FR2955708A1 - Microgenerateur de tension utilisant la chaleur latente de changement de phase d'un liquide - Google Patents

Abstract

Le microgénérateur (1) de tension électrique est conçu pour fonctionner en utilisant la chaleur latente de changement de phase d'un liquide (G). Il comporte une thermopile planaire (110) comprenant une pluralité de thermojonctions chaudes (Tc) et de thermojonctions froides (Tf), positionnées dans un même plan, et un revêtement de surface (10) thermiquement conducteur, ledit revêtement (10) comportant au moins une zone hydrophile (PHI) qui recouvre uniquement une ou plusieurs thermojonctions chaudes (Tc), et au moins une zone hydrophobe (PHO) qui est contigüe à ladite zone hydrophile et qui ne recouvre pas ladite ou lesdites thermojonctions chaudes (Tc).

Description

MICROGENERATEUR DE TENSION UTILISANT LA CHALEUR LATENTE DE CHANGEMENT DE PHASE D'UN LIQUIDE

Domaine technique La présente invention concerne un microgénérateur de tension électrique mettant en oeuvre une thermopile planaire et utilisant la chaleur latente de changement de phase (évaporation, condensation, givrage, fusion) d'un liquide pour générer une tension électrique aux bornes de la thermopile. De manière non limitative et non exhaustive de l'invention, ce 1 o microgénérateur peut par exemple être utilisé pour générer une tension électrique, sans énergie électrique d'alimentation, et à partir uniquement de la chaleur d'évaporation de gouttes d'eau ; dans ce cas il peut avantageusement être utilisé pour alimenter électriquement et de manière autonome à partir de gouttes d'eau (gouttes de rosée, gouttes d'eau de 15 pluie,...) tout dispositif nécessitant une énergie électrique, et par exemple une lampe d'éclairage extérieure. Le microgénérateur de tension de l'invention peut également être utilisé comme détecteur d'humidité ou de givrage, ou être intégré dans un dispositif permettant de caractériser un fluide, et notamment un liquide. 20 Art antérieur Thermopile Une thermopile comprend de manière usuelle une pluralité de thermocouples successifs connectés en série, chaque thermocouple étant constitué par deux thermoéléments présentant des propriétés 25 thermoélectriques différentes. La jonction entre deux thermoéléments constitutifs d'un thermocouple est appelée « thermojonction ». Une thermopile a pour fonction de convertir les gradients de températures créés entre ses thermojonctions chaudes et ses thermojonctions froides en un signal électrique à ses bornes, dont l'origine est l'effet thermoélectrique 30 Seebeck. La tension électrique aux bornes de la thermopile est proportionnelle au nombre de thermocouples associés en série et au gradient global de température généré. Il existe différentes typologies de thermojonctions pour une thermopile. Les thermojonctions chaudes et les thermojonctions froides d'une thermopile peuvent être situées dans un même plan, la thermopile étant dite « planaire », ou être positionnées dans des plans différents (plan des thermojonctions chaudes et plan des thermojonctions froides). Dans le cas d'une thermopile planaire, les thermojonctions chaudes et les thermojonctions froides peuvent être regroupées typologiquement en deux groupes distincts (groupe des thermojonctions chaudes et groupe des thermojonctions froides) ou au contraire être distribuées en alternance dans même plan. Les thermopiles sont couramment utilisées comme générateur de tension électrique dans des microcapteurs thermiques, qui sont communément désignés microfluxmètres thermiques et qui permettent la mesure de flux thermiques. Des exemples de microfluxmètres mettant en oeuvre une thermopile planaire à thermojonctions distribuées sur un substrat en matériau conducteur, de préférence de type silicium, sont décrits dans la demande de brevet français FR 2 781 931 et dans la demande de brevet européen EP 1 767 913. Dans la demande de brevet français FR 2 781 931, dans le but de réaliser localement au niveau d'une thermojonction une déviation et constriction des lignes de flux thermique, on réalise dans le substrat silicium au droit de ladite thermojonction, une zone de discontinuité thermique de plus faible conductivité thermique. Plus particulièrement chaque zone de discontinuité thermique est réalisée sous la forme d'une cavité vide creusée dans l'épaisseur du substrat. Lorsque le microcapteur est un capteur de flux thermique total, on réalise dans le substrat une cavité au droit uniquement des thermojonctions chaudes. En revanche, lorsque microcapteur est un capteur de rayonnement (par exemple capteur de rayonnement infrarouge), on réalise dans le substrat une cavité au droit de chaque thermojonction.

