JP4512692B2 - Thermoelectric element-based cooling method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、異種金属の接合部分に生じるペルチェ効果を利用した熱電素子利用冷却方法及び装置に関し、特に半導体を介して金属を接合した部分に生じるペルチェ効果を利用して、任意の位置にある電子回路素子やマイクロリアクタ等を冷却するのに適した熱電素子利用冷却方法及びその冷却方法を利用した冷却装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thermoelectric element-based cooling method and apparatus using a Peltier effect that occurs in a joining portion of dissimilar metals, and in particular, an electron at an arbitrary position using the Peltier effect that occurs in a portion where metals are joined via a semiconductor. The present invention relates to a cooling method using a thermoelectric element suitable for cooling a circuit element, a microreactor, and the like and a cooling device using the cooling method.
各種装置の作動によって熱が発生する際には、それらの装置が効率よく機能するため、また機能損傷を生じないようにするために冷却を行うことは必須のことであり、それぞれの装置において種々の冷却手段を採用している。 When heat is generated by the operation of various devices, it is indispensable to perform cooling in order to function efficiently and not to cause functional damage. The cooling means is adopted.
近年の半導体技術の進歩により小さな素子内に多くの回路を組み込むことができるようになった反面、例えばCPUを初めとする高密度回路素子等の電子デバイスにおいては発熱が多くなり、熱によってこれらの装置の機能低下、或いは破損が生じる。 While recent advances in semiconductor technology have made it possible to incorporate many circuits in small elements, electronic devices such as high-density circuit elements such as CPUs generate more heat, and these are caused by heat. Degradation or damage of the device occurs.
その対策として従来は冷却ファンを駆動して周囲の空気の強制的な入れ替えを行い、また、回路素子基板の裏面等に放熱フィンを設けてこの部分に集中的に冷却風を流通することができるようにしている。また、特にレーザ発光ダイオードは多くの熱を発生し、出力が大きくなるほどより多くの熱を発生するため、ダイオード素子、及びその駆動回路を含む基板の冷却を上記のような手段で行うほか、水冷によって冷却を行うこともある。 Conventionally, as a countermeasure, a cooling fan is driven to forcibly replace the surrounding air, and heat radiation fins are provided on the back surface of the circuit element substrate to circulate cooling air in a concentrated manner. I am doing so. In particular, laser light emitting diodes generate a lot of heat, and as the output increases, more heat is generated. Therefore, in addition to cooling the diode element and the substrate including its drive circuit by the above-mentioned means, Depending on the case, cooling may be performed.
このような冷却手段は放熱フィンの構造部分、冷却ファンの構造部分等において大型化せざるを得ず、電子デバイスを含めた装置全体が大型化し、また冷却ファンの駆動により騒音を発生する問題もあった。その対策として特定の成分からなる半導体の熱電材料を用い、その通電によって生じるペルチェ効果による冷却側を前記のような電子デバイスに接触させて冷却することも行われている。このような熱電素子を用いることにより、小型、無音、長寿命、メンテナンス不要、老廃物無し、廃熱による発電、フロン無しの冷却等の種々のメリットがあり、多くの熱電変換素子の研究がなされている。 Such cooling means must be increased in size in the structure part of the radiating fin, the structure part of the cooling fan, etc., the entire apparatus including the electronic device is increased in size, and there is a problem that noise is generated by driving the cooling fan. there were. As a countermeasure, a thermoelectric material of a semiconductor composed of a specific component is used, and cooling is performed by bringing the cooling side by the Peltier effect caused by the energization into contact with the electronic device as described above. By using such a thermoelectric element, there are various merits such as small size, silence, long life, no maintenance, no waste, power generation by waste heat, cooling without chlorofluorocarbon, and many thermoelectric conversion elements have been studied. ing.
しかしながら従来用いられている熱電材料はバルク材からなり、小型化するには限界があった。その対策として、例えば特開昭63−76463号公報に示されるように、ペルチェ効果を生じる熱電素子を薄膜化することが提案され、更に例えば特開平6−318738号公報に示されるようにこの薄膜熱電素子を積層することにより多くの電流を流すことができるようにしたものも提案されている。
電気デバイスの冷却は上記のように重要であり、その冷却手段はなくてはならないものとなっており、それを小型化するために薄膜ペルチェ熱電素子を用いることが提案されているが、ペルチェ効果を生じる熱電素子は、例えば前記特開平6−318736号公報に記載されているように、Cu2O、NiO、Mn2O3のP型半導体金属酸化物、ZnO、MoS、Fe3O4、FeO、CuOのN型半導体金属酸化物等が用いられ、その製造に際しては同公報に記載しているように多くの手数を要するほか、高度の半導体製造技術を必要とする。The cooling of electrical devices is important as described above, and the cooling means is indispensable, and it is proposed to use a thin film Peltier thermoelectric element to reduce the size, but the Peltier effect For example, as described in JP-A-6-318736, a thermoelectric element that generates a P-type semiconductor metal oxide of Cu 2 O, NiO, Mn 2 O 3 , ZnO, MoS, Fe 3 O 4 , FeO, CuO N-type semiconductor metal oxides and the like are used, and the production thereof requires a lot of work as described in the publication and requires advanced semiconductor manufacturing techniques.
また、近年、半導体微細加工技術を用いて、マイクロスケールの反応容器や分析用チャネルなどをシリコン、あるいはガラスなどの基板上に形成する技術開発が行われている。このようにして製作したマイクロチップでは、表面積/体積比の増大などの効果により、従来に比べて高速かつ高精度な反応分析が可能となり、また、コンパクトでかつ自動化されたシステムが実現できる。 In recent years, technology development for forming a microscale reaction vessel, an analysis channel, or the like on a substrate such as silicon or glass by using a semiconductor microfabrication technique has been performed. The microchip manufactured in this way enables reaction analysis with higher speed and higher accuracy than before due to an effect such as an increase in the surface area / volume ratio, and a compact and automated system can be realized.
