IT202000001879A1

IT202000001879A1 - Generatore termoelettrico

Info

Publication number: IT202000001879A1
Application number: IT102020000001879A
Authority: IT
Inventors: Paolo Ferrari; Flavio Francesco Villa; Luca Zanotti; Andrea Nomellini; Luca Seghizzi
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2021-07-31
Also published as: US20210242387A1; US11871668B2

Description

DESCRIZIONE

Sfondo tecnologico dell?invenzione

Campo dell'invenzione

La presente invenzione si riferisce in generale al campo dei dispositivi MEMS (?Micro Electro-Mechanical Systems?). In particolare, la presente invenzione si riferisce in generale al campo dei generatori termoelettrici, ovvero dispositivi configurati per convertire direttamente un?energia termica (in particolare, un gradiente di temperatura o una caduta termica) in energia elettrica (in particolare, un potenziale elettrico) per effetto Seebeck.

Panoramica del relativo stato della tecnica

La conversione diretta dell?energia termica in energia elettrica per effetto Seebeck ? un approccio promettente per la raccolta di energia da sorgenti di calore, in particolare da sorgenti di calore che altrimenti non verrebbero sfruttate (come il calore residuo di impianti industriali, il calore residuo di motori delle auto, sorgenti termiche a bassa temperatura), ad esempio a causa dei gradienti di temperatura ridotti che si otterrebbero.

Sono noti generatori termoelettrici a base di tellurio.

I composti del tellurio, come il tellururo di bismuto (Bi2Te3), presentano un buon coefficiente di Seebeck, un?alta conduttivit? elettrica e una bassa conduttivit? termica (solo come esempio, la conduttivit? termica del tellururo di bismuto ? 2W/mK).

Un convenzionale generatore termoelettrico a base di tellurio comprende una pluralit? di elementi di tellururo di bismuto drogati di tipo n interconnessi, ed elementi di tellururo di bismuto drogati di tipo p tra una coppia di substrati di silicio opposti, la pluralit? di elementi di tellururo di bismuto drogati di tipo n e di tipo p interconnessi agendo da elementi termoelettrici in grado di convertire una caduta termica ai loro capi in un potenziale elettrico per effetto Seebeck.

Tuttavia, i generatori termoelettrici a base di tellurio mostrano in genere un?efficienza relativamente buona solo in un intervallo di temperature limitato (di solito dell?ordine di 100 K intorno alla temperatura ambiente) e propriet? termoelettriche che degradano rapidamente all?aumentare della temperatura. Ci? riduce i campi di applicazione dei generatori termoelettrici a base di tellurio.

Inoltre, il tellurio ? un elemento relativamente raro, che ne limita intrinsecamente un uso diffuso.

Inoltre, un ampio uso di composti di tellurio, come il tellururo di bismuto Be2Te3, potrebbe generare problemi ambientali, in particolare in termini di smaltimento a fine vita.

Sono anche noti generatori termoelettrici a base di silicio.

Un convenzionale generatore termoelettrico a base di silicio comprende un substrato di silicio e, sospesi sul substrato, una pluralit? di elementi di silicio interconnessi che agiscono da elementi termoelettrici in grado di convertire una caduta termica ai loro capi in un potenziale elettrico per effetto Seebeck, una cavit? essendo provvista tra il substrato e gli elementi di silicio che evita il bypass della corrente di calore e assicura il gradiente di temperatura attraverso gli elementi termoelettrici.

Riassunto dell?invenzione

La Richiedente ha compreso che i generatori termoelettrici basati su silicio noti non sono soddisfacenti per i moderni requisiti tecnologici.

Infatti, la Richiedente ha riconosciuto che la presenza della cavit? riduce la stabilit? meccanica dei convenzionali generatori termoelettrici basati su silicio.

La Richiedente ha affrontato i problemi sopra menzionati, e ha ideato un generatore termoelettrico in grado di superarli.

Uno o pi? aspetti della presente invenzione sono indicati nelle rivendicazioni indipendenti, con caratteristiche vantaggiose della stessa invenzione che sono indicate nelle rivendicazioni dipendenti, la cui formulazione ? inclusa nel presente documento alla lettera per riferimento (con qualsiasi caratteristica vantaggiosa fornita con riferimento ad un aspetto specifico della presente invenzione che si applica mutatis mutandis a qualsiasi altro aspetto).

Pi? specificamente, un aspetto della presente invenzione si riferisce ad un generatore termoelettrico. Il generatore termoelettrico comprende un substrato. Il generatore termoelettrico comprende, sul substrato, uno o pi? elementi termoelettrici ciascuno configurato per convertire una caduta termica ai capi degli elementi termoelettrici in un potenziale elettrico per effetto Seebeck. Il generatore termoelettrico comprende una cavit? tra il substrato e gli elementi termoelettrici. Il generatore termoelettrico comprende, all?interno della cavit?, una struttura di supporto per supportare gli elementi termoelettrici. La struttura di supporto ha una conduttivit? termica inferiore alla conduttivit? termica del substrato.

In accordo con una forma di realizzazione, aggiuntiva o alternativa ad una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, un rapporto tra la conduttivit? termica della struttura di supporto e la conduttivit? termica del substrato ? inferiore a 0,02.

