专利名称：帕尔帖元件或塞贝克元件的结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种增强帕尔帖元件或塞贝克元件性能的元件结构及其制造方法，所述帕尔帖元件或塞贝克元件用于将因各种电子设备、燃烧装置及其相关设备、阳光、地热等的来自外部的热的影响而造成的例如建筑物或物体的所有温度升高的部分、空间、或区域所具有的热能进行转换的热电转换系统或热电转换设备。
背景技术：
自然界中的能量被不可逆转地使用，最终变为热能，并释放到自然界中。通常，释放到自然界中的热能不能为人类所用，并相反地会影响自然界。因此，为了排出或去除这种热能，利用另外新增的热机，使用能量和电能进行强制空气冷却和强制水冷却。
例如，当建筑物和物体受阳光的照射、地热等影响时，或其周围变为高温时，为了排出或去除高温部分中的热能，利用另外新增的热机，使用能量和电能进行强制空气冷却和强制水冷却。其问题在于随着用于排出或去除热能的能量的增加，热能的利用效率降低。
现在，已经开始了针对积极地重复利用这些热能以促进能源节约并降低对环境的影响的研究。开发实际应用的努力已经在不同的方面进行了。然而，实际上，除非输入新能量，最终形成能量并存在于自然界中的无尽的热能不能被积极地重复利用以降低对环境的不利影响。
从热能到例如电能等可直接利用的形式的转换，能够利用已知的帕尔帖效应或塞贝克效应等的物理现象而获得。也就是说，当电流在相互连接并保持在相同温度的2个不同种类的导体中流过时，会产生不同于焦耳热的辐射热或吸收热。该效应是首先由J.C.A.Peltier于1834年发现的，并称之为帕尔帖效应。然而，当2个不同种类的铜线相连接，将2个接触点保持在不同的温度T1和T2，并切断一根导线时，会在切断的端之间产生电动势。这种在2个端之间产生的电动势称为热电动势，并且为纪念发现者，将该现象称为塞贝克效应。
作为矿物燃料和原子能的替代能源，利用塞贝克效应的热电转换器元件(塞贝克元件)的开发正在受到关注。塞贝克元件的热电动势由2个接触点的温度、以及2根导线的材料而定，而用热电动势除以温度变化而得到的导数值被称为塞贝克系数。热电转换元件是通过使2个塞贝克系数不同的导体(或半导体)相接触而形成的。由于在2个导体中的自由电子的数量不同，因此电子在2个导体间移动，导致两个导体间的电势差。如果在一个接触点上施加热能，则在该接触点处自由电子的移动被激活，但是由于没有在另一个接触点上施加热能，因此在该接触点上自由电子的移动没有激活。这种在接触点间的温差、即自由电子的活跃性的差异，引起了从热能到电能的转换。该效应通常被称为热电效应。
通常，上述的塞贝克元件由包括加热部(高温侧)和冷却部(低温侧)的一体化的元件构成。而利用帕尔帖效应的热电效应元件(以后，称为帕尔帖元件)由包括热吸收部分和热产生部分的元件构成。也就是说，在塞贝克元件中，加热部和冷却部间相互热干扰。在帕尔帖元件中，热吸收部分和热产生部分间相互热干扰。因此，该塞贝克效应和帕尔帖效应随时间的经过而减小。为了防止这种减小，现在，利用用于排出和去除在高温部分的热量的热机的能量和热能、通过强制的空气冷却和强制的水冷却进行散热。
因此，当利用上述帕尔帖元件和塞贝克元件来构成大量能量转换设备时，在该设备等的安装位置上需要新增的热机，而这种物理限制是不现实的。
本发明的发明人(申请人)已经研究并提出了不需要新增的热机以及利用电能的强制空气冷却和强制水冷却的热电转换设备，和利用该设备的能量转换系统(日本专利申请公开No.2003-92433)。另外，本发明的发明人提出了如日本专利申请公开No.2004-194596所述的、在集成的衬底上设有多个帕尔帖元件或塞贝克元件的帕尔帖塞贝克元件芯片及其制造方法。
然而，当把如日本专利申请公开No.2003-92433所述的帕尔帖塞贝克元件或如在日本专利申请公开No.2004-194596所述的集成的帕尔帖塞贝克元件芯片安装在回路系统中时，需要利用如图44所示的现有形状的塞贝克元件或帕尔帖元件。也就是说，如图44所示，将塞贝克系数不同的第1导电部件(例如，n型半导体)101的一端(T1高温侧)与第2导电部件102(例如，p型半导体)的一端(T1高温侧)，用如铜等的金属制造的接合部件103，以欧姆接触相接合。第1导电部件101的另一端(T2低温侧)与第2导电部件102的另一端(T2低温侧)，用如铜等的相同的金属制的接合部件104和105，连接到其他的塞贝克元件(未图示)的第2导电部件和第1导电部件的另一端(T2低温侧)上。
在如图44所示的常规的pai型元件中，构成第1导电部件101和第2导电部件102的半导体的导热率是铜的二百分之一这样较大的数值。因此，难于长时间地维持高温侧的温度(T1)与低温侧的温度(T2)间的温差ΔT为很大的数值的状态。
因此，如图44所示，当安装现有的pai型塞贝克元件或帕尔帖元件时，存在无法忽视因热传导而从每个元件的高温侧到低温侧的热能的流的问题。因此，当由pai型帕尔帖元件进行热传递时，由于从高温侧到低温侧的热传导，即使在高温侧与低温侧的温差是由帕尔帖效应的热产生和热吸收的功能引起的、而且低温侧的温度下降得比周围环境温度低的情况下，低温侧的温度也会升高并高于取得热量的周围环境的温度。因而，无法从周围环境获得热量，无法进行热传递。为了防止上述问题，通常，将热容量大的金属热吸收元件附着在高温侧，且必须通过提供一个小的电扇、利用新增的电能，将热量强制地从高温侧释放到外部。
