JPH02260581A - 厚膜熱電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）産業上の利用分野 この発明は、赤外線センサ、温度センサ、熱センサなど
に用いられる小型で高感度な厚膜熱電素子に関する。

（ｂ）従来の技術 従来より、赤外線センサ、温度センサ、熱センサなどと
して用いられる、熱電対を多数直列接続させたいわゆる
サーモパイル型熱電素子が開発されている。

一般に、サーモパイル型熱電素子は、熱電材料が多数直
列接続され、温度差から生じる熱起電力が加算される構
造を有し、大きな熱起電力を得ることができる。これに
より高効率の熱電力変換素子や微少温度差を検知する高
感度な赤外線、温度、熱センサとして利用することがで
きる。特に、センサ用途には小型化、高感度化、応答速
度の高速化のために、主に薄膜型の熱電素子が用いられ
る。

このような従来の薄膜熱電素子の熱電材料にはコンスタ
ンタン−ニクロム（特公昭５７−４０１５４号）、Ａｓ
−Ｔｅ（特開昭５３−１３２２８２号）％　Ｓｉ、　Ｇ
ｅ　（特開昭５７−７１７２号）、Ｂ　１−３ｂ−Ｔｅ
　（特開昭６１−２２６７６号）などの金属合金、ある
いは化合物半導体材料が用いられてきた。

（Ｃ）発明が解決しようとする課題 これら従来の熱電材料は比抵抗が小さく熱電変換効率が
高いという長所があるが、ゼーベック係数が小さ（、ま
た酸化し易いため、高温下で使用できないという欠点を
有している。

また、これら薄膜は蒸着、スパッタリングなどにより形
成しなければならず、工程が複雑で製造コストが高くな
るという問題もあった。

本発明はこのような従来の問題点を解消して、高い熱起
電力が得られ、高温度域でも使用可能なセンサ用厚膜熱
電素子を提供することを目的とする。

（ｄ）課題を解決するための手段 前記目的を達成するためには高温度下で使用でき、かつ
ゼーベック係数の高い材料が必要である酸化物半導体セ
ラミックは３００〜１０００μＶ／にという高いゼーベ
ック係数を有し、耐熱性が高いにも係わらず、合金や化
合物半導体に比べ比抵抗が２桁以上太き（、熱−電力変
換効率を評価する性能指数が２桁以上小さいことがら熱
電素子としての応用があまりなされていなかった。しか
し赤外線、温度、熱流を検出するセンサの用途としては
、熱−電力変換効率を上げることよりもいかに大きなゼ
ーベック係数を有するかが重要である。

発明者らは、従来の合金あるいは化合物半導体よりも大
きなゼーベック係数を有し、かつ高温下でも安定な酸化
物半導体材料を厚膜化することで、前記目的が達せられ
ることを見出した。

酸化物半導体の厚膜は、絶縁性を有しかつ耐熱性のある
基板、例えばアルミナやジルコニア上に、ＺｎＯ，Ｃｕ
ｂ、Ｃｕ、０１ＴｉＯ，、ＮｉＯなどの金属酸化物を微
粉砕し、これにガラス成分、フェスそして溶剤を加えた
酸化物半導体ペーストをサーモパイル状に印刷、焼成す
ることによって、形成することができ薄膜よりも安価で
かつ容易に製造できることが明らかとなった。

そこで、この発明は、絶縁基板の表面にｎ型とｐ型の酸
化物半導体厚膜をそれぞれ細線状に形成し、両厚膜を電
気的に接続して熱電対を構成することによって厚膜熱電
素子を得るようにした。

（ｅ）作用 この発明の厚膜熱電素子においては絶縁基板の表面にそ
れぞれ形成されるｎ型酸化物半導体厚膜からなる細線パ
ターンとｐ型数化物半導体厚膜からなる細線パターンと
が電気的に接続されることにより熱電対が構成され、こ
れにより厚膜熱電素子が得られる。

前記ｎ型酸化物半導体厚膜およびｐ型数化物半導体厚膜
はいずれも酸化物半導体ペーストの印刷および焼成によ
って形成することができるため、安価でかつ容易に製造
することができる。

（ｆ）実施例 第１図および（Ａ）〜（Ｄ）はこの発明の実施例である
厚膜熱電素子の構造およびその製造工程を示している。

先ず、ｎ型半導体セラミック材料としてＴｉ０ｚ　　９
９．８ｍｏｊ％、１／２Ｎｂ！　ｏｓ　　ｏ。

２ｍ　ｏ　１％からなる原料をポットに入れ純水で湿式
混合粉砕し、蒸発乾燥した後、匣に充填し、大気中１０
００℃で２時間仮焼し、続いてＨｚ／Ｎｚ　＝１０ｖｏ
ｆ％雰囲気下、１３５０℃で２時間焼成した。

