ES2372210A1 - Thermoelectric generation device, thermoelectric generator, and method for producing said thermoelectric generation device - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositivo de generación termoeléctrica, generador termoeléctrico y método de fabricación de dicho dispositivo de generación termoeléctrica.Thermoelectric generation device, thermoelectric generator and manufacturing method of said thermoelectric generation device.
La presente invención se refiere al campo de la microelectrónica y de los materiales, más concretamente al campo de la generación termoeléctrica mediante dispositivos integrables en silicio.The present invention relates to the field of microelectronics and materials, more specifically to the field of thermoelectric generation through integrable devices in silicon.
El objeto de la invención consiste en un dispositivo de pequeño tamaño e integrable en Si para la generación de energía eléctrica a partir de gradientes de temperatura, un generador que incluye varios de dichos dispositivos y el método de fabricación del dispositivo.The object of the invention consists of a Small and Si-integrated device for generation of electrical energy from temperature gradients, a generator that includes several such devices and the method of device manufacturing.
La dificultad en la miniaturización e integración mediante tecnología microelectrónica de generadores termoeléctricos radica principalmente en tres aspectos:The difficulty in miniaturization and integration through microelectronic generator technology Thermoelectric is mainly based on three aspects:
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- Pobres propiedades termoeléctricas de los materiales tradicionalmente empleados en la industria microelectrónica (silicio y germanio, básicamente).Poor thermoelectric properties of materials traditionally employees in the microelectronic industry (silicon and germanium, basically).
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- Dificultad para generar gradientes de temperatura, a escala micrométrica, conectables entre sí mediante un material termoeléctrico.Difficulty generating gradients of temperature, on a micrometric scale, connectable with each other through a thermoelectric material
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- Necesidad del uso de generadores termoeléctricos basados en dos materiales diferentes (tipo p y tipo n, conectados en paralelo térmicamente) debido a problemas de termalización y altas resistencias de contacto eléctrico.Need to use generators thermoelectric based on two different materials (type p and type n, connected in parallel thermally) due to problems of thermalization and high electrical contact resistance.
Actualmente no existe en el mercado ningún generador termoeléctrico, compatible con tecnología de silicio, basado en nanoestructuras tales como membranas nanométricas o nanohilos o simplemente capa delgada. Sí existen microgeneradores termoeléctricos integrables en silicio pero ofrecen bajo rendimiento y generadores basados en otros materiales pero no integrables en silicio (basados en telururos, bismutos, etc).There is currently no market in the market thermoelectric generator, compatible with silicon technology, based on nanostructures such as nanometric membranes or nanowires or simply thin layer. Yes there are microgenerators thermoelectric integrable in silicon but offer low performance and generators based on other materials but not integrable in silicon (based on tellurides, bismuths, etc.).
El objeto de la presente invención es un dispositivo, más concretamente un microdispositivo planar, de generación de electricidad a partir de gradientes térmicos, integrable en silicio y compatible con tecnología microelectrónica donde las diferencias térmicas se generen por la diferente inercia térmica de una pequeña masa de silicio suspendida en el aire y un marco de silicio perimetral en contacto térmico con el sustrato subyacente masivo de silicio en contacto a su vez con una fuente de calor. Asimismo se describe el procedimiento de fabricación dicho dispositivo.The object of the present invention is a device, more specifically a planar microdevice, of electricity generation from thermal gradients, integrable in silicon and compatible with microelectronic technology where thermal differences are generated by the different inertia thermal of a small mass of silicon suspended in the air and a perimeter silicon frame in thermal contact with the substrate massive underlying silicon in turn contact with a source of hot. The manufacturing process is also described. device.
