Étude et réalisation de microcapteurs de flux thermique en technologie silicium

La mesure du flux thermique total échangé entre deux milieux, présente un grand intérêt, puisqu'elle permet d'établir directement des bilans énergétiques. Le principe de fonctionnement des microfluxmètres thermiques réalisés au laboratoire est basé sur la conversion du flux thermique en gradients périodiques de température. Pour cela, des discontinuités périodiques de conductivité thennique sont générées à la surface d'un substrat de silicium. Les gradients périodiques de température sont ensuite exploités à l'aide d'une thermopile planaire constituée par l'association d'un grand nombre de microthermocouples agencés en série. La thermopile délivre alors une tension qui est à la densité de flux thermique traversant le capteur. Un modèle mathématique intégrant les différents paramètres des microcapteurs a été développé et validé expérimentalement à l'aide d'un banc de caractérisation développé dans le cadre de ce travail. Une étude approfondie a été menée sur la fabrication et caractérisation des matériaux entrant dans la réalisation de cette nouvelle génération de fluxmètres. Les résultats obtenus sont très encourageants. De nombreux microcapteurs ont été fabriqués et caractérisés permettant ainsi de vérifier l'excellente répétabilité de la sensibilité et de la résistance électrique ce qui est très important pour envisager une production en grandes séries.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

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%

Dispersion of Heat Flux Sensors Manufactured in Silicon Technology

In this paper, we focus on the dispersion performances related to the manufacturing process of heat flux sensors realized in CMOS (Complementary metal oxide semi-conductor) compatible 3-in technology. In particular, we have studied the performance dispersion of our sensors and linked these to the physical characteristics of dispersion of the materials used. This information is mandatory to ensure low-cost manufacturing and especially to reduce production rejects during the fabrication process. The results obtained show that the measured sensitivity of the sensors is in the range 3.15 to 6.56 μV/(W/m2), associated with measured resistances ranging from 485 to 675 kΩ. The dispersions correspond to a Gaussian-type distribution with more than 90% determined around average sensitivity S e ¯ = 4.5 µV/(W/m2) and electrical resistance R ¯ = 573.5 kΩ within the interval between the average and, more or less, twice the relative standard deviation

Caractérisation mécanique par nanoindentation de couches nanostructurées de Silicium poreux oxydé et non oxydé

Dans cet article, nous nous sommes intéressés aux propriétés mécaniques du silicium mésoporeux nanostructuré et à l’amélioration de celles-ci par oxydation. Le silicium mésoporeux est généralement obtenu par gravure électrochimique d’un wafer de silicium fortement dopé P++ (dopage Bore, ρ ~ 0,01Ω.cm) dans un électrolyte à base d’acide fluorhydrique (HF) et d’éthanol. Le dispositif utilisé dans le cadre de cette étude a permis de réaliser des cellules de forme circulaire présentant différents taux de porosité. Elles ont été caractérisées par nanoindentation à l’aide d’un pénétrateur Berkovich en diamant. Les résultats obtenus ont permis de relier la dureté et le module d’ Young de ces couches à leurs caractéristiques structurales, notamment à leurs porosités. L’influence de l’oxydation sur les propriétés mécaniques du silicium poreux a ainsi pu être mis en évidence et évalué

Mechanical properties of porous silicon and oxidized porous silicon by nanoindentation technique

International audienceA study of mechanical properties of mesoporous silicon (PS) is presented in this article. PS was prepared by electrochemical etching of a heavily doped P++ silicon wafer in a hydrofluoric acid electrolyte. The mechanical properties of PS and oxidized PS obtained by thermal treatment, were characterized by the nanoindentation technique associated to the continuous stiffness measurement option. The morphology of PS and oxidized PS were both characterized by scanning electron microscope. It is shown that the Young's modulus and hardness are related to the PS preparing conditions and decrease with increasing porosity. In particular, oxidation improves the mechanical properties of the mesoporous silicon. Surprisingly, modulus and hardness decrease with penetration depth, whereas a compaction could be expected resulting in a rising modulus and hardness. These results are mainly attributed to micro cracks formation, highlighted by focused ion beam cross section

Martens hardness of Constantan thin films on (100) Si wafer: Improvement in contact area function in nanoindentation

International audienceThis work presents a mechanical study by nanoindentation of Constantan thin films deposited by cathodic sputtering technique with an intermediate thin adhesion layer of titanium on a (100) silicon wafer substrate. A methodology based on a modified contact area function is proposed for a suitable processing of the nanoindentation data in order to extract the Martens hardness both of the substrate, titanium layer and Constantan films. The raw data of the substrate Martens hardness have been studied using the most useful models among them those of Nix & Gao, Li & Bradt and Bull & Page showing a significant indentation size effect. However, when considering the tip defect length in the Martens hardness computation, the corrected values are found constant and no indentation size effect occurs. Within this objective, an accurate determination of the tip defect length is required. Its value has been determined both with a correlation between the contact area function of Oliver & Pharr and the improved model of Chicot et al. and also with the self-calibration method proposed by Chicot et al. The tip defect length is afterwards implemented in the model of Jönsson & Hogmark modified by Rahmoun et al. for the hardness determination of the titanium layer and the Constantan thin films. As a main result, the Martens hardness of the titanium layer and of the substrate are found equal to 8 GPa thus allowing to neglect the influence of the titanium layer in the film hardness determination. As a main result, the hardness of the 4 Constantan films is constant whereas the substrate hardness changes with the film thickness. This unexpected behavior is related to the brittleness of the substrate where cracks are observed at the interface and by the film compacting which is trapped between the rigid indenter and the hard substrate

Caracterisations mecaniques par procede de nanoindentation de couches de silicium poreux nanostructurees

Dans la technologie des semi-conducteurs, le silicium poreux (SiP) trouve un grand intérêt notamment pour ses propriétés thermiques ou même diélectriques qui jouent un rôle important notamment pour la fabrication de microsystèmes ou de micro-capteurs [1]. Le silicium méso poreux, qui nous intéresse, est obtenu par gravure électrochimique de silicium fortement dopé P++. La forme microstructurée obtenue a une porosité qui influe fortement sur les propriétés mécaniques de la couche SiP. Pour garantir de bonnes tenues mécaniques, une solution consiste à oxyder la couche de SiP

Measurement of Silicon dioxide thin film thermal conductivity using the 3-omega method

International audienc