ES2372210A1 - Dispositivo de generación termoeléctrica, generador termoeléctrico y método de fabricación de dicho dispositivo de generación termoeléctrica. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de generación termoeléctrica, generador termoeléctrico y método de fabricación de dicho dispositivo de generación termoeléctrica.Se describe un generador termoeléctrico integrable de manera monolítica en silicio donde las diferencias térmicas se generen por la diferente inercia térmica de una pequeña masa de silicio suspendida en el aire y una masa de silicio en contacto con una fuente de calor. Asimismo se detalla el proceso de fabricación de dicho generador termoeléctrico.
Description
Dispositivo de generación termoeléctrica,
generador termoeléctrico y método de fabricación de dicho
dispositivo de generación termoeléctrica.
La presente invención se refiere al campo de la
microelectrónica y de los materiales, más concretamente al campo de
la generación termoeléctrica mediante dispositivos integrables en
silicio.
El objeto de la invención consiste en un
dispositivo de pequeño tamaño e integrable en Si para la generación
de energía eléctrica a partir de gradientes de temperatura, un
generador que incluye varios de dichos dispositivos y el método de
fabricación del dispositivo.
La dificultad en la miniaturización e
integración mediante tecnología microelectrónica de generadores
termoeléctricos radica principalmente en tres aspectos:
- -
- Pobres propiedades termoeléctricas de los materiales tradicionalmente empleados en la industria microelectrónica (silicio y germanio, básicamente).
- -
- Dificultad para generar gradientes de temperatura, a escala micrométrica, conectables entre sí mediante un material termoeléctrico.
- -
- Necesidad del uso de generadores termoeléctricos basados en dos materiales diferentes (tipo p y tipo n, conectados en paralelo térmicamente) debido a problemas de termalización y altas resistencias de contacto eléctrico.
Actualmente no existe en el mercado ningún
generador termoeléctrico, compatible con tecnología de silicio,
basado en nanoestructuras tales como membranas nanométricas o
nanohilos o simplemente capa delgada. Sí existen microgeneradores
termoeléctricos integrables en silicio pero ofrecen bajo rendimiento
y generadores basados en otros materiales pero no integrables en
silicio (basados en telururos, bismutos, etc).
El objeto de la presente invención es un
dispositivo, más concretamente un microdispositivo planar, de
generación de electricidad a partir de gradientes térmicos,
integrable en silicio y compatible con tecnología microelectrónica
donde las diferencias térmicas se generen por la diferente inercia
térmica de una pequeña masa de silicio suspendida en el aire y un
marco de silicio perimetral en contacto térmico con el sustrato
subyacente masivo de silicio en contacto a su vez con una fuente de
calor. Asimismo se describe el procedimiento de fabricación dicho
dispositivo.
La presente invención resuelve todos los
problemas citados en el apartado anterior permitiendo la integración
eficiente de generadores termoeléctricos en la industria
microelectrónica. Las distintas soluciones a los diferentes
problemas planteados se consigue respectivamente, mediante:
- -
- Empleo de materiales típicos de la industria electrónica en escala nanométrica (nanohilos de silicio, capas delgadas de germanio o similar). La presente invención no se restringe a este tipo de materiales sino que se extiende a objetos de tamaño nanométrico de otros materiales (semiconductores, óxidos o cualquiera con buenas propiedades termoeléctricas en la nanoescala).
- -
- Empleo de estructuras de baja inercia térmica (membranas, masas suspendidas o similares) aisladas térmicamente de un marco masivo que permiten generar gradientes térmicos. Estos gradientes térmicos se utilizan para generar electricidad al conectar la estructura de baja inercia térmica y el marco masivo con un material termoeléctrico nanoestructurado. Esta configuración es planar lo que permite una mayor modularidad, integrabilidad y conectividad en serie o paralelo.
- -
- Empleo de conexiones eléctricas entre diferentes microgeneradores (parte fría unida a parte caliente) mediante estructuras de baja inercia térmica (vigas, puentes o similares) lo que evita termalización. Esta estrategia permite trabajar con un solo material termoeléctrico (tipo p o tipo n) simplificando el microgenerador. Además, el posible empleo del material con que se microfabrica la estructura como material termoeléctrico (ej. Silicio o germanio) permite reducir las resistencias de contacto.
