FR3055740A1 - Dispositif thermoelectrique sur substrat optimise et procede de fabrication - Google Patents
Dispositif thermoelectrique sur substrat optimise et procede de fabrication Download PDFInfo
- Publication number
- FR3055740A1 FR3055740A1 FR1658381A FR1658381A FR3055740A1 FR 3055740 A1 FR3055740 A1 FR 3055740A1 FR 1658381 A FR1658381 A FR 1658381A FR 1658381 A FR1658381 A FR 1658381A FR 3055740 A1 FR3055740 A1 FR 3055740A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- substrate
- thermoelectric
- layers
- thermal conductivity
- cavity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 93
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 54
- 230000010070 molecular adhesion Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 claims abstract description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 12
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 12
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims description 8
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 7
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 7
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 5
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 claims description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000006091 Macor Substances 0.000 description 3
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 3
- 239000013529 heat transfer fluid Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000005660 hydrophilic surface Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- -1 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002470 thermal conductor Substances 0.000 description 1
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Electromechanical Clocks (AREA)
Abstract
Ce procédé comporte les étapes : a) prévoir un premier substrat, réalisé dans un premier matériau à base de silicium, sur lequel est formé un ensemble (4) de couches thermoélectriques ; b) prévoir un deuxième substrat (3), réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée λ2, inférieure ou égale à 15 W.m-1.K-1 ; c) assembler le deuxième substrat (3) à l'ensemble (4) de couches thermoélectriques par adhésion moléculaire ; d) retirer le premier substrat après l'étape c).
Description
Domaine technique
L’invention se rapporte au domaine technique des dispositifs thermoélectriques et de leur fabrication. A titre d’exemples non limitatifs, un dispositif thermoélectrique peut être un capteur thermoélectrique à effet Seebeck (ou capteur différentiel de température), un générateur thermoélectrique à effet Seebeck (TEG pour ThermoElectric Generator en langue anglaise), ou encore un refroidisseur thermoélectrique à effet Peltier. Le dispositif thermoélectrique comporte un ensemble de couches thermoélectriques formé sur un substrat. Plus précisément, l’invention s’inscrit dans les technologies couches minces (c'est-à-dire dont l’épaisseur est typiquement inférieure à 10 pm), différant ainsi des dispositifs thermoélectriques macroscopiques.
L’invention trouve notamment ses applications où la miniaturisation est recherchée. On peut citer à titre d’exemples non limitatifs la microélectronique, la téléphonie mobile, la domotique (maison communicante individuelle «Smart home», bâtiment à énergie positive « Smart building», réseaux électriques intelligents « Smartgrid»), certains procédés industriels.
Etat de la technique antérieure
Comme illustré à la figure 1, un dispositif thermoélectrique 1 à effet Seebeck comporte :
- un substrat (non visible), réalisé dans un matériau à base de silicium,
- un ensemble de couches thermoélectriques agencé sur le substrat séparées par un matériau thermiquement isolant 102, l’ensemble comprenant au moins une première jonction 10 d’un thermocouple 100, 101 sur un côté de l’ensemble, dit côté chaud, et au moins une deuxième jonction 11 du thermocouple 100, 101 sur le côté opposé de l’ensemble, dit côté froid,
- des moyens de transfert (non visibles) agencés pour transférer de la chaleur respectivement à chaque première jonction 10 et à chaque deuxième jonction 11.
Les termes « chaud(e) » et « froid(e) » s’entendent de manière relative, c’est-à-dire que la température de la source chaude Sc est supérieure à la température de la source froide Sf.
L’ensemble de couches thermoélectriques comporte N thermocouples 100, 101, c’est-àdire N couches réalisées à base d’un premier matériau thermoélectrique 100 et N couches réalisées à base d’un second matériau thermoélectrique 101. Chaque première jonction 10 et chaque deuxième jonction 11 sont formées avec un matériau électriquement conducteur.
La tension de sortie V générée par le dispositif thermoélectrique 1 est donnée par la formule suivante :
V = N x (S2 -Si) x (Tc-Tj), où :
- N est le nombre de thermocouples 100, 101,
- St et S2 sont respectivement le coefficient Seebeck des premier et second matériaux thermoélectriques 100, 101,
- (Tc-T^ est le gradient thermique appliqué entre le côté chaud et le côté froid de l’ensemble.
Lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est utilisé comme capteur différentiel de température, il est possible d’obtenir la valeur (TC-TQ à partir de la mesure de la tension de sortie V.
Lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est utilisé comme générateur, il est possible d’obtenir une puissance électrique de sortie P= V2/R où R est la résistance électrique du dispositif thermoélectrique 1. On recherche une tension de sortie V maximale et une résistance électrique R minimale afin de maximiser la puissance électrique de sortie P. Les couches thermoélectriques (type de matériau, géométrie) et le nombre N de thermocouples 100, 101 sont alors choisis en ce sens.