L'effet de déviation et de constriction des lignes de flux thermique, qui est obtenu au moyen des cavités creusées dans le substrat, permet avantageusement de réaliser un microcapteur comportant un substrat de type silicium, thermiquement conducteur, tout en obtenant une bonne sensibilité de mesure. La constriction dans le substrat conducteur des lignes de flux thermique permet en effet de maintenir un gradient de température entre les thermojonctions malgré la conductivité thermique du substrat. Dans les microfluxmètres décrits dans la demande de brevet européen EP 1 767 913, les cavités vides du substrat silicium sont remplacées par des caissons poreux, dans le but notamment d'améliorer la résistance en température et/ou la robustesse mécanique des microfluxmètres. Génération d'une tension électrique à partir de la chaleur latente d'évaporation d'un liquide On a déjà proposé une méthode de mesure, au moyen de microfluxmètres, de la chaleur latente d'évaporation d'un liquide imprégné dans un matériau textile, tel que du coton. On peut sur ce sujet se référer notamment à l'article scientifique suivant : « Direct Measurement of the Latent Heat of Evaporation by Flowmetric 20 Method », Pascale Godts, Daniel Dupont, Didier Leclercq, IEEE Vol 54, No 6, Décembre 2005 On a également déjà proposé à ce jour une méthode de mesure de la chaleur latente d'évaporation de gouttes d'un liquide à température ambiante, au moyen d'un fluxmètre thermique. L'évaporation à température 25 ambiante des gouttes de liquide permet de générer une tension électrique aux bornes de la thermopile du microfluxmètre, et cette tension électrique peut être utilisée pour caractériser ou pour identifier le liquide à partir de son coefficient de chaleur latente et de l'amplitude du flux d'évaporation mesuré ou plus simplement pour détecter la présence de liquide. On peut sur ce 30 sujet se référer notamment à l'article scientifique suivant : « Mesure de chaleur latente d'évaporation de gouttelettes » GODTS P., HAFFAR M., YALA M., ZIOUCHE K., LECLERCQ D ; Actes du Congrès de la Société Française de Thermique, SFT 2007, les Embiez, France, 29 mai-1 er juin, 2007, 885-890. Dans le brevet US 5 554 819, il est proposé un générateur de tension, utilisant la chaleur latente d'évaporation d'un liquide, tel que par exemple de l'eau provenant de l'humidité de l'air ambiant, et mettant en oeuvre une thermopile dont les thermojonctions chaudes d'une part et les thermojonctions froides d'autre part sont dans deux plans distincts. Dans cette réalisation, l'humidité est drainée par une couche de matériau 1 o absorbant au contact de la thermopile. Un générateur de tension autonome utilisant uniquement l'évaporation ou la condensation d'un liquide, notamment à température ambiante, pour générer une tension électrique est particulièrement avantageux d'un point de vue énergétique et écologique. Il peut par exemple 15 trouver de nombreuses applications en étant utilisé pour alimenter électriquement et de manière autonome à partir de gouttes d'eau (gouttes de rosée, gouttes d'eau de pluie, fuite d'eau...) tout dispositif nécessitant une énergie électrique, et par exemple une lampe d'éclairage extérieure, un capteur ou détecteur d'humidité, un détecteur de fuite, ... 20 Objectif de l'invention L'invention a pour objectif général de proposer un nouveau microgénérateur de tension électrique qui comporte une thermopile, qui est conçu pour fonctionner en utilisant la chaleur latente de changement de phase d'un liquide (évaporation, condensation, solidification, fusion). 25 Résumé de l'invention L'invention a ainsi pour objet un microgénérateur de tension électrique qui est conçu pour fonctionner en utilisant la chaleur latente de changement de phase d'un liquide, et qui comporte une thermopile planaire comprenant une pluralité de thermojonctions chaudes et de 30 thermojonctions froides, positionnées dans un même plan, et un revêtement de surface thermiquement conducteur, ledit revêtement comportant au moins une zone hydrophile qui recouvre uniquement une ou plusieurs thermojonctions chaudes, et au moins une zone hydrophobe qui est contigüe à ladite zone hydrophile et qui ne recouvre pas ladite ou lesdites thermojonctions chaudes.

