FR2951874A1

FR2951874A1 - Generateur thermoelectrique

Info

Publication number: FR2951874A1
Application number: FR0957493A
Authority: FR
Inventors: Thomas Skotnicki
Original assignee: STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Current assignee: STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2011-04-29
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: US8378558B2; US20110095655A1; FR2951874B1

Abstract

L'invention concerne un générateur thermoélectrique comprenant, entre des première (3) et seconde (13) parois délimitant un espace hermétiquement clos, une couche (7) en un matériau piézoélectrique reliée à des bornes de sortie (V , V ) ; une pluralité d'ouvertures (9) traversant la couche piézoélectrique et débouchant dans des première (17) et seconde (11) cavités voisines des première et seconde parois ; et dans l'espace clos (9, 11, 17), des gouttes d'un liquide (19), dans lequel la première paroi est adaptée à être en contact avec une source chaude de température supérieure à la température de vaporisation du liquide et la seconde paroi est adaptée à être en contact avec une source froide de température inférieure à la température de vaporisation du liquide.

Description

B9950 - 09-GR3-366 1 GÉNÉRATEUR THERMOÉLECTRIQUE

Domaine de l'invention La présente invention concerne un générateur thermoélectrique, c'est-à-dire un dispositif adapté à produire de l'électricité à partir d'une source de chaleur. Elle vise notamment l'exploitation de l'énergie thermique dégagée par certains équipements, par exemple une surface chaude d'une puce de circuit intégré, un pot d'échappement d'une voiture, un toit de maison, ou toute autre surface chaude. Exposé de l'art antérieur Dans certains dispositifs mobiles, par exemple des téléphones, des montres, ou des stimulateurs cardiaques, on a proposé d'utiliser des micro-générateurs piézoélectriques pour produire de l'électricité à partir des vibrations mécaniques résultant des mouvements de l'utilisateur. Ceci permet de recharger au moins partiellement les batteries du dispositif. Un inconvénient d'une telle solution est qu'elle ne peut pas être utilisée dans le cas d'un équipement fixe, par exemple un poste de télévision ou un ordinateur. On a également proposé des dispositifs adaptés à convertir directement de la chaleur en électricité via l'effet Seebeck. En effet, on a observé qu'il apparaît une différence de potentiel à la jonction de deux matériaux conducteurs soumis à B9950 - 09-GR3-366

2 une différence de température. Toutefois, de tels dispositifs ont un rendement très faible. Dans la pratique, l'utilisation de l'effet Seebeck se limite principalement à des applications de mesure de température.

On a par ailleurs proposé des générateurs thermoélectriques à micro-turbine, comprenant par exemple des turbines de l'ordre de 4 mm de diamètre et adaptés à être intégrés dans des composants électroniques. Toutefois, ces dispositifs sont coûteux car ils comprennent des parties mécaniques rotatives difficiles à réaliser. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un générateur thermoélectrique palliant au moins certains des inconvénients des solutions de l'art antérieur. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel générateur facile à réaliser. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel générateur facile à intégrer dans des équipements classiques. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un générateur thermoélectrique comprenant, entre des première et seconde parois délimitant un espace hermétiquement clos, une couche en un matériau piézoélectrique reliée à des bornes de sortie; une pluralité d'ouvertures traversant la couche piézoélectrique et débouchant dans des première et seconde cavités voisines des première et seconde parois ; et dans l'espace clos, des gouttes d'un liquide, dans lequel la première paroi est adaptée à être en contact avec une source chaude de température supérieure à la température de vaporisation du liquide et la seconde paroi est adaptée à être en contact avec une source froide de température inférieure à la température de vaporisation du liquide.

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3 Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'espace clos est à une pression différente de la pression atmosphérique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 le liquide comprend de l'eau. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le liquide comprend un alcool. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une première couche diélectrique est intercalée entre la couche 10 piézoélectrique et la première cavité et une seconde couche diélectrique est intercalée entre la couche piézoélectrique et la seconde cavité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les ouvertures sont des trous traversants d'un diamètre de 15 100 nm à 1 µm. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le générateur est adapté à être monté sur une puce de circuit intégré. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 20 le générateur est formé dans un radiateur adapté à être monté sur une puce de circuit intégré. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le générateur est adapté à être monté sur une surface chaude d'une voiture, par exemple un pot d'échappement. 25 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le générateur est adapté à être monté dans un chargeur de batterie. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que 30 d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures 1A à 1C sont des vues en coupe schéma-tiques illustrant un mode de réalisation d'un générateur 35 thermoélectrique et son principe de fonctionnement.

