JPH1079531A

JPH1079531A - エネルギ変換素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1079531A
Application number: JP8234159A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Suzuki; 美彦鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 1998-03-24

Abstract

(57)【要約】【課題】環境温度の変化を電気エネルギに変換できる
エネルギ変換素子を得る。【解決手段】所定の肉厚の枠状基板２上に薄膜３を被
着して、薄膜３の中央に熱容量の極端に小さな薄膜メン
ブレン部３Ａを形成する。薄膜３上には多数の薄膜熱電
対６₁、６₂・・・・６_nが放射状に配設されて互いに直列
接続されている。各薄膜熱電対６_i（ｉ＝１〜ｎ）は熱
容量の小さな薄膜メンブレン部３Ａ上と熱容量の大きな
周囲の固定部３Ｂ上とに跨って設けられている。環境温
度が変化したとき、薄膜メンブレン部３Ａ及び固定部３
Ｂ間に温度差が生じ、各薄膜熱電対６_iの両端部間に、
温度差に応じた熱起電力が発生する。これにより、環境
温度の揺らぎを効率良く電気エネルギに変換できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、環境温度の変化を
電気エネルギに変換するエネルギ変換素子及びその製造
方法に関し、例えば小型携帯機器用の小型発電機又はセ
ンサ等に使用して卓効あるエネルギ変換素子とその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子技術の発展によって各種電子
機器の小型化・携帯化が進んでいる。これに伴い、例え
ばポケットベル、携帯電話、電子手帳などの小型携帯機
器が急速に普及しつつある。従来、このような携帯機器
用の電源として、化学反応を利用して起電力を発生させ
る化学電池が多く使用されているが、一次電池では電池
の寿命が来る度に交換する必要があり、二次電池では寿
命が来る度に充電をしなければならなかった。そこで、
小型発電機としての太陽電池と簡単な蓄電機構とを備え
た機器が開発されているが、太陽電池は、所定の波長域
で所定の照度以上の照明光を必要とする。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述の如き
小型携帯機器の利用状況を考えた場合、これらの携帯機
器は環境の異なる色々な場所に持ち運ばれて使われるた
め、これらの携帯機器の周囲の環境は常に変化している
といえる。例えば、小型携帯機器の利用者が、空調の効
いた屋内と屋外との間を移動すると、その都度、小型携
帯機器の周囲の温度（環境温度）が変化する。従って、
このような環境温度の変化を電気エネルギに変換できれ
ば、小型携帯機器の電源として有用な小型発電機を得る
ことができる。

【０００４】本発明は斯かる点に鑑み、周囲の環境温度
の変化を電気エネルギに変換できる新規なエネルギ変換
素子とその製造方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によるエネルギ変
換素子は、例えば図１に示すように、環境温度の変化を
電気エネルギに変換するエネルギ変換素子であって、熱
容量の大きな高熱容量体（１）と、熱容量の小さな低熱
容量体（３Ａ）と、高熱容量体（１）及び低熱容量体
（３Ａ）間に跨って設けられ、環境温度の変化によって
これら熱容量体間に生じる温度差に応じた熱起電力を発
生する熱起電力発生体（５）と、を備えたものである。

【０００６】斯かる本発明は、周囲の環境温度の変化に
対する部材の温度変化速度が、その部材の熱容量に左右
されることに着目してなされたものである。例えば、熱
容量の小さな部材は、環境温度の変化に敏感に反応する
のに対し、熱容量の大きな部材は、環境温度の変化に対
して鈍感で、温度の変化速度が遅い。このため、熱容量
の異なる２つの熱容量体（１，３Ａ）を用意しておけ
ば、環境温度が変化する度にこれら熱容量体（１，３
Ａ）の間で温度差を発生させることができる。そして、
熱容量体（１，３Ａ）間に設けた熱起電力発生体（５）
によって、上記温度差に対応した熱起電力（電気エネル
ギ）を得ることができる。

【０００７】本発明において、比較的大きな熱起電力を
発生させるには、熱容量体（１，３Ａ）の熱容量差を大
きくとると共に、熱起電力発生体（５）として高感度の
ものを使用すればよい。熱容量体（１，３Ａ）の熱容量
差が大きい程、環境温度の変化に対する熱容量体（１，
３Ａ）間の温度差を大きくでき、また熱起電力発生体
（５）の感度が高い程、単位温度差（１ｄｅｇ）当たり
に発生する熱起電力を大きくすることができる。

