特許 7360120 熱電変換装置、電子機器および熱電変換装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-03

(45)【発行日】2023-10-18

(54)【発明の名称】熱電変換装置、電子機器および熱電変換装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 10/17 20230101AFI20231004BHJP

   H10N 10/13 20230101ALI20231004BHJP

   H10N 10/851 20230101ALI20231004BHJP

【ＦＩ】

H10N10/17 A

H10N10/13

H10N10/851

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019099309

(22)【出願日】2019-05-28

(65)【公開番号】P2020194873

(43)【公開日】2020-12-03

【審査請求日】2022-03-18

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３１年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）「フォノンエンジニアリングの学理探求と熱電変換デバイス開発／熱電給電ワイヤレスセンサーモジュールの作製とセンシングシステムの構築」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000003193

【氏名又は名称】ＴＯＰＰＡＮホールディングス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504097823

【氏名又は名称】ＳＣＩＶＡＸ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】野村 政宏

(72)【発明者】

【氏名】柳澤 亮人

(72)【発明者】

【氏名】塩谷 俊人

(72)【発明者】

【氏名】粟屋 信義

(72)【発明者】

【氏名】田邊 大二

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１１／０６５１８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－０４４０２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０４２７０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－１８７００８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １０／１７

Ｈ１０Ｎ １０／１３

Ｈ１０Ｎ １０／８５１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱伝導性が良好な材料により形成される上部構造と基板との間に、表面に平行な方向の両端の温度差に応じて電圧が生じる複数の熱電変換素子が第１の幅の第１間隙および第２の幅の第２間隙を交互にもちながら並んで配置されている熱電変換素子層を備える熱電変換装置であって、
前記上部構造と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記上部構造を支持する上部支持構造と、
前記基板と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記熱電変換素子層を支持する下部支持構造と、
を備え、
前記上部支持構造は、
前記第１間隙に配置された第１上部支持体と、
前記第２間隙に配置された第２上部支持体と、
を有し、
前記下部支持構造は、
前記第１間隙に配置された第１下部支持体と、
前記第２間隙に配置された第２下部支持体と、
を有し、
前記上部構造と前記第１，第２上部支持体との間に柔軟性の高い柔軟材料
を備える熱電変換装置。

【請求項2】

請求項１記載の熱電変換装置であって、
前記上部構造と前記基板との間に形成されている空隙には、空気または熱伝導率の低い低熱伝導率材料が充填されている、
熱電変換装置。

【請求項3】

請求項１または２記載の熱電変換装置であって、
前記第２上部支持体は、前記第１上部支持体に比して、前記熱電変換素子層の表面に平行な断面の面積が小さくなるように形成されている、
熱電変換装置。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１つの請求項に記載の熱電変換装置であって、
前記第１下部支持体は、前記第２下部支持体に比して、前記熱電変換素子層の表面に平行な断面の面積が小さくなるように形成されている。
熱電変換装置。

【請求項5】

熱伝導性が良好な材料により形成される上部構造と基板との間に、表面に平行な方向の両端の温度差に応じて電圧が生じる複数の熱電変換素子が第１の幅の第１間隙および第２の幅の第２間隙を交互にもちながら並んで配置されている熱電変換素子層を備える熱電変換装置であって、
前記上部構造と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記上部構造を支持する上部支持構造と、
前記基板と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記熱電変換素子層を支持する下部支持構造と、
を備え、
前記上部支持構造は、
前記第１間隙に配置された第１上部支持体と、
前記第２間隙に配置された第２上部支持体と、
を有し、
前記下部支持構造は、
前記第１間隙に配置された第１下部支持体と、
前記第２間隙に配置された第２下部支持体と、
を有し、
前記熱電変換素子層は、半導体により形成されており、
前記熱電変換素子は、
ｐ型の第１半導体領域と、
複数の前記熱電変換素子の並び方向に略垂直な方向に前記第１半導体領域と間隔をおいて並んで配置されたｎ型の第２半導体領域と、
前記第１，第２半導体領域が電気的に直列接続されるように、前記第１，第２半導体領域の前記並び方向の両端部に接続される複数の電極と、
を有する
熱電変換装置。

