INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Le matériau semi-conducteur de la deuxième couche 40 est l’arséniure de gallium et présente une absorbance moindre (meilleure transparence optique) par rapport au matériau de la première couche 10, à la longueur de fonctionnement du composant visé. La deuxième couche 40 qui constitue le substrat support 40 de la structure semi-conductrice 150 ne nécessite pas une haute qualité cristalline en ce qu’il joue essentiellement un rôle de support mécanique. Son épaisseur est par exemple comprise entre 200 et 2000 microns. En vue de la traversée du substrat support 40 par le signal lumineux, induite par l’émission du composant VCSEL par la face arrière 150b, l’arséniure de gallium du substrat support 40 est en outre choisi semi-isolant, afin de limiter l’absorption du signal lumineux et par conséquent de favoriser l’efficacité du composant VCSEL.
Pour une longueur d’onde du signal lumineux de l’ordre de 900nm, la première couche 10 et le substrat support 40 présentent un indice de réfraction égal à 3,52.
Le matériau de la couche intermédiaire 50 est le silicium (Si), et en particulier, un silicium amorphe. L’épaisseur de la couche intermédiaire 50 peut varier entre 1 nm et 100 nm. Pour une longueur d’onde du signal lumineux de l’ordre de 900nm, la couche intermédiaire 50 présente un indice de réfraction égal à 3,6 et un coefficient d’atténuation très proche de 0.
Une structure semi-conductrice 150 selon ce premier mode de réalisation peut être élaborée à partir d’un procédé de transfert de couches par collage et amincissement, connu de l’état de la technique. Particulièrement adapté au transfert de couches très minces, on peut notamment citer le procédé Smart Cut TM .
Une première étape a) consiste en la fourniture d’un substrat donneur 11, duquel sera prélevée la première couche 10 ( ). Le substrat donneur 11 peut consister en un substrat massif en GaAs présentant les propriétés et caractéristiques attendues pour la première couche 10. Alternativement, il peut comprendre un substrat initial 11a et une ou plusieurs couches superficielles 11b de haute qualité, par exemple formée(s) par épitaxie sur le substrat initial 11a : la première couche 10 sera alors prélevée de la(les)dite(s) couche(s) superficielle(s) 11b.
Une deuxième étape b) consiste en la fourniture d’un substrat support 40 destiné à former la deuxième couche 40 de la structure semi-conductrice 150 ( ). La qualité et les caractéristiques du substrat support 40 en GaAs sont conformes à l’application visée, comme évoqué précédemment.
Dans une troisième étape c), une couche de collage 5 en Si amorphe est ensuite déposée sur le substrat donneur 11 et/ou sur le substrat support 40 ( ) : après assemblage des deux substrats 11,40, cette (ou ces) couche(s) de collage 5 sera (seront) enterrée(s) dans la structure et formera(ont) la couche intermédiaire 50. La couche de collage 5 en Si peut être formée par une technique connue mettant en œuvre un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) (tels que par exemple la CVD activée par plasma (PECVD)), ou une épitaxie ou encore un dépôt physique en phase vapeur (PVD). Le dépôt est typiquement opéré à une température comprise entre 200°C et 700°C. L’épaisseur typique d’une couche de collage 5 est comprise entre 1 nm et 20 nm.
Une quatrième étape d) comprend l’introduction d’ions légers dans le substrat donneur 11 de manière à former un plan fragile enterré 12 qui délimite, avec une face avant du substrat donneur 11, la couche qui sera transférée, à savoir la première couche 10 ( ). Typiquement, dans un substrat donneur en GaAs, une implantation ionique d’hélium ou hydrogène ou de ces deux ions, à une dose de 1 E +16 at/cm 2 à 5 E +17 at/cm² et une énergie de l’ordre de 100keV permet de former le plan fragile enterré 12 qui permettra de transférer une première couche 10 de 500 nm (resp. 700 nm) d’épaisseur, pour une implantation d’ions hélium (resp. hydrogène). Notons que des nettoyages et préparations de surface pourront être réalisés préalablement et/ou après implantation, de manière à éliminer de potentielles contaminations particulaires, organiques ou métalliques.