La presente invención resuelve todos los problemas citados en el apartado anterior permitiendo la integración eficiente de generadores termoeléctricos en la industria microelectrónica. Las distintas soluciones a los diferentes problemas planteados se consigue respectivamente, mediante:The present invention resolves all problems cited in the previous section allowing integration Efficient thermoelectric generators in the industry microelectronics. The different solutions to the different Problems raised are achieved respectively, by:
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- Empleo de materiales típicos de la industria electrónica en escala nanométrica (nanohilos de silicio, capas delgadas de germanio o similar). La presente invención no se restringe a este tipo de materiales sino que se extiende a objetos de tamaño nanométrico de otros materiales (semiconductores, óxidos o cualquiera con buenas propiedades termoeléctricas en la nanoescala).job of typical electronic industry materials in scale nanometric (silicon nanowires, thin layers of germanium or Similary). The present invention is not restricted to this type of materials but extends to nano-sized objects of other materials (semiconductors, oxides or any with good thermoelectric properties in the nanoscale).
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- Empleo de estructuras de baja inercia térmica (membranas, masas suspendidas o similares) aisladas térmicamente de un marco masivo que permiten generar gradientes térmicos. Estos gradientes térmicos se utilizan para generar electricidad al conectar la estructura de baja inercia térmica y el marco masivo con un material termoeléctrico nanoestructurado. Esta configuración es planar lo que permite una mayor modularidad, integrabilidad y conectividad en serie o paralelo.job of structures with low thermal inertia (membranes, suspended masses or similar) thermally insulated from a massive frame that allow generate thermal gradients. These thermal gradients are used to generate electricity by connecting the low inertia structure thermal and massive frame with a thermoelectric material nanostructured This configuration is planar which allows a greater modularity, integrability and serial connectivity or parallel.
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- Empleo de conexiones eléctricas entre diferentes microgeneradores (parte fría unida a parte caliente) mediante estructuras de baja inercia térmica (vigas, puentes o similares) lo que evita termalización. Esta estrategia permite trabajar con un solo material termoeléctrico (tipo p o tipo n) simplificando el microgenerador. Además, el posible empleo del material con que se microfabrica la estructura como material termoeléctrico (ej. Silicio o germanio) permite reducir las resistencias de contacto.job of electrical connections between different microgenerators (part cold joined to hot part) by low inertia structures thermal (beams, bridges or similar) which prevents thermalization. This strategy allows to work with a single thermoelectric material (type p or type n) simplifying the microgenerator. In addition, the possible use of the material with which the structure is microfabricated as thermoelectric material (eg silicon or germanium) allows reduce contact resistance.
El dispositivo objeto de la invención presenta una gran variedad de aplicaciones industriales dado que es un dispositivo genérico de conversión de calor residual en energía eléctrica. Además, su carácter modular permite su conexión en serie y paralelo pudiéndose cubrir un amplio rango de potencias.The device object of the invention has a great variety of industrial applications since it is a generic device for converting waste heat to energy electric In addition, its modular nature allows its serial connection and parallel being able to cover a wide range of powers.
En concreto, dada la integrabilidad del dispositivo o de un generador formado por una matriz de dichos dispositivos objeto de la invención en microsistemas (MEMS), el objeto de la invención se hace especialmente útil en el campo de la alimentación de microsistemas para aplicaciones en inteligencia ambiental, seguridad, salud o alimentación. Su carácter pasivo, le permite usar calor residual de otros procesos para convertirlos en energía eléctrica, siendo pues un dispositivo generador basado en el denominado "harvesting" energético.Specifically, given the integrability of device or a generator formed by an array of said devices object of the invention in microsystems (MEMS), the object of the invention becomes especially useful in the field of microsystems feed for intelligence applications environmental, safety, health or food. Your passive character, you allows to use residual heat from other processes to convert them into electrical energy, being therefore a generating device based on the called energy harvesting.