【請求項6】

請求項５記載の熱電変換装置であって、
前記第１，第２半導体領域には、複数の孔が形成されている、
熱電変換装置。

【請求項7】

請求項１ないし６のいずれか１つの請求項に記載の熱電変換装置と、
前記熱電変換装置により発電された電力を用いて作動する電子回路と、
を備える電子機器。

【請求項8】

熱伝導性が良好な材料により形成される上部構造と基板との間に、表面に平行な方向の両端の温度差に応じて電圧が生じる複数の熱電変換素子が第１の幅の第１間隙および第２の幅の第２間隙を交互にもちながら並んで配置されている熱電変換素子層を備える熱電変換装置であって、
前記上部構造と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記上部構造を支持する上部支持構造と、
前記基板と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記熱電変換素子層を支持する下部支持構造と、
を備え、
前記上部支持構造は、
前記第１間隙に配置された第１上部支持体と、
前記第２間隙に配置された第２上部支持体と、
を有し、
前記下部支持構造は、
前記第１間隙に配置された第１下部支持体と、
前記第２間隙に配置された第２下部支持体と、
を有する、
熱電変換装置の製造方法であって、
前記基板上に、前記熱電変換素子層を形成する第１ステップと、
前記熱電変換素子層上に前記上部支持構造を形成する第２ステップと、
前記基板と前記熱電変換素子層との間に、エッチングにより前記下部支持構造を形成する第３ステップと、
前記上部支持構造上に前記上部構造を接合する第４ステップと、
を備える熱電変換装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱電変換装置、電子機器および熱電変換装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の熱電変換装置としては、複数の熱電変換素子と、上部構造（熱浴）と、複数の上部支持体（熱伝導部）を有する上部支持構造と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。複数の熱電変換素子は、基板の表面に間隙をもって並んで配置されている。上部構造は、熱伝導性が良好な材料により形成されている。上部支持構造は、基板と上部構造との間に配置されている。複数の上部支持体は、上部構造を支持している。この熱電変換装置では、基板に比して上部構造が高温になると、上部構造の熱が上部支持構造を介して熱電変換素子の一端へ伝わり、熱電変換素子の基板の表面に平行な方向の両端で温度差が生じる。熱電変換素子は、この温度差を電気に変換して発電する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－３７５４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上述の熱電変換装置では、熱電変換素子が基板と密着して基板の面内方向に形成されていることから、熱電変換素子の両端の温度差が小さくなり、電圧、発電量が共に低下してしまう。また、複数の上部支持体で上部構造を支持しているが、上部支持体での支持の機械的強度が十分ではない場合がある。

【0005】

本発明の熱電変換装置、電子機器および熱電変換装置の製造方法は、電圧、発電量および機械的強度の向上を図ることを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の熱電変換装置、電子機器および熱電変換装置の製造方法は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0007】

本発明の熱電変換装置は、
熱伝導性が良好な材料により形成される上部構造と基板との間に、表面に平行な方向の両端の温度差に応じて電圧が生じる複数の熱電変換素子が第１の幅の第１間隙および第２の幅の第２間隙を交互にもちながら並んで配置されている熱電変換素子層を備える熱電変換装置であって、
前記上部構造と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記上部構造を支持する上部支持構造と、
前記基板と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記熱電変換素子層を支持する下部支持構造と、
を備え、
前記上部支持構造は、
前記第１間隙に配置された第１上部支持体と、
前記第２間隙に配置された第２上部支持体と、
を有し、
前記下部支持構造は、
前記第１間隙に配置された第１下部支持体と、
前記第２間隙に配置された第２下部支持体と、
を有する、
ことを要旨とする。

【0008】

この本発明の熱電変換装置では、上部構造と熱電変換素子層との間に配置され、上部構造を支持する上部支持構造と、基板と熱電変換素子層との間に配置され、熱電変換素子層を支持する下部支持構造と、を備える。上部支持構造は、第１間隙に配置された第１上部支持体と、第２間隙に配置された第２上部支持体と、を有する。下部支持構造は、第１間隙に配置された第１下部支持体と、少なくとも一部が記熱電変換素子にかかるように第２間隙に配置された第２下部支持体と、を有する。上部構造は、外部と良好に熱交換を行なう。上部構造からの熱は、主として、第１間隙に配置された上部支持構造の第１上部支持体を介して熱電変換素子の一端に伝わる。基板からの熱は、主として、第２間隙に配置された下部支持構造の第２下部支持体を介して熱電変換素子の別の一端に伝わる。したがって、熱電変換素子の表面に平行な方向の両端は、上部構造と基板との温度差に対応する温度差となり、熱電変換素子が間隙なしで基板に密着して形成されているものに比して、温度差が大きくなる。これにより、熱電変換装置の電圧と発電量との向上を図ることができる。また、熱電変換素子間の第１，第２間隙に設けられた第１，第２上部支持体で上部構造を支持すると共に、第１，第２下部支持体で熱電変換素子層を支持するから、十分な機械的強度を得ることができる。この結果、電圧、発電量および機械的強度の向上を図ることができる。なお、「第１の幅」と「第２の幅」とは、同じ幅でもよいし、異なる幅でもよい。また、熱電変換素子層では、上部構造との間に、複数の熱電変換素子が、隣の熱電変換素子と線対称または点対称に並んで配置されていてもよい。

【0009】

こうした本発明の熱電変換装置において、前記上部構造と前記基板との間に形成されている空隙には、空気または熱伝導率の低い低熱伝導率材料が充填されていてもよい。こうすれば、空隙が熱伝導率の比較的高い材料で充填されているものに比して、熱電変換素子の両端の温度差を大きくすることができ、熱電変換装置の電圧、発電量の向上を図ることができる。ここで、「低熱伝導率材料」は、例えば、樹脂やエアロゲルなど、第１，第２上部支持体、第１，第２下部支持体、熱電変換層を形成する材料に比して熱伝導率が低いものであればよい。

【0010】

また、本発明の熱電変換装置において、前記第２上部支持体は、前記第１上部支持体に比して、前記熱電変換素子層の表面に平行な断面の面積が小さくなるように形成されていてもよい。こうすれば、上部構造から第１上部支持体を介して熱電変換素子の一端へ伝わる熱が、上部構造から第２上部支持体を介して熱電変換素子の他端へ伝わる熱より多くなるから、熱電変換素子の両端の温度差を大きくすることができる。これにより、熱電変換装置の電圧、発電量の向上を図ることができる。

【0011】

さらに、本発明の熱電変換装置において、前記第１下部支持体は、前記第２下部支持体に比して、前記熱電変換素子層の表面に平行な断面の面積が小さくなるように形成されていてもよい。こうすれば、熱電変換素子の一端から第１下部支持体を介して基板へ伝わる熱が、熱電変換素子の他端から第２下部支持体を介して基板へ伝わる熱よりも少なくなるから、熱電変換素子の両端の温度差を大きくすることができる。これにより、熱電変換装置の電圧、発電量の向上を図ることができる。