Une cinquième étape e) comprend l’assemblage du substrat donneur 11 avec le substrat support 40, pour former un ensemble collé le long d’une interface de collage 51 ( ). Cet assemblage consiste en la mise en contact intime des faces avant des deux substrats 11,40, munies de la ou des couche(s) de collage 5. Comme évoqué précédemment, un collage direct par adhésion moléculaire à température ambiante, ou alternativement un collage direct sous atmosphère et température contrôlée (de type ADB ou SAB) peut être opéré. On peut bien sûr prévoir des nettoyages ou activations de surfaces (par exemple par plasma) préalablement à la mise en contact des faces à assembler. Ces préparations de surface sont facilitées par rapport à des préparations impliquant un matériau III-V, car le nettoyage et/ou l’activation avant collage du silicium relève(nt) d’étapes et d’équipements conventionnels et bien maitrisés dans le domaine du semi-conducteur.
A titre d’exemple, un collage type ADB peut être réalisé sous ultravide après avoir déposé sur les substrats 11 et 40 la couche de collage 5 en silicium amorphe.
L’ensemble collé peut avantageusement subir un traitement thermique pour la consolidation de l’interface de collage 51, typiquement à une température comprise entre 150 °C et 600 °C, pendant quelques minutes à quelques heures.
La illustre une interface de collage 51 située dans la couche intermédiaire 50 ; ladite interface 51 peut alternativement être située entre la première couche 10 et la couche intermédiaire 50 lorsque la couche de collage 5 n’est déposée que sur le substrat support 40, ou être située entre le substrat support 40 et la couche intermédiaire 50, lorsque la couche de collage 5 n’est déposée que sur le substrat donneur 11. Même dans le cas où la couche de collage 5 n’est déposée que sur l’un des substrats donneur 11 et support 40, le collage direct est facilité.
Une sixième étape f) comprend la séparation le long du plan fragile enterré 12 du fait de la présence et/ou de la croissance de cavités et de microfissures dans ledit plan ( ). Comme cela est connu en soi, une telle séparation s’opère par exemple au cours d’un traitement thermique apte à provoquer le développement des cavités et leur mise sous pression, et à conduire à la propagation spontanée d’une onde de fracture dans le plan fragile enterré 12. Le traitement thermique de séparation correspond typiquement à un recuit à 200 °C pendant 120 minutes. Alternativement ou conjointement au traitement thermique, la séparation peut être provoquée par une sollicitation mécanique appliquée au plan fragile enterré 12.
A l’issue de l’étape f), on obtient d’une part la structure semi-conductrice 150 avec sa première couche 10 disposée sur la couche intermédiaire 50, elle-même disposée sur le substrat support 40 (ou deuxième couche 40) ; d’autre part, on obtient le reste 11’ du substrat donneur.
L’étape f) peut ensuite comprendre des traitements de surface (nettoyage, polissage, gravure) ou autres traitements de lissage, pour améliorer la qualité superficielle de la première couche 10.
Cette structure 150 selon l’invention est avantageuse par rapport à une structure qui mettrait en œuvre un collage direct de la première couche 10 et de la deuxième couche 40, sans couche intermédiaire, car elle facilite grandement les étapes de préparation des surfaces avant assemblage et procure une excellente qualité de collage ; elle élimine en outre le risque de formation de dislocations entre les cristaux de la première couche 10 et de la deuxième couche 40. Rappelons que les défauts de collage types nano-bulles et les défauts cristallographiques (de type dislocations) sont susceptibles de perturber un signal lumineux traversant l’interface de collage 51, ce qui peut être dommageable à certains composants optoélectroniques susceptibles d’être élaborés sur la structure semi-conductrice 150.