このようなシステムは今後の生・化学反応技術の一分野として確立することが注目されている。その際に上記のような微少領域において所定の条件で反応を行わせる必要があり、したがって微少領域の温度制御を行うことが重要な要素となる。特に、高コヒーレント固体レーザーでは、沸騰限界熱流速を数桁上回る高熱流束除熱が求められている。これらの技術分野においてもペルチェ効果を利用した冷却装置による温度制御手段は小型化と温度制御の容易さの点で有効であるが、その際にもより小型化した冷却手段が必要となり、その開発が期待されている。 It is attracting attention that such a system is established as a field of bio-chemical reaction technology in the future. At that time, it is necessary to carry out the reaction under predetermined conditions in the above-mentioned minute region. Therefore, it is important to control the temperature in the minute region. In particular, high-coherent solid-state lasers require high heat flux heat removal that exceeds the boiling limit heat flow rate by several orders of magnitude. Even in these technical fields, the temperature control means by the cooling device using the Peltier effect is effective in terms of downsizing and ease of temperature control, but even in that case, a more compact cooling means is necessary, and its development Is expected.
上記のような課題を解決するため、本発明者等は特願平2001−336940号に示すような技術を提案している。本発明は上記技術と同一原理により吸熱作用を行わせるようにし、これを発展させた技術であるので、最初先の出願にも記載している本発明の基本原理に関する部分を説明する。 In order to solve the above problems, the present inventors have proposed a technique as shown in Japanese Patent Application No. 2001-336940. Since the present invention is a technology developed by causing the endothermic action to be performed based on the same principle as the above-described technology, the part related to the basic principle of the present invention described in the first application will be described.
2種の金属を接触させると、各金属の仕事関数および自由電子数の差により、その差を埋める方向に電子は一方の金属から他方の金属に移り、両者の間に電位差が起きる。このようにして起きる電気が接触電位であり、2種の金属の接点を加熱すると、自由電子の動きが活発になり、熱エネルギーと電気エネルギーとの間に交換が行われ熱電効果が生じる。この熱電効果には、2種の金属の両端を互いに接続させ、その両接続部分を異なった温度に保つことにより起電力が生じるゼーベック効果と、その逆に2種の金属の両端を互いに接続させ、電流を流したときジュール熱以外に熱が発生し、もしくは吸熱が生じるペルチェ効果とが存在することが知られている。 When two kinds of metals are brought into contact with each other, due to the difference in the work function and the number of free electrons of each metal, electrons move from one metal to the other in a direction to fill the difference, and a potential difference occurs between the two metals. The electricity generated in this way is a contact potential, and when the contact of two kinds of metals is heated, the movement of free electrons becomes active, and exchange is performed between thermal energy and electrical energy, resulting in a thermoelectric effect. In this thermoelectric effect, both ends of two kinds of metals are connected to each other, and the Seebeck effect in which an electromotive force is generated by maintaining both connecting portions at different temperatures, and conversely, both ends of the two kinds of metals are connected to each other. It is known that there is a Peltier effect in which heat is generated or endothermic in addition to Joule heat when current is passed.
上記のように異種金属を接続した時の表面電位分布モデルについて検討するに際して、金と白金を互いに線状に接続したものを用いて検討を行うと、このような接触型の薄膜熱電素子の場合には、図7のような表面電位分布モデルが考えられる。即ち、金・白金薄膜における電位は、金及び白金の仕事関数を考慮すると図7の実線Aのような電位になる。金及び白金薄膜にはそれぞれ抵抗があり、電位に傾きを持つため表面電位は点線Bのようになる。また、金、白金接合部において電子の再配置により、金薄膜及び金厚膜から白金薄膜に電子が移動し、金、白金接合部において化学ポテンシャルが一致していることを考慮すると、同図中の一点鎖線Cのような電位分布になると考えられる。 When examining the surface potential distribution model when different kinds of metals are connected as described above, when using gold and platinum connected to each other in a linear form, the case of such a contact-type thin film thermoelectric element A surface potential distribution model as shown in FIG. 7 is conceivable. That is, the potential in the gold / platinum thin film becomes a potential as shown by a solid line A in FIG. 7 in consideration of the work functions of gold and platinum. The gold and platinum thin films each have a resistance, and the surface potential is as shown by the dotted line B because the potential has an inclination. In addition, considering the fact that electrons move from the gold thin film and the gold thick film to the platinum thin film due to the rearrangement of electrons in the gold / platinum junction, the chemical potentials in the gold / platinum junction match. It is considered that the potential distribution is as indicated by the alternate long and short dash line C.
図7(a)には金薄膜から白金薄膜へ、(b)には白金薄膜から金薄膜への通電を示している。白金薄膜から金薄膜へ通電が行われているときのD点において、金薄膜から白金薄膜に通電が行われているときよりΔVpだけ電位が大きくなっていることが明らかである。これより、表面電位分布計測による白金側における電位差と定性的に一致し、フェルミ順位による電位を考慮した表面電位分布モデルが正しいことがわかる。 FIG. 7A shows the energization from the gold thin film to the platinum thin film, and FIG. 7B shows the energization from the platinum thin film to the gold thin film. It is apparent that the potential is increased by ΔVp at the point D when the energization is performed from the platinum thin film to the gold thin film than when the energization is performed from the gold thin film to the platinum thin film. From this, it can be seen that the surface potential distribution model is qualitatively consistent with the potential difference on the platinum side by surface potential distribution measurement, and the surface potential distribution model considering the potential by Fermi rank is correct.
