小さくなると熱抵抗は大きくなる。比較例２では、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのＹ方向の長さＬが大きくなると電気抵抗が大きくなったが、実施例１では、長さＬが大きくなると電気抵抗は小さくなる。このように、長さＬを膜厚ｔ０に比べ十分大きくすることにより、熱抵抗が小さすぎず、かつ電気抵抗が大きすぎることなく、Ｘ方向の素子寸法γｄ（またはγ）を用いトレードオフ関係にある熱抵抗と電気抵抗との最適化を行い所望の出力電力を得ることができる。【００４４】
使用温度が室温近傍または数１００℃程度までの応用では、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂに用いる熱電材料として、ビスマステルル系合金、フルホイスラー系合金またはハーフホイスラー系合金とすることができる。ビスマステルル系合金は、ｎ型として例えばＢｉ２Ｔｅ３−ｘＳｅｘ、およびｐ型として例えばＢｉ２−ｘＳｂｘＴｅ３である。フルホイスラー系合金は、ｎ型として例えばＦｅ２ＶＡｌ１−ｘＧｅｘ、Ｆｅ２ＶＡｌ１−ｘＳｉｘまたはＦｅ２ＶＴａｘＡｌ１−ｘ、およびｐ型として例えばＦｅ２Ｖ１−ｘＷｘＡｌ、Ｆｅ２Ｖ１−ｘＴｉｘＡｌまたはＦｅ２Ｖ１−ｘＴｉｘＧａ、その他例えばＦｅ２ＮｂＧａ、Ｆｅ２ＨｆＳｉ、Ｆｅ２ＴａＩｎ、Ｆｅ２ＴｉＳｎまたはＦｅ２ＺｒＧｅを母体とした材料である。ハーフホイスラー系合金は、ｎ型として例えばＴｉＰｔＳｎ、（Ｈｆ１−ｘＺｒｘ）ＮｉＳｎまたはＮｂＣｏＳｎ、およびｐ型として例えばＴｉＣｏＳｎｘＳｂ１−ｘ、Ｚｒ（Ｎｉ１−ｘＣｏｘ）Ｓｎ、Ｚｒ（Ｎｉ１−ｘＩｎｘ）Ｓｎ、ＨｆＰｔＳｎである。ｎ型熱電材料とｐ型熱電材料とを同系の材料とすることで、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの作製が容易となる。また、使用する温度領域が室温より十分に高い場合には、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂに用いる熱電材料として、ＳｉまたはＳｉＧｅ合金を用いることもできる。【００４５】
接続層１４ａおよび１４ｂとしては電気伝導率および熱伝導率が大きな材料が好ましく、例えばＣｕ、Ａｌ、ＡｕまたはＡｇ等の金属層を用いることができる。接続層１４ａと１４ｂとは異なる材料でもよい。【００４６】
熱伝導層１６ａおよび１６ｂとしては、熱伝導率が大きな材料が好ましく、例えばＣｕ、Ａｌ、ＡｕまたはＡｇ等の金属層を用いることができる。熱伝導層１６ａおよび１６ｂは、熱伝導率が大きければ絶縁体層でもよい。熱伝導層１６ａと１６ｂとは異なる材料でもよい。接続層１４ａおよび１４ｂと熱伝導層１６ａおよび１６ｂとは異なる材料でもよい。【００４７】
絶縁層１８ａおよび１８ｂ（絶縁体）としては、絶縁性が高く熱伝導率が熱伝導層１６ａおよび１６ｂに比べ十分小さな材料が好ましい。絶縁層１８ａおよび１８ｂとして、例えば酸化シリコン等の無機絶縁体もしくはこれをポーラス化した材料、アルキル基含有シリカもしくは同様の酸化物および絶縁体、樹脂（例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ベークライト樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロプレン樹脂）もしくはゴム（天然ゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、ブチルゴムもしくはポリウレタンゴム）等の絶縁体、窒素もしくは空気等の絶縁性ガス、または真空等を用いることができる。絶縁層１８ａおよび１８ｂは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタ法またはスピンコート法を用い形成できる。【００４８】
絶縁膜２０としては、絶縁性が高く熱伝導率が大きい材料が好ましく、例えば酸化アルミニウム等の無機絶縁体を用いることができる。絶縁膜２０は、設けなくてもよいが、熱伝導層１６ａおよび１６ｂと基部２２ａおよび２２ｂが導電体の場合には絶縁のため設けることが好ましい。【００４９】
基部２２ａおよび２２ｂとしては、熱伝導率が大きい材料が好ましく、例えばＣｕ、Ａｌ、ＡｕもしくはＡｇ等の金属、Ｓｉもしくはアルミナなどのセラミックス等を用いることができる。絶縁膜２０は基部２２ａおよび２２ｂにスパッタまたはＣＶＤ法を用い形成してもよい。基部２２ａおよび２２ｂが電気的な絶縁体の場合、絶縁膜２０は用いなくてもよい。基部２２ａおよび２２ｂの少なくとも一方は、スパッタ法またはＣＶＤ法を用い形成できる。これにより、基部２２ａおよび２２ｂを薄膜化できる。基部２２ａおよび２２ｂの少なくとも一方は、メッキ法で形成できる。これにより、基部２２ａおよび２２ｂをある程度厚い膜にすることができる。基部２２ａおよび２２ｂの少なくとも一方を酸化膜またはセラミックスとする場合、スピンコート等による塗布膜を用いることができる。基部２２ａおよび２２ｂとして、熱交換特性および放熱特性の高い構造（例えばフィン構造またはヒートシンク構造）および材料（例えば放熱シート、揮発性材料を含んだ放熱材料または吸熱材料、または表面をアルマイト加工したＡｌなど）を用いることができる。【００５０】
比較例１および実施例１について、トレードオフ関係にある熱抵抗と電気抵抗とを最適化するシミュレーションを行った。基部２２ａおよび２２ｂの面積に対する熱電薄膜１２ａおよび１２ｂが占める割合を示すトレードオフパラメータγを用いた。シミュレーションは、各材料の熱伝導率、電気伝導率およびゼーベック係数を用い集中定数回路を仮定して行った。シミュレーションでは、基部２２ａおよび２２ｂの寸法Ｄ×Ｄ、基部２２ａと２２ｂとの間の温度差ΔＴ、ゼーベック素子による起電力ＶＳ、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０およびトレードオフパラメータγを設定し、その他の寸法を算出した。【００５１】
以下にシミュレーション条件を示す。
熱電薄膜１２ａ：ｎ型Ｆｅ２ＶＡｌ１−ｘＴａｘ
熱電薄膜１２ｂ：ｐ型Ｆｅ２Ｖ１−ｘＴｉｘＧａ
無次元性能指数：０．０９
接続層１４ａ、１４ｂ：Ｃｕ
熱伝導層１６ａ、１６ｂ：Ｃｕ
絶縁層１８：ＳｉＯ２
絶縁膜２０：Ａｌ２Ｏ３、膜厚ｔＡｌ２Ｏ３：１００ｎｍ
基部２２ａ、２２ｂ：Ｃｕ、膜厚ｔＨＳ：１ｍｍ
Ｄ×Ｄ：１０ｍｍ×１０ｍｍ
ΔＴ：１Ｋ【００５２】
［比較例１のシミュレーション］