Tel que cela apparaitra plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après, lorsqu'un faible volume de liquide est posé au contact du revêtement hydrophobe/hydrophile précité du microgénérateur de l'invention, ce volume de liquide est automatiquement déplacé et amené, par ledit revêtement hydrophobe/hydrophile, au dessus des thermojonctions 1 o chaudes de la thermopile, ce qui permet d'améliorer le fonctionnement du microgénérateur pour un même volume de liquide utilisé. Plus particulièrement, le revêtement (Hydrophobe/Hydrophile) est de préférence conçu pour fractionner un volume de liquide amené au contact dudit revêtement en une pluralité de gouttelettes localisées au droit 15 des thermojonctions chaudes. Chaque gouttelette en s'évaporant ou en se condensant induit localement une variation de température au niveau de la thermojonction chaude correspondante. En conséquence la thermopile génère une force électromotrice (f.e.m) globale qui est égale à la somme des f.e.m de chaque thermocouple, et qui est proportionnelle au nombre de 20 gouttelettes. Ce fractionnement en gouttelettes par le revêtement hydrophobe/hydrophile permet avantageusement d'augmenter de manière importante la surface d'évaporation ou de condensation et d'améliorer la puissance du microgénérateur. Dans une variante particulière de réalisation, les thermojonctions 25 de la thermopile sont distribuées avec en alternance une thermojonction froide et une thermojonction chaude, ce qui permet avantageusement d'obtenir une meilleure densité de thermojonctions (nombre de thermojonctions /mm2), et contribue à améliorer le rendement du microgénérateur. 30 De manière optionnelle et non limitative de l'invention, le microgénérateur peut également présenter les caractéristiques additionnelles suivantes : - La thermopile planaire est déposée sur une couche électriquement isolante portée par un substrat dans un matériau thermiquement conducteur, ledit substrat comportant une ou plusieurs zones de discontinuité thermique de plus faible conductivité thermique que ledit matériau, chaque zone de discontinuité thermique étant positionnée au droit uniquement des thermojonctions chaudes. - Ladite ou lesdites zones de discontinuité thermique peuvent être des cavités creusées dans le substrat. - Ladite ou lesdites zones de discontinuité thermique peuvent être des caissons poreux réalisés dans le substrat. - Dans une variante, le microgénérateur comporte dans le ledit substrat une pluralité de zones de discontinuité thermique positionnées chacune au droit d'une seule thermojonction chaude. - Chaque zone hydrophile est localisée uniquement au droit d'une zone de discontinuité thermique et ne s'étend pas jusqu'aux bords de cette zone de discontinuité thermique. - Dans une variante, le microgénérateur comporte un ou plusieurs alignements de thermojonctions chaudes et chaque zone hydrophile est sensiblement centrée sur un alignement de thermojonctions chaudes. - De préférence, chaque zone hydrophile est entourée sur toute sa périphérie par une zone hydrophobe contigüe à la zone hydrophile. - l'angle statique 8 correspondant à chaque zone hydrophobe est de préférence supérieur à 90° et plus préférentiellement encore supérieur à 120°. - L'hystérésis t8 de chaque zone hydrophobe est de préférence sensiblement égale à zéro. - Le revêtement de surface peut être en polyimide. - Le matériau du substrat est de préférence du silicium. - Les zones hydrophobes sont obtenues par fluoration de la surface de contact du revêtement, et plus particulièrement gravure plasma de gaz fluoré. - Les zones hydrophiles sont obtenues par oxydation de la surface de contact du revêtement, et plus particulièrement par gravure plasma oxygène. - la surface de contact du revêtement présente une double rugosité microscopique et nanométrique. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et/ou avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après de plusieurs variantes préférées de réalisation d'un microcapteur de l'invention. Cette description détaillée est donnée à titre d'exemple non limitatif et non exhaustif de l'invention, et en référence aux dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 est une représentation en perspective d'un microgénérateur réalisé conformément à une première variante de réalisation de l'invention, - La figure 2 est une vue en coupe transversale du microgénérateur de la figure 1 dans le plan de coupe II-II. - La figure 3A est une représentation schématique, en vue de dessus, du microgénérateur de la figure 1. - La figure 3B est une représentation schématique en vue de dessus d'un microgénérateur de l'invention, réalisé conformément à une autre variante de réalisation dans laquelle les zones hydrophobes forment des bandes. - La figure 4 montre une goutte de liquide sur une surface hydrophile. - La figure 5 montre une goutte de liquide sur une surface hydrophobe. - La figure 6 est un schéma illustrant le principe de mesure de l'hystérésis d'une surface. - La figure 7 montre deux photographies prises au microscope montrant la double rugosité (microscopique et nanométrique) d'une surface de contact adaptée pour la mise en oeuvre de l'invention. - La figure 8 représente schématiquement une goutte de liquide à cheval sur une surface hydrophobe (A) et sur une surface hydrophile (B) adjacente - La figure 9 représente schématiquement un exemple préféré de positionnement d'une gouttelette G sur une zone hydrophile du revêtement du microgénérateur de l'invention - La figure 10 représente schématiquement un exemple de mauvais positionnement d'une gouttelette G sur une zone hydrophile du revêtement du microgénérateur de l'invention. - Les figures 11 à 13 sont des représentations en vue de dessus, respectivement de trois autres variantes de réalisation d'un microgénérateur de l'invention.