El dispositivo objeto de la invención consiste esencialmente en un marco masivo rectangular en el interior de cual se encuentra suspendida una masa mediante una nanoestructura, que puede venir definida por una alta densidad de nanohilos, un mallado de nanohilos o una membrana nanométrica con o sin pistas nanométricas definidas en la membrana; todo ello definido sobre una capa de aislante eléctrico, que puede ser añadida o formar parte de la oblea sobre la cual se definen los elementos del dispositivo como en obleas SOI, con un hueco en su interior para evitar el contacto con la masa suspendida. Dichos elementos activos del dispositivo son compatibles con tecnología de silicio pero, a diferencia de los materiales empleados actualmente, presentan buenas propiedades termoeléctricas al utilizarse en forma de nanomateriales (nanohilos o capas delgadas) dando solución no sólo a los problemas anteriormente planteados sino que además confiere un buen rendimiento tanto de sistemas de generación termoeléctrica integrables y compatibles con tecnología de silicio como de sistemas termoeléctricos basados en un único material (en inglés "unileg thermoelectric generators") debido al buen aislamiento térmico entre las partes fría y caliente del sistema. Además de tener capacidad de integración en tecnología de silicio, tal y como se ha descrito anteriormente, el dispositivo objeto de la invención permite su uso como sistema de "harvesting" (pasivo) integrable en silicio con buen rendimiento y como sistema de alimentación para microsistemas.The device object of the invention consists of essentially in a massive rectangular frame inside which a mass is suspended by a nanostructure, which It can be defined by a high density of nanowires, a mesh of nanowires or a nanometric membrane with or without tracks nanometers defined in the membrane; all defined on a electrical insulating layer, which can be added or part of the wafer on which the device elements are defined as in SOI wafers, with a hole inside to avoid contact with the suspended mass. These active elements of the device are compatible with silicon technology but, unlike materials currently used, have good properties thermoelectric when used in the form of nanomaterials (nanowires or thin layers) giving solution not only to problems previously raised but also confers a good performance of both thermoelectric generation systems integrable and compatible with silicon technology and systems thermoelectric based on a single material (in English "unileg thermoelectric generators ") due to good thermal insulation between the cold and hot parts of the system. Besides having ability to integrate into silicon technology, as it has been described above, the device object of the invention allows its use as a system of "harvesting" (passive) integrable in silicon with good performance and as a feeding system for microsystems
De forma esquemática se puede resumir que los elementos fundamentales del dispositivo objeto de la invención patente son:Schematically it can be summarized that fundamental elements of the device object of the invention patent are:
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- Marco masivo de silicio u otro material susceptible de ser tratado mediante tecnología microelectrónica.Framework massive silicon or other material that can be treated by microelectronic technology.
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- Masa suspendida del mismo material, salvo por reducidos anclajes con la geometría necesaria para asegurar una alta resistencia al paso de calor.Mass suspended from the same material, except for reduced anchors with the necessary geometry to ensure high resistance to the passage of hot.
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- Unos conectores de material nanostructurado de buenas propiedades termoeléctricas que conectan el marco y masa suspendida en la casi totalidad del perímetro.Some Nanostructured material connectors of good properties thermoelectric that connect the frame and mass suspended in the almost entire perimeter.