ｔ０＝１００ｎｍ、ＶＳ＝１Ｖとしてシミュレーションを行った。図５（ａ）から図５（ｃ）は、比較例１におけるγに対するそれぞれ素子対数ｍ０、素子寸法γｄおよび出力電力ＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。ゼーベック素子の素子対数ｍ０は、熱電薄膜１２ａと１２ｂの一対の数である。素子寸法γｄは、各熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのＸ方向の幅である。出力電力ＰＯＵＴは、負荷抵抗を調整して得られる熱電変換装置の最大の熱電変換装置の出力電力である。ここでのシミュレーションでは、温度差ΔＴが必ず１Ｋつくものとして最適化したものである。実際の設計の際は、投入される熱量を考慮して最適化を行うこととなる。【００５３】
図５（ａ）に示すように、γが大きくなると素子対数ｍ０が増加する。これは、トレードオフパラメータγが大きくなると、基部２２ａと２２ｂ間の熱抵抗が小さくなる。このため、１つのゼーベック素子１０当たりの起電力が小さくなり、起電力ＶＳを確保するためゼーベック素子１０の直列接続数が増加するためである。【００５４】
図５（ｂ）に示すように、γが大きくなるとγｄが大きくなる。γ２はＤ×Ｄ内に占める熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの面積比である。γｄはｄに対する熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの寸法比である。【００５５】
図５（ｃ）に示すように、出力電力ＰＯＵＴは、γが約０．１２のときに約１１μＷでありピークとなる。図５（ａ）および図５（ｂ）から出力電力ＰＯＵＴがピークとなる素子対数ｍ０および素子寸法γｄが求まる。【００５６】
次に、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０を１０ｎｍから１００００ｎｍに変化させ、出力電力ＰＯＵＴが最大となる素子対数ｍ０および素子寸法γｄを算出した。ΔＴ＝１Ｋとして、起電力ＶＳが１Ｖのときと１００ｍＶのときについてシミュレーションした。【００５７】
図６（ａ）および図６（ｂ）は、比較例１におけるｔ０に対するＰＯＵＴ、ｍ０、γｄ、(１-γ）ｄおよびｔＣｕのシミュレーション結果を示す図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれＶＳ＝１ＶおよびＶＳ＝１００ｍＶである。ＰＯＵＴは出力電力の最大値を示す。なお、図６（ａ）および図６（ｂ）では、出力電力をＰｏｕｔと示している。以下の図も同様である。【００５８】
図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、膜厚ｔ０が薄くなると出力電力ＰＯＵＴが小さくなる。通常のドライエッチング法等の微細加工技術およびスパッタ法またはＣＶＤ法等の薄膜形成技術が適用できる膜厚は、１０００ｎｍ程度以下であり、好ましくは１００ｎｍ程度である。この範囲では出力電力ＰＯＵＴは非常に小さくなってしまう。【００５９】
図７は、比較例１におけるＶＳに対するＰＯＵＴ、ｍ０、γｄ、(１-γ）ｄおよびｔＣｕのシミュレーション結果を示す図である。膜厚ｔ０を１００ｎｍとしている。図７に示すように、ＶＳが小さくなるとＰＯＵＴは小さくなってしまう。【００６０】
［実施例１のシミュレーション］
ｔ０＝１００ｎｍ、ＶＳ＝１００ｍＶとしてシミュレーションを行った。シミュレーション条件は比較例１と同じである。熱伝導層１６ａおよび１６ｂのＸ方向の幅は接続層１４ａおよび１４ｂのＸ方向の幅と同じとした。図８（ａ）から図８（ｃ）は、実施例１におけるγに対するそれぞれｍ０、γｄおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、γ＜０．５では、解がない。０．５＜γでは２つの解が得られる。ゼーベック素子１個当たりの起電力が大きく素子数が小さい解（実線）と、ゼーベック素子１個当たりの起電力が小さく素子数が大きい解（点線）である。図８（ｃ）に示すように、出力電力ＰＯＵＴは２つの解とも同じであり、γ＝０．５において最大となる。素子の作製の容易性の観点で、素子数が小さい解（実線）を採用した。【００６１】
次に、起電力ＶＳが１００ｍＶのとき、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０を１０ｎｍから２００ｎｍに変化させ、出力電力ＰＯＵＴが最大となる素子対数ｍ０および素子寸法γｄおよび（１−γ）ｄを算出した。【００６２】
図９は、実施例１におけるｔ０に対するＰＯＵＴ、ｍ０、γｄ、(１-γ）ｄおよびｔＣｕのシミュレーション結果を示す図である。図９に示すように、膜厚ｔ０が２００ｎｍ以下でも出力電力ＰＯＵＴは２５０μＷ以上である。ＰＯＵＴは膜厚ｔ０にほとんど依存しない。微細加工技術および薄膜形成技術に適したｔ０＝１００ｎｍ程度でＰＯＵＴとして２５０μＷを実現できる。【００６３】
図１０は、実施例１におけるＶＳに対するＰＯＵＴ、ｍ０、γｄ、(１-γ）ｄおよびｔＣｕのシミュレーション結果を示す図である。膜厚ｔ０を１００ｎｍとしている。図１０に示すように、ＶＳが小さくなってもＰＯＵＴは大きい。ＶＳを１００ｍＶ以下としてもＰＯＵＴとして２５０μＷを実現できる。【００６４】
熱電薄膜１２ａおよび１２ｂに用いる熱電材料をよりゼーベック係数の大きなＢｉＴｅ系材料を用いる。また、絶縁層１８ａおよび１８ｂを樹脂等のＳｉＯ２より熱伝導率の小さな材料を用いる。さらに、基部２２ａおよび２２ｂを薄膜化することで、出力電力ＰＯＵＴをより向上できる。【００６５】
実施例１によれば、熱電薄膜１２ａ（第１熱電薄膜）および熱電薄膜１２ｂ（第２熱電薄膜）はＸ方向（熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの表面に平行な第１方向）に交互に設けられている。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂは互いに反対の導電型を有する。接続層１４ａ（第１接続層）および１４ｂ（第２接続層）は、熱電薄膜１２ａと１２ｂとの間において熱電薄膜１２ａおよび１２ｂと電気的および熱的に接続され、Ｘ方向に交互に設けられている。熱伝導層１６ａおよび１６ｂは，接続層１４ａおよび１４ｂにそれぞれ熱的に接続しＺ方向（ＸＹ平面に交差する第２方向）に延伸する。これにより、熱電材料の薄膜を用いても、出力電力ＰＯＵＴを大きくできる。【００６６】
また、熱伝導層１６ａおよび１６ｂは、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの表面に対し互いに反対側に設けられている。すなわち、熱伝導層１６ａは、接続層１４ａに熱的に接続し−Ｚ方向（ＸＹ平面に交差する第２方向）に延伸する。熱伝導層１６ｂは、接続層１４ｂに熱的に接続し＋Ｚ方向（第２方向に反対の方向）に延伸する。これにより、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのＸ方向の温度差が発生し、発電することができる。例えば基部２２ａおよび２２ｂを櫛形とすることで、熱伝導層１６ａおよび１６ｂは、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの表面に対し同じ側に設けられていてもよい。【００６７】
熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０は、１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましい。形状および寸法の自由度を高めることができる半導体集積回路の作製技術を用いて成膜できる熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０は１μｍ以下である。膜厚ｔ０は１μｍ以下でも、実施例１では比較例１と比べ出力電力ＰＯＵＴを大きくできる。実施例１および比較例１のシミュレーション結果では、膜厚ｔ０は、５００ｎｍ以下が好ましく２００ｎｍ以下がより好ましい。【００６８】
絶縁層１８ａおよび１８ｂ（絶縁体）は、熱伝導層１６ａおよび１６ｂが貫通し熱伝導層１６ａおよび１６ｂより熱伝導率が小さい。熱伝導層１６ａおよび１６ｂが＋Ｚ側および−Ｚ側に設けられている場合、絶縁層１８ａ（第１絶縁体）および１８ｂ（第２絶縁体）は、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの−Ｚ方向側および＋Ｚ方向側にそれぞれ熱伝導層１６ａおよび１６ｂが貫通し熱伝導層１６ａおよび１６ｂより熱伝導率が小さい。このように、絶縁層１８ａおよび１８ｂを用いることにより、基部２２ａと２２ｂ間の熱伝導層１６ａおよび１６ｂ以外の部分の熱抵抗を大きくできる。【００６９】
熱電薄膜１２ａおよび１２ｂは、Ｙ方向（表面に平行な方向であって第１方向に交差する第３方向）に延伸する。これにより、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのＸ方向の電気抵抗を小さくできる。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのＹ方向の長さは、膜厚ｔ０の１０倍以上が好ましく、１００倍以上がより好ましく、１０００倍以上はさらに好ましい。【００７０】
熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのγｄ（Ｘ方向の幅）は、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０より大きい。これにより、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのＸ方向の熱抵抗を大きくできる。素子寸法γｄは膜厚ｔ０の２倍以上が好ましく、１０倍以上がより好ましい。【００７１】
［実施例１の変形例１］
図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る熱電変換装置の断面図である。図１１（ａ）に示すように、熱伝導層１６ａおよび１６ｂのＸ方向の幅は、接続層１４ａおよび１４ｂのＸ方向の幅より大きくてもよい。図１１（ｂ）に示すように、熱伝導層１６ａおよび１６ｂのＸ方向の幅は接続層１４ａおよび１４ｂより小さくてもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。【００７２】
［実施例１の変形例２］
図１２は、実施例１の変形例２に係る熱電変換装置の平面図である。図１２に示すように、Ｙ方向に複数のモジュール３０が設けられている。各モジュール３０は、電極２４ａと２４ｂとの間にＸ方向に配列したゼーベック素子１０を備えている。各モジュール３０間は絶縁層１８により電気的および熱的に分離されている。用途に応じ、各モジュール３０を直列に接続、並列に接続、または直列と並列を組み合わせて電気接続できる。モジュール３０間を接続する配線を基板上に集積化することで、配線の内部抵抗を低減できる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。【００７３】
［実施例１の変形例３］
図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例１の変形例３に係る熱電変換装置の断面図および平面図である。図１３（ａ）に示すように、基部２２ａおよび絶縁層１８ａに溝２８ａが形成され、基部２２ｂおよび絶縁層１８ｂに溝２８ｂが形成されている。絶縁層１８ａおよび１８ｂは固体である。溝２８ａおよび２８ｂ内は空気等の気体または真空であり絶縁層１８ａおよび１８ｂより熱伝導率が大きい。このため、基部２２ａと２２ｂ間の温度差が同じでも熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの温度差を大きくできる。図１３（ｂ）に示すように、基部２２ｂに複数の溝２８ｂが設けられている。基部２２ａにも同様に複数の溝２８ａが設けられている。溝２８ｂはＸ方向およびＹ方向に配列されている。溝２８ｂを短く分断することで、熱電変換装置の強度を高くできる。溝２８ｂはＹ方向に延伸するように設けられていてもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。【００７４】
実施例１の変形例３によれば、基部２２ａおよび絶縁層１８ａは、熱伝導層１６ａの間において溝２８ａ（第１溝）を有している。基部２２ｂおよび絶縁層１８ｂは、熱伝導層１６ａの間において溝２８ｂ（第２溝）を有する。これにより、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂ間の温度差を大きくできる。なお、絶縁層１８ａおよび１８ｂが全て除去されて溝２８ａおよび２８ｂを形成してもよい。【００７５】
［実施例１の変形例４］
図１４（ａ）は、実施例１の変形例４に係る熱電変換装置の断面図である。図１４（ａ）に示すように、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのＺ方向の位置は同じでない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの製造方法によっては、熱電薄膜１２ａと１２ｂとは同一のＸＹ平面上に位置していなくてもよい。【００７６】