La formation de l’ensemble de couches thermoélectriques sur le substrat de silicium est une technologie maîtrisée et peu onéreuse. Cependant, un tel dispositif thermoélectrique de l’état de la technique n’est pas entièrement satisfaisant. En effet, un inconvénient est que le silicium est un bon conducteur thermique avec une conductivité thermique de l’ordre de 150 W’.rn1. K?1. Il en résulte que le transfert thermique avec les sources chaude et froide Sc, Sf s’effectue plutôt avec le substrat qu’avec les couches thermoélectriques, avec comme conséquence une forte dégradation de la sensibilité du capteur thermoélectrique ou une perte de puissance électrique du générateur thermoélectrique.
Exposé de l’invention
L’invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de fabrication d’un dispositif thermoélectrique, comportant les étapes :
a) prévoir un premier substrat, réalisé dans un premier matériau à base de silicium, sur lequel est formé un ensemble de couches thermoélectriques ;
b) prévoir un deuxième substrat, réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée λ2, inférieure ou égale à 15 W.mhK1 ;
c) assembler le deuxième substrat à l’ensemble de couches thermoélectriques par adhésion moléculaire ;
d) retirer le premier substrat après l’étape c).
Ainsi, un tel procédé selon l’invention permet à la fois de :
- conserver un premier substrat en silicium afin de former l’ensemble de couches thermoélectriques de manière maîtrisée et peu onéreuse ; et
- transférer par adhésion moléculaire l’ensemble de couches thermoélectriques sur un deuxième substrat possédant des propriétés thermiques plus favorables que le silicium.
A cet effet, le deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée λ2, inférieure ou égale à 15 W.mbK1 permet d’améliorer la sensibilité du capteur thermoélectrique ou de réduire la perte de puissance électrique du générateur thermoélectrique relativement à l’état de la technique.
Définitions
- Par « adhésion moléculaire », on entend un collage spontané issu de la mise en contact direct de deux surfaces, c'est-à-dire en l’absence d’un élément additionnel tel qu’une colle, une cire ou une brasure. L’adhésion provient principalement des forces de van der Waals issues de l’interaction électronique entre les atomes ou les molécules de deux surfaces, des liaisons hydrogène du fait des préparations des surfaces ou des liaisons covalentes établies entre les deux surfaces. On parle également de collage par adhésion directe.
- Par « couche thermoélectrique », on entend une couche réalisée dans un matériau thermoélectrique.
- Par « matériau thermoélectrique », on entend un matériau capable de générer un courant électrique lorsqu’il est soumis à un gradient thermique et parcouru par un flux de chaleur.
- Par « substrat », on entend le matériau utilisé comme support mécanique (autoporté) pour la fabrication du dispositif thermoélectrique.
- Par « A formé sur B», on entend que l’entité A est formée au-dessus de l’entité B, mais pas nécessairement en contact avec l’entité B. En d’autres termes, l’expression « formé sur » n’exclut pas la présence d’élément(s) intercalaire (s) entre l’entité A et l’entité B.
- Par « A assemblé à B», on entend que les entités A et B sont réunies, mais pas nécessairement en contact l’une avec l’autre. En d’autres termes, l’expression « assemblé à » n’exclut pas la présence d’élément(s) intercalaire (s) entre l’entité A et l’entité B.
Le procédé selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
Selon une caractéristique de l’invention, le deuxième matériau possède une conductivité thermique inférieure ou égale à 1,5 W.mbK1.
Ainsi, un avantage procuré est d’améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide Sc, Sf.
Selon une caractéristique de l’invention, le deuxième substrat prévu lors de l’étape b) possède un coefficient de transmission dans le domaine visible supérieur ou égal à 75%.
Ainsi, un avantage procuré est d’obtenir, après transfert, un ensemble de couches thermoélectriques sur un substrat transparent dans le domaine visible. Il est difficile de former directement l’ensemble de couches thermoélectriques sur un substrat transparent. En effet, l’ensemble de couches thermoélectriques est classiquement déposé au sein d’un réacteur, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur. Pour ce faire, le réacteur est classiquement muni de moyens de détection optique du substrat. Or, un substrat transparent empêche une telle détection optique. Il serait possible d’opacifier le substrat transparent afin de rendre opérant les moyens de détection optique. Cependant, une telle opacification est coûteuse, complexe à mettre en œuvre, et est susceptible de contaminer le réacteur.
Le coefficient de transmission s’entend comme un coefficient moyenné pour les longueurs d’onde du visible.
Selon une caractéristique de l’invention, le deuxième matériau est sélectionné dans le groupe comportant un verre, une céramique, une vitro céramique, un minéral.