Description détaillée En référence à la variante de réalisation des figures 1 à 3, le microgénérateur 1 de l'invention comporte une structure plate de faible épaisseur composée essentiellement de trois parties fonctionnelles 20 superposées : - une couche supérieure 10 destinée à être au contact d'un volume de liquide et permettant dans cette variante de réalisation le fractionnement dudit liquide sous forme de gouttelettes G, - une paroi inférieure 12 formant un substrat de référence à fonction de puits 25 thermique, qui est le siège des transferts thermiques, - une paroi 11 détectrice du flux thermique qui constitue une thermopile planaire 110 à thermojonctions (Tf, Tc) distribuées déposées à la surface d'une couche 111 de matériau formant un isolant électrique [par exemple SiO2 +SiXNy] ; cette paroi 11 détectrice est interposée entre les deux parois 30 10 et 12. La couche 10 est un revêtement de surface appliqué sur la thermopile planaire 110 et réalisé dans matériau qui est thermiquement conducteur et qui forme un isolant électrique. La couche 10 est par exemple un film de polyimide. L'invention n'est toutefois pas limitée à l'utilisation du polyimide pour réaliser la couche 10, celle-ci pouvant de manière non limitative et non exhaustive être également constituée d'un matériau pouvant, après traitement, présenter des zones hydrophobes et hydrophiles ou de deux matériaux hydrophobes et hydrophiles distincts formant ces mêmes zones . Pour une description détaillée de la thermopile planaire 110, l'homme du métier se référera à la description des thermopiles des 1 o réalisations décrites dans la demande de brevet français FR 2 781 931. Il sera brièvement rappelé que la thermopile 110 comporte essentiellement une piste thermoélectrique, qui dans les exemples illustrés est un élément linéaire en forme de serpentin constitué par des thermoéléments en série et alternés Tha et Thb. Selon le type de thermopile, les thermoéléments Tha 15 et Thb peuvent être réalisés en matériau métallique ou semi-conducteur. Dans l'exemple particulier des figures 1 et 2, les thermoéléments Tha sont par exemple en polysilicium dopé négativement, et les thermoéléments Thb sont en polysilicium dopé positivement. A la jonction entre deux thermoéléments Tha et Thb successifs (figure 2) est déposé un 20 plot électriquement conducteur M, par exemple en métal et notamment en or, formant un pont ohmique entre deux thermoéléments Tha et Thb adjacents. Ce dépôt métallique M constitue avec les deux thermoéléments Tha et Thb associés une thermojonction Tf ou Tc. Aux deux extrémités de la piste thermoélectrique en forme de 25 serpentin sont déposés respectivement deux plots métalliques B1, B2 (par exemple en or), qui forment les deux bornes de sortie de la thermopile. Afin de permettre l'accès à ces deux bornes B, la couche 10 comporte deux lumières en vis-à-vis respectivement des deux bornes B1, B2. L'invention n'est pas limitée à la mise en oeuvre d'une thermopile 30 comportant une piste thermoélectrique en forme de serpentin. Dans l'exemple particulier des figures 1 et 2, les thermoéléments Tha et Thb se touchent. Dans une autre variante, les thermoéléments Tha et Thb pourraient être espacés. Egalement les contacts ohmiques M, pourraient être intercalés sur le même plan entre deux thermoéléments Tha et Thb.

Dans d'autres variantes de réalisations de l'invention, la thermopile 110 peut être réalisée en mettant en oeuvre la technologie connue dite de « dépôts plaqués ». De manière connue en soi, conformément à cette technologie, on réalise dans un premier temps une piste thermoélectrique continue (en forme de serpentin ou autre) dans un premier matériau 1 o thermoélectrique destiné à constituer par exemple les thermoéléments Tha, et dans un deuxième temps on réalise à la surface et le long de cette piste thermoélectrique continue, une pluralité de dépôts d'un second matériau thermoélectrique présentant une conductivité électrique supérieure, en sorte de former les thermoéléments Thb. La technologie de dépôts plaqués 15 permet avantageusement de simplifier la fabrication de la thermopile, et notamment de réduire le nombre d'étapes de fabrication. Le substrat du microgénérateur est constitué d'une paroi 12 réalisée dans un matériau 120 thermiquement conducteur, plus particulièrement dans un matériau semi-conducteur, et de préférence en 20 silicium monocristallin. Dans cette paroi 12 sont creusées en face arrière 120a des cavités 121, qui sont localisées au droit uniquement des thermojonctions Tc, c'est-à-dire au droit d'une thermojonction sur deux. Chaque cavité 121 s'étend depuis la face arrière 120a du substrat 12 jusqu'à la couche 111 qui forme au droit des cavités une membrane 25 supportant la thermopile planaire. Dans l'exemple de réalisation illustré, les thermojonctions Tc sont alignées suivant la direction X, et le microgénérateur comporte une cavité 121 de largeur I et de longueur L localisée au droit de chaque alignement de thermojonctions Tc. Ces cavités sont par exemple creusées par attaque anisotrope de la 30 face arrière du substrat silicium 12, tel que décrit dans la demande de brevet français FR 2 781 931. Ces cavités 121 contiennent de l'air et constituent au droit des thermojonctions Tc de la thermopile des zones de discontinuité thermique présentant une plus faible conductivité thermique que le substrat 12, et permettant une déflexion et constriction dans le substrat 12 des lignes de flux thermique.

