(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型熱電材料エレメントとｎ型熱電材料エレメントが二枚の基板に挟まれ、基板上でｐ型熱電材料エレメントとｎ型熱電材料エレメントが金属等の導電性物質を介してｐｎ接合されている熱電変換素子において、一方の基板に形成された温度検出装置及び前記温度検出装置の入出力電極を具備し、かつ、この温度検出装置及び前記温度検出装置の前記入出力電極が形成されている基板の面は前記熱電材料エレメントが挟まれている側の面であり、前記温度検出装置の入出力電極と、この温度検出装置が形成されている基板と対向するもう一方の基板に形成されたこの温度検出装置の入出力を取り出すための電極とが、導電性材料により接続されていることを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】
前記導電性材料は、前記熱電変換素子を構成するｐ型熱電エレメント又はｎ型熱電材料エレメントのうちのどちらか一方と同一の熱電材料であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記温度検出装置の入出力電極と、前記温度検出装置の入出力を取り出すための電極とを接続する熱電材料が、前記熱電変換素子の熱電変換として使われる熱電材料からなるエレメントと電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記温度検出装置の入出力電極と、前記温度検出装置の入出力を取り出すための電極とを接続する熱電材料の形状が、前記熱電変換素子の熱電変換として使われる熱電材料からなるエレメントと同じ形状であることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記温度検出装置がサーミスタであることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記基板が表面に絶縁層が形成されたシリコンであり、かつ、前記温度検出装置がシリコンの温度と抵抗値の関係に基づくものであることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の熱電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ効果による冷却、発熱およびゼーベック効果による熱発電を行う熱電変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換素子（ペルチェ素子あるいは電子冷却装置等とも称されるが、これらを含めて熱電変換素子と称す）は、一般にｐ型熱電材料チップとｎ型熱電材料チップが二枚の基板に挟まれ、かつ、基板上でｐ型熱電材料チップとｎ型熱電材料チップが金属等の導電性物質を介してｐｎ接合されている構造を有している。
従来このような構造の熱電変換素子においては、二枚の基板の温度を検出したり、その温度を制御するために、基板の上にサーミスタ等の温度検出装置を接着等により取り付け搭載し、温度検出装置の入出力電極と外部の制御装置等とリード線等により接続していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の熱電変換素子では、正確な温度検出や温度制御を行うためには基板上にサーミスタ等の温度検出装置等を搭載する必要があった。このため、熱電変換素子の基板に温度検出装置を搭載する領域を設ける必要があるのと同時に温度検出装置の熱容量の影響を考える必要があり、本来の必要とする性能以上の仕様が熱電変換素子に要求されてきたという問題点があった。さらに、電変換素子を冷却素子として使用する場合には、冷却の負荷とならないようにするため放熱側となる基板側にこの入力電極が形成されている。一方、サーミスタ等の温度検出装置は冷却側の基板に取り付けられているのが一般的である。このような場合、温度検出装置と外部の制御装置とを接続するリード線により外部から熱が流れ込むために冷却に対する負荷を大きくするといる問題もあった。
【０００４】
さらに、これら、性能面に対する影響だけでなく、この構造をとるために温度検出装置と外部の制御装置とを接続する、いわゆる実装工程においても立体構造体どうしの接続といった複雑な工程をとるためコストや歩留まりといった点においても好ましい構造とは言い難かった。
以上のような問題は、特に小型の熱電変換素子で著しく、例えば、光通信で用いられる半導体レーザーはその発熱のために熱電変換素子による冷却が必要とされているが、使われる熱電変換素子は、その大きさが数ｍｍ角と小さいため温度制御用のセンサー等が搭載されることにより、その大きさや冷却性能に大きな影響を与えてしまい、全体としての小型化・小電力化という点に対して問題を与えていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電変換素子は、熱電変換素子を構成する２枚の基板のうち少なくとも一方に温度検出装置（温度センサー）を基板と一体化した形で備えている。このため、温度検出のための部品を搭載する必要がない。