【０００８】本発明における熱起電力発生体（５）とし
ては、例えば熱電対（６₁)を用いることができる。高熱
容量体（１）及び低熱容量体（３Ａ）の何れか一方上に
熱電対（６₁)を構成する２種類の金属材料（７₁,８₁)の
接合接点を設け、高熱容量体（１）及び低熱容量体（３
Ａ）の何れか他方上に金属材料（７₁,８₁)の開放接点を
設ければ、開放接点間に熱起電力が発生する。この場
合、その熱電対は、高熱容量体（１）及び低熱容量体
（３Ａ）上に複数組（６₁,６₂,…，６_n)設けられ且つ互
いに直列に接続されていることが望ましい。熱電対（６
₁,６₂,…，６_n)を複数組設けて直列に接続すれば、個々
の熱電対で発生した熱起電力が加算され、直列接続した
熱電対の両端部より大きな熱起電力を出力させることが
できる。

【０００９】なお、本発明のエネルギ変換素子は、ポケ
ットベル等の小型携帯機器の小型発電機として使用でき
ることは勿論であるが、周囲環境の温度変化を利用して
電気エネルギを得る使い方であればよく、例えば赤外線
センサなど、他の用途にも使用できる。次に、本発明に
よるエネルギ変換素子の製造方法は、例えば図５に示す
ように、環境温度の変化を電気エネルギに変換するエネ
ルギ変換素子の製造方法であって、所定の基板（２１）
上に薄膜体（２２Ａ）を一体的に形成した後、形成した
薄膜体（２２Ａ）上に２種類の金属材料を順に所定のパ
ターンで成膜して、両金属材料の接合点を有する薄膜熱
電対（６_j,６_k)を形成し、しかる後、薄膜熱電対（６_j,
６_k)の接合点に対応する部位で薄膜体（２２Ａ）の裏面
が露出するよう基板（２１）の一部を除去して、薄膜熱
電対（６_j,６_k)の接合点の周囲の薄膜体（２２Ａ）の熱
容量を小さくしたものである。

【００１０】斯かる本発明によれば、フォトリソグラフ
ィやエッチングプロセス等の既存の半導体製造技術を適
用して、本発明によるエネルギ変換素子を簡単且つ高精
度に製作できる。また、本発明の製造方法においては、
薄膜体（２２Ａ）上に複数の薄膜熱電対（６₁,６₂,…，
６_n)を互いに直列接続された状態で形成し、且つ、この
形成時に、接続された複数の薄膜熱電対の両端部に電極
パッド（９Ａ，９Ｂ）を形成することが望ましい。薄膜
熱電対（６₁,６₂,…，６_n)を形成する際に同時に電極パ
ッド（９Ａ，９Ｂ）をも形成すれば、別途電極パッド
（９Ａ，９Ｂ）の形成工程を設ける必要がない。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
を図面を参照して説明する。図１は、本例のエネルギ変
換素子の概略構成を示す斜視図、図２は、そのエネルギ
変換素子の平面図、図３は、図２のＡＡ線に沿う断面図
である。図１及び図２に示すように、本例のエネルギ変
換素子は、所定の肉厚を有する枠状基板２と、枠状基板
２の表面及び裏面上にそれぞれ被着された薄膜３，４
と、薄膜３の表面上に被着された熱起電力発生体５と、
を備えている。枠状基板２はシリコン基板より形成さ
れ、薄膜３，４はそれぞれ窒化珪素膜より形成されてい
る。枠状基板２の略中央には、その表面及び裏面間を貫
通する角錐台状の孔２Ａが形成されている。枠状基板２
の表面上の薄膜３は、孔２Ａの一端の開口を塞いだ状態
で設けられている。枠状基板２の裏面上の薄膜４には、
孔２Ａの他端の開口と同一形状・大きさの孔２３（図３
参照）が形成されている。

【００１２】本例では、薄膜３中で孔２Ａの開口を塞い
でいる部分、即ち底面が枠状基板２の裏面側に露出する
部分３Ａを「薄膜メンブレン部」と呼び、それ以外の部
分３Ｂを「固定部」と呼ぶ。この場合、固定部３Ｂは、
枠状基板２の表面上に密着しており、枠状基板２と協働
して薄膜メンブレン部３Ａを周囲から支持する支持基板
１を構成している。つまり、薄膜メンブレン部３Ａは、
支持基板１の中央の孔２Ａに底面を一致させた状態で設
けられている。