Les thermojonctions Tf qui sont localisées au droit des parties pleines 120 du substrat silicium 12 sont en fonctionnement maintenues sensiblement à la même température de base que ledit substrat silicium, et leur température est faiblement influencée par les variations de température de la couche support 111 de la thermopile planaire 110. Ces 1 o thermojonctions Tf sont de ce fait qualifiées dans la présente description de thermojonctions « froides ». A l'inverse, du fait de la présence des cavités 121 de plus faible conductivité thermique que celle du substrat silicium, et de la déflexion et constriction des lignes de flux thermique qui en résulte dans le substrat silicium, les thermojonctions Tc, qui sont localisées au droit des 15 cavités 121 ont une température qui peut varier plus fortement que les thermojonctions froides Tf en fonction de la température de la couche support 111 de la thermopile planaire 110. Ces thermojonctions Tc sont dites « chaudes », étant précisé que ce qualificatif ne signifie pas que leur température est supérieure à celle des thermojonctions froides, mais signifie 20 que leur température suit plus fortement les variations de température de la couche 111 supportant la thermopile planaire 110. Dans une autre variante de réalisation, les cavités 121 creusées en face arrière du substrat peuvent être remplacées par des zones de discontinuités thermiques équivalentes, de plus faible conductivité 25 thermique que le matériau 120 du substrat 12, et remplissant la même fonction de déflexion et constriction dans le substrat 12 des lignes de flux thermique. En particulier, les cavités 121 peuvent être remplacées par des caissons poreux réalisés en face avant du substrat (face orientée vers la thermopile planaire 110), tel que cela est enseigné dans la demande de 30 brevet européen EP 1 767 913 ou dans la publication suivante : « Microcapteur de flux thermique en technologie Silicium », Katir Ziouche, Malika Yala, Mehdi Haffar, Pascale Godts, Didier Leclercq, Congrès Français de Thermique, SFT 2006, 16-19 mai 2006 Pour de plus amples explications sur cet effet de déflexion et constriction des lignes de flux thermique dans le substrat 12, l'homme du métier peut se référer à cette publication ainsi qu'à la demande de brevet européen EP 1 767 913 et à la demande de brevet français FR 2 781 931. Le revêtement supérieur 10 du microgénérateur 1 se caractérise par une surface supérieure 10a (destinée à être au contact du liquide) présentant des zones hydrophiles (PHI) qui recouvrent uniquement les thermojonctions chaudes Tc et ne recouvrent pas les thermojonctions froides Tf et des zones hydrophobes (PHO) qui sont contigües aux zones hydrophiles et qui ne recouvrent pas les thermojonctions chaudes. Dans la variante de la figure 3A, chaque zone hydrophile (PHI) de longueur l' (inférieure à la largeur I d'une cavité 121) et de faible largeur I" est localisée au droit d'une thermojonction chaude (Tc), et est entourée sur toute sa périphérie par une zone hydrophobe(PHO). Chaque goutte G peut ainsi être formée au droit d'une thermojonction chaude (Tc). Dans la variante de la figure 3B, les zones hydrophiles (PHI) forment des bandes dont la largeur I' et la longueur L' sont inférieures respectivement à la largeur I et à la longueur L des cavités 121, et qui sont positionnées en étant espacées suivant la direction Y de manière à être localisées chacune au droit d'une cavité 121. Plus particulièrement, chaque bande hydrophile (PHI) est sensiblement centrée sur un alignement de thermojonctions chaudes (Tc). Les zones hydrophobes (PHO) sont constituées par toutes les zones restantes non hydrophiles de la surface 10a de la couche 10. Chaque zone hydrophile (PHI) est entourée sur toute sa périphérie par une zone hydrophobe (PHO) contigüe à ladite zone hydrophile (PHI). Dans cette variante de la figure 3B, les bandes hydrophile (PHI) 3o permettent la formation de lignes d'eau (au lieu de gouttes d'eau disjointes G) au droit des alignements de thermojonctions chaudes (Tc).

Surface hydrophobe ù hydrophile Par définition, une surface est dite hydrophobe si elle repousse l'eau. Dans le cas contraire, la surface est dite hydrophile. Le caractère hydrophobe/hydrophile d'un matériau dépend de la différence entre les énergies de surface qui dépendent elles-mêmes de la nature de la surface. Mais ce caractère n'a pas qu'une origine chimique. La micro texturation de la surface joue également un rôle important. De manière générale, le mouillage est total si le liquide s'étale 1 o complètement pour abaisser l'énergie superficielle. Celui-ci se présente alors sous forme d'un film mince. Le mouillage est partiel lorsque la goutte forme, à l'équilibre, une calotte sphérique sur le substrat en formant, avec lui, un angle de contact (voir figures 4 et 5). Lorsque l'angle de contact 8 est inférieur à 7/2 (figure 4) , la surface 15 de contact 10a est « plutôt mouillante » et est usuellement qualifiée de surface « hydrophile », lorsque le liquide est de l'eau. Lorsque l'angle de contact 8 est supérieur à 7/2 (figure 5), la surface de contact 10a est « plutôt non-mouillante » et est usuellement qualifiée de surface « hydrophobe ». 20 L'invention pouvant être adaptée pour tout liquide et n'étant pas limitée à une mise oeuvre avec de l'eau, par extension on désigne dans le présent texte par « zone hydrophile » une surface pour laquelle l'angle de contact 8 d'une goutte de liquide avec ladite surface est inférieur à rr /2, et on désigne dans le présent texte par « zone hydrophile » une surface pour 25 laquelle l'angle de contact 8 d'une goutte de liquide avec ladite surface est supérieur à rr /2. Notion d'hystérésis En pratique, les surfaces sont à la fois hétérogènes et rugueuses. En conséquence, l'angle de contact présente une dispersion autour d'une 30 valeur moyenne. C'est pourquoi, deux types d'angle de contact sont utilisés : statique et dynamique.