另外，在利用温度差以通过塞贝克效应将热能转换为电能的热转换元件的情况下，同样存在以下问题低温侧的温度由于从塞贝克元件的高温侧到低温侧的热传导而升高，塞贝克电动势降低，从而热能到电能的转换效率降低。其缺点在于为了防止上述现象，必须通过在低温侧设置利用新增的热机的、使用能量或电能的强制空气冷却系统或强制水冷却系统来进行散热。
这样，在安装有现有形状的塞贝克元件或帕尔帖元件的热电转换元件或热传递元件的情况下，由于通过热传导而从每个元件的高温侧流到低温侧的热能流，整个设备的从热能到电能的转换效率、即热能的使用效率被抑制得较低，因此提高热能的使用效率成为大的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种具有新结构的帕尔帖元件或塞贝克元件及其制造方法。具体地，对所使用的元件的第1导电部件和第2导电部件的形状(或材质)进行改变以减小因热传导从高温侧到低温侧的热能的移动，以提高热能的使用效率，并降低元件的制造成本。
具体地，帕尔帖元件或塞贝克元件的结构包括构成帕尔帖元件或塞贝克元件的、具有不同塞贝克系数的第1导电部件和第2导电部件；第1导电部件和第2导电部件的每个包括在长度方向上的中间部分，该中间部分的导热系数小于两个端部的导热系数。
根据本发明的另一个方面，上述第1和第2导电部件的、除两个端部以外的、在长度方向上的上述中间部分的横截面小于两个端部的横截面的。
根据本发明的另一个方面，上述第1和第2导电部件的、除两个端部以外的、在长度方向上的上述中间部分由导热系数小于两个端部的材料的导热系数的材料构成。
根据本发明的另一个方面，上述第1和第2导电部件的、除两个端部以外的、在长度方向上的上述中间部分被分割为多个部分，以在截面形状中形成缩颈。
根据本发明的另一个方面，提供一种帕尔帖元件或塞贝克元件的制造方法，所述帕尔帖元件或塞贝克元件包括具有不同的塞贝克系数的第1导电部件和第2导电部件；第1导电部件和第2导电部件的每个包括在长度方向上的中间部分，该中间部分的导热系数小于两个端部的导热系数，所述制造方法包括以下步骤(1)通过利用光掩模法形成预处理图形或通过形成铸型来形成第1区域的图形，以形成作为组成帕尔帖元件或塞贝克元件的第1导电部件和第2导电部件的每个的两个端部中的一个的区域的第1区域；(2)通过利用光掩模法形成预处理图形或通过形成铸型来形成第2区域的图形，以形成作为组成帕尔帖元件或塞贝克元件的第1导电部件和第2导电部件的每个的中间部分的区域的第2区域；(3)通过利用光掩模法形成预处理图形或通过形成铸型来形成第3区域的图形，以形成作为组成帕尔帖元件或塞贝克元件的第1导电部件和第2导电部件的每个的两个端部中的一个的区域的第3区域；(4)将第1区域图形、第2区域图形和第3区域图形进行对准；(5)对第1区域图形填充作为第1导电部件和第2导电部件材料的固体、液体或粉末，以形成第1导电部件和第2导电部件的第1区域；(6)对第2区域图形填充作为第1导电部件和第2导电部件材料的固体、液体或粉末，以形成第1导电部件和第2导电部件的第2区域；(7)对第3区域图形填充作为第1导电部件和第2导电部件材料的固体、液体或粉末，以形成第1导电部件和第2导电部件的第3区域；(8)通过加热将填充在第1区域图形、第2区域图形和第3区域图形中的、作为第1导电部件和第2导电部件的材料的固体、液体或粉末进行接合，以整体地形成第1导电部件和第2导电部件的每个的两个端部和中间部分；(9)利用欧姆接触，通过导电性接合部件将填充在第1区域图形中的第1导电部件的一个端部与填充在第1区域图形中的第2导电部件的一个端部连接起来。
根据本发明的另一个方面，为了制造多个帕尔帖元件或塞贝克元件，上述的帕尔帖元件或塞贝克元件的制造方法还包括(9)通过利用多个第1区域图形，同时形成多个作为第1导电部件的一个端部的区域；(10)通过利用多个第1区域图形，同时形成多个作为第2导电部件的一个端部的区域；(11)通过利用多个第2区域图形，同时形成多个作为第1导电部件的中间部分的区域；(12)通过利用多个第2区域图形，同时形成多个作为第2导电部件的中间部分的区域；(13)通过利用多个第3区域图形，同时形成多个作为第1导电部件的另一个端部的区域；(14)通过利用多个第3区域图形，同时形成多个作为第2导电部件的另一个端部的区域；(15)利用欧姆接触，将第1导电部件和第2导电部件的每个的由第1区域图形构成的区域与由第2区域图形构成的区域连接起来；(16)利用欧姆接触，将第1导电部件和第2导电部件的每个的由第2区域图形构成的区域与由第3区域图形构成的区域连接起来，以同时形成多个帕尔帖元件或塞贝克元件。
图1是本发明的第1实施方式的pai型帕尔帖/塞贝克元件的示意图。
图2是本发明的第2实施方式的pai型帕尔帖/塞贝克元件的示意图。
图3是本发明的第3实施方式的pai型帕尔帖/塞贝克元件的示意图。