【００１３】本例で、枠状基板２と薄膜３との肉厚比は
５００：１程度に設定されており、支持基板１の熱容量
に対して薄膜メンブレン部３Ａの熱容量が極めて小さく
設定されている。具体的に、本例では、枠状基板２の肉
厚を４００μｍ、薄膜３の肉厚を７００ｎｍとした。従
って、周囲の環境温度が変化した場合、環境温度の変化
に対して薄膜メンブレン部３Ａは敏感に反応するのに対
し、支持基板１の反応は鈍感で、薄膜メンブレン部３Ａ
及び支持基板１間に温度差を生じる。

【００１４】熱起電力発生体５は、薄膜メンブレン部３
Ａ及び支持基板１間の温度差に応じた熱起電力を発生さ
せるもので、ｎ組（ｎは２以上の整数）の薄膜熱電対６
₁,６ ₂,…，６_nを放射状に配し、且つ互いに直列に接続
して構成されている。ここで、薄膜熱電対６_i(但しｉ＝
１〜ｎ）をなす一対の熱電対素線７_i,８_iは、図１及び
図２に示すように、それぞれ薄膜３の周囲の固定部３Ｂ
上と中央の薄膜メンブレン部３Ａ上との間を跨ぐように
被着され、薄膜メンブレン部３Ａの表面上で熱電対素線
７_i,８_iの一端部同士が接合されて接合接点１０_iが形
成されている。熱電対素線７_i,８_iのそれぞれの開放接
点１１_i,１２_iは、固定部３Ｂの表面上に開放した状態
で設けられており、開放接点１１_i,１２_i間に、薄膜メ
ンブレン部３Ａ及び支持基盤１（固定部３Ｂ）間の温度
差に応じた熱起電力Ｅ１が発生する。熱起電力Ｅ１の符
号は、その温度差に応じて正にも負にもなりえる。

【００１５】なお、本例では、熱電対素線８_iはニクロ
ム（ＮｉＣｒ）よりなり、他方の熱電対素線７_iはチタ
ン（Ｔｉ）よりなる。また、本例では薄膜熱電対６_iの
開放接点１２_iは、隣接する薄膜熱電対６_i+1 の開放接
点１１_i+1 と直に接続されている。具体的に、開放接点
１２₁及び１１₂、開放接点１２₂,１１₃等はそれぞれ
直に接続されている。これによって、素子の構造が簡素
化されている。

【００１６】熱起電力発生体５の両端部である熱電対素
線８_n及び７₁には、それぞれ電極パッド９Ａ，９Ｂが
接続されている。電極パッド９Ａ，９Ｂは、リード線を
介して外部の電気回路に接続されるもので、リード線の
ボンディングに支障を来さない大きさで形成されてい
る。なお、電極パッド９Ａ，９Ｂは、ボンディング時の
圧力によっても薄膜３を破損させることがないよう、枠
状基板２上に支持された固定部３Ｂの領域に形成されて
いる。

【００１７】次に図５を参照して、本例のエネルギ変換
素子の製造方法を実際の製作例と併せて説明する。図５
（ａ）〜（ｅ）は、図１に示すエネルギ変換素子を既存
の半導体製造技術を適用して製作したときの各工程での
概略断面図であり、各々図２のＡＡ線に沿う断面に相当
する断面図を示している。但し、説明の便宜上、薄膜熱
電対６_j,６_kが現れているものとしている。

【００１８】先ず図５（ａ）に示すように、枠状基板２
の材料として３インチ角で厚さが４００μｍのシリコン
基板２１を用意し、用意したシリコン基板２１の表面及
び裏面上にそれぞれＣＶＤ法（化学的気相成長法）によ
って窒化珪素膜２２Ａ，２２Ｂを成膜する。ここで、シ
リコン基板２１の表面及び裏面上の窒化珪素膜２２Ａ，
２２Ｂが各々図１の薄膜３，４となる。実際の製作例で
は、窒化珪素膜２２Ａ，２２Ｂの膜厚をそれぞれ７００
ｎｍとした。