L'angle de contact statique e (précédemment évoqué pour définir une surface hydrophobe et une surface hydrophile) est obtenu en mesurant l'angle d'une goutte déposée sur la surface. Les angles de contact dynamiques sont mesurés en alimentant la goutte (angle d'avancée, 0A) et ensuite en l'aspirant (angle de reculée, OR) (figure 6). On définit l'hystérésis de mouillage (ou hystérèse) comme la différence entre ces deux angles : Ae = eA -OR Une conséquence bien connue de cet effet est l'accrochage des 1 o gouttes sur une surface en pente. L'avant de ces gouttes présente un angle de contact 0A et l'arrière forme un angle de contact égal à OR. L'asymétrie d'angles de contact entre l'avant et l'arrière de ces gouttes engendre une force capable de s'opposer au poids. Ainsi l'hystérésis est une mesure du caractère adhésif de la surface. 15 Plus l'hystérésis est importante, plus la goutte de liquide accroche à la surface et moins la goutte a de facilité pour se déplacer par rapport à cette surface. Plus l'hystérésis est faible, et proche de zéro, et plus la goutte de liquide glisse facilement sur la surface. De préférence, pour la mise en oeuvre de l'invention, les zones 20 hydrophiles (PHI) de la surface de contact 10a de la couche 10 présentent un fort pouvoir d'accrochage du liquide, et de ce fait sont caractérisées par une hystérésis importante, et sont dites dans ce cas « super hydrophiles ». A l'inverse, les zones hydrophobes (PHO) de la surface de contact 10a de la couche 10 présentent de préférence un faible pouvoir d'accrochage du 25 liquide, et de ce fait sont caractérisées par une hystérésis faible, de préférence égale à zéro ou proche de zéro, et sont dites « super hydrophobes ». Réalisation des zones hydrophobes (PHO) et des zones hydrophiles (PHI) Dans le microgénérateur de l'invention, les zones hydrophobes 30 (PHO) et hydrophiles (PHI) sont réalisées en faisant subir à la surface de contact 10a de la couche 10 des traitements de surface appropriés permettant de modifier la mouillabilité de la surface, de manière à ajuster l'angle de contact statique 8, et de préférence également de manière à ajuster l'hystérésis t8 de la zone. Dans la suite de la description ces traitements de surface vont être décrits pour le polyimide, étant précisé qu'il revient à l'homme du métier de choisir le traitement de surface approprié en fonction du matériau constitutif de la couche 10. Traitement de surface du polyimide Le polyimide est un matériau à caractère légèrement hydrophile. 1 o Pour obtenir les zones hydrophobes (PHO) et hydrophiles (PHI), il est nécessaire de faire subir à la surface de contact 10a de la couche 10 des traitements de surface, encore désignés traitements d'activation, qui permettent de créer de nouvelles fonctions chimiques spécifiques en surface par rupture de chaînes polymères, éjection de certains types d'atomes et 15 greffage d'atomes connus pour leurs propriétés particulières. Ces traitements permettent de modifier l'énergie de surface et ainsi de modifier complètement la mouillabilité de la surface. Zones hydrophiles (PHI) û Oxydation de la surface Pour obtenir les zones hydrophiles(PHI), on soumet dans ces zones 20 la surface 10a de la couche 10 à un traitement par gravure plasma oxygène qui permet de rendre la surface du polyimide super hydrophile. Le traitement au plasma oxygène permet une oxydation de la surface 10a dans les zones (PHI), en modifiant des liaisons en surface et en faisant apparaître des fonctions carbonyles C = O, hydroxyles OH et carboxyles COOH qui sont 25 fortement polaires et rendent la surface très hydrophile. Sous l'effet d'un tel traitement, l'angle de contact 8 de la surface 10a pour des gouttes d'eau chute très rapidement en-dessous de 10° après quelques minutes. Dans une autre variante, Il est possible également d'oxyder la surface en l'exposant à un flux d'ozone (03) pendant par exemple une 30 heure. L'ozone est un élément très réactif souvent utilisé pour des traitements de surface. L'oxydation est toutefois plus lente que lors du traitement par plasma oxygène. Zone hydrophobes (PHO) - Fluoration de la surface Pour obtenir les zones hydrophobes (PHO), on soumet dans ces zones la surface 10a de la couche 10 à un traitement par gravure plasma de gaz fluorés qui permet de rendre la surface du polyimide hydrophobe. Lors de ce traitement au plasma de gaz fluorés, des atomes de fluor (F) ou des radicaux CFx vont se greffer en surface sur une épaisseur allant jusqu'à 60 nm. Ce type de traitement permet de diminuer fortement l'énergie de surface et rend la surface hydrophobe.

Micro texturation de la surface Dans une variante préférée de réalisation, en complément des traitements d'activation de surface précités (oxydation et fluoration), on peut avantageusement soumettre la surface de contact 10a de la couche 10 à un traitement de texturation afin de modifier l'état de la surface 10a et lui conférer une double rugosité (figure 7).La combinaison de deux texturations de surface (de l'ordre du micron et de l'ordre du nanomètre û figure 7) permet avantageusement d'amplifier les propriétés de mouillage de la surface. Cette double rugosité (microscopique et nanoscopique) est réalisée de manière connue en soi par gravure plasma.

