JPH0276270A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、赤外線センサ、温度センサ、熱センサ等に用
いられる熱電素子に関するものである。

（従来の技術） 従来、この種の熱電素子には、薄膜化された熱電材料か
らなる熱電対が多数直列接続されたサーモパイル型のも
のがある。このサーモパイル型の熱電素子は、熱電対を
多数直列接続しているので、温度差から生じる熱起電力
を加算でき、大きな熱起電力を得ることができる。そし
て、この熱起電力を利用して微少温度差を検知できる赤
外線センサ、温度センサ、熱センサとして利用されてい
る。

また、熱電材料として、コンスタンタン−ニクロムなど
の金属合金あるいはヒ素−テルル、ビスマス−アンチモ
ン−テルル、などの化合物半導体が用いられている。

（従来技術の問題点） ところで、熱電素子の熱−電力変換効率を評価する性能
指数をＺとすれば、次のような関係式で表すことができ
る。

Ｚ　＝　α２／にρ ここで、αはゼーベック係数、Ｋは熱伝導率、ρは比抵
抗である。

従来の熱電素子に用いる金属合金あるいは化合物半導体
のような熱電材料は、比抵抗が小さいので、上記関係式
より、熱−電力変換効率を高くすることができ、ベルチ
ェ効果を利用した電子冷却素子あるいは電子加熱素子な
どに適している。しかしながら、赤外線センサ、温度セ
ンサ、熱センサ等に用いる場合には、熱−電力変換効率
よりもゼーベック係数の大きな熱電材料を用いることが
重要である。

すなわち、従来の熱電材料では、ゼーベック係数が２０
０〜３００μ■／℃と低いために、赤外線センサ、温度
センサ、熱センサの感度が悪かった。また、従来の熱電
材料は、酸化しやすいために高温下での使用ができなか
った。

そこで本発明は、上述した問題点を解決し得るものであ
り、薄膜でかつゼーベック係数が大きく、高温下でも使
用することができる熱電素子を提供することを目的とす
るものである。

この目的を達成するには、ゼーベック係数が大きく、高
温下で使用できる熱電材料が必要である。

発明者らは、熱電材料として、性能指数が小さいために
、これまで熱電素子としてあまり応用されていなかった
酸化物半導体に着目した。

（問題点を解決するための手段） 本発明の熱電素子は、絶縁基板上にｖｓｍ化されたＰ型
およびｎ型の熱電材料からなる熱電対を多数直列接続し
た熱電素子において、 前記熱電材料として酸化物半導体を用いたことを特徴と
している。

たとえば、前記酸化物半導体として、銅酸化物半導体、
亜鉛酸化物半導体、チタン酸化物半導体。

ニッケル酸化物半導体、鉄酸化物半導体、コバルト酸化
物半導体がある。

（作用および効果） 本発明の熱電素子は、熱電材料として、ゼーベック係数
が３００〜１０００μＶ／’Ｃと大きい酸化物半導体を
用いるので、赤外線センサ、温度センサ、熱センサに使
用した場合、感度を向上することがｔきる。

また、酸化物半導体を薄膜化するので、センサ自体を小
型化することができ、高感度化、高応答速度化すること
ができる。

さらに、酸化物半導体は、高温下でも安定する熱電材料
なので、高温下で使用することができる。

（実施例） 以下に、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する
。

第１実施例は、まず、第１図に示すように、Ａｌ２Ｏ３
基板１上に熱電対パターンのマスク２を置き、金属銅タ
ーゲットあるいは酸化銅セラミックターゲットとＡｒ−
０２雰囲気中の酸素との反応性スパッタリング法によっ
て、第２図に示すような薄膜化された３つのＰ型のＣｕ
２Ｏ半導体３，４゜５を形成した。

次に、熱電対パターンのマスク２を変更して、同様に、
金属銅ターゲットあるいは酸化銅セラミックターゲット
とＡｒ０ｚ雰囲気中の酸素との反応性スパッタリング法
によって、第３図に示すような薄膜化された３つのｎ型
のＣｕＯ半導体６，７゜８を形成した。これらＣｕＯ半
導体６，７．８はＣｕ２Ｏ半導体３，４．５とそれぞれ
導電的に接続され、３つの熱電対９，１０，１１を形成
する。

そして、熱電対９，１０，１１は、直列となるように直
接接続される。なお、Ｃｕ２Ｏ半導体とＣｕＯ半導体の
接続、および熱電対同士の接続は電極を介して行っても
よい。

次に、引出電極用パターンのマスクを置き、真空蒸着に
よって、熱電対９のＣｕ２Ｏ半導体３の一端および熱電
対１１のＣｕＯ半導体８の一端のそれぞれからＡｌ２Ｏ
３基板の同一端面に引き出された引出電極１２．１３を
形成し、第４図に示すような熱電素子１４を得た。