図8には金と白金を互いに重なりをもつように製膜した接合型薄膜熱電素子の表面電位分布モデルを示しており、この場合も前記と同様に製膜し、互いに1mm程度の重なりをもつものを作成して検討すると、この場合についても前記接触型と同様にフェルミ順位による電位差を考慮した電位分布モデルを作成すると、金薄膜から白金薄膜に通電が行われているとき、接合部分において吸熱の可能性があり、白金薄膜から金薄膜に通電が行われているときの金厚膜においても吸熱の可能性があることがわかる。 FIG. 8 shows a surface potential distribution model of a junction type thin film thermoelectric element in which gold and platinum are formed so as to overlap each other. In this case as well, the films are formed in the same manner as described above and have an overlap of about 1 mm. In this case, as in the case of the contact type, if a potential distribution model that takes into account the potential difference due to the Fermi rank is created, an endothermic process is performed at the junction when the gold thin film is energized to the platinum thin film. It can be seen that there is also the possibility of endotherm in the gold thick film when the platinum thin film is energized from the gold thin film.
先の出願においてはこのような基本原理に基いてなされたものであり、図9(a)には第1金属A薄膜1と金属B薄膜2と第2金属A薄膜3を、互いに半導体薄膜4、5を介して接続して異種金属薄膜接続体からなる冷却装置を形成した例を模式的に示している。 In the previous application, it was made on the basis of such a basic principle. FIG. 9A shows the first metal A
実際にこの冷却装置を製作する際には、この第1金属A薄膜1と第2金属A薄膜3は前記と同様に金を用い、金属B薄膜としては白金を用いる。この薄膜の厚さは任意に設定することができるが、前記実験例と同様に、500Å〜4000Å程度のものが用いられる。また、その幅についても任意に設定することができるが、これも前記実施例と同様に4mm程度のものを用いることができる。 When actually manufacturing this cooling device, the first metal A
また、先の出願においては、2種の金属を接合する部分に半導体薄膜4、5を設け、接合される両金属間で金属電位分布を保つことができるようにしている。なお、この半導体は前記従来のペルチェ効果をなすための半導体とは異なり、単に電子の連続的な流れを切る為に用いているものである。したがって各半導体共にP型半導体であっても良く、またN型半導体であっても良く、更にいずれかがP型半導体、他側がN型半導体としてもその作用は同じである。ただし、各半導体は、金属Aと金属Bの中間の仕事関数をもつものを選択することが好ましい。 In the previous application, the semiconductor
上記のような異種金属薄膜接続体を用いた冷却装置において、その仕事関数をみると図9(b)に示すように、金属Aと金属Bの仕事関数の相違により基本的には図中凹型の特性を備え、その途中において半導体4、5の仕事関数の高さ部分に小さな段を生じている特性となる。なお、前記小さな段の高さの差が両半導体の仕事関数の差であり、両半導体共に同じものを使用した場合には両者の高さは一致する。 In the cooling device using the dissimilar metal thin film connector as described above, when the work function is viewed, as shown in FIG. 9 (b), it is basically a concave type in the figure due to the difference in work functions of metal A and metal B. In the middle of this, there is a characteristic that a small step is generated in the height portion of the work function of the
このような装置に対して図9(c)に示すように電流iを流すと、その仕事関数に対応した電位差として同図に示すような電圧の変化が生じることとなり、第2金属A薄膜3と金属B薄膜2との間で発熱作用を生じ、金属B薄膜2と第1金属A薄膜1との間で吸熱作用を生じる。この特性に対応して、実際の各薄膜の抵抗を考慮した表面電位については図9(d)に示すような特性となる。 When a current i is applied to such an apparatus as shown in FIG. 9C, a voltage change as shown in FIG. 9 occurs as a potential difference corresponding to the work function, and the second metal A
上記のような原理に基づく異種金属薄膜接続体からなる冷却装置を実際に製作する際は、例えば図10(a)に示すようにシリコン基板10上に金属B薄膜11を形成し、その両端に第1半導体薄膜12と第2半導体薄膜13を形成し、第1半導体薄膜12の上に端部が位置するように第1金属A薄膜14を形成し、第2半導体薄膜13の上に端部が位置するように第2金属A薄膜15を形成する。各金属の選定は任意に行うことができるが、前記のように金属Aを金、金属Bを白金に設定しても良く、また、第1半導体と第2半導体共にP型半導体であっても良く、またN型半導体であっても良く、更にいずれかをP型半導体、他側をN型半導体としても良い。 When actually manufacturing a cooling device comprising a dissimilar metal thin film connector based on the above principle, for example, as shown in FIG. 10A, a metal B thin film 11 is formed on a
このような冷却装置を実際の装置に対して適用するに際しては、図10(b)に示すように、第1金属A薄膜14と金属B薄膜11間で吸熱作用を行う方向に電流を流している状態では、この第1金属A薄膜14の端部位置に冷却したいエレクトロニクス素子16を形成、或いは載置する。それにより、このエレクトロニクス素子16は冷却され、且つこの冷却装置に対する通電量の制御によって冷却能力をコントロールし、エレクトニクス素子の温度制御を行うことができる。 When such a cooling device is applied to an actual device, as shown in FIG. 10B, an electric current is passed in a direction in which an endothermic action is performed between the first metal A thin film 14 and the metal B thin film 11. In this state, the
先に出願した上記のような技術により、吸熱部分を空間的に独立させることができ、また、薄膜分離化熱電素子の吸熱部を積層することによって、より多くの電流をを流すことができるので、冷却能力が増大し、冷却能力が増大する。このため、半導体素子の局所高熱流束除去技術や強制対流熱伝達面の能動制御技術等への応用が期待できるようになった。その後より実際の装置に適用が容易で、より効率的に各種部材を冷却をすることができるようにすることを課題として更に研究を進めた結果、本発明が得られたものである。 With the above-mentioned technology applied earlier, the endothermic part can be spatially independent, and more current can be flowed by stacking the endothermic part of the thin film separating thermoelectric element. , Cooling capacity increases, cooling capacity increases. For this reason, the application to the local high heat flux removal technique of a semiconductor element, the active control technique of a forced convection heat transfer surface, etc. came to be expected. After that, the present invention was obtained as a result of further research aimed at making it possible to cool various members more easily and more easily applied to an actual apparatus.
