ES2242185T3 - Dispositivo de alimentacion de corriente, en especial para instrumentos de medicion accionados electricamente. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de alimentación de corriente con una batería térmica (1) formada por varios termoelementos (2), siendo colocados los termoelementos (2), mediante un procedimiento microtecnológico, sobre un cuerpo de sustrato (3) de menor conductibilidad térmica, y estando formados por dos puentecillos (8, 15) de distintos materiales, estando dispuestos los puentecillos (8, 15) de cada material paralelos entre sí en un plano y unidos entre sí en sus extremos (12, 13; 17, 18) de tal manera que los termoelementos (2) están colocados eléctricamente en serie, designándose cada lado opuesto de la batería térmica (1), en el que los extremos de los puentecillos (8, 15) están unidos entre sí, como lado frío o caliente de la batería térmica (1), caracterizado porque las dos superficies laterales del cuerpo de sustrato (3), asignadas a los lados frío o caliente y de las mismas dimensiones, están juntas y fijas a piezas de conexión (64, 65) de un material de alta conductibilidad térmica y porque en su ladoalejado de los puentecillos (8, 15) el cuerpo de sustrato (3) presenta un foso (11) que discurre aproximadamente perpendicular a los puentecillos (8, 15) y cuya sección disminuye en zonas parciales, que está lleno de un material que conduce peor el calor que el material del cuerpo de sustrato (3).

Description

Dispositivo de alimentación de corriente, en especial para instrumentos de medición accionados eléctricamente.

La invención se refiere a un dispositivo de alimentación de corriente, en especial para instrumentos de medición accionados eléctricamente, según la definición de la reivindicación 1.

El objetivo de la invención es encontrar, para la alimentación de corriente de instrumentos de medición accionados eléctricamente, otro tipo de fuente de corriente eléctrica, distinto a las pilas secas o los pequeños colectores, cuestionables ecológicamente.

El documento DE-A-31 23 336 muestra un contador de calor para medir la cantidad de calor emitida por un cuerpo radiante hacia el espacio y para cuya alimentación de corriente se utiliza una batería de termoelementos, que parcialmente se alimentan del cuerpo emisor de calor y están expuestos parcialmente al aire circundante del espacio. Aunque con este contador de calor conocido pueden reunirse un gran número de termoelementos individuales para formar una batería térmica, la tensión total conseguida como tensión de alimentación apenas es suficiente para un instrumento de medición accionado eléctricamente. Por esta razón, en este contador de calor conocido se utiliza un sistema indicador electrolítico que puede funcionar con corrientes altas y tensiones bajas. Se ve con ello que este tipo de alimentación de corriente sólo puede utilizarse de manera limitada para instrumentos de medición accionados eléctricamente, en particular cuando el instrumento de medición que hay que alimentar presenta conexiones eléctricas de medición y de control, que requieren una tensión de alimentación definida, por lo general de algunos voltios.

El documento DE-A-39 25 391 revela una batería térmica formada sobre un cuerpo de sustrato mediante estructuras conductoras, de dos materiales distintos, en concreto silicio dopado con p y aluminio, y que están dispuestas con densidad elevada al modo de una cuadrícula plana. Esta llamada columna térmica suministra únicamente señales termoeléctricas para fines de medición. Por consiguiente, se trata sólo de un sensor de medición.

La publicación "Sensors and Actuators A, Bd, 37/38, junio 1993 - agosto 1993, págs. 77-81" revela un dispositivo con una batería térmica formada sobre un cuerpo de sustrato, concretamente SiO_{2}, mediante estructuras conductoras de dos materiales distintos y que están dispuestas con densidad elevada al modo de una cuadrícula plana.

Partiendo de un dispositivo de alimentación de corriente del tipo indicado al principio, la invención tiene como objetivo configurar la batería térmica de tal manera que puedan generarse tensiones termoeléctricas esencialmente más altas, en un orden de magnitudes de algunos voltios.

La solución técnica se caracteriza por los atributos definidos en la reivindicación 1.

La ventaja del dispositivo de alimentación de corriente según la invención consiste en que la batería térmica para el suministro de un aparato eléctrico, en particular de un instrumento de medición propulsado eléctricamente, proporciona suficiente energía eléctrica. Esto se consigue según la invención, entre otras cosas, haciendo que entre el lado frío y el lado caliente se produzca la máxima diferencia de temperatura posible. Con ello, se aumenta en conjunto la tensión termoeléctrica. La invención puede presentar toda una serie de otras ventajas adicionales. Así, al utilizar la alimentación de corriente según la invención en instrumentos de medición propulsados eléctricamente de este tipo, que sirven para medir temperaturas y cantidades de calor, se prescinde de una fuente especial de calor ya que la matriz térmica según la invención se aplica directamente desde la fuente de calor que hay que controlar o a la que hay que medir. No es necesario un esfuerzo especial para la alimentación de corriente del aparato de medición, de tal manera que es posible un funcionamiento prácticamente ilimitado en el tiempo sin cambiar almacenes de energía tales como pilas secas, acumuladores y similares. En otros lugares de aplicación es posible añadir a la matriz térmica según la invención una fuente de calor artificial, que puede estar formada por ejemplo por un sistema de pérdida de calor.

