Improving the performance of an all-Si based thermoelectric micro/nanogenerator

Abstract

Esta tesis presenta el desarrollo de un microgenerador termoeléctrico (μTEG) con el objetivo de alimentar nodos sensores inalámbricos de bajo consumo para aplicaciones en la Internet de las Cosas. El μTEG propuesto se ha fabricado mediante tecnologías de micromecanizado de silicio y haciendo uso de formaciones de nanohilos de silicio (Si) y de silicio/germanio (SiGe) como material termoeléctrico. Se han definido rutas tecnológicas de fabricación adecuadas para aumentar la densidad de potencia del μTEG. En particular, esta tesis se ha centrado en aumentar dicha potencia a partir de i) la optimización térmica y eléctrica de la microplataforma termoeléctrica, y ii) integrando un intercambiador de calor en los μTEGs propuestos. Las prestaciones térmicas del μTEG se han mejorado reduciendo las pérdidas parásitas de calor entre las partes calientes y frías de la microplataforma, lo que ha resultado en una reducción del 34% en la conductancia térmica. Las prestaciones eléctricas, por otro lado, han mejorado aún más importantemente al reducir la resistencia interna del dispositivo entre 7 y 20 veces. Ambos logros se han conseguido mediante el rediseño de la arquitectura y de algunos de los procesos de fabricación del μTEG. Aunque las densidades de potencia obtenidas para los μTEG optimizados se acercan a las necesidades de nodos sensores de bajo consumo (10-100 μW/cm2), se ha intentado mejorar su comportamiento mediante la integración de un intercambiador de calor. Para dicha integración se han ensayado dos rutas diferentes, en función de la dirección del flujo de calor en el dispositivo. En cualquier caso, se ha podido observar un incremento significativo de prestaciones para todos los μTEGs considerados (Si NWs, SiGe NWs y Si microbeams). Los μTEGs con intercambiador de calor integrado han sido capaces de colectar densidades de potencia de 41.2 (Si NWs), 45.2 (SiGe NWs) and 34.5 μW/cm2 (Si microbeams) cuando se han dispuesto sobre placas calientes a 100 ◦C de temperatura. Esto supone un incremento de 50-1000 veces con respecto a dispositivos similares sin el intercambiador de calor en esas mismas condiciones. Los resultados obtenidos en esta tesis están bien posicionados en relación al estado del arte de μTEGs. Además, esta tesis, junto con otra también llevada a cabo en colaboración con el IREC, reportan por primera vez μTEGs basados en nanohilos de SiGe.

This thesis presents the development of a thermoelectric microgenerator (μTEG) with the aim of powering low power wireless sensor nodes for Internet of Things applications. The proposed μTEG is fabricated by means of silicon micromachining technologies and makes use of silicon (Si) and silicon/germanium (SiGe) nanowire (NW) arrays as thermoelectric material. Specific technological routes are designed to increase the power density of the μTEG. Particularly, this thesis has been focused on increasing the power density through i) thermal and electrical optimization of the thermoelectric microplatform, ii) integration of a heat exchanger on the proposed μTEGs. The thermal performance of the μTEG is enhanced by reducing the parasitic thermal losses between the hot and cold ends which ended up in %34 decrease of the thermal conductance. The electrical performance, on the other hand is improved tremendously by lowering the device internal resistance 7 to 20 times. Both has been achieved through the redesign of the architecture and processing steps for μTEG. Even though the power densities obtained from the optimized μTEGs are close to meet the expectations for low power sensor nodes (10-100 μW/cm2), further improvement is aimed by the integration of a heat exchanger. Two different routes with different heat flow directions have been designed for the integration of a heat exchanger. With the integration of the heat exchanger, a significant amount of improvement has been observed for all tested μTEGs based on different thermoelectric materials (Si NWs, SiGe NWs and Si microbeams). μTEGs with integrated heat exchanger were able to harvest 41.2 (Si NWs), 45.2 (SiGe NWs) and 34.5 μW/cm2 (Si microbeams) when they were placed on a waste heat source of 100 ◦C. This is 50-1000 times more than for similar devices without heat exchanger at the same hot plate temperature.

Results obtained in this thesis are well positioned compared with the state-of-the-art μTEGs. In addition, this thesis, together with the one performed in collaboration at IREC, reports for first time on the performance of SiGe NWs based μTEG.