El dispositivo objeto de la invención presenta
una gran variedad de aplicaciones industriales dado que es un
dispositivo genérico de conversión de calor residual en energía
eléctrica. Además, su carácter modular permite su conexión en serie
y paralelo pudiéndose cubrir un amplio rango de potencias.
En concreto, dada la integrabilidad del
dispositivo o de un generador formado por una matriz de dichos
dispositivos objeto de la invención en microsistemas (MEMS), el
objeto de la invención se hace especialmente útil en el campo de la
alimentación de microsistemas para aplicaciones en inteligencia
ambiental, seguridad, salud o alimentación. Su carácter pasivo, le
permite usar calor residual de otros procesos para convertirlos en
energía eléctrica, siendo pues un dispositivo generador basado en el
denominado "harvesting" energético.
El dispositivo objeto de la invención consiste
esencialmente en un marco masivo rectangular en el interior de cual
se encuentra suspendida una masa mediante una nanoestructura, que
puede venir definida por una alta densidad de nanohilos, un mallado
de nanohilos o una membrana nanométrica con o sin pistas
nanométricas definidas en la membrana; todo ello definido sobre una
capa de aislante eléctrico, que puede ser añadida o formar parte de
la oblea sobre la cual se definen los elementos del dispositivo como
en obleas SOI, con un hueco en su interior para evitar el contacto
con la masa suspendida. Dichos elementos activos del dispositivo son
compatibles con tecnología de silicio pero, a diferencia de los
materiales empleados actualmente, presentan buenas propiedades
termoeléctricas al utilizarse en forma de nanomateriales (nanohilos
o capas delgadas) dando solución no sólo a los problemas
anteriormente planteados sino que además confiere un buen
rendimiento tanto de sistemas de generación termoeléctrica
integrables y compatibles con tecnología de silicio como de sistemas
termoeléctricos basados en un único material (en inglés "unileg
thermoelectric generators") debido al buen aislamiento térmico
entre las partes fría y caliente del sistema. Además de tener
capacidad de integración en tecnología de silicio, tal y como se ha
descrito anteriormente, el dispositivo objeto de la invención
permite su uso como sistema de "harvesting" (pasivo) integrable
en silicio con buen rendimiento y como sistema de alimentación para
microsistemas.
De forma esquemática se puede resumir que los
elementos fundamentales del dispositivo objeto de la invención
patente son:
- -
- Marco masivo de silicio u otro material susceptible de ser tratado mediante tecnología microelectrónica.
- -
- Masa suspendida del mismo material, salvo por reducidos anclajes con la geometría necesaria para asegurar una alta resistencia al paso de calor.
- -
- Unos conectores de material nanostructurado de buenas propiedades termoeléctricas que conectan el marco y masa suspendida en la casi totalidad del perímetro.
- -
- Contactos eléctricos mediante material conductor eléctrico con baja resistividad y baja resistencia de contacto respectivamente sobre marco y la masa (y anclajes).
- -
- Capa de aislante eléctrico sobre el que se soporta el microgenerador. En especial soporta transitoriamente la masa suspendida durante la fabricación del microgenerador.
Dichos elementos que conforman el dispositivo
objeto de la invención se pueden replicar para formar una matriz de
varios dispositivos conectados entre sí para formar un generador
termoeléctrico de mayores prestaciones; mediante el interconexionado
de varios dispositivos se consigue una mayor eficiencia en cuanto a
voltaje e intensidad.
La presente invención es de particular interés
para la industria microelectrónica que posee las técnicas necesarias
para la fabricación del microgenerador así como para una multitud de
industrias aledañas que requieren dar autonomía a sistemas
portátiles o microsistemas. Más allá, los microgeneradores de la
presente invención pueden acoplarse a sistemas de refrigeración,
sistemas con excedentes de calor o sistemas donde se den diferencias
de temperatura de forma natural para cubrir necesidades de
alimentación eléctrica.
De esta manera aplicaciones como algunas de las
que se listan a continuación, y sus industrias fabricantes o
usuarias, serían el objeto de este dispositivo microgenerador o de
un generador formado por varios dispositivos microgeneradores:
- Industria del frío, dada la diferencia de
temperatura entre el canal de refrigeración y el exterior.
- Industria de la automoción, dado el exceso de
calor generado naturalmente en diferentes partes de todo tipo de
vehículo (motor, ruedas, etc).
- Industria aeronáutica, dada, por ejemplo, la
diferencia de temperatura entre el interior y exterior de una cabina
de avión.
