Microestructura para generador termoeléctrico con efecto Seebeck y procedimiento de fabricación de la misma.

Procedimiento de fabricación de una microestructura termoeléctrica (10) con efecto Seebeck,

que presenta las etapas siguientes:

- formación de un soporte aislante (12) dotado de una primera (18) y una segunda (20) zonas de conexión;

- formación sobre el soporte (12) de un primer conjunto de elementos conductores o semiconductores (14) 5 que se extienden paralelamente entre sí y según una primera dirección, desde la primera zona de conexión (18) a la segunda zona de conexión (20), presentando dichos elementos (14) un primer coeficiente Seebeck;

- formación sobre el soporte (12) de un segundo conjunto de elementos conductores o semiconductores (22) aislados eléctricamente de los elementos (14) del primer conjunto que se extienden paralelamente entre sí y según una segunda dirección diferente de la primera dirección, de la primera zona de conexión (18) a la segunda zona de conexión (20), presentando los elementos (22) del segundo conjunto un segundo coeficiente Seebeck diferente del primer coeficiente Seebeck; y

- realización en la primera y segunda zonas de conexión (18, 20) del soporte de elementos de conexión eléctrica (24), cuyas dimensiones (P) son seleccionadas, de manera que cada uno de dichos elementos de conexión es apropiado para conectar eléctricamente, por lo menos, un elemento (14) del primer conjunto con, como mínimo, un elemento (22) del segundo conjunto, en el que

- dos elementos conductores o semiconductores (14, 22) de un mismo conjunto están separados, según una dirección predeterminada, en una distancia (d1, d2) media predeterminada en las zonas de conexión (18, 20); y

- la distancia (E), según la dirección predeterminada, entre los bordes de dos elementos de conexión (24) es inferior al mínimo de las distancias (d1, d2) medias que separan los elementos de un mismo conjunto, caracterizado porque

- la dimensión (P) de los elementos de conexión (24), según la dirección predeterminada, es como media superior a dos veces el máximo de las distancias (d1, d2) medias que separan los elementos de un mismo conjunto.

Microestructura para generador termoeléctrico con efecto Seebeck y procedimiento de fabricación de la misma.

SECTOR DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere al campo de los microgeneradores termoeléctricos con efecto Seebeck, es decir, estructuras que convierten la energía térmica en energía eléctrica, y cuyos elementos funcionales son inferiores a un milímetro.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Los generadores termoeléctricos con efecto Seebeck tienen por función transformar un gradiente de temperatura al que son sometidos en una corriente eléctrica. Esta característica es utilizada, por ejemplo, para la generación de corriente propiamente dicha, pero igualmente para realizar una refrigeración o también una medición de temperatura o de flujo térmico. Los generadores termoeléctricos son, por esta razón, habitualmente utilizados en los sistemas microelectromecánicos más conocidos con el acrónimo inglés MEMS.

Para producir corriente eléctrica a partir de un gradiente de temperatura, se crea un conjunto de uniones de materiales que presentan coeficientes Seebeck diferentes conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo, tales como, por ejemplo, uniones P-N conectadas en serie.

Cualquiera que sea el tipo de las estructuras realizadas para estas conexiones, tanto si son planas como en el documento US 6 872 879 o en el documento US 2005/0178424, o en columna como en el documento “Thermoelectric microdevice fabricated by a MEMS-like electrochemical process” (“Microdispositivo termoeléctrico fabricado por un proceso electroquímico parecido a MEMS”) de G. Jeffrey Sny der y otros, Nature materiels, vol. 2, agosto 2003, www.nature.com/naturematerial, la naturaleza microscópica de los diferentes elementos (elementos conductores o semiconductores que forman las uniones de los elementos de conexión, por ejemplo, de dimensión inferior a un milímetro) , impone usualmente procesos de alineación muy precisos con la finalidad de conseguir dichas uniones, de manera que se obtenga una larga serie de uniones, lo que es garantía de eficacia termoeléctrica. En realidad, la fabricación de una microestructura termoeléctrica requiere la puesta en práctica de numerosas etapas mediante material de precisión. En realidad, las microestructuras termoeléctricas del estado de la técnica son, en general, caras y con largos procesos de fabricación.

MATERIA DE LA INVENCIÓN

El objetivo de la presente invención es el de proponer un procedimiento de fabricación simple de una microestructura termoeléctrica que no requiere la puesta en práctica de alineación muy precisa, garantizando, además, una mayor robustez de dicha estructura con respecto a una rotura de unión.