图4是构成用于本发明的pai型帕尔帖/塞贝克元件中的第1或第2导电部件的中间部分的组合半导体的电阻系数的特性图。
图5是构成用于本发明的pai型帕尔帖/塞贝克元件中的第1或第2导电部件的中间部分的组合半导体的塞贝克系数的特性图。
图6是构成用于本发明的pai型帕尔帖/塞贝克元件中的第1或第2导电部件的中间部分的组合半导体的导热系数的特性图。
图7是通过实验来确认本发明的实施方式的高功能帕尔帖效应和塞贝克效应及现有的帕尔帖效应和塞贝克效应的实验示意图。
图8是通过图7的实验而确认的帕尔帖效应的实验结果图。
图9是通过图7的实验而确认的塞贝克效应的实验结果图。
图10是进行常规形式的仿真(无缩颈)的示意图。
图11是用于仿真的铜板的示意图。
图12是用于仿真的半导体的示意图。
图13是进行本发明的实施方式的高功能的仿真(有缩颈)的示意图。
图14是用于仿真的缩颈部分的半导体的示意图。
图15是为了进行现有类型的仿真、变形为圆柱状的一维模型的示意图。
图16是说明图15的每个部分的范围的示意图。
图17是为了进行本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的仿真、变形为圆柱状的一维模型的示意图。
图18是现有类型(无缩颈)和根据本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的仿真结果的曲线图。
图19是现有类型(无缩颈)和根据本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的仿真结果的曲线图。
图20是现有类型(无缩颈)和根据本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的仿真结果的曲线图。
图21是现有类型(无缩颈)和根据本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的仿真结果的曲线图。
图22是当加热温度变化时，现有类型的仿真结果(无缩颈)的曲线图。
图23是当加热温度变化时，现有类型的仿真结果(无缩颈)的曲线图。
图24是当加热温度变化时，现有类型的仿真结果(无缩颈)的曲线图。
图25是当加热温度变化时，现有类型的仿真结果(无缩颈)的曲线图。
图26是当加热温度变化时，现有类型的仿真结果(无缩颈)的曲线图。
图27是当加热温度变化时，现有类型的仿真结果(无缩颈)的曲线图。
图28是当加热温度变化时，现有类型的仿真结果(无缩颈)的曲线图。
图29是当加热温度变化时，现有类型的仿真结果(无缩颈)的曲线图。
图30是当加热温度变化时，本发明的一个实施方式的高功能型的仿真结果(有缩颈)的曲线图。
图31是当加热温度变化时，本发明的一个实施方式的高功能型的仿真结果(有缩颈)的曲线图。
图32是当加热温度变化时，本发明的一个实施方式的高功能型的仿真结果(有缩颈)的曲线图。
图33是当加热温度变化时，本发明的一个实施方式的高功能型的仿真结果(有缩颈)的曲线图。
图34是加热温度变化时，本发明的一个实施方式的高功能型的仿真结果(有缩颈)的曲线图。
图35是加热温度变化时，本发明的一个实施方式的高功能型的仿真结果(有缩颈)的曲线图。
图36是当加热温度变化时，本发明的一个实施方式的高功能型的仿真结果(有缩颈)的曲线图。
图37是当加热温度变化时，本发明的一个实施方式的高功能型的仿真结果(有缩颈)的曲线图。
图38是为了制造构成本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的pai型帕尔帖/塞贝克元件的第1导电部件和第2导电部件的铸型(两个端部中的一个)的局部侧面图。
图39是为了制造构成本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的pai型帕尔帖/塞贝克元件的第1导电部件和第2导电部件的铸型(两个端部中的一个)的平面图。
图40是为了制造构成本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的pai型帕尔帖/塞贝克元件的第1导电部件和第2导电部件的铸型(中间部分)的局部侧面图。
图41是为了制造构成本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的pai型帕尔帖/塞贝克元件的第1导电部件和第2导电部件的铸型(中间部分)的平面图。
图42是为了制造构成本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的pai型帕尔帖/塞贝克元件的第1导电部件和第2导电部件的铸型(两个端部中的另一个)的局部侧面图。
图43是为了制造构成本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的pai型帕尔帖/塞贝克元件的第1导电部件和第2导电部件的铸型(两个端部中的另一个)的平面图。
图44是现有的帕尔帖/塞贝克元件。
具体实施例方式