De manière avantageuse, ce traitement de double texturation de la surface 10a par gravure plasma peut être réalisé pendant la gravure plasma oxygène et pendant la gravure plasma de gaz fluorés. On combine ainsi les étapes de gravure de la micro texturation et de traitement de la surface. Le polyimide présente sans traitement une surface légèrement hydrophile (angle e d'environ 79°) et une grande hystérésis (A6 d'environ 33°). Une goutte d'eau distillée déposée dessus ne glisse pas et ne s'étale pas. Dans un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif de l'invention, les zones hydrophiles (PHI) étaient obtenues en faisant subir à la surface de contact 10a un traitement de double texturation et d'activation par gravure plasma oxygène, en sorte d'obtenir un angle e (pour une goutte d'eau distillée) inférieur à 70°. Les zones hydrophobes (PHO) étaient obtenues en faisant subir à la surface de contact 10a un traitement de double texturation et d'activation par gravure plasma de gaz fluorés, en sorte d'obtenir un angle 8 (pour une goutte d'eau distillée) valant environ 160° et une hystérésis valant quasiment 0°. Auto-positionnement d'une qoutte de liquide Le contraste entre les zones hydrophobes (PHO) et hydrophiles (PHI) adjacentes de la surface 10a permet d'obtenir un effet d'auto-positionnement de gouttes de liquides sur les zones hydrophile (PHI) 1 o Cet effet d'auto-positionnement sera mieux compris en référence à la figure 8 qui représente la disposition d'une goutte à cheval sur une surface hydrophobe (A) et sur une surface hydrophile (B) adjacente. La différence entre les angles de contact eA et 8B sur chacune des surfaces est telle que eA < 8B. Ainsi la pression dans la goutte en A est supérieure à la 15 pression en B, et un mouvement du fluide se crée des hautes pressions vers les basses pressions entraînant un déplacement de la goutte de A (zone hydrophobe) vers B (zone hydrophile). Fonctionnement du microqénérateur Lorsque du liquide atteint la surface de contact 10a du revêtement 20 10 du microgénérateur 1, il est automatiquement fractionné en une multitude de gouttelettes G qui se positionnent respectivement au droit de chaque thermojonctions chaudes Tc (figure 1). Chacune des gouttelettes G, en s'évaporant par exemple à température ambiante, se refroidit et refroidit la membrane 110 qui la supporte ainsi que la thermojonction chaude (Tc) 25 située sous la gouttelette. Les thermojonctions froides Tf qui sont localisées au droit des parties pleines 120 du substrat silicium 12 restent sensiblement à la même température que ce substrat et sont donc très peu refroidies par l'évaporation des gouttelettes G. En conséquence, la thermopile 110 génère à ses bornes B1, B2 une force électromotrice (f.e.m) globale qui est égale à 30 la somme des f.e.m de chaque thermocouple élémentaire, cette f.e.m étant proportionnelle au nombre de gouttelettes G.

Le fractionnement en gouttelettes permet avantageusement d'augmenter la surface d'évaporation ou de condensation du liquide et contribue à la génération aux bornes de la thermopile d'une tension électrique plus élevée.

La mise en oeuvre d'une thermopile planaire à thermojonctions distribuées, telle que celle de la figurel, permet d'obtenir une meilleure densité de thermocouples (nombre de thermojonctions /mm2), ce qui contribue également à l'obtention aux bornes de la thermopile d'une tension électrique plus élevée. 1 o Sur la forme d'une qoutte et le dimensionnement qoutte-cavité On a représenté sur la figure 9 un exemple préféré de mise en oeuvre, dans lequel chaque gouttelette G se positionne sur une zone hydrophile (PHI) du revêtement 10 en étant dans sa totalité localisée uniquement au droit d'une cavité 121 ; aucune partie de la goutte G n'est 15 localisée au droit du substrat silicium 12. On a représenté sur la figure 10, un exemple de mise en oeuvre, dans lequel chaque gouttelette G se positionne sur une zone hydrophile (PHI) du revêtement 10 mais s'étale suffisamment pour que des parties de la gouttelette se trouve localisées au droit du substrat silicium. Dans ce cas, 20 compte-tenu de la faible résistance thermique de la gouttelette, la résistance thermique entre la gouttelette et le substrat est faible, ce qui diminue la baisse de température induite par l'évaporation, et en conséquence diminue la tension délivrée aux bornes de la thermopile. II est donc préférable que le microgénérateur soit conçu de manière 25 à obtenir la configuration de la figure 9 plutôt que celle de la figure 10. A cet effet, il est préférable que les zone hydrophiles (PHI) de la surface de contact 10a soient localisées uniquement au droit d'une cavité 121 (ou équivalent) et ne s'étendent pas jusqu'aux bords de la cavité 121. En outre, l'homme du métier choisira judicieusement l'angle statique de la surface de 30 contact 10a et la dimension des cavités ( notamment la largeur I dans l'exemple de la figure 9) de telle sorte qu'une gouttelette de liquide au contact d'une zone hydrophile (PHI) soit dans sa totalité localisée uniquement au droit d'une zone de plus faible conductivité thermique du substrat (cas de la figure 9), c'est-à-dire au droit d'une cavité 121 dans l'exemple de réalisation de la figure 1.

On a représenté sur les figures 11 à 13, trois autres exemples de réalisation d'un microgénérateur de l'invention. Sur ces figures, seules les zones hydrophiles (PHI) de la surface de contact supérieure 10a destinées à être au contact du liquide sont matérialisées, et toutes les zones restantes de cette surface 10a sont hydrophobes et sont représentées 1 o transparentes. Dans chaque variante de réalisation des figures 11 à 13, chaque zone hydrophile (PHI) est entourée sur toute sa périphérie par une zone hydrophobe (PHO) contigüe à ladite zone hydrophile (PHI). La variante de la figure 11 se différencie de la variante de la figure 1 essentiellement par la structure et la géométrie de sa thermopile planaire.