さらに、この温度検出装置を形成する面を熱電変換素子のエレメントが接合されている面とする。これにより、温度検出装置の入出力電極を導電性物質、すなわち、熱電変換素子として使われる熱電エレメントと同じ材料を用いて直接形成することができる。この入出力電極により温度検出装置が形成された基板と反対側の基板の電極とを接続する。これにより、温度検出装置が形成されている側の基板と反対側の基板から入出力を行うことが出来る。したがって、熱電変換素子の温度調節面に対して、熱負荷を小さくすることができる。
【０００６】
温度検出装置として、サーミスタを採用することにより、薄膜または厚膜化することができるので基板と一体化が可能となると同時に熱電材料による熱電変換素子を構成する２枚の基板間での入出力電極の接続が可能となる。
熱電変換素子を構成する基板の少なくとも一方が、表面に絶縁層が形成されたシリコンであり、温度検出装置が該シリコンの半導体特性に基づくものであることにより、温度検出装置と基板との一体化が可能となる。さらに、半導体技術を適用できるので、小型の熱電変換素子の場合においても、素子を構成する２枚の基板間での入出力電極の接続が可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明による実施の形態は、熱電変換素子を構成する基板のうち少なくとも一方の基板の、熱電エレメントが接続されている面に、温度検出装置が形成されている。この温度検出装置は薄膜技術や半導体技術等により形成する。また、この熱電変換素子は温度検出装置を基板上に形成したのち、熱電エレメントを接合することにより素子として作り上げることができる。これにより、温度検出装置を熱電エレメント接合用電極と同一面に形成できるので、作製工程が施されるのが基板の片面だけとなり、反対面に温度検出装置を形成する場合と比較すると作業性等において非常に有利となる。
【０００８】
さらに、基板と温度検出装置が一体化しているので、チップ部品として供給されるサーミスタなどの温度検出装置を熱電変換素子を構成する基板に搭載する必要がなくなる。したがって、上述した問題点、すなわち、熱電変換素子を不必要に大きくしたり、過剰な性能を持たせる必要がなくなるのである。
また、温度検出装置に直接形成されている入出力電極と、温度検出装置が形成されている基板に対向する他方の基板上に形成されている電極とを、導電性物質によって接続した構成とする。
これにより、温度検出装置が形成されている基板に対向する基板から温度検出に係わる入出力を行うことが出来る。したがって、温度検出器を必要とする熱電変換素子の温度調節面で温度検出装置と外部とを直接的に接続することがなくなり、一方の基板（熱電変換素子の熱電変換としての電力を供給する電極が形成されている基板）だけで外部との電気的な接続を行うことができる。さらに、接続するための材料とその大きさ等を適宜設計することにより温度調節面に対する熱負荷を小さくすることができる。
【０００９】
さらに、温度検出装置に直接形成されている入出力電極と、温度検出装置が形成されている基板に対向する他方の基板上に形成されている電極とを、熱電エレメントを構成している熱電材料と同じ材料で接続する。
これにより、電極を接続するための熱電材料は、導電性物質のなかで最も熱伝導率が小さい物質の一つとなり、温度検出装置と外部を接続する際に、一般的に用いられる金ワイヤー等の金属と比べて熱伝達を小さくすることができるので、温度調節面に対する熱負荷を小さくすることができる。
また、この構造を採用することにより、熱電エレメント接合時に、この接続用の熱電材料も同時に接続することができるので、作業性、コスト等の面で有利となる。
【００１０】
さらに、温度検出装置に直接形成されている入出力電極と温度検出装置が形成されている基板に対向する他方の基板上に形成されている電極を接続する熱電材料を、熱電変換素子として使われている熱電エレメントと電気的に絶縁する構成とした。
さらに、温度検出装置に直接形成されている入出力電極と温度検出装置が形成されている基板に対向する他方の基板上に形成されている電極とを接続する熱電材料が複数本である場合に、これらの熱電材料の半導体としての型（ｐ型及びｎ型）をすべて同じ型とする。
基板間電極を接続する材料が異なる場合には、素子の動作時に生じる基板間の温度差によって熱起電力が発生するが、このように同じ型の熱電材料を用いることにより、素子の動作時に基板間に温度差があっても熱起電力は生じないので、温度測定に対して影響を与えない。
【００１１】
また、この構造を採用することにより、その製造面において、熱電エレメント接合時にこの接続用の熱電材料も同時に接続することができるので、作業性、コスト等の面で有利となる。