以下，将参照附图，对本发明的帕尔帖元件或塞贝克元件的结构及其制造方法进行说明。图1是本发明的第1实施方式的帕尔帖元件或塞贝克元件的结构示意图。
如图1所示，具有规定的塞贝克系数的第1导电部件(n型半导体等)10包括两个端部n1和n3以及中间部分n2。另外，具有与第1导电部件不同的塞贝克系数的第2导电部件(p型半导体等)20包括两个端部p1和p2以及中间部分p2。
第1导电部件10和第2导电部件20的中间部分n2和p2具有比两个端部n1、n3、p1、p3横截面小的横截面。因此，中间部分的导热率相对于两个端部的导热率变小，即使它们所使用的材料相同。
第1导电部件10的两个端部中的一个端部n1通过欧姆接触接合到接合部件30上，而第2导电部件20的两个端部中的一个端部p1通过欧姆接触接合到接合部件30上。将该接合部件30加热到温度T1，构成高温部分。另外，第1导电部件10的两个端部中的另一个端部n3通过欧姆接触接合到接合部件40上，而第2导电部件20的两个端部中的另一个端部p3通过欧姆接触接合到接合部件50上。将该接合部件40和接合部件50设置为温度T2，构成低温部分。也就是说，T1＞T2。
在具有上述结构的元件中，当把接合部件30保持在高温(T1)、并把接合部件40和50的周围环境保持在低温(例如，室温T2)时，产生与接合部件30、40和50间的温度差成比例的热电动势。这就是塞贝克效应。在此情况下，接合部件30和接合部件40通过第1导电部件10而连接，接合部件30和接合部件50通过第2导电部件20而连接。因此，在第1导电部件10和第2导电部件20中，当利用导热系数与现有例(参照图44)的导热系数相同的元件结构(图44中的第1导电部件101和第2导电部件102)时，从高温部分(例如，图1中的接合部件30)到低温部分(例如，图1中的接合部件40和50)的热量移动变快。因此，两个元件和接合部件40、50周围的温度在短时间内变为热平衡状态，而接合部件30与接合部件40和50之间的温度差变得极小，因此无法产生电动势。然而，在如图1所示的本发明的第1实施方式的例子中，第1导电部件和第2导电部件的中间部分n2和p2分别具有比两个端部n1、n3、p1、p3横截面小的横截面，从而破坏了导热率。因此，能够将接合部件30与接合部件40和50之间的温差保持在大的数值，从而产生塞贝克效应。因而，从热能到电能的转换效率、即热电转换率得以提高。
接下来，在具有图1所示的结构的元件中，当把接合部件40和50电连接以施加电流时，在接合部件30和接合部件40、50之间引起与电流量成比例的热产生和热吸收。该效应被称为帕尔帖效应。引起该效应的元件称为帕尔帖元件。该热吸收和热产生根据电流方向而发生在第1导电部件10和第2导电部件20的相对置的表面上。也就是说，如果接合部件30是在一个电流方向上的热产生侧，则接合部件40、50为在相反电流方向上的热产生侧。在此状态下，产生了从吸收侧、例如接合部件40、50一侧通过第1导电部件10和第2导电部件20到热产生侧的接合部件30一侧的电热传递。因此，在接合部件30和接合部件40、50之间产生温差。在此情况下，在本发明的实施方式中，第1导电部件10和第2导电部件20的中间部分n2和p2具有比两个端部n1、n3、p1、p3横截面小的横截面，相应地导热系数变小。这样，由于导热系数变小，热量的移动变小，所以能够将加热侧与热产生侧之间的温差保持在大的数值上。通过从热吸收侧的周围环境吸收更多的热量，有效地进行到热产生侧的电热传递。
这样，当施加电流时，利用帕尔帖效应的热吸收效应和热产生效应持续进行，因此，由于接合部件30和接合部件40、50之间的热量移动变慢，故接合部件30和40、50之间的温差增加。这样，可以使以使接合部件30和接合部件40、50之间的温度差最大化为目的而使用的帕尔帖元件的性能得到提高，以符合上述目的。
这样，在图1中，第1导电部件10和第2导电部件20的中间部分具有比两个端部的横截面小的横截面，使得其导热率变小。在本发明的第2实施方式中，例如，如图2所示，第1导电部件10和第2导电部件20具有相同的横截面形状。可选择地，使用例如非晶硅、多晶硅等导热率小于端部n1、n3、p1、p3的材料的导热率的材料作为中间部分n2和p2的材料。
另外，在如图3所示的本发明的第3实施方式中，第1导电部件10和第2导电部件的中间部分n2、p2进一步被分割以形成缩颈(constriction)(例如，在第1导电部件10和第2导电部件20的中间部分上形成的宽度窄的部分)。也就是说，可以通过将中间部分n2、p2本身分割为多个部分而形成具有小横截面的形状。这样，能够进一步减小中间部分n2、p2的导热率，并节省半导体材料。因而，能够进一步增加高温侧与低温侧间的温差。
在如图1～3所示的本发明实施方式的帕尔帖/塞贝克元件中，为了提供提高帕尔帖或塞贝克效应的功能，第1导电部件n1、n2、n3和第2导电部件p1、p2、p3可以分别具有相同的塞贝克系数，或者第1导电部件n1、n2、n3和第2导电部件p1、p2、p3的部分或全部也可以具有不同的塞贝克系数。