A titre d’exemple, un éclairage UV-C d'une heure, comme cela pourrait être le cas entre deux services pour décontaminer des voitures passager 18 nécessite par exemple une puissance de l’ordre de 0,028W/m², un éclairage de cinq minutes, comme cela pourrait être le cas entre deux changements de conducteur, nécessite par exemple une puissance de l’ordre de 0,33W/m², un éclairage de dix secondes, par exemple pour traiter les toilettes entre deux occupations, nécessite par exemple une puissance de l’ordre de 10W/m².
Le contrôle automatique et centralisé mis en œuvre selon la présente invention offre une flexibilité de traitement, propre à être initiée sur demande ou de manière diurne au lieu d’avoir à attendre la durée d’un service complet se terminant le plus souvent en fin de journée. En conséquence, les intérieurs de matériel roulant peuvent être maintenus sanitairement sécurisés tout au long de la journée, au lieu d’être potentiellement de plus en plus contaminés au fur et à mesure du service, notamment au niveau de la cabine conducteur afin de permettre une décontamination entre changement de conducteur, sans qu’un retour au dépôt ou l’envoi d’une équipe de décontamination manuelle ne soit nécessaire.
Par ailleurs, il est à noter que les spots 14 à diodes électroluminescentes UV-C présentent l’avantage d’être facilement intégrables au sein d’un intérieur roulant, car de taille et de puissance réduite par rapport à l’éclairage classique à base de lasers ou de tubes 12, ce qui permet de notamment de les intégrer sous forme de spots à diodes électroluminescentes UV-C.
De tels spots à diodes électroluminescentes UV-C rapprochés de la surface peuvent fournir une dose d'UV-C similaire, mais par le biais d'une illumination plus douce, par rapport à une lampe pulsée ou non pulsée 12, ce qui sera moins dommageable pour la surface intérieure, dans les zones plus critiques, notamment là où il y a beaucoup de plastiques. Ceci est particulièrement avantageux en tenant compte du fait que l’intensité du rayonnement lumineux s'atténue fortement sur la distance de déplacement, notamment de manière proportionnelle au carré de la distance. Ainsi, les spots 14 à diodes électroluminescentes UV-C, propres à être intégrés plus proches des surfaces à traiter, ont clairement un avantage en termes d'efficacité globale.
Selon une première option d’intégration, un dispositif d’éclairage correspondant à au moins une diode électroluminescente UV-C, ou correspondant à un éclairage à longueur d’onde désinfectante (i.e. à propriété biocide), connectée(s) au système de contrôle et de surveillance 22 dudit véhicule ferroviaire 10 via un convertisseur statique CVS est propre à être combiné avec au moins une diode électroluminescente configurée pour fournir une lumière blanche d’éclairage général ou d’éclairage d’ambiance. Une telle combinaison aurait une double fonction offrant ainsi une solution très efficace en termes d'intégration et d'espace, les diodes électroluminescente UV-C, et les diodes électroluminescentes étant propres à être activées séparément. Une telle combinaison est propre à diffuser de la lumière à travers une surface transparente pour une gamme prédéterminée de longueurs d’ondes visibles et UV-C, correspondant notamment à un verre ou à un polymère transparent de diffusion du rayonnement produit par ledit dispositif d’éclairage vers l’intérieur du véhicule ferroviaire 10, une telle surface transparente pour une gamme prédéterminée de longueurs d’ondes visibles laissant également passer notamment le rayonnement UV-C lors de son activation.
Selon une deuxième option, des dispositifs dédiés uniquement à la fourniture d’un éclairage UV-C sont mis en œuvre, notamment selon une première variante, sous la forme de rampes à diodes électroluminescentes UV-C, comprenant par exemple deux lignes superposée de six LED UV-C, le nombre six étant donné à titre d’exemple tout en restant totalement arbitraire, selon une deuxième variante sous la forme de deux lampes à gaz UV-C (i.e. un tube) superposées au lieu des deux lignes superposée de six LED UV-C, ou encore selon une troisième variante sous la forme de spots individuels, chaque spot comprenant une seule LED UV-C ces trois variantes étant propres à diffuser de la lumière à travers une surface transparente pour une gamme prédéterminée de longueurs d’ondes visibles et UV-C, correspondant notamment à un verre ou à un polymère transparent de diffusion du rayonnement produit par ledit dispositif d’éclairage vers l’intérieur du véhicule ferroviaire 10.