さらに、この電極接合に用いられている熱電材料を熱電エレメントと同じ大きさ、形状等とする。
これにより、その製造面において、この接続用に用いる熱電材料を熱電エレメントを形成する工程中に同時に形成することが出来るとともに、同時に接続用の熱電材料により電極を接続することができるので、作業性、コスト等の面で有利となる。
【００１２】
さらに、熱電変換素子の基板に一体形成する温度検出装置をサーミスタにより構成する。これにより、熱電変換素子の基板に広く使われるアルミナ基板上に容易に作り込むことが可能となる。一般に、サーミスタは、Ｔａ−ＳｉＯ2のような金属とセラミックスあるいは半導体などの複合体などが用いられるが、アルミナのような絶縁性基板の上には、スパッタリング等により薄膜として形成し後、必要な形状にエッチング等の加工したり、ペースト上の原料を印刷等により所望の形状にしたのち焼成することにより、作ることができるので、容易に熱電変換素子の基板上に一体化して作り込むことができる。
【００１３】
さらに、熱電変換素子を構成する基板にシリコン基板を用いる構成とする。この場合、熱電変換素子の温度検出装置の温度検出手段として、シリコンの有する温度に対する半導体特性を用いることができる。たとえば、シリコンの表面近傍に不純物を適宜ドーピングすることにより温度変化に対して抵抗率が大きく変化する。このような領域を基板の一部に形成することにより、熱電変換素子を作製することができる。
【００１４】
この熱電変換素子では、数ｍｍ角程度の基板に数十から数百の熱電材料チップが接合されているような非常に小さな熱電変換素子に対して、基板をシリコンとすることにより、特開平８−９７４７２号公報に記載されたような熱電変換素子の製造方法を用いることにより、一枚の基板から数多くの熱電変換素子を作ることが可能となると同時にシリコン基板作製時に温度センサーを作り込んでおくことにより容易にかつ低コストで温度検出装置付きの熱電変換素子を提供することができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本願発明を実施例に基づいて、図面を参照に詳細に説明する。
（実施例１）
図１は本発明の熱電変換素子の基板面に平行な面における各部の位置関係、すなわち基板上面から透視した、主要部の配置を示す図である。また、図２は図１で示した破線Ａ−Ａ’における縦断面を示す断面図である。両図面において、熱電変換素子の基本構成は従来のπ型素子と呼ばれるものと同様な構造を有している。すなわち、下部基板１および上部基板２上に形成された下部ｐｎ接合用電極３および上部ｐｎ接合用電極４、さらにｐ型Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料チップからなるｐ型エレメント５とｎ型Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料チップからなるｎ型エレメント６から構成されている。なお、熱電変換素子の基板に上下はないが、ここでは本実施例を説明するにあたり、上部および下部基板を便宜上定義した。本実施例では、このようなπ型熱電変換素子の基本的な構造に加え、上部基板２上にサーミスタ７が形成され、サーミスタ７とサーミスタ上に形成されたサーミスタ抵抗測定用電極８と下部基板１上に形成された温度検出出力取り出し用電極９は接続用導体１０により接続されている。
【００１６】
このような構成・構造を有する熱電変換素子を作製するための具体的な工程を以下に記す。まず、ニッケルめっきが施された銅電極が片面に直接接合されている高熱伝導性を有するアルミナ基板の電極が接合されている側の基板面に薄膜サーミスタ材料（特性としてはＮＴＣ）であるＳｉＣ薄膜をスパッタリングにより形成した。スパッタリングの際、ＳｉＣ膜がサーミスタとしての形状を確保するように、メタルマスクによるマスキングを行なった。これにより、図１および図２に示したサーミスタ７が形成され、次に、ＳｉＣを形成するのと同様にメタルマスクでマスキングしたスパッタリングによりＣｒ、Ｎｉ、Ａｕからなる電極８を形成した。なお、ここで作製したサーミスタの特性は、２５℃において、Ｒ＝１５ｋΩ、Ｂ定数＝４１００Ｋを有するものとした。
【００１７】
このように、薄膜型サーミスタが形成された電極付き基板と、単に電極が形成された対向基板との間に、大きさ０．６ｍｍ×０．６ｍｍ、高さ１ｍｍのＢｉ−Ｔｅ系熱電材料からなるｐ型エレメント５およびｎ型エレメント６を挟み込み、ハンダによる接合を行なうことにより、最終的にはｐｎ接合数７対（エレメント数１４本）、基板外形寸法４．５ｍｍ×４．５ｍｍ、総厚み２．３ｍの熱電変換素子を作製した。このハンダによる熱電材料エレメントの接合の際、銅製の接続用導体１０も同時に接続した。これにより、一方の基板に、温度検出装置としてサーミスタが基板の熱電材料エレメント接合面に一体化したかたちで形成され、しかも、この基板に対向するもう一つの基板にサーミスタの電極が接続されている構造を有する本願発明の熱電変換素子を作製することができた。