La reivindicación 20 define un procedimiento microtecnológico para fabricar una batería térmica eléctrica para un dispositivo de alimentación de corriente según la invención. En la reivindicación 16 se define un distribuidor de costes de calefacción o de costes de agua caliente que integra un dispositivo de alimentación de corriente según la invención.

Perfeccionamientos ventajosos se ven en las restantes reivindicaciones.

Basándose en ejemplos de realización preferidos, que se representan en los dibujos adjuntos, la invención se explica en detalle en la siguiente descripción, donde los dibujos muestran:

Fig. 1 una batería térmica conocida según el estado actual de la técnica, en representación esquemática para explicar los fundamentos de una batería térmica de este tipo,

Fig. 2 la parte interior de la matriz térmica según la invención de la Fig. 7, en representación esquemática,

Fig. 3 una unidad de montaje independiente, en vista anterior con una matriz térmica,

Fig. 4 una unidad de montaje según la Fig. 3 en una vista lateral derecha,

Fig. 5 un distribuidor de costes de calefacción eléctrica en vista lateral, parcialmente de puntos, con una matriz térmica (batería térmica) según las Figs. 3 y 4,

Fig. 6 vista anterior del distribuidor de costes de calefacción según la Fig, 5 y

Fig. 7 representación en perspectiva, parcialmente en corte, de la matriz térmica según la invención conforme a la Fig. 2 en la configuración como módulo termoeléctrico.

En la disposición según el citado documento DE-A-3123336, los termoelementos disponibles, en parte separados espacialmente entre sí y en parte reunidos en un lugar, están colocados en su correspondiente ubicación de utilización.

De este modo, está limitado el número de termoelementos utilizables y, con ello, también la tensión total generable mediante la batería térmica. Por otra parte, el esfuerzo constructivo y los costes serían desproporcionadamente altos. Las posibilidades de utilización de una batería térmica de este tipo para un contador de calor eléctrico quedan así limitadas.

Para generar tensiones más altas para la alimentación con corriente de un instrumento de medición eléctricamente accionado, se propone utilizar elementos constructivos obtenidos mediante un procedimiento microtecnológico tal como se representan en las Figs. 1 y 2.

Con estas baterías térmicas fabricadas microtecnológicamente puede disponerse un número muy elevado de termoelementos 2 individuales en la cuadrícula de la matriz térmica 1, de este modo, es posible montar 1000 y más termoelementos 2 en la cuadrícula de la matriz térmica 1, de tal manera que puede generarse una tensión inicial relativamente elevada con una corriente suficiente. A esto contribuye la configuración especial del cuerpo de sustrato 3, que con una pequeña diferencia de temperatura posibilita tensiones iniciales relativamente elevadas en los termoelementos 2 con una resistencia eléctrica interna asumible.

Los termoelementos 2 de la matriz térmica 1 se realizan mediante zonas 8 de silicio dopado, dispuestas en gran número a modo de cuadrícula sobre un cuerpo de sustrato 3, estando esas zonas, por su parte, aisladas frente al cuerpo de sustrato 3. Estas zonas 8 de silicio están dispuestas convenientemente paralelas entre sí y a modo de cuadrícula sobre el cuerpo de sustrato 3.

Las distintas zonas 8 de silicio se sitúan unas junto a otras y están unidas alternativamente entre sí con puentecillos metálicos 15. Estos son ventajosamente de aluminio.

Estos puentecillos metálicos 15 formaban parte de un metal, preferentemente una capa de aluminio, colocado sobre el cuerpo de sustrato 3 con las zonas 8 de silicio dopado. Mediante corrosión con ácido se fabrican los puentecillos metálicos 15 a partir de la capa de aluminio.

Los distintos puentecillos metálicos 15 forman con las zonas 8 de silicio dopado unidas a ellos los termoelementos 2, que están colocados en una densidad y una cantidad extraordinariamente altas sobre el cuerpo de sustrato 3.

Los termoelementos 2 están conectados eléctricamente en serie, de tal manera que las tensiones individuales de los termoelementos 2 se suman para aumentar una tensión inicial elevada.

Así, por ejemplo, un termoelemento 2, que es de níquel y silicio dopado, proporciona una tensión termoeléctrica de 0,463 mV/ºC. En el caso de 1000 termolementos 2 colocados sobre el cuerpo de sustrato 3 y para un gradiente de temperatura de 10ºC a lo largo del plano del cuerpo de sustrato 3 y en el sentido de los puentecillos 8, se genera una tensión inicial de aproximadamente 4,6 V. Este es un valor de tensión suficiente para la alimentación de la mayoría de los elementos de medición accionados eléctricamente. Esto rige también para aquellos instrumentos de medición que van equipados con amplios circuitos electrónicos, por ejemplo microordenadores, etcé-
tera.

