JPH10247752A

JPH10247752A - 熱電変換素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH10247752A
Application number: JP9050715A
Authority: JP
Inventors: Matsuo Kishi; 松雄岸; Minao Yamamoto; 三七男山本; Yoshifumi Yoshida; 宜史吉田
Original assignee: S I I R D CENTER KK
Current assignee: S I I R D CENTER KK
Priority date: 1997-03-05
Filing date: 1997-03-05
Publication date: 1998-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】小型π型熱電変換素子において、別体の温度
検出装置を搭載せずに、温度検出、温度制御を行うと同
時に熱電変換素子が本来有する冷却および冷却速度等の
能力を発揮する。【解決手段】 π型熱電変換素子を構成する少なくとも
一方の基板上にサーミスタ膜や拡散抵抗型温度センサー
等を温度検出装置として基板に直接形成する。例えば、
単結晶シリコンウエハを熱電変換素子の基板として用
い、イオン注入・熱拡散等の工程により基板表面にシリ
コンの半導体特性である拡散抵抗を利用した温度検出装
置１５を形成する。これにより、熱電変換素子に熱負荷
となる別体の温度検出装置を搭載する必要がなくなり、
温度検出、温度制御が出来ると同時に熱電変換素子が本
来有する冷却および冷却速度等の能力を発揮することが
できる。

Description

【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（ペルチェ素子あるいは電子冷却装置等と
も称されるが、以降これらを含めて熱電変換素子と称す
る）に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電変換素子は、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、基板の温度を検出したり、その温度を制御する
ために、基板の上に別体の部品であるサーミスタ等の温
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
めには基板上に別体のチップ部品であるサーミスタ等の
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
る必要があるとともに温度検出装置の熱容量の影響を考
える必要があり、本来必要とする性能以上の仕様を熱電
変換素子に要求せざるをえないという問題点があった。
さらに、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。

【０００４】このような問題は、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
も一方の基板表面に基板と一体形成された温度検出装置
を備えることとした。このため、基板上に別部品からな
る温度検出装置を搭載する必要がなくなる。すなわち、
熱電変換素子に対して熱負荷となる搭載部品がなくなる
ため、従来のように本来必要とする以上の大きさや性能
を熱電変換素子に求めなくてもよい。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の熱電変換素子では、熱電
変換素子を構成する基板上に設けられた温度検出装置が
厚膜および薄膜技術や半導体技術等により基板上に直接
形成されている。これにより、基板と一体化した温度検
出装置を有する熱電変換素子が得られることとなる。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
して供給される温度検出装置を基板に搭載する必要がな
くなり、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。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材料で膜状に形成するこ
ととした。これにより、熱電変換素子の基板に広く使わ
れてい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、Ｍｎ−Ｎｉ系酸化物等に
代表されるＮＴＣ（ｎｅｇａｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａ
ｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタ材料や
Ｂａ−Ｔｉ−Ｎｂ−Ｍｎ系酸化物のようなＰＴＣ（ｐｏ
ｓｉｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉ
ｃｉｅｎｔ）サーミスタ材料で形成される。これらの材
料をアルミナのような絶縁性基板の上に形成するには、
スパッタリング等により薄膜として形成した後でエッチ
ング等により必要な形状に加工したり、あるいはペース
ト状の原料を印刷等により所望の形状にしたのち焼成す
ることにより容易に実現できる。このように、サーミス
タを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。

【０００７】また、熱電変換素子を構成する基板をシリ
コンとし、シリコンの表面近傍にシリコンが有する半導
体特性を利用した温度検出装置を形成することとした。
例えば、シリコンはその表面近傍に不純物を適宜拡散ド
ーピングする等により、温度変化に対して抵抗率が大き
く変化する特性を持つようになる。このような領域を熱
電材料の基板であるシリコン基板の一部に形成すること
により、温度検出装置が一体的に形成された熱電変換素
子を作製することができる。たとえば、特開平８−９７
４７２号公報に記載されたような、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、温度センサーを備えた熱電変換素子
を一枚の基板から同時に多数作ることが可能となり、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。

【０００８】

【実施例】以下、本願発明の実施例を、図面を参照して
詳細に説明する。（実施例１）本発明の熱電変換素子の主要部の位置関係
を図１に示す。すなわち、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。
図１の破線Ａ−Ａ’における断面を図２に示す。