【００１８】
このようにして作製した熱電変換素子のサーミスタ７が形成されている基板を冷却側とし、対向する基板に放熱板を取り付けることにより、真空中でその冷却特性を調べたが、温度の測定は、サーミスタ７につながる電極９を利用することにより行った。放熱側の温度を３０℃一定となるように十分放熱しながら、熱電変換素子に電流を流したところ、冷却面のサーミスタ７が示す温度値は電流値の増加とともに低下し、電流値が１．２Ａのとき−３６℃（ΔＴ＝６６℃）となり最低温度を示した。その後さらに電流値を増加したところ、通電によるジュール熱の発生が優勢となり、サーミスタ７が示す温度値は徐々に上昇した。
【００１９】
一方、比較として、実施例の熱電変換素子と同型（サイズ、ｐｎ接合数）の従来型の熱電変換素子にチップ状のサーミスタ（約２ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍｔ）を接着し、サーミスタと外部の計測機器をリード線にて接続することにより、同様の性能評価を行なったところ、熱電変換素子に流した電流が１．２Ａのとき最低温度−３２℃（ΔＴ＝６２℃）を示した。
【００２０】
さらに、図３に、これら２つの熱電変換素子（本発明に係わる熱電変換素子と比較のために作製した従来型の熱電変換素子）の冷却性能を比較するために、最大温度差を示す電流値である１．２Ａを通電し、時間変化に対して各サーミスタが示した温度を示す。従来型のサーミスタ部品を接着搭載した熱電変換素子の冷却特性を示す曲線Ｂでは、最大温度差ΔＴ＝６２℃を示すまで約１０秒要している。これに対して、本発明による薄膜サーミスタを基板に直接形成した熱電変換素子では、曲線Ａで示したように最大温度差であるΔＴ＝６６℃を示すのに要する時間は約５秒である。
【００２１】
以上示したように、本発明による熱電変換素子は、チップ状サーミスタを接着することにより搭載した従来型の熱電変換素子と比べて、最大温度差で約４℃勝り、最大温度差を得るまでの時間も約１／２となっており、非常に優れた性能を有するものであった。
なお、本実施例の熱電変換素子では、温度検出装置であるサーミスタを一方の基板に形成したが、熱電変換素子を構成する２枚の基板の温度を管理・制御する場合には、両方の基板に温度検出器を形成し、一方の温度検出装置の入出力電極を本実施例の構造とし、他方の基板に形成した温度検出装置の入出力電極をその基板に形成することにより、すべての電気的な接続を一方の基板で行うことができる。
【００２２】
（実施例２）
実施例２では、熱電変換素子を構成する熱電材料がＢｉ−Ｔｅ系焼結材料、エレメントの大きさが１２０μｍ×１２０μｍ、高さ（厚み）が６００μｍ、エレメント数が１０２本（ｐｎ５１対）であり、素子の外形寸法が３ｍｍ×３ｍｍ、厚みが約１．３ｍｍである超小型熱電変換素子に本発明を適用した例について記す。
【００２３】
このような超小型熱電変換素子を、従来のように治具等を用いてエレメントを基板に挟み込む方法で作製することは非常に困難であり、不可能といっても過言ではない。そこで、本実施例においては、素子を構成する基板にシリコンウエハを用い、微細加工技術の一つである薄膜形成技術とフォトリソグラフィー技術により基板上の電極等を作製すると同時に、基板であるシリコンが有する半導体特性を利用して温度検出装置が一体化されている熱電変換素子を作製した。すなわち、シリコン基板に不純物を適宜拡散させることにより作製される拡散抵抗の温度特性を利用することにより、温度検出装置を構成する。以下にこの温度検出装置及び熱電素子について実施例を基に説明する。
【００２４】
図４に本実施例の熱電変換素子の主要部の位置関係を示す。すなわち、図４は基板上面から透視した主要部の配置を基板面に平行な平面上に示した模式図である。また、図４の破線Ａ−Ａ’における断面を図５に示す。また、図４の破線Ｂ−Ｂ’における断面を図６に示す。
本実施例の熱電変換素子の基本構成も実施例１と同様、従来のπ型素子と呼ばれる構造を有している。図４、５、６に示すように、基本的な構造は実施例１で作製した熱電変換素子と同様であるが、ｐｎ接合を行なうための電極１３および１４の配置、エレメント１５および１６の並び等の位置関係等が異なっているとともに、温度検出装置がサーミスタではなく拡散抵抗１７となっている。また、上部基板１１上に形成されている拡散抵抗１７からの温度測定情報を出力するための電極１８および１９とさらに、この熱電変換素子の外部に出力するために下部基板１２に設けられた外部との接続用電極２０および２１とを接続するための接続体２２、２３を備えている。この接続体２２および２３は、この熱電変換素子を構成する熱電エレメントの材料であるｐ型Ｂｉ−Ｔｅ系材料で構成されている。接続体２２および２３は、以下に記すようにｐ型エレメントの作製と同時に作られるものであり、本実施例における基本的な熱電変換素子の作製工程に完全に一体化されている。
