Development of planar thermoelectric microgenerators realized by silicon technology

La récupération de l’énergie ambiante pour alimenter les systèmes électroniques devient de plus en plus une réalité grâce à la miniaturisation et la diminution importante de leur consommation. Dans ce but, nous avons développé une nouvelle famille de microgénérateurs thermoélectriques capables de produire quelques microwatts dès lors qu’une différence de température de quelques degrés est accessible. Ces microgénérateurs ont été réalisés avec des matériaux non polluants afin de tenir compte des contraintes environnementales qui apparaitront certainement dans un futur proche. Le principe de fonctionnement, classique, est basé sur l’effet Seebeck qui permet de convertir une différence de température en force électromotrice à l’aide d’une thermopile planaire réalisée en couches minces. Pour obtenir de bons résultats, il est nécessaire de concevoir puis de dimensionner précisément une structure tridimensionnelle permettant de transformer un flux de chaleur en une multitude de différences de température au niveau des thermocouples constituant la thermopile. La centrale de technologie silicium de l’IEMN nous a permis de fabriquer plusieurs familles des microgénérateurs correspondant à ces concepts en utilisant les procédés standards de micro-usinage du silicium. Bien sur, avant d’entreprendre une telle réalisation, un modèle analytique approché ainsi qu’un modèle numérique 3D ont été établis afin que le microgénérateur puisse délivrer le maximum de puissance électrique. Les dispositifs réalisés en centrale de technologie ont été caractérisés sur des bancs de mesure développés à cette fin et les résultats obtenus sont proches de ceux attendus.Energy harvesting for the power supply of electronic systems becomes more and more a reality thanks to the miniaturization and the major reduction in their consumption. In this aim, we developed a new family of thermoelectric microgenerators able to produce a few microwatts when a temperature difference of a few degrees is accessible. These micro generators were carried out with non-polluting materials in order to take into account the environmental requirements which will certainly appear in a near future. The principle of operation is based on the Seebeck effect which makes it possible to convert a temperature difference into electromotive force using a planar thermopile fabricated with thin layers process. To obtain good performances it is necessary to design a three-dimensional structure to transform a heat flux into a multitude of temperature differences onto the thermocouples’ junctions of the thermopile. The silicon technology platform of IEMN enabled us to manufacture several families of micro generators corresponding to these concepts by using the standard processes of silicon micromachining. Of course, before undertaking such a realization, an approximate analytical model as well as a 3D numerical model was established in order to obtain the maximum of electrical power output that the microgenerator can deliver. The devices fabricated in our technology platform were characterized on specific set-up specially developed and experimental results are close to those expected