図１４（ｂ）は、実施例１の変形例４の別の例である。図１４（ｂ）に示すように、接続層１４ａおよび１４ｂは、＋Ｚ方向において熱電薄膜１２ａと接触し、−Ｚ方向において熱電薄膜１２ｂと接触してもよい。熱伝導層１６ａは、熱電薄膜１２ｂを介し接続層１４ａおよび１４ｂと熱的に接続し、熱伝導層１６ｂは、熱電薄膜１２ａを介し接続層１４ａおよび１４ｂと熱的に接続してもよい。熱伝導層１６ａおよび１６ｂのＸ方向の幅は、接続層１４ａおよび１４ｂのＸ方向の幅より大きくてもよい。熱伝導層１６ａおよび１６ｂのＸ方向の幅は接続層１４ａおよび１４ｂより小さくてもよい。図１４（ｂ）では熱電薄膜１２ｂ、接続層１４ａおよび１４ｂ、並びに熱電薄膜１２ａがＺ方向に積層させるため、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂと接続層１４ａおよび１４ｂとの接触が容易となる。【００７７】
［実施例１の変形例５］
図１４（ｃ）は、実施例１の変形例５に係る熱電変換装置の断面図である。図１４（ｃ）に示すように、基部２２ａと２２ｂとの間に、層４８が絶縁膜２０を介し複数積層されている。各層４８は、実施例１の変形例４の熱電薄膜１２ａおよび１２ｂ、接続層１４ａおよび１４ｂ、熱伝導層１６ａおよび１６ｂ、並びに絶縁層１８ａおよび１８ｂを含む。絶縁膜２０は、電気的な絶縁体でありかつ熱伝導率が高い。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。【００７８】
実施例１の変形例５によれば、複数の層４８のうち隣接する層の一方に含まれる熱伝導層１６ａと、隣接する層４８の他方に含まれる熱伝導層１６ｂと、は電気的な絶縁膜２０を介し熱的に接続されている。このように、熱電材料を薄膜とすることで、複数の層４８が基部２２ａと２２ｂとの間に熱的に直列に接続することができる。これにより、効率的に熱を電力に変換することができる。実施例１およびその変形例１から３のゼーベック素子を実施例１の変形例５のように積層してもよい。【００７９】
実施例１およびその変形例に係る熱電変換装置は、ウエアラブルデバイス、マイクロコントローラまたはセンサの電源として用いることができる。例えば、熱電変換装置を身体に装着する。これにより、熱電変換装置は，身体からの放熱を用い発電し、発電した電力をウエアラブルデバイスまたはセンサに供給することができる。また、熱電変換装置を、車のエンジンからの排熱（排気ガスによる熱）などによる発電に用いることができる。【００８０】
［実施例１の変形例６］
実施例１の変形例６は、実施例１およびその変形例に係る熱電変換装置をペルチェ素子として用いる例である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、実施例１の変形例６に係る熱電変換装置を用いた電子装置の断面図である。図１５（ａ）に示すように、プリント基板等の基板５８上に集積回路素子５２が搭載されている。集積回路素子５２は、例えばマイクロプロセッサまたはＳｏＣ（System on a Chip）である。集積回路素子５２上に熱伝導部材５６、熱電変換装置５１、熱伝導部材５６および放熱部材５４が設けられている。熱電変換装置５１は、実施例１およびその変形例に係る熱電変換装置をペルチェ素子として用いている。熱伝導部材５６は例えば銅またはインジウム等のように熱コンタクトをとる金属層である。放熱部材５４は例えば放熱フィンである。熱伝導部材５６および放熱部材５４には、実施例２において例示する材料を用いてもよい。図１５（ｂ）に示すように、集積回路素子５２上に熱電変換装置５１を直接搭載してもよい。【００８１】
実施例１の変形例６のように、ペルチェ素子である熱電変換装置５１に電力を加えることで、集積回路素子５２を冷却することができる。図１５（ａ）のように、熱電変換装置５１を集積回路素子５２と放熱部材５４との間に熱伝導部材５６を介し実装してもよい。図１５（ｂ）のように、半導体プロセスを用い熱電変換装置５１を集積回路素子５２上に直接集積化してもよい。この場合は、集積回路素子５２上の熱の上昇が特に高くなる箇所の直上に熱電変換装置５１を集積化することも可能である。これらによって、集積回路素子５２を強制的に冷却することで、集積回路素子５２における放熱の問題を解決することができる。
【実施例２】
【００８２】
実施例２は、熱電変換装置を有する電子装置の例である。図１６は、実施例２に係る電子装置の断面図である。図１６に示すように、電子装置１０５において、発電装置５０は、集積回路素子５２と放熱部材５４との間に設けられている。集積回路素子５２は、基板５８上に搭載されている。発電装置５０と集積回路素子５２とは熱伝導部材５６を介し熱的に接続されている。【００８３】
発電装置５０は、例えば比較例１、比較例２、実施例１およびその変形例に係る熱電変換装置を含む。熱電変換装置のうち接続層１４ａおよび１４ｂの一方は、基部２２ａおよび２２ｂの一方を介し熱伝導部材５６に熱的に接続されている。接続層１４ａおよび１４ｂの他方は、基部２２ａおよび２２ｂの他方を介し放熱部材５４に熱的に接続されている。【００８４】
集積回路素子５２は、例えばＳｏＣ（System on a Chip）等の集積回路が形成されたチップまたは集積回路チップが実装されたパッケージである。集積回路素子５２は、マイクロプロセッサ等でもよい。基板５８は、例えばプリント基板である。熱伝導部材５６は、熱伝導率が大きい材料が好ましく、例えばＣｕ、Ａｌ、ＡｕもしくはＡｇ等の金属、セラミックスまたは高熱伝導性シリコーン樹脂等を用いることができる。熱伝導部材５６を設けず、熱電変換装置の基部２２ａおよび２２ｂを直接集積回路素子５２に接触させてもよい。放熱部材５４は、例えば電子装置の筐体、アルマイト加工などを施した放熱板、放熱フィンまたは放熱ファンである。発電装置５０は、π型の熱電変換装置およびその他の熱電変換装置でもよい。【００８５】
実施例２によれば、集積回路素子５２が動作すると、集積回路素子５２において熱が発生する。発生した熱は、熱伝導部材５６、発電装置５０を介し放熱部材５４に伝導し、放熱部材５４により放熱される。発電装置５０は、比較例１、２、実施例１およびその変形例のように、接続層１４ａと１４ｂとの間に設けられた熱電薄膜（熱電材料）１２ａと１２ｂとが、接続層１４ａと１４ｂとを介して交互に直列に接続された熱電変換装置を含む。接続層１４ａと１４ｂの一方が集積回路素子５２に熱的に接続し、接続層１４ａと１４ｂの他方が放熱部材５４に接続されている。【００８６】
これにより、集積回路素子５２と放熱部材５４との温度差を用い発電することができる。発電装置５０として、実施例１およびその変形例を用いることにより、発電装置５０の出力電力を大きくできる。【００８７】
［実施例２の変形例１］
図１７は、実施例２の変形例１に係る電子装置のブロック図である。図１７に示すように、電子装置１０６は、実施例２に係る電子装置１０５に加え制御回路６０および蓄電装置６２を備えている。蓄電装置６２は、例えば２次電池である。制御回路６０には、外部電力７０が供給される。制御回路６０は電力７１を集積回路素子５２に供給する。制御回路６０は、集積回路素子５２の電源電圧に対応し集積回路素子５２に複数の電圧の電力７１を供給してもよい。【００８８】