En complément facultatif, tel qu’illustré par la , l’activation d’au moins un desdits dispositifs d’éclairage à longueur d’onde désinfectante, notamment une lampe UV-C 12, est asservie à l’absence de présence humaine au sein du véhicule ferroviaire 10, l’absence de présence humaine étant détectée par au moins un détecteur de présence 32 installé à proximité dudit dispositif d’éclairage 12 et/ou par analyse des flux vidéos des caméras de vidéosurveillance intégrées au matériel roulant.
Un tel aspect vient notamment compléter des mécanismes de sécurité intégrés, habituellement présents dans les véhicules ferroviaires, et garantissant que les cycles d'éclairage UV-C ne peuvent être activés que lorsque personne ne se trouve à bord. Autrement dit, selon cet aspect complémentaire facultatif, les dispositifs d’éclairage à longueur d’onde désinfectante, en particulier les éclairages de type UV-C sont propres à être couplées à des capteurs de détection de présence 32 intégrés, de sorte que la lumière s'éteigne automatiquement dès qu'un être humain est détecté dans le champ d'éclairage.
En complément facultatif, selon le mode de réalisation particulier illustré par la , le véhicule ferroviaire 10 comprend en outre une boucle de rétroaction, connectée audit système 22 de contrôle et de surveillance dudit véhicule ferroviaire, et configurée pour optimiser l’activation automatique dudit éclairage 12 à longueur d’onde désinfectante au moyen d’un capteur correspondant à un capteur actif de dosimétrie 34 propre à quantifier l’énergie reçue associée audit rayonnement dudit éclairage à longueur d’onde désinfectante.
Comme illustré par la , un tel dosimètre 34 rétroagit, via un microcontrôleur 36 et/ou le système de contrôle TCMS 22 sur l’activation de la lampe 12.
Le capteur actif de dosimétrie 34 est notamment installé au niveau de (i.e. dans un plan sensiblement égal à celui de) l’éclairage 12 à longueur d’onde désinfectante et combiné, par exemple au niveau du sol 38, à une surface réflectrice 40 dont l’emplacement au sein dudit véhicule ferroviaire (pas nécessairement au sol) est configuré pour la faire réfléchir le rayonnement reçu en direction dudit capteur actif de dosimétrie 34 installé au niveau de l’éclairage à longueur d’onde désinfectante.
Autrement dit, selon le mode de réalisation de la , le capteur actif de dosimétrie 34 est protégé de l'illumination directe du composant émetteur, tel que la lampe UV-C 12, et un composant réfléchissant 40 les UV-C (i.e. réflecteur UV-C) est placé avantageusement sur le sol 38 de la surface intérieure du matériel roulant pour agir comme un réflecteur calibré. Un tel mode de réalisation présente l'avantage de permettre une intégration facilitée en utilisant une carte électronique unique d’activation de l’éclairage 12 avec une boucle de rétroaction intégrée.
Un réflecteur UV-C 40 correspond par exemple à un morceau de métal tel que l'aluminium ou le PTFE ou e-PTFE qui présente une réflectivité UV-C proche de 95 %.
La mise en œuvre d’une telle boucle de rétroaction est avantageuse notamment pour assurer un contrôle de la qualité par la conception, pour compenser les effets du vieillissement des lampes, les lampes UV-C ayant tendance à vieillir assez rapidement, et pour pouvoir éteindre l'éclairage dès que la dose nécessaire a été délivrée aux surfaces afin de ne pas dégrader inutilement les matériaux.
