Brevet FR3055740A1 — publié le 20180309

DISPOSITIF THERMOELECTRIQUE SUR SUBSTRAT OPTIMISE ET PROCEDE DE FABRICATION Domaine technique L'invention se rapporte au domaine technique des dispositifs thermoélectriques et de leur fabrication. A titre d'exemples non limitatifs, un dispositif thermoélectrique peut être un capteur thermoélectrique à effet Seebeck (ou capteur différentiel de température), un générateur thermoélectrique à effet Seebeck (TEG pour ThermoElectric Generator en langue anglaise), ou encore un refroidisseur thermoélectrique à effet Peltier. Le dispositif thermoélectrique comporte un ensemble de couches thermoélectriques formé sur un substrat. Plus précisément, l'invention s'inscrit dans les technologies couches minces (c'est-à-dire dont l'épaisseur est typiquement inférieure à 10 pm), différant ainsi des dispositifs thermoélectriques macroscopiques. L'invention trouve notamment ses applications où la miniaturisation est recherchée. On 15 peut citer à titre d'exemples non limitatifs la microélectronique, la téléphonie mobile, la domotique (maison communicante individuelle « Smart home », bâtiment à énergie positive « Smart building», réseaux électriques intelligents « Smartgrid»), certains procédés industriels. Etat de la technique antérieure 20 Comme illustré à la figure 1, un dispositif thermoélectrique 1 à effet Seebeck comporte : - un substrat (non visible), réalisé dans un matériau à base de silicium, - un ensemble de couches thermoélectriques agencé sur le substrat séparées par un matériau thermiquement isolant 102, l'ensemble comprenant au moins une première jonction 10 d'un thermocouple 100, 101 sur un côté de l'ensemble, dit côté chaud, et au moins une 25 deuxième jonction 11 du thermocouple 100, 101 sur le côté opposé de l'ensemble, dit côté froid, - des moyens de transfert (non visibles) agencés pour transférer de la chaleur respectivement à chaque première jonction 10 et à chaque deuxième jonction 11. Les termes « chaud(e) » et « froid(e) » s'entendent de manière relative, c'est-à-dire que la 30 température de la source chaude Sc est supérieure à la température de la source froide S, L'ensemble de couches thermoélectriques comporte N thermocouples 100, 101, c'est-à-dire N couches réalisées à base d'un premier matériau thermoélectrique 100 et N couches réalisées à base d'un second matériau thermoélectrique 101. Chaque première jonction 10 et chaque deuxième jonction 11 sont formées avec un matériau électriquement conducteur. 3055740 2 La tension de sortie V générée par le dispositif thermoélectrique 1 est donnée par la formule suivante : V = N x (S,-S1) x (Tc-Tf), où : - N est le nombre de thermocouples 100, 101, 5 - S1 et S, sont respectivement le coefficient Seebeck des premier et second matériaux thermoélectriques 100, 101, - (Tc-Tf) est le gradient thermique appliqué entre le côté chaud et le côté froid de l'ensemble. Lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est utilisé comme capteur différentiel de 10 température, il est possible d'obtenir la valeur (Tc-T1 ) à partir de la mesure de la tension de sortie V. Lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est utilisé comme générateur, il est possible d'obtenir une puissance électrique de sortie P= V7R où R est la résistance électrique du dispositif thermoélectrique 1. On recherche une tension de sortie V maximale et une résistance électrique R minimale afin de maximiser la puissance électrique de sortie P. Les couches thermoélectriques (type de matériau, géométrie) et le nombre N de thermocouples 100, 101 sont alors choisis en ce sens. La formation de l'ensemble de couches thermoélectriques sur le substrat de silicium est une technologie maitrisée et peu onéreuse. Cependant, un tel dispositif thermoélectrique de l'état de la technique n'est pas entièrement satisfaisant. En effet, un inconvénient est que le silicium est un bon conducteur thermique avec une conductivité thermique de l'ordre de 150 W.m-1. K-1. Il en résulte que le transfert thermique avec les sources chaude et froide S' Sf s'effectue plutôt avec le substrat qu'avec les couches thermoélectriques, avec comme conséquence une forte dégradation de la sensibilité du capteur thermoélectrique ou une perte de puissance électrique du générateur