集積回路素子５２において発生した熱８０は、発電装置５０に伝導または伝達する。発電装置５０において一部の熱は電力７２に変換される。残りの熱８１は放熱部材５４に伝導または伝達する。放熱部材５４より熱８２は放出される。【００８９】
発電装置５０において発電された電力７２は制御回路６０に出力される。制御回路６０は、発電装置５０が発電した電力７２を蓄電装置６２または集積回路素子５２に供給する。蓄電装置６２は、制御回路６０から供給された電力７３を蓄電する。また、蓄電装置６２は電力７４を制御回路６０に供給する。制御回路６０は、蓄電装置６２から供給された電力７４を集積回路素子５２に電力７１として供給する。【００９０】
制御回路６０は、例えば充電モードと動作アシストモードを選択する。充電モードでは、制御回路６０は、発電装置５０が発電した電力７２を主に蓄電装置６２の充電に用いる。集積回路素子５２に供給する電力７１は主に外部電力７０を用いる。充電モードでは、蓄電装置６２の電力消費速度を緩和できる。または、外部電源のみで蓄電装置６２を充電する場合に比べ、蓄電装置６２の充電時間を早くできる。【００９１】
動作アシストモードでは、制御回路６０は、外部電力７０に加え発電装置５０が発電した電力７２および／または蓄電装置６２が放電した電力７４を集積回路素子５２に供給する。動作アシストモードでは、充電モードなど動作アシストモードを使用しない場合に比べ、集積回路素子５２の動作速度が同じであれば、外部電力７０の消費を抑制できる（すなわち低消費電力となる）。外部電力７０が同じであれば、集積回路素子５２をより高速動作させる（すなわち、熱電発電による電圧ブーストする）ことができる。また、熱電変換装置から回収したエネルギーで、集積回路がスリープ状態となったときの、集積回路内のメモリのデータ保持を行うこともできる。このデータ保持には、動作アシストモードやバッテリーからのエネルギーも活用することができる。【００９２】
実施例２の変形例１によれば、蓄電装置６２は、発電装置５０が発電した電力を蓄え、蓄えた電力を集積回路素子５２に供給する。これにより、低消費電力および／または高速動作が可能となる。【００９３】
［実施例２の変形例２］
図１８は、実施例２の変形例２に係る電力システムのブロック図である。図１８に示すように、電力システム１０８は、電子装置１０５に加え制御回路６０および電力回収装置６４を備えている。制御回路６０は、外部電力７０を集積回路素子５２に供給する。電力回収装置６４は、複数の電子装置１０５における発電装置５０が発電した電力７２を回収する。電力回収装置６４は、回収した電力７２を集積した電力７５を外部に供給する。【００９４】
データセンタ等では、膨大なマイクロプロセッサ等の集積回路素子５２が動作している。このため、膨大な電力を消費している。そこで、集積回路素子５２において発生した熱の一部を発電装置５０において電力７２に変換する。電力７２を回収し、再利用する。再利用する電力７５は、例えばデータセンタ等の空調または照明等の電力に使用する。回収される電力７２が集積回路素子５２の消費電力の１０％程度であっても、空調または照明等の電力として十分使用することができる。【００９５】
［恒温動物モデルを用いたシミュレーション］
上記比較例１および実施例１のシミュレーションは、熱電変換装置に加わる温度差ΔＴが一定としている。このモデルは熱電発電モジュール単体の評価方法の１つである。しかし、熱電変換装置をウエアラブルデバイスの電源として用いる場合、熱電変換装置は人体の体温と大気の温度との温度差を用いて発電することになる。このような場合、上記シミュレーションは適正でない。そこで、人体の皮膚温度に恒温動物モデルを用い、実施例１における熱電変換装置のシミュレーションを行った。【００９６】
図１９（ａ）および図１９（ｂ）は、シミュレーションモデルを示す図である。図１９（ａ）および図１９（ｂ）はそれぞれ定熱流モデルおよび定温度差モデルを示している。定熱流は等価な電気回路で表現すれば定電流源モデルに相当し、定温度差は等価な電気回路で表現すれば定電圧源モデルに相当する。熱電変換装置の性能評価には一般に定電流源モデルが用いられる。【００９７】
図１９（ａ）に示すように、熱抵抗ｋＭおよびｋａｉｒが直列に接続されている。ｋＭおよびｋａｉｒはそれぞれ熱電変換装置の熱抵抗および熱電変換装置と大気との間の熱抵抗に相当する。熱抵抗ｋＭおよびｋａｉｒに直列に定電流源６６（すなわち定熱流源）が設けられている。定電流源モデルでは定電流源６６が熱抵抗ｋＭの一端にパワーＱを投入しｋＭおよびｋａｉｒを流れる熱流を一定とする。パワーＱは人体の皮膚から熱電変換装置に投入されるパワーに相当する。しかし、定電流源モデルでは、熱抵抗ｋＭの大きさによって皮膚表面の温度が変化する。これは恒温動物である人体を表現できていない。このため，例えば熱抵抗ｋＭが大きい場合、熱流を一定にするため大きなパワーＱを投入することになる。しかし人体から投入されるパワーには限りがあり、ウエアラブルデバイス用の電源のシミュレーションモデルとして定電流源モデルは適切でない。【００９８】
図１９（ｂ）に示すように、熱抵抗ｋＭおよびｋａｉｒに直列に定電圧源６８（すなわち定温度差源）が設けられている。定電圧源モデルでは、人体が恒温動物であることを考慮し、外気と皮膚表面との間の温度差を一定に保つことで、人体の皮膚の表面の温度を一定とする。すなわち、定電圧源６８は熱抵抗ｋＭおよびｋａｉｒに加わる温度差ΔＴＳを一定とする。熱電変換装置の両側に加わる温度差ΔＴは、熱抵抗ｋＭおよびｋａｉｒに依存して変化するが、皮膚表面の温度は一定に保てる。【００９９】
実施例１の構造は図４（ａ）および図４（ｂ）とし、比較例１の構造は図２（ａ）および図２（ｂ）とした。
以下にシミュレーション条件を示す。
大気の熱抵抗ｋａｉｒ：２１２．５Ｋ／Ｗ
熱電薄膜１２ａおよび１２ｂ
ゼーベック係数Ｓ＝Ｓｐ−Ｓｎ：４３４μＶ／Ｋ
熱伝導率λ＝（λｐ＋λｎ）／２：１．４３Ｗｍ−１Ｋ−１
電気抵抗率ρ＝（ρｐ＋ρｎ）／２：８．１１μΩｍ
接続層１４ａおよび１４ｂ：Ｃｕ
膜厚ｔＣｕ：１０μｍ（実施例１）、≦１０μｍ（比較例１）
熱伝導率λＣｕ：３８６Ｗｍ−１Ｋ−１
電気抵抗率λＣｕ：１．６９×１０−８Ωｍ
絶縁層１８：真空
Ｄ×Ｄ：１０ｍｍ×１０ｍｍ
ΔＴＳ：１０Ｋ
ＳｎおよびＳｐはそれぞれｎ型およびｐ型の熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのゼーベック係数、λｎおよびλｐはそれぞれｎ型およびｐ型の熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの熱伝導率、並びにρｎおよびρｐはそれぞれｎ型およびｐ型の熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの電気抵抗率である。Ｄはモジュールの一辺の長さである。【０１００】