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4 Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle.

Un aspect d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un dispositif adapté à : convertir de l'énergie thermique en énergie mécanique à l'aide d'un liquide se vaporisant brusquement lorsqu'il entre en contact avec une surface chaude, créant ainsi une surpression localisée ; et convertir cette surpression en énergie électrique à l'aide d'un élément piézoélectrique. Les figures 1A à 1C sont des vues en coupe schéma-tiques illustrant un mode de réalisation d'un générateur 15 thermoélectrique et son principe de fonctionnement. Dans cet exemple, le générateur thermoélectrique est formé à la surface d'une puce de circuit intégré formée dans et sur un substrat semiconducteur 1, et comprenant, à la surface du substrat, un empilement 3 de couches conductrices d'inter- 20 connexion et de couches isolantes. En fonctionnement, la puce de circuit intégré dégage de la chaleur, et sa surface supérieure atteint par exemple une température comprise entre 60 à 125°C. Le générateur thermoélectrique comprend, au dessus d'une paroi chaude horizontale formée par la face supérieure 3 25 de la puce de circuit intégré, un empilement d'une couche diélectrique inférieure 5a, d'une couche piézoélectrique métallisée 7, et d'une couche diélectrique supérieure 5b. L'empilement des couches 5a, 7, et 5b est traversé par un réseau d'ouvertures verticales 9, par exemple des trous traversants à section circu- 30 faire de faible diamètre. A titre d'exemple, les couches diélectriques 5a et 5b pourront avoir une épaisseur comprise entre 1 et 50 µm, par exemple de l'ordre de 20 µm, la couche piézoélectrique pourra avoir une épaisseur comprise entre 0,1 et 30 µm, par exemple de l'ordre de 1 µm, et les trous traversants 35 pourront avoir un diamètre compris entre 0,1 et 1 µm.

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Une cavité supérieure 11, par exemple de hauteur sensiblement égale au diamètre des trous 9, relie entre eux, par leur partie haute, les trous 9. L'ensemble formé par les couches 5a, 7, 5b et la cavité 11 est recouvert par un couvercle 13 5 fermant hermétiquement la cavité 11 et formant une paroi froide du générateur. Le couvercle 13 pourra par exemple se prolonger par des ailettes (non représentées), la structure décrite ci-dessus correspondant alors à la partie basse d'un radiateur adapté à être monté sur une puce de circuit intégré.

Du côté chaud, il est prévu une bague hermétique 15 intercalée entre la couche diélectrique 5a et la paroi chaude. La bague 15 délimite une cavité inférieure 17 reliant entre eux, par leur partie basse, les trous traversants 9. La hauteur de la cavité 17 pourra être sensiblement égale au diamètre des trous 9. Dans l'espace formé par les ouvertures 9 et les cavités 11 et 17, on introduit, avant scellement, un liquide 19. Le liquide 19 est choisi de façon que sa température d'ébullition soit inférieure à la température de la paroi chaude 3 (en fonctionnement), et supérieure à la température de la paroi froide 13 (en fonctionnement). A titre d'exemple, on pourra utiliser de l'éthanol ou du méthanol, dont les températures d'ébullition sont respective-ment de l'ordre de 78 °C et 65 °C à la pression atmosphérique.