【０００９】本実施例の熱電変換素子の基本構成は従来
のπ型素子と呼ばれる構造を有している。すなわち、熱
電変換素子の基本構成としては、図１、２に示すよう
に、上部基板１および下部基板２上に形成された下部ｐ
ｎ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、いうまでもなく熱
電変換素子の基板に上下はないが、実施例を説明するに
あたり、ここでは上部および下部基板を便宜上定義し
た。本実施例で作製した本願発明の熱電変換素子は、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１上に形成されたサーミスタ７と、サーミスタの抵
抗値を測定するための電極８で構成されている。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ない側の基
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、Ｎ
ｉ、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＝１５ｋ
Ω、Ｂ定数＝４１００Ｋを有するものとした。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０．６ｍ
ｍ×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。このようにして作製した熱電変換素子のサーミスタ７側
を冷却面とし、反対面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。放熱側の温度を３
０℃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−３７℃（ΔＴ＝６７℃）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。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、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。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＝６７℃を示すのに要する時間は約
５秒である。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５
℃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。（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。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。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。ただし、図４では温度検出装置が省
略されている。図５に示すように、実際にはシリコン基
板表面に拡散抵抗１５が温度検出装置として形成されて
いる。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１１および１２の配置、エレメント１３および１
４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１５となってい
る。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。図６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１７表面に
熱酸化膜１８を形成する（図６ｂ）。この熱酸化膜１８
が形成されたシリコンウエハ１７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１９でマスキングする
（図６ｃ）。このときのフォトレジスト１９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２０が形成される（図６ｄ）。
さらに、イオン注入により生じたイオン注入層２０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２１が形成される（図６ｅ）。こ
の拡散抵抗層２１が温度検出を行う部分であり、５００
０オングストロームの深さで形成される。このように、
温度検出を行う拡散抵抗層２１を形成した後、ＳｉＯ２
系保護層２２をＣＶＤ法により形成する（図６ｆ）。
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２２に開口部を形成する（図６
ｇ）。この開口部とその周囲のＳｉＯ２系保護層２２
の上にアルミニウム電極２３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６ｈ）、さらに、ア
ルミニウム電極２３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２４をＣＶＤ法により形成する
（図６ｉ）。ここで、２００μｍの長さで形成された拡
散抵抗層２１は、アルミニウム電極２３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１００
μｍとなる。以上により、長さ１００μｍ、幅１０μ
ｍ、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１０とす
る工程を図７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７ａ）の両面にウエハ側からＣｒ−
Ｎｉ−Ａｕの３層からなる層２５をスパッタリング法に
より形成する（図７ｂ）。この層２５は、開口部に露出
したアルミニウム電極１９を保護するとともに、拡散抵
抗温度検出装置と外部機器とをワイヤーボンディング等
で接続するための層としての役割を果たす。一方、これ
まで処理してきた面の反対面においては、以後に行なう
熱電変換素子の形成のためのエレメントのｐｎ接合用電
極層としての働きをするものである。これらの３層から
電極を形成するために、拡散抵抗層２１を形成した面で
は、アルミニウム電極２３の開口部とその周囲（窒化ケ
イ素保護層２４上）に電極２６を残すようなパターンを
有するフォトマスクを用い、他方の面では、図４に示し
た上部基板１０上の電極１４のパターンを有するフォト
マスクを用いることにより、各々の面にエッチング用レ
ジスト層を形成し、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒの順でエッチング
を行うことにより温度検出装置用電極２６と上部基板に
おけるｐｎ接合用電極２７を形成する（図７ｃ）。次
に、下部基板作製工程を図８に基づいて説明する。下部
基板にはシリコンウエハ２８表面に熱酸化層２９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３０を
形成する（図８ｂ）。次に、図４及び図５に示した下部
基板電極パターンとなるようにフォトエッチングにより
下部基板用ｐｎ接合用電極３１を形成した（図８ｃ）。
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９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３２（図９
ａ）の両面に円形で径１１０μｍ、中心間距離３２０μ
ｍの開口部を有する厚さ４０μｍのフォトレジスト層３
３を形成する（図９ｂ）。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３３の厚みと同じ厚みである４０μｍのＮｉバンプ３
４を湿式めっき法により形成した（図９ｃ）。さらに、
ハンダバンプとなるべきハンダめっき（Ｓｎ：Ｐｂ＝
６：４）３５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９ｄ）、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３５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３５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３６を３
２０μｍピッチで作製することが出来た（図９ｆ）。こ
のようにして作製したハンダバンプ付き熱電材料を、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。次に、基板―熱電材
料接合工程について、図１０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。まず、下部基板作製工程で作製した下部基板３７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３８を治具を用いてアライメントする。すなわ
ち、下部基板３７のｐｎ接合用電極３９とハンダバンプ
４０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、下部基板３７と熱電材料３８との間には、熱電材
料３８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。
この間隙を利用して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。図１０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３７と熱電材料３８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３７およびｐｎ接合用電極３９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３８のみを切
断する。これにより、図１１に示すような、ハンダバン
プ４４の付いたエレメント４３が接合された基板４０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。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。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１２に基づいて説明する。
図１２（ａ）に示したように、上部基板４６と下部基板
４７をエレメント４８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４９を対向する基板のｐｎ接合用電極５０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、エレメントと基板を接合し、目
的とする熱電変換素子を作製した（図１２ｂ）。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。