以上のように、恒温動物モデルでは、皮膚の表面温度と外気温との温度差ΔＴＳを１０Ｋと一定とした。これは、例えば体温が３５℃であり気温が２５℃の場合に相当する。熱電変換装置の基部からの対流および輻射による放熱の熱抵抗ｋａｉｒを温度に依存せず２１２．５Ｋ／Ｗと一定とした。【０１０１】
［実施例１のシミュレーション］
実施例１について恒温動物モデルを用いシミュレーションを行った。ΔＴを一定としたシミュレーションと同様に、出力電力ＰＯＵＴが最大となるトレードオフパラメータγおよび出力電力ＰＯＵＴが最大となる素子対数ｍ０で最適化した。【０１０２】
図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、実施例１におけるそれぞれγおよびｍ０に対するγｄ、（１−γ）ｄ、ΔＴ、βΔＴ、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。βΔＴは熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの各々の両端間の温度差である。その他のパラメータはΔＴを一定としたシミュレーションと同じである。【０１０３】
図２０（ａ）は、ｍ０＝１００ペア、ｔ０＝１００ｎｍにおいてγを最適化するときの図である。図２０（ａ）に示すように、γが変化するとＰＯＵＴが変化する。ＰＯＵＴが最大となるγが最適化されたγである。ＰＯＵＴがγに対しピークを持たない場合、γｄ≧１μｍかつ（１−γ）ｄ≧１μｍの範囲内でＰＯＵＴが最大となるγを最適化されたγとした。【０１０４】
図２０（ｂ）は、ｔ０＝１００ｎｍにおいてｍ０を最適化するときの図である。ｍ０毎に図２０（ａ）の方法でγを最適化している。図２０（ｂ）に示すように、ｍ０が変化するとＰＯＵＴが変化する。図に示すように、ＰＯＵＴとＶＳのピークをとるｍ０は異なるため、例えば、ＶＳ≧１００ｍＶの範囲でかつＰＯＵＴが最大となるｍ０を最適化されたｍ０とすることができる。【０１０５】
図２１は、実施例１におけるｔ０に対するγｄ、（１−γ）ｄ、ΔＴ、βΔＴ、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。ｔ０毎に図２０（ｂ）の方法でｍ０を最適化している。図２１に示すように、膜厚ｔ０が３００ｎｍ以下においてＰＯＵＴは１００μＷ以上である。【０１０６】
［比較例１のシミュレーション］
比較例１のπ型について恒温動物モデルを用い実施例１と同様にシミュレーションを行った。図２２は、比較例１におけるｔ０に対するγｄ、（１−γ）ｄ、ΔＴ、βΔＴ、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。ここでは、γｄおよび（１−γ）ｄの最小値を１μｍに制限してある。図２２に示すように、膜厚ｔ０が小さくなるとＰＯＵＴが小さくなる。膜厚ｔ０が１０００ｎｍ以下となるとＰＯＵＴが１００μＷ以下となる。【０１０７】
以上のように、恒温動物モデルを用いたシミュレーションを用いても、ΔＴを一定としたシミュレーション結果と同様の結果が得られた。すなわち、実施例１では出力電力ＰＯＵＴは膜厚ｔ０にほとんど依存しない。一方、比較例１では、膜厚ｔ０が小さくなると出力電力ＰＯＵＴが小さくなる。【０１０８】
実施例１では比較例１に比べ熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０を小さくしても出力電力ＰＯＵＴを大きくできる理由を説明する。【０１０９】
図２３（ａ）および図２３（ｂ）は、それぞれ比較例１および実施例１に係る熱電変換装置の断面模式図である。図２３（ａ）および図２３（ｂ）に示すように、比較例１および実施例１とも温度差ΔＴの方向はＺ方向である。比較例１では、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの熱流の流れる方向は温度差ΔＴと同じＺ方向である。実施例１では、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの熱流の流れる方向は温度差ΔＴと交差するＸ方向である。【０１１０】
比較例１では、図２３（ａ）のように、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの薄膜化のため熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０を小さくすると熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの熱抵抗ｋが小さくなる。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの各々の両端間の温度差βΔＴが小さくなってしまう。図２２のように、膜厚ｔ０が小さくなると、熱電変換装置（モジュール）全体に生じる温度差ΔＴが小さくなるが、さらに、温度差ΔＴに比べβΔＴが小さくなる。これにより出力電力ＰＯＵＴが小さくなる。【０１１１】
実施例１では、図２３（ｂ）のように、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの薄膜化のため熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０を小さくすると熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの熱抵抗ｋが大きくなる。これにより、図２１のように、熱電変換装置全体に生じる温度差ΔTは大きく、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの各々の両端間の温度差βΔＴと温度差ΔＴとはほとんど同じとなる。これにより、膜厚ｔ０が小さくなっても出力電力ＰＯＵＴは低下しない。【０１１２】
図２４は、実施例１における出力電圧Ｖｏｕｔに対する電流Ｉおよび出力電力ＰＯＵＴを示す図である。膜厚ｔ０を１００ｎｍとしＸＹ平面の面積Ｓを２０ｃｍ２から１２０ｃｍ２まで２０ｃｍ２ステップで変えている。出力電力ＰＯＵＴの最大値は出力をインピーダンス整合したときの出力電力である。図２４に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔが１Ｖのとき出力電力ＰＯＵＴはピークとなる。リストバンド方式のウエアラブルデバイスでは実装面積は１００ｃｍ２程度である。面積Ｓが１００ｃｍ２程度でも１０ｍＷ程度の出力電力ＰＯＵＴを得ることができ、ヘルスケアデバイスまたは短・中距離通信を含むウエアラブルデバイスに十分応用化可能である。【０１１３】