上記課題を解決するため、本発明による熱電素子利用冷却方法は、第1金属の両端にn型半導体及びp型半導体の各端部を互いに離間して接合し、前記n型半導体の他端部に第2金属を、前記p型半導体の他端部に第3金属を接合し、前記金属は全て仕事関数の異なった種類の金属であり、正極である金属電極を最も仕事関数の大きな第2金属に接合し、次いでn型半導体を間に挟んで次に大きな仕事関数の金属である第1金属の端部に接合し、次いで前記第1金属の他端部にp型半導体を間に挟んで最も仕事関数の小さな金属である第3金属を接合し、前記第3金属に負電極である金属電極に接合し、前記第2金属から前記n型半導体、前記第1金属、前記p型半導体及び前記第3金属を通して他方の電極に通電し、吸熱作用を行う接合部分により冷却作用を行うようにしたものである。 In order to solve the above-described problem, the thermoelectric element-based cooling method according to the present invention is configured such that the ends of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are joined to both ends of the first metal so as to be spaced apart from each other. The second metal is joined to the other end of the p-type semiconductor, and all of the metals are metals of different work functions. The metal electrode that is the positive electrode is the second metal having the highest work function. Joined to metal, then joined to the end of the first metal, which is the next largest work function metal, with the n-type semiconductor in between, and then sandwiched the p-type semiconductor in the other end of the first metal A third metal, which is the metal having the smallest work function, is joined to a metal electrode which is a negative electrode, and the n-type semiconductor, the first metal, and the p-type semiconductor are joined from the second metal. And a junction that conducts heat by energizing the other electrode through the third metal. By is obtained to perform the cooling action.
また、本発明による他の熱電素子利用冷却方法は、前記熱電素子利用冷却方法において、少なくとも前記第1金属は薄膜としたものである。 In another thermoelectric element-based cooling method according to the present invention, at least the first metal is a thin film in the thermoelectric element-based cooling method.
また、本発明による他の熱電素子利用冷却方法は、前記熱電素子利用冷却方法において、前記n型半導体とp型半導体のいずれか一方の吸熱側を、前記第1金属またはリード線によって任意の発熱箇所に配置したものである。 According to another thermoelectric element-based cooling method of the present invention, any one of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor on the heat absorption side of the thermoelectric element-based cooling method is arbitrarily heated by the first metal or the lead wire. It is arranged at the place.
また、本発明による熱電素子利用冷却装置は、第1金属の両端にn型半導体及びp型半導体の各端部を互いに離間して接合し、前記n型半導体の他端部に第2金属を、前記p型半導体の他端部に第3金属を接合してなる半導体分離化部材からなり、前記金属は全て仕事関数の異なった種類の金属であり、正極である金属電極を最も仕事関数の大きな第2金属に接合し、次いでn型半導体を間に挟んで次に大きな仕事関数の金属である第1金属の端部に接合し、次いで前記第1金属の他端部にp型半導体を間に挟んで最も仕事関数の小さな金属である第3金属を接合し、前記第3金属に負電極である金属電極に接合し、前記第2金属から前記n型半導体、前記第1金属、前記p型半導体を通して前記第3金属に通電し、吸熱作用を行う接合部分により冷却を行うようにしたものである。 In the thermoelectric element-based cooling device according to the present invention, the ends of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are joined to both ends of the first metal so as to be separated from each other, and the second metal is attached to the other end of the n-type semiconductor. , A semiconductor isolation member formed by joining a third metal to the other end of the p-type semiconductor, and the metals are all kinds of metals having different work functions. Joined to a large second metal, then joined to the end of the first metal, which is the next largest work function metal, with an n-type semiconductor in between, and then a p-type semiconductor to the other end of the first metal A third metal, which is a metal having the lowest work function, is bonded to the third metal, and is bonded to a metal electrode that is a negative electrode. The n-type semiconductor, the first metal, Junction where the third metal is energized through a p-type semiconductor to absorb heat It is obtained to perform the more cooling.
また、本発明による他の熱電素子利用冷却装置は、前記熱電素子利用冷却装置において、少なくとも前記第1金属は薄膜としたものである。 In another thermoelectric element-based cooling device according to the present invention, at least the first metal is a thin film in the thermoelectric element-based cooling device.
また、本発明による他の熱電素子利用冷却装置は、前記熱電素子利用冷却装置において、前記n型半導体とp型半導体のいずれか一方の吸熱側を、前記第1金属またはリード線によって任意の発熱箇所に配置したものである。 According to another thermoelectric element-based cooling device of the present invention, in the thermoelectric element-based cooling device, any one of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor may be heated arbitrarily by the first metal or the lead wire. It is arranged at the place.