In accordo con una forma di realizzazione, aggiuntiva o alternativa ad una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, la struttura di supporto comprende almeno un materiale avente una conduttivit? termica al di sotto di 2 W/mK.

In accordo con una forma di realizzazione, aggiuntiva o alternativa ad una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, l?almeno un materiale comprende almeno uno tra silicio poroso, idrogeno silsesquiossano e ossido di plasma ad alta densit?.

In accordo con una forma di realizzazione, aggiuntiva o alternativa ad una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, detta cavit? ? riempita con detto almeno un materiale.

In accordo con una forma di realizzazione, aggiuntiva o alternativa ad una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, l?almeno un elemento termoelettrico comprende una pluralit? di nanostrutture termoelettriche interconnesse.

In accordo con una forma di realizzazione, aggiuntiva o alternativa ad una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, detta pluralit? di nanostrutture termoelettriche interconnesse comprendono una pluralit? di nanostrutture termoelettriche aventi un primo di conduttivit? ed una pluralit? di nanostrutture termoelettriche aventi un secondo tipo di conduttivit? opposto al primo tipo.

In accordo con una forma di realizzazione, aggiuntiva o alternativa ad una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, dette nanostrutture termoelettriche sono realizzate in silicio.

In accordo con una forma di realizzazione, aggiuntiva o alternativa ad una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione, dette nanostrutture termoelettriche sono realizzate in polisilicio.

Un altro aspetto della presente invenzione si riferisce ad un metodo per fabbricare un generatore termoelettrico. Il metodo comprende uno o pi?, preferibilmente tutti, tra i seguenti passi:

fornire un substrato;

fornire, sul substrato, uno o pi? elementi termoelettrici ciascuno configurato per convertire una caduta termica ai capi dell?elemento termoelettrico in un potenziale elettrico per effetto Seebeck;

formare una cavit? tra il substrato e gli elementi termoelettrici, e

fornire, all?interno della cavit?, una struttura di supporto per supportare gli elementi termoelettrici, la struttura di supporto avendo una conduttivit? termica inferiore alla conduttivit? termica del substrato.

Breve descrizione dei disegni allegati

Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione saranno evidenti dalla seguente descrizione di alcune sue forme di realizzazione esemplificative e non limitative; per una sua migliore intelligibilit?, la seguente descrizione dovrebbe essere letta facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:

le Figure 1A e 1B mostrano una vista dall?alto e una vista in sezione, rispettivamente, di un generatore termoelettrico in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione;

la Figura 2 mostra una vista prospettica di un generatore termoelettrico in accordo con un?altra forma di realizzazione della presente invenzione, e

le Figure 3A-3C mostrano i principali passi di fabbricazione di un generatore termoelettrico basato su cavit? in accordo con forme di realizzazione della presente invenzione.

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite dell?invenzione Con riferimento ai disegni, essi mostrano rappresentazioni semplificate di generatori termoelettrici in accordo con forme di realizzazione della presente invenzione.

Nel seguito, quando una o pi? caratteristiche sono introdotte dalla dicitura ?in accordo con una forma di realizzazione?, esse devono essere interpretate come caratteristiche aggiuntive o alternative a qualsiasi caratteristica precedentemente introdotta, se non diversamente indicato e / o salvo incompatibilit? tra combinazioni di caratteristiche che sarebbero immediatamente evidenti alla persona esperta del ramo.

Nel seguito, terminologia direzionale (ad esempio superiore, inferiore, laterale, centrale, longitudinale, trasversale e verticale) associata ai generatori termoelettrici ed ai relativi componenti verr? utilizzata solo in relazione al loro orientamento nelle figure e non ? indicativa di alcun loro specifico orientamento di utilizzo. A questo proposito, nelle figure ? illustrato un sistema di riferimento, il sistema di riferimento essendo identificato da tre direzioni ortogonali X, Y e Z indicate come direzione longitudinale X, direzione trasversale Y e direzione verticale Z.

Per ragioni di concisione, solo componenti dei generatori termoelettrici ritenuti rilevanti per la comprensione della presente invenzione sono mostrati nelle figure e saranno discussi nel seguito, con altri componenti ben noti dei generatori termoelettrici dell?utente che sono stati omessi intenzionalmente.

Con particolare riferimento alle Figure 1A e 1B, esse mostrano una vista dall?alto e una vista in sezione, rispettivamente, di un generatore termoelettrico 100 in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione. In particolare, la Figura 1B mostra il generatore termoelettrico 100 lungo l?asse di sezione I-I illustrato nella Figura 1A.

In accordo con una forma di realizzazione, il generatore termoelettrico 100 comprende un substrato 105. In accordo con una forma di realizzazione, il substrato 105 comprende un materiale semiconduttore. In accordo con una forma di realizzazione, il materiale semiconduttore comprende silicio.

In accordo con una forma di realizzazione, il generatore termoelettrico 100 comprende uno o pi? elementi (indicati come elementi termoelettrici), globalmente indicati mediante il riferimento numerico 110, configurati per convertire una caduta termica ai loro capi in un potenziale elettrico per effetto Seebeck.

In accordo con una forma di realizzazione, gli elementi termoelettrici 110 sono al di sopra del o sul substrato 105.