【００１９】次に図５（ｂ）に示すように、シリコン基
板２１の裏面側の窒化珪素膜２２Ｂをドライエッチング
法等によりパターニングして略正方形の開口２３を形成
し、シリコン基板２１の裏面を部分的に露出させる。次
に図５（ｃ）に示すように、シリコン基板２１の表面側
の窒化珪素膜２２Ａ上に、ニクロム（ＮｉＣｒ）膜より
なる金属パターン２４を形成する。金属パターン２４
は、図１に示した熱起電力発生体５のうちの熱電対素線
８₁,８₂,…，８ _n及び電極パッド９Ａに対応するパター
ンである。実際の製作例では、金属パターン２４をリフ
トオフ法によって膜厚１００μｍで形成した。

【００２０】図６は、リフトオフ法による金属パターン
２４の形成工程を示す断面図であり、最初に図６（ａ）
に示すように、窒化珪素膜２２Ａ上にレジスト層３２を
形成した後、目的のパターンが描画されたフォトマスク
（図示せず）を通して、レジスト層３１をスポット露光
する。次に、図６（ｂ）に示すようにレジスト層３２中
の露光部分を現像により除去し、目的とするパターンに
対応する部が開口３３となったレジストパターンを形成
する。その後、図６（ｃ）に示すようにレジスト層３２
上に蒸着等によってニクロム膜３４を形成した後、図６
（ｄ）に示すようにレジスト層３２をその上のニクロム
膜と一緒に除去する。これにより、窒化珪素膜２２Ａ上
に、ニクロム膜の金属パターン２４が形成され、この金
属パターン２４が熱電対素線８₁〜８_nとなる。但し、
図６（ｄ）は熱電対素線８_j,８_kのみが現れている。

【００２１】このように金属パターン２４が形成される
と、次に図５（ｄ）に示すように窒化珪素膜２２Ａ上に
チタン（Ｔｉ）膜よりなる金属パターン２５を形成す
る。金属パターン２５は、図１に示した熱起電力発生体
５のうち熱電対素線７₁,７₂,…，７_n及び電極パッド９
Ｂに対応するパターンであり、実際の製作例では、上記
金属パターン２４の場合と同様に、リフトオフ法によっ
て膜厚１００μｍで形成した。

【００２２】これにより、シリコン基板２１の表面側の
窒化珪素膜２２Ａ上に、図１に示した熱起電力発生体
５、即ちｎ組の薄膜熱電対６₁,６₂,…，６_nが直列接続
された状態で形成され、同時に、薄膜熱電対６₁,６₂,
…，６_nの両端部には電極パッド９Ａ，９Ｂが形成され
る。最後に、シリコン基板２１の裏面側の開口２３を通
じて露出している部分を、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、
テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡ
Ｈ）などのシリコン用のエッチング液によって湿式エッ
チングし、図５（ｅ）に示すように窒化珪素膜２２Ａの
裏面にまで達する孔２Ａを形成する。このとき、開口２
３の大きさを、横方向（水平方向）のエッチング速度を
加味して設定しておき、図１に示す薄膜メンブレン部３
Ａを形成する。但し、この際に、孔２Ａの形状が一定と
なるように異方性エッチングを行ってもよい。この結
果、薄膜メンブレン部３Ａが支持基板１の内側の孔２Ａ
上に周囲を拘束された状態で形成されると共に、薄膜３
上に形成された薄膜熱電対６₁ 〜６_nの接合接点１０₁
〜１０_n が薄膜メンブレン部３Ａ上へ、開放接点１１₁
〜１１_n,１２₁ 〜１２_n が支持基板１上へと振り分けら
れ、図１に示したエネルギ変換素子が製作されたことに
なる。

【００２３】次に図４を参照して、本例のエネルギ変換
素子の使用方法の一例につき説明する。図４は、本例の
エネルギ変換素子を電気回路に接続した状態を示し、こ
の図４において、本例のエネルギ変換素子の熱起電力発
生体５の両端の電極パッド９Ａ及び９Ｂが、それぞれリ
ード線１３及び１４を介して全波整流用の整流回路１５
に接続されている。そして、整流回路１５の＋側出力端
子が電気回路１６の＋側電源端子に接続され、整流回路
１５の−側出力端子が電気回路１６の−側電源端子に接
続され、整流回路１５の２つの出力端子間には、電荷蓄
積用の大容量のコンデンサ１７が接続されている。この
場合、熱起電力発生体５はｎ組の薄膜熱電対６₁,６₂,
…，６_nを直列接続したものであるため、各薄膜熱電対
６_iの熱起電力をＥ１とすると、電極パッド９Ａ，９Ｂ
間に発生する熱起電力Ｅはｎ・Ｅ１となる。そのため、
熱電対の組数ｎを大きくすることによって、整流回路１
５の出力端子間には電気回路１６を駆動できるだけの電
圧が発生する。また、電気回路１６で消費される以上の
電力はコンデンサ１７に蓄積され、熱起電力Ｅが小さい
ときには、コンデンサ１７に蓄積された電力で電気回路
１６が駆動される。