A titre d’alternative au mode de réalisation de la , le capteur actif de dosimétrie propre à quantifier l’énergie reçue associée au rayonnement dudit éclairage à longueur d’onde désinfectante, au lieu d’être installé au niveau de (i.e. dans un plan sensiblement égal à celui de) l’éclairage 12 à longueur d’onde désinfectante, est installé dans un emplacement prédéterminé au sein dudit véhicule ferroviaire 10, dans lequel ledit capteur est propre à recevoir directement ledit rayonnement dudit éclairage à longueur d’onde désinfectante, par exemple à la place du réflecteur 40 au niveau du sol 38 représenté sur la .
L’emplacement prédéterminé d’installation du capteur actif de dosimétrie est notamment propre à faciliter sa connexion au système 22 de contrôle et de surveillance TCMS, une telle connexion étant propre à être directe ou via le microcontrôleur 36 représenté sur la , ou l’emplacement prédéterminé est propre à faciliter sa propre maintenance, etc., et a été étalonné au préalable.
A l'anode 4, la demi-réaction est la suivante: 2 O 2- → O 2 + 4 e - .
L'électrolyte 3, intercalé entre les deux électrodes 2 et 4, est le lieu de migration des ions O 2- sous l'effet du champ électrique créé par la différence de potentiel imposée entre l'anode 4 et la cathode 2.
Comme illustré entre parenthèses sur la , la vapeur d’eau en entrée de cathode peut être accompagnée d’hydrogène H 2 et l’hydrogène produit et récupéré en sortie peut être accompagné de vapeur d’eau. De même, comme illustré en pointillés, un gaz drainant, tel que l’air, peut en outre être injecté en entrée côté anode pour évacuer l’oxygène produit. L’injection d’un gaz drainant a pour fonction supplémentaire de jouer le rôle de régulateur thermique.
Un électrolyseur, ou réacteur d’électrolyse, élémentaire est constitué d'une cellule élémentaire telle que décrite ci-dessus, avec une cathode 2, un électrolyte 3, et une anode 4, et de deux interconnecteurs qui assurent les fonctions de distribution électrique et fluidique.
Pour augmenter les débits d'hydrogène et d'oxygène produits, il est connu d’empiler plusieurs cellules d’électrolyse élémentaires les unes sur les autres en les séparant par des interconnecteurs. L'ensemble est positionné entre deux plaques d'interconnexion d’extrémité qui supportent les alimentations électriques et les alimentations en gaz de l’électrolyseur (réacteur d’électrolyse).
Un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC comprend ainsi au moins une, généralement une pluralité de cellules d’électrolyse empilées les unes sur les autres, chaque cellule élémentaire étant formée d’un électrolyte, d’une cathode et d’une anode, l’électrolyte étant intercalé entre l’anode et la cathode.
Comme indiqué précédemment, les dispositifs d’interconnexion fluidique et électrique qui sont en contact électrique avec une ou des électrodes assurent en général les fonctions d’amenée et de collecte de courant électrique et délimitent un ou des compartiments de circulation des gaz.
Ainsi, le compartiment dit cathodique a pour fonction la distribution du courant électrique et de la vapeur d’eau ainsi que la récupération de l’hydrogène à la cathode en contact.
Le compartiment dit anodique a pour fonction la distribution du courant électrique ainsi que la récupération de l’oxygène produit à l’anode en contact, éventuellement à l’aide d’un gaz drainant.
La représente une vue éclatée de motifs élémentaires d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC selon l’art antérieur. Cet électrolyseur comporte une pluralité de cellules d’électrolyse élémentaires C1, C2, de type cellules à oxydes solides (SOEC), empilées alternativement avec des interconnecteurs 5. Chaque cellule C1, C2 est constituée d’une cathode 2.1, 2.2 et d’une anode (seule l’anode 4.2 de la cellule C2 est représentée), entre lesquelles est disposé un électrolyte (seul l’électrolyte 3.2 de la cellule C2 est représenté).
