L’étude des microconvertisseurs thermoélectriques s’adosse à l’expertise développée depuis plusieurs années dans le groupe sur les microcapteurs thermiques et infrarouges fondés sur des géométries et technologies originales et ce à partir de poly-silicium.

Les microconvertisseurs tireront profit de l’effet Seebeck ou effet thermoélectrique TE (conversion chaleur/force-électromotrice). Un objectif est de les réaliser à partir de couches minces et en technologie planaire en adaptant différentes géométries de canalisation des flux de chaleur.

Le poly-Si standard, cité précédemment, présente un excellent pouvoir TE (Seebeck > 200 μV/°K) mais sa bonne conductivité thermique limite son rendement (performance de conversion chaleur/f-é-m). Ce rendement est usuellement mesurée par un facteur de mérite intégrant les conductivités thermique, électrique et le coefficient de Seebeck: des avancés concrètes peuvent être réalisées si le premier peut être drastiquement réduit tandis que les deux derniers restent intacts (ou peu dégradés). De telles évolutions sont communément incompatibles dans un même milieu.

Une approche consiste à augmenter la densité de certaines catégories d’interfaces (à la fois barrières à la propagation des phonons mais aussi «passantes» pour les porteurs de charges). Plus généralement, il est question de jouer à la fois sur la structure de bande, la position du niveau de fermi et sur l’ingénierie du transport des charges, des phonons et de l’entropie. Ceci peut être réalisé en changeant la(es) dimensionnalité(s) du milieu, dans 1 à 3 dimensions et de façon structurée ou désordonnée; de fait en modifiant les caractéristiques à l’échelle nanométrique.

Des alternatives à l’emploi du poly-Si sont envisagées et des composés semiconducteurs variés commencent à être évalué. Un premier objectif est d’augmenter l’efficacité de conversion TE dans des thermopiles planaires bâties sur une géométrie en matrice de thermocouples matériau/or ou P/N.

Les mesures de flux thermique peuvent conduire à beaucoup d’applications comme la mesure de température sans contact, la détection de la présence humaine ou l’enregistrement en temps réel du flux d’enthalpie lié aux changements de phase.

Cependant, de telles mesures sont loin d’être répandues car il n’existe pas de capteurs de flux peu coûteux. C’est pourquoi nous avons conçu des microcapteurs non encapsulés, basés sur un concept original breveté prenant en compte les technologies silicium standard pour générer une structure périodique de discontinuités de conductivité thermique à la surface d’un wafer de silicium. Le flux thermique incident, d’origine radiative, conductive ou convective est alors converti en champ périodique de température. Une thermopile planaire constituée de nombreux thermoélements permet de transformer ce champ de température en force électromotrice proportionnelle au flux thermique.

Une des caractéristiques les plus importantes de ce paradigme est la possibilité de produire des capteurs de diverses formes et dimensions.

1. Microcapteurs de flux thermique.

Entièrement développés à l’ I.E.M.N., ces nouveaux microcapteurs de flux thermique sont constitués de plusieurs centaines de microthermocouples polysilicium/or, réalisés sur un substrat dans lequel des caissons de silicium poreux ont été précédemment processés. Puisqu’aucune encapsulation n’est nécessaire, le capteur peut être dimensionné selon les applications (typiquement de 3×3 mm² à 10×10 mm²). Un modèle mathématique a été établi et validé afin d’optimiser la sensibilité en fonction des dimensions des microthermocouples et des caissons de silicium poreux.

Ces microcapteurs planaires quasi-monolithiques très robustes peuvent être aussi bien utilisés dans l’équipement scientifique que dans des applications industrielles ou « grand public ». La sensibilité très élevée (0.15 V/W pour un capteur de 5×5 mm²) permet de mesurer des quantités de chaleur extrêmement faibles telles que l’enthalpie d’évaporation de gouttelettes d’eau.

