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JP2012004333A - Thermoelement and method of manufacturing thermoelement - Google Patents

Thermoelement and method of manufacturing thermoelement Download PDF

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JP2012004333A
JP2012004333A JP2010137905A JP2010137905A JP2012004333A JP 2012004333 A JP2012004333 A JP 2012004333A JP 2010137905 A JP2010137905 A JP 2010137905A JP 2010137905 A JP2010137905 A JP 2010137905A JP 2012004333 A JP2012004333 A JP 2012004333A
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貴志 鈴木
Takuya Nishino
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Abstract

【課題】 熱電パターンに効率的に温度差を生じさせることができる熱電素子が望まれている。
【解決手段】 絶縁性の第1の基板に第1の貫通孔が形成されている。第1の貫通孔内の一部に、第1の熱伝達媒体が配置されている。第1の基板の第1の面よりも低い位置に、第1の熱伝達媒体の、第1の面と同じ方向を向く第1の端面が位置する。第1の面の上に、第1の熱伝達媒体の第1の端面に熱的に結合している熱電材料からなる熱電パターンが配置されている。第2の熱伝達媒体が、第1の熱伝達媒体とは異なる位置において熱電パターンに熱的に結合する。第1の熱伝達媒体と第2の熱伝達媒体とは、熱電パターンに関して反対向きに突出している。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric element capable of efficiently generating a temperature difference in a thermoelectric pattern.
A first through hole is formed in an insulating first substrate. The first heat transfer medium is disposed in a part of the first through hole. The first end face of the first heat transfer medium facing the same direction as the first face is located at a position lower than the first face of the first substrate. A thermoelectric pattern made of a thermoelectric material that is thermally coupled to the first end surface of the first heat transfer medium is disposed on the first surface. The second heat transfer medium is thermally coupled to the thermoelectric pattern at a different location than the first heat transfer medium. The first heat transfer medium and the second heat transfer medium protrude in opposite directions with respect to the thermoelectric pattern.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、熱電素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a thermoelectric element and a manufacturing method thereof.

曲面の表面を持つ発熱体に装着するために、フレキシブルな熱電素子が提案されている。フレキシブルな2枚のシートの間に、熱電変換材料からなるパターンが挟まれている。平面視において、熱電パターンの一部と重なるように、シートの一方の外面に熱伝導率の高い熱伝達部材が設けられる。反対側の外面にも、熱電パターンの他の部分と重なるように熱伝達部材が設けられる。   A flexible thermoelectric element has been proposed for mounting on a heating element having a curved surface. A pattern made of a thermoelectric conversion material is sandwiched between two flexible sheets. In plan view, a heat transfer member having a high thermal conductivity is provided on one outer surface of the sheet so as to overlap a part of the thermoelectric pattern. A heat transfer member is also provided on the opposite outer surface so as to overlap with other portions of the thermoelectric pattern.

シートに厚さ方向の温度差が生じると、一方の熱伝達部材が高温になり、他方の熱伝達部材が低温になる。熱伝達部材間の温度差により、基材に、面内方向の温度差が生じる。この温度差により、熱電パターンに面内方向の温度差が生じる。   When a temperature difference in the thickness direction occurs in the sheet, one heat transfer member becomes high temperature and the other heat transfer member becomes low temperature. Due to the temperature difference between the heat transfer members, a temperature difference in the in-plane direction occurs in the substrate. This temperature difference causes a temperature difference in the in-plane direction in the thermoelectric pattern.

特開2006−186255号公報JP 2006-186255 A

高温の外面に設けられた熱伝達部材から、高温側のシートを経由して熱電パターンに熱が伝達される。これにより、熱電パターンの一部が高温になる。ところが、この部分の熱は、低温側のシートを経由して冷却されている。このため、熱電パターンの高温端の温度上昇が抑制されてしまう。また、熱電パターンを冷却すべき部分に、高温側のシートを経由して熱が伝達される。このため、熱電パターンの低温端の冷却効率が低下する。   Heat is transferred from the heat transfer member provided on the high temperature outer surface to the thermoelectric pattern via the high temperature side sheet. Thereby, a part of thermoelectric pattern becomes high temperature. However, the heat of this part is cooled via the low temperature side sheet. For this reason, the temperature rise at the high temperature end of the thermoelectric pattern is suppressed. Further, heat is transmitted to the portion where the thermoelectric pattern is to be cooled via the high temperature side sheet. For this reason, the cooling efficiency of the low temperature end of the thermoelectric pattern is lowered.

熱電パターンに効率的に温度差を生じさせることができる熱電素子が望まれている。   A thermoelectric element capable of efficiently generating a temperature difference in a thermoelectric pattern is desired.

本発明の一観点によると、
絶縁性の第1の基板と、
前記第1の基板に形成された第1の貫通孔と、
前記第1の貫通孔内の一部に配置され、前記第1の基板の第1の面よりも低い位置に、前記第1の面と同じ方向を向く第1の端面が位置する第1の熱伝達媒体と、
前記第1の面の上に配置され、前記第1の熱伝達媒体の前記第1の端面に熱的に結合している熱電材料からなる熱電パターンと、
前記熱電パターンに、前記第1の熱伝達媒体とは異なる位置において熱的に結合し、前記熱電パターンに関して前記第1の熱伝達媒体とは反対向きに突出した第2の熱伝達媒体と
を有する熱電素子が提供される。
According to one aspect of the invention,
An insulating first substrate;
A first through hole formed in the first substrate;
A first end face disposed in a part of the first through hole and having a first end face facing the same direction as the first face at a position lower than the first face of the first substrate; A heat transfer medium;
A thermoelectric pattern comprising a thermoelectric material disposed on the first surface and thermally coupled to the first end surface of the first heat transfer medium;
A second heat transfer medium thermally coupled to the thermoelectric pattern at a position different from that of the first heat transfer medium and projecting in the opposite direction to the first heat transfer medium with respect to the thermoelectric pattern; A thermoelectric element is provided.

本発明の他の観点によると、
絶縁性の第1の基板に複数の第1の貫通孔を形成する工程と、
前記第1の貫通孔の各々の内部の一部に、第1の熱伝達媒体を充填し、前記第1の基板の一方の第1の面よりも低い位置に、前記第1の熱伝達媒体の端面を配置する工程と、
前記第1の面の上に、前記第1の熱伝達媒体と熱的に結合した熱電パターンを形成する工程と、
前記熱電パターンに、前記第1の熱伝達媒体とは異なる位置で、第2の熱伝達媒体を熱的に結合させる工程と
を有する熱電素子の製造方法が提供される。
According to another aspect of the invention,
Forming a plurality of first through holes in an insulating first substrate;
A part of the inside of each of the first through holes is filled with a first heat transfer medium, and the first heat transfer medium is disposed at a position lower than one first surface of the first substrate. Arranging the end face of
Forming a thermoelectric pattern thermally coupled to the first heat transfer medium on the first surface;
There is provided a method of manufacturing a thermoelectric element, comprising: a step of thermally coupling a second heat transfer medium to the thermoelectric pattern at a position different from the first heat transfer medium.

第1の端面を第1の面より低くすることにより、熱電パターンのうち、第1の熱伝達媒体に熱的に結合している部分の温度と、第1の熱伝達媒体の温度に近づけることができる。これにより、熱電パターンに大きな温度差を生じさせることができる。   By making the first end face lower than the first face, the temperature of the portion of the thermoelectric pattern that is thermally coupled to the first heat transfer medium and the temperature of the first heat transfer medium are brought close to each other. Can do. Thereby, a big temperature difference can be produced in a thermoelectric pattern.