thermoélectrique. Exposé de l'invention L'invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, 30 l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique, comportant les étapes : a) prévoir un premier substrat, réalisé dans un premier matériau à base de silicium, sur lequel est formé un ensemble de couches thermoélectriques ; 3055740 3 b) prévoir un deuxième substrat, réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée k2, inférieure ou égale à 15 W.m1.1 Selon une caractéristique de l'invention, l'étape b) comporte une étape b1) consistant à former au moins une cavité à la première surface du deuxième substrat. Ainsi, un avantage procuré est d'améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide S' S. En effet, la cavité généralement 35 remplie d'air est moins thermiquement conductrice que le deuxième substrat. Bien entendu, il 3055740 5 est impossible de former directement (c'est-à-dire sans transfert par adhésion moléculaire) des couches thermoélectriques sur un tel deuxième substrat à la surface duquel est ménagée au moins une cavité. En outre, le fait de former au moins une cavité à la première surface du deuxième substrat permet de structurer le deuxième substrat afin de le fonctionnaliser le cas 5 échéant. Selon une caractéristique de l'invention, le procédé comporte une étape consistant à faire le vide dans la cavité après l'étape c). Ainsi, un avantage procuré est d'améliorer le transfert thermique entre les couches 10 thermoélectriques et les sources chaude et froide S' S. En effet, la cavité mise sous vide est moins thermiquement conductrice que le deuxième substrat, et moins thermiquement conductrice qu'une cavité remplie d'air (d'un facteur 50). Selon une caractéristique de l'invention, l'étape b) comporte une étape b2) consistant à 15 remplir la cavité d'un matériau de remplissage possédant une conductivité thermique strictement inférieure à k2. Ainsi, un avantage procuré est d'améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide S' S. En effet, un tel matériau de remplissage est moins thermiquement conducteur que le deuxième substrat. En outre, un tel 20 matériau de remplissage permet d'améliorer la tenue mécanique relativement à une cavité remplie d'air ou mise sous vide, tout particulièrement lorsque le matériau thermoélectrique est fragile mécaniquement. Selon une caractéristique de l'invention, le matériau de remplissage est un aérogel ou un 25 polymère. Selon une caractéristique de l'invention, l'étape b) comporte une étape b3) consistant à former un canal en périphérie de la première surface du deuxième substrat. Ainsi, un avantage procuré par un tel canal est la possibilité d'évacuer des calories sur le 30 côté froid de l'ensemble de couches thermoélectriques afin d'augmenter le gradient thermique appliqué entre le côté chaud et le côté froid de l'ensemble. Pour ce faire, un fluide caloporteur est injecté dans le canal afin de créer une convection forcée. Selon une caractéristique de l'invention, le procédé comporte une étape consistant à 35 former une couche diélectrique, de préférence à base de dioxyde de silicium, sur l'ensemble 3055740 6 de couches thermoélectriques avant l'étape c) ; l'étape c) étant exécutée de sorte que le deuxième substrat est assemblé à la couche diélectrique par adhésion moléculaire. Ainsi, un avantage procuré est d'améliorer la tenue du collage lors de l'étape c) grâce à l'obtention d'une surface plus hydrophile. En outre, la couche diélectrique permet d'isoler 5 électriquement l'ensemble de couches thermoélectriques du deuxième substrat lorsque celui-ci n'est pas diélectrique. Par « diélectrique », on entend que l'entité (couche, substrat) possède une conductivité électrique à 300 K inférieure ou égale à 10' S.cm-1. 10 Selon une caractéristique de l'invention, l'étape d) est exécutée par meulage. L'invention a également pour objet un dispositif thermoélectrique, comportant : - un deuxième substrat réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée k2, inférieure ou égale à 15 W.m1.K1 ; 15 - un ensemble de couches thermoélectriques formé sur le deuxième substrat. Ainsi, le deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée k2, inférieure ou égale à 15 W.m1.K1 permet d'améliorer la sensibilité du capteur thermoélectrique ou de réduire la perte de puissance électrique du générateur thermoélectrique relativement à l'état de la technique. 