【0012】

そして、本発明の熱電変換装置において、前記上部構造と前記第１，第２上部支持体との間に柔軟性の高い柔軟材料、を備えていてもよい。こうすれば、柔軟材料を介して上部構造と第１，第２上部支持体との接触性を向上させることができる。

【0013】

また、本発明の熱電変換装置において、前記熱電変換素子層は、半導体により形成されており、前記熱電変換素子は、ｐ型の第１半導体領域と、複数の前記熱電変換素子の並び方向に略垂直な方向に前記第１半導体領域と間隔をおいて並んで配置されたｎ型の第２半導体領域と、前記第１，第２半導体領域が電気的に直列接続されるように、前記第１，第２半導体領域の前記所定方向の両端部に接続される複数の電極と、を有していてもよい。この場合において、前記第１，第２半導体領域には、複数の孔が形成されていてもよい。こうすれば、熱電変換素子において、フォノンの表面散乱を増大させることで熱抵抗を増加させることができる。これにより、熱電変換素子の両端の温度差を大きくすることができ、熱電変換装置の電圧、発電量をより向上させることができる。

【0014】

本発明の電子機器は、
上述したいずれかの態様の熱電変換装置、即ち、基本的には、熱伝導性が良好な材料により形成される上部構造と基板との間に、表面に平行な方向の両端の温度差に応じて電圧が生じる複数の熱電変換素子が第１の幅の第１間隙および第２の幅の第２間隙を交互にもちながら並んで配置されている熱電変換素子層を備える熱電変換装置であって、前記上部構造と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記上部構造を支持する上部支持構造と、前記基板と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記熱電変換素子層を支持する下部支持構造と、を備え、前記上部支持構造は、前記第１間隙に配置された第１上部支持体と、前記第２間隙に配置された第２上部支持体と、を有し、前記下部支持構造は、前記第１間隙に配置された第１下部支持体と、前記第２間隙に配置された第２下部支持体と、を有する、熱電変換装置と、
前記熱電変換装置により発電された電力を用いて作動する電子回路と、
を備えることを要旨とする。

【0015】

この本発明の電子機器では、上述したいずれかの態様の本発明の熱電変換装置を備えるから、上述したいずれかの態様の本発明の熱電変換装置が奏する効果、例えば、電圧、発電量および機械的強度の向上を図ることができる効果などと同一の効果を奏する。

【0016】

本発明の熱電変換装置の製造方法は、
熱伝導性が良好な材料により形成される上部構造と基板との間に、表面に平行な方向の両端の温度差に応じて電圧が生じる複数の熱電変換素子が第１の幅の第１間隙および第２の幅の第２間隙を交互にもちながら並んで配置されている熱電変換素子層を備える熱電変換装置であって、
前記上部構造と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記上部構造を支持する上部支持構造と、
前記基板と前記熱電変換素子層との間に配置され、前記熱電変換素子層を支持する下部支持構造と、
を備え、
前記上部支持構造は、
前記第１間隙に配置された第１上部支持体と、
前記第２間隙に配置された第２上部支持体と、
を有し、
前記下部支持構造は、
前記第１間隙に配置された第１下部支持体と、
前記第２間隙に配置された第２下部支持体と、
を有する、
熱電変換装置の製造方法であって、
前記基板上に、前記熱電変換素子層を形成する第１ステップと、
前記熱電変換素子層上に前記上部支持構造を形成する第２ステップと、
前記基板と前記熱電変換素子層との間に、エッチングにより前記下部支持構造を形成する第３ステップと、
前記上部支持構造上に前記上部構造を接合する第４ステップと、
を備えることを要旨とする。

【0017】

この本発明の熱電変換装置の製造方法では、基板上に、熱電変換素子層を形成する。そして、熱電変換素子層上に上部支持構造を形成する。さらに、基板と熱電変換素子層との間に、エッチングにより下部支持構造を形成する。そして、上部支持構造上に上部構造を接合する。これにより、熱電変換装置、即ち、基本的には、表面に平行な方向の両端の温度差に応じて発電する複数の熱電変換素子が第１，第２間隙を交互にもちながら対称に並ぶように配置されている熱電変換素子層を、基板と熱伝導性が良好な材料により形成される上部構造との間に備える熱電変換装置であって、上部構造と熱電変換素子層との間に配置され、上部構造を支持する上部支持構造と、基板と熱電変換素子層との間に配置され、熱電変換素子層を支持する下部支持構造と、を備え、上部支持構造は、第１間隙に配置された第１上部支持体と、第２間隙に配置された第２上部支持体と、を有し、下部支持構造は、第１間隙に配置された第１下部支持体と、第２間隙に配置された第２下部支持体と、を有する、熱電変換装置を製造することができる。これにより、熱電変換装置において、電圧、発電量および機械的強度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施例としての熱電変換装置２０を搭載したセンサノード（無線端末）１０の構成の概略を示す構成図である。

