Thermogénérateur à base d'alliage Heuseler intégré sur silicium – IoTEGH

La décarbonation, le cout de l’énergie, ou encore la digitalisation, sont autant d’enjeux qui poussent l’industrie à se transformer profondément. Pour ce faire, les industriels ont besoin de monitorer de nouveaux paramètres et donc d’installer de nombreux capteurs. Ces capteurs sont basiques (température, pression, gaz...) mais leur cablage coute très cher. L’alternative offerte par les capteurs IoT (Internet of Things) industriels sur pile/batterie est intéressante lorsque l’émission des données est peu fréquente. Cependant, s’il s’agit de faire du monitoring, le temps de vie de la pile diminue, ce qui pose le problème des couts liés à leur changement, et d’autre part de leur impact environnemental (milliards de batteries nécessaires). Il convient donc de trouver une source d’énergie pour alimenter ces capteurs. Aujourd’hui, 33% de l’énergie consommée par l’industrie en France est perdue sous forme de chaleur fatale, cette forme d’énergie est donc bien adaptée pour cette tache car elle est omniprésente dans le milieu industriel, abondante et gratuite.

Aujourd’hui la start-up MOÏZ, coordinateur du projet IoTEGH, propose une gamme de capteurs industriels autonomes utilisant des thermogénérateurs (TEG) massifs à base de Bi2Te3. Malheureusement, ces capteurs, peu compacts et très spécifiques, sont réservés à des marchés de niche. Afin d’élargir leur marché, MOÏZ souhaite miniaturiser ces thermogénérateurs en intégrant une technologie de rupture, brevetée et mise au point à l’Institut Néel (NEEL). Cette technologie utilise des nano-générateurs thermoélectriques planaires (nanoTEGs) fonctionnalisés actuellement avec des couches minces de Bi2Te3. Ce matériau est standard pour un usage sous forme massive mais les spécificités des nanoTEGs font qu’il n’est pas le plus adapté dans le cas de couches minces. Dans ce contexte, le projet IoTEGH propose de développer des nanoTEGs basés sur le matériau Fe2VAl (Full Heusler), plus conducteur, plus abondant et moins toxique, donc mieux adapté à cette application. Ces nanoTEGs pourront générer une puissance électrique suffisante pour alimenter des capteurs connectés de façon complètement autonome, sans pile ni fil, en recyclant la chaleur fatale perdue dans les procédés et les infrastructures industrielles.

Des premiers essais, effectués par l'Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (ICMPE) et l’Institut Néel (NEEL) sur Fe2VAl, ont donné un résultat favorable qui a ainsi été publié : les bonnes propriétés thermoélectriques obtenues pour une composition de matériau massif (ICMPE) étaient reproduites lorsque la même composition était déposée sous forme de film mince (NEEL). Les compositions optimales déjà déterminées à l’ICMPE pour Fe2VAl de type n peuvent ainsi servir de compositions références pour les films. De nouvelles compositions de Fe2VAl de type p permettant d’atteindre les spécifications requises seront recherchées à l’ICMPE sous forme massive. Les procédés de dépôts de couches minces de ces alliages seront ensuite développés par NEEL au moyen d’un bâti de pulvérisation multi-cibles permettant de reproduire bonnes propriétés thermoélectriques atteintes à l’ICMPE. Les couches minces de type n et p seront ensuite inclues par MOÏZ sur des membranes en Si-N pour le développement des nanoTEGs via des procédés de micro-électronique. Les performances thermoélectriques des couches minces et des dispositifs nanoTEGs seront mesurées via une instrumentation spécifique.

La collaboration entre l’ICMPE, NEEL et MOÏZ rassemble toutes les compétences et connaissances nécessaires à la bonne réalisation de ce projet ambitieux. La réussite du projet IoTEGH conduira à une technologie facilement intégrable, ne comprenant que des matériaux non toxiques et disponibles, capables de répondre au problème de l'autonomie des capteurs IoT industriels.