また、本発明による他の熱電素子利用冷却装置は、前記熱電素子利用冷却装置を、レーザー発信装置、半導体集積回路、コンピューター、反応器、熱交換器、工作機械、携帯電話のいずれかに組み込んだものである。 Further, another thermoelectric element-based cooling device according to the present invention incorporates the thermoelectric element-based cooling device into any of a laser transmitter, a semiconductor integrated circuit, a computer, a reactor, a heat exchanger, a machine tool, and a mobile phone. Is.
本発明は上記のような本発明者等による先の出願の発明に引き続き、各種実験を行うことによりなされたものであるので、その実験経過に沿って説明する。 The present invention has been made by conducting various experiments following the invention of the previous application by the present inventors as described above, and will be described along the course of the experiments.
最初、半導体の上下端面に直列になるように金属電極を接続し、模擬薄膜分離型熱電素子を作成した。吸熱端部になる試料金属はCu、Pt、Pbの3種類で実験を行った。 First, metal electrodes were connected in series with the upper and lower end surfaces of the semiconductor to produce a simulated thin film separation type thermoelectric element. The experiment was performed using three types of sample metals, Cu, Pt, and Pb, as the endothermic ends.
電極銅板は長さ30mm、幅2.5mm、厚みは電極銅板のジュール熱を押さえるため1mmとした。半導体部分は市販のビスマステルル系半導体を活用した。半導体は1辺が2mmの立方体である。また、温度分布は放射温度計を用いて、放射率を一定と仮定して計測した。実験装置の概要及び、動作状態を図1に示す。図1でN、Pと示している部分はそれぞれn型及びp型半導体を意味している。図のように、Cu(正極)−n型半導体−試料金属−p型半導体−Cu(負極)の構成として実験した。一方向に発熱端、吸熱端を揃えるため、n型からp型へ電流を流す。このとき、上端ではQhの吸熱があり、下端ではQcの発熱が起こる。The electrode copper plate had a length of 30 mm, a width of 2.5 mm, and a thickness of 1 mm in order to suppress Joule heat of the electrode copper plate. For the semiconductor part, a commercially available bismuth tellurium-based semiconductor was used. The semiconductor is a cube having a side of 2 mm. The temperature distribution was measured using a radiation thermometer, assuming that the emissivity was constant. The outline of the experimental apparatus and the operating state are shown in FIG. In FIG. 1, the portions indicated as N and P mean n-type and p-type semiconductors, respectively. As shown in the figure, the experiment was conducted with a configuration of Cu (positive electrode) -n-type semiconductor-sample metal-p-type semiconductor-Cu (negative electrode). In order to align the heat generation end and the heat absorption end in one direction, a current is passed from the n-type to the p-type. At this time, the upper end has endotherm Q h, heat generation Q c occurs at the lower end.
今回作成した熱電素子の性能を図2に示す。Cu板を試料金属として使用した場合24mAの時に最大で10.2℃の温度降下があった。電流を大きくすると、温度降下はジュール熱の増大と共に飽和しつつあるので15mAで実験を行った。更に、電気伝導度のより大きなビスマステルル系のn型、p型半導体を用いることにより、電位8Aに対して、最大で31℃の温度降下が実現し、温度降下量は、8A迄は増加し続け、最大値までは到達しない実験結果も得られた。 The performance of the thermoelectric element created this time is shown in FIG. When Cu plate was used as the sample metal, there was a maximum temperature drop of 10.2 ° C. at 24 mA. When the current was increased, the temperature drop was becoming saturated with an increase in Joule heat, so an experiment was conducted at 15 mA. Furthermore, by using bismuth tellurium type n-type and p-type semiconductors with higher electrical conductivity, a maximum temperature drop of 31 ° C. is realized with respect to a potential of 8 A, and the temperature drop increases up to 8 A. Continuing, experimental results that did not reach the maximum were also obtained.
図3に電極として銅材を用い、Cu−Pt−Cu、Cu−Cu−Cu、Cu−Pb−Cuの組み合わせ、及びPt−Au−Ag、Ag−Au−Ptに対して15mAの電流を流した場合の温度分布を示す。(a)のCu−Pt−Cuの組み合わせでは、半導体内部に付いてみるとn型ではp型に比べ冷却効果が約4℃大きく、Cu電極と半導体間の接続部では発熱するが、Pt使用時における充分な冷却熱量によってそれらの部分に冷却効果が及ぶことがわかる。 In FIG. 3, a copper material is used as an electrode, and a current of 15 mA is applied to a combination of Cu—Pt—Cu, Cu—Cu—Cu, Cu—Pb—Cu, and Pt—Au—Ag, Ag—Au—Pt. Shows the temperature distribution. With the Cu—Pt—Cu combination in (a), the n-type has a cooling effect about 4 ° C. larger than that of the p-type, and generates heat at the connection between the Cu electrode and the semiconductor. It can be seen that a sufficient cooling heat amount at the time exerts a cooling effect on those portions.