【００２４】さて、図１のエネルギ変換素子を、例えば
ポケットベル、携帯電話、電子手帳等の小型携帯機器内
に搭載した場合、搭載されたエネルギ変換素子の周囲の
環境は、小型携帯機器が置かれたと同様な環境変化を受
ける。以下では、小型携帯機器の利用者が、室内外を移
動する場合を例にとって説明する。いま機器の利用者が
冷房の効いた室内から室外に出ると、エネルギ変換素子
の周囲の環境温度が変化する。図７（ａ）の実線４１に
示すように、時刻ｔａでエネルギ変換素子の周囲の温度
ＴがＴａ（例えば１５℃）からＴｂ（例えば２５℃）に
変化したとする。このとき、薄膜メンブレン部３Ａは薄
膜で構成され、非常に熱容量が小さいため、環境温度Ｔ
の変化に対して敏感に反応する。即ち、薄膜メンブレン
部３Ａの温度ＴＬは、図７（ｂ）に実線の曲線４２で示
すように、環境温度の変化直後から急激に上昇して速や
かに変化後の環境温度Ｔｂに達する。これに対して、支
持基板１は、薄膜メンブレン部３Ａと比較してかなり熱
容量が大きく、環境温度の変化に対して鈍感である。即
ち、支持基板１の温度ＴＨの変化は、図７（ｂ）に点線
の曲線４３で示すように遅く、時点ｔｂでほぼ環境温度
Ｔｂとなる。このため、環境温度が変化した直後、薄膜
メンブレン部３Ａの温度ＴＬと支持基板１の温度ＴＨと
の間には差が生じる。図７（ｂ）の２つの曲線４２，４
３の差分より分かるように、薄膜メンブレン部３Ａ及び
支持基板１間の温度差ΔＴ（＝ＴＬ−ＴＨ）は、環境温
度が変化した直後（時点ｔａ）から薄膜メンブレン部３
Ａの温度ＴＬがほぼ環境温度Ｔｂに達するまで増た後に
減少するようになり、支持基板１の温度ＴＨもほぼ環境
温度Ｔｂに達する時点ｔｂ以降はほぼ０となる。

【００２５】前述のように温度差ΔＴが発生している
間、図７（ｃ）の曲線４４で示すように、薄膜メンブレ
ン部３Ａ及び支持基板１上に跨って設けられた薄膜熱電
対６₁〜６_nにはゼーベック効果による温度差ΔＴに応
じた熱起電力Ｅ１が発生し、薄膜熱電対６₁〜６_nの最
終端に設けた電極パッド９Ａ，９Ｂ間には各薄膜熱電対
６₁〜６_nで発生した熱起電力Ｅ１を加算した大きな起
電力ｎ・Ｅ１が得られる。

【００２６】なお、前述とは逆に、図７（ａ）の時点ｔ
ｃで示すように、小型携帯機器の利用者が室外から室内
へ戻って環境温度がＴｂからＴａに下がると、薄膜メン
ブレン部３Ａ及び支持基板１間に符号が反転した温度差
が生じ、この温度差は支持基板１の温度ＴＨもほぼ環境
温度Ｔａになる時点ｔｄ（図７（ｂ）参照）まで維持さ
れる。そして、電極パッド９Ａ，９Ｂ間には、図７
（ｃ）に示すように符号が反転した熱起電力Ｅ１が発生
する。