为了提供提高帕尔帖效应或塞贝克效应的功能，用例如具有图4～6所示特性(符号(◆)、(○)、(▼)在图4～6是溶解材料，符号(◇)、(●)、(▽)是烧结体)的p型的Bi0.5Sb1.5Te3的化合物半导体形成第1导电部件n1、n2、n3和第2导电部件p1、p2、p3的中间部分n2、p2。也就是说，图4示出了电阻率随温度(T)的增加而增加。图5示出了塞贝克系数随温度(T)的增加而增加。另外，图6示出了导热系数随温度(T)的增加而减小。这样，在化合物半导体的特性值中，随着温度的升高，塞贝尔系数增加，导热系数减小。具有该特性的化合物半导体正在被进一步开发。
这样，将不同材料的半导体(由与中间部分以外的部分的材料不同的材料构成的半导体)插在第1导电部件的中间部分中，因此，当高温侧的热量通过中间部分传输到低温侧时，中间部分的材料的导热率随温度的升高而减小。因此，高温侧的热量变得难以通过中间部分传输到低温侧。这样，可以将高温侧与低温侧间的温差保持在大的数值上。
接下来，参照图7，对根据本发明的实施方式的帕尔帖/塞贝克元件的实验例进行说明。在该实验例中，进行使用现有的帕尔帖/塞贝克元件的实验和使用本发明实施方式的帕尔帖/塞贝克元件的实验，以得到比较数据。
图7中的符号7a表示图44的现有的帕尔帖/塞贝克元件。第1导电部件101或第2导电部件102与铜板等的接合部件103或接合部件104(105)相接合。接合部件103与散热器106相连接。此外，图7中的符号107表示由铜板构成的加固元件，用于加强接合部件104(105)的强度。
图7中的符号7b表示如图1所示的本发明的实施方式的帕尔帖/塞贝克元件。作为帕尔帖/塞贝克元件的组成部分的第1导电部件10或第2导电部件20的一端通过接合部件30接合到散热器106上。此外，图7中的符号60与图7中的符号107类似，表示由铜板制成的加固元件，用于加强接合部件40(50)的强度。如图1所示，第1导电部件20和第2导电部件30具有使得中间部分n2(p2)的导热率比两个端部n1(p1)和n3(p3)的导热率低的形状和材料。在第1实施方式中，中间部分的横截面小于两个端部的横截面，使得中间部分的导热系数减小。这种n型半导体n1、n2和n3(或p型半导体p1、p2和p3)的塞贝克系数或帕尔帖系数可以设置为相等，或通过组合不同塞贝克系数或帕尔帖系数的材料来设置为适当的值。
图8是当在现有的帕尔帖/塞贝克元件和如图7所示的本发明实施方式的高功能帕尔帖/塞贝克元件上施加电流时的温度特性的曲线图。横轴代表施加电流后的时间。纵轴代表接合部件的温度。横轴的刻度为5分钟。图8中的符号8a表示当在接合部件103和104(105)之间施加例如1安培(A)的电流时现有的帕尔帖/塞贝克元件(对应于图7中的符号7a)的接合部件103和104(105)的温度曲线图。由图可知，在开始通电时，位于导电部件两侧的接合部件的温度是相同的数值。随着通电时间的经过，在有散热器106一侧上的接合部件103的温度T1几乎不变。而在没有散热器106的另一侧上的接合部件104(105)的温度逐渐减小，并从5分钟后转换到温度升高。这表示，从温度降低到温度升高的转换是由于因在半导体101(102)内的热传导而使热量从高温侧向低温侧的移动阻止了因帕尔帖效应的的热吸收所致的温度降低而引起的。
图8中的符号8b表示对本发明实施例进行与对现有帕尔帖/塞贝克元件所进行的相同实验的结果。该实验结果表示了当在如图7的符号7b所示的接合部件30和接合部件40(50)之间施加大约1安培(A)的电流时的接合部件30和接合部件40(50)的温度测量值。
由图8的符号8b可知，在接合着散热器106的一侧上的接合部件30的温度基本保持在常数T1。而在没有接合散热器106的一侧上的接合部件40(50)的温度随时间经过而迅速降低。
由图8的符号8b可知，相对于现有类型而言(参照图8的符号8a)，在本发明的实施方式的高功能帕尔帖/塞贝克元件中，接合部件30与接合部件40(50)之间的温差随时间经过而进一步增加。这表示，在用于本发明实施方式的高功能帕尔帖/塞贝克元件中半导体部分10(20)的导热率被设置为小的数值，以防止热量因导热率而从高温侧向低温侧移动；对低温侧施加的热能被减小；并且低温侧的温度由于帕尔帖效应的吸收被进一步减小。
接下来，参照图9，对现有类型的帕尔帖/塞贝克元件和用于本发明实施方式的高功能帕尔帖/塞贝克元件的塞贝克效应进行验证。在图9中，横轴表示两个接合部件之间的温差，纵轴表示塞贝克电动势。在图9中，(○)表示用于本发明实施方式的高功能的帕尔帖/塞贝克元件的电动势，(◆)表示由现有类型的帕尔帖/塞贝克元件所产生的电动势。由图9可知，现有类型与根据本发明的高功能性元件都输出与温度差成比例的塞贝克电动势，并排列在相同的直线上，可知本发明的高功能元件并不影响塞贝克效应。同时，在本发明的高功能帕尔帖/塞贝克元件中，半导体部分的导热率减小，高温侧与低温侧之间的温差保持为大的数值，因此，该实验证明塞贝克电动势的输出可以大于现有类型。