Selon une caractéristique de l’invention, le deuxième substrat prévu lors de l’étape b) présente une première surface destinée à être assemblée à l’ensemble de couches thermoélectriques par adhésion moléculaire lors de l’étape c).
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape b) comporte une étape bt) consistant à former au moins une cavité à la première surface du deuxième substrat.
Ainsi, un avantage procuré est d’améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide Sc, Sf. En effet, la cavité généralement remplie d’air est moins thermiquement conductrice que le deuxième substrat. Bien entendu, il est impossible de former directement (c'est-à-dire sans transfert par adhésion moléculaire) des couches thermoélectriques sur un tel deuxième substrat à la surface duquel est ménagée au moins une cavité. En outre, le fait de former au moins une cavité à la première surface du deuxième substrat permet de structurer le deuxième substrat afin de le fonctionnaliser le cas échéant.
Selon une caractéristique de l’invention, le procédé comporte une étape consistant à faire le vide dans la cavité après l’étape c).
Ainsi, un avantage procuré est d’améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide Sc, Sf. En effet, la cavité mise sous vide est moins thermiquement conductrice que le deuxième substrat, et moins thermiquement conductrice qu’une cavité remplie d’air (d’un facteur 50).
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape b) comporte une étape b2) consistant à remplir la cavité d’un matériau de remplissage possédant une conductivité thermique strictement inférieure à λ2.
Ainsi, un avantage procuré est d’améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide Sc, Sf. En effet, un tel matériau de remplissage est moins thermiquement conducteur que le deuxième substrat. En outre, un tel matériau de remplissage permet d’améliorer la tenue mécanique relativement à une cavité remplie d’air ou mise sous vide, tout particulièrement lorsque le matériau thermoélectrique est fragile mécaniquement.
Selon une caractéristique de l’invention, le matériau de remplissage est un aérogel ou un polymère.
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape b) comporte une étape b3) consistant à former un canal en périphérie de la première surface du deuxième substrat.
Ainsi, un avantage procuré par un tel canal est la possibilité d’évacuer des calories sur le côté froid de l’ensemble de couches thermoélectriques afin d’augmenter le gradient thermique appliqué entre le côté chaud et le côté froid de l’ensemble. Pour ce faire, un fluide caloporteur est injecté dans le canal afin de créer une convection forcée.
Selon une caractéristique de l’invention, le procédé comporte une étape consistant à former une couche diélectrique, de préférence à base de dioxyde de silicium, sur l’ensemble de couches thermoélectriques avant l’étape c) ; l’étape c) étant exécutée de sorte que le deuxième substrat est assemblé à la couche diélectrique par adhésion moléculaire.
Ainsi, un avantage procuré est d’améliorer la tenue du collage lors de l’étape c) grâce à l’obtention d’une surface plus hydrophile. En outre, la couche diélectrique permet d’isoler électriquement l’ensemble de couches thermoélectriques du deuxième substrat lorsque celui-ci n’est pas diélectrique.
Par « diélectrique », on entend que l’entité (couche, substrat) possède une conductivité électrique à 300 I< inférieure ou égale à 10 x S.crn1.
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape d) est exécutée par meulage.
L’invention a également pour objet un dispositif thermoélectrique, comportant :
- un deuxième substrat réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée λ2, inférieure ou égale à 15 W.m hK1 ;
- un ensemble de couches thermoélectriques formé sur le deuxième substrat.
Ainsi, le deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée λ2, inférieure ou égale à 15 Wm'-K'1 permet d’améliorer la sensibilité du capteur thermoélectrique ou de réduire la perte de puissance électrique du générateur thermoélectrique relativement à l’état de la technique.
Le dispositif selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
Selon une caractéristique de l’invention, le deuxième matériau possède une conductivité thermique inférieure ou égale à 1,5 W.m hK1.
Ainsi, un avantage procuré est d’améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide Sc, Sf.
Selon une caractéristique de l’invention, le deuxième substrat possède un coefficient de transmission dans le domaine visible supérieur ou égal à 75%.
Selon une caractéristique de l’invention, le deuxième matériau est sélectionné dans le groupe comportant un verre, une céramique, une vitro céramique, un minéral.
Selon une caractéristique de l’invention, le deuxième substrat présente une première surface sur laquelle est formé l’ensemble de couches thermoélectriques.
Selon une caractéristique de l’invention, le dispositif comporte au moins une cavité formée à la première surface du deuxième substrat.
Ainsi, un avantage procuré est d’améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide Sc, Sf. En effet, la cavité, remplie d’air ou mise sous vide, est moins thermiquement conductrice que le deuxième substrat. En outre, le fait de former au moins une cavité à la première surface du deuxième substrat permet de structurer le deuxième substrat afin de le fonctionnaliser le cas échéant.