【００２７】実際に製作したエネルギ変換素子を室温１
５℃の部屋と２５℃の部屋との間を移動させた所、各薄
膜熱電対６_iの開放接点間には最大で約８０μＶの熱起
電力が発生した。従って、薄膜熱電対６_iを１０万個放
射状に集積した（組数ｎを１０万とした）場合、実用に
価する約８Ｖの熱起電力を得ることが可能となる。以上
のように、本例のエネルギ変換素子によれば、比較的厚
肉の枠状基板２上に薄膜３を被着して薄膜３の中央に極
端に熱容量の小さな薄膜メンブレン部３Ａを形成してい
るので、環境温度が変化する都度、薄膜メンブレン部３
Ａと支持基板１との間に温度差を発生させることができ
る。しかも、薄膜メンブレン部３Ａとその周囲の熱容量
の大きな固定部３Ｂ（支持基板１）とに跨って薄膜熱電
対６ ₁〜６_nを設けているので、前記温度差に応じた熱
起電力を極めて簡単且つ効率良く発生できる。特に本例
では、半導体製造技術を利用して薄膜３中に薄膜メンブ
レン部３Ａを形成しているので、薄膜メンブレン部３Ａ
と支持基板１との熱容量差を十分確保できる。このた
め、環境温度の揺らぎに対する薄膜メンブレン部３Ａと
支持基板１との温度差を大きくし、比較的大きな熱起電
力を得られる。

【００２８】また、本例のエネルギ変換素子では、薄膜
メンブレン部３Ａ上及び支持基板１上に複数組の薄膜熱
電対６₁〜６_nを設けて互いに直列に接続しているの
で、その組数に応じた大きな熱起電力を容易に得ること
ができる。特に、微細加工技術（本例ではリフトオフ
法）を利用して薄膜熱電対６₁〜６_nを形成するため、
薄膜熱電対６₁〜６_nの集積化を図ることで十分な熱起
電力が得られる。

【００２９】更に、本例のエネルギ変換素子は、既存の
半導体製造技術を適用して製作できるので、量産に適
し、低コスト化が達成される。即ち、シリコンウエハ等
の単一のシリコン基板２１上に多数の素子を一括して製
作できるので、大量生産による素子の低コスト化が可能
となる。なお、上記実施の形態では、エネルギ変換素子
を小型携帯機器用の小型発電機として使用する場合につ
いて説明したが、エネルギ変換素子の使用形態はこれに
限られず、例えばレーザ光のパワーメータや赤外線モニ
タ等として使用してもよい。エネルギ変換素子の表面上
に、レーザ光源から射出されたレーザ光を照射すれば、
薄膜メンブレン部３Ａ及び支持基板１間にレーザ光のパ
ワーに応じた温度差が生じ、薄膜熱電対６₁〜６_nの両
端部間に温度差に応じた熱起電力が発生する。従って、
薄膜熱電対６₁〜６_nの両端部間に発生する熱起電力の
大きさから、レーザ光の強度を計測できる。

【００３０】また、上記実施の形態では、枠状基板２上
に中央の孔２Ａを塞いで薄膜３を被着させ、薄膜３の中
央に熱容量の小さな薄膜メンブレン部３Ａを形成した
が、低熱容量域を形成法はこれに限られず、例えば枠状
基板２上に薄膜３をその周囲を突出させて被着すること
により薄膜３の周囲部に低熱容量域を形成してもよい。
但し、薄膜３の中央に低熱容量域を形成すれば、枠状基
板２によって薄膜３を保護でき、耐久性及び取扱性等に
優れる。

【００３１】また、上記実施の形態では、複数の薄膜熱
電対６₁〜６_nをそれぞれニクロム膜とチタン膜とから
形成したが、それ以外に例えばそれらの薄膜熱電対をク
ロメル膜とアロメル膜とから形成してもよい。クロメル
とアロメルとを用いることによって熱起電力を数倍にで
きる利点がある。また、薄膜熱電対としては、白金ロジ
ウムと白金との組み合わせ、銅とコンスタンタンとの組
み合わせ、又は鉄とコンスタンタンとの組み合わせ等を
使用することも可能である。更に、上述の例では、複数
の薄膜熱電対６₁〜６_nを薄膜３上に放射状に配置した
が、薄膜熱電対６₁〜６_nの形状はこれに限らず、他の
形状でもよい。

【００３２】また、上記実施の形態において、薄膜熱電
対６₁〜６_n上に更に酸化膜、窒化鉄膜等を被着しても
よい。薄膜熱電対６₁〜６_n上に酸化膜等を被着すれ
ば、隣接する熱電対素線７_i,８_i間の電気的絶縁を確保
でき、しかも熱電対素線７_i,８ _iの保護を図れる。以上
のように、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。

