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.

Dispositivo de generación termoeléctrica, generador termoeléctrico y método de fabricación de dicho dispositivo de generación termoeléctrica.

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 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...

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.