次に図3(b)のCu−Cu−Cuの組み合わせでは、室温より約8℃低下する。また、両半導体自体の温度はほとんど変わりなく、室温より2℃程度低下する。またn型とp型とでは温度降下の差はあまり見られなかった。(c)のCu−Pb−Cuの組み合わせでは、両半導体の温度差を比較すると、p型の方が2℃程度冷却効果が大きいことがわかる。また、Cu電極板と半導体との接触部では、発熱がPt使用時と同様に調節される。更に、基準としてのCuの仕事関数に付いてみると、n型半導体は大きな仕事関数をもっているPt使用時より冷却効果が大きいと考えられる。また、Cuより小さな仕事関数をもつ導線を用いたときには、p型はより冷却効果が大きいことがわかる。また、Pt使用時には冷却効果は熱が発生すると思われる部分にも及び、n型半導体の全体を冷却可能となる。図3(d)(e)には発明者が更に実験を行った結果を示しており、(d)はPt−Au−Agの組み合わせ、(e)はAg−Au−Ptの組み合わせの実験結果を示し、これらにおいても先の組み合わせにおけるものと同様の効果を奏することがわかる。 Next, in the combination of Cu—Cu—Cu in FIG. 3B, the temperature is lowered by about 8 ° C. from room temperature. Moreover, the temperature of both semiconductors itself hardly changes, and is about 2 ° C. lower than room temperature. Further, there was not much difference in temperature drop between n-type and p-type. In the combination of Cu—Pb—Cu in (c), comparing the temperature difference between the two semiconductors, it can be seen that the p-type has a larger cooling effect by about 2 ° C. In addition, heat generation at the contact portion between the Cu electrode plate and the semiconductor is adjusted in the same manner as when Pt is used. Further, regarding the work function of Cu as a reference, it is considered that the n-type semiconductor has a larger cooling effect than when using Pt having a large work function. It can also be seen that the p-type has a greater cooling effect when a conducting wire having a work function smaller than that of Cu is used. Further, when Pt is used, the cooling effect extends to a portion where heat is considered to be generated, and the entire n-type semiconductor can be cooled. FIGS. 3D and 3E show the results of further experiments by the inventor. FIG. 3D shows the experimental results of the Pt—Au—Ag combination, and FIG. 3E shows the Ag—Au—Pt combination. These also show that the same effects as those in the previous combination can be obtained.
上記の冷却特性の差は図4に示す電子から見た電位図で説明することができる。それぞれ仕事関数はPt:5.65eV、Cu:4.65eV、Pb:4.25eVである。この仕事関数の差は、半導体と金属の接合部分におけるショットキー障壁の値に対応するものである。通電した場合、電子はp型で電子が上方向に移動するよりもn型の方が吸熱量が大きくなる。Cuの場合はp型、n型で移動量がほとんど同じなので吸熱量に差がない。Pbの場合は、p型の方がn型に比べて電位差が大きいので、吸熱量が大きくなると説明できる。 The difference in the above cooling characteristics can be explained by the potential diagram seen from the electrons shown in FIG. The work functions are Pt: 5.65 eV, Cu: 4.65 eV, and Pb: 4.25 eV, respectively. This work function difference corresponds to the value of the Schottky barrier at the junction between the semiconductor and the metal. When energized, electrons are p-type and the n-type has a larger endothermic amount than the electrons move upward. In the case of Cu, there is no difference in the amount of endotherm because the amount of movement is almost the same for p-type and n-type. In the case of Pb, since the potential difference is larger in the p-type than in the n-type, it can be explained that the endothermic amount increases.
この原理を使うと、Ptを使う場合のn型半導体近傍、また、Pbを使う場合のp型半導体近傍で、半導体部分が全体として冷却される現象が説明できる。また、n型半導体とp型半導体を接続する金属素材において、両半導体を接続する部分は任意の長さのリード線とすることができ、したがって冷却部分を任意の位置に容易に配置することができる。上記実験からも、PtとCuの場合n型半導体全体が冷却されており、片側の半導体全体を冷却できることが実証されている。 If this principle is used, the phenomenon that the semiconductor part is cooled as a whole in the vicinity of the n-type semiconductor when using Pt and the vicinity of the p-type semiconductor when using Pb can be explained. Further, in the metal material connecting the n-type semiconductor and the p-type semiconductor, the portion connecting the two semiconductors can be a lead wire having an arbitrary length, and therefore the cooling portion can be easily disposed at an arbitrary position. it can. The above experiment also demonstrates that the entire n-type semiconductor is cooled in the case of Pt and Cu, and the entire semiconductor on one side can be cooled.
また、図5に吸熱部側の半導体端部の冷却効果の時間特性を示す。図の勾配を使用し吸熱量を計算した。前記実験に用いた薄膜分離化熱電素子の吸熱量は、単位時間あたりの温度変化に、半導体の吸熱部分の質量と比熱を掛けたもので算出すると約16.5mWとなった。また、異種金属の仕事関数の差は最大でも1eV程度であり、半導体部分での電位差等を考えると、1eVに相当する1Vのオーダーの冷却が生じると推定できる。実験時の電流値は15mAであるから、仕事関数から期待できる吸熱量は15mW程である。これは今回の実験で得られた吸熱量と定量的によく一致し、本発明が理論通りに使用できることがわかる。同様に、5A印加時の場合、吸熱量は1W程度となった。 FIG. 5 shows the time characteristics of the cooling effect of the semiconductor end portion on the endothermic portion side. The endotherm was calculated using the gradient in the figure. The endothermic amount of the thin film separated thermoelectric element used in the experiment was about 16.5 mW when calculated by multiplying the temperature change per unit time by the mass of the endothermic portion of the semiconductor and the specific heat. Further, the difference in work function of different metals is about 1 eV at the maximum, and it can be estimated that cooling of the order of 1 V corresponding to 1 eV occurs in consideration of the potential difference in the semiconductor portion. Since the current value during the experiment is 15 mA, the endothermic amount that can be expected from the work function is about 15 mW. This agrees quantitatively well with the endothermic amount obtained in this experiment, indicating that the present invention can be used as theoretically. Similarly, when 5 A was applied, the endothermic amount was about 1 W.