【図2】本発明の一実施例としての熱電変換装置２０の外観の概略を示す概略図である。

【図3】図２において上部構造２４を除いた様子の概略を示す概略図である。

【図4】熱電変換装置２０の要部の概略を示す概略図である。

【図5】図４のＡＡ線での断面の概略を示す概略図である。

【図6】上部構造２４を基板２２より高温としたときの熱電変換装置２０の隣合う２つの熱電変換素子３２の上面における温度の分布の一例を示す説明図である。

【図7】熱電変換装置２０の製造工程の一例を示す工程図である。

【図8】熱電変換装置２０を形成する基板２２の断面および平面の構成を説明するための説明図である。

【図9】ｐ型の半導体領域Ｒ１，ｎ型の半導体領域Ｒ２を形成した後の基板２２の断面および平面の構成を説明するための説明図である。

【図10】複数の電極ＥＬを形成した後の基板２２の断面および平面の構成を説明するための説明図である。

【図11】上部支持構造４０を形成した後の基板２２の断面および平面の構成を説明するための説明図である。

【図12】下部支持構造４２を形成した後の基板２２の断面および平面の構成を説明するための説明図である。

【図13】上部構造２４を形成した後の基板２２の断面の構成を説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

【実施例】

【0020】

図１は、本発明の一実施例としての熱電変換装置２０を搭載したセンサノード（無線端末）１０の構成の概略を示す構成図である。センサノード１０は、センサ１２と、情報送信器１４と、電源装置１６と、を備える。

【0021】

センサ１２は、トンネル内の状態、例えば、温度や湿度、圧力、漏水の有無など検出や特定のガスの検出を可能な検出装置として構成されている。センサ１２は、検出値を情報送信器１４へ送信している。

【0022】

情報送信器１４は、センサ１２から入力される検出値を無線通信により、図示しない他のセンサノード１０や中継器、ホストコンピュータ（いずれも図示せず）などへ送信している。センサ１２および情報送信器１４は、電源装置１６からの電力で作動する。

【0023】

電源装置１６は、蓄電器１８と、熱電変換装置２０と、電力調整回路１９と、を備える。熱電変換装置２０は、温度差を電力を変換することで環境発電を行なう装置として構成されている。熱電変換装置２０の詳細な構成については、後述する。蓄電器１８は、熱電変換装置２０により発電された電力を蓄電すると共に、電力調整回路１９へ供給する。電力調整回路１９は、蓄電器１８からの電力で作動し、蓄電器１８からの電力の電圧を調整して情報送信器１４に供給する。なお、蓄電器１８としては、コンデンサや、電池や鉛蓄電池などの充放電可能な二次電池、などが挙げられる。

【0024】

センサノード１０は、例えば、トンネルの内壁面に複数配置され、ワイヤレスセンサネットワークの一部をなす。センサノード１０は、他のセンサノード１０やホストコンピュータなどとの間でセンサ１２により検出された検出値や各種信号をやり取りする。センサ１２により検出された検出値や各種信号のやり取りは、情報送信器１４による無線通信で行なわれる。

【0025】

次に、こうして構成されるセンサノード１０に搭載される熱電変換装置２０の構成について説明する。図２は、本発明の一実施例としての熱電変換装置２０の外観の概略を示す概略図である。図３は、図２において上部構造２４を除いた様子の概略を示す概略図である。図４は、熱電変換装置２０の要部の概略を示す概略図である。図５は、図４のＡＡ線での断面の概略を示す概略図である。なお、図２～図５において、円孔Ｒｃの個数は、説明のため、実際より少なく記載されている。

【0026】

熱電変換装置２０は、基板２２と、上部構造２４と、熱電変換素子層３０と、上部支持構造４０と、下部支持構造４２と、を備える。

【0027】

基板２２は、熱伝導性が良好な材料、例えば、単結晶のシリコンにより形成されている。

【0028】

上部構造２４は、熱伝導性が良好な材料、例えば、シリコンや窒化アルミニウムなどの半導体、アルミニウムや銅などの金属、カーボンナノチューブなどのカーボン系材料、樹脂材料のいずれかなどにより形成されている。上部構造２４は、熱電変換素子層３０に形成された後述の熱電変換素子３２との間の放射熱伝導や構造の平坦性、上部構造２４の面内寸法に基づく機械的強度を考慮して、１～５μｍの厚さ、好ましくは、３μｍの厚さに形成されている。

【0029】

熱電変換素子層３０は、熱電変換材料、例えば、多結晶のシリコンにより、基板２２と上部構造２４との間に形成されている。熱電変換素子層３０は、後述する半導体領域Ｒ１，Ｒ２に円孔Ｒｃを形成しても割れない機械的強度を有する厚さ、例えば、１００ｎｍ～５００ｎｍ、好ましくは、３００ｎｍの厚さに形成されている。熱電変換素子層３０において、複数の熱電変換素子３２は、幅Ｗ１（例えば、８μｍ～１２μｍ）の間隙３４と幅Ｗ２（実施例では、幅Ｗ１と同一の幅）の間隙３６を交互にもちながら線対称に並んで配置されている。間隙３４には、複数のスリットＳが形成されている。なお、実施例では、幅Ｗ２は、幅Ｗ１と同一の幅としているが、異なる幅としてもよい。

【0030】

熱電変換素子３２は、ｐ型の半導体領域Ｒ１と、半導体領域Ｒ１と対となるｎ型の半導体領域Ｒ２と、複数の電極ＥＬと、を備えている。半導体領域Ｒ１，Ｒ２は、隣合う熱電変換素子３２が対称な配置となるように、複数の熱電変換素子３２の並び方向ＤＬおよび並び方向ＤＬに略垂直な方向に間隔をおいて交互に並んで配置されている。半導体領域Ｒ１，Ｒ２は、複数の熱電変換素子３２の並び方向ＤＬにおいて、５μｍ～７μｍ、好ましくは６μｍの長さで、並び方向ＤＬに垂直な方向において、１０μｍ～１４μｍ、好ましくは１２μｍの長さに形成されている。半導体領域Ｒ１，Ｒ２には、半径が９０ｎｍ～１３０ｎｍ、好ましくは、１００ｎｍの複数の円孔Ｒｃが３００ｎｍの間隔もって並ぶように形成されている。