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- Contactos eléctricos mediante material conductor eléctrico con baja resistividad y baja resistencia de contacto respectivamente sobre marco y la masa (y anclajes).Electrical contacts by material electric conductor with low resistivity and low resistance of contact respectively on frame and mass (and anchors)
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- Capa de aislante eléctrico sobre el que se soporta el microgenerador. En especial soporta transitoriamente la masa suspendida durante la fabricación del microgenerador.Cap of electrical insulator on which the microgenerator is supported. In special temporarily supports the suspended mass during the microgenerator manufacturing
Dichos elementos que conforman el dispositivo objeto de la invención se pueden replicar para formar una matriz de varios dispositivos conectados entre sí para formar un generador termoeléctrico de mayores prestaciones; mediante el interconexionado de varios dispositivos se consigue una mayor eficiencia en cuanto a voltaje e intensidad.These elements that make up the device object of the invention can be replicated to form a matrix of several devices connected to each other to form a generator thermoelectric of greater benefits; through interconnection several devices achieve greater efficiency in terms of voltage and intensity
La presente invención es de particular interés para la industria microelectrónica que posee las técnicas necesarias para la fabricación del microgenerador así como para una multitud de industrias aledañas que requieren dar autonomía a sistemas portátiles o microsistemas. Más allá, los microgeneradores de la presente invención pueden acoplarse a sistemas de refrigeración, sistemas con excedentes de calor o sistemas donde se den diferencias de temperatura de forma natural para cubrir necesidades de alimentación eléctrica.The present invention is of particular interest. for the microelectronic industry that has the necessary techniques for the manufacture of the microgenerator as well as for a multitude of nearby industries that require systems autonomy Laptops or microsystems. Beyond, the microgenerators of the The present invention can be coupled to refrigeration systems, systems with excess heat or systems where there are differences temperature naturally to meet the needs of electrical power supply.
De esta manera aplicaciones como algunas de las que se listan a continuación, y sus industrias fabricantes o usuarias, serían el objeto de este dispositivo microgenerador o de un generador formado por varios dispositivos microgeneradores:In this way applications like some of the listed below, and their manufacturing industries or users, would be the object of this microgenerating device or of A generator consisting of several microgenerator devices:
- Industria del frío, dada la diferencia de temperatura entre el canal de refrigeración y el exterior.- Cold industry, given the difference of temperature between the cooling channel and the outside.
- Industria de la automoción, dado el exceso de calor generado naturalmente en diferentes partes de todo tipo de vehículo (motor, ruedas, etc).- Automotive industry, given the excess of naturally generated heat in different parts of all kinds of vehicle (engine, wheels, etc).
- Industria aeronáutica, dada, por ejemplo, la diferencia de temperatura entre el interior y exterior de una cabina de avión.- Aviation industry, given, for example, the temperature difference between the inside and outside of a cabin of airplaine.
- Industria electrónica, dado el exceso de calor producido en circuitos impresos.- Electronic industry, given the excess heat Produced in printed circuits.
- Industria de la iluminación, dado el exceso de calor producido en la mayoría de sistemas de iluminación tales como bombillas o LEDs.- Lighting industry, given the excess of heat produced in most lighting systems such as light bulbs or LEDs.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to an example preferred practical implementation of it, is accompanied as integral part of that description, a set of drawings where with an illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:
Figura 1.- Muestra unas vistas en perspectiva, alzado y perfil, del dispositivo objeto de la invención.Figure 1.- Shows perspective views, elevation and profile of the device object of the invention.
Figura 2.- Muestra una vista en perspectiva de una matriz de varios dispositivos interconectados.Figure 2.- Shows a perspective view of an array of several interconnected devices.
Figura 3.- Muestra el proceso de fabricación del dispositivo objeto de la invención.Figure 3.- Shows the manufacturing process of the device object of the invention.
A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del dispositivo (1) objeto de esta invención.In view of the figures, a then a preferred embodiment of the device (1) object of this invention.
Este tipo de dispositivo (1) microgenerador termoeléctrico presenta una gran variedad de aplicaciones en diferentes sectores industriales. En general, allá donde se presenten excesos de calor residuales o derivados de otros procesos y se quiere mejorar la eficiencia energética del sistema.This type of device (1) microgenerator thermoelectric presents a great variety of applications in Different industrial sectors. In general, wherever have residual excess heat or derived from other processes and you want to improve the energy efficiency of the system.