この原理からわかるように、上記の例においては少なくともn型半導体とp型半導体に接合する金属として薄膜金属を用いた例を示しているが、薄膜金属に限らず任意の金属を用いることができ、また、各半導体間をリード線によって接続することもできる。また、各半導体の他端部に接合する電極として例えばn型半導体とp型半導体の端部に接合する金属を第1金属とし、n型半導体の他端部に接合する金属を第2金属、p型半導体の他端部に接合する金属を第3金属とするとき、これら第2金属及び第3金属に対して各々電極を接続し、これらの電極に正または負の電位を印可する構成にした場合にも同様の効果を生じることができる。このような構成の時、前記の例においては、第1金属としてPt、Cu、Pbを用いており、第2金属と第3金属としてCuを用いたこととなる。 As can be seen from this principle, the above example shows an example in which a thin film metal is used as a metal bonded to at least an n-type semiconductor and a p-type semiconductor. However, any metal can be used without being limited to a thin film metal. Also, the semiconductors can be connected by lead wires. In addition, as an electrode bonded to the other end of each semiconductor, for example, a metal bonded to the end of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor is a first metal, and a metal bonded to the other end of the n-type semiconductor is a second metal, When the metal bonded to the other end of the p-type semiconductor is a third metal, the electrodes are connected to the second metal and the third metal, respectively, and a positive or negative potential is applied to these electrodes. In this case, the same effect can be produced. In such a configuration, in the above example, Pt, Cu, and Pb are used as the first metal, and Cu is used as the second metal and the third metal.
この金属の組み合わせとしては、例えば図6(a)に示すように、前記第1金属としてAgを用い、第2金属としてPt、第3金属としてAgを用い、Cuのリード線で電源と接続して、Cu(正極)−Pt−n型半導体−Au−p型半導体−Ag−Cu(負極)の接続構成とし、或いは同図(b)に示すように第1金属としてCuを用い、第2金属としてPt、第3金属としてPbを用い、同様にCuのリード線で電源と接続して、Cu(正極)−Pt−n型半導体−Cu−p型半導体−Pb−Cu(負極)のような接続構成とし、仕事関数を連続的に低下させる方式が、冷却効果が大きいことがわかった。 As this metal combination, for example, as shown in FIG. 6A, Ag is used as the first metal, Pt is used as the second metal, Ag is used as the third metal, and a Cu lead wire is connected to the power source. Cu (positive electrode) -Pt-n type semiconductor-Au-p type semiconductor-Ag-Cu (negative electrode) connection structure, or Cu as the first metal as shown in FIG. Pt is used as the metal, Pb is used as the third metal, and similarly connected to the power source with a Cu lead wire, such as Cu (positive electrode) -Pt-n type semiconductor-Cu-p type semiconductor-Pb-Cu (negative electrode). It has been found that the cooling effect is large when the connection structure is made to be low and the work function is continuously reduced.
本発明による異種金属薄膜接続体による冷却方法及び装置は、エレクトロニクス素子として、例えば半導体レーザ素子の冷却に効果的に利用することができるが、エレクトロニクス素子の冷却に限らず、生・化学反応等のために用いるマイクロスケールの反応装置の冷却等の広範囲の分野に用いることができる。 The cooling method and apparatus using a dissimilar metal thin film connector according to the present invention can be effectively used as an electronic element, for example, for cooling a semiconductor laser element. Therefore, it can be used in a wide range of fields such as cooling of a microscale reactor used for the purpose.
本発明による冷却方法は上記のように構成したので、本発明者等による先に提案した技術と同様に、片側の半導体全体を冷却することができ、n型・p型の半導体を空間的に分離化することにより、冷却部分を空間的に独立させることができる。その際、両半導体の薄膜接合武官をリード線により結ぶこともでき、その自由度は更に大きくなる。そのため、半導体素子の局所高熱流速除去技術や強制対流熱伝達面の能動制御技術等への広範囲の応用が可能となる。特に、n型半導体とp型半導体を接続する金属素材において、両半導体を接続する部分は任意の長さのリード線とすることができ、したがって冷却部分を任意の位置に容易に配置することができる。 Since the cooling method according to the present invention is configured as described above, the entire semiconductor on one side can be cooled in the same manner as the technique previously proposed by the present inventors, and the n-type and p-type semiconductors can be spatially separated. By separating, the cooling part can be spatially independent. At that time, the thin film junction warriors of both semiconductors can be connected by lead wires, and the degree of freedom is further increased. Therefore, a wide range of applications such as local high heat flow rate removal technology of semiconductor elements and active control technology of forced convection heat transfer surfaces are possible. In particular, in a metal material that connects an n-type semiconductor and a p-type semiconductor, a portion connecting the two semiconductors can be a lead wire having an arbitrary length, and thus the cooling portion can be easily disposed at an arbitrary position. it can.
特に、仕事関数の異なる金属電極材料を選択し、電流の流す方向を任意に選択することにより、n型半導体及びp型の半導体のいずれかの部分で任意に冷却効果を生じさせることができるようになるため、より実際の装置への適用が容易となり、より効率的に各種部材を冷却をすることもできるようになる。 In particular, by selecting metal electrode materials having different work functions and arbitrarily selecting the direction of current flow, a cooling effect can be arbitrarily generated in any part of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor. Therefore, application to an actual apparatus becomes easier, and various members can be cooled more efficiently.
また、その冷却効果は金属の仕事関数の差を考えたモデルで計算された値に定量的にほぼ一致するため、各用途に対応した適切な冷却効果を設定し設計することができる。 In addition, since the cooling effect almost quantitatively matches the value calculated by the model considering the work function difference of the metal, an appropriate cooling effect corresponding to each application can be set and designed.