【0031】

複数の電極ＥＬは、電気伝導性が良好な材料、例えば、アルミニウムにより形成されている。複数の電極ＥＬは、５０ｎｍ～３００ｎｍ、好ましくは、２５０ｎｍの厚さに形成されており、対となる半導体領域Ｒ１，Ｒ２が電気的に直列に接続されるように、半導体領域Ｒ１，Ｒ２の複数の熱電変換素子３２の並び方向ＤＬの両端部に接続されている。

【0032】

上部支持構造４０は、上部構造２４と熱電変換素子層３０との間に配置されている。上部支持構造４０は、熱伝導性が良好なレジスト材料、例えば、Clariant社製AZ1500などにより、１μｍ～５μｍの厚さ、好ましくは、３μｍの厚さに形成されている。上部支持構造４０は、一部が熱電変換素子３２の電極ＥＬにかかるように間隙３４上に配置された複数の上部支持体４０ａと、間隙３６上に配置された複数の上部支持体４０ｂと、を備えており、上部支持体４０ａ，４０ｂで上部構造２４を支持している。複数の上部支持体４０ａは、１つの間隙３４に対して略平行に２つの割合で配置されており、互いに同一の形状となっている。複数の上部支持体４０ｂは、１つの間隙３６に対して図２，３における奥行き方向に間隔をおいて３つ配置されており、互いに同一の形状となっている。上部支持体４０ａと上部支持体４０ｂとの間の空隙４０ｇには、空気が充填されている。上部支持体４０ｂは、上部支持体４０ａに比して、熱電変換素子層３０の表面に平行な方向の断面の面積が小さくなるように形成されている。なお、複数の上部支持体４０ａは、電極ＥＬの上部からはみださないように電極ＥＬの上部のみに形成されていても構わない。

【0033】

下部支持構造４２は、基板２２と熱電変換素子層３０との間に配置されている。下部支持構造４２は、シリコン酸化物（ＳｉＯ₂）により形成されている。下部支持構造４２は、基板２２と熱電変換素子層３０の放射熱伝導や下部支持構造４２の面内寸法をもちいて機械的強度を考慮して、１μｍ～３μｍの厚さ、好ましくは、２μｍの厚さに形成されている。下部支持構造４２は、間隙３４下に配置された複数の下部支持体４２ａと、一部が熱電変換素子３２にかかるように間隙３６下に配置された複数の下部支持体４２ｂと、を備えており、複数の下部支持体４２ａ，４２ｂで熱電変換素子層３０を支持している。下部支持体４２ａと下部支持体４２ｂとの間の空隙４２ｇには、空気が充填されている。下部支持体４２ａは、下部支持体４２ｂに比して、熱電変換素子層３０の表面に平行な方向の断面が小さくなるように形成されている。

【0034】

次に、こうして構成された熱電変換装置２０において、上部構造２４を基板２２より高温としたときの動作について説明する。

【0035】

図６は、上部構造２４を基板２２より高温としたときの隣合う２つの熱電変換素子３２の上面における温度の分布の一例を示す説明図である。図６では、上部構造２４の温度は、基板２２に比して高くなっている。なお、図中、温度が低いほど色が濃くなるように記載されている。また、上部構造２４については記載を省略している。図示するように、熱電変換素子３２では、並び方向ＤＬの両端で温度差ΔＴが生じている。熱電変換素子３２にこうした温度差ΔＴが生じるのは、以下の理由に基づく。

【0036】

上部構造２４の熱は、上部支持構造４０の上部支持体４０ａ，４０ｂを介して熱電変換素子３２に伝わる。上部支持体４０ａは、一部が熱電変換素子３２にかかるように間隙３４に配置されており、上部支持体４０ｂは、間隙３６に配置されている。また、上部支持体４０ｂは、上部支持体４０ａに比して、熱電変換素子層３０の表面に平行な方向の断面が小さくなるように形成されている。したがって、上部構造２４からの熱は、上部支持体４０ａを介して、熱電変換素子３２の間隙３４に近い領域に伝わる。下部支持体４２ｂは、一部が熱電変換素子３２にかかるように間隙３６に配置されており、下部支持体４２ａは、間隙３４に配置されている。したがって、基板２２からの熱は、下部支持体４２ｂを介して、熱電変換素子３２の間隙３６に近い領域に伝わる。これにより、熱電変換素子層３０の熱電変換素子３２の並び方向ＤＬの両端には、上部構造２４と基板２２との温度差に対応する温度差ΔＴが生じる。

【0037】

熱電変換素子３２が基板２２に密着して形成されている従来の熱電変換装置では、熱電変換素子３２の並び方向ＤＬの両端間で基板２２を介して熱が伝わる。そのため、熱電変換素子３２の並び方向ＤＬの両端にかかる温度差ΔＴが小さくなり、電圧および発電量が小さくなる。実施例の熱電変換装置２０では、熱電変換素子３２が基板２２に形成されておらず、上述した構成であることから、従来の熱電変換装置に比して、熱電変換素子３２の並び方向ＤＬの両端にかかる温度差ΔＴが大きくなる。さらに、熱電変換素子３２のｐ型の半導体領域Ｒ１とｎ型の半導体領域Ｒ２とに複数の円孔Ｒｃが形成されていることから、熱電変換素子３２において、フォノン散乱が増大することで熱伝導率が低下する。したがって、熱電変換素子３２の両端にかかる温度差ΔＴがさらに大きくなるから、熱電変換素子３２、ひいては、熱電変換装置２０の電圧、発電量の向上が図られている。

