DÁVILA PINEDA, Diana (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus Universidad Autónoma, Bellaterra, E-08193, ES)
SABATÉ VIZCARRA, Neus (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus Universidad Autónoma, Bellaterra, E-08193, ES)
SAN PAULO HERNANDO, Álvaro (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus Universidad Autónoma, Bellaterra, E-08193, ES)
FERNÁNDEZ REGÚLEZ, Marta (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus Universidad Autónoma, Bellaterra, E-08193, ES)
FONSECA CHACHARO, Luis (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus Universidad Autónoma, Bellaterra, E-08193, ES)
TARANCÓN RUBIO, Albert (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus Universidad Autónoma, Bellaterra, E-08193, ES)
DÁVILA PINEDA, Diana (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus Universidad Autónoma, Bellaterra, E-08193, ES)
SABATÉ VIZCARRA, Neus (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus Universidad Autónoma, Bellaterra, E-08193, ES)
SAN PAULO HERNANDO, Álvaro (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus Universidad Autónoma, Bellaterra, E-08193, ES)
FERNÁNDEZ REGÚLEZ, Marta (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus Universidad Autónoma, Bellaterra, E-08193, ES)
FONSECA CHACHARO, Luis (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus Universidad Autónoma, Bellaterra, E-08193, ES)
| R E I V I N D I C A C I O N E S 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) en forma de U obtenido a partir de una oblea, - una masa suspendida (4) 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), - 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). Dispositivo según la reivindicación 1 , caracterizado porque adicionalmente comprende unos elementos de anclaje (7) que aumentan la longitud efectiva de la zona activa del dispositivo y el gradiente térmico generado entre la masa suspendida (4) y el marco masivo (3). Dispositivo según la reivindicación 1 , caracterizado porque los conectores (5) son de material de baja resistencia eléctrica y baja conductividad térmica. Dispositivo la según reivindicación 1 , caracterizado porque la oblea, el marco masivo (3) y la masa suspendida (4) son de un mismo material. Dispositivo según reivindicación 4, caracterizado porque el material es seleccionado entre materiales susceptibles de ser tratados mediante tecnología microelectrónica. 6. Dispositivo 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). 5 7. Dispositivo según la reivindicación 1 , caracterizado porque comprende un diseño inter-digitado que aumenta la zona de contacto efectiva de los conectores (5) entre el marco masivo (3) y la masa suspendida (4). 8. Generador termoeléctrico caracterizado porque comprende más de un dispositivo como el descrito en las reivindicaciones 1 a 7 conectados0 entre sí a través de los contactos eléctricos (6) para aumentar la intensidad y/o el voltaje. 9. Generador termoeléctrico según la reivindicación 8, caracterizado porque los dispositivos (1 ) se encuentran interconectados mediante unas conexiones realizadas en un material de recubrimiento seleccionado5 entre Pt y W. 10. Método de fabricación del dispositivo descrito en las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque comprende las siguientes fases: - obtener la masa suspendida (4), el marco masivo (3) y los elementos de anclaje (7) a partir de la oblea mediante 0 procesos microelectrón icos, - 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), la masa suspendida (4) y los 5 elementos de anclaje (7), que quedan sometidos 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 o recolectar la corriente generada. 1 1 . Método según la reivindicación 10, caracterizado porque adicionalmente comprende añadir la capa aislante (2) en la parte superior de la oblea. 12. Método según la reivindicación 10 ó 1 1 , caracterizado porque la capa aislante (2) se define durante la micromecanización del marco masivo (3), la masa suspendida (4) y los elementos de anclaje (7), siendo la oblea del tipo SOI donde un aislante ya se entierra durante la fabricación de dicha oblea. 13. Método según la reivindicación 10 ó 1 1 , caracterizado porque la fase de obtención del marco masivo (3), la masa suspendida (4) y los elementos de anclaje (7), se realiza mediante procesos que se seleccionan de entre: fotolitografía, grabado seco o húmedo, grabado láser a diferentes niveles y electropulido. 14. Método según la reivindicación 10 ó 1 1 , caracterizado porque la fase de generación de la nanoestructura se realiza mediante procesos seleccionados entre: sputtering, CVD, PLD y porosificación de silicio. |
OBJETO DE LA INVENCIÓN 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.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
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).
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
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 el contraste térmico establecido entre 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 de baja inercia térmica 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 (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 térmicamente aislada 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 conductividad 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 conectares de material nanoestructurado 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. Los elementos que conforman el dispositivo pueden modificarse o complementarse de forma opcional para aumentar la eficiencia energética introduciendo:
- Un diseño inter-digitado del marco masivo de silicio y la masa suspendida del mismo material que permita aumentar la zona de contacto efectiva del material nanoestructurado. Es decir, el diseño inter-digitado aumenta la zona de contacto efectiva de los conectares entre el marco masivo y la masa suspendida, por unidad de área del dispositivo.
- Elementos intermedios de anclaje (tiras y pilares), preferentemente de silicio, entre el marco masivo y la masa suspendida para el anclaje del material nanoestructurado. La implementación de dichos elementos de anclaje aumenta el espacio existente entre las masas, incrementando la diferencia útil de temperatura entre ambas. Es decir, aumenta la longitud efectiva de la zona activa del dispositivo y el gradiente térmico generado entre la masa suspendida y el marco masivo. Dichos elementos permiten además superar la posible limitación tecnológica de la longitud física del material nanoestruturado logrando así una mayor longitud efectiva del mismo. Dichas modificaciones pueden combinarse en un mismo dispositivo, aunando las ventajas del aumento del área de contacto y la longitud efectiva de la zona activa del dispositivo.
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.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS 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.
Figuras 3A y 3B.- Muestran el proceso de fabricación del dispositivo objeto de la invención sin y con elementos de anclaje, respectivamente.
Figura 4.- Muestra unas vistas en perspectiva, alzado y perfil, del dispositivo objeto de la invención con elementos intermedios de anclaje entre el marco masivo y la masa suspendida.
Figura 5.- Muestra unas vistas en perspectiva, alzado y perfil, del dispositivo objeto de la invención con un diseño inter-digitado del marco masivo de silicio y la masa suspendida del mismo material.
REALIZACIÓN PREFERENTE 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 conectares (5) de material termoeléctrico nanoestructurado que se encuentran definidos entre la masa suspendida (4) y el marco masivo (3), y en su caso a los elementos opcionales de anclaje (7), para generar electricidad a partir de dicho gradiente térmico al que se encuentran sometidos los conectares (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.
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La masa suspendida (4) en el interior del marco masivo (3), el propio marco masivo (3) y los elementos intermedios de anclaje (7) son de un material base compatible con la industria microelectrónica y en formato oblea preferiblemente; además se requiere una capa aislante (2) de material i o 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) y los elementos de anclaje (7), 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
15 selectivo, se definen unos motivos necesarios para conseguir una estructura en un material base, preferentemente silicio, que responde a la masa suspendida (4), el marco masivo (3) y los elementos intermedios de anclaje (7).
20 El material termoeléctrico nanoestructurado de los contactos (5) sometido a gradiente térmico es de silicio nanoestructurado 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
25 industria microelectrónica: típicamente semiconductores y óxidos metálicos.
La fabricación del material nanoestructurado 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 Láser Deposition) o CVD (Chemical
30 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 micromecan izado 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), la masa suspendida (4) y, en su caso, los elementos intermedios de anclaje (7), preferentemente, con el mismo tipo de tecnología microelectrónica (grabados húmedo/seco, fotolitografía, etc).