次にｐ型半導体セラミック材料としてＮｉ０９９．９ｍ
ｏｆｆｉ％、１／２Ｌｉｚ　　ＣＯｓ　　　０．　１ｍ
ｏｊ＋％からなる原料をポットに入れ、純水で湿式混合
粉砕し、蒸発乾燥した後、匣に充填し、大気中１００＜
）℃で２時間仮焼し、続いて大気中１３５０℃で２時間
焼成した。

これらの焼結体はそれぞれＡＩｌ、０３乳鉢（またはラ
イカイキ）で粉砕し、粉末状にする。

次に、各々の粉末１００ｇに対してフェス３０ｇ１溶剤
３０ｇ、Ｂｚ　Ｏｘ　１０ｇ５Ｓｉ０□５ｇを加え混合
し、ペースト状にする。

以上のようにして製造したｎ型、ｐ型の半導体セラミッ
クペーストを用いて以下の手順で酸化物半導体厚膜から
なる熱電対を形成する。

先ず、第１図（Ａ）および（Ｂ）に示すように、Ａｌ１
ｔＯｚ基板１上に細線状のｎ型半導体セラミックペース
トパターン２を印刷し、乾燥させる、続いて第１図（Ｃ
）に示すように、細線状のｐ型半導体セラミンクペース
トパターン３を印刷し、乾燥させる。

続いて大気中８００℃で焼付を行う。これによリ、両ペ
ーストパターンをそれぞれ酸化物半導体厚膜とする。

焼き付は後、第１図（Ｄ）に示すように、オーミック電
極の印刷および焼付により、あるいは蒸着により電極４
を形成することによって、ｎ型酸化物半導体厚膜２′と
ｐ型酸化物半導体厚膜３′を直列接続して熱電対を構成
する。また同時に熱電対の両端にも引き出し用電極５を
形成する。

以上のようにして絶縁基板の表面にｎ型とｐ型の酸化物
半導体薄膜からなる熱電対を有する厚膜熱電素子が得ら
れる。

第１図（Ａ）〜（Ｄ）に示した例では矩形の絶縁基板に
熱電対を構成した例であったが、例えば第２図（Ａ）〜
（Ｄ）に示すように、円板状の絶縁基板の表面に対して
ｎ型とｐ型の酸化物半導体厚膜をそれぞれ放射状に形成
することによって、円板の中央部を検出部とする熱電素
子を形成することができる。

なお、第１図および第２図に示した例では、図面を明瞭
化するためにａｔ線パターンの数を少なく措いているが
、多数の熱電対を直列接続することによって熱起電力を
増大させることができる。第１図（Ｄ）または第２図（
Ｄ）に示した構造で、Ｔｉ＊、ｗｓＮｂｅ、ｏｇｏｇの
ｎ型酸化物半導体セラミックとＮｉ・、ｑ雫Ｌ　ｉｏ、
ｏｔｏのｐ型酸化物半導体セラミックからなる５０対の
熱電対を形成して熱電素子の両端（第１図（Ｄ）のタイ
プでは上下、第２図（Ｄ）のタイプでは中央と外周）に
５℃の温度差を与え、ゼーベック係数を測定したところ
７０　ｍ　Ｖ　／　Ｋが得られた。また、その熱電素子
を３００℃で１０００時間大気中に放置したところゼー
ベック係数に変化はなかった。

（瞬発明の効果 以上のようにこの発明によれば、酸化物半導体厚膜を用
いることにより、薄膜による場合に比較して安価で容易
に製造することができ、高温度域で使用することができ
、かつ高い熱起電力が得られるため、小型で高感度なセ
ンサ用熱電素子として種々の用途に用いることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｄ）はこの発明の実施例である厚膜熱
電素子の製造工程を示す図、第２図（Ａ）〜（Ｄ）はこ
の発明の他の実施例に係る厚膜熱電素子の製造工程を示
す図である。 図面の浄ζ 第　　１（２Ｉ ｌ−絶縁基板、 ２−ｎ型半導体セラミックペーストの細線パターン、 ２／　　、型酸化物半導体厚膜の細線パターン、３−ｐ
型半導体セラミックペーストの細線パターン、 ３′−ｐ型酸化物半導体厚膜の細線パターン、４．５−
電極。 （Ｃ） （Ｄ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁基板の表面にｎ型とｐ型の酸化物半導体厚膜
   をそれぞれ細線状に形成し、両厚膜を電気的に接続して
   熱電対を構成したことを特徴とする厚膜熱電素子。