【0038】

また、熱電変換素子３２間の間隙３４，３６に設けられた上部支持体４０ａ，４０ｂで上部構造２４を支持すると共に、下部支持体４２ａ，４２ｂで熱電変換素子層３０を支持するから、間隙３４に上部支持体を配置せずに間隙３６のみに上部支持体を配置するものや、間隙３６に下部支持体を配置せずに間隙３４のみに下部支持体を配置するものに比して、外部からの衝撃に対して機械的強度の向上を図ることができる。これにより、電圧、発電量および機械的強度の向上を図ることができる。

【0039】

次に、こうした熱電変換装置２０の製造方法について説明する。図７は、熱電変換装置２０の製造工程の一例を示す工程図である。図８は、熱電変換装置２０を形成する基板２２の断面および平面の構成を説明するための説明図である。図９は、ｐ型の半導体領域Ｒ１，ｎ型の半導体領域Ｒ２を形成した後の基板２２の断面および平面の構成を説明するための説明図である。図１０は、複数の電極ＥＬを形成した後の基板２２の断面および平面の構成を説明するための説明図である。図１０は、複数の電極ＥＬを形成した後の基板２２の断面および平面の構成を説明するための説明図である。図１１は、上部支持構造４０を形成した後の基板２２の断面および平面の構成を説明するための説明図である。図１２は、下部支持構造４２を形成した後の基板２２の断面の構成を説明するための説明図である。図１３は、上部構造２４を形成した後の基板２２の断面および平面の構成を説明するための説明図である。図８～図１２において、断面の概略を図面上部、平面の概略を図面下部に配置している。上部構造２４については、記載を省略している。

【0040】

熱電変換装置２０を製造するに当たり、シリコンにより形成された基板２２上に１μｍ～３μｍ、好ましくは、２μｍの厚さのシリコン酸化膜１０２と、１００～５００ｎｍ、好ましくは、３００ｎｍの多結晶のシリコン層１０４と、がこの順で積層されたＳＯＩウェハ１００を準備する（図８）。

【0041】

最初に、ＳＯＩウェハ１００に複数の熱電変換素子３２を有する熱電変換素子層３０を形成する（ステップＳ１００）。熱電変換素子層３０、即ち、複数の熱電変換素子３２の形成は、まず、ＳＯＩウェハ１００のシリコン層１０４にｐ型の半導体領域Ｒ１，ｎ型の半導体領域Ｒ２を間隙３４，３６を交互にもちながら並ぶと共に並び方向ＤＬに垂直な方向に半導体領域Ｒ１，Ｒ２が交互に間隔をおいて並ぶように形成し（図９）、半導体領域Ｒ１，Ｒ２の並び方向ＤＬの端部に５０ｎｍ～３００ｎｍの厚さ、好ましくは、２５０ｎｍの厚さの複数の電極ＥＬを形成する（図１０）。不純物が導入された（ドープされた）半導体領域Ｒ１，Ｒ２の形成は、塗布したレジストをフォトリソグラフィや電子線描画、ナノインプリント法を用いてパターニングし、レジストをマスクとした不純物のドーピングやエッチングにより行なわれる。ドープされた半導体領域Ｒ１，Ｒ２は、並び方向ＤＬに６μｍ、並び方向ＤＬと垂直な方向に１２μｍの長方形となり、半径１００ｎｍの複数の円孔Ｒｃが３００ｎｍ間隔で並ぶように形成される。このとき、間隙３４には、複数のスリットＳも形成する。電極ＥＬの形成は、ＳＯＩウェハ１００の全面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法を用いて電極ＥＬが配置される部分のレジストが除去されるように露光、現像し、蒸着やスパッタリングで電極ＥＬを構成する金属（実施例では、アルミニウム）を蒸着し、レジストと共にレジスト上の金属をリフトオフすることにより行なわれる。

【0042】

次に、上部支持構造４０を形成する（ステップＳ１１０）。上部支持構造４０の形成は、スピンコート法などによりレジスト材料（例えば、Clariant社製AZ1500など）を厚さ３μｍ～５μｍ、好ましくは、４μｍ塗布し、フォトリソグラフィなどにより、一部が熱電変換素子３２にかかるように間隙３４に配置された上部支持体４０ａと、上部支持体４０ａと間隔をおいて間隙３６に配置された上部支持体４０ｂと、を形成することにより行なわれる（図１１）。

【0043】

そして、下部支持構造４２を形成する（ステップＳ１２０）。下部支持構造４２の形成は、ドープされた半導体領域Ｒ１，Ｒ２の複数の円孔ＲｃやスリットＳから気相フッ化水素をシリコン酸化膜１０２へ導入して、シリコン酸化膜１０２を等方性エッチングすることにより行なわれる。したがって、半導体領域Ｒ１，Ｒ２の複数の円孔ＲｃやスリットＳから遠い位置のシリコン酸化膜１０２が残されて、下部支持体４２ａ，４２ｂが形成される（図１２）。スリットＳは、こうしたエッチングにより形成する下部支持体４２ａ，４２ｂの位置を考慮して配置される。