图10～14表示本发明实施方式的高功能帕尔帖/塞贝克元件(对第1或第2导电部件设有缩颈)的实际结构的例子，以及现有类型的帕尔帖/塞贝克元件(对第1或第2导电部件不设缩颈)的实际结构的例子。图10～图12示出了现有的帕尔帖/塞贝克元件，图13～图14示出了本发明实施方式的高功能帕尔帖/塞贝克元件的例子。用作接合部件的铜板使用了长8mm、宽3.5mm、高1mm的长方体形状。仿真实验通过假设元件是以三层的方式层叠了长和宽为3mm、高为1.5mm的长方体作为半导体的第1导电部件和第2导电部件而构成的方式来进行。此外，通过假设以长和宽为1.5mm、高为1.5mm的立方体作为第1和第2导电部件的中间部分的材料构成用于本发明实施方式的高功能帕尔帖/塞贝克元件的方式进行相同的仿真实验。另外，为了再现实际的回路实验，仿真实验通过使用以下边界条件而进行，即将室温设为恒温，改变在加热侧的接合部件的铜板的预定温度，在与加热侧相反的一侧上的接合部件铜板的温度通过回路中的热传导和向空气(回路周围的、温度与室温相同的空气)中的热传递自动地、没有物理矛盾地被确定。另外，由回路的热传导所致的热量移动速度比由向温度与室温相同的空气中的热传递所致的热量移动速度大得多，并且证实了实际回路实验数据能够通过重复初步的仿真而量化地再现以验证是否能够利用一维柱状模型再现实际回路实验。
图15～图17示出了如图10～图14所示的回路的一个周期的一维圆柱状模型。利用此模型进行仿真实验。
在如图15和图16所示的现有的帕尔帖/塞贝克元件的圆柱状仿真模型(R为圆柱状模型元件的半径)中，第1导电部件73(n型半导体)和第2导电部件74(p型半导体)是以三层方式层叠了半径为R3(＝1.693mm)、高为1.5mm(在图15～图17的左右方向上的距离)的圆柱状元件而构成的。第1导电部件73被接合到半径为R2(＝1.829mm)、高为1mm的柱状接合部件72A上。接合部件72A被接合到半径为R1(＝1.056mm)、高为2mm的圆柱状元件72B上。另外，圆柱状元件72B被接合到接合部件72C上。接合部件72C具有与接合部件72A相同的形状。在仿真实验中，这些接合部件72A～72C被强制地从外部加热。另外，第2导电部件74由塞贝克系数与第1导电部件73不同的p型半导体构成。第2导电部件74具有与第1导电部件73相同的形状。
第1导电部件73的另一端被接合到与接合部件72A具有相同形状的接合部件76A上。接合部件76A被接合到与接合部件72B具有相同形状的接合部件76B上。第2导电部件74的另一端被接合到与接合部件72C具有相同形状的接合部件75A上。接合部件75A被接合到与接合部件72B具有相同形状的接合部件75B上(接合部件76A连接到与接合部件72B具有相同形状的接合部件76B上)。
另一方面，除第1导电部件73和第2导电部件74的结构之外，如图17所示的本发明实施方式的高功能帕尔帖/塞贝克元件与图15和图16中的现有帕尔帖/塞贝克元件的结构相同。也就是说，图17中的第1导电部件73包括两个端部73a和73c、以及一个中间部分73b。中间部分73b的半径R4(＝0.85mm)近似为两个端部的半径R3(＝1.693)的一半。
图18～图21示出了在恒定室温27℃下，通过使用上述结构的现有类型的帕尔帖/塞贝克元件(无缩颈)、以及上述本发明实施方式的高功能帕尔帖/塞贝克元件(有缩颈)所进行的仿真实验的仿真结果(在图18～图21中，符号(○)表示无缩颈，符号(◇)表示有缩颈)。
图18示出了在从外部强制地将加热侧(图15～图17的接合部件72A～72C)加热5分钟并使回路上每个点的温度变为稳定状态后，与加热侧相反的相反侧(图15～图17的接合部件75A、75B、76A、76B)的温度相对于加热侧的温度变化曲线图。在加热侧的温度从初始温度27℃逐渐升高的情况下，相反侧的温度在加热5分钟后逐渐升高并变为稳定状态。由图18可知，相对于高功能型(有缩颈)，在现有类型(无缩颈)的情况下，相反侧的温度随加热侧的温度升高而升高。图19示出了在加热5分钟并变为稳定状态后，加热侧与相反侧之间的温差与加热侧的温度之间的关系。由图19可知，高功能型(有缩颈)的二者温差比现有类型(无缩颈)的二者温差大。也就是说，在高功能型(有缩颈)中，热量难以在第1导电部件或第2导电部件中传输，因此，能够获得大于现有类型(无缩颈)温差的温差。
图20示出了加热5分钟并变为稳定状态后的电动势的曲线图。由此图可知，当将加热侧的温度设置为例如60℃时，在高功能型(有缩颈)中，能够获得比现有类型(无缩颈)的电动势大约大1.6倍的电动势。图21示出了电动势对加热侧与非加热侧(相反侧)之间的温差的曲线图。在现有类型(无缩颈)和高功能型(有缩颈)中，仿真数据排列在相同的直线上。这意味着，所获得的电动势与温差成比例。因此，确认了在获得了温差大于现有类型的温差的高功能型(有缩颈)中，具有能够产生高的塞贝克效应电动势的能力的性能。
图22～图29示出了在现有类型(无缩颈)的帕尔帖/塞贝克元件中，以加热侧的温度为参数，所经过的加热期间与电动势间的关系，以及第1或第2导电部件的位置与温度间的关系。