比較例１において、γｄ≧１μｍかつ（１−γ）ｄ≧１μｍの条件をなくし、シミュレーションを行った。図２５は、比較例１における最小寸法に対するγｄ、（１−γ）ｄ、ΔＴ、βΔＴ、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。最小寸法はｄに対応する。膜厚ｔ０を１００ｎｍとした。比較例１においても最小寸法を小さくすると、熱電変換装置の全体の温度差ΔＴが大きくなり、熱電材料に生じる温度差βΔＴはΔＴとの差が小さくなる。このことで、温度差βΔＴとΔＴとの差が小さくなり、出力電力ＰＯＵＴが大きくなる。例えば最小寸法が１μｍ以下では出力電力ＰＯＵＴは２０μＷ以上となる。最小寸法が１００ｎｍ以下では温度差βΔＴとΔＴとがほぼ同じとなり、出力電力ＰＯＵＴは１００μＷ以上となる。【０１１４】
このように、比較例１でも最小寸法を小さくすると、出力電力ＰＯＵＴを向上できる。しかし、最小寸法をミクロンオーダー（例えば１μｍ）より小さくすると、微細加工に関するコストアップとなる。実施例１では、最小寸法が１μｍ以上でも出力電力ＰＯＵＴを大きくでき、低コストで高い出力電力を実現できる。
【実施例３】
【０１１５】
図２（ａ）および図２（ｂ）のように、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂが基部２２ａおよび２２ｂの面方向に配列されている。接続層１４ａおよび１４ｂは、それぞれ基部２２ａおよび２２ｂに熱的に接続されており、面方向に交差する方向（Ｚ方向）において熱電薄膜１２ａと１２ｂと交互に熱的および電気的に接続されている。このようなπ型の熱電変換装置において、図２５のように、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂのピッチ（周期：例えば寸法γｄおよび／または（１−γ）ｄ）を１μｍ以下とすることで、出力電力ＰＯＵＴを大きくできる。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの大きさは、０．５μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以下がより好ましい。熱電薄膜１２ａおよび１２ｂを薄膜技術で作製するため、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚ｔ０は、１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましい。また、半導体集積回路の作製技術を用いて成膜する熱電薄膜１２ａおよび１２ｂの膜厚は１μｍ以下が好ましく、５００ｎｍ以下がより好ましく２００ｎｍ以下がさらに好ましい。図２５のように膜厚ｔ０が１００ｎｍでも出力電力ＰＯＵＴを大きくできる。
【実施例４】
【０１１６】
図２６（ａ）は、実施例４に係る熱電変換装置の平面図、図２６（ｂ）は、図２６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２６（ａ）は、基部２２ａ、２２ｂおよび熱電変換ユニット４４を示している。図２６（ａ）および図２６（ｂ）に示すように、基部２２ａと２２ｂとの間に熱電変換ユニット４４が設けられている。熱電変換ユニット４４は、比較例１の図２（ａ）および図２（ｂ）と同様に熱電薄膜１２ａ、１２ｂ、接続層１４ａ、１４ｂおよび絶縁層１８を有している。平面視において基部２２ａおよび２２ｂに比べ熱電変換ユニット４４の面積を小さくする。基部２２ａと２２ｂとの間の熱電変換ユニット４４以外の部分には熱絶縁体４６が設けられている。熱絶縁体４６は、熱電薄膜１２ａ、１２ｂ、接続層１４ａ、１４ｂ、基部２２ａおよび２２ｂより熱伝導率が小さい。このように、熱絶縁体４６は電気的および熱的絶縁体である。基部２２ａおよび２２ｂの大きさはＤ０×Ｄ０であり、熱電変換ユニット４４の大きさはＤ×Ｄである。【０１１７】
実施例４について、恒温動物モデルを用いシミュレーションを行った。シミュレーションでは、Ｄ０＝１ｃｍ、ｔ０＝１００ｎｍ、ΔＴＳを１０Ｋ、熱絶縁体４６および絶縁層１８を真空とし、γｄ≧１μｍかつ（１−γ）ｄ≧１μｍとした。γとｍ０で最適化を行った。【０１１８】
図２７は、実施例４におけるＤに対するγｄ、（１−γ）ｄ、ΔＴ、βΔＴ、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。図２７に示すように、熱電変換ユニット４４が比較例１と同様のπ型であってもＤを小さくすると出力電力ＰＯＵＴが大きくなる。熱電変換ユニット４４がπ型の場合、Ｄ０×Ｄ０の領域に熱電薄膜１２ａおよび１２ｂを均一に分散させると、熱電薄膜１２ａおよび１２ｂ間を電気的に接続する接続層１４ａおよび１４ｂが長くなり、内部インピーダンスが高くなる。実施例４のように、Ｄ×Ｄの狭い範囲に熱電薄膜１２ａおよび１２ｂを収めると接続層１４ａおよび１４ｂが短くなり、内部インピーダンスを小さくできる。【０１１９】
［実施例４の変形例１］
図２８（ａ）は、実施例４の変形例１に係る熱電変換装置の平面図、図２８（ｂ）は、図２８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２８（ａ）は、基部２２ａ、２２ｂおよび熱電変換ユニット４４を示している。図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、熱電変換ユニット４４は、実施例１の図４（ａ）および図４（ｂ）と同様に熱電薄膜１２ａ、１２ｂ、接続層１４ａ、１４ｂ、熱伝導層および絶縁層を有している。平面視において基部２２ａおよび２２ｂに比べ熱電変換ユニット４４の面積を小さくする。熱絶縁体４６は、熱電薄膜１２ａ、１２ｂ、接続層１４ａ、１４ｂ、基部２２ａおよび２２ｂより熱伝導率が小さい。基部２２ａおよび２２ｂの大きさはＤ×Ｄであり、熱電変換ユニット４４の長さはＬである。【０１２０】
実施例４の変形例１ついて、恒温動物モデルを用いシミュレーションを行った。シミュレーションでは、Ｄ＝１ｃｍ、ｔ０＝１００ｎｍ、ΔＴＳを１０Ｋ、熱電変換ユニット４４内の絶縁層１８ａおよび１８ｂをポーラスシリコン（熱伝導率が３５．７ｍＷｍ−１Ｋ−１）とし、熱絶縁体４６をポーラスシリコンまたは真空とし、γｄ≧１μｍかつ（１−γ）ｄ≧１μｍとした。γとｍ０で最適化を行った。【０１２１】