(1A)は、実施例1による熱電素子の一方の基板の平面図であり、(1B)は、熱電素子の断面図である。(1A) is a plan view of one substrate of the thermoelectric element according to Example 1, and (1B) is a cross-sectional view of the thermoelectric element. 実施例1による熱電素子の空洞及びその周囲の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a cavity of a thermoelectric element according to Example 1 and its surroundings. 実施例1による熱電素子の製造途中段階における断面図である。1 is a cross-sectional view in the middle of manufacturing a thermoelectric element according to Example 1. FIG. 実施例1による熱電素子の製造途中段階における断面図である。1 is a cross-sectional view in the middle of manufacturing a thermoelectric element according to Example 1. FIG. (4A)及び(4B)は、それぞれ実施例1及び比較例の熱電素子内の温度分布のシミュレーション結果を示す等温線図である。(4A) and (4B) are isotherm diagrams showing simulation results of temperature distribution in the thermoelectric elements of Example 1 and Comparative Example, respectively. 実施例1及び比較例の熱電素子の熱電パターンの面内方向の温度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result of the temperature distribution of the in-plane direction of the thermoelectric pattern of the thermoelectric element of Example 1 and a comparative example. (6A)及び(6B)は、実施例2による熱電素子の製造途中段階における断面図である。(6A) and (6B) are cross-sectional views in the course of manufacturing a thermoelectric element according to Example 2. (6C)は、実施例2による熱電素子の断面図である。6C is a cross-sectional view of the thermoelectric element according to Example 2. FIG. (7A)及び(7B)は、実施例3による熱電素子の製造途中段階における断面図であり、(7C)は、実施例3による熱電素子の断面図である。(7A) and (7B) are cross-sectional views of the thermoelectric element according to Example 3 in the course of manufacturing, and (7C) is a cross-sectional view of the thermoelectric element according to Example 3. (8A)及び(8B)は、実施例4による熱電素子の製造途中段階における断面図である。(8A) and (8B) are cross-sectional views in the middle of manufacturing the thermoelectric element according to Example 4. (9A)及び(9B)は、実施例5による熱電素子の製造途中段階における断面図であり、(9C)は、実施例5による熱電素子の断面図である。(9A) and (9B) are cross-sectional views in the course of manufacturing a thermoelectric element according to Example 5, and (9C) are cross-sectional views of the thermoelectric element according to Example 5. 実施例5による熱電素子の動作時の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of the thermoelectric element according to Example 5 when operating.

[実施例1]
図1Aに、実施例1による熱電素子の一方の基板(第1の基板)の平面図を示す。絶縁性の第1の基板20の上に、熱電パターン21が形成されている。熱電パターン21は、クランク状に折れ曲がった平面形状を持ち、交互に直列接続された複数のP型熱電パターン21PとN型熱電パターン21Nとを含む。P型熱電パターン21PとN型熱電パターン21Nとは、導電膜22により相互に電気的に接続されている。
[Example 1]
FIG. 1A shows a plan view of one substrate (first substrate) of the thermoelectric element according to the first embodiment. A thermoelectric pattern 21 is formed on the insulating first substrate 20. The thermoelectric pattern 21 has a planar shape bent in a crank shape, and includes a plurality of P-type thermoelectric patterns 21P and N-type thermoelectric patterns 21N alternately connected in series. The P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N are electrically connected to each other by the conductive film 22.

図1Aにおいて、クランク状の熱電パターン21の横方向(行方向)に延在する部分に、P型熱電パターン21PとN型熱電パターン21Nとが2個ずつ交互に配列している。縦方向(列方向)に延在する部分には、隣り合う行のP型熱電パターン21PとN型熱電パターン21Nとの端部同志を接続する導電膜22が配置される。   In FIG. 1A, two P-type thermoelectric patterns 21P and two N-type thermoelectric patterns 21N are alternately arranged in a portion extending in the horizontal direction (row direction) of the crank-shaped thermoelectric pattern 21. In a portion extending in the vertical direction (column direction), a conductive film 22 that connects ends of the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N in adjacent rows is disposed.

熱電パターン21の経路に沿って配列する複数の導電膜22から、1つおきに選択した導電膜22(例えば、1から順番に通し番号を付したとき、奇数番目の導電膜22)に対応する位置に、第1の基板20を貫通する貫通孔25が形成されている。なお、P型熱電パターン21PとN型熱電パターン21Nとを列方向に接続する導電膜22に対しては、P型熱電パターン21Pと導電膜22との接続部、及びN型熱電パターンと導電膜22との接続部に、それぞれ第1の貫通孔25が形成されている。貫通孔25内の一部に、第1の熱伝達媒体30が埋め込まれている。   Positions corresponding to every other conductive film 22 selected from the plurality of conductive films 22 arranged along the path of the thermoelectric pattern 21 (for example, the odd-numbered conductive films 22 when serial numbers are assigned in order from 1). In addition, a through hole 25 penetrating the first substrate 20 is formed. For the conductive film 22 that connects the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N in the column direction, the connection portion between the P-type thermoelectric pattern 21P and the conductive film 22, and the N-type thermoelectric pattern and the conductive film. A first through hole 25 is formed in each of the connecting portions to the 22. The first heat transfer medium 30 is embedded in a part of the through hole 25.

熱電パターン21の経路の両端には、熱電素子の電極として作用する電極膜24が形成されている。一方の電極膜24は、P型熱電パターン21Pの端部に接続され、他方の電極膜24は、N型熱電パターン21Nの端部に接続されている。   Electrode films 24 acting as electrodes of thermoelectric elements are formed at both ends of the path of the thermoelectric pattern 21. One electrode film 24 is connected to the end of the P-type thermoelectric pattern 21P, and the other electrode film 24 is connected to the end of the N-type thermoelectric pattern 21N.

図1Bに、図1Aの一点鎖線1B−1Bにおける断面図を示す。第1の基板20に複数の貫通孔25が形成されている。貫通孔25の各々の側面は、両端の開口部近傍において、外側に向かって広がったテーパ形状にされている。貫通孔25内の一部分に、第1の熱伝達媒体30が埋め込まれている。第1の基板20には、可撓性を有する絶縁シートが用いられる。一例として、ポリイミド、カプトン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリサルフォン(PSF)、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリエーテルエチルケトン(PEEK)、ポリフェニレンサルファイト(PPS)等を用いることができる。これらの材料から、熱電素子の動作温度、動作環境等によって適切なものを選択すればよい。   FIG. 1B is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 1B-1B in FIG. 1A. A plurality of through holes 25 are formed in the first substrate 20. Each side surface of the through-hole 25 has a tapered shape that spreads outward in the vicinity of the opening at both ends. The first heat transfer medium 30 is embedded in a part of the through hole 25. A flexible insulating sheet is used for the first substrate 20. As an example, polyimide, kapton, polycarbonate, polyethylene, polyethylene terephthalate (PET), polysulfone (PSF), polyethersulfone (PES), polyetherethylketone (PEEK), polyphenylenesulfite (PPS), or the like can be used. . An appropriate material may be selected from these materials depending on the operating temperature, operating environment, etc. of the thermoelectric element.

第1の熱伝達媒体30には、第1の基板20よりも熱伝導率の高い材料、例えば半田等の金属が用いられる。   For the first heat transfer medium 30, a material having a higher thermal conductivity than the first substrate 20, for example, a metal such as solder is used.

第1の基板20の一方の面(第1の面)20Aと同じ方向を向く第1の熱伝達媒体30の端面(第1の端面)30Aは、第1の面20Aよりも低い位置に配置される。一例として、第1の端面30Aの深さ方向の位置は、第1の貫通孔25のテーパ状の側面の最も深い位置とほぼ一致する。第1の熱伝達媒体30の他方の端面(第2の端面)30Bは、第1の基板20の他方の面(第2の面)20Bとほぼ同じ高さに配置される。   The end surface (first end surface) 30A of the first heat transfer medium 30 facing the same direction as one surface (first surface) 20A of the first substrate 20 is disposed at a position lower than the first surface 20A. Is done. As an example, the position of the first end face 30 </ b> A in the depth direction substantially coincides with the deepest position of the tapered side surface of the first through hole 25. The other end surface (second end surface) 30B of the first heat transfer medium 30 is disposed at substantially the same height as the other surface (second surface) 20B of the first substrate 20.

第1の基板20の第1の面20A及び第1の熱伝達媒体30の第1の端面30Aの上に、絶縁膜31が形成されている。絶縁膜31には、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等が用いられる。第1の基板20の上に、絶縁膜31を介して、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nが形成されている。   An insulating film 31 is formed on the first surface 20 </ b> A of the first substrate 20 and the first end surface 30 </ b> A of the first heat transfer medium 30. For the insulating film 31, for example, silicon oxide, silicon nitride or the like is used. A P-type thermoelectric pattern 21P and an N-type thermoelectric pattern 21N are formed on the first substrate 20 with an insulating film 31 interposed therebetween.

P型熱電パターン21Pは、第1の端面30A上の領域から、隣の第1の熱伝達媒体30に向かって、第1の貫通孔25のテーパ状の側面を経由し、第1の面20A上の領域まで延びる。N型熱電パターン21Nは、第1の端面30A上の領域から、P型熱電パターン21Pとは反対向きに、第1の貫通孔25のテーパ状の側面を経由し、第1の面20A上の領域まで延びる。   The P-type thermoelectric pattern 21P passes from the region on the first end surface 30A toward the adjacent first heat transfer medium 30 via the tapered side surface of the first through-hole 25, and passes through the first surface 20A. Extends to the upper area. The N-type thermoelectric pattern 21N passes from the region on the first end face 30A through the tapered side surface of the first through hole 25 in the opposite direction to the P-type thermoelectric pattern 21P, and then on the first face 20A. Extends to the area.