Selon une caractéristique de l’invention, la cavité est remplie d’un matériau de remplissage possédant une conductivité thermique strictement inférieure à λ2, le matériau de remplissage étant de préférence un aérogel ou un polymère.
Ainsi, un avantage procuré est d’améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide Sc, Sf. En effet, un tel matériau de remplissage est moins thermiquement conducteur que le deuxième substrat. En outre, un tel matériau de remplissage permet d’améliorer la tenue mécanique relativement à une cavité remplie d’air ou mise sous vide, tout particulièrement lorsque le matériau thermoélectrique est fragile mécaniquement.
Selon une caractéristique de l’invention, le dispositif comporte un canal agencé en périphérie de la première surface du deuxième substrat.
Ainsi, un avantage procuré par un tel canal est la possibilité d’évacuer des calories sur le côté froid de l’ensemble de couches thermoélectriques afin d’augmenter le gradient thermique appliqué entre le côté chaud et le côté froid de l’ensemble. Pour ce faire, un fluide caloporteur est injecté dans le canal afin de créer une convection forcée.
Brève description des dessins
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l’exposé détaillé de différents modes de réalisation de l’invention, l’exposé étant assorti d’exemples et de référence aux dessins joints.
Figure 1 (déjà commentée) est une vue schématique de dessus d’un dispositif thermoélectrique de l’état de la technique.
Figures 2a à 2d sont des vues schématiques en coupe illustrant différents modes de réalisation d’un deuxième substrat selon l’invention.
Figures 3a à 3f sont des vues schématiques en coupe illustrant un procédé de fabrication selon un premier mode de réalisation l’invention.
Figures 4a à 4f sont des vues schématiques en coupe illustrant un procédé de fabrication selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Figure 5 est une vue schématique de dessus d’un dispositif thermoélectrique selon un premier mode de réalisation de l’invention (les couches diélectriques étant omises).
Figure 6 est une vue schématique de dessus d’un dispositif thermoélectrique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention (les couches diélectriques étant omises).
Figure 7 est une vue schématique en coupe du dispositif illustré à la figure 6, selon l’axe A-A.
Exposé détaillé des modes de réalisation
Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification.
Un objet de l’invention est un procédé de fabrication d’un dispositif thermoélectrique 1, comportant les étapes :
a) prévoir un premier substrat 2, réalisé dans un premier matériau à base de silicium, sur lequel est formé un ensemble 4 de couches thermoélectriques ;
b) prévoir un deuxième substrat 3, réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée λ2, inférieure ou égale à 15 W.m hK1 ;
c) assembler le deuxième substrat à l’ensemble 4 de couches thermoélectriques par adhésion moléculaire ;
d) retirer le premier substrat 2 après l’étape c).
Premier substrat prévu lors de l’étape a)
Comme illustré aux figures 3a et 4a, des contacts électriques 22 peuvent être formés sur le premier substrat 2.
Comme illustré aux figures 3a et 4a, une première couche diélectrique 20, de préférence à base de dioxyde de silicium, peut être intercalée entre le premier substrat 2 et l’ensemble 4 de couches thermoélectriques. Les contacts électriques 22 s’étendent alors sur la première couche diélectrique 20. A titre d’exemple non limitatif, la première couche diélectrique 20 peut présenter une épaisseur de l’ordre de 500 nm. La première couche diélectrique 20 est préférentiellement formée par oxydation thermique.
Comme illustré aux figures 3a et 4a, une deuxième couche diélectrique 21, de préférence à base de dioxyde de silicium, peut recouvrir l’ensemble 4 de couches thermoélectriques. A titre d’exemple non limitatif, la deuxième couche diélectrique 21 peut présenter une épaisseur de l’ordre de 500 nm. La deuxième couche diélectrique 21 est préférentiellement formée par oxydation thermique.
Comme illustré aux figures 5 et 6, l’ensemble 4 de couches thermoélectriques comporte avantageusement N thermocouples 100, 101, c’est-à-dire N couches réalisées à base d’un premier matériau thermoélectrique 100 et N couches réalisées à base d’un second matériau thermoélectrique 101. L’ensemble 4 de couches thermoélectriques comprend préférentiellement au moins une première jonction 10 d’un thermocouple 100, 101 sur un côté de l’ensemble, dit côté chaud, et au moins une deuxième jonction 11 du thermocouple 100, 101 sur le côté opposé de l’ensemble, dit côté froid. A titre d’exemples non limitatifs, on peut citer comme matériaux thermoélectriques SiGe, Si, et Bi2Te3. Chaque première jonction 10 et chaque deuxième jonction 11 sont formées avec un matériau électriquement conducteur tel que Al, Cu. A titre d’exemple non limitatif, l’ensemble 4 de couches thermoélectrique peut présenter une épaisseur comprise entre 1 pm et 2 pm. L’ensemble 4 de couches thermoélectriques peut être formé par dépôt chimique en phase vapeur ou par pulvérisation cathodique.