In accordo con una forma di realizzazione, il generatore termoelettrico 100 comprende una cavit? 115 tra il substrato 105 e gli elementi termoelettrici 110.

In accordo con una forma di realizzazione, la cavit? 115 ? definita da uno spazio, lungo la direzione verticale Z, tra il substrato 105 e gli elementi termoelettrici 110.

Lo spazio tra il substrato 105 e gli elementi termoelettrici 110 pu? essere realizzato attraverso qualsiasi espediente strutturale.

In accordo con una forma di realizzazione, il substrato 105 ha una struttura internamente cava. In accordo con una forma di realizzazione, il substrato 105 comprende una porzione inferiore 105B e una prima (sinistra, prendendo come riferimento l?orientamento nelle figure) 105L e una seconda (destra, prendendo come riferimento l?orientamento nelle figure) 105R porzione laterale (fornite ad estremit? laterali opposte della porzione inferiore 105B del substrato 105) che si estendono in altezza, cio? lungo la direzione verticale Z, oltre la porzione inferiore 105B del substrato 105; in questa forma di realizzazione, le porzioni laterali 105L,105R ed inferiore 105B del substrato 105 delimitano la cavit? 115, e l?estensione in altezza delle porzioni laterali 105L,105R determina lo spazio tra il substrato 105 (in particolare, la sua porzione inferiore 105B) e gli elementi termoelettrici 110.

In accordo con una forma di realizzazione, il generatore termoelettrico 100 comprende, sul substrato 105, uno strato elettricamente isolante 120.

In accordo con una forma di realizzazione, gli elementi termoelettrici 110 sono formati sullo strato elettricamente isolante 120.

In accordo con una forma di realizzazione, lo strato elettricamente isolante 120 comprende ossido di silicio.

In accordo con una forma di realizzazione, lo strato elettricamente isolante 120 si estende in lunghezza, ovvero lungo la direzione longitudinale X, fino alle porzioni laterali 105L,105R del substrato 105, lo strato elettricamente isolante 120 poggiando almeno parzialmente (completamente, nell?esempio illustrato) sulle porzioni laterali 105L,105R del substrato 105.

In accordo con una forma di realizzazione, gli elementi termoelettrici 110 comprendono una pluralit? di nanostrutture termoelettriche interconnesse, le nanostrutture termoelettriche essendo ad esempio nanofili termoelettrici.

In accordo con una forma di realizzazione, la pluralit? di nanofili termoelettrici interconnessi comprende una pluralit? di nanofili termoelettrici aventi una conduttivit? di tipo N, cui da qui in avanti ci si riferir? con nanofili termoelettrici di tipo N 110N, ed una pluralit? di nanofili termoelettrici aventi una conduttivit? di tipo P, cui da qui in avanti ci si riferir? con nanofili termoelettrici di tipo P 110P.

In accordo con una forma di realizzazione, i nanofili termoelettrici sono realizzati in silicio (i nanofili termoelettrici di tipo N 110N essendo quindi nanofili termoelettrici in silicio drogato N, ed i nanofili termoelettrici di tipo P 110P essendo quindi nanofili termoelettrici in silicio drogato P). In accordo con una forma di realizzazione, i nanofili termoelettrici di tipo N 110N comprendono silicio drogato con fosforo, ed i nanofili termoelettrici di tipo P 110P comprendono silicio drogato con boro.

In accordo con una forma di realizzazione, i nanofili termoelettrici sono realizzati in polisilicio (i nanofili termoelettrici di tipo N 110N essendo quindi nanofili termoelettrici in polisilicio drogato N, ed i nanofili termoelettrici di tipo P 110P essendo quindi nanofili termoelettrici in polisilicio drogato P). In accordo con una forma di realizzazione, i nanofili termoelettrici di tipo N 110N comprendono polisilicio drogato con fosforo, ed i nanofili termoelettrici di tipo P 110P comprendono polisilicio drogato con boro.

Nel seguito, i nanofili termoelettrici di tipo N 110N ed i nanofili termoelettrici di tipo P 110P saranno indicati come nanofili termoelettrici 110N,110P, quando distinguere tra essi non ? rilevante per gli scopi della presente divulgazione.

In accordo con una forma di realizzazione, i nanofili termoelettrici 110N,110P esibiscono una conduttivit? termica al di sotto di 10 W/mK.

Nelle Figure 1A e 1B, i nanofili termoelettrici di tipo N 110N e i nanofili termoelettrici di tipo P 110P sono graficamente differenziati tra loro per mezzo di rispettivi effetti di riempimento.

Come pu? essere meglio apprezzato nella Figura 1A, in accordo con una forma di realizzazione, i nanofili termoelettrici di tipo N 110N ed i nanofili termoelettrici di tipo P 110P sono elettricamente connessi in serie tra loro in maniera alternata attraverso rispettivi conduttori elettricamente conduttivi 125, ovvero con ciascun nanofilo termoelettrico di tipo N 110N che ? elettricamente connesso in serie ad un successivo nanofilo termoelettrico di tipo P 110P attraverso un rispettivo connettore elettricamente conduttivo 125 e ad un rispettivo nanofilo termoelettrico di tipo P 110P precedente attraverso un rispettivo connettore elettricamente conduttivo 125.