- Industria electrónica, dado el exceso de calor
producido en circuitos impresos.
- Industria de la iluminación, dado el exceso de
calor producido en la mayoría de sistemas de iluminación tales como
bombillas o LEDs.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra unas vistas en perspectiva,
alzado y perfil, del dispositivo objeto de la invención.
Figura 2.- Muestra una vista en perspectiva de
una matriz de varios dispositivos interconectados.
Figura 3.- Muestra el proceso de fabricación del
dispositivo objeto de la invención.
A la vista de las figuras se describe a
continuación un modo de realización preferente del dispositivo (1)
objeto de esta invención.
Este tipo de dispositivo (1) microgenerador
termoeléctrico presenta una gran variedad de aplicaciones en
diferentes sectores industriales. En general, allá donde se
presenten excesos de calor residuales o derivados de otros procesos
y se quiere mejorar la eficiencia energética del sistema.
En un esquema básico del dispositivo (1) objeto
de la presente invención, que se representa en la figura 1, se
realiza un aprovechamiento de un gradiente térmico generado entre un
marco masivo (3) y una masa suspendida (4) térmicamente aislada de
aquel, ambos constituidos a partir de una misma oblea de Si o tipo
silicio sobre aislante (SOI). Para ello se somete a dicho gradiente
unos conectores (5) que se encuentran definidos entre la masa
suspendida (4) y el marco masivo (3) de material termoeléctrico
nanostructurado para generar electricidad a partir de dicho
gradiente térmico al que se encuentran sometidos los conectores
(5).
Una conexión eléctrica de varios de estos
dispositivos (1) mediante pistas de Si con capas de W o Pt sobre
ellas que unen entre sí unos contactos eléctricos (6) que se
encuentran respectivamente ubicados conectados al marco masivo (3) y
a la masa suspendida (4), permite aumentar el voltaje y/o intensidad
del sistema tal y como se observa en la figura 2, dando lugar a un
generador termoeléctrico.
La masa suspendida (4) en el interior del marco
masivo (3) y el propio marco masivo (3) son de un material base
compatible con la industria microelectrónica y en formato oblea
preferiblemente; además se requiere una capa aislante (2) de
material aislante eléctrico de pequeño grosor (puesto que
habitualmente también es material aislante térmico) sobre el que
fabricar tanto la masa (4) como el marco masivo (3), tal como la
capa de óxido en obleas de silicio tipo SOI (Silicon On Insulator).
Para ello, y mediante procesos tales como micromecanizado por
grabado húmedo o seco selectivo, se definen unos motivos necesarios
para conseguir una estructura que responde a la masa suspendida (4)
y el marco masivo (3), de baja inercia térmica en un material base,
preferentemente silicio.
El material termoeléctrico nanostructurado de
los conectores (5) sometido a gradiente térmico es de silicio
nanostructurado en formas tales como nanohilos, capa delgada o
material nano- o meso-poroso. En general, se pueden
utilizar materiales con buenas propiedades termoeléctricas en la
nanoescala y preferentemente compatibles con las técnicas típicas de
la industria microelectrónica: típicamente semiconductores y óxidos
metálicos. La fabricación del material nanostructurado así como su
implementación varía según el material termoeléctrico concreto. Se
trata de procesos tales como: el crecimiento VLS
(Vapor-Líquido-Sólido) de nanohilos
para el caso del silicio; el depósito PLD (Pulsed Laser Deposition)
o CVD (Chemical Vapor Deposition) para capas de óxidos metálicos y
semiconductores; la porosificación mediante HF para el caso de
silicio poroso. También se pueden utilizar otros procesos de
micromecanizado tales como corte láser o electropulido siempre y
cuando el material base sea metálico.
En otra realización del objeto de la invención
se realiza una interconexión de varios dispositivos (1)
microgeneradores que se conectan entre sí mediante unas conexiones
definidas por los contactos eléctricos (6) definidos respectivamente
el marco masivo (3) y la masa suspendida (4) que colectan la
corriente eléctrica generada en el dispositivo (1) para dar lugar a
un generador. Dichos contactos eléctricos (6) son de materiales con
baja resistencia de contacto eléctrico y térmico en relación al
material termoeléctrico y buena conductividad eléctrica, en este
ejemplo de realización y ya que se ha utilizado silicio se utilizan
preferentemente materiales como W ó Pt para dichos contactos
eléctricos (6).