Deuxième substrat prévu lors de l’étape b)
Le deuxième matériau possède avantageusement une conductivité thermique inférieure ou égale à 1,5 W.mkK1. Le deuxième substrat 3 prévu lors de l’étape b) possède avantageusement un coefficient de transmission dans le domaine visible supérieur ou égal à 75%. Le deuxième matériau est avantageusement sélectionné dans le groupe comportant un verre, une céramique, une vitro céramique, un minéral. Le verre est avantageusement un verre borosilicate. Le verre borosilicate possède une conductivité thermique de l’ordre de 1,2 W. rn'TK1. La céramique est avantageusement le dioxyde de zirconium ZrO2 (également appelé zircone). ZrO2 possède une conductivité thermique de l’ordre de 3 W.mkK1. La vitro céramique est avantageusement le macor®. Le macor® possède une conductivité thermique de l’ordre de 1,5 W.mkK1. Le minéral est avantageusement le quartz. Le quartz possède une conductivité thermique comprise entre 6,8 et 12 W.mfK1. Le deuxième matériau possède avantageusement une conductivité électrique à 300 I< inférieure ou égale à 10 8 S. cm1. Ainsi, il est possible de s’affranchir d’une couche diélectrique intercalée entre ίο l’ensemble 4 de couches thermoélectriques et le deuxième substrat 3 afin d’éviter une mise en court-circuit des couches thermoélectriques. A titre d’exemple non limitatif, le deuxième substrat 3 peut présenter une épaisseur de l’ordre de 500 pm.
Le deuxième substrat 3 prévu lors de l’étape b) présente une première surface 30 destinée à être assemblée à l’ensemble 4 de couches thermoélectriques par adhésion moléculaire lors de l’étape c). Comme illustré aux figures 2a et 2c, l’étape b) comporte avantageusement une étape bt) consistant à former au moins une cavité 300 à la première surface 30 du deuxième substrat 3. Le procédé peut comporter une étape consistant à faire le vide dans la cavité après l’étape c).
Selon une variante illustré aux figures 2b et 2d, l’étape b) peut comporter une étape b2) consistant à remplir la ou les cavités 300 d’un matériau de remplissage M possédant une conductivité thermique strictement inférieure à λ2· Le matériau de remplissage M est préférentiellement un aérogel ou un polymère. A titre d’exemples non limitatifs, le polymère peut être un polysiloxane ou le polyméthacrylate de méthyle.
La ou les cavités 300 ménagées à la première surface 30 du deuxième substrat 3 présentent avantageusement une surface totale sensiblement égale à la surface qui sera occupée par l’ensemble 4 de couches thermoélectriques sur le deuxième substrat 3 (visible aux figures 5 et 6). Dans le procédé illustré aux figures 3a à 3f, le deuxième substrat 3 est dépourvu de cavité 300 à la première surface 30. Le procédé illustré aux figures 4a à 4f diffère du procédé illustré aux figures 3a à 3f en ce que le deuxième substrat 3 comporte une cavité 300 ménagée à la première surface 30, la cavité 300 étant remplie d’un matériau de remplissage M.
Comme illustré aux figures 6 et 7, l’étape b) comporte avantageusement une étape b3) consistant à former un canal C en périphérie de la première surface 30 du deuxième substrat
3. Un fluide caloporteur tel que de l’eau ou un alcool sera injecté ultérieurement dans le canal C afin de créer une convection forcée. Ainsi, un avantage procuré par un tel canal C est la possibilité d’évacuer des calories sur le côté froid de l’ensemble 4 de couches thermoélectriques afin d’augmenter le gradient thermique appliqué entre le côté chaud et le côté froid de l’ensemble 4.
Etape c) d’assemblage
Comme illustré aux figures 3b et 4b, le procédé comporte avantageusement une étape préalable consistant à former une couche diélectrique 5, de préférence à base de dioxyde de silicium, sur l’ensemble 4 de couches thermoélectriques avant l’étape c). L’étape consistant à former la couche diélectrique 5 est préférentiellement exécutée par un dépôt chimique en phase vapeur, plus préférentiellement du type HTO-CVD (pour « High Température Oxide Chemical Vapor Déposition» en langue anglaise). Plus précisément, comme illustré aux figures 3b et 4b, lorsque l’ensemble 4 de couches thermoélectriques est recouvert de la deuxième couche diélectrique 21, la couche diélectrique 5 est formée sur la deuxième couche diélectrique 21.
Comme illustré aux figures 3c et 4c, l’étape c) est alors exécutée de sorte que le deuxième substrat 3 est assemblé à la couche diélectrique 5 par adhésion moléculaire. A titre d’exemple non limitatif, la couche diélectrique 5 peut présenter une épaisseur de l’ordre de 4 pm.