图22～图25示出了在4个加热温度30℃、40℃、50℃、60℃下电动势对加热期间的仿真结果。在加热温度30℃、40℃、50℃、60℃下，在加热5分钟并变为稳定状态后，电动势分别变为0.2mV、0.9mV、1.6mV、2.4mV。另外，图25～图29示出了以加热温度为参数，当图15中的元件75B的左端位置为0mm、而图15中的元件76B的右端位置为17mm时位置的温度的曲线图。图中的虚线表示加热5秒后的温度。实线表示加热5分钟并变为稳定状态后的温度。由这些图可知，加热侧(接近图的中心的部分)与由室温下的空气所包围的相反侧(图中两个端部)之间的温差随加热时间的经过而变小。
图30～图37示出了当在根据本发明实施方式的帕尔帖/塞贝克元件中、以加热侧的温度作为参数来进行与图22～图29相同的仿真时，从加热开始所经过的时间与电动势之间的关系，以及第1导电部件或第2导电部件的位置与温度之间的关系。
图30～图33示出了在4个加热温度30℃、40℃、50℃、60℃下，电动势对从加热开始所经过的时间的仿真结果。从图30～33可知，在加热温度30℃、40℃、50℃、60℃下，当加热5分钟并变为稳定状态后，电动势分别为0.3mV、1.5mV、2.6mV、3.8mV。可知，电动势比图22～25所示的电动势大1.6倍。
图34～图37示出了当图17中的元件75B的左端位置为0mm、图17中的元件76B的右端位置为17mm时，以加热温度作为参数，位置的温度曲线图。虚线表示加热时间5秒后的温度，实线表示加热时间5分钟并变为稳定状态后的温度。由图可知，随着时间的经过，加热部分与两个端部之间的温差因回路中的热传导而变小。但是，在相对于现有类型(无缩颈)而言温差较大的状态下达到了稳定状态，并且在半导体的缩颈区域中获得了这种大的温差。
这样，如图22～29所示的现有类型(无缩颈)的仿真结果、以及如图30～37所示的高功能型(有缩颈)的仿真结果示出了高功能型(有缩颈)的电动势明显要大，而且高功能型(有缩颈)的加热部分与由室温空气包围的相反侧部分之间的温差在加热5分钟并变为稳定状态后变大。其原因在于与现有类型(无缩颈)相比，高功能型(有缩颈)的帕尔帖/塞贝克元件的从加热部分到由室温空气所包围的相反侧部分的导热率小。通过这些仿真结果证实，塞贝克效应和帕尔帖效应在本发明的实施方式的高功能型帕尔帖/塞贝克元件(有缩颈)中变大。
接下来，参照图38～图43，对本发明实施方式的高功能型(有缩颈)的帕尔帖/塞贝克元件的制造方法进行说明。图38(平面图)和图39(侧面图)示出了用于同时制造48个第1导电部件10或第2导电部件20的铸型。图38和图39示出了当把第1导电部件10或第2导电部件20分为3个部分时，用于制造两个端部中的一个的铸型。类似地，图40(前视图)和图41(侧视图)示出了用于第1导电部件10或第2导电部件20的中间部分(n2或p2)的铸型，图42(前视图)和图43(侧视图)示出了第1导电部件10或第2导电部件20的两个端部中的另一个(n3或p3)。在这些图中，第1导电部件10或第2导电部件20具有圆柱状的横截面。然而，其形状不必是圆柱状，也可以是矩形或其他多边形。在此情况下，重要之处在于如图40和41所示的中间部分的横截面小于图38、图39、图42和图43所示的两个端部的横截面。
图38～图43示出了本发明第1实施方式的高功能型(有缩颈)帕尔帖/塞贝克元件的制造方法。在本发明的第2实施方式中，将图38～图43所示的半导体的横截面设置为互相相等，而中间部分的材料(如图40和41所示的半导体材料)变为如非晶硅或多晶硅等导热率小的材料。这样，能够制造帕尔帖/塞贝克效应与本发明第1实施方式的高功能(有缩颈)帕尔帖/塞贝克元件相同的帕尔帖/塞贝克元件。
此外，除了使用铸型形成如图38～图43所示的构成每个第1导电部件10或第2导电部件的端部和中间部分的图形的期望形状之外，还可以应用各种方法，例如应用光掩模法。另外，除了如上述非晶硅或多晶硅等的具有小的导热系数的材料之外，还可以对每个图形应用用于帕尔帖/塞贝克元件中的各种材料(例如，通过插入具有小导热系数的材料、例如液体、固体或粉末等，利用加热并加压等最终固化的材料)。
如上所述，在现有类型(无缩颈)的帕尔帖/塞贝克元件中，形成第1导电部件或第2导电部件的半导体具有较大的导热系数，大约为铜的二百分之一，因此，在稳定状态下，半导体的高温T1和低温T2之间的温差ΔT变小。因此，存在帕尔帖/塞贝克效应显著减小的问题。而在本发明的实施方式的高功能型(有缩颈)帕尔帖/塞贝克元件的结构中，第1或第2导电部件的中间部分被形成为用以减小导热系数的形状，或使用导热系数小的材料。因此，相对于现有类型帕尔帖/塞贝克元件而言，即使在稳定状态下，也能够将高温T1与低温T2之间的温差ΔT保持为大的值。这样，就能够达到预期目的，极大地发挥帕尔帖效应和塞贝克效应。
因此，在本发明实施方式的高功能型(有缩颈)帕尔帖/塞贝克元件中，构成元件的第1导电部件和第2导电部件的中间部分的导热率小于两个端部的导热率。这样，破坏了从高温侧到低温侧的热传导，降低了从高温侧到低温侧的热量移动。因此，提高了热能的使用效率。
另外，可以同时在衬底上形成多个元件，以可以保证每个元件的一致性，并减小元件的制造成本。
虽然已经参照附图对本发明实施方式进行了说明，但本发明并不仅限于所述的实施方式。只要不脱离本发明的宗旨，就可以包含各种形式和变更。