In accordo con una forma di realizzazione, i nanofili termoelettrici di tipo N 110N e i nanofili termoelettrici di tipo P 110P sono formati sullo strato elettricamente isolante 120 secondo una disposizione planare a serpentina: un esempio di tale disposizione ? descritto in M. Tomita e altri ?10?W/cm<2>-Class High Power Density Planar Si-Nanowire Thermoelectric Energy Harvester Compatible with CMOS-VLSI Technology?, che ? qui incorporato per riferimento.

Poich? i nanofili termoelettrici di tipo N 110N e i nanofili termoelettrici di tipo P 110P hanno tipi opposti di conduttivit?, presentano anche coefficienti di Seebeck opposti: quando una sorgente di calore (non mostrata) viene posizionata sul generatore termoelettrico 100, viene stabilito un gradiente di temperatura ai capi dei nanofili termoelettrici 110N,110P (infatti, i nanofili termoelettrici 110N,110P sono tra la sorgente di calore e il substrato 105, che funge da sorgente fredda o dissipatore di calore), e viene stabilita una differenza potenziale tra terminali elettricamente conduttivi 130 alle estremit? della disposizione a serpentina, dovuta al flusso dei portatori di carica (all?interno dei nanofili termoelettrici 110N,110P) guidato dal gradiente di temperatura.

Il generatore termoelettrico finora divulgato ? noto nella tecnica e appartiene alla categoria dei generatori termoelettrici in cui gli elementi termoelettrici (i nanofili termoelettrici 110N,110P nell?esempio in questione) sono sospesi sul substrato 115. In questa categoria di generatori termoelettrici, se, da un lato, la presenza della cavit? 115 consente di mantenere o assicurare il gradiente di temperatura ai capi dei nanofili termoelettrici 110N,110P, dall?altro lato la presenza della cavit? 115 riduce la stabilit? meccanica.

Al fine di incrementare la stabilit? meccanica, e compensare la presenza della cavit? 115, in accordo con una forma di realizzazione il generatore termoelettrico 100 comprende, all?interno della cavit? 115, una struttura di supporto 135 per supportare i nanofili termoelettrici 110N,110P (in particolare, l?assieme nanofili termoelettrici 110N,110P / strato elettricamente isolante 120, nell?esempio in questione).

In accordo con una forma di realizzazione, la struttura di supporto 135 ha una conduttivit? termica inferiore alla conduttivit? termica dei nanofili termoelettrici 110N,110P, per cui la corrente di calore dalla sorgente di calore alla sorgente fredda ? sostanzialmente non influenzata (termicamente) dalla struttura di supporto 135.

In accordo con una forma di realizzazione, la struttura di supporto 135 ha una conduttivit? termica molto inferiore, come da 10 a 1000 (ad esempio, 100) volte inferiore, alla conduttivit? termica del substrato 115.

In accordo con una forma di realizzazione, un rapporto tra la conduttivit? termica della struttura di supporto 135 e la conduttivit? termica del substrato 105 ? inferiore a 0.02.

In accordo con una forma di realizzazione, la struttura di supporto 135 ha una conduttivit? termica inferiore a 2 W/mK, la conduttivit? termica del silicio essendo circa 148 W/mK.

In accordo con una forma di realizzazione, la struttura di supporto 135 comprende almeno un materiale tra silicio poroso, idrogeno silsesquiossano (HSQ) e ossido di plasma ad alta densit? (HDP), o qualsiasi loro combinazione.

La conduttivit? termica del silicio poroso diminuisce all?aumentare della porosit?. A mero titolo di esempio, la conduttivit? termica del silicio poroso varia da 0.15 W/mK a 1.5 W/mK per porosit? dal 75% al 25%, rispettivamente.

Le conduttivit? termiche del HSQ e del HDP sono di circa 0.37 W/mK e 1.2 W/mK.

In accordo con una forma di realizzazione, la cavit? 115 ? (completamente, o sostanzialmente completamente) riempita con uno o pi? materiali tra silicio poroso, HSQ e HDP, il materiale (i materiali) che riempiono la cavit? 115 formando la struttura di supporto 135.

In accordo con una forma di realizzazione, non mostrata, la cavit? 115 ? solo parzialmente riempita con uno o pi? materiali tra silicio poroso, HSQ e HDP, con il materiale (i materiali) che riempiono parzialmente la cavit? 115 che possono essere in forma di, ad esempio, uno o pi? pilastri verticali che si estendono tra la porzione di fondo 105B del substrato 105 ed i nanofili termoelettrici 110N,110P (in particolare, l?assieme nanofili termoelettrici 110N,110P / strato elettricamente isolante 120, nell?esempio in questione).

Con riferimento ora alla Figure 2, essa mostra una vista prospettica di un generatore termoelettrico 200 in accordo con un?altra forma di realizzazione della presente invenzione.

Analogamente al generatore termoelettrico 100, il generatore termoelettrico 200 ? un miglioramento di un generatore termoelettrico noto appartenente alla categoria dei generatori termoelettrici in cui gli elementi termoelettrici sono sospesi su un substrato e viene fornita una cavit? che consente di mantenere o assicurare il gradiente di temperatura ai capi degli elementi termoelettrici.