Le procédé comporte avantageusement une étape préalable consistant à aplanir la couche diélectrique 5 avant l’étape c) afin d’améliorer la qualité de l’adhésion moléculaire.
Comme illustré aux figures 3d et 4d, à l’issue de l’étape c), la structure comportant le premier substrat 2, la première couche diélectrique 20, l’ensemble 4 de couches thermoélectriques, la deuxième couche diélectrique 21, la couche diélectrique 5 et le deuxième substrat 3 peut être retournée de manière à reposer sur le deuxième substrat 3.
Etape d) de retrait du premier substrat
L’étape d) de retrait du premier substrat 2 est illustrée aux figures 3e et 4e. L’étape d) est avantageusement exécutée par meulage («grinding» en langue anglaise). Comme illustré aux figures 3f et 4f, l’étape d) peut être suivie d’une étape consistant à retirer des zones de la première couche diélectrique 20 situées en regard des contacts électriques 22 afin de libérer leur accès. L’étape de retrait desdites zones de la première couche diélectrique 20 est préférentiellement exécutée par une gravure en voie humide.
Dispositif thermoélectrique
Un objet de l’invention est un dispositif thermoélectrique 1, comportant :
- un deuxième substrat 3 réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée λ2, inférieure ou égale à 15 W.m ÔK1 ;
- un ensemble 4 de couches thermoélectriques formé sur le deuxième substrat 3.
Le dispositif thermoélectrique 1 est obtenu à l’issue de l’étape d), comme illustré aux figures 3f et 4f.
Le dispositif thermoélectrique 1 peut comporter une première couche diélectrique 20 agencée pour recouvrir l’ensemble 4 de couches thermoélectriques. Le dispositif thermoélectrique 1 peut comporter une couche diélectrique 5 intercalée entre l’ensemble 4 de couches thermoélectriques et le deuxième substrat 3. Le dispositif thermoélectrique 1 peut comporter une deuxième couche diélectrique 21 intercalée entre la couche diélectrique 5 et l’ensemble 4 de couches thermoélectriques. Le dispositif thermoélectrique 1 peut comporter des contacts électriques 22 reliés électriquement à l’ensemble 4 de couches thermoélectriques. Les contacts électriques 22 peuvent s’étendre sur la deuxième couche diélectrique 21, comme illustré aux figures 3f et 4f.
Le deuxième matériau possède avantageusement une conductivité thermique inférieure ou égale à 1,5 W.mhK1. Le deuxième substrat 3 possède avantageusement un coefficient de transmission dans le domaine visible supérieur ou égal à 75%. Le deuxième matériau possède avantageusement une conductivité électrique à 300 I< inférieure ou égale à 10 x S.crn1. Ainsi, il est possible de s’affranchir d’une couche diélectrique intercalée entre l’ensemble 4 de couches thermoélectriques et le deuxième substrat afin d’éviter une mise en court-circuit des couches thermoélectriques. Le deuxième matériau est avantageusement sélectionné dans le groupe comportant un verre, une céramique, une vitrocéramique, un minéral. Le verre est avantageusement un verre borosilicate. La céramique est avantageusement le dioxyde de zirconium ZrO2. La vitrocéramique est avantageusement le macor®. Le minéral est avantageusement le quartz.
Le deuxième substrat 3 présente une première surface 30 sur laquelle est formé l’ensemble 4 de couches thermoélectriques. Le dispositif thermoélectrique 1 comporte avantageusement au moins une cavité 300 formée à la première surface 300 du deuxième substrat 3. La ou les cavités 300 peuvent être remplies d’un matériau de remplissage M possédant une conductivité thermique strictement inférieure à À2· Le matériau de remplissage M est de préférence un aérogel ou un polymère. Le dispositif thermoélectrique 1 comporte avantageusement un canal C agencé en périphérie de la première surface 30 du deuxième substrat 3. Le canal C est agencé pour évacuer des calories sur le côté froid de l’ensemble 4 de couches thermoélectriques. Ainsi, le gradient thermique appliqué entre le côté chaud et le côté froid de l’ensemble 4 est augmenté.
A titre d’exemples non limitatifs, le dispositif thermoélectrique 1 peut être un capteur thermoélectrique à effet Seebeck (ou capteur différentiel de température), un générateur thermoélectrique à effet Seebeck (TEG pour ThermoElectric Generator en langue anglaise), ou encore un refroidisseur thermoélectrique à effet Peltier.
L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés. L’homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents.
Claims (20)
- REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d’un dispositif thermoélectrique (1), comportant les étapes :a) prévoir un premier substrat (2), réalisé dans un premier matériau à base de silicium, sur lequel est formé un ensemble (4) de couches thermoélectriques ;b) prévoir un deuxième substrat (3), réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée λ2, inférieure ou égale à 15 W.mbK1 ;c) assembler le deuxième substrat (3) à l’ensemble (4) de couches thermoélectriques par adhésion moléculaire ;d) retirer le premier substrat (2) après l’étape c).