【００１０】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１
３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５５℃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。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。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。

【００１１】

【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。

【００１２】このような特徴は、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。

【００１３】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
装置がシリコンに形成された拡散抵抗の変化を検出する
ことにより温度を測定することにより、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。

【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における縦断面を示
す断面図。

【図６】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７】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面基板として加工する工程を
表す概略図。

【図８】第２実施例における下面基板作製工程を表す概
略図。

【図９】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１０】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１１】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１２】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１３】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、９上部基板２、１０下部基板３、１１下部ｐｎ接合用電極４、１２上部ｐｎ接合用電極５、１３ｐ型エレメント６、１４ｎ型エレメント７サーミスタ膜８サーミスタ抵抗値測定用電極１５拡散抵抗１６、２６拡散抵抗の抵抗値測定用電極１７シリコン基板１８熱酸化膜１９フォトレジスト２０イオン注入層２１拡散抵抗層２２ＳｉＯ２系保護層２３アルミニウム電極２４窒化ケイ素系保護層２５Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｕの３層からなる金属層２７、３１ｐｎ接合用電極２８シリコン基板２９熱酸化層３０Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｕの３層からなる層３２Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料焼結体３３フォトレジスト層３４Ｎｉバンプ３５ハンダめっき３６ハンダバンプ３７、４５基板３８エレメント作製用ｐ型熱電材料３９、４１、５０ｐｎ接合用電極４０、４３、４９ハンダバンプ４２Ｎｉバンプ４４、４８エレメント４６上部基板４７対向基板５１拡散抵抗５２拡散抵抗の抵抗値測定用電極 14

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田宜史千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内

Claims

【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、少なくとも一方の基板上に、基板と一体形成された温度
検出装置を具備することを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】前記温度検出装置がサーミスタ材で膜状
に構成された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】前記基板が表面に絶縁層が形成されたシ
リコン基板であるとともに、前記温度検出装置が、シリ
コン基板の層内に設けられた拡散抵抗からなることを特
徴とする請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項４】基板に温度検出部と電極層を形成する基
板作製工程と、前記基板と相対する対向基板に電極層を
形成する対向基板作製工程と、熱電材料にハンダバンプ
を形成するバンプ形成工程と、バンプが形成された熱電材料とそれぞれの基板を接続す
る接合工程と、熱電材料を切断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枚の基板を接合する組み立て工程と、を備えるこ
とを特徴とする熱電素子の製造方法。
【請求項５】前記基板作製工程が、アルミナ基板上にサ
ーミスタ膜を形成する温度検出部形成工程と、熱電材料
と接続するための電極を形成する電極層形成工程を含む
ことを特徴とする請求項４に記載の熱電素子の製造方
法。
【請求項６】前記基板作製工程が、シリコン基板表面に
不純物を拡散させて拡散抵抗層を形成する温度検出部形
成工程と、熱電材料と接続するための電極を形成する電
極層形成工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の
熱電素子の製造方法。