Il generatore termoelettrico 200 ha una struttura simile al generatore termoelettrico 100, per cui caratteristiche uguali o simili non saranno discusse in maniera approfondita per motivi di concisione.

In accordo con una forma di realizzazione, il generatore termoelettrico 200 comprende un substrato 205. In accordo con una forma di realizzazione, il substrato 205 comprende un materiale semiconduttore. In accordo con una forma di realizzazione, il materiale semiconduttore comprende silicio.

In accordo con una forma di realizzazione, il generatore termoelettrico 200 comprende uno o pi? elementi termoelettrici, indicati globalmente mediante il riferimento numerico 210, configurati per convertire una caduta termica ai loro capi in un potenziale elettrico per effetto Seebeck.

In accordo con una forma di realizzazione, il generatore termoelettrico 200 comprende una cavit? 215 tra il substrato 205 e gli elementi termoelettrici 210.

In accordo con una forma di realizzazione, la cavit? 215 ? definita da uno spazio, lungo la direzione verticale Z, tra il substrato 205 e gli elementi termoelettrici 210.

Lo spazio tra il substrato 205 e gli elementi termoelettrici 210 pu? essere realizzato attraverso qualsiasi espediente strutturale.

In accordo con una forma di realizzazione, il substrato 205 ha una struttura internamente cava. In accordo con una forma di realizzazione, il substrato 205 comprende una porzione di fondo 205B, ed una prima (sinistra, considerando l?orientamento nelle figure come riferimento) 205L ed una seconda (destra, considerando l?orientamento nelle figure come riferimento) 205R porzione laterale estendentisi in altezza oltre la porzione di fondo 205B del substrato 205; in questa forma di realizzazione, le porzioni laterali 205L,205R e di fondo 205B del substrato 205 delimitano la cavit? 215, e l?estensione in altezza della porzione laterale 205P determina lo spazio tra il substrato 205 (in particolare, la sua porzione di fondo 205B) e gli elementi termoelettrici 210.

In accordo con una forma di realizzazione, non mostrata, strati elettricamente isolanti sono formati sulle porzioni laterali 205L,205R del substrato 205, tali strati elettricamente isolanti comprendendo ad esempio ossido di silicio.

In accordo con una forma di realizzazione, non mostrata, il substrato 205 ? un substrato pieno (ovvero, non presenta una struttura internamente cava) e strati elettricamente isolanti sono formati ai suoi lati sinistro e destro: in questa forma di realizzazione, gli strati elettricamente isolanti ed il substrato delimitano la cavit? su cui possono essere sospesi gli elementi termoelettrici.

In accordo con una forma di realizzazione, gli elementi termoelettrici 210 comprendono una pluralit? di nanostrutture termoelettriche interconnesse, le nanostrutture termoelettriche essendo ad esempio nanomembrane termoelettriche.

In accordo con una forma di realizzazione, le nanomembrane termoelettriche 210 sono nanomembrane termoelettriche a forma di parallelepipedo disposte con le loro superficie maggiori perpendicolarmente al substrato 205. In accordo con una forma di realizzazione, il generatore termoelettrico 200 comprende una prima 220L ed una seconda 220R massa laterale sulla porzione laterale sinistra 205L e destra 205R del substrato 205, rispettivamente, ed una terza massa 220C tra la massa laterale sinistra 220L e destra 220R per mezzo degli elementi termoelettrici 210. In accordo con una forma di realizzazione, la massa 220C ? posizionata centralmente, lungo la direzione longitudinale X tra la porzione laterale sinistra 205L e destra 205R del substrato 205, pertanto essa sar? indicata come massa centrale 220C nel seguito.

In accordo con una forma di realizzazione, le nanomembrane termoelettriche tra (ovvero, connesse a) la massa laterale sinistra 220L e la massa centrale 220C comprendono una pluralit? di nanomembrane termoelettriche aventi una conduttivit? di tipo P (da qui in avanti indicate come nanomembrane termoelettriche di tipo P 210P) e le nanomembrane termoelettriche tra (ovvero, connesse a) la massa laterale destra 220R e la massa centrale 220C comprendono una pluralit? di nanomembrane termoelettriche aventi una conduttivit? di tipo N (da qui in avanti indicate come nanomembrane termoelettriche di tipo N 210N).

In accordo con una forma di realizzazione, non mostrata, le nanomembrane termoelettriche di tipo N 210N sono posizionate tra la massa laterale sinistra 220L e la massa centrale 220C, e le nanomembrane termoelettriche di tipo P 210P sono posizionate tra la massa laterale destra 220R e la massa centrale 220C.

In accordo con una forma di realizzazione, le nanomembrane termoelettriche di tipo N 210N sono parallele l?una all?altra, le nanomembrane termoelettriche di tipo P 210P sono parallele l?una all?altra, e le nanomembrane termoelettriche di tipo N disposte in parallelo 210N sono in serie alle nanomembrane termoelettriche di tipo P disposte in parallelo 210P.

Un esempio della configurazione sopra discussa ? descritto in G. Pennelli e M. Maccucci, ?High-power thermoelectric generators based on nanostructured silicon?, che ? incorporato per riferimento.