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le deuxième matériau possède une conductivité thermique inférieure ou égale à 1,5 W.mbK1.
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le deuxième substrat (3) prévu lors de l’étape b) possède un coefficient de transmission dans le domaine visible supérieur ou égal à 75%.
- 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le deuxième matériau est sélectionné dans le groupe comportant un verre, une céramique, une vitrocéramique, un minéral.
- 5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le deuxième substrat (3) prévu lors de l’étape b) présente une première surface (30) destinée à être assemblée à l’ensemble (4) de couches thermoélectriques par adhésion moléculaire lors de l’étape c).
- 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’étape b) comporte une étape bt) consistant à former au moins une cavité (300) à la première surface (30) du deuxième substrat (3).
- 7. Procédé selon la revendication 6, comportant une étape consistant à faire le vide dans la cavité (300) après l’étape c).
- 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l’étape b) comporte une étape b2) consistant à remplir la cavité (300) d’un matériau de remplissage (M) possédant une conductivité thermique strictement inférieure à λ2·
- 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le matériau de remplissage (M) est un aérogel ou un polymère.
- 10. Procédé selon l’une des revendications 5 à 9, dans lequel l’étape b) comporte une étape b3) consistant à former un canal (C) en périphérie de la première surface (30) du deuxième substrat (3).
- 11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, comportant une étape consistant à former une couche diélectrique (5), de préférence à base de dioxyde de silicium, sur l’ensemble (4) de couches thermoélectriques avant l’étape c) ; l’étape c) étant exécutée de sorte que le deuxième substrat (3) est assemblé à la couche diélectrique (5) par adhésion moléculaire.
- 12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel l’étape d) est exécutée par meulage.
- 13. Dispositif thermoélectrique (1), comportant :- un deuxième substrat (3) réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée À2, inférieure ou égale à 15 W.m LK1 ;- un ensemble (4) de couches thermoélectriques formé sur le deuxième substrat (3).
- 14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel le deuxième matériau possède une conductivité thermique inférieure ou égale à 1,5 W.m LK1.
- 15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, dans lequel le deuxième substrat (3) possède un coefficient de transmission dans le domaine visible supérieur ou égal à 75%.
- 16. Dispositif selon l’une des revendications 13 à 15, dans lequel le deuxième matériau est sélectionné dans le groupe comportant un verre, une céramique, une vitrocéramique, un minéral.
- 17. Dispositif selon l’une des revendications 13 à 16, dans lequel le deuxième substrat (3) présente une première surface (30) sur laquelle est formé l’ensemble (4) de couches thermoélectriques.5
- 18. Dispositif selon la revendication 17, comportant au moins une cavité (300) formée à la première surface (30) du deuxième substrat (3).
- 19. Dispositif selon la revendication 18, dans lequel la cavité (300) est remplie d’un matériau de remplissage (M) possédant une conductivité thermique strictement inférieure à10 λ2, le matériau de remplissage (M) étant de préférence un aérogel ou un polymère.
- 20. Dispositif selon l’une des revendications 17 à 19, comportant un canal (C) agencé en périphérie de la première surface (30) du deuxième substrat (3).1/4
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1658381A FR3055740A1 (fr) | 2016-09-08 | 2016-09-08 | Dispositif thermoelectrique sur substrat optimise et procede de fabrication |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1658381A FR3055740A1 (fr) | 2016-09-08 | 2016-09-08 | Dispositif thermoelectrique sur substrat optimise et procede de fabrication |
| FR1658381 | 2016-09-08 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3055740A1 true FR3055740A1 (fr) | 2018-03-09 |
Family
ID=57137189
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1658381A Withdrawn FR3055740A1 (fr) | 2016-09-08 | 2016-09-08 | Dispositif thermoelectrique sur substrat optimise et procede de fabrication |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3055740A1 (fr) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004281726A (ja) * | 2003-03-17 | 2004-10-07 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 薄膜状熱電変換材料及びその形成方法 |
| US20060076046A1 (en) * | 2004-10-08 | 2006-04-13 | Nanocoolers, Inc. | Thermoelectric device structure and apparatus incorporating same |