図２９（ａ）は、実施例４の変形例１におけるＬに対するｔＣｕ、γｄ、ｍ０、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図、図２９（ｂ）は、ｔＣｕに対するＬ、γｄ、ｍ０、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。熱電変換ユニット４４内の絶縁層１８ａおよび１８ｂおよび熱絶縁体４６をポーラスシリコンとした。図２９（ａ）に示すように、熱絶縁体４６がポーラスシリコンのとき、Ｌを小さくすると出力電力ＰＯＵＴが大きくなる。この例ではＬが約３０μｍで出力電力ＰＯＵＴが最大となる。図２９（ｂ）のように、Ｌが約３０μｍおよびｔＣｕが約５００μｍのとき、出力電力ＰＯＵＴは約２０μＷで最大となる。熱絶縁体４６をポーラスシリコンの場合、熱絶縁体４６を介した熱流を抑制するため、ｔＣｕを大きくすることでＰＯＵＴが大きくなるが、ｔＣｕが大きすぎると熱伝導層の熱抵抗が大きくなるためＰＯＵＴはピークを持つ．【０１２２】
図３０は、熱絶縁体４６が真空のときのｔＣｕに対するＬ、γｄ、ｍ０、ＶＳおよびＰＯＵＴのシミュレーション結果を示す図である。熱電変換ユニット４４内の絶縁層１８ａおよび１８ｂはポーラスシリコンとした。図３０に示すように、ＬおよびｔＣｕが小さくなると出力電力ＰＯＵＴが小さくなる。ＬおよびｔＣｕが約０．１μｍのとき出力電力ＰＯＵＴは約１００μＷである。このように、熱絶縁体４６を真空とすると出力電力ＰＯＵＴが大きくなる。熱絶縁体４６を介した熱流がほとんど流れないため、ｔＣｕが薄くても出力電力ＰＯＵＴを大きくできる。【０１２３】
［実施例４の変形例２］
図３１は、実施例４の変形例２に係る熱電変換装置の断面図である。図３１に示すように、基部２２ａと２２ｂとの間を真空４６ａに保持するための保持壁４７を備えている。その他の構成は実施例４およびその変形例１と同じであり説明を省略する。【０１２４】
実施例４およびその変形例１および２によれば、基部２２ａ（第１基部）は人体等の恒温動物の生体の表面に熱的に接続される。基部２２ｂ（第２基部）は、大気（空気）に熱的に接続される。熱電変換ユニット４４（熱電変換ユニット）は、基部２２ａと２２ｂとの間に設けられている。熱絶縁体４６は、基部２２ａと基部２２ｂとの間であって熱電変換ユニット４４の外側に設けられ、熱電薄膜１２ａ、１２ｂ、基部２２ａおよび基部２２ｂの熱伝導率より小さい熱伝導率を有する。これにより、図２７、図２９（ａ）から図３０のシミュレーション結果のように、出力電力ＰＯＵＴを向上できる。【０１２５】
熱絶縁体４６は、実施例４の図２６（ａ）ように平面視において熱電変換ユニット４４を完全に囲っていてもよい。熱絶縁体４６は、実施例４の変形例１の図２８（ａ）ように平面視において熱電変換ユニット４４の両側のみに設けられていてもよい。熱絶縁体４６は、熱電変換ユニット４４の片側のみに設けられていてもよい。熱電変換ユニット４４のＸ方向の幅はＤより小さくてもよい。すなわち、熱電変換ユニット４４の±Ｘ方向の少なくとも一方は熱絶縁体４６が設けられていてもよい。図２６（ａ）および図２８（ａ）の場合ともに、平面視において、熱電変換ユニット４４の面積は基部２２ａおよび２２ｂの面積の１／１０以下が好ましく、１／１００以下がより好ましい。【０１２６】
熱絶縁体４６は、実施例１において例示した絶縁層１８ａおよび１８ｂの材料を用いることができる。例えば、熱絶縁体４６は、ポーラスシリコンのような固体層でもよい。ポーラスシリコンとしては、例えば高抵抗シリコンを用いたポーラスシリコン、または酸化等により電気的および熱的に絶縁体となるポーラスシリコンを用いることができる。これにより、基部２２ａおよび２２ｂを補強することができる。固体層としては、ポーラスシリコン以外のポーラスシリカなどの多孔質層等を用いることができる。【０１２７】
また、実施例４の変形例２のように、熱絶縁体４６は、大気圧より低い圧力を有する気体層または真空であり、保持壁４７（保持部）が真空を保持する。これにより、熱絶縁体４６を固体層とする場合に比べ熱絶縁体４６の熱伝導率を小さくできる。よって、図３０のように、出力電力ＰＯＵＴを大きくできる。熱絶縁体４６は大気圧の空気またはその他の気体（例えば窒素等）でもよい。実施例４についても、熱絶縁体４６は、真空、大気圧の空気またはその他の気体でもよい。また、実施例４およびその変形例において、熱電変換ユニット４４内の絶縁層１８、１８ａおよび１８ｂ（図４（ｂ）等参照）は、固体以外に真空、空気またはその他の気体でもよい。【０１２８】
熱絶縁体４６と絶縁層１８、１８ａおよび１８ｂとは同じ材料でもよいし異なる材料でもよい。絶縁層１８、１８ａおよび１８ｂは、熱電薄膜１２ａ、１２ｂ、接続層１４ａおよび１４ｂを保持するため固体層とし、熱絶縁体４６は出力電力ＰＯＵＴを大きくするため空気層または真空としてもよい。【０１２９】
［実施例４の変形例３］
図３２（ａ）は、実施例４の変形例３に係る熱電変換装置の平面図、図３２（ｂ）は、図３２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３２（ａ）および図３２（ｂ）に示すように、単一の基部２２ａと単一の基部２２ｂとの間に実施例４の熱電変換ユニット４４に対応する熱電変換ユニット４４が複数設けられている。各熱電変換ユニット４４は平面視において熱絶縁体４６に囲まれている。複数の熱電変換ユニット４４は、電気的に直列または並列に接続されていてもよい。【０１３０】
［実施例４の変形例４］
図３３（ａ）は、実施例４の変形例４に係る熱電変換装置の平面図、図３３（ｂ）は、図３３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３３（ａ）および図３３（ｂ）に示すように、単一の基部２２ａと単一の基部２２ｂとの間に実施例４お変形例１の熱電変換ユニット４４に対応する熱電変換ユニット４４が複数設けられている。各熱電変換ユニット４４は平面視において熱絶縁体４６に囲まれている。複数の熱電変換ユニット４４は、電気的に直列または並列に接続されていてもよい。【０１３１】
実施例４の変形例３および４によれば、基部２２ａと２２ｂとの間に熱絶縁体４６を介し互いに離間した複数の熱電変換ユニット４４が設けられている。これらの相互接続により、出力電圧および電力を適切に設定できる。【０１３２】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【０１３３】
１０  ゼーベック素子
１２ａ、１２ｂ  熱電薄膜
１４ａ、１４ｂ  接続層
１６ａ、１６ｂ  熱伝導層
１８、１８ａ、１８ｂ  絶縁層
２０  絶縁膜
２２ａ、２２ｂ  基部
２４ａ、２４ｂ  電極
２８ａ、２８ｂ  溝
４４  熱電変換ユニット
４６  熱絶縁体
４７  保持壁
５０  発電装置
５２  集積回路素子
５４  放熱部材
６０  制御回路
６２  蓄電装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【国際調査報告】
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