【００２５】
このような構造を有する熱電変換素子の製造方法は、基板に温度検出部と電極層を形成する上部基板作製工程と、対向基板に電極層を形成する下部基板作製工程と、熱電材料焼結体にハンダバンプを形成するハンダバンプ形成工程と、それぞれの基板に熱電材料を接合する基板−熱電材料接合工程と、熱電材料を切断（ダイシング）して基板上にエレメントを形成するエレメント構成工程と、エレメントが形成された２枚の基板を張り合わせる組み立て工程と、を備えている。
以下にこれらの工程を詳細に説明する。
【００２６】
図７は本実施例の熱電変換素子の製造方法における上部基板作製工程のうち、温度検出部の製造方法の概略を記した図である。
まず、熱酸化により、比抵抗値１０ｋΩｃｍのシリコンウエハ２４表面に熱酸化膜２５を形成する（図７ｂ）。この熱酸化膜２５が形成されたシリコンウエハ２４の一方の面に、温度検出装置となるべき部分（拡散抵抗を形成すべき部分）に開口部を有するフォトレジスト２６でマスキングする（図７ｃ）。このときのフォトレジスト２６の開口部の大きさは、１０μｍ×２００μｍとした。次に、このフォトレジスト開口部に不純物を拡散させるために、イオン注入法によりリンを１０-13ｃｍ-2注入する。これにより、イオン注入層２７が形成される（図７ｄ）。さらに、イオン注入により生じたイオン注入層２７のダメージを取り除くために、熱拡散（９５０℃）を行い、それにより拡散抵抗層２８が形成される（図７ｅ）。この拡散抵抗層２８が温度検出を行う部分であり、５０００オングストロームの深さで形成される。
【００２７】
このように、温度検出を行う拡散抵抗層２８を形成した後、ＳｉＯ2系保護層２９をＣＶＤ法により形成する（図７ｆ）。さらに、温度検出装置としての取り出し電極を設けるために、フォトリソグラフィー（ドライエッチング法）によりＳｉＯ2系保護層２９に開口部を形成する（図７ｇ）。この開口部とその周囲のＳｉＯ2系保護層２９の上にアルミニウム電極３０をスパッタリング法とフォトリソグラフィーにより形成し（図７ｈ）、さらに、アルミニウム電極３０の外部との接続部のみが露出するように窒化ケイ素系保護層３１をＣＶＤ法により形成する（図７ｉ）。
【００２８】
ここで、２００μｍの長さで形成された拡散抵抗層２８は、アルミニウム電極３０が接続して形成されることにより、実施的な抵抗としての長さが１００μｍとなる。以上により、長さ１００μｍ、幅１０μｍ、深さ０．５μｍで、抵抗４００ｋΩを有する拡散抵抗による温度検出装置を作り上げることが出来た。
このようにして作製された温度検出装置を有するシリコンウエハを、図５における熱電変換素子の上部基板１２として作り上げる工程を図８に示す。まず、温度検出装置が形成されたシリコンウエハ（図８ａ）にウエハ側からＣｒ−Ｎｉ−Ａｕの３層からなる層３２をスパッタリング法により形成する（図８ｂ）。この層３２は、図４および５における上部ｐｎ接合用電極１４を構成する層となるだけではなく、温度検出装置部の開口部に露出したアルミニウム電極３０を保護するとともに、拡散抵抗温度検出装置電極１８、１９として機能するものである。これらの３層からなる各電極を形成する方法として、フォトリソグラフィー法を採用したが、各部の構造は下記の通りとした。アルミニウム電極３０の開口部とその周囲（窒化ケイ素保護層３１上）では、アルミニウム電極３０を完全に覆うように電極３３を形成した。また上部ｐｎ接合用電極３４は、図４に示した上部基板１２上の上部ｐｎ接合用電極１４のパターンとなるようした（図７ｃ）。
【００２９】
次に、下部基板作製工程を図９に基づいて説明する。下部基板にはシリコンウエハ３５表面に熱酸化層３６を形成したものを使用した。まず、スパッタリング法により基板側から順にＣｒ−Ｎｉ−Ａｕの３層からなる層３７を形成する（図９ｂ）。次に、図４及び図５に示した下部基板電極パターン１１に加え、温度検出装置との接続および外部との接続用電極２０および２１を加えたパターンとなるようにフォトエッチングにより下部ｐｎ接合用電極３８を形成した（図９ｃ）。
【００３０】
次に、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料焼結体上へのハンダバンプ形成工程について、図１０に従って説明する。なお、このハンダバンプ形成工程は、ｐ型およびｎ型のいずれの熱電材料についても共通の工程である。
