Conception de micro-générateurs thermoélectriques planaires intégrant une topologie de thermopile 2.5D

Fabrication of planar micro-thermoelectric generators integrating a 2.5D thermopile topology

• Auteur / Autrice : Ibrahim Bel-Hadj
• Direction : Katir Ziouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Date : Soutenance le 18/03/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Vilcot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zahia Bougrioua, Dimitri Taïnoff, Didier Leclercq
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvie Bégot, Étienne Gaviot

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Alimentation en énergie

Internet des objets

Thermocouples

Générateurs thermoélectriques

Chaleur -- Récupération

Mots clés libres

Micro-générateurs

Thermopile

Energy harvesting

Thermoelectricity

Micro-Generators

Thermal modeling

CMOS micro-Nanotechnology

Characterization

Résumé

L’essor considérable des applications liées aux récents progrès de l’internet des objets (IoT) nécessite de développer de nouvelles solutions de collecte de l’énergie environnante pour alimenter les microsystèmes. L’abondance de la chaleur dans notre environnement permet aux dispositifs de récupération de l’énergie thermique d’être une des solutions. Dans ce travail, nous avons développé une famille de micro-générateurs thermoélectriques planaires (µTEG), intégrant une topologie originale de thermopile en 2.5D périodiquement repliée et distribuée sur multi-membrane, capable de convertir de manière directe la chaleur en énergie électrique utile. Cette thermopile, à grande densité d’intégration, emploie des thermocouples à base de matériaux thermoélectriques métalliques (Chromel et Constantan), associés électriquement soit en série, soit en parallèle, permettant de réduire drastiquement la résistance électrique interne de ces µTEGs, à quelques dizaines de Ohms. Pour obtenir de ces modules une puissance de sortie maximale, des modélisations numériques 3D sous COMSOL Multiphysics®, au niveau thermique, ont permis d’optimiser leur dimensionnement. La fabrication de ces dispositifs a été réalisée par des procédés compatibles CMOS, à faible coût, utilisant des matériaux non polluants, abondants, et respectueux de l’environnement. Elle a employé la technique de gravure profonde DRIE de wafers de Silicium pour libérer des membranes de longueurs ajustables permettant d’adapter la résistance thermique des µTEGs à leur environnement. Les dispositifs réalisés en centrale de technologie ont été caractérisés à l’aide de bancs de mesure spécifiques développés à cette fin. La récupération d’un Watt de chaleur permet d’atteindre des puissances électriques thermogénérées de quelques centaines de microwatts. Cela classe ces nouveaux µTEG 2.5D parmi les meilleurs µ-modules de l’état de l’art utilisant des thermoélectriques métalliques.

The tremendous growth of applications related to recent advances in the Internet of Things (IoT) requires the development of new solutions for harvesting/scavenging the environmental energy to power microsystems. The abundance of heat in our environment allows thermal energy harvesting devices to be one of the solutions. In this work, we have developed a family of planar micro-thermoelectric generators (µTEG), integrating a novel 2.5D thermopile topology periodically folded and distributed on multi-membrane, capable of converting heat directly into useful electrical energy. This thermopile, with high integration density, uses thermocouples based on metallic thermoelectric materials (Chromel and Constantan), electrically associated either in series or in parallel, allowing to reduce drastically the internal electrical resistance of these µTEGs to a few tens of Ohms. A 3D thermal modelling in COMSOL Multiphysics® was used to design the optimal dimensions of the modules so they would deliver the maximum output power. The fabrication of these devices is made by low-cost CMOS-compatible processes, using non-polluting, abundant and environmentally friendly materials. Deep reactive ionic etching (DRIE) of Silicon wafers is used to release membranes with adjustable lengths allowing to adapt the thermal resistance of these µTEGs to their environment. The devices realized in IEMN clean room, have been characterized using specific measurement benches developed for this purpose. The harvesting of one Watt of heat leads to thermo-generated electrical powers of a few hundred microwatts. This ranks these new 2.5D µTEGs among the best state-of-the-art µ-modules using metallic thermoelectrics.