Описание
Актуальность
Развитие современной техники и технологий неразрывно связано с поиском новых источников электрической энергии, в том числе c так называемой «зеленой» энергетикой. Важным направлением в данной области является разработка энергособирающих устройств (Energy Harvesters). В условиях энергосбережения разработка подобных устройств для автономного питания электрических и электронных систем является актуальной задачей. Одним из перспективных видов энергособирающих устройств, основанных на преобразовании в «полезную» энергию энергии, возникающей при разности температур источника тепла и среды, является термоэлектрический генератор (ТЭГ). Термоэлектрические генераторы используются как первичные (автономные) источники питания во многих практических приложениях при требуемых мощностях от единиц мВт до единиц Вт. ТЭГ широко применяются в схемах питания систем мониторинга состояния двигателей, биомедицинского оборудования и др. Особым фактором, способствующим развитию техники ТЭГ, стало внедрение технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС).
Научная и практическая значимость
Учитывая особенности изготовления, ТЭГ на основе МЭМС технологии определим как структуру упорядоченных областей материала с заданным составом и геометрией, созданную на поверхности твердого тела в виде систем субмикронного размера, статические свойства которых обеспечивают реализацию процессов генерации, преобразования и передачи энергии. ТЭГ на основе МЭМС технологии обеспечивают при перепаде температуры в десятки градусов выходную мощность несколько мВт при выходном напряжении несколько вольт. Целью данного проекта является разработка и изготовление термоэлектрического генератора, включая проектирование и моделирование структуры термоэлектрического генератора численными методами решения оптимизационной задачи по критерию максимизации выходной мощности, разработку технологического маршрута микроэлектронного производства термоэлектрических генераторов, изготовление опытной партии термоэлектрических генераторов на основе МЭМС технологии.
Краткое описание результатов
Результатом проекта является технология микроэлектронного производства термоэлектрических генераторов на основе МЭМС технологий, а именно:
- разработка полупроводниковой структуры термоэлектрических генераторов на основе МЭМС, исследование достижимых параметров (выходная мощность, оптимальные режимы по току и по напряжению, температурный диапазон);
- технологический маршрут микроэлектронного производства термоэлектрических генераторов на основе МЭМС;
- опытная партия термоэлектрических генераторов.
Предполагаемые результаты будут достигнуты в РФ впервые и будут соответствовать мировому уровню.
Используемые ресурсы и оборудование
- Программные платформы ANSYS Workbench, Cadence Design Systems.
- Field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM),
- Energy-dispersive x-ray-analysis (EDXS),
- Чистые помещения класса ISO 5, оснащенные оборудованием для проведения литографии, ионно-лучевого распыления, электрохимического осаждения и травления (совместно с индустриальным партнером).
Партнеры и организации, заинтересованные в результатах работы
- ОАО "Авангард",
- ОАО «Климов»
- Университет Лейбница, Ганновер, Германия (совместные публикации, студенческий обмен, приглашенные профессора).
- Университет Гамбург-Харбург, Гамбург, Германия (студенческий обмен).
- Чешский технический университет, Прага, Чехия (приглашенные профессора).
Важнейшие публикации лаборатории:
- E.V. Balashov, A.S. Korotkov, I.A. Rumyancev Calibration of phase shifters on basis of vector-sum signals // Radioelectronics and Communications Systems ― 2018, vol.61, no.11, 515-521 doi: https://doi.org/10.3103/S073527271811002X
A.S. Korotkov, V.V. Loboda, S.B. Makarov, A. Feldhoff Modeling Thermoelectric Generators Using the ANSYS Software Platform: Methodology, Practical Applications, and Prospects // Russian Microelectronics ― 2017, Vol. 46, No. 2, 131–138, doi:10.1134/S1063739717020056