通过将LSI制造技术应用到集成的帕尔帖塞贝克元件芯片的制造过程中，本发明的集成并行帕尔帖塞贝克元件芯片的制造过程可以显著减小本领域的技术人员为制造所需的制造时间。
另外，同时形成了多个集成并行帕尔帖塞贝克元件芯片，并设置了多个终端连接器。这样，可以通过将集成并行帕尔帖塞贝克元件芯片进行组合的简单方法来制造集成帕尔帖塞贝克面板和薄片。这样，通过迅速地组合帕尔帖塞贝克面板或薄片，能够组装用于进行从热能到电能的直接转换的集成系统和用于热能传递的集成系统。
权利要求
1.一种帕尔帖元件或塞贝克元件的结构，其特征在于，包括构成帕尔帖元件或塞贝克元件的、具有不同塞贝克系数的第1导电部件和第2导电部件；所述第1导电部件和第2导电部件的每个包括在长度方向上的中间部分，该中间部分的导热系数小于两个端部的导热系数。
2.根据权利要求1所述的帕尔帖元件或塞贝克元件的结构，其中所述第1和第2导电部件的、除两个端部以外的、在长度方向上的所述中间部分的横截面小于两个端部的横截面。
3.根据权利要求1所述的帕尔帖元件或塞贝克元件的结构，其特征在于所述第1和第2导电部件的、除两个端部以外的、在长度方向上的所述中间部分由导热系数小于两个端部的材料的导热系数的材料构成，并且所述中间部分具有与两个端部不同的塞贝克系数。
4.根据权利要求1所述的帕尔帖元件或塞贝克元件的结构，其特征在于所述第1和第2导电部件的、除两个端部以外的、在长度方向上的所述中间部分被分割为多个部分，以改变截面的形状。
5.一种帕尔帖元件或塞贝克元件的制造方法，所述帕尔帖元件或塞贝克元件包括具有不同的塞贝克系数的第1导电部件和第2导电部件；所述第1导电部件和第2导电部件的每个包括在长度方向上的中间部分，该中间部分的导热系数小于两个端部的导热系数，所述制造方法包括以下步骤通过形成铸型、或通过利用光掩模法形成预处理图形来形成第1区域图形，以形成作为组成帕尔帖元件或塞贝克元件的所述第1导电部件和第2导电部件的每个的两个端部中的一个的区域的第1区域；通过形成铸型、或通过利用光掩模法形成预处理图形来形成第2区域图形，以形成作为组成帕尔帖元件或塞贝克元件的所述第1导电部件和第2导电部件的每个的一个中间部分的区域的第2区域；通过形成铸型、或通过利用光掩模法形成预处理图形来形成第3区域图形，以形成作为组成帕尔帖元件或塞贝克元件的所述第1导电部件和第2导电部件的每个的两个端部中的一个的区域的第3区域；将所述第1区域图形、第2区域图形和第3区域图形对准；对所述第1区域图形填充作为所述第1导电部件和第2导电部件材料的固体、液体或粉末，以形成所述第1导电部件和第2导电部件的所述第1区域；对所述第2区域图形填充作为所述第1导电部件和第2导电部件材料的固体、液体或粉末，以形成所述第1导电部件和第2导电部件的所述第2区域；对所述第3区域图形填充作为所述第1导电部件和第2导电部件材料的固体、液体或粉末，以形成所述第1导电部件和第2导电部件的所述第3区域；通过加热将填充在所述第1区域图形、第2区域图形和第3区域图形中的、作为所述第1导电部件和第2导电部件的材料的固体、液体或粉末进行接合，以整体地形成所述第1导电部件和第2导电部件的每个的两个端部和中间部分；以及利用欧姆接触，通过导电性接合部件将填充在所述第1区域图形中的所述第1导电部件的一个端部与填充在所述第1区域图形中的所述第2导电部件的一个端部连接起来。
6.根据权利要求5所述的帕尔帖元件或塞贝克元件的制造方法，还包括通过利用多个所述第1区域图形，同时形成多个作为所述第1导电部件的一个端部的区域；通过利用多个所述第1区域图形，同时形成多个作为所述第2导电部件的一个端部的区域；通过利用多个所述第2区域图形，同时形成多个作为所述第1导电部件的中间部分的区域；通过利用多个所述第2区域图形，同时形成多个作为所述第2导电部件的中间部分的区域；通过利用多个所述第3区域图形，同时形成多个作为第1导电部件的另一个端部的区域；通过利用多个所述第3区域图形，同时形成多个作为所述第2导电部件的另一个端部的区域；利用欧姆接触，将所述第1导电部件和第2导电部件的每个的由所述第1区域图形构成的区域与由所述第2区域图形构成的区域连接起来；利用欧姆接触，将所述第1导电部件和第2导电部件的每个的由所述第2区域图形构成的区域与由所述第3区域图形构成的区域连接起来，以同时形成多个所述帕尔帖元件或塞贝克元件。
全文摘要
一种包括具有不同的塞贝克系数的第1和第2导电部件的帕尔帖或塞贝克元件。为了减小从每个导电部件中的一个到另一个的热传导，在长度方向上的中间部分的横截面面积小于两个端部的横截面的面积。可以通过将每个导电部件的中间部分的横截面分割为小块而改变横截面的形状、或使用非晶硅等导热系数低于两个端部的导热系数的材料作为中间部分，来代替横截面的减小。这样，提供一种高功能的帕尔帖/塞贝克元件及其制造方法，该帕尔帖/塞贝克元件的加热部分与相反部分之间的温差能够长时间保持为规定温差。
文档编号H01L35/16GK101044638SQ20058003559
公开日2007年9月26日 申请日期2005年10月17日 优先权日2004年10月18日
发明者近藤义臣, 岩泽直孝 申请人:株式会社明电舍, 近藤义臣, 岩泽直孝