In accordo con una forma di realizzazione, le nanomembrane termoelettriche sono realizzate in silicio (le nanomembrane termoelettriche di tipo N 210N essendo quindi nanomembrane termoelettriche in silicio drogato N, e le nanomembrane termoelettriche di tipo P 210P essendo quindi nanomembrane termoelettriche in silicio drogato P). In accordo con una forma di realizzazione, le nanomembrane termoelettriche di tipo N 210N comprendono silicio drogato con fosforo, e le nanomembrane termoelettriche di tipo P 210P comprendono silicio drogato con boro.

In accordo con una forma di realizzazione, le nanomembrane termoelettriche sono realizzate in polisilicio (le nanomembrane termoelettriche di tipo N 210N essendo quindi nanomembrane termoelettriche in polisilicio drogato N, e le nanomembrane termoelettriche di tipo P 210P essendo quindi nanomembrane termoelettriche in polisilicio drogato P). In accordo con una forma di realizzazione, le nanomembrane termoelettriche di tipo N 210N comprendono polisilicio drogato con fosforo, e le nanomembrane termoelettriche di tipo P 210P comprendono polisilicio drogato con boro.

In accordo con una forma di realizzazione, una o pi? (preferibilmente tutte) tra la masse laterali 220L,220R e centrale 220C sono realizzate in silicio.

In accordo con una forma di realizzazione, una o pi? (preferibilmente tutte) tra la masse laterali 220L,220R e centrale 220C sono realizzate in polisilicio.

In accordo con una forma di realizzazione, le nanomembrane termoelettriche 210N,210P esibiscono una conduttivit? termica inferiore a 10 W/mK. Dimensionando opportunamente, ad esempio riducendo, lo spessore delle nanomembrane, pu? essere ottenuta una conduttivit? termica inferiore a quella dei nanofili.

Poich? le nanomembrane termoelettriche di tipo N 210N e le nanomembrane termoelettriche di tipo P 210P hanno tipi opposti di conduttivit?, presentano anche coefficienti di Seebeck opposti: quando una sorgente di calore (non mostrata) viene posizionata sul generatore termoelettrico 200, viene stabilito un gradiente di temperatura ai capi delle nanomembrane termoelettriche 210N,210P, e viene stabilita una differenza potenziale dovuta al flusso dei portatori di carica guidato dal gradiente di temperatura.

Il gradiente di temperatura ai capi delle nanomembrane termoelettriche 210N,210P ? mantenuto o assicurato grazie alla presenza della cavit? 215, che dall?altro lato ridurrebbe la stabilit? meccanica del generatore termoelettrico 200.

Al fine di incrementare la stabilit? meccanica del generatore termoelettrico 200, e compensare la presenza della cavit? 215, in accordo con una forma di realizzazione il generatore termoelettrico 200 comprende, all?interno della cavit? 215, una struttura di supporto 235 per supportare le nanomembrane termoelettriche 210N,210P.

In accordo con una forma di realizzazione, la struttura di supporto 235 ha una conduttivit? termica inferiore alla conduttivit? termica delle nanomembrane termoelettriche 210N,210P, per cui la corrente di calore dalla sorgente di calore alla sorgente fredda ? sostanzialmente non influenzata (termicamente) dalla struttura di supporto.

In accordo con una forma di realizzazione, la struttura di supporto 235 ha una conduttivit? termica molto inferiore, come da 10 a 1000 (ad esempio, 100) volte inferiore, rispetto alla conduttivit? termica del substrato 205.

In accordo con una forma di realizzazione, un rapporto tra la conduttivit? termica della struttura di supporto 235 e la conduttivit? termica del substrato 205 ? inferiore a 0.02.

In accordo con una forma di realizzazione, la struttura di supporto 235 ha una conduttivit? termica inferiore a 2 W/mK.

In accordo con una forma di realizzazione, la struttura di supporto 235 comprende almeno un materiale tra silicio poroso, idrogeno silsesquiossano (HSQ) e ossido di plasma ad alta densit? (HDP).

In accordo con una forma di realizzazione, la cavit? 215 ? (completamente, o sostanzialmente completamente) riempita con uno o pi? materiali tra silicio poroso, HSQ e HDP, il materiale (i materiali) che riempiono la cavit? 215 formando la struttura di supporto 235.

In accordo con una forma di realizzazione, non mostrata, la cavit? 215 ? solo parzialmente riempita con uno o pi? materiali tra silicio poroso, HSQ e HDP. In accordo con una forma di realizzazione, il materiale (i materiali) che riempiono parzialmente la cavit? 215 sono in forma di uno o pi? pilastri verticali che si estendono tra la porzione di fondo 205B del substrato 205 e le nanomembrane termoelettriche 210N,210P (o le masse laterali 220L,220R e centrale 220C).

Pertanto, come discusso in precedenza, la forma di realizzazione delle Figure 1A e 1B e la forma di realizzazione della Figura 2 si riferiscono entrambe ad una categoria di generatore termoelettrico (da qui in avanti indicato con generatore termoelettrico basato su cavit?) comprendente un substrato, elementi termoelettrici sul o al di sopra del substrato, ed una cavit? tra il substrato e gli elementi termoelettrici; in accordo con i principi della presente invenzione discussi sopra, qualsiasi generatore termoelettrico basato su cavit? pu? essere provvisto, all?interno della cavit?, di una struttura di supporto per supportare gli elementi termoelettrici, la struttura di supporto avendo una conduttivit? termica inferiore alla conduttivit? termica del substrato, preferibilmente inferiore abbastanza che la corrente di calore dalla sorgente di calore verso la sorgente fredda ? sostanzialmente non influenzata (termicamente) dalla struttura di supporto (e quindi un gradiente di temperatura non trascurabile ? mantenuto ai capi degli elementi termoelettrici).