本発明による冷却装置は、金属薄膜を半導体を介して接続するのみで生じるペルチェ効果を利用して冷却作用を行うことができ、簡単な半導体製造技術を用いるのみで容易に製造することができ、極めて小型化することができるので極小の電子部材を初めとする各種部材の冷却装置としてコンパクトに、且つ容易に適用することができる。 The cooling device according to the present invention can perform a cooling action using the Peltier effect generated only by connecting a metal thin film through a semiconductor, and can be easily manufactured only by using a simple semiconductor manufacturing technique, Since it can be extremely miniaturized, it can be applied compactly and easily as a cooling device for various members including a very small electronic member.
特に本発明による冷却装置は、レーザー発信装置、半導体集積回路、コンピューター、反応器、熱交換器、工作機械、携帯電話機等に有効に組み込むことができる。 In particular, the cooling device according to the present invention can be effectively incorporated into a laser transmitter, a semiconductor integrated circuit, a computer, a reactor, a heat exchanger, a machine tool, a mobile phone, and the like.
[図1]本発明の実施例の基本構成における動作状態及び実験装置の概要を示す図である。
[図2]試料金属がCuの場合の模擬薄膜分離型熱電素子の性能図である。
[図3]本発明において各種金属素材を用いて温度分布を測定した結果を示す図である。
[図4]本発明について仕事関数を変えた熱電素子の電子電位図である。
[図5]電流値15mAのときの試料金属の最大温度降下を示すグラフである。
[図6]本発明の他の実施例を示す図である。
[図7]金属膜の端部を互いに線接続したときの表面電位分布を示す図である。
[図8]金属膜の端部を互いに重ね合わせて面接属したときの表面電位分布を示す図である。
[図9]本発明の実施例の基本構成と各種特性、及び冷却作用の原理を示す図である。
[図10]本発明による冷却装置の断面図であり、(a)は冷却装置の基本構成を示し、(b)はその冷却装置によりエレクトロニクス素子を冷却する状態を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an outline of an operating state and an experimental apparatus in a basic configuration of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a performance diagram of a simulated thin-film separation type thermoelectric element when the sample metal is Cu.
FIG. 3 is a diagram showing the results of measuring the temperature distribution using various metal materials in the present invention.
FIG. 4 is an electron potential diagram of a thermoelectric element in which the work function is changed according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the maximum temperature drop of the sample metal when the current value is 15 mA.
FIG. 6 is a diagram showing another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a surface potential distribution when end portions of a metal film are line-connected to each other.
FIG. 8 is a diagram showing a surface potential distribution when the end portions of the metal film are superposed on each other and are in contact with each other.
FIG. 9 is a diagram showing the basic configuration and various characteristics of the embodiment of the present invention and the principle of cooling action.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a cooling device according to the present invention, in which (a) shows a basic configuration of the cooling device and (b) shows a state in which an electronic element is cooled by the cooling device.
Claims (7)
前記金属は全て仕事関数の異なった種類の金属であり、正極である金属電極を最も仕事関数の大きな第2金属に接合し、次いでn型半導体を間に挟んで次に大きな仕事関数の金属である第1金属の端部に接合し、次いで前記第1金属の他端部にp型半導体を間に挟んで最も仕事関数の小さな金属である第3金属を接合し、前記第3金属に負電極である金属電極に接合し、
前記第2金属から前記n型半導体、前記第1金属、前記p型半導体及び前記第3金属を通して他方の電極に通電し、吸熱作用を行う接合部分により冷却作用を行うことを特徴とする熱電素子利用冷却方法。Ends of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are joined to both ends of the first metal so as to be spaced apart from each other, a second metal is attached to the other end of the n-type semiconductor, and a third is attached to the other end of the p-type semiconductor. Joining metal,
The metals are all kinds of metals having different work functions. The metal electrode as the positive electrode is joined to the second metal having the highest work function, and then the n-type semiconductor is sandwiched between the metals having the next highest work function. Joining to the end of a certain first metal, then joining the other end of the first metal to a third metal having the smallest work function with a p-type semiconductor in between, and Bonded to the metal electrode that is an electrode,
A thermoelectric element characterized in that the second metal is energized to the other electrode through the n-type semiconductor, the first metal, the p-type semiconductor and the third metal, and a cooling operation is performed by a joint portion that performs an endothermic operation. Use cooling method.
前記金属は全て仕事関数の異なった種類の金属であり、正極である金属電極を最も仕事関数の大きな第2金属に接合し、次いでn型半導体を間に挟んで次に大きな仕事関数の金属である第1金属の端部に接合し、次いで前記第1金属の他端部にp型半導体を間に挟んで最も仕事関数の小さな金属である第3金属を接合し、前記第3金属に負電極である金属電極に接合し、
前記第2金属から前記n型半導体、前記第1金属、前記p型半導体を通して前記第3金属に通電し、吸熱作用を行う接合部分により冷却を行うことを特徴とする熱電素子利用冷却装置。Ends of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are joined to both ends of the first metal so as to be spaced apart from each other, a second metal is attached to the other end of the n-type semiconductor, and a third is attached to the other end of the p-type semiconductor. It consists of a semiconductor isolation member formed by joining metals,
The metals are all kinds of metals having different work functions. The metal electrode as the positive electrode is joined to the second metal having the highest work function, and then the n-type semiconductor is sandwiched between the metals having the next highest work function. Joining to the end of a certain first metal, then joining the other end of the first metal to a third metal having the smallest work function with a p-type semiconductor in between, and Bonded to the metal electrode that is an electrode,
A thermoelectric element-based cooling device, wherein electricity is supplied from the second metal to the third metal through the n-type semiconductor, the first metal, and the p-type semiconductor, and cooling is performed by a joint portion that performs an endothermic action.
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