A estos efectos, la invención tiene por objeto un procedimiento de fabricación de una microestructura termoeléctrica con efecto Seebeck, que presenta las siguientes etapas:

- formación de un soporte aislante dotado de una primera y segunda zonas de conexión;

- formación sobre soporte de un primer conjunto de elementos conductores o semiconductores que se extienden paralelamente entre sí y según una primera dirección, desde la primera zona de conexión a la segunda zona de conexión, presentando dichos elementos un primer coeficiente Seebeck;

- formación sobre el soporte de un segundo conjunto de elementos conductores o semiconductores aislados eléctricamente de los elementos del primer conjunto, que se extienden paralelamente entre sí y según una segunda dirección diferente de la primera dirección, de la primera zona de conexión a la segunda zona de conexión, presentando los elementos del segundo conjunto un segundo coeficiente Seebeck diferente del primer coeficiente Seebeck; y

- realización en dichas primera y segunda zonas de conexión del soporte, de elementos de conexión eléctrica, cuyas dimensiones son seleccionadas, de manera que cada uno de dichos elementos de conexión es apropiado para conectar eléctricamente, por lo menos, un elemento del primer conjunto con un mínimo de un elemento del segundo conjunto, en el que

- dos elementos conductores o semiconductores de un mismo conjunto están separados según una dirección predeterminada en una distancia media predeterminada en las zonas de conexión; y

- la distancia según la dirección predeterminada entre los bordes de dos elementos de conexión es inferior al

mínimo de las distancias medias que separan los elementos de un mismo conjunto, según la invención;

- la dimensión de los elementos de conexión, según la dirección predeterminada es, como media, superior a dos veces el máximo de las distancias medias que separan los elementos de un mismo conjunto.

En otro términos, cuando tiene lugar la primera fase de fabricación de la microestructura de la invención se forman los elementos que servirán posteriormente para las uniones sin preocuparse necesariamente de su alineación en el seno del mismo conjunto y sin preocuparse de la orientación relativa precisa del primer conjunto con el segundo conjunto. En una segunda fase, estos elementos son interconectados para formar uniones con ayuda de conectores, cuyas dimensiones son, como media, superior a dos veces la separación de los elementos en la zona de conexión. Procediendo de esta manera se asegura, por lo tanto, formar una serie de conexiones eléctricamente en serie. Además, por las dimensiones importantes de los conectores, se realiza igualmente varias series de uniones en paralelo, de manera que si una unión se rompe existe siempre una ruta paralela para la corriente.

Mientras que en el estado de la técnica se intenta conseguir una sola y única serie eléctrica de uniones, requiriendo de hecho una alineación precisa de los elementos, la invención aprovecha parcialmente el hecho de que conectar conjuntamente más de dos elementos adyacentes no es en absoluto desventajoso e induce, por el contrario, una mayor robustez. Por esta razón, en la invención se buscará ventajosamente una densidad de conexiones eléctricas máxima, en especial para multiplicar las rutas eléctricas paralelas y, por lo tanto, finalmente aumentar la robustez de la estructura, pero igualmente para liberarse al máximo de la necesidad de posicionamiento precisa de estas conexiones con respecto a los elementos constitutivos de las uniones. No limitándose, por lo tanto, a una búsqueda de una conexión de únicamente dos elementos, el procedimiento no tiene, por lo tanto, necesidad de una precisión elevada, lo que simplifica la fabricación de la microestructura.

Según la invención, el primer y segundo conjuntos pueden estar formados respectivamente sobre caras opuestas del soporte aislante, comprendiendo la formación de los elementos de conexión la realización de conexiones eléctricas que atraviesan el soporte sobre las dos caras, en especial la formación de, como mínimo, un orificio que atraviesa el soporte, seguido de la formación de contactos conductores en el seno de este orificio.

Según otra configuración de la invención, los elementos conductores o semiconductores son bandas, hilos, nanohilos y/o fibras monocristalinas Como variante, pueden estar constituidos por un hilo delgado que presenta una conductividad eléctrica anisótropa.

La invención tiene igualmente por objeto una microestructura para generador termoeléctrico de efecto Seebeck que presenta:

- un soporte aislante dotado de una primera zona de conexión y de una segunda zona de conexión;

- sobre el soporte, un primer conjunto de elementos conductores o semiconductores que se extiende paralelamente entre sí y según una primera dirección, entre la primera zona de conexión y la segunda zona de conexión, presentando dichos elementos un primer coeficiente Seebeck;

- sobre el soporte, un segundo conjunto de elementos conductores o semiconductores aislados eléctricamente de los elementos del primer conjunto, extendiéndose entre sí paralelamente y según una segunda dirección diferente de la primera dirección, de la primera zona de conexión a la segunda zona de conexión, presentando los elementos del segundo conjunto un segundo coeficiente Seebeck diferente del primer coeficiente Seebeck; y

- en las primera y segunda zonas de conexión, elementos de conexión eléctrica que conectan eléctricamente, como mínimo, un elemento del primer conjunto a, como mínimo, un elemento del segundo conjunto; en la que

- dos elementos conductores o semiconductores de un mismo conjunto están separados según una dirección predeterminada en una distancia media predeterminada en las zonas de conexión; y

- la distancia según la dirección predeterminada entre los bordes de dos... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de fabricación de una microestructura termoeléctrica (10) con efecto Seebeck, que presenta las etapas siguientes:

