[論文レビュー] Micromachined Polycrystalline Sige-Based Thermopiles for Micropower Generation on Human Body

Z. Wang, Vladimir Leonov+2 more|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、人体に埋め込み可能なマイクロパワー発電を目的として、熱的遮断を向上させるための新規リム構造を備えたマイクロマシン加工された多結晶シリコンゲルマニウム（SiGe）ベースのサーモパイルを提案する。このデバイスは、体熱条件下で1 µWの出力で1 Vを超える出力電圧を達成しており、強制対流下でリム構造を導入した場合、電圧感度が53 mV/K/cm²から130 mV/K/cm²に140%向上する。

ABSTRACT

This paper presents a polycrystalline silicon germanium (poly-SiGe) thermopile specially designed for thermoelectric generators used on human body. Both the design of the single thermocouple and the arrangement of the thermocouple array have been described. A rim structure has been introduced in order to increase the temperature difference across the thermocouple junctions. The modeling of the thermocouple and the thermopile has been performed analytically and numerically. An output power of about 1 $μ$W at an output voltage of more than 1 V is expected from the current design of thermopiles in a watch-size generator. The key material properties of the poly-SiGe have been measured. The thermopile has been fabricated and tested. Experimental results clearly demonstrate the advantage of the rim structure in increasing output voltage. In presence of forced convection, the output voltage of a non-released thermopile can increase from about 53 mV/K/cm2 to about 130 mV/K/cm2 after the rim structure is formed. A larger output voltage from the thermopile is expected upon process completion.

研究の動機と目的

• 人体からの低レベルな廃熱を回収するためのマイクロマシン加工サーモパイルの開発。
• 熱的遮断の向上により、熱電発電素子の低出力電圧問題に取り組む。
• 多結晶SiGeベースの構造的・材料的最適化を通じて、出力密度と効率の向上。
• 解析的・数値的・実験的手段を用いたサーモパイル性能の検証。

提案手法

• 多結晶SiGe薄膜を用いた単一熱電対およびそのアレイ構成の設計。
• 接合部における温度差を増大させるために、熱伝導を低減するリム構造の統合。
• サーモパイルの熱的および電気的挙動の解析的および有限要素モデル化。
• 標準MEMSプロセスを用いたプロセスと、リム構造を形成するためのリリース後エッチング。
• 多結晶SiGeのサーモエムベッド係数および熱伝導率を測定し、主な材料特性を評価。
• 制御された温度勾配、特に強制対流条件下での実験的テスト。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リム構造はマイクロマシン加工サーモパイルの熱的遮断および出力電圧にどのように影響するか？
• RQ2 人体熱回収用に設計されたSiGeベースのサーモパイルから、実現可能な出力電圧および出力電力はどの程度か？
• RQ3 解析的および数値的モデルは、実験結果と比較してサーモパイル性能をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 多結晶SiGe材料の選定が、この用途における熱電効率にどの程度の影響を及えるか？
• RQ5 このサーモパイル設計は、ウェアラブルまたは埋め込み型デバイスにおける実用的マイクロパワー応用に十分な出力を達成できるか？

主な発見

• 強制対流下でリム構造を導入した場合、出力電圧感度が53 mV/K/cm²から130 mV/K/cm²に140%向上した。
• 時計サイズのサーモパイル設計は、開放電圧が1 Vを超える約1 µWの出力電力を発生すると予測されている。
• 実験結果は、リム構造が熱的遮断を向上させ、熱電気的性能を改善することの有効性を確認した。
• 多結晶SiGeの測定済みの主要材料特性は、マイクロスケールでの熱電エネルギー回収に実用的であることを裏付けた。
• 解析的モデル、数値シミュレーション、実験的検証の組み合わせにより、性能予測に高い一貫性が確認された。
• 本デバイスは、ウェアラブルおよび埋め込み型医療用バイオシステムにおける実用的マイクロパワー応用に強く期待できる。