Development of thermal energy harvesting systems

L’objectif du présent travail a été de concevoir et de fabriquer des dispositifs sur silicium pour convertir de l’énergie thermique en une énergie électrique en utilisant le changement de phase liquide-gaz dans le but de générer une variation subite de pression suivie d’une conversion d’énergie mécanique vers une énergie électrique à l’aide d’un piézoélectrique. La construction des dispositifs a dû rester simple, avec des matériaux courants et en respectant des limites dimensionnelles. Empreinte inférieure à un diamètre de 20 mm et une épaisseur en dessous des 2 mm.Les prototypes fabriqués sont composés de 3 plaques en silicium, contenant une chambre d’évaporation, une chambre de condensation et un canal réunissant les deux. Un transducteur piézoélectrique a été reporté sur la chambre de condensation et assure l’étanchéité ainsi que la génération d’énergie électrique.Le processus de conception inclut plusieurs étapes, dont la définition de la géométrie et du type de fluide de travail utilisé en tant qu’agent thermique. Le travail effectué a permis de sélectionner le type de piézoélectrique, sa taille ainsi que sa méthode d’intégration. Une étude a également été conduite pour déterminer la méthode optimale d’assemblage des plaques en silicium.La réalisation pratique des dispositifs a été orientée vers la sélection des meilleurs procédés technologiques pour la fabrication des structures. Toutes les expériences ont été conduites en salle blanche avec utilisation de l’oxydation humide, la photolithographie, la gravure KOH, ainsi que d’une technique d’assemblage des plaques silicium avec utilisation de la résine SU-8 comme couche intermédiaire. En plus, quelques outils spécifiques ont été conçus lors du présent travail, pour faciliter la fabrication des dispositifs, dont un système sous vide dédié à l’assemblage des plaques en silicium.Les dispositifs ont été testés afin d’établir leur mécanisme d’oscillation thermique ainsi que leurs propriétés électriques. L’influence tu taux de remplissage et de la température de surface chaude sur le signal en sortie ont également été étudiées. Le calcul de l’énergie générée a aussi été effectué. Dans la dernière partie de l’étude, des étapes d’optimisation pour les dispositifs développés dans le présent travail sont proposées.The goal of the present work was to design and fabricate a fully silicon oscillating device that converts thermal energy into electricity, applying phenomena of liquid to gas phase-change and piezoelectricity. It should be characterized by simplicity of construction, small size, and ease of manufacture. The diameter should not exceed 2 cm, while the thickness should be within 2 mm.The device was composed of three Si wafers comprising evaporation and condensing chambers, and the channel connecting these two elements. A PZT-based transducer mounted on top of the structure was applied to ensure energy conversion.The design process included the establishment of the device geometry, the type of the working fluid enclosed inside the system, a type, size and assembly technique of a piezoelectric element, as well as a bonding method of several silicon elements of the device.The practical realization of the designed prototypes was aimed at selecting the most suitable technological processes for structure fabrication. All the experiments had been performed in a clean room environment and employed wet oxidation, photolithography, a well-known, easily available wet chemical etching in KOH solution, and a silicon bonding technique with the use of SU-8 photoresist as an intermediate layer. Additionally, during the practical work a few tools have been designed and developed to enhance the device fabrication, amongst which a vacuum pump dedicated to bond the three silicon wafers as structural elements of the prototypesThe fabricated prototypes were tested in terms of oscillation mechanism and electrical properties. The influence of the filling ratio and the hot temperature value on the generated signal was established. Additionally, the power range of the prototypes has been evaluated. In the last part of the study, optimization steps for the devices developed in the present work have been proposed