【0044】

こうした下部支持構造４２を形成すると、上部支持構造４０の上部にシリコンからなるウェハを貼り合わせて、上部構造２４を形成して（ステップＳ１３０）、本製造工程を終了する（図１３）。こうした製造工程により、電圧、発電量および機械的強度が向上した熱電変換装置２０を製造できる。

【0045】

以上説明した実施例の熱電変換装置２０では、上部構造２４と熱電変換素子層３０との間に配置され、上部構造２４を支持する上部支持構造４０と、基板２２と熱電変換素子層３０との間に配置され、熱電変換素子層３０を支持する下部支持構造４２と、を備え、上部支持構造４０は、間隙３４に配置された上部支持体４０ａと、間隙３６に配置された上部支持体４０ｂと、を有し、下部支持構造４２は、間隙３４に配置された下部支持体４２ａと、間隙３６に配置された下部支持体４２ｂと、を有することにより、電圧、発電量および機械的強度の向上を図ることができる。

【0046】

また、上部構造２４と基板２２との間の空隙（空隙４０ｇ，４２ｇ）には、空気が充電されているから、熱電変換素子３２の両端の温度差ΔＴをより大きくすることができ、熱電変換装置２０の電圧、発電量の更なる向上を図ることができる。

【0047】

さらに、上部支持体４０ｂは、上部支持体４０ａに比して、熱電変換素子層３０の表面に平行な断面の面積が小さくなるように形成されているから、熱電変換素子３２の上部構造２４から上部支持体４０ｂを介して各熱電変換素子３２に伝わる熱が、上部構造２４から上部支持体４０ｂを介して各熱電変換素子３２に伝わる熱より多くなる。これにより、熱電変換素子３２の両端の温度差ΔＴをより大きくすることができ、熱電変換装置２０の電圧、発電量の更なる向上を図ることができる。

【0048】

そして、下部支持体４２ａは、下部支持体４２ｂに比して、熱電変換素子層３０の表面に平行な断面の面積が小さくなるように形成されているから、熱電変換素子３２の一端から下部支持体４２ａを介して基板２２へ伝わる熱が、熱電変換素子３２の他橋から下部支持体４２ｂを介して基板２２へ伝わる熱よりも少なくなる。これにより、熱電変換素子３２の両端の温度差ΔＴをより大きくすることができ、熱電変換装置２０の電圧、発電量の更なる向上を図ることができる。

【0049】

また、半導体領域Ｒ１，Ｒ２には、複数の円孔Ｒｃが形成されているから、熱電変換素子３２の両端の温度差ΔＴをより大きくすることができ、熱電変換装置２０の電圧、発電量の更なる向上を図ることができる。

【0050】

さらに、実施例の熱電変換装置２０では、上述した熱電変換装置２０を製造できるから、電圧、発電量および機械的強度の向上を図ることができる。

【0051】

また、実施例の熱電変換装置２０と、情報送信器１４と、を備えるセンサノード１０では、電圧、発電量および機械的強度の向上を図ることができる。

【0052】

さらに、実施例の熱電変換装置２０を製造する方法では、基板２２上に、熱電変換素子層３０を形成し、熱電変換素子層３０上に上部支持構造４０を形成し、基板２２と熱電変換素子層３０との間に、エッチングにより下部支持構造４２を形成し、上部支持構造４０上に上部構造２４を接合することにより、電圧、発電量および機械的強度の向上が図られた熱電変換装置２０を製造することができる。即ち、熱電変換装置２０において、電圧、発電量および機械的強度を向上させることができる。

【0053】

実施例の熱電変換装置２０では、上部支持体４０ｂを、上部支持体４０ａに比して、熱電変換素子層３０の表面に平行な断面の面積が小さくなるように形成している。しかしながら、熱起電力が打ち消しあわないように電極ＥＬの配線を適切に設計したうえで、上部支持体４０ａ，４０ｂの熱電変換素子層３０の表面に平行な断面の面積を同一の面積としてもよい。

【0054】

実施例の熱電変換装置２０では、下部支持体４２ａと下部支持体４２ｂとで形成する空隙４２ｇに空気が充填されているが、樹脂やエアロゲルなど熱伝導率の低い低熱伝導率材料が充填されていてもよい。

【0055】

実施例の熱電変換装置２０では、上部支持体４０ａを、１つの間隙３４に対して２つの割合で配置している。しかしながら、上部支持体４０ａを、１つの間隙３４に対して１つ配置していてもよい。また、上部支持体４０ａを、１つの間隙３４に対して図２，図３における奥行き方向において間隔をおいて複数配置していてもよい。この間隔は、等間隔でもよいし、異なる間隔でもよい。

【0056】

実施例の熱電変換装置２０では、上部支持体４０ｂを、１つの間隙３６に対して図２，３における奥行き方向に間隔をおいて３つ配置している。しかしながら、上部支持体４０ｂを、１つの間隙３６に対して図２，３における奥行き方向に間隔をおいて３つより多い個数配置したり、１つの間隙３６に対して１つの割合で配置してもよい。

【0057】

実施例の熱電変換装置２０では、下部支持体４２ａ，４２ｂを、１つの間隙３４，３６に対して１つの割合で配置している。しかしながら、下部支持体４２ａ，４２ｂを、１つの間隙３４，３６に対して図２，図３における奥行き方向に間隔をおいて複数配置していてもよい。この間隔は、等間隔でもよいし、異なる間隔でもよい。