厚さ６００μｍに研磨した板状のＢｉ−Ｔｅ系熱電材料焼結体３９（図１０ａ）の両面に円形で径１１０μｍ、中心間距離３２０μｍの開口部を有する厚さ４０μｍのフォトレジスト層４０を形成する（図１０ｂ）。この時、各面の開口部が正確にアライメントされるようにフォト工程は両面アライナーを用いて行った。次に、この開口部にフォトレジスト層４０の厚みと同じ厚みである４０μｍのＮｉバンプ４１を湿式めっき法により形成した（図１０ｃ）。さらに、ハンダバンプとなるべきハンダめっき（Ｓｎ：Ｐｂ＝６：４）４２を湿式ハンダめっき法により３０μｍの厚みとなるように形成し（図１０ｄ）、その後、フォトレジストを剥離してロジン系ハンダフラックスをハンダめっき４２に塗布し、２５０℃に加熱設定されたリフロー炉に通すことによりハンダめっき４２をリフローする。これにより、熱電材料の両面にＮｉバンプを“土台”とし、高さ１００μｍのほぼ球形なハンダバンプ４３を３２０μｍピッチで作製することが出来た（図１０ｆ）。このようにして作製した両面にハンダバンプが形成された熱電材料を、ダイシング装置を用いてハンダバンプ３６の数が７×８個（片面）となるように切断し、一個の熱電変換素子に使用されるエレメントの試料とした。この７×８個すなわち片面５６個のハンダバンプが付いた熱電材料は、このハンダバンプが形成されている部分が以下に記す工程を経てエレメントとなるが、このうち図４において破線Ａ−Ａ’で示した部分では、熱電変換とは直接係わらないエレメントがいくつか形成される。この熱電変換に係わらないエレメントのうち、図４の２２および２３に位置するエレメントを接合材として利用することにより、上部基板の電極１８、１９と下面基板の電極２０、２１とをそれぞれ接続することとなる。
【００３１】
次に、基板―熱電材料接合工程について、図１１に示した概略図を基に説明する。なお、この工程においてもｐ型およびｎ型熱電材料にかかわらず同様に行われるので一方について説明する。（下面基板にｐ型熱電材料を接合する場合を例に挙げた。）
まず、下部基板作製工程で作製した下部基板４４とハンダバンプが両面に形成されたエレメント作製用ｐ型熱電材料４５を治具を用いてアライメントする。すなわち、下部基板４４の下部ｐｎ接合用電極４６とハンダバンプ４７とをアライメントする。この状態で、２５０℃で加熱することにより基板−熱電材料の接合を行った。このとき、熱電変換に係わる接合だけでなく、先に記したように、図４の上部基板の電極１８、１９と下面基板の電極２０、２１とをそれぞれ接続することなるエレメントとなる部分に位置するハンダバンプも同時に接合もなされる。この接合では、下部基板４４と熱電材料４５との間には、熱電材料４５に形成した高さ４０μｍのＮｉバンプにより、この高さ（４０μｍ）に、ほぼ等しい間隙を有している。この間隙を利用することにより、基板に接合されたエレメントの作製が以下に説明するように行われる。
【００３２】
図１１に示した熱電材料が接合されている基板において、シリコン半導体などをチップ状に切断するために用いるダイシング装置に刃の厚み２００μｍのダイシングブレードを取り付け、下部基板４４と熱電材料４５との間に存在するＮｉバンプにより作られた約４０μｍの間隙を利用し、シリコン基板４４およびｐｎ接合用電極４６を切断しないように刃先を設定し、ハンダバンプ間の熱電材料４５のみを切断する。これにより、図１２に示すような、ハンダバンプ５０の付いたエレメント５１が接合された基板５２が作製される。このようにして、ｐ型エレメントが接合された下部基板を作製する。このとき同時に、図４における接続体２２および２３も下面基板に接合された状態で形成される。同様にして、ｎ型エレメントが接合された上部基板も作製すことができる。
【００３３】
なお、このエレメントが接合された基板の作製に際しては、熱電変換素子１個分の大きさで作製してもよいが、複数個分をまとめて作製し、その後、１個の熱電変換素子の大きさにシリコン基板を切断してもよい。
次に、最後の工程であるエレメントが接合されている２枚の基板の張り合わせ（組み立て）工程について図１３に基づいて説明する。
【００３４】
図１３（ａ）に示したように、上部基板５３と下部基板５４をエレメント５５が接合されている面を向かい合わせると同時にエレメントの先端に付いているハンダバンプ５６を対向する基板のｐｎ接合用電極５７にあわせ、基板外部より適宜加圧しながら、全体を２５０℃に加熱する。このようにして、エレメントとそれに対向する基板を接合し、目的とする熱電変換素子を作製した（図１３ｂ）。なお、図１３（ｂ）では、上部基板でｐｎ接合を形成しているエレメント対が下部基板でもｐｎ接合を同時に形成しているように描かれているが、これは、本実施例の熱電変換素子のエレメント等の配置を基板面から透視した図である図４において、これと垂直方向である縦断面方向におけるエレメント等の配置を概観した図である。したがって、実際には上部基板でｐｎ接合を形成したエレメントは下部基板では別のエレメントと接合を形成していることはいうまでもない。
このエレメントと基板の接合時において、図４および５における接続体２２および２３も同時に接合され、拡散抵抗温度検出装置の温度測定情報を下部基板に設けられた電極２０および２１により外部に取り出せるようにすることができた。以上のようにして作製された本実施例の熱電変換素子、すなわち、拡散抵抗を利用した温度検出装置を備えたシリコン基板で構成された熱電変換素子の性能は次の通りであった。