15 Dans la variante de la figure 12, le microgénérateur comporte un seul alignement de thermojonctions chaudes Tc et une seule cavité 121 de plus grande dimension centrée sur cet alignement. Dans la variante de la figure 13, le microgénérateur comporte une pluralité de cavités 121 de petite dimension, chaque cavité 121 étant 20 localisée au droit d'une seule thermojonction chaude Tc. Le microgénérateur de l'invention peut être utilisé dans de nombreuses applications différentes. A titre d'exemples et de manière non exhaustive, il peut être utilisé comme source d'alimentation électrique de tout dispositif (par exemple un lampe d'éclairage extérieure, un capteur, ...) 25 fonctionnant dans un environnement humide tel que par exemple l'air ambiant à l'extérieur d'une habitation, et nécessitant de l'énergie électrique pour son fonctionnement. Dans ce cas, l'humidité de l'environnement se condense sous forme de gouttes à la surface du microgénérateur. Cette condensation puis l'évaporation de ces gouttes permettent d'alimenter en 30 énergie électrique le dispositif. Le microgénérateur de l'invention peut également être utilisé comme détecteur d'humidité, de condensation, de givrage ou de dégivrage dans un environnement, ou être utilisé dans un dispositif de caractérisation d'un liquide.

Claims (19)

1. REVENDICATIONS1. Microgénérateur de tension électrique qui est conçu pour fonctionner en utilisant la chaleur latente de changement de phase d'un liquide, caractérisé en ce qu'il comporte une thermopile planaire comprenant une pluralité de thermojonctions chaudes (Tc) et de thermojonctions froides (Tf), positionnées dans un même plan, et un revêtement de surface (10) thermiquement conducteur, ledit revêtement (10) comportant au moins une zone hydrophile (PHI) qui recouvre uniquement une ou plusieurs thermojonctions chaudes (Tc), et au moins une zone hydrophobe (PHO) qui est contigüe à ladite zone hydrophile (PHI) et qui ne recouvre pas ladite ou lesdites thermojonctions chaudes (Tc).
2. 2. Microgénérateur selon la revendication 1, dans lequel le revêtement (10) permet de fractionner un volume de liquide amené au contact dudit revêtement en une pluralité de gouttelettes (G) localisées au droit des thermojonctions chaudes.
3. 3. Microgénérateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les thermojonctions (Tc, Tf) de la thermopile sont distribuées avec en alternance une thermojonction froide (Tf) et une thermojonction chaude (Tc).
4. 4. Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la thermopile planaire (110) est déposée sur une couche électriquement isolante (111) portée par un substrat (12) dans un matériau (120) thermiquement conducteur, ledit substrat (12) comportant une ou plusieurs zones de discontinuité thermique (121) de plus faible conductivité thermique que ledit matériau (120), chaque zone de discontinuité thermique (121) étant positionnée au droit uniquement des thermojonctions chaudes (Tc).
5. 5. Microgénérateur selon la revendication 4, dans lequel la ou les zones de discontinuité thermique (121) sont des cavités creuséesdans le substrat (12).
6. 6. Microgénérateur selon la revendication 4, dans lequel la ou les zones de discontinuité thermique (121) sont des caissons poreux réalisés dans le substrat (12).
7. 7. Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, comportant dans le substrat (12) une pluralité de zones de discontinuité thermique (121) positionnées chacune au droit d'une seule thermojonction chaude (Tc).
8. 8. Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel chaque zone hydrophile (PHI) est localisée uniquement au droit d'une zone de discontinuité thermique (121) et ne s'étend pas jusqu'aux bords de cette zone de discontinuité thermique.
9. 9. Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant un ou plusieurs alignements de thermojonctions chaudes (Tc) et dans lequel chaque zone hydrophile (PHI) est sensiblement centrée sur un alignement de thermojonctions chaudes (Tc).
10. 10 Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chaque zone hydrophile (PHI) est entourée sur toute sa périphérie par une zone hydrophobe (PHO) contigüe à la zone hydrophile.
11. 11 Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 dans lequel l'angle statique 8 correspondant à chaque zone hydrophobe (PHO) est supérieur à 90°, et plus préférentiellement encore supérieur à 120°.
12. 12 Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 dans lequel l'hystérésis A6 de chaque zone hydrophobe (PHO) est sensiblement égale à zéro.
13. 13 Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel le revêtement de surface (10) est en polyimide.
14. 14 Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13,dans lequel le matériau (120) du substrat (12) est du silicium.
15. 15. Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel les zones hydrophobes sont obtenues par fluoration de la surface de contact (10a) du revêtement (10).
16. 16. Microgénérateur selon la revendication 15, dans lequel les zones hydrophobes (PHO)sont obtenues par gravure plasma de gaz fluoré.
17. 17. Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, dans lequel les zones hydrophiles (PHI) sont obtenues par oxydation de la surface de contact (10a) du revêtement (10).
18. 18. Microgénérateur selon la revendication 17, dans lequel les zones hydrophiles (PHI) sont obtenues par gravure plasma oxygène.
19. 19. Microgénérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, dans lequel la surface de contact (10a) du revêtement (10) présente une double rugosité microscopique et nanométrique.