| EP1965446A1 (fr) * | 2007-02-28 | 2008-09-03 | Corning Incorporated | Module thermoélectrique en céramique-verre |
| EP2187461A1 (fr) * | 2007-08-13 | 2010-05-19 | National Institute Of Advanced Industrial Science | Procédé pour produire un élément thermoélectrique fin, l'élément thermoélectrique fin, et un produit utilisant l'élément thermoélectrique fin |
| JP2012094730A (ja) * | 2010-10-28 | 2012-05-17 | Tdk Corp | 熱電薄膜素子製造方法 |
| FR3002085A1 (fr) * | 2013-02-14 | 2014-08-15 | Soitec Silicon On Insulator | Composant incluant un element de conversion d'energie |
-
2016
- 2016-09-08 FR FR1658381A patent/FR3055740A1/fr not_active Withdrawn
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004281726A (ja) * | 2003-03-17 | 2004-10-07 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 薄膜状熱電変換材料及びその形成方法 |
| US20060076046A1 (en) * | 2004-10-08 | 2006-04-13 | Nanocoolers, Inc. | Thermoelectric device structure and apparatus incorporating same |
| EP1965446A1 (fr) * | 2007-02-28 | 2008-09-03 | Corning Incorporated | Module thermoélectrique en céramique-verre |
| EP2187461A1 (fr) * | 2007-08-13 | 2010-05-19 | National Institute Of Advanced Industrial Science | Procédé pour produire un élément thermoélectrique fin, l'élément thermoélectrique fin, et un produit utilisant l'élément thermoélectrique fin |
| JP2012094730A (ja) * | 2010-10-28 | 2012-05-17 | Tdk Corp | 熱電薄膜素子製造方法 |
| FR3002085A1 (fr) * | 2013-02-14 | 2014-08-15 | Soitec Silicon On Insulator | Composant incluant un element de conversion d'energie |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2853751C (fr) | Detecteur infrarouge a base de micro-planches bolometriques suspendues | |
| EP1880176B1 (fr) | Detecteur thermique de rayonnements electromagnetiques et dispositif de detection infrarouge mettant en oeuvre de tels detecteurs | |
| FR2741196A1 (fr) | Module de conversion thermoelectrique et procede de fabrication d'un tel module | |
| EP0851465A1 (fr) | Procédé de séparation d'au moins deux éléments d'une structure en contact entre eux par implantation ionique | |
| EP2063240A1 (fr) | Détecteur de rayonnement électromagnétique à thermomètre à nanofil et procédé de réalisation | |
| EP2466283A1 (fr) | Détecteur infrarouge à base de micro-planches bolométriques suspendues | |
| EP1671361A2 (fr) | Procede de fabrication d'une structure en forme de plaque, en particulier en silicium, application de procede, et structure en forme de plaque, en particulier en silicium | |
| FR3045148A1 (fr) | Dispositif de detection a membranes bolometriques suspendues a fort rendement d'absorption et rapport signal sur bruit | |
| EP1399722A1 (fr) | Microbolometre et son procede de fabrication | |
| FR2786564A1 (fr) | Capteur de pression a membrane comportant du carbure de silicium et procede de fabrication | |
| FR2798224A1 (fr) | Realisation d'un collage electriquement conducteur entre deux elements semi-conducteurs. | |
| FR2773215A1 (fr) | Detecteur thermique bolometrique | |
| EP2351085A2 (fr) | Procede de fabrication de cellules matricielles photosensibles dans l'infrarouge collees par adhesion moleculaire sur substrat optiquement transparent et capteur associe | |
| WO2012164523A1 (fr) | Detecteur spectroscopique et procede correspondant. | |
| CA3058107A1 (fr) | Procede de fabrication d'un dispositif de detection d'un rayonnement electromagnetique a structure d'encapsulation amelioree | |
| FR3055740A1 (fr) | Dispositif thermoelectrique sur substrat optimise et procede de fabrication | |
| EP1593152A1 (fr) | Structure semi-conductrice sur substrat a forte rugosite | |
| EP4229724B1 (fr) | Dispositif photonique avec dissipation thermique amelioree pour laser heterogene iii-v/si et procede de fabrication associe | |
| EP3506375B1 (fr) | Dispositif thermoelectrique et procede de fabrication du dispositif thermoelectrique | |
| CA2915853C (fr) | Capteur differentiel de temperature | |
| FR2781931A1 (fr) | Thermopiles a thermojonctions du type distribuees, fluxmetres thermiques radiatif et conductif mettant en oeuvre ces thermopiles, ainsi que leurs procedes de fabrication | |
| FR2885690A1 (fr) | Detecteur thermique de rayonnements electromagnetiques et dispositif de detection infrarouge mettant en oeuvre de tels detecteurs | |
| FR3002084A1 (fr) | Structure electronique incluant un element de conversion d'energie | |
| EP3506358B1 (fr) | Dispositif thermoelectrique a jonction thermoelectrique formee dans l'epaisseur d'un substrat et procede de fabrication du dispositif thermoelectrique | |
| WO2021019164A1 (fr) | Bolomètre à absorbeur en parapluie, composant comprenant un tel bolomètre et procédé de fabrication d'un tel bolomètre |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20180309 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20200910 |