【００３３】

【発明の効果】本発明のエネルギ変換素子によれば、熱
容量の異なる２つの熱容量体を用意して、環境変化によ
ってこれら熱容量体間に温度差を発生させ、発生した温
度差に応じた熱起電力を熱電力発生体により得るように
したので、環境温度の変化（環境の揺らぎ）を電気エネ
ルギに高効率に変換できる。従って、本発明のエネルギ
変換素子は小型携帯機器用の小型発電機やセンサ等に好
適である。

【００３４】また、熱起電力発生体が熱電対であるとき
には、２種類の金属膜を形成するのみの簡単な構成でそ
の温度差を熱起電力に変換できる利点がある。また、高
熱容量体及び低熱容量体上に熱電対を複数組設けて直列
に接続すれば、その組数に応じて大きな熱起電力を容易
に得ることができる。次に、本発明の製造方法によれ
ば、半導体製造技術を適用して本発明のエネルギ変換素
子を容易に製造できる。本発明の製造方法は、量産に適
し、本発明のエネルギ変換素子の低コスト化を可能とす
る。

【００３５】また、薄膜体上に２種類の金属材料を順に
パターン成膜して薄膜熱電対を形成する際に、薄膜熱電
対の両端部に同時に電極パッドを形成すれば、電極パッ
ドを形成する工程や該工程で使用するマスク等を別途設
ける必要がなくなり、生産性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるエネルギ変換素子の実施の形態の
一例を示す概略斜視図である。

【図２】図１のエネルギ変換素子を示す平面図である。

【図３】図２のＡＡ線に沿う断面図である。

【図４】図１のエネルギ変換素子を外部の電気回路に接
続した状態の一例を示す図である。

【図５】図１のエネルギ変換素子の製造方法の各工程を
示す概略断面図である。

【図６】リフトオフ法によって薄膜上に金属パターンを
形成する工程の詳細を示した概略断面図である。

【図７】図１のエネルギ変換素子の周囲の環境温度を変
化させたときの薄膜メンブレン部と支持基板との温度
差、及びこの温度差に応じて発生する熱起電力を示す説
明図である。

【符号の説明】

１支持基板２枠状基板２Ａ枠状基板の中央の孔３薄膜３Ａ薄膜メンブレン部３Ｂ固定部５熱起電力発生体６₁〜６_n 薄膜熱電対７₁〜７_n 熱電対素線８₁〜８_n 熱電対素線９Ａ，９Ｂ電極パッド２１シリコン基板２２Ａ，２２Ｂ窒化珪素膜２４，２５金属パターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】環境温度の変化を電気エネルギに変換す
るエネルギ変換素子であって、熱容量の大きな高熱容量体と、熱容量の小さな低熱容量体と、前記高熱容量体及び低熱容量体間に跨って設けられ、環
境温度変化によってこれら熱容量体間に生じる温度差に
応じた熱起電力を発生する熱起電力発生体と、を備えたことを特徴とするエネルギ変換素子。
【請求項２】請求項１記載のエネルギ変換素子であっ
て、前記熱起電力発生体は、前記高熱容量体及び低熱容量体
の何れか一方上に２種類の金属材料の接合接点を設け、
前記高熱容量体及び低熱容量体の他方上に前記２種類の
金属材料の開放接点を設けた熱電対である、ことを特徴
とするエネルギ変換素子。
【請求項３】請求項２記載のエネルギ変換素子であっ
て、前記熱電対は、前記高熱容量体及び低熱容量体上に複数
組設けられ且つ互いに直列に接続されていることを特徴
とするエネルギ変換素子。
【請求項４】環境温度の変化を電気エネルギに変換す
るエネルギ変換素子の製造方法であって、所定の基板上に薄膜体を一体的に形成した後、該形成した薄膜体上に２種類の金属材料を順に所定のパ
ターンで成膜して、両金属材料の接合点を有する薄膜熱
電対を形成し、しかる後、前記薄膜熱電対の接合点に対応する部位で前
記薄膜体の裏面が露出するよう前記基板の一部を除去し
て、前記薄膜熱電対の接合点の周囲の薄膜体の熱容量を
小さくしたことを特徴とするエネルギ変換素子の製造方
法。
【請求項５】請求項４記載のエネルギ変換素子の製造
方法であって、前記薄膜体上に前記２種類の金属材料を所定のパターン
で成膜して前記薄膜熱電対を形成する際に、複数の薄膜
熱電対を互いに直列接続された状態で形成し、且つ、こ
の形成時に、前記接続された複数の薄膜熱電対の両端部
に電極パッドを形成することを特徴とするエネルギ変換
素子の製造方法。