L’interconnecteur 5 est un composant en alliage métallique qui assure la séparation entre les compartiments cathodique 50 et anodique 51, définis par les volumes compris entre l’interconnecteur 5 et la cathode adjacente 2.1 et entre l’interconnecteur 5 et l’anode adjacente 4.2 respectivement. Il assure également la distribution des gaz aux cellules. L’injection de vapeur d’eau dans chaque motif élémentaire se fait dans le compartiment cathodique 50. La collecte de l’hydrogène produit et de la vapeur d’eau résiduelle à la cathode 2.1, 2.2 est effectuée dans le compartiment cathodique 50 en aval de la cellule C1, C2 après dissociation de la vapeur d’eau par celle-ci. La collecte de l’oxygène produit à l’anode 4.2 est effectuée dans le compartiment anodique 51 en aval de la cellule C1, C2 après dissociation de la vapeur d’eau par celle-ci. L’interconnecteur 5 assure le passage du courant entre les cellules C1 et C2 par contact direct avec les électrodes adjacentes, c’est-à-dire entre l’anode 4.2 et la cathode 2.1.
Les conditions de fonctionnement d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC) étant très proches de celles d’une pile à combustible à oxydes solides (SOFC), les mêmes contraintes technologiques se retrouvent.
Ainsi, le bon fonctionnement de tels empilements à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température requiert principalement de satisfaire aux points énoncés ci-après.
Tout d’abord, il est nécessaire d’avoir une isolation électrique entre deux interconnecteurs successifs sous peine de court-circuiter la cellule électrochimique, mais aussi un bon contact électrique et une surface de contact suffisante entre une cellule et un interconnecteur. La plus faible résistance ohmique possible est recherchée entre cellules et interconnecteurs.
Par ailleurs, il faut disposer d’une étanchéité entre les compartiments anodiques et cathodiques sous peine d’avoir une recombinaison des gaz produits entraînant une baisse de rendement et surtout l’apparition de points chauds endommageant l’empilement.
Enfin, il est indispensable d’avoir une bonne distribution des gaz à la fois en entrée et en récupération des produits sous peine de perte de rendement, d’inhomogénéité de pression et de température au sein des différents motifs élémentaires, voire de dégradations rédhibitoires des cellules électrochimiques.
Les rampes 28 et 30 sont avantageusement rigides et sont fixées à chaque godet. Elles assurent le bridage des accumulateurs dans les trois directions de l’espace. Elles participent alors à la rigidité mécanique du module. La combinaison des rampes et des godets offre une structure qui peut permettre de ne pas prévoir de boîtier supplémentaire de tenue mécanique pour l’ensemble du module. Le module peut alors être installé directement au sein d’un boitier de protection dans un véhicule ou tout autre système à alimenter.
L’alimentation hydraulique des godets est mutualisée.
Dans un exemple avantageux, on prévoit au niveau de l’orifice d’évacuation de chaque godet un capteur de température permettant de mesurer la température du caloporteur sortant de chaque godet d’accumulateur et ainsi de suivre la température de chaque cellule. Il est alors possible de détecter un dysfonctionnement de l’une des cellules.
Il sera compris que des accumulateurs avec d’autres dispositions des orifices d’alimentation et d’évacuation peuvent être connectés hydrauliquement en parallèle. Les rampes peuvent être disposées de part et d’autre des accumulateurs et dans un même plan horizontal ou dans des plans horizontaux distincts.
Selon un autre exemple, le module peut comporter deux rangées d’accumulateurs, une rampe d’alimentation et une rampe d’évacuation interposées entre les deux rangées et alimentant et évacuant respectivement le caloporteur des accumulateurs des deux rangées. D’autres dispositions des accumulateurs et des rampes sont envisageables, par exemple on peut prévoir une seule rampe d’alimentation et deux rampes d’évacuation, les dispositions des orifices d’évacuation variant entre les accumulateurs. En outre d'autres dispositions relatives des accumulateurs avec des rampes non rectilignes sont envisageables.
Sur la , on peut voir un autre exemple de module dans lequel les accumulateurs A8 sont alimentés hydrauliquement en série.