第1の端面30Aの上のP型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nの端部は、絶縁膜31を介して、第1の熱伝達媒体30に熱的に結合される。P型熱電パターン21Pには、P型の熱電材料、例えばクロメルが用いられる。N型熱電パターン21Nには、N型の熱電材料、例えばコンスタンタンが用いられる。   The ends of the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N on the first end face 30A are thermally coupled to the first heat transfer medium 30 via the insulating film 31. A P-type thermoelectric material such as chromel is used for the P-type thermoelectric pattern 21P. An N-type thermoelectric material such as constantan is used for the N-type thermoelectric pattern 21N.

熱電材料として、他の材料を用いてもよい。例えば、BiTe系材料、PbTe系材料、Si−Ge系材料、シリサイド系材料、スクッテルダイト系材料、遷移金属酸化物系材料、亜鉛アンチモン系材料、ホウ素化合物、クラスタ固体、酸化亜鉛系材料、カーボンナノチューブ等を用いることができる。BiTe系材料の例として、BiTe、SbTe、BiSe、およびこれらの化合物が挙げられる。PbTe系材料の例として、PbTe、SnTe、AgSbTe、GeTe、及びこれらの化合物が挙げられる。Si−Ge系材料の例として、Si、Ge、SiGeが挙げられる。シリサイド系材料の例として、FeSi、MnSi、CrSi等が挙げられる。スクッテルダイト系材料の例として、MX、RM12と表記される化合物が挙げられる。ここで、Mは、Co、Rh、またはIrであり、Xは、As、P、またはSbであり、Rは、La、Yb、またはCeを表す。遷移金属酸化物系材料として、NaCoO、CaCoO、ZnInO、SrTiO、BiSrCoO、PbSrCoO、CaBiCoO、BaBiCoO等が挙げられる。亜鉛アンチモン系材料の例として、AnSbが挙げられる。ホウ素化合物の例として、CeB、BaB、SrB、CaB、MgB、VB、NiB、CuB、LiB等が挙げられる。クラスタ固体の例として、Bクラスタ、Siクラスタ、Cクラスタ、AlRe、AlReSi等が挙げられる。酸化亜鉛系材料の例として、ZnOが挙げられる。 Other materials may be used as the thermoelectric material. For example, BiTe materials, PbTe materials, Si-Ge materials, silicide materials, skutterudite materials, transition metal oxide materials, zinc antimony materials, boron compounds, cluster solids, zinc oxide materials, carbon Nanotubes or the like can be used. Examples of BiTe-based materials include BiTe, SbTe, BiSe, and these compounds. Examples of PbTe-based materials include PbTe, SnTe, AgSbTe, GeTe, and compounds thereof. Examples of the Si—Ge material include Si, Ge, and SiGe. Examples of the silicide material include FeSi, MnSi, CrSi and the like. Examples of the skutterudite-based material include compounds represented by MX 3 and RM 4 X 12 . Here, M is Co, Rh, or Ir, X is As, P, or Sb, and R represents La, Yb, or Ce. Examples of transition metal oxide materials include NaCoO, CaCoO, ZnInO, SrTiO, BiSrCoO, PbSrCoO, CaBiCoO, BaBiCoO, and the like. An example of the zinc antimony material is AnSb. Examples of the boron compound include CeB, BaB, SrB, CaB, MgB, VB, NiB, CuB, and LiB. Examples of cluster solids include B clusters, Si clusters, C clusters, AlRe, AlReSi, and the like. An example of the zinc oxide-based material is ZnO.

第1の端面30Aの各々の上に、P型熱電パターン21Pの端部とN型熱電パターン21Nの端部とが配置される。導電膜22が、この2つの端部同士を電気的に接続する。行方向に隣り合う第1の熱伝達媒体30のほぼ中間に、両側の第1の熱伝達媒体30からそれぞれ延在するP型熱電パターン21PとN型熱電パターン21Nとを接続する導電膜22が形成されている。導電膜22には、例えば銅(Cu)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、金(Au)、白金(Pt)等が用いられる。   An end portion of the P-type thermoelectric pattern 21P and an end portion of the N-type thermoelectric pattern 21N are disposed on each of the first end faces 30A. A conductive film 22 electrically connects the two ends. A conductive film 22 connecting the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N respectively extending from the first heat transfer medium 30 on both sides is provided approximately in the middle of the first heat transfer media 30 adjacent in the row direction. Is formed. For the conductive film 22, for example, copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), gold (Au), platinum (Pt), or the like is used.

第2の基板40に複数の第2の貫通孔41が形成されている。第2の貫通孔41の側面の開口部近傍も、第1の貫通孔25と同様にテーパ状の構造を持つ。第2の貫通孔41内に第2の熱伝達媒体42が埋め込まれている。第2の熱伝達媒体42の両側の端面は、それぞれ第2の基板40の表面とほぼ同じ高さに配置される。第2の基板40及び第2の熱伝達媒体42には、それぞれ第1の基板20及び第1の熱伝達媒体42と同じ材料が用いられる。   A plurality of second through holes 41 are formed in the second substrate 40. Similar to the first through hole 25, the vicinity of the opening on the side surface of the second through hole 41 has a tapered structure. A second heat transfer medium 42 is embedded in the second through hole 41. The end surfaces on both sides of the second heat transfer medium 42 are disposed at substantially the same height as the surface of the second substrate 40, respectively. The same material as that of the first substrate 20 and the first heat transfer medium 42 is used for the second substrate 40 and the second heat transfer medium 42, respectively.

第2の基板40の第1の面40Aと、第1の基板20の第1の面20Aとを向かい合わせて、両者が接着剤層50を介して接着されている。第2の熱伝達媒体42は、平面視において、第1の基板20上の導電膜22と重なる位置に配置される。第2の熱伝達媒体42は、接着剤層50を介して、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nに熱的に結合する。第1の熱伝達媒体30と第2の基板40との間に、空洞45が形成される。   The first surface 40 </ b> A of the second substrate 40 and the first surface 20 </ b> A of the first substrate 20 face each other, and both are bonded via an adhesive layer 50. The second heat transfer medium 42 is disposed at a position overlapping the conductive film 22 on the first substrate 20 in plan view. The second heat transfer medium 42 is thermally coupled to the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N via the adhesive layer 50. A cavity 45 is formed between the first heat transfer medium 30 and the second substrate 40.

上述のように、第1の熱伝達媒体30と第2の熱伝達媒体42とは、熱電パターン21に、相互に異なる位置で熱的に結合する。また、第1の熱伝達媒体30と第2の熱伝達媒体42とは、熱電パターン21に関して、相互に反対向きに突出する。P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nの各々に着目すると、1つのパターンの一方の端部に第1の熱伝達媒体30が熱的に結合し、他方の端部に第2の熱伝達媒体42が熱的に結合する。   As described above, the first heat transfer medium 30 and the second heat transfer medium 42 are thermally coupled to the thermoelectric pattern 21 at different positions. Further, the first heat transfer medium 30 and the second heat transfer medium 42 protrude in opposite directions with respect to the thermoelectric pattern 21. Focusing on each of the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N, the first heat transfer medium 30 is thermally coupled to one end portion of one pattern, and the second heat transfer is connected to the other end portion. Medium 42 is thermally coupled.

図2に、空洞45及びその周囲の断面図を示す。P型熱電パターン21Pと第1の熱伝達媒体30との間、及びN型熱電パターン21Nと第1の熱伝達媒体30との間に、絶縁膜31が配置されている。絶縁膜31は、第1の熱伝達媒体30を、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nから電気的に絶縁する。なお、絶縁膜31は、P型熱電パターン21Pと第1の熱伝達媒体30との間、及びN型熱電パターン21Nと第1の熱伝達媒体30との間の熱伝達を阻害しないように、できるだけ薄くすることが好ましい。逆に、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nと、第1の熱伝達媒体30との間の短絡を防止するための十分な厚さを確保することが好ましい。例えば、絶縁膜31の厚さを0.01μm〜1μmの範囲内とすることが好ましい。   FIG. 2 shows a cross-sectional view of the cavity 45 and its surroundings. An insulating film 31 is disposed between the P-type thermoelectric pattern 21P and the first heat transfer medium 30, and between the N-type thermoelectric pattern 21N and the first heat transfer medium 30. The insulating film 31 electrically insulates the first heat transfer medium 30 from the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N. The insulating film 31 does not hinder heat transfer between the P-type thermoelectric pattern 21P and the first heat transfer medium 30 and between the N-type thermoelectric pattern 21N and the first heat transfer medium 30. It is preferable to make it as thin as possible. Conversely, it is preferable to secure a sufficient thickness to prevent a short circuit between the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N and the first heat transfer medium 30. For example, the thickness of the insulating film 31 is preferably in the range of 0.01 μm to 1 μm.

図3A〜図3Gを参照して、実施例1による熱電素子の製造方法について説明する。   With reference to FIG. 3A-FIG. 3G, the manufacturing method of the thermoelectric element by Example 1 is demonstrated.