Come dovrebbe essere inteso, i principi della presente invenzione si applicano in maniera equivalente a qualsiasi generatore termoelettrico basato su cavit?, indipendentemente dalla struttura (ad esempio, forma) e/o connessione elettrica e/o materiale degli elementi termoelettrici.

Con riferimento ora alle Figure 3A-3C, esse mostrano i principali passi di produzione di un (generico) generatore termoelettrico basato su cavit? 300 in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione.

Dapprima ? fornito un substrato 305 (Figura 3A). Nell?esemplificativa forma di realizzazione considerata, il substrato 305 ha una struttura internamente cava, ovvero comprende (in maniera simile alle precedenti forme di realizzazione) una cavit? 315 delimitata da una porzione di fondo 305B del substrato 305 e da porzioni laterali sinistra 305L e destra 305R del substrato 305 estendentisi in altezza oltre la porzione di fondo 305B. In accordo con una forma di realizzazione, la cavit? 315 ? formata attraverso un processo di attacco eseguito su una struttura di substrato pieno convenzionale.

Ad ogni modo, come discusso sopra, la cavit? 315 pu? essere definita tra una struttura di substrato pieno convenzionale e gli elementi termoelettrici al di sopra di essa per mezzo di qualsiasi altro espediente strutturale.

Sul substrato 305, sono forniti uno o pi? elementi termoelettrici 310 (Figura 3B), ciascuno configurato per convertire una caduta termica ai capi dell?elemento termoelettrico in un potenziale elettrico per effetto Seebeck.

A seconda della struttura (ad esempio, forma) e/o connessione elettrica e/o materiale degli elementi termoelettrici 310, possono essere usate differenti tecniche di fabbricazione per formare gli elementi termoelettrici 310, quali litografia avanzata, attacco altamente anisotropo, e/o attacco verticale altamente direzionale (come discusso, ad esempio, in G. Pennelli, E. Dimaggio, e M. Macucci, ?Fabrication Techniques for Thermoelectric Devices Based on Nanostructured Silicon?, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 17, pagine 1627-1633, 2017, che ? qui incorporato per riferimento).

Indipendentemente dalla struttura (ad esempio, forma) e/o connessione elettrica e/o materiale degli elementi termoelettrici 310, gli elementi termoelettrici 310 del (generico) generatore termoelettrico basato su cavit? 300 comprendono una pluralit? di nanostrutture termoelettriche interconnesse (come i nanofili o le nanomembrane discusse nelle precedenti forme di realizzazione) aventi una conduttivit? di tipo N 310N, e nanostrutture termoelettriche (come i nanofili o le nanomembrane discusse nelle precedenti forme di realizzazione) aventi una conduttivit? di tipo P 310P.

La conduttivit? di tipo N delle nanostrutture termoelettriche 310N e la conduttivit? di tipo P delle nanostrutture termoelettriche 310P possono ad esempio essere ottenute mediante fabbricazione delle nanostrutture in un materiale semiconduttore intrinseco (come silicio o polisilicio) e drogandolo mediante una qualsiasi opportuna tecnica di epitassia da fase vapore.

Una struttura di supporto 335 (avente una conduttivit? termica inferiore della conduttivit? termica del substrato) ? fornita nella cavit? 315 per supportare gli elementi termoelettrici (Figura 3C).

In accordo con l?esemplificativa forma di realizzazione considerata, al fine di ottenere la struttura di supporto 335, la cavit? 315 ? (completamente, o sostanzialmente completamente) riempita con uno o pi? materiali tra silicio poroso, HSQ e HDP. In accordo con una forma di realizzazione, per riempire la cavit? 315 con uno o pi? di tali materiali possono essere usate tecniche di deposizione, quali la deposizione elettromeccanica.

In accordo con una forma di realizzazione, la struttura di supporto 335 (come il riempimento della cavit?) ? eseguita prima di formare gli elementi termoelettrici 310.

Naturalmente, al fine di soddisfare requisiti locali e specifici, una persona esperta del ramo pu? applicare all?invenzione sopra descritta molte modifiche e alterazioni logiche e / o fisiche. Pi? specificamente, sebbene la presente invenzione sia stata descritta con un certo grado di particolarit? con riferimento a sue forme di realizzazione preferite, si dovrebbe comprendere che sono possibili varie omissioni, sostituzioni e modifiche nella forma e nei dettagli, nonch? altre forme di realizzazione. In particolare, diverse forme di realizzazione dell?invenzione possono anche essere messe in pratica senza i dettagli specifici esposti nella descrizione precedente per fornire una comprensione pi? approfondita di essa; al contrario, funzioni ben note potrebbero essere state omesse o semplificate per non ingombrare la descrizione con dettagli non necessari. Inoltre, si intende espressamente che elementi specifici e / o passi del metodo descritti in relazione a qualsiasi forma di realizzazione dell?invenzione descritta possano essere incorporate in qualsiasi altra forma di realizzazione.

