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

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.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

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

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

Utilisation du silicium nanostructuré dans un générateur thermoélectrique pour la réduction des pertes thermiques

National audienceIn this paper, we present a planar thermoelectric microgenerator (μTEG) based on CMOS-compatible silicon technology to harvest all forms of thermal energy. These have made by using low cost, abundant and eco-friendly materials. The heat harvesting has performed with a silicon concentrator. The developed semi-3D configuration needs safety support called ‘boss’ to avoid the breaking up of the membranes. The objective of this work is to evaluate the improvement of these μTEGs performance resulting from the reduction of lateral heat losses by using selective anodizing of these bosses. The thermal modeling of μTEGs embedding porous silicon bosses shows an increase in output power up to 65%.Dans cet article, nous présentons des microgénérateurs thermoélectriques (μTEG) planaires réalisés en technologie Silicium compatible CMOS, et destinés à la récupération de toute forme d’énergie thermique. Ceux-ci utilisent des matériaux faible coût, abondants et respectueux de l’environnement. La captation de la chaleur est effectuée à l’aide d’un concentrateur, en Silicium. La configuration « semi 3D » développée utilise des membranes suspendues et nécessite, pour éviter de les casser, la mise en oeuvre de structures de maintien, appelées bossages. L’objectif de ce travail est d’évaluer l’amélioration des performances de conversion des μTEG résultant de la réduction des pertes thermiques latérales suite à l’anodisation sélective de ces bossages. La simulation thermique de μTEGs intégrant de tels bossages en Si poreux montre que les puissances générées pourront être augmentées jusqu’à 65%

Modélisation et optimisation de la structure géométrique d'un microgénérateur thermoélectrique planaire

Dans le cadre de cette communication, nous présentons une modélisation de microgénérateurs thermoélectriques (μTEG) planaires réalisés en technologie Silicium compatible CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), et destinés à la récupération de toute forme d’énergie thermique (surface ~ 1/3 cm²). Ces μTEGs sont constitués d’une thermopile, suspendue périodiquement sur un réseau de membranes diélectriques, qui utilise l’association de longs thermocouples (TCs) planaires en poly-Silicium/or (pSi/Au). Un concentrateur à piliers y est superposé pour canaliser le flux thermique incident sur les membranes. Les résultats obtenus à l’aide de la modélisation thermique sous COMSOL® de la structure semi 3D de tels μTEGs, montrent que 1/ la différence de température générée aux bornes des TCs de la thermopile admet un maximum en fonction du nombre de membranes et que 2/ les configurations de μTEG à 4 et 5 membranes sont celles qui généreront le maximum de puissance électrique pour une largeur des piliers de concentrateur optimale

Optimisation de la collecte de chaleur d'un microgénérateur thermoélectrique planaire

Dans cet article, nous présentons des microgénérateurs thermoélectriques (μTEG) planaires réalisés en technologieSilicium compatible CMOS, et destinés à la récupération de toute forme d’énergie thermique. Ceux-ci utilisent desmatériaux faible coût, abondants et « eco-friendly ». La captation de la chaleur est effectuée à l’aide d’un concentrateur,en Silicium. La configuration « semi 3D » développée utilise des membranes suspendues et nécessite, pour éviter de lescasser, la mise en oeuvre de structures de maintien, appelées bossages. L’objectif de ce travail est d’évaluer l’améliorationdes performances de conversion des μTEG résultant de la réduction des pertes thermiques latérales suite à l’anodisationsélective de ces bossages. La simulation thermique de μTEGs intégrant de tels bossages en Si poreux montre que lespuissances générées pourront être augmentées jusqu’à 65%

Synthesis of New Chiral Triazoles Linked 1,5‐Benzodiazepine Conjugates via Copper‐Catalyzed 1,3‐Dipolar Cycloaddition Reaction

International audienc