図3Aに示すように、第1の基板20に複数の第1の貫通孔25を形成する。第1の基板20の厚さは、例えば125μmである。第1の貫通孔25の形成には、レーザ加工または機械ドリル加工を適用することができる。レーザ加工の条件、機械ドリル加工の条件を調整することにより、開口部近傍がテーパ状になった貫通孔を形成することができる。第1の貫通孔25の平面形状は、例えば円形である。なお、円形以外に、四角形、その他の多角形としてもよい。   As shown in FIG. 3A, a plurality of first through holes 25 are formed in the first substrate 20. The thickness of the first substrate 20 is, for example, 125 μm. Laser processing or mechanical drilling can be applied to the formation of the first through hole 25. By adjusting the laser processing conditions and the machine drilling conditions, it is possible to form a through hole having a tapered vicinity in the vicinity of the opening. The planar shape of the first through hole 25 is, for example, a circle. In addition to a circle, it may be a quadrilateral or other polygons.

一般的には、開口部近傍において口径が大きくならないストレート形状の貫通孔が形成されるように、加工条件が最適化される。本実施例1においては、加工条件を、ストレート形状の貫通孔を形成するための最適条件からずらすことにより、テーパ状の開口部を持つ貫通孔25を形成することができる。   In general, the processing conditions are optimized so that a straight through-hole that does not have a large diameter is formed in the vicinity of the opening. In the first embodiment, the through hole 25 having a tapered opening can be formed by shifting the processing condition from the optimum condition for forming a straight through hole.

図3Bに示すように、第1の貫通孔25内の一部に第1の熱伝達媒体30を埋め込む。以下、第1の熱伝達媒体30を埋め込む方法について説明する。第1の貫通孔25の位置に整合する開口を持つマスクを用いて、第2の面20Bから、半田ペーストを第1の貫通孔25内に埋め込む。埋め込まれた半田ペーストが、第1の面20Aまで到達しないように、半田ペーストの量を調節しておく。   As shown in FIG. 3B, the first heat transfer medium 30 is embedded in a part of the first through hole 25. Hereinafter, a method of embedding the first heat transfer medium 30 will be described. The solder paste is embedded in the first through-hole 25 from the second surface 20 </ b> B using a mask having an opening that matches the position of the first through-hole 25. The amount of the solder paste is adjusted so that the embedded solder paste does not reach the first surface 20A.

半田ペーストを埋め込んだ後、半田ペースト中の樹脂を揮発させるための熱処理を行う。熱処理温度は、例えば200℃とする。半田ペーストが第1の面20Aまで到達していないため、第1の熱伝達媒体30の第1の端面30Aの位置が、第1の面20Aよりも低くなり、凹部20Cが形成される。第1の熱伝達媒体30の第2の端面30Bは、第2の面20Bとほぼ同じ高さになる。   After embedding the solder paste, a heat treatment is performed to volatilize the resin in the solder paste. The heat treatment temperature is set to 200 ° C., for example. Since the solder paste does not reach the first surface 20A, the position of the first end surface 30A of the first heat transfer medium 30 is lower than that of the first surface 20A, and the recess 20C is formed. The second end surface 30B of the first heat transfer medium 30 has substantially the same height as the second surface 20B.

図3Cに示すように、第1の面20A及び第1の端面30Aの上に、絶縁膜31を形成する。絶縁膜31には、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁物が用いられる。絶縁膜31の形成には、例えばスパッタリング等が適用される。   As shown in FIG. 3C, an insulating film 31 is formed on the first surface 20A and the first end surface 30A. For the insulating film 31, for example, an insulator such as silicon oxide or silicon nitride is used. For example, sputtering is applied to the formation of the insulating film 31.

図3Dに示すように、絶縁膜31の上に、例えばクロメルからなるP型熱電パターン21Pを形成する。P型熱電パターン21Pの形成には、その平面形状に整合する開口を有するメタルマスクを用いたスパッタリングが適用される。P型熱電パターン21Pの厚さは、例えば1μmとする。第1の貫通孔25の開口部近傍がテーパ状にされているため、第1の端面30A上の端部から第1の面20A上の端部まで、断線を生じさせること無く、P型熱電パターン21Pを形成することができる。   As shown in FIG. 3D, a P-type thermoelectric pattern 21P made of, for example, chromel is formed on the insulating film 31. For the formation of the P-type thermoelectric pattern 21P, sputtering using a metal mask having an opening that matches the planar shape is applied. The thickness of the P-type thermoelectric pattern 21P is, for example, 1 μm. Since the vicinity of the opening of the first through-hole 25 is tapered, the P-type thermoelectric element does not cause disconnection from the end on the first end face 30A to the end on the first face 20A. A pattern 21P can be formed.

図3Eに示すように、絶縁膜31の上に、例えばコンスタンタンからなるN型熱電パターン21Nを形成する。N型熱電パターン21Nの形成には、その平面形状に整合する開口を有するメタルマスクを用いたスパッタリングが適用される。N型熱電パターン21Nの厚さは、例えば1μmとする。P型熱電パターン21Pと同様に、第1の端面30A上の端部から第1の面20A上の端部まで、断線を生じさせること無く、N型熱電パターン21Nを形成することができる。   As shown in FIG. 3E, an N-type thermoelectric pattern 21N made of, for example, constantan is formed on the insulating film 31. For the formation of the N-type thermoelectric pattern 21N, sputtering using a metal mask having an opening that matches the planar shape is applied. The thickness of the N-type thermoelectric pattern 21N is, for example, 1 μm. Similarly to the P-type thermoelectric pattern 21P, the N-type thermoelectric pattern 21N can be formed from the end portion on the first end face 30A to the end portion on the first face 20A without causing disconnection.

図3Fに示すように、例えば銅(Cu)からなる導電膜22を形成する。導電膜22の形成には、その平面形状に整合する開口を有するメタルマスクを用いたスパッタリングが適用される。導電膜22の厚さは、例えば0.3μmとする。   As shown in FIG. 3F, a conductive film 22 made of, for example, copper (Cu) is formed. The conductive film 22 is formed by sputtering using a metal mask having an opening that matches the planar shape. The thickness of the conductive film 22 is, for example, 0.3 μm.

図3Gに示すように、第2の基板40に第2の貫通孔41を形成し、その中に第2の熱伝達媒体42を埋め込む。第2の基板40の厚さは、例えば75μmである。第2の貫通孔41及び第2の熱伝達媒体42の形成方法は、図3A及び図3Bに示した第1の貫通孔25及び第1の熱伝達媒体30の形成方法と同一である。ただし、第2の基板40が第1の基板20よりも薄いため、第2の熱伝達媒体42は、第2の貫通孔41内をほぼ完全に埋め尽くす。これにより、第2の熱伝達媒体42の両側の端面は、第2の基板40の表面とほぼ同じ高さになる。   As shown to FIG. 3G, the 2nd through-hole 41 is formed in the 2nd board | substrate 40, and the 2nd heat-transfer medium 42 is embedded in it. The thickness of the second substrate 40 is, for example, 75 μm. The method for forming the second through hole 41 and the second heat transfer medium 42 is the same as the method for forming the first through hole 25 and the first heat transfer medium 30 shown in FIGS. 3A and 3B. However, since the second substrate 40 is thinner than the first substrate 20, the second heat transfer medium 42 fills the second through hole 41 almost completely. As a result, the end surfaces on both sides of the second heat transfer medium 42 are substantially the same height as the surface of the second substrate 40.

第2の基板40の一方の面に接着剤を塗布することにより、接着剤層50を形成する。接着剤層50が形成された面を、第1の基板20の第1の面20Aに対向させる。第2の熱伝達媒体42が、隣り合う第1の熱伝達媒体30のほぼ中間の導電膜22と重なるように、第1の基板20と第2の基板40との位置合わせを行う。接着剤層50を硬化させることにより、図1Bに示した熱電素子が得られる。   The adhesive layer 50 is formed by applying an adhesive to one surface of the second substrate 40. The surface on which the adhesive layer 50 is formed is opposed to the first surface 20 </ b> A of the first substrate 20. The first substrate 20 and the second substrate 40 are aligned so that the second heat transfer medium 42 overlaps the conductive film 22 substantially in the middle of the adjacent first heat transfer medium 30. By curing the adhesive layer 50, the thermoelectric element shown in FIG. 1B is obtained.