En la Fig. 1 se representa en detalle una matriz térmica (batería térmica) 1 con algunos termoelementos 2. Sobre el cuerpo de sustrato 3 hay formada una determinada estructura de impurificación de tipo opuesto, fabricada con un procedimiento microtecnológico. El cuerpo de sustrato 3 puede ser un material semiconductor dopado macizo o bien, como en el ejemplo de realización según la Fig. 1, un soporte 5 sobre el que se ha colocado una capa semiconductora 6 dopada de manera correspondiente o implantada. Para el presente objetivo, para el cuerpo de sustrato 3 es apropiado como material semiconductor 6 silicio de tipo n.

Sobre la superficie semiconductora del cuerpo de sustrato 3 hay previstas, en forma de estrechos puentecillos 8 aislados, zonas dopadas p que discurren juntas en la dirección del gradiente de calor (flecha 10). Éstos pueden formarse mediante un procedimiento de impurificación apropiado, por ejemplo mediante difusión o implantación.

Los extremos 12, 13 de estos puentecillos 8 formados por zonas dopadas p están unidos mediante puentecillos metálicos 15 de capa delgada, preferentemente de aluminio, con los correspondientes extremos 13, 12 opuestos de cada puentecillo 8 vecino. Estos puentecillos 15 se obtienen por corrosión, por medio de marcas adecuadas, a partir de una capa metálica delgada, en particular una capa de aluminio, tamponada sobre la superficie de semiconductor nitrurada u oxidada del cuerpo de sustrato 3. En sus dos extremos exteriores 12, 13 se excluyen de la nitruración u oxidación los puentecillos 8 dopados p para posibilitar una unión por contacto con los correspondientes extremos 17, 18 de los puentecillos metálicos 15. La nitruración u oxidación de la superficie semiconductora estructurada en p es necesaria, entre otras cosas, para garantizar el aislamiento de las restantes áreas de los puentecillos 8 frente a los puentecillos metálicos 15 de capa delgada.

Las uniones 12, 17; 13, 18 con los puentecillos metálicos 15 existentes de modo alterno sobre la superficie semiconductora en los dos extremos 12, 13 de los puentecillos 8 dopados son parte de cada uno de los termoelementos 2, cada uno de los cuales está formado por las partes 8, 15; 12, 13 y 17, 18. Estos termoelementos 2 individuales de la matriz térmica (batería térmica) 1 están colocados en gran número y densidad sobre la superficie semiconductora del cuerpo de sustrato 3.

En la Fig. 2 se representa esquemáticamente un área algo mayor de la batería térmica 1 ligeramente girada. Sobre la superficie semiconductora del cuerpo de sustrato 3 hay colocados una pluralidad de termoelementos 2 (en el caso de aplicación práctico aproximadamente 500 a 2000). Los lados opuestos de la batería térmica 1, en los que están unidos entre sí los extremos de los puentecillos 8,15, se designan como lado frío o caliente de la batería térmica. Según la invención, en las superficies laterales del cuerpo de sustrato 3 de iguales dimensiones y asignadas a los lados frío o caliente, hay fijas piezas de conexión 64, 65 de un material de elevada conductibilidad térmica. Esto no se representa en la Fig. 2, pero sí en la Fig. 7.

Según una configuración conveniente de la invención, los puentecillos 8 dopados tienen sobre la superficie semiconductora una longitud de 0,5 mm, una anchura de 10 \mum, y una profundidad de la impurificación p de aproximadamente 2 \mum.

Con un gradiente térmico entre ambos lados frontales 20, 21 en el sentido de la flecha 10 de la matriz térmica 1 de aproximadamente 10ºC se origina, mediante el efecto Seebeck, entre las conexiones 22, 23 de la batería térmica 1 una tensión termoeléctrica en un orden de magnitudes de algunos voltios, que puede utilizarse por ejemplo para alimentar un instrumento de medición conectado en serie.

Las corrientes eléctricas útiles se sitúan así en un orden de magnitudes de algunos \muA.

Los dos lados frontales 20, 21 de la batería térmica 1 constituyen por tanto los lados "caliente" (20) y "frío" (21) de la matriz térmica o batería térmica 1. La tensión termoeléctrica U_{th} establecida en las conexiones 22, 23 de la batería térmica 1 es función de la diferencia de temperatura entre los dos lados frontales 20, 21 que resulta del gradiente de temperaturas en el sentido de la flecha 10.

Para la fabricación de la matriz térmica (batería térmica) 1 se requiere una serie de pasos diferentes de un procedimiento microtecnológico, con el cual pueden satisfacerse las complejas condiciones de tipo tecnológico del objeto de la invención.

En el procedimiento de fabricación se parte ventajosamente de un wafer de silicio con implante o impurificación tipo n como material básico para el cuerpo de sustrato 3. Este último consta de un wafer de silicio tipo n macizo o de una pieza portadora 5 con una capa semiconductora 6 de conducción