Con el fin de evitar la termalización del
generador al conectar con pistas metálicas diferentes dispositivos
(1) microgeneradores, la conexión de diversos dispositivos se
realiza mediante unas estructuras de alta resistencia térmica tales
como vigas o puentes (tal y como se observa en la figura 2). Este
tipo de estructura se fabrica a la par que se define el marco masivo
(3) y la masa suspendida (4) y, preferentemente, con el mismo tipo
de tecnología microelectrónica (grabados húmedo/seco,
fotolitografía, etc).
Claims (12)
1. Dispositivo (1) de generación termoeléctrica
caracterizado porque comprende:
- una capa aislante (2) con un hueco de lados y
ángulos rectos definido en su interior,
- un marco masivo (3) de baja inercia térmica en
forma de U obtenido a partir de una oblea,
- una masa suspendida (4) de baja inercia
térmica obtenida a partir de la misma oblea que el marco masivo (3)
y situada en el interior del marco masivo (3) sobre el hueco de la
capa aislante (2), que se encuentra suspendida del marco masivo (3)
mediante unos conectores (5) formados por una nanoestructura de
material termoeléctrico que unen al menos parte del perímetro
exterior de la masa suspendida (4) con al menos parte del perímetro
interior del marco masivo (3), y
- unos contactos eléctricos (6) que se
encuentran respectivamente conectados a la masa suspendida (4) y al
marco masivo (3) destinados a distribuir la electricidad producida a
consecuencia de un gradiente térmico entre los conectores (5).
2. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque los conectores (5) son de material de
baja resistencia eléctrica y baja conductividad térmica.
3. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque la oblea, el marco masivo (3) y la masa
suspendida (4) son de un mismo material.
4. Dispositivo (1) según reivindicación 3
caracterizado porque el material se selecciona de entre
materiales susceptibles de ser tratados mediante tecnología
microelectrónica.
5. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque los contactos eléctricos (6) son de un
material conductor eléctrico de baja resistividad y baja resistencia
de contacto con el material del marco masivo (3) y la masa
suspendida (4).
6. Generador termoeléctrico caracterizado
porque comprende más de un dispositivo como el descrito en las
reivindicaciones 1 a 5 conectados entre sí a través de los contactos
eléctricos (6) para aumentar la intensidad y/o el voltaje.
7. Generador según reivindicación 6
caracterizado porque los dispositivos (1) se encuentran
interconectados mediante unas conexiones realizadas en un material
de recubrimiento que se selecciona de entre: Pt y W.
8. Método de fabricación del dispositivo
descrito en las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque
comprende las siguientes fases:
- -
- obtener la masa suspendida (4) y el marco masivo (3) a partir de la oblea mediante procesos microelectrónicos,
- -
- micromecanizar selectivamente la masa suspendida (4) y el marco masivo (3) para generar un gradiente térmico,
- -
- generar la nanoestructura que da lugar a los conectores (5) entre el marco masivo (3) y la masa suspendida (4) que queda sometido al gradiente térmico que la estructura generada en la fase anterior permite establecer, y
- -
- depositar los contactos eléctricos (6) al borde del marco masivo (3) y la masa suspendida (4) respectivamente para recolectar la corriente generada.
9. Método según reivindicación 8
caracterizado porque adicionalmente comprende añadir la capa
aislante (2) en la parte superior de la oblea.
10. Método según reivindicación 8 ó 9
caracterizado porque la capa aislante (2) se define durante
la micromecanización del marco masivo (3) y la masa suspendida (4)
siendo la oblea del tipo SOI (Silicon On Insulator) donde un
aislante ya se entierra durante la fabricación de dicha oblea.
11. Método según reivindicación 8 ó 9
caracterizado porque la fase de obtención del marco masivo
(3) y la masa suspendida (4) se realiza mediante procesos que se
seleccionan de entre: fotolitografía, grabado seco o húmedo, grabado
láser a diferentes niveles y electropulido.
12. Método según reivindicación 8 ó 9
caracterizado porque la fase de generación de la
nanoestructura se realiza mediante procesos que se seleccionan de
entre: sputtering, CVD, PLD y porosificación de silicio.
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2010
- 2010-03-30 ES ES201030486A patent/ES2372210B1/es not_active Expired - Fee Related
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2011
- 2011-03-29 WO PCT/ES2011/070215 patent/WO2011121163A1/es active Application Filing
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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