次に、実施例1による熱電素子の動作について説明する。図1Bに示した第1の基板20の外側の面と、第2の基板40の外側の面との間に、温度差を生じさせる。例えば、第1の基板20の外側の面を第1の熱源に結合させ、第2の基板40の外側の面を第2の熱源に結合させる。第1の熱源及び第2の熱源の一方は、高温側熱源であり、他方は低温側熱源である。一例として、第1の基板20の外側の面が接触する第1の熱源を低温側熱源とし、第2の基板40の外側の面が接触する第2の熱源を高温側熱源とする。   Next, the operation of the thermoelectric element according to Example 1 will be described. A temperature difference is generated between the outer surface of the first substrate 20 shown in FIG. 1B and the outer surface of the second substrate 40. For example, the outer surface of the first substrate 20 is coupled to a first heat source, and the outer surface of the second substrate 40 is coupled to a second heat source. One of the first heat source and the second heat source is a high temperature side heat source, and the other is a low temperature side heat source. As an example, a first heat source in contact with the outer surface of the first substrate 20 is a low-temperature side heat source, and a second heat source in contact with the outer surface of the second substrate 40 is a high-temperature side heat source.

第1の熱伝達媒体30及び第2の熱伝達媒体42の熱伝導率が、第1の基板20及び第2の基板40の熱伝導率よりも高い。このため、高温の第2の熱源から、第2の熱伝達媒体42、P型熱電パターン21P、及び第1の熱伝達媒体30を経由して低温の第1の熱源に至る熱流路が形成される。さらに、第2の熱源から、第2の熱伝達媒体42、N型熱電パターン21N、及び第1の熱伝達媒体30を経由して第1の熱源に至る熱流路が形成される。これにより、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nに、面内方向の温度差が発生する。この温度差により、熱起電力が発生する。   The thermal conductivity of the first heat transfer medium 30 and the second heat transfer medium 42 is higher than that of the first substrate 20 and the second substrate 40. For this reason, a heat flow path is formed from the high-temperature second heat source to the low-temperature first heat source via the second heat transfer medium 42, the P-type thermoelectric pattern 21P, and the first heat transfer medium 30. The Furthermore, a heat flow path is formed from the second heat source to the first heat source via the second heat transfer medium 42, the N-type thermoelectric pattern 21N, and the first heat transfer medium 30. Thereby, a temperature difference in the in-plane direction is generated in the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N. Due to this temperature difference, a thermoelectromotive force is generated.

第2の熱伝達媒体42とP型熱電パターン21Pとの間、及び第2の熱伝達媒体42とN型熱電パターン21Nとの間には、薄い接着剤層50が挿入されているのみである。また、第1の熱伝達媒体30とP型熱電パターン21Pとの間、及び第1の熱伝達媒体30とN型熱電パターン21Nとの間には、薄い絶縁膜31が挿入されているのみである。このため、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nの高温端を、効率的に加熱することができる。また、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nの低温端を効率よく冷却することができる。   A thin adhesive layer 50 is only inserted between the second heat transfer medium 42 and the P-type thermoelectric pattern 21P and between the second heat transfer medium 42 and the N-type thermoelectric pattern 21N. . Further, only a thin insulating film 31 is inserted between the first heat transfer medium 30 and the P-type thermoelectric pattern 21P and between the first heat transfer medium 30 and the N-type thermoelectric pattern 21N. is there. For this reason, the high temperature end of the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N can be efficiently heated. Further, the low temperature ends of the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N can be efficiently cooled.

第2の基板40の熱伝導率は、第2の熱伝達媒体42の熱伝導率より低いが、一部の熱は、第2の基板40の外側の面から、厚さ方向に伝導し、第1の面40まで至る。実施例1においては、第1の熱伝達媒体30と第2の基板40との間に空洞45が形成されている。空洞45が断熱材として作用する。このため、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nの低温端への、高温部からの熱の流入を抑制することができる。第1の貫通孔25の開口部をテーパ形状にしているため、ストレート形状の場合に比べて、断熱効果をより高めることができる。   The thermal conductivity of the second substrate 40 is lower than the thermal conductivity of the second heat transfer medium 42, but part of the heat is conducted in the thickness direction from the outer surface of the second substrate 40, The first surface 40 is reached. In the first embodiment, a cavity 45 is formed between the first heat transfer medium 30 and the second substrate 40. The cavity 45 acts as a heat insulating material. For this reason, inflow of heat from the high temperature part to the low temperature ends of the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N can be suppressed. Since the opening part of the 1st through-hole 25 is made into the taper shape, the heat insulation effect can be heightened more compared with the case of a straight shape.

さらに、第1の熱伝達媒体30の高さが、第1の基板20の厚さに比べて低い。このため、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nの低温端と、第1の熱源との熱流路が、第1の基板20の厚さよりも短くなる。これにより、低温端を効率的に冷却することが可能になる。   Further, the height of the first heat transfer medium 30 is lower than the thickness of the first substrate 20. For this reason, the heat flow path between the low temperature ends of the P-type thermoelectric pattern 21 </ b> P and the N-type thermoelectric pattern 21 </ b> N and the first heat source becomes shorter than the thickness of the first substrate 20. As a result, the low temperature end can be efficiently cooled.

図4A及び図4Bを参照して、温度分布のシミュレーション結果について説明する。図4Aは、空洞45が形成された実施例1に対応する構造のシミュレーション結果を示し、図4Bは、空洞が形成されていない比較例の構造のシミュレーション結果を示す。第1の基板20の外側の面を0℃とし、第2の基板40の外側の面を100℃とした。図4A、図4Bに、等温線を曲線で示している。   A simulation result of the temperature distribution will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. FIG. 4A shows a simulation result of the structure corresponding to Example 1 in which the cavity 45 is formed, and FIG. 4B shows a simulation result of the structure of the comparative example in which the cavity is not formed. The outer surface of the first substrate 20 was 0 ° C., and the outer surface of the second substrate 40 was 100 ° C. In FIG. 4A and FIG. 4B, the isotherm is shown by a curve.

空洞45を設けると、図4Aに示したように、10℃の等温線が、熱電パターン21と交差している。これは、熱電パターン21の低温端の温度が10℃以下になることを意味する。これに対し、空洞を形成しない場合には、図4Bに示したように、10℃〜40℃の等温線が熱電パターン21と交差しない。これた、熱電パターン21の低温端の温度が40℃以上であることを意味する。   When the cavity 45 is provided, an isothermal line of 10 ° C. intersects the thermoelectric pattern 21 as shown in FIG. 4A. This means that the temperature at the low temperature end of the thermoelectric pattern 21 is 10 ° C. or less. On the other hand, when the cavity is not formed, the isotherm of 10 ° C. to 40 ° C. does not intersect the thermoelectric pattern 21 as shown in FIG. 4B. This means that the temperature at the low temperature end of the thermoelectric pattern 21 is 40 ° C. or higher.

図5に、シミュレーション結果から求めた温度分布を示す。横軸は、熱電パターンの高温端からの距離を単位μmで表し、縦軸は温度を単位「℃」で表す。実線a及び破線bが、それぞれ図4A及び図4Bの構造の温度分布を示す。   FIG. 5 shows the temperature distribution obtained from the simulation results. The horizontal axis represents the distance from the high temperature end of the thermoelectric pattern in units of μm, and the vertical axis represents the temperature in units of “° C.”. A solid line a and a broken line b indicate the temperature distributions of the structures of FIGS. 4A and 4B, respectively.

実施例1に対応する図4Aの構造では、高温端と低温端との温度差が36.1℃であるのに対し、比較例の構造では、温度差が13.6℃である。このように、実施例1の構造を採用することにより、熱電パターン21に、より大きな温度差を生じさせることができる。温度差が大きくなることにより、熱電発電の出力電力も大きくなる。   In the structure of FIG. 4A corresponding to Example 1, the temperature difference between the high temperature end and the low temperature end is 36.1 ° C., whereas in the structure of the comparative example, the temperature difference is 13.6 ° C. Thus, by adopting the structure of Example 1, a larger temperature difference can be generated in the thermoelectric pattern 21. As the temperature difference increases, the output power of thermoelectric power generation also increases.

図3Gに示した基板の貼り合わせ工程は、例えば大気中で行われるが、真空中で行ってもよい。真空中で行う場合には、空洞45内を真空にすることができる。接着剤層50として、真空を長期間維持することができる性能をもった接着剤を使用することにより、空洞45を長期間、真空に保つことができる。空洞45を真空にすると、空洞45による断熱効果を高めることができる。   The substrate bonding step shown in FIG. 3G is performed in the atmosphere, for example, but may be performed in a vacuum. When performed in a vacuum, the inside of the cavity 45 can be evacuated. By using an adhesive having a performance capable of maintaining a vacuum for a long period of time as the adhesive layer 50, the cavity 45 can be kept in a vacuum for a long period of time. When the cavity 45 is evacuated, the heat insulation effect by the cavity 45 can be enhanced.