【0058】

実施例の熱電変換装置２０では、複数の上部支持体４０ａ，４０ｂ，下部支持体４２ａ，４２ｂを、互いに同一の形状としているが、互いに異なる形状としてもよい。

【0059】

実施例の熱電変換装置２０では、熱電変換素子３２をｐ型の半導体領域Ｒ１とｎ型の半導体領域Ｒ２とを備えるものとしている。しかしながら、熱電変換素子３２をｐ型の半導体領域Ｒ１やｎ型の半導体領域Ｒ２のみを備えるものとしてもよい。また、必ずしも規則正しく並んでいなくてもよいし、大きさに違いがあってもよい。

【0060】

実施例の熱電変換装置２０では、半導体領域Ｒ１，Ｒ２は、隣合う熱電変換素子３２が対称な配置となるように、複数の熱電変換素子３２の並び方向ＤＬおよび並び方向ＤＬに略垂直な方向に交互に並んで配置されている。しかしながら、複数の熱電変換素子３２の並び方向ＤＬにおいては導電型が同じ半導体領域Ｒ１または半導体領域Ｒ２が並ぶように配置し、並び方向ＤＬに略垂直な方向においては半導体領域Ｒ１，Ｒ２が交互に並んで配置されるようにしてもよい。

【0061】

実施例の熱電変換装置２０では、熱電変換素子３２の半導体領域Ｒ１，Ｒ２に複数の円孔Ｒｃを形成している。しかしながら、半導体領域Ｒ１，Ｒ２に形成される孔の形状は、円形のものに限定されるものではなく、種々の形状に形成してもよい。また、半導体領域Ｒ１，Ｒ２には、複数の円孔Ｒｃの間隔が等間隔となっている。しかしながら、半導体領域Ｒ１，Ｒ２に形成される複数の孔の間隔を等間隔にしてなくてもよい。さらに、半導体領域Ｒ１，Ｒ２に孔を形成しなくてもよい。半導体領域Ｒ１，Ｒ２に孔を形成しない場合には、熱電変換素子層３０を、５００ｎｍより厚く１μｍ以下の厚さに形成してもよい。さらに、複数の円孔Ｒｃは、規則正しく並んでいなくてもよいし、大きさに違いがあってもよい。

【0062】

実施例の熱電変換装置２０では、熱電変換素子層３０において、複数の熱電変換素子３２は、線対称に並んで配置されている。しかしながら、熱電変換素子層３０において、複数の熱電変換素子３２は、点対称に並んで配置されていてもよいし、対称に配置されていなくてもよい。

【0063】

実施例の熱電変換装置２０では、上部支持構造４０（上部支持体４０ａ，４０ｂ）上に上部構造２４を接合している。しかしながら、上部支持構造４０と上部構造２４との間にハンダなど柔軟性の高い柔軟材料を備えていてもよい。こうすれば、上部支持構造４０と上部構造２４との接触抵抗が低減するから、上部構造２４から上部支持構造４０へ良好に熱を伝導させることができる。

【0064】

実施例の熱電変換装置２０では、熱電変換素子層３０には複数のスリットＳが形成されている。しかしながら、複数のスリットＳは、下部支持構造４２を形成した後に、多結晶のシリコンなどにより埋められてもよい。

【0065】

実施例の熱電変換装置２０では、上部構造２４を基板２２より高温としているが、上部構造２４を基板２２より低温としてもよい。

【0066】

実施例の熱電変換装置２０では、基板２２をシリコンにより形成しているが、シリコンと異なる半導体や、銅やアルミニウムなどの金属、炭化ケイ素などのセラミックス、炭素系材料、高熱伝導性樹脂などにより形成してもよい。

【0067】

実施例では、本発明をセンサ１２と情報送信器１４と電源装置１６とを備えるセンサノード（無線端末）１０に適用する場合について説明した。しかしながら、本発明は、センサノード１０に適用する場合に限定されるものではなく、熱電変換装置２０により発電された電力を用いて作動する電子回路、例えば、画像を撮影する撮像装置など備える電子機器であれば、如何なるものに適用しても構わない。

【0068】

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、熱電変換装置について、熱電変換素子層３０が「熱電変換素子層」に相当し、上部構造２４が「上部構造」に相当し、基板２２が「基板」に相当し、上部支持構造４０が「上部支持構造」に相当し、下部支持構造４２が「下部支持構造」に相当し、上部支持体４０ａが「第１上部支持体」に相当し、上部支持体４０ｂが「第２上部支持体」に相当し、下部支持体４２ａが「第１下部支持体」に相当し、下部支持体４２ｂが「第２下部支持体」に相当する。また、実施例では、熱電変換装置の製造方法について、ステップＳ１００が「第１ステップ」に相当し、ステップＳ１１０が「第２ステップ」に相当し、ステップＳ１２０が「第３ステップ」に相当し、ステップＳ１３０が「第４ステップ」に相当する。

【0069】

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0070】

本発明は、熱電変換装置の製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0071】

１０ センサノード（無線端末）、１２ センサ、１４ 情報送信器、１６ 電源装置、１８ 蓄電器、１９ 電力調整回路、２０ 熱電変換装置、２２ 基板、２４ 上部構造、３０ 熱電変換素子層、３２ 熱電変換素子、３４，３６ 間隙、４０ 上部支持構造、４０ａ，４０ｂ 上部支持体、４０ｇ 空隙、４２ 下部支持構造、４２ａ，４２ｂ 下部支持体、４２ｇ 空隙、１００ ＳＯＩウェハ、１０２ シリコン酸化膜、１０４ シリコン層、Ｒ１，Ｒ２ 半導体領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】