20 Le dispositif selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes. Selon une caractéristique de l'invention, le deuxième matériau possède une conductivité 25 thermique inférieure ou égale à 1,5 W.m-1.K:i. Ainsi, un avantage procuré est d'améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide S' S. Selon une caractéristique de l'invention, le deuxième substrat possède un coefficient de 30 transmission dans le domaine visible supérieur ou égal à 75%. Selon une caractéristique de l'invention, le deuxième matériau est sélectionné dans le groupe comportant un verre, une céramique, une vitrocéramique, un minéral. 3055740 7 Selon une caractéristique de l'invention, le deuxième substrat présente une première surface sur laquelle est formé l'ensemble de couches thermoélectriques. Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif comporte au moins une cavité 5 formée à la première surface du deuxième substrat. Ainsi, un avantage procuré est d'améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide S' S. En effet, la cavité, remplie d'air ou mise sous vide, est moins thermiquement conductrice que le deuxième substrat. En outre, le fait de former au moins une cavité à la première surface du deuxième substrat permet de 10 structurer le deuxième substrat afin de le fonctionnaliser le cas échéant. Selon une caractéristique de l'invention, la cavité est remplie d'un matériau de remplissage possédant une conductivité thermique strictement inférieure à k2, le matériau de remplissage étant de préférence un aérogel ou un polymère. 15 Ainsi, un avantage procuré est d'améliorer le transfert thermique entre les couches thermoélectriques et les sources chaude et froide S' S. En effet, un tel matériau de remplissage est moins thermiquement conducteur que le deuxième substrat. En outre, un tel matériau de remplissage permet d'améliorer la tenue mécanique relativement à une cavité remplie d'air ou mise sous vide, tout particulièrement lorsque le matériau thermoélectrique est 20 fragile mécaniquement. Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif comporte un canal agencé en périphérie de la première surface du deuxième substrat. Ainsi, un avantage procuré par un tel canal est la possibilité d'évacuer des calories sur le 25 côté froid de l'ensemble de couches thermoélectriques afin d'augmenter le gradient thermique appliqué entre le côté chaud et le côté froid de l'ensemble. Pour ce faire, un fluide caloporteur est injecté dans le canal afin de créer une convection forcée. Brève description des dessins 30 D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l'exposé détaillé de différents modes de réalisation de l'invention, l'exposé étant assorti d'exemples et de référence aux dessins joints. Figure 1 (déjà commentée) est une vue schématique de dessus d'un dispositif thermoélectrique de l'état de la technique. 3055740 8 Figures 2a à 2d sont des vues schématiques en coupe illustrant différents modes de réalisation d'un deuxième substrat selon l'invention. Figures 3a à 3f sont des vues schématiques en coupe illustrant un procédé de fabrication selon un premier mode de réalisation l'invention. 5 Figures 4a à 4f sont des vues schématiques en coupe illustrant un procédé de fabrication selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Figure 5 est une vue schématique de dessus d'un dispositif thermoélectrique selon un premier mode de réalisation de l'invention (les couches diélectriques étant omises). Figure 6 est une vue schématique de dessus d'un dispositif thermoélectrique selon un 10 deuxième mode de réalisation de l'invention (les couches diélectriques étant omises). Figure 7 est une vue schématique en coupe du dispositif illustré à la figure 6, selon l'axe A-A. Exposé détaillé des modes de réalisation 15 Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification. Un objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique 1, comportant les étapes : 20 a) prévoir un premier substrat 2, réalisé dans un premier matériau à base de silicium, sur lequel est formé un ensemble 4 de couches thermoélectriques ; b) prévoir un deuxième substrat 3, réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée k2, inférieure ou égale à 15 W.m-1.1 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique (1), comportant les étapes : a) prévoir un premier substrat (2), réalisé dans un premier matériau à base de silicium, sur 5 lequel est formé un ensemble (4) de couches thermoélectriques ; b) prévoir un deuxième substrat (3), réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée k2, inférieure ou égale à 15 W.m1.IK-1; c) assembler le deuxième substrat (3) à l'ensemble (4) de couches thermoélectriques par adhésion moléculaire ; 10 d) retirer le premier substrat (2) après l'étape c). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le deuxième matériau possède une conductivité thermique inférieure ou égale à 1,5 W.m-1.1 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le deuxième substrat (3) prévu lors de l'étape b) possède un coefficient de transmission dans le domaine visible supérieur ou égal à 75%. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le deuxième matériau est 20 sélectionné dans le groupe comportant un verre, une céramique, une vitrocéramique, un minéral. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le deuxième substrat (3) prévu lors de l'étape b) présente une première surface (30) destinée à être assemblée à l'ensemble (4) 25 de couches thermoélectriques par adhésion moléculaire lors de l'étape c). 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'étape b) comporte une étape b1) consistant à former au moins une cavité (300) à la première surface (30) du deuxième substrat (3). 30 7. Procédé selon la revendication 6, comportant une étape consistant à faire le vide dans la cavité (300) après l'étape c). 3055740 15 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape b) comporte une étape b2) consistant à remplir la cavité (300) d'un matériau de remplissage (M) possédant une conductivité thermique strictement inférieure à k2. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le matériau de remplissage (M) est un aérogel ou un polymère. 10. Procédé selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel l'étape b) comporte une étape b3) consistant à former un canal (C) en périphérie de la première surface (30) du 10 deuxième substrat (3). 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, comportant une étape consistant à former une couche diélectrique (5), de préférence à base de dioxyde de silicium, sur l'ensemble (4) de couches thermoélectriques avant l'étape c) ; l'étape c) étant exécutée de 15 sorte que le deuxième substrat (3) est assemblé à la couche diélectrique (5) par adhésion moléculaire. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel l'étape d) est exécutée par meulage. 13. Dispositif thermoélectrique (1), comportant : - un deuxième substrat (3) réalisé dans un deuxième matériau possédant une conductivité thermique, notée k2, inférieure ou égale à 15 W.m1.K-1 ; - un ensemble (4) de couches thermoélectriques formé sur le deuxième substrat (3). 14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel le deuxième matériau possède une conductivité thermique inférieure ou égale à 1,5 W.m1.K:i. 15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, dans lequel le deuxième substrat (3) 30 possède un coefficient de transmission dans le domaine visible supérieur ou égal à 75%. 16. Dispositif selon l'une des revendications 13 à 15, dans lequel le deuxième matériau est sélectionné dans le groupe comportant un verre, une céramique, une vitrocéramique, un minéral. 20 25 35 3055740 16 17. Dispositif selon l'une des revendications 13 à 16, dans lequel le deuxième substrat (3) présente une première surface (30) sur laquelle est formé l'ensemble (4) de couches thermoélectriques. 5 18. Dispositif selon la revendication 17, comportant au moins une cavité (300) formée à la première surface (30) du deuxième substrat (3). 19. Dispositif selon la revendication 18, dans lequel la cavité (300) est remplie d'un matériau de remplissage (M) possédant une conductivité thermique strictement inférieure à 10 k2, le matériau de remplissage (M) étant de préférence un aérogel ou un polymère. 20. Dispositif selon l'une des revendications 17 à 19, comportant un canal (C) agencé en périphérie de la première surface (30) du deuxième substrat (3).