実施例1では、熱電パターン21と第1の熱伝達媒体30との間に、両者を絶縁するための絶縁膜31を形成した。両者を絶縁する必要があるのは、第1の基板20の外側の面を、導電性の第1の熱源に接触させたときに、複数の第1の熱伝達媒体30が相互に短絡されてしまうためである。第1の熱源が導電性ではない場合には、熱電パターン21と第1の熱伝達媒体30とを絶縁する必要はない。この場合には、絶縁膜31を省略し、熱電パターン21を第1の熱伝達媒体30に直接接触させてもよい。   In Example 1, the insulating film 31 for insulating the thermoelectric pattern 21 and the first heat transfer medium 30 was formed. It is necessary to insulate both the plurality of first heat transfer media 30 from each other when the outer surface of the first substrate 20 is brought into contact with the conductive first heat source. It is because it ends. When the first heat source is not conductive, it is not necessary to insulate the thermoelectric pattern 21 from the first heat transfer medium 30. In this case, the insulating film 31 may be omitted and the thermoelectric pattern 21 may be in direct contact with the first heat transfer medium 30.

また、第1の熱源が導電性である場合、第1の基板20の外側の面、及び第1の熱伝達媒体30の外側の端面の上に、絶縁膜を形成してもよい。この場合には、複数の第1の熱伝達媒体30が相互に短絡されないため、絶縁膜31を省略することができる。   Further, when the first heat source is conductive, an insulating film may be formed on the outer surface of the first substrate 20 and the outer end surface of the first heat transfer medium 30. In this case, since the plurality of first heat transfer media 30 are not short-circuited with each other, the insulating film 31 can be omitted.

[実施例2]
図6A〜図6Cを参照して、実施例2による熱電素子について説明する。以下の説明では、実施例1との相違点に着目し、実施例1と同一の構成については説明を省略する。
[Example 2]
A thermoelectric element according to Example 2 will be described with reference to FIGS. 6A to 6C. In the following description, paying attention to differences from the first embodiment, the description of the same configuration as the first embodiment is omitted.

図6Aに示すように、第1の基板20に、第1の貫通孔25、第1の熱伝達媒体30、絶縁膜31、P型熱電パターン21P、N型熱電パターン21N、及び導電膜22を形成する。実施例1では、隣り合う第1の熱伝達媒体30から相互に近づく向きに延びたP型熱電パターン21PとN型熱電パターン21Nとを、導電膜22で接続した。実施例2では、両者は接続されておらず、その先端の間隔が、実施例1の構成の間隔よりも広い。   As shown in FIG. 6A, the first through hole 25, the first heat transfer medium 30, the insulating film 31, the P-type thermoelectric pattern 21P, the N-type thermoelectric pattern 21N, and the conductive film 22 are formed on the first substrate 20. Form. In Example 1, the P-type thermoelectric pattern 21 </ b> P and the N-type thermoelectric pattern 21 </ b> N extending in a direction approaching each other from the adjacent first heat transfer medium 30 were connected by the conductive film 22. In Example 2, both are not connected, and the space | interval of the front-end | tip is wider than the space | interval of the structure of Example 1. FIG.

絶縁膜31の上に、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nと重ならないように、接着剤層51を形成する。   An adhesive layer 51 is formed on the insulating film 31 so as not to overlap the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N.

実施例1では、第2の基板40に形成された第2の熱伝達媒体42の両側の端面が、第2の基板40の表面とほぼ同じ高さであった。実施例2では、第2の熱伝達媒体42の一方の端面(第1の端面)42Aが、第1の熱伝達媒体30と同様に、第2の基板40の表面(第1の面)40Aよりも低くなっている。このため、第2の貫通孔41の開口部に凹部40Cが形成される。   In Example 1, the end surfaces on both sides of the second heat transfer medium 42 formed on the second substrate 40 were almost the same height as the surface of the second substrate 40. In the second embodiment, one end surface (first end surface) 42 </ b> A of the second heat transfer medium 42 is similar to the first heat transfer medium 30 in the surface (first surface) 40 </ b> A of the second substrate 40. Is lower than. For this reason, a recess 40 </ b> C is formed in the opening of the second through hole 41.

第2の基板40の第1の面40Aの上に、絶縁膜32が形成されている。絶縁膜32には、例えば絶縁膜31と同じ絶縁材料が用いられる。絶縁膜32の上に、P型熱電パターン21P、N型熱電パターン21N、及び導電膜22が形成されている。これらの構造は、第1の基板20の第1の面20Aの上に形成されたP型熱電パターン21P、N型熱電パターン21N、及び導電膜22と同一である。   An insulating film 32 is formed on the first surface 40 </ b> A of the second substrate 40. For the insulating film 32, for example, the same insulating material as that of the insulating film 31 is used. On the insulating film 32, a P-type thermoelectric pattern 21P, an N-type thermoelectric pattern 21N, and a conductive film 22 are formed. These structures are the same as those of the P-type thermoelectric pattern 21P, the N-type thermoelectric pattern 21N, and the conductive film 22 formed on the first surface 20A of the first substrate 20.

絶縁膜32の上に、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nと重ならないように、接着剤層51を形成する。   An adhesive layer 51 is formed on the insulating film 32 so as not to overlap the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N.

図6Bに示すように、第1の基板20の第1の面20Aと、第2の基板40の第1の面40Aとを対向させる。平面視において、相互に隣り合う第1の熱伝達媒体30の中間に、第2の熱伝達媒体42が位置するように、第1の基板20と第2の基板40との位置合わせを行う。このとき、第1の基板20の上に形成されたP型熱電パターン21Pと、第2の基板40の上に形成されたP型熱電パターン21Pとが部分的に重なる。同様に、第1の基板20の上に形成されたN型熱電パターン21Nと、第2の基板40の上に形成されたN型熱電パターン21Nとが部分的に重なる。   As shown in FIG. 6B, the first surface 20A of the first substrate 20 and the first surface 40A of the second substrate 40 are opposed to each other. In plan view, the first substrate 20 and the second substrate 40 are aligned so that the second heat transfer medium 42 is positioned between the first heat transfer media 30 adjacent to each other. At this time, the P-type thermoelectric pattern 21P formed on the first substrate 20 and the P-type thermoelectric pattern 21P formed on the second substrate 40 partially overlap. Similarly, the N-type thermoelectric pattern 21N formed on the first substrate 20 and the N-type thermoelectric pattern 21N formed on the second substrate 40 partially overlap.

図6Cに示すように、P型熱電パターン21P同士を接触させ、N型熱電パターン21N同士を接触させる。接着剤層51を硬化させることにより、第1の基板20と第2の基板40とを貼り合わせる。超音波接合または加熱圧着により、P型熱電パターン21P同士、及びN型熱電パターン21N同士の電気的接続を確保する。   As shown in FIG. 6C, the P-type thermoelectric patterns 21P are brought into contact with each other, and the N-type thermoelectric patterns 21N are brought into contact with each other. The first substrate 20 and the second substrate 40 are bonded together by curing the adhesive layer 51. The electrical connection between the P-type thermoelectric patterns 21P and the N-type thermoelectric patterns 21N is ensured by ultrasonic bonding or thermocompression bonding.

実施例2では、第2の熱伝達媒体42と第1の基板20との間にも、空洞46が形成される。このため、第1の基板20の外側の面と、第2の熱伝達媒体42との間の熱流を抑制することができる。これにより、実施例1に比べて、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nの各々の両端に、より効率的に温度差を生じさせることができる。   In the second embodiment, the cavity 46 is also formed between the second heat transfer medium 42 and the first substrate 20. For this reason, the heat flow between the outer surface of the first substrate 20 and the second heat transfer medium 42 can be suppressed. Thereby, compared with Example 1, a temperature difference can be produced more efficiently at both ends of each of the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N.

[実施例3]
図7A〜図7Cを参照して、実施例3による熱電素子について説明する。以下の説明では、実施例1との相違点に着目し、実施例1と同一の構成については説明を省略する。
[Example 3]
A thermoelectric element according to Example 3 will be described with reference to FIGS. 7A to 7C. In the following description, paying attention to differences from the first embodiment, the description of the same configuration as the first embodiment is omitted.

図7Aに示すように、第1の基板20に、第1の貫通孔25、第1の熱伝達媒体30、絶縁膜31、及びP型熱電パターン21Pを形成する。この製造途中段階の構造は、実施例1の図3Dに示した構造と同一である。   As shown in FIG. 7A, a first through hole 25, a first heat transfer medium 30, an insulating film 31, and a P-type thermoelectric pattern 21P are formed in the first substrate 20. The structure in the middle of manufacturing is the same as the structure shown in FIG.