- formación de un soporte aislante (12) dotado de una primera (18) y una segunda (20) zonas de conexión;

- formación sobre el soporte (12) de un primer conjunto de elementos conductores o semiconductores (14) que se extienden paralelamente entre sí y según una primera dirección, desde la primera zona de conexión

(18) a la segunda zona de conexión (20) , presentando dichos elementos (14) un primer coeficiente Seebeck;

- formación sobre el soporte (12) de un segundo conjunto de elementos conductores o semiconductores (22) aislados eléctricamente de los elementos (14) del primer conjunto que se extienden paralelamente entre sí y según una segunda dirección diferente de la primera dirección, de la primera zona de conexión (18) a la segunda zona de conexión (20) , presentando los elementos (22) del segundo conjunto un segundo coeficiente Seebeck diferente del primer coeficiente Seebeck; y

- realización en la primera y segunda zonas de conexión (18, 20) del soporte de elementos de conexión eléctrica (24) , cuyas dimensiones (P) son seleccionadas, de manera que cada uno de dichos elementos de conexión es apropiado para conectar eléctricamente, por lo menos, un elemento (14) del primer conjunto con, como mínimo, un elemento (22) del segundo conjunto, en el que

-dos elementos conductores o semiconductores (14, 22) de un mismo conjunto están separados, según una dirección predeterminada, en una distancia (d1, d2) media predeterminada en las zonas de conexión (18, 20) ; y

- la distancia (E) , según la dirección predeterminada, entre los bordes de dos elementos de conexión (24) es inferior al mínimo de las distancias (d1, d2) medias que separan los elementos de un mismo conjunto, caracterizado porque

- la dimensión (P) de los elementos de conexión (24) , según la dirección predeterminada, es como media superior a dos veces el máximo de las distancias (d1, d2) medias que separan los elementos de un mismo conjunto.

2. Procedimiento de fabricación de una microestructura termoeléctrica (10) con efecto Seebeck, según la reivindicación 1, en el que el primer y segundo conjuntos de elementos conductores o semiconductores están formados respectivamente sobre caras opuestas del soporte aislante (12) , y en el que la realización de los elementos de conexión (24) comprende la formación de conexiones eléctricas que atraviesan el soporte entre dichas caras, en especial la formación de, como mínimo, un orificio que traviesa el soporte seguido de la formación de contactos conductores en el seno de dicho orificios.

3. Procedimiento de fabricación de una microestructura termoeléctrica (10) con efecto Seebeck, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los elementos conductores o semiconductores (14, 22) están constituidos por bandas, hilos, nanohilos y/o fibras microcristalinas.

4. Procedimiento de fabricación de una microestructura termoeléctrica (10) con efecto Seebeck, según la reivindicación 2, en el que los elementos semiconductores o conductores (14, 22) de, como mínimo, un conjunto, están constituidos por una película delgada que presenta una conductividad eléctrica anisótropa, aplicada sobre una de las caras del soporte aislante, teniendo la película un eje de conducción máximo de corriente según una dirección diferente de las de los elementos del otro conjunto.

5. Microestructura (10) para generador termoeléctrico con efecto Seebeck, que comporta:

- un soporte aislante (12) dotado de una primera zona de conexión (18) y de una segunda zona de conexión (20) ;

- sobre el soporte (12) , un primer conjunto de elementos conductores o semiconductores (14) que se extienden paralelamente entre sí y según una primera dirección, entre la primera zona de conexión (18) y la segunda zona de conexión (20) , presentando dichos elementos un primer coeficiente Seebeck;

-sobre el soporte (12) , un segundo conjunto de elementos conductores o semiconductores (22) aislados eléctricamente de los elementos (14) del primer conjunto, extendiéndose entre sí paralelamente y según una segunda dirección diferente de la primera dirección, de la primera zona de conexión (18) a la segunda zona de conexión (20) , presentando los elementos (22) del segundo conjunto un segundo coeficiente Seebeck diferente del primer coeficiente Seebeck; y

- en la primera y segunda zonas de conexión (18, 20) , elementos de conexión eléctrica (24) que conectan eléctricamente, como mínimo, un elemento (14) del primer conjunto a, como mínimo, un elemento (22) del segundo conjunto; en la que

-dos elementos conductores o semiconductores (14, 22) de un mismo conjunto están separados, según una

dirección predeterminada, en una distancia (d1, d2) media predeterminada en las zonas de conexión (18, 20) ; 5 y

- la distancia (E) según la dirección predeterminada entre los bordes de dos elementos de conexión (24) es inferior al mínimo de las distancias (d1, d2) medias que separan los elementos de un mismo conjunto, caracterizada porque

- la dimensión (P) de los elementos de conexión (24) , según la dirección predeterminada, es como media

superior a dos veces el máximo de las distancias (d1, d2) medias que separan los elementos de un mismo conjunto.