【００３５】
下部基板の表面（放熱面）の温度を３０℃一定に保ち、各電流値に対する上部基板の表面（冷却面）と下部基板との温度差を上部基板に作り込んだ拡散抵抗を利用した温度検出装置により測定した結果を図１３に示す。本実施例では、熱電変換素子を冷却に用いるため、温度検出装置を冷却面に設けることが好ましい。この図から、最大温度差は電流値８０〜１００mＡのとき約６０℃であることが読み取れる。また、通電開始から各電流値における定常状態にいたるまでの時間は、約３秒であることがわかる。一方、この熱電変換素子にチップ状サーミスタを接着搭載して、同様の測定を行ったところ、最大温度差は電流値８０ｍＡのとき得られ、その温度差はサーミスタでは５３℃、拡散抵抗を利用した温度検出装置では６０℃の温度差を示した。また、通電開始から各電流値における定常状態にいたるまでの時間は、各電流値で大きなバラツキが認められサーミスタでは５〜１５秒、拡散抵抗温度検出装置では５〜１２秒であった。
【００３６】
以上のように、熱電変換素子にサーミスタを接着取り付けした場合（従来の場合）、サーミスタ自身が熱負荷となり熱電変換素子の持つ本来の性能が発揮されていないことがわかる。したがって、従来のように熱電変換素子に被冷却物を搭載する場合、サーミスタの熱負荷をも加味する必要があり、本来必要とされる熱電変換素子の能力以上の素子を使用する必要があるという欠点をあらためて確認できたと同時に本実施例で作製した熱電変換素子では、サーミスタのように熱負荷となるチップ部品が搭載されないので、不必要に大きな熱電変換素子を被冷却物に適用することが無くなると同時に非常に安定した冷却状態を作り出すことが出来ることが確認できた。
【００３７】
なお、実施例１及び２では温度検出装置を上部基板（冷却面）に形成したと説明しているが、言うまでもなく熱電変換素子は上下の規定はなく、また、冷却面および放熱面は通電方向を変えることにより任意に変更できる。さらに、温度検出装置を一方の基板にのみ形成したが必要に応じて両基板に形成してもよいことは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
二枚の基板に挟まれたｐ型熱電材料エレメントとｎ型熱電材料エレメントが導体を介してｐｎ接合されてなる熱電変換素子において、この熱電変換素子を構成する基板の、少なくとも一方に温度検出装置を一体的に形成したので、サーミスタのように熱負荷となるチップ部品を温度検出装置として搭載する必要がないので、被冷却物に対して不必要に大きな熱電変換素子を適用することが無くなると同時に非常に安定した冷却状態を作り出すことができる。
【００３９】
少なくとも一方の基板に基板と一体形成された温度検出装置を具備し、かつ、該温度検出装置が形成されている基板の面が熱電材料からなるエレメントが挟まれている側の面であることにより、エレメントが接続されている側（いいかえれば熱電変換素子の内部）で温度検出装置に直接形成された電極とこれに対向する面に形成された外部機器との接続用電極とを導電性の接続体により接続できる。このような接続により、温度検出装置と外部機器との接続を温度検出装置、すなわち、温度制御される基板とは反対の基板を用いて行える構造を取り得ることが出来る。従って、温度制御面に不要な配線や熱負荷を与えることが無くなる。
【００４０】
また、温度検出装置に直接形成された電極とこれに対向する面（基板）に形成された外部機器との接続用電極とを接続するための接続体をこの熱電変換素子に使用されている熱電材料と同じ材料とすることにより、熱の流れを小さくすることができるので性能の低下を防ぐことが出来ると同時に製造時に特別な接続体を作製することがないのでコスト面でも有利となる。
【００４１】
この接続体に使われている熱電材料がこの熱電変換素子の熱電変換として使われる熱電材料からなるエレメントと電気的に絶縁されてることにより、熱電変換素子に通電する電流による影響を受けることが無くなる。
接続体に用いられる熱電材料が半導体としての特性がすべて同型であることにより、温度差により生じる熱起電力をなくすことが出来るので測定精度を上げることが出来る。
【００４２】
接続体として使われている熱電材料の形状が、この熱電変換素子の熱電変換として使われる熱電材料からなるエレメントと同じ形状であることにより、製造工程において同じ手段で作られるエレメントを使用することが出来るのでコスト面で有利となる。
また、熱電変換素子に一体化して形成される温度検出装置が直接基板に薄膜法や厚膜法で一体化形成されたサーミスタであることにより、アルミナ基板や絶縁を施したシリコン基板上の任意の位置に温度検出装置を形成することが出来ると同時に安価に作製することができる。
さらに、表面に絶縁層が形成されたシリコン基板を熱電変換素子の基板として用い、かつ、温度検出装置がシリコンの半導体特性を利用したものであることにより、従来の方法では作製できない温度検出装置付きの高性能超小型熱電変換素子を作製することが出来る。