La grande polyvalence de ces capteurs a permis de mettre au point de nouvelles méthodes de mesure et les dispositifs correspondants ont été développés: mesure sans contact de la température dans un environnement sale, détection d’eau à travers une paroi métallique, caractérisation de transducteurs ultrasoniques…

2. Microcapteurs et matrices imageantes infrarouge.

Les microcapteurs infrarouges peuvent également fonctionner sans encapsulation grâce à une conception thermiquement équilibrée originale. L’absorbant infrarouge (polyimide) et les zones réflectrices (or) permettent de convertir le flux de rayonnement infrarouge en champ périodique de température. Une thermopile constituée d’une série de 300 microthermocouples polysilicium/or suspendus sur des membranes SiO2/Si3N4 convertit le champ de température en force électromotrice. Ces microcapteurs ont été réalisés de façon unitaire et sous forme de matrices 3×3 et 5×2 pixels.

Les dimensions relativement importantes des pixels (3×3 mm² actuellement) permettent de les associer à une lentille de Fresnel pour IR à faible coût. Un premier prototype de caméra IR basse résolution a été développé pour répondre à des applications grand public telles que par exemple la télésurveillance à domicile (vidéo de démonstration). La détectivité spécifique (D*= 2.107 cm.Hz^1/2.W^-1) pour un pixel de 3×3 mm² est suffisante pour cette application. Comparés aux matrices pyroélectriques l’avantage primordial de ces capteurs est la capacité à détecter les personnes immobiles.

Remerciements: La plupart de ces travaux ont été soutenus par «OSEO-ANVAR» et la Région «Nord-Pas-de-Calais».

Pour mesurer des températures, les capteurs invasifs tels que les thermocouples et les fibres optiques ne peuvent pas être facilement introduits dans des produits congelés ou chauffés à très hautes températures. De plus, ils donnent une information ponctuelle. Les instruments infrarouges fournissent une information superficielle et la technique IRM est possible mais exige un équipement coûteux. La radiométrie micro-onde est une solution pour déterminer la température à l’intérieur de matériaux dissipatifs.
La mesure de la température radiométrique est basée sur la réception du bruit thermique naturellement émis par les matériaux. Pour les micro-ondes, la puissance des signaux de bruit est directement proportionnelle à la température des matériaux. Ainsi, la température d’un corps peut être déterminée sans contact en réceptionnant les signaux de bruit à l’aide d’une antenne relié à un radiomètre micro-onde.
Le radiomètre utilisé permet d’obtenir une mesure radiométrique indépendante du gain de la chaîne d’amplification et du coefficient de réflexion à l’entrée du capteur. Les pertes d’insertion de la chaîne de mesure sont aussi prises en compte par un procédé de calibration. Les deux dispositifs radiométriques développés par le groupe fonctionnent autour de 1,575 GHz et de 3,3 GHz et permettent de réaliser des mesures sans contact de la température radiométrique avec de faibles fluctuations, de l’ordre de 0.1°C.

La radiométrie peut être couplée au chauffage micro-onde comme lors d’un processus de chauffage à haute température de poudres métallo-céramiques utilisées pour la fabrication de pièces mécanique par frittage ou lors de la vitrification de déchets toxiques. Dans le domaine médical, la radiométrie est souvent couplée à l’hyperthermie micro-onde qui consiste à éléver modérément la température au-dessus des normales physiologiques pour provoquer une destruction des cellules ou potentialiser les effets thérapeutiques d’autres techniques.
Pour les études théoriques, nous modélisons les phénomènes physiques en employant pour les calculs électromagnétique des modèles comme la FDTD ou les éléments finis. L’aspect thermique passe par la résolution de l’équation de la chaleur afin de déterminer la cartographie thermique dans les matériaux ciblés (chauffage micro-onde et/ou mesure radiométrique). La présence d’un changement d’état dans les matériaux entraîne des variations importantes des propriétés thermiques et électromagnétiques (voire mécaniques) en fonction de la température et du temps. La simulation multiphysique est alors impérative.