En un esquema básico del dispositivo (1) objeto de la presente invención, que se representa en la figura 1, se realiza un aprovechamiento de un gradiente térmico generado entre un marco masivo (3) y una masa suspendida (4) térmicamente aislada de aquel, ambos constituidos a partir de una misma oblea de Si o tipo silicio sobre aislante (SOI). Para ello se somete a dicho gradiente unos conectores (5) que se encuentran definidos entre la masa suspendida (4) y el marco masivo (3) de material termoeléctrico nanostructurado para generar electricidad a partir de dicho gradiente térmico al que se encuentran sometidos los conectores (5).In a basic scheme of the device (1) object of the present invention, which is depicted in Figure 1, is takes advantage of a thermal gradient generated between a massive frame (3) and a thermally insulated suspended mass (4) of that, both constituted from the same wafer of Si or type silicon on insulator (SOI). For this, it is submitted to said gradient connectors (5) that are defined between the ground suspended (4) and massive frame (3) of thermoelectric material nanostructured to generate electricity from said thermal gradient to which the connectors are subjected (5).
Una conexión eléctrica de varios de estos dispositivos (1) mediante pistas de Si con capas de W o Pt sobre ellas que unen entre sí unos contactos eléctricos (6) que se encuentran respectivamente ubicados conectados al marco masivo (3) y a la masa suspendida (4), permite aumentar el voltaje y/o intensidad del sistema tal y como se observa en la figura 2, dando lugar a un generador termoeléctrico.An electrical connection of several of these devices (1) using Si tracks with W or Pt layers on they that join together some electrical contacts (6) that respectively located located connected to the massive framework (3) and to the suspended mass (4), it allows to increase the voltage and / or intensity of the system as seen in figure 2, giving rise to a thermoelectric generator
La masa suspendida (4) en el interior del marco masivo (3) y el propio marco masivo (3) son de un material base compatible con la industria microelectrónica y en formato oblea preferiblemente; además se requiere una capa aislante (2) de material aislante eléctrico de pequeño grosor (puesto que habitualmente también es material aislante térmico) sobre el que fabricar tanto la masa (4) como el marco masivo (3), tal como la capa de óxido en obleas de silicio tipo SOI (Silicon On Insulator). Para ello, y mediante procesos tales como micromecanizado por grabado húmedo o seco selectivo, se definen unos motivos necesarios para conseguir una estructura que responde a la masa suspendida (4) y el marco masivo (3), de baja inercia térmica en un material base, preferentemente silicio.The suspended mass (4) inside the frame massive (3) and the massive framework itself (3) are of a base material compatible with the microelectronic industry and in wafer format preferably; In addition, an insulating layer (2) of electrical insulating material of small thickness (since usually it is also thermal insulating material) on which manufacture both the mass (4) and the massive frame (3), such as the oxide layer in silicon wafers type SOI (Silicon On Insulator). For this, and through processes such as micromachining by wet or dry selective engraving, some necessary reasons are defined to achieve a structure that responds to the suspended mass (4) and the massive frame (3), of low thermal inertia in a base material, preferably silicon.
El material termoeléctrico nanostructurado de los conectores (5) sometido a gradiente térmico es de silicio nanostructurado en formas tales como nanohilos, capa delgada o material nano- o meso-poroso. En general, se pueden utilizar materiales con buenas propiedades termoeléctricas en la nanoescala y preferentemente compatibles con las técnicas típicas de la industria microelectrónica: típicamente semiconductores y óxidos metálicos. La fabricación del material nanostructurado así como su implementación varía según el material termoeléctrico concreto. Se trata de procesos tales como: el crecimiento VLS (Vapor-Líquido-Sólido) de nanohilos para el caso del silicio; el depósito PLD (Pulsed Laser Deposition) o CVD (Chemical Vapor Deposition) para capas de óxidos metálicos y semiconductores; la porosificación mediante HF para el caso de silicio poroso. También se pueden utilizar otros procesos de micromecanizado tales como corte láser o electropulido siempre y cuando el material base sea metálico.The nanostructured thermoelectric material of the connectors (5) subjected to thermal gradient is silicon nanostructured in shapes such as nanowires, thin layer or nano- or meso-porous material. In general, you can use materials with good thermoelectric properties in the nanoscale and preferably compatible with the typical techniques of The microelectronic industry: typically semiconductors and oxides metallic The manufacture of the nanostructured material as well as its implementation varies according to the specific thermoelectric material. Be It deals with processes such as: VLS growth (Steam-Liquid-Solid) of nanowires in the case of silicon; the PLD (Pulsed Laser Deposition) tank or CVD (Chemical Vapor Deposition) for layers of metal oxides and semiconductors; the porosification by HF in the case of porous silicon Other processes of micromachining such as laser cutting or electropolishing provided and when the base material is metallic.