図7Bに示すように、絶縁膜31の上に導電膜26を形成する。導電膜26の平面形状は、実施例1の図3Fに示したN型熱電パターン21Nと導電膜22とを合成した形状とほぼ等しい。導電膜26は、相互に隣り合うP型熱電パターン21Pを電気的に接続する。導電膜26には、例えば図3Fの導電膜22と同じ導電材料が用いられる。   As shown in FIG. 7B, a conductive film 26 is formed on the insulating film 31. The planar shape of the conductive film 26 is substantially the same as the combined shape of the N-type thermoelectric pattern 21N and the conductive film 22 shown in FIG. The conductive film 26 electrically connects the P-type thermoelectric patterns 21P adjacent to each other. For the conductive film 26, for example, the same conductive material as that of the conductive film 22 in FIG. 3F is used.

図7Cに示すように、第1の基板20の上に、第2の基板40を配置して、両者を貼り合わせる。第2の基板40には、接着剤層50及び第2の熱伝達媒体42が形成されている。第2の熱伝達媒体42は、相互に隣り合う第1の熱伝達媒体30のほぼ中間に位置し、P型熱電パターン21Pと導電膜26との接続部分に熱的に結合する。   As shown in FIG. 7C, the second substrate 40 is disposed on the first substrate 20, and the two are bonded together. An adhesive layer 50 and a second heat transfer medium 42 are formed on the second substrate 40. The second heat transfer medium 42 is positioned approximately in the middle of the first heat transfer medium 30 adjacent to each other, and is thermally coupled to the connection portion between the P-type thermoelectric pattern 21 </ b> P and the conductive film 26.

実施例3では、P型熱電パターン21Pの両端に効率的に温度差を生じさせることができる。P型熱電パターン21Pの代わりに、N型熱電パターン21Nを用いてもよい。   In Example 3, a temperature difference can be efficiently generated at both ends of the P-type thermoelectric pattern 21P. An N-type thermoelectric pattern 21N may be used instead of the P-type thermoelectric pattern 21P.

酸化物系熱電材料で、特性の揃ったP型材料とN型材料とを準備することが困難な場合がある。また、P型材料とN型材料とで、好適な成膜条件が大きく異なる場合には、1枚の基板上に両者を形成することが困難である。このような場合には、実施例3のように、P型熱電材料またはN型熱電材料の一方のみを用いる構成が有効である。   It may be difficult to prepare a P-type material and an N-type material with uniform characteristics using an oxide-based thermoelectric material. In addition, when the preferable film forming conditions are greatly different between the P-type material and the N-type material, it is difficult to form both on one substrate. In such a case, a configuration using only one of the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material as in Example 3 is effective.

また、実施例3の構造では、実施例1、2に比べて、製造工程数を削減することができる。このため、製造コストを抑制することが可能である。   In the structure of the third embodiment, the number of manufacturing steps can be reduced as compared with the first and second embodiments. For this reason, manufacturing cost can be suppressed.

[実施例4]
図8A〜図8Bを参照して、実施例4による熱電素子について説明する。以下の説明では、実施例1との相違点に着目し、実施例1と同一の構成については説明を省略する。
[Example 4]
A thermoelectric element according to Example 4 will be described with reference to FIGS. 8A to 8B. In the following description, paying attention to differences from the first embodiment, the description of the same configuration as the first embodiment is omitted.

図8Aに示すように、第1の基板20の第1の面20Aに、円錐台状の複数の凹部25Aを形成する。凹部25Aの開口面(円錐台の底面)の直径、及び深さ(円錐台の高さ)は、共に約150μmとする。凹部25Aの形成は、紫外レーザ、例えばKrFエキシマレーザ(波長248nm)を用いて行う。紫外レーザを用いることにより、凹部25Aの形状を高精度に制御することができる。   As shown in FIG. 8A, a plurality of truncated conical recesses 25 </ b> A are formed on the first surface 20 </ b> A of the first substrate 20. The diameter and the depth (the height of the truncated cone) of the opening surface (the bottom surface of the truncated cone) of the recess 25A are both about 150 μm. The concave portion 25A is formed using an ultraviolet laser, for example, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm). By using the ultraviolet laser, the shape of the recess 25A can be controlled with high accuracy.

図8Bに示すように、凹部25Aが形成された位置に、第1の貫通孔25を形成する。第1の貫通孔25の形成には、例えば炭酸ガスレーザドリル、機械式ドリル等を用いることができる。第1の貫通孔25の直径は、例えば100μmである。その後の工程は、実施例1の場合と共通である。   As shown in FIG. 8B, the first through hole 25 is formed at the position where the recess 25A is formed. For example, a carbon dioxide laser drill or a mechanical drill can be used to form the first through hole 25. The diameter of the first through hole 25 is, for example, 100 μm. Subsequent steps are the same as those in the first embodiment.

実施例4では、第1の貫通孔25の開口部のテーパ形状を高精度に制御することができる。このため、テーパ形状部分における断線等が生じにくくなり、信頼性、及び歩留まりを高めることができる。   In Example 4, the taper shape of the opening of the first through hole 25 can be controlled with high accuracy. For this reason, disconnection or the like in the tapered portion is less likely to occur, and reliability and yield can be improved.

[実施例5]
図9A〜図9Cを参照して、実施例5による熱電素子について説明する。以下の説明では、実施例1との相違点に着目し、実施例1と同一の構成については説明を省略する。
[Example 5]
With reference to FIG. 9A-FIG. 9C, the thermoelectric element by Example 5 is demonstrated. In the following description, paying attention to differences from the first embodiment, the description of the same configuration as the first embodiment is omitted.

図9Aに示すように、第1の基板20に、第1の熱伝達媒体30、絶縁膜31、P型熱電パターン21P、N型熱電パターン21N、及び導電膜22を形成する。図9Aに示した製造途中段階の構造は、実施例1の図3Fに示した構造と同一である。   As shown in FIG. 9A, a first heat transfer medium 30, an insulating film 31, a P-type thermoelectric pattern 21P, an N-type thermoelectric pattern 21N, and a conductive film 22 are formed on the first substrate 20. The structure in the middle of manufacturing shown in FIG. 9A is the same as the structure shown in FIG.

図9Bに示すように、絶縁膜31、P型熱電パターン21P、N型熱電パターン21N、及び導電膜22を、絶縁膜33で覆う。絶縁膜33には、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料が用いられる。絶縁膜33の形成には、例えばスパッタリングが適用される。絶縁膜33の厚さは、例えば0.1μmとする。なお、絶縁膜33に、有機絶縁材料を用いてもよい。有機絶縁材料を用いる場合には、絶縁膜33の形成に、スピンコート法等を適用することができる。   As shown in FIG. 9B, the insulating film 31, the P-type thermoelectric pattern 21P, the N-type thermoelectric pattern 21N, and the conductive film 22 are covered with an insulating film 33. For the insulating film 33, for example, an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride is used. For example, sputtering is applied to form the insulating film 33. The thickness of the insulating film 33 is, for example, 0.1 μm. Note that an organic insulating material may be used for the insulating film 33. In the case where an organic insulating material is used, a spin coat method or the like can be applied to the formation of the insulating film 33.

絶縁膜33の上に、第2の熱伝達媒体42を形成する。第2の熱伝達媒体42は、相互に隣り合う第1の熱伝達媒体30のほぼ中間に位置する導電膜22の上に配置される。第2の熱伝達媒体42は、絶縁膜33を介して、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nに熱的に結合する。   A second heat transfer medium 42 is formed on the insulating film 33. The second heat transfer medium 42 is disposed on the conductive film 22 located approximately in the middle of the first heat transfer media 30 adjacent to each other. The second heat transfer medium 42 is thermally coupled to the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N via the insulating film 33.

以下、第2の熱伝達媒体42の形成方法について説明する。第2の熱伝達媒体42を形成すべき領域に開口が設けられたマスクを用いて、絶縁膜33の上に金属半田を成膜する。約250℃の熱処理を行うことにより、金属半田を一旦溶融させて半球状にする。これにより、第2の熱伝達媒体42が形成される。なお、第2の熱伝達媒体42を、円錐台、角錐台形状にしてもよい。   Hereinafter, a method for forming the second heat transfer medium 42 will be described. Metal solder is formed on the insulating film 33 by using a mask having an opening in a region where the second heat transfer medium 42 is to be formed. By performing a heat treatment at about 250 ° C., the metal solder is once melted into a hemisphere. Thereby, the second heat transfer medium 42 is formed. Note that the second heat transfer medium 42 may have a truncated cone shape or a truncated pyramid shape.

図10に、実施例5の熱電素子の使用時の断面図を示す。第1の基板20の外側の面が第1の熱源55に接触し、第2の熱伝達媒体42の頂部が第2の熱源56に接触している。第2の熱伝達媒体42が、実施例1の図1Bに示した第2の熱伝達媒体42と同じ機能を有する。第1の熱源55及び第2の熱源56の一方が高温側の熱源として作用し、他方が低温側の熱源として作用する。   FIG. 10 shows a cross-sectional view of the thermoelectric element of Example 5 when in use. The outer surface of the first substrate 20 is in contact with the first heat source 55, and the top of the second heat transfer medium 42 is in contact with the second heat source 56. The second heat transfer medium 42 has the same function as the second heat transfer medium 42 shown in FIG. 1B of the first embodiment. One of the first heat source 55 and the second heat source 56 acts as a high-temperature side heat source, and the other acts as a low-temperature side heat source.