【００４３】
以上、本願発明による熱電変換素子では、特に、小型の熱電変換素子で著しく有効である。例えば、光通信で用いられる半導体レーザーはその発熱のために熱電変換素子による冷却が必要とされているが、ここに用いられる熱電変換素子は大きさが数ｍｍ角と小さいため、温度制御用のセンサー等が搭載されると、その大きさや冷却性能に大きな影響を与えてることとなる。そのため、全体としての小型化・小電力化という点に対して問題を生じていたが、本発明の熱電変換素子によれば、これらの問題は飛躍的に改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱電変換素子の主要部の位置関係を示す基板上面からの透視図。
【図２】図１の破線Ａ−Ａ’による縦断面を示す断面図。
【図３】通電時間に対する本発明の熱電変換素子と従来型の熱電変換素子の各サーミスタが示した温度の測定結果を示すグラフ。
【図４】本発明の第２実施例による熱電変換素子の主要部の位置関係を示す、基板上面からの透視図。
【図５】図４において示した破線Ａ−Ａ’における縦断面を示す断面図。
【図６】図４において示した破線Ｂ−Ｂ’における縦断面を示す断面図。
【図７】第２実施例における、基板上に温度検出装置部を形成する製造工程を表す概略図。
【図８】第２実施例における、温度検出装置が形成された基板を熱電変換素子の上部基板として加工する工程を表す概略図。
【図９】 第２実施例における下部基板作製工程を表す概略図。
【図１０】第２実施例における、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料焼結体上へのハンダバンプ形成工程を表す概略図。
【図１１】第２実施例における、基板に熱電材料が接合されている状態を示した図。
【図１２】ハンダバンプが形成されたエレメントと基板とが接合された状態を示した図。
【図１３】第２実施例における、エレメントが接合されている２枚の基板を張り合わせる（組み立て）工程を表す概略図。
【図１４】拡散抵抗を利用した温度検出装置による、各電流値ごとの放熱面と冷却面との温度差の測定結果を示す図。
【符号の説明】
１、１１        下部基板
２、１２        上部基板
３、１３        下部ｐｎ接合用電極
４、１４        上部ｐｎ接合用電極
５、１５        ｐ型エレメント
６、１６        ｎ型エレメント
７              サーミスタ
８              サーミスタ抵抗測定用電極
９              電極
１０              接続用導体
１７              拡散抵抗
１８、１９        温度測定情報を出力するための電極
２０、２１        外部との接続用電極
２２、２３        接続体
２４、３５        シリコンウエハ
２５、３６        熱酸化膜
２６              フォトレジスト
２７              イオン注入層
２８              拡散抵抗層
２９              ＳｉＯ2系保護層
３０              アルミニウム電極
３１              窒化ケイ素系保護層
３２、３７        Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｕの３層からなる金属層
３３              電極
３４              上部ｐｎ接合用電極
３８、４６、４８  下部ｐｎ接合用電極
３９、４５        Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料焼結体
４０              フォトレジスト層
４１、４９        Ｎｉバンプ
４２              ハンダめっき
４３、４７、５０  ハンダバンプ
４４              下部基板
５１              エレメント
５２              基板
５３              上部基板
５４              下部基板
５５              エレメント
５６              ハンダパンプ
５７              ｐｎ接合用電極
５８              拡散抵抗層
５９              電極
６０              接続体
６１              外部との接続用電極
【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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