上述した第１実施例では、３組の熱電対を直列接続した
ものを示しだが、所望によって増減してもよい。

第１実施例において、たとえば、１５組の熱電対を直列
接続した熱電素子の一方の引出電極に２５℃、他方の引
出電極に２０℃の温度を与えてゼーベック係数を測定し
たところ、２０μＶ／”Ｃのゼーベック係数を得ること
ができた。そして、との熱電素子を３００℃で１０００
時間放置した後、ゼーベック係数を測定したが特性の変
化はなかった。

第２実施例は、ｎ型の酸化物半導体のターゲットとして
、ＴｌＯ２をプレス成形し、Ｈ２／Ｎ２　　＝１１５０
の体積比の雰囲気下、１４００℃程度で焼成し、直径が
約１００ｍｍ、厚みが１ｍｍのユニットを作成した。

次に、円板上のガラス基板１５上に熱電対パターンのマ
スクを置き、ＴｌＯ２のユニットをＡｒ雰囲気中でスパ
ッタリングすることによって、第５図に示すような薄膜
化されたｎ型のＴｌＯ２半導体１６ないし２３を形成し
た。このＴｌＯ２半導体１６ないし２３は、それぞれ扇
形をなし、ガラス基板１７の任意の１点を円の中心Ａと
し、等間隔で円環状に形成されたものである。

次に、熱電対パターンのマスクを変更して、Ｐ型のＮ１
０ターゲット＠Ａ−ｒ−０２雰囲気中でスパッタリング
し、第６図に示すような薄膜化されたＰ型のＮＩＯ半導
体２４ないし３１を形成した。このＮＩＯ半導体２４な
いし３１は、ＴｌＯ２半導体１６ないし２３と同様に、
扇形をなし、点Ａｔ−中心に等間隔で円環状に形成され
たものである。ここで、ＴｌＯ２半導体１６ないし２３
とＮｉＯ半導体２４ないし３１とは、１６，２４，１７
，２５゜・・・・・・、２２，３０，２３，３１という
ように交互に韮んでいる。

次に、電極用パターンのマスクを置き、真空蒸着によっ
て第７図に示すような電極３２ないし３５を形成し、熱
電素子３６を得た。３２は第１接続用電極であり、Ｔｌ
Ｏ２半導体１６ないし２３をＮｉＯ半導体２４ないし３
１をそれぞれ導電的に接続し、８組の熱電対３７ないし
４４を形成するためのものである。この第１接続用電極
３２は、扇形をなす各半導体のガラス基板１７の点Ａ側
に近い端部を接続するように形成される。３３は第２接
続用電極であり、熱電対３７ないし４４を直列接続する
ためのものである。この第２接続用電極３３は、扇形を
なす各半導体のガラス基板１７の周面側の端部を接続す
るように形成される。３４．８５は引出電極であり、Ｔ
ｌＯ２半導体１６の一端およびＮｉＯ半導体３１の一端
からそれぞれガラス基板１７の周面に引き出されるよう
に形成されたものである。

この熱電素子３６は、第８図に示すように電極３３に赤
外線が入射できるような開孔４６を有する遮蔽板４５′
！！：重ね合せ、電極３４および３５に温度差をもたせ
ることによって赤外線センサとして利用できる。

上述した第２実施例では、８組の熱電対を直列接続した
熱電素子を示したが、第１実施例と同様に、所望に応じ
て増減できることは言うまでもない。

第２実施例において、たとえば、２０組の熱電対を直列
接続した熱電素子を第８図に示した赤外線センサに用い
て感度を測定したところ、３０Ｖ／Ｗであった。そして
、この赤外線センサを３００℃で１０００時間放置した
後、同様に感度の測定をしたところ変化はなかった。

なお、第２実施例において、Ｐ型の酸化物半導体のター
ゲットとしてＮＩＯユニットを用いたが、ＦｅＯあるい
はＣｏＯを用いてもよく、所望の感度を有する赤外線セ
ンサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の熱電素子の第１実施例を
説明する平面図、第５図ないし第７図は本発明の熱電素
子の第２実施例を説明する平面図、第８図は本発明の熱
電素子の第２実施例を赤外線センサとして用いたときの
平面図である。 １・・・Ａｌ２Ｏ３基板、２・・・マスク、３ｓ　４ｔ
　５−Ｃｕ２Ｏ半導体、 ６、Ｌ　８−ＣｕＯ半導体、 ９．１０，１１，３７，３８，３９，４０，４１゜４２
．４３，４４・・・熱電対、 １２．１３，３４，３５・・・引出電極、３２・・・第
１接続用電極、３３・・・第２接続用電極、１４．３６
・・・熱電素子、１５・・・ガラス基板、１６．１７，
１８，１９，２０，２１，２２゜２３・・・ＴｌＯ２半
導体、 ２４．２５，２６，２７，２８，２９，３０゜８１・・
・ＮＩＯ半導体、４５・・・遮蔽板、４６・・・開孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 絶縁基板上に薄膜化されたＰ型およびｎ型の熱電材料か
   らなる熱電対を多数直列接続した熱電素子において、 前記熱電材料として酸化物半導体を用いたことを特徴と
   する熱電素子。