実施例5では、第1の熱伝達媒体30が配置される位置に凹部20Cが形成されている。凹部20Cが形成されていない構造に比べて、第1の熱伝達媒体30に結合するP型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nの端部が、第2の熱源56から離れ、第1の熱源55に近づく。このため、第1の熱源55に結合すべきP型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nの端部を、第1の熱源55の温度に近づけることができる。これにより、P型熱電パターン21P及びN型熱電パターン21Nの両端に効率的に温度差を生じさせることができる。   In the fifth embodiment, a recess 20C is formed at a position where the first heat transfer medium 30 is disposed. Compared to the structure in which the recess 20C is not formed, the end portions of the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N coupled to the first heat transfer medium 30 are separated from the second heat source 56, and the first heat source Approaching 55. Therefore, the ends of the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N to be coupled to the first heat source 55 can be brought close to the temperature of the first heat source 55. Thereby, a temperature difference can be efficiently produced at both ends of the P-type thermoelectric pattern 21P and the N-type thermoelectric pattern 21N.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

20 第1の基板
20A 第1の面
20B 第2の面
20C 凹部
21 熱電パターン
21P P型熱電パターン
21N N型熱電パターン
22 導電膜
24 電極膜
25 第1の貫通孔
26 導電膜
30 第1の熱伝達媒体
30A 第1の端面
30B 第2の端面
31、32、33 絶縁膜
40 第2の基板
40A 第1の面
40C 凹部
41 第2の貫通孔
42 第2の熱伝達媒体
42A 第1の端面
45、46 空洞
50、51 接着剤層
55 第1の熱源
56 第2の熱源
20 First substrate 20A First surface 20B Second surface 20C Recess 21 Thermoelectric pattern 21P P-type thermoelectric pattern 21N N-type thermoelectric pattern 22 Conductive film 24 Electrode film 25 First through hole 26 Conductive film 30 First heat Transmission medium 30A First end face 30B Second end faces 31, 32, 33 Insulating film 40 Second substrate 40A First face 40C Recess 41 Second through hole 42 Second heat transfer medium 42A First end face 45 46 Cavity 50, 51 Adhesive layer 55 First heat source 56 Second heat source

Claims (5)

絶縁性の第1の基板と、
前記第1の基板に形成された第1の貫通孔と、
前記第1の貫通孔内の一部に配置され、前記第1の基板の第1の面よりも低い位置に、前記第1の面と同じ方向を向く第1の端面が位置する第1の熱伝達媒体と、
前記第1の面の上に配置され、前記第1の熱伝達媒体の前記第1の端面に熱的に結合している熱電材料からなる熱電パターンと、
前記熱電パターンに、前記第1の熱伝達媒体とは異なる位置において熱的に結合し、前記熱電パターンに関して前記第1の熱伝達媒体とは反対向きに突出した第2の熱伝達媒体と
を有する熱電素子。
An insulating first substrate;
A first through hole formed in the first substrate;
A first end face disposed in a part of the first through hole and having a first end face facing the same direction as the first face at a position lower than the first face of the first substrate; A heat transfer medium;
A thermoelectric pattern comprising a thermoelectric material disposed on the first surface and thermally coupled to the first end surface of the first heat transfer medium;
A second heat transfer medium thermally coupled to the thermoelectric pattern at a position different from that of the first heat transfer medium and projecting in the opposite direction to the first heat transfer medium with respect to the thermoelectric pattern; Thermoelectric element.
さらに、
前記第1の基板の前記第1の面及び前記熱電パターンの上に配置された絶縁性の第2の基板と、
前記第2の基板に形成され、前記第2の熱伝達媒体を収容する第2の貫通孔と
を有し、
前記第1の熱伝達媒体と前記第2の基板との間に空洞が設けられている請求項1に記載の熱電素子。
further,
An insulating second substrate disposed on the first surface of the first substrate and the thermoelectric pattern;
A second through hole formed in the second substrate and containing the second heat transfer medium;
The thermoelectric element according to claim 1, wherein a cavity is provided between the first heat transfer medium and the second substrate.
前記第2の熱伝達媒体と前記第1の基板との間に空洞が設けられている請求項2に記載の熱電素子。   The thermoelectric element according to claim 2, wherein a cavity is provided between the second heat transfer medium and the first substrate. さらに、
前記第1の基板に形成され、前記熱電パターンに沿って配置された複数の貫通孔からなる第1の貫通孔群と、
前記第1の貫通孔群に属する貫通孔内に配置され、前記第1の基板の第1の面よりも低い位置に、前記第1の面と同じ方向を向く第1の端面が位置し、前記熱電パターンに熱的に結合する複数の熱伝達媒体からなる第1の熱伝達媒体群と、
前記熱電パターンに沿って配置され、前記熱電パターンに熱的に結合し、前記熱電パターンに関して前記第1の熱伝達媒体群に属する熱伝達媒体とは反対向きに突出した複数の熱伝達媒体からなる第2の熱伝達媒体群と
を有し、
前記第1の貫通孔は、前記第1の貫通孔群に属する1つの貫通孔であり、前記第1の熱伝達媒体は、前記第1の熱伝達媒体群に属する1つの熱伝達媒体であり、前記第2の熱伝達媒体は、前記第2の熱伝達媒体群に属する1つの熱伝達媒体であり、
前記熱電パターンは、交互に直列接続された複数のP型熱電パターンとN型熱電パターンとを含み、
前記第1の熱伝達媒体群に属する熱伝達媒体と、前記第2の熱伝達媒体群に属する熱伝達媒体とは、前記P型熱電パターンとN型熱電パターンとの接続箇所において、前記熱電パターンに熱的に結合し、前記N型熱電パターンと前記P型熱電パターンとの各々の一方の端部には、前記第1の熱伝達媒体群に属する熱伝達媒体が熱的に結合し、他方の端部には、前記第2の熱伝達媒体群に属する熱伝達媒体が熱的に結合している請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱電素子。
further,
A first through hole group formed of a plurality of through holes formed on the first substrate and disposed along the thermoelectric pattern;
A first end face located in a through hole belonging to the first through hole group and located in a position lower than the first face of the first substrate and facing the same direction as the first face; A first heat transfer medium group comprising a plurality of heat transfer media thermally coupled to the thermoelectric pattern;
A plurality of heat transfer media arranged along the thermoelectric pattern, thermally coupled to the thermoelectric pattern, and projecting in the opposite direction to the heat transfer media belonging to the first heat transfer media group with respect to the thermoelectric pattern. A second heat transfer medium group;
The first through hole is one through hole belonging to the first through hole group, and the first heat transfer medium is one heat transfer medium belonging to the first heat transfer medium group. The second heat transfer medium is one heat transfer medium belonging to the second heat transfer medium group,
The thermoelectric pattern includes a plurality of P-type thermoelectric patterns and N-type thermoelectric patterns alternately connected in series,
The heat transfer medium belonging to the first heat transfer medium group and the heat transfer medium belonging to the second heat transfer medium group are connected to the P-type thermoelectric pattern and the N-type thermoelectric pattern at the thermoelectric pattern. A heat transfer medium belonging to the first heat transfer medium group is thermally coupled to one end of each of the N-type thermoelectric pattern and the P-type thermoelectric pattern, The thermoelectric element according to any one of claims 1 to 3, wherein a heat transfer medium belonging to the second heat transfer medium group is thermally coupled to an end of the heat transfer medium.
絶縁性の第1の基板に複数の第1の貫通孔を形成する工程と、
前記第1の貫通孔の各々の内部の一部に、第1の熱伝達媒体を充填し、前記第1の基板の一方の第1の面よりも低い位置に、前記第1の熱伝達媒体の端面を配置する工程と、
前記第1の面の上に、前記第1の熱伝達媒体と熱的に結合した熱電パターンを形成する工程と、
前記熱電パターンに、前記第1の熱伝達媒体とは異なる位置で、第2の熱伝達媒体を熱的に結合させる工程と
を有する熱電素子の製造方法。
Forming a plurality of first through holes in an insulating first substrate;
A part of the inside of each of the first through holes is filled with a first heat transfer medium, and the first heat transfer medium is disposed at a position lower than one first surface of the first substrate. Arranging the end face of
Forming a thermoelectric pattern thermally coupled to the first heat transfer medium on the first surface;
A method of manufacturing a thermoelectric element, comprising: thermally coupling a second heat transfer medium to the thermoelectric pattern at a position different from the first heat transfer medium.
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