In particolare, considerazioni simili si applicano se il generatore termoelettrico ha una struttura diversa o comprende componenti equivalenti. In ogni caso, qualsiasi suo componente pu? essere separato in pi? elementi oppure due o pi? componenti possono essere combinati in un singolo elemento; inoltre, ogni componente pu? essere replicato per supportare l?esecuzione delle corrispondenti operazioni in parallelo. Va inoltre notato che (se non diversamente indicato) qualsiasi interazione tra componenti diversi in genere non deve essere continua e pu? essere diretta o indiretta attraverso uno o pi? intermediari.

Inoltre, la presente invenzione si presta ad essere implementata attraverso un metodo equivalente (usando passi simili, eliminando alcuni passi non essenziali o aggiungendo ulteriori passi opzionali); inoltre, i passi possono essere eseguiti in ordine diverso, contemporaneamente o in modo intervallato (almeno in parte).

Inoltre, sebbene in precedenza si sia fatto esplicito riferimento ad un generatore termoelettrico, dovrebbe essere facilmente compreso che i principi della presente invenzione possono anche essere applicati, eventualmente con opportune modifiche che saranno alla portata della persona esperta del ramo, ad un raffreddatore termoelettrico (chiamato raffreddatore Peltier), ovvero un dispositivo che, per effetto Peltier, ? in grado di creare un flusso di calore alla giunzione di due diversi tipi di materiali.

Inoltre, stesse considerazioni valgono per un dispositivo concepito per funzionare sia come generatore termoelettrico che come raffreddatore termoelettrico: quando usato come raffreddatore termoelettrico, viene applicata una tensione attraverso il dispositivo e, di conseguenza, si creer? una differenza di temperatura tra i due lati (effetto Peltier); quando viene usato come generatore termoelettrico, un lato del dispositivo viene riscaldato a una temperatura maggiore dell?altro lato e, di conseguenza, si creer? una differenza di tensione tra i due lati (effetto Seebeck).

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Generatore termoelettrico (100; 200; 300) comprendente: un substrato (105; 205; 305); sul substrato, uno o pi? elementi termoelettrici (110; 210; 310) ciascuno configurato per convertire una caduta termica ai capi degli elementi termoelettrici in un potenziale elettrico per effetto Seebeck; una cavit? (115; 215; 315) tra il substrato e gli elementi termoelettrici, e all?interno della cavit?, una struttura di supporto (135; 235; 335) per supportare gli elementi termoelettrici, la struttura di supporto avendo una conduttivit? termica inferiore alla conduttivit? termica del substrato.
2. Generatore termoelettrico (100; 200; 300) in accordo con la rivendicazione 1, in cui un rapporto tra la conduttivit? termica della struttura di supporto e la conduttivit? termica del substrato ? inferiore a 0,02.
3. Generatore termoelettrico (100; 200; 300) in accordo con la rivendicazione 1 o 2, in cui la struttura di supporto comprende almeno un materiale avente una conduttivit? termica al di sotto di 2 W/mK.
4. Generatore termoelettrico (100; 200; 300) in accordo con la rivendicazione 3, in cui l?almeno un materiale comprende almeno uno tra silicio poroso, idrogeno silsesquiossano e ossido di plasma ad alta densit?.
5. Generatore termoelettrico (100; 200; 300) in accordo con la rivendicazione 3 o 4, in cui detta cavit? ? riempita con detto almeno un materiale.
6. Generatore termoelettrico (100; 200; 300) in accordo con una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cu l?almeno un elemento termoelettrico comprende una pluralit? di nanostrutture termoelettriche interconnesse (110; 210; 310).
7. Generatore termoelettrico (100; 200) in accordo con la rivendicazione 6, in cui detta pluralit? di nanostrutture termoelettriche interconnesse comprende una pluralit? di nanostrutture termoelettriche (110N; 210N; 310N) aventi un primo tipo di conduttivit? ed una pluralit? di nanostrutture termoelettriche (110P; 210P; 310P) aventi un secondo tipo di conduttivit? opposto al primo tipo.
8. Generatore termoelettrico (100; 200; 300) in accordo con la rivendicazione 6 o 7, in cui dette nanostrutture termoelettriche sono realizzate in silicio.
9. Generatore termoelettrico (100; 200; 300) in accordo con la rivendicazione 6 o 7, in cui dette nanostrutture termoelettriche sono realizzate in polisilicio.
10. Un metodo per fabbricare un generatore termoelettrico (100; 200; 300), in cui il metodo comprende: fornire un substrato (105; 205; 305); fornire, sul substrato, uno o pi? elementi termoelettrici (110; 210; 310) ciascuno configurato per convertire una caduta termica ai capi dell?elemento termoelettrico in un potenziale elettrico per effetto Seebeck; formare una cavit? (115; 215; 315) tra il substrato e gli elementi termoelettrici, e fornire, all?interno della cavit?, una struttura di supporto (135; 235; 335) per supportare gli elementi termoelettrici, la struttura di supporto avendo una conduttivit? termica inferiore alla conduttivit? termica del substrato.