On pourra également utiliser de l'eau ou tout autre liquide et mettre l'espace hermétiquement fermé formé par les cavités et les ouvertures à une pression choisie pour obtenir la température d'ébullition souhaitée. Comme l'illustre la figure 1A, lorsqu'une goutte du liquide 19 descend le long d'une ouverture 9 et atteint la surface chaude 3, elle passe brutalement de l'état liquide à l'état gazeux. Ce changement d'état rapide génère localement une forte surpression et de fortes contraintes mécaniques sur la partie basse du matériau délimitant l'ouverture 9. Ces contraintes sont notamment liées aux faibles dimensions des B9950 - 09-GR3-366

6 ouvertures 9 et à la faible hauteur de la cavité 17. La force d'un tel phénomène d'ébullition rapide dans un espace confiné se conçoit bien lorsqu'on observe l'effet de soulèvement que provoque la présence de gouttelettes d'eau entre une casserole et une plaque de cuisson électrique allumée. Ces contraintes mécaniques sont transmises à la couche piézoélectrique 7 qui les transforme en un signal électrique. On pourra former, sur les faces inférieure et supérieure de la couche 7, des électrodes métalliques (non représentées), reliées à des bornes de sorties V+ et V_. Après l'étape de vaporisation rapide, la vapeur vient se condenser du côté de la paroi froide 13. Il se forme donc sur cette paroi, comme l'illustre la figure 1B, une accumulation de liquide 19. Quand la masse de liquide 19 augmente, des gouttes 20 retombent dans des ouvertures 9 vers la paroi chaude. La figure 1C illustre à nouveau le phénomène d'ébullition/vaporisation brutale d'une goutte tombée sur la paroi chaude 3, et les contraintes mécaniques qui en résultent. Dans la pratique, en raison du grand nombre de trous 9, le phénomène de chute des gouttes et de vaporisation rapide, est un phénomène presque régulier. A titre d'exemple, si on considère un générateur thermoélectrique monté sur une puce carrée de 1 cm de côté, on pourra prévoir un espacement de 10 µm entre deux trous, soit un total de l'ordre de 106 trous répartis sur la surface de la puce. Selon un avantage du mode de réalisation proposé, le phénomène d'évaporation du liquide peut permettre un bien meilleur refroidissement de la paroi chaude (par exemple une puce de circuit intégré) qu'avec un radiateur classique.

A titre d'exemple, le générateur thermoélectrique décrit ci-dessus pourra être formé à partir de la face inférieure plane d'un radiateur adapté à être monté sur une puce de circuit intégré. Dans ce cas, pour réaliser le générateur, le radiateur sera retourné. Le procédé de réalisation pourra comprendre les étapes suivantes : B9950 - 09-GR3-366

7 déposer la couche thermiquement conductrice 13, par exemple une couche métallique, sur la face inférieure du radiateur, cette couche métallique comprenant un évidement pour former la cavité 11 ; déposer, dans l'évidement, une couche sacrificielle, par exemple d'épaisseur comprise entre 100 nm et 1 µm ; former par dépôts successifs un empilement d'une couche diélectrique 5b, d'une couche d'électrode mince, d'une couche piézoélectrique 7, d'une couche d'électrode mince, et d'une couche diélectrique 5a ; percer les ouvertures verticales 9 traversant l'empilement de couches ainsi formé et atteignant la couche sacrificielle, par exemple selon un procédé de gravure anisotrope profonde ; et éliminer la couche sacrificielle de façon à former la cavité 11, par exemple selon un procédé de gravure isotrope par plasma ou de gravure chimique. La structure ainsi formée pourra être reportée, avec le radiateur auquel elle est associée, sur la puce de circuit intégré, pour former le générateur thermoélectrique. La formation de la cavité étanche 17 est assurée par une bague hermétique 15. Lors de cet assemblage, on introduit des gouttes du liquide 19 dans l'espace laissé libre par les cavités 11 et 17 et les ouvertures 9. On pourra également prévoir, lors de cet assemblage, de mettre cet espace libre à une pression adaptée pour ajuster la température d'ébullition du liquide 19. Selon une variante de réalisation non représentée, on pourra prévoir de former le générateur thermoélectrique à partir de la surface supérieure d'une puce de circuit intégré. A titre d'exemple, on pourra pour cela utiliser un ensemble de procédés, couramment désignés dans la technique par les termes anglais "Above IC", permettant d'intégrer des éléments, par exemples des filtres RF, directement à la surface de la couche supérieure d'isolation (couche de passivation) d'une puce de circuit intégré. Dans ce cas, la bague hermétique 15, au lieu d'être B9950 - 09-GR3-366

8 prévue entre la partie inférieure du générateur et la puce de circuit intégré, sera prévue entre la partie supérieure du générateur et la surface froide, par exemple le boîtier de la puce.

Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on a décrit un générateur thermoélectrique dans lequel une couche piézoélectrique permet de convertir en énergie électrique des contraintes mécaniques provoquées par l'ébullition brutale d'un liquide dans un espace confiné. L'homme de l'art saura prévoir toute autre disposition du matériau piézoélectrique. A titre d'exemple, on pourra prévoir une pluralité de couches piézoélectriques fines super- posées, des électrodes minces reliées alternativement aux bornes de sortie V+ et V_ séparant les couches piézoélectriques. On a également proposé la prévision de couches diélectriques s'intercalant de chaque côté de la couche piézoélectrique, entre la couche piézoélectrique et les cavités infé- rieure et supérieure de la structure. Ces couches ont notamment pour rôle d'isoler la couche piézoélectrique de la structure du générateur. Toutefois, ces couches sont optionnelles. Par ailleurs, on a mentionné ci-dessus l'utilisation de trous traversants verticaux à section cylindrique pour faire circuler un liquide entre la paroi chaude et la paroi froide du générateur. On pourra prévoir toute autre disposition et/ou toute autre forme des ouvertures reliant les parois chaude et froide du générateur. De plus, la présente invention ne se limite à l'utili- sation d'une puce de circuit intégré comme source de chaleur pour faire fonctionner le générateur thermoélectrique. A titre d'exemple, le générateur pourra être monté dans un boîtier comportant une paroi chaude et une paroi froide, la paroi chaude étant adaptée à venir en contact avec une surface chaude telle qu'une paroi métallique d'un pot d'échappement de voiture, un B9950 - 09-GR3-366

9 dispositif de freinage d'un véhicule, le toit d'une maison, ou toute autre source de chaleur. Le générateur pourra par exemple être monté dans un chargeur de batterie adapté à recharger des batteries à partir d'une source de chaleur.

En outre, la présente invention ne se limite pas au procédé de réalisation mentionné ci-dessus à titre d'exemple, ni aux dimensions proposées ci-dessus. Le générateur thermoélectrique pourra notamment avoir des dimensions bien plus importantes, par exemple de l'ordre de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres de côté, mais aussi des dimensions inférieures, par exemple de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. De même, on a mentionné, en relation avec les figures 1A à 1C, la prévision de cavités 11 et 17 de hauteur sensi- blement égale au diamètre des ouvertures verticales traversant la couche piézoélectrique. On pourra également prévoir des cavités 11 et 17 de hauteur nettement supérieure au diamètre des trous.

Claims

REVENDICATIONS1. Générateur thermoélectrique comprenant : entre des première (3) et seconde (13) parois délimitant un espace hermétiquement clos, une couche (7) en un matériau piézoélectrique reliée à des bornes de sortie (V+, V_); une pluralité d'ouvertures (9) traversant la couche piézoélectrique et débouchant dans des première (17) et seconde (11) cavités voisines des première et seconde parois ; et dans ledit espace clos (9, 11, 17), des gouttes d'un liquide (19), dans lequel la première paroi est adaptée à être en contact avec une source chaude de température supérieure à la température de vaporisation du liquide et la seconde paroi est adaptée à être en contact avec une source froide de température inférieure à la température de vaporisation du liquide. 15
2. Générateur selon la revendication 1, dans lequel ledit espace clos est à une pression différente de la pression atmosphérique.
3. Générateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le liquide comprend de l'eau. 20
4. Générateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le liquide comprend un alcool.
5. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel une première couche diélectrique (5a) est intercalée entre la couche piézoélectrique et la première 25 cavité (17) et une seconde couche diélectrique (5b) est intercalée entre la couche piézoélectrique (5b) et la seconde cavité (11).
6. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel lesdites ouvertures sont des trous 30 traversants d'un diamètre de 100 nm à 1 µm.
7. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, adapté à être monté sur une puce de circuit intégré. 10B9950 - 09-GR3-366 11
8. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, formé dans un radiateur adapté à être monté sur une puce de circuit intégré.
9. Générateur selon l'une quelconque des revendica-5 tions 1 à 6, adapté à être monté sur une surface chaude d'une voiture, par exemple un pot d'échappement.
10. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, adapté à être monté dans un chargeur de batterie.