En otra realización del objeto de la invención se realiza una interconexión de varios dispositivos (1) microgeneradores que se conectan entre sí mediante unas conexiones definidas por los contactos eléctricos (6) definidos respectivamente el marco masivo (3) y la masa suspendida (4) que colectan la corriente eléctrica generada en el dispositivo (1) para dar lugar a un generador. Dichos contactos eléctricos (6) son de materiales con baja resistencia de contacto eléctrico y térmico en relación al material termoeléctrico y buena conductividad eléctrica, en este ejemplo de realización y ya que se ha utilizado silicio se utilizan preferentemente materiales como W ó Pt para dichos contactos eléctricos (6).In another embodiment of the object of the invention an interconnection of several devices is carried out (1) microgenerators that connect to each other through connections defined by the electrical contacts (6) defined respectively the massive frame (3) and the suspended mass (4) that collect the electric current generated in the device (1) to give rise to a generator Said electrical contacts (6) are made of materials with low resistance of electrical and thermal contact in relation to thermoelectric material and good electrical conductivity, in this embodiment example and since silicon has been used they are used preferably materials such as W or Pt for said contacts electric (6).
Con el fin de evitar la termalización del generador al conectar con pistas metálicas diferentes dispositivos (1) microgeneradores, la conexión de diversos dispositivos se realiza mediante unas estructuras de alta resistencia térmica tales como vigas o puentes (tal y como se observa en la figura 2). Este tipo de estructura se fabrica a la par que se define el marco masivo (3) y la masa suspendida (4) y, preferentemente, con el mismo tipo de tecnología microelectrónica (grabados húmedo/seco, fotolitografía, etc).In order to avoid thermalization of the generator when connecting different devices with metal tracks (1) microgenerators, the connection of various devices is made by means of structures of high thermal resistance such as beams or bridges (as seen in figure 2). This type of structure is manufactured while defining the massive framework (3) and the suspended mass (4) and, preferably, with the same type of microelectronic technology (wet / dry engravings, photolithography, etc).
Claims (12)
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- obtener la masa suspendida (4) y el marco masivo (3) a partir de la oblea mediante procesos microelectrónicos,get the suspended mass (4) and the massive framework (3) from the wafer through processes microelectronics,
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- micromecanizar selectivamente la masa suspendida (4) y el marco masivo (3) para generar un gradiente térmico,selectively micromachining the dough suspended (4) and the massive frame (3) to generate a gradient thermal,
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- generar la nanoestructura que da lugar a los conectores (5) entre el marco masivo (3) y la masa suspendida (4) que queda sometido al gradiente térmico que la estructura generada en la fase anterior permite establecer, ygenerate the nanostructure that gives rise to the connectors (5) between the massive frame (3) and the suspended mass (4) that is subjected to the thermal gradient that the structure generated in the previous phase allows to establish, and
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- depositar los contactos eléctricos (6) al borde del marco masivo (3) y la masa suspendida (4) respectivamente para recolectar la corriente generada.deposit electrical contacts (6) at the edge of the massive frame (3) and the suspended mass (4) respectively to collect the generated current.
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| ES201030486A ES2372210B1 (en) | 2010-03-30 | 2010-03-30 | THERMOELECTRIC GENERATION DEVICE, THERMOELECTRIC GENERATOR AND MANUFACTURING METHOD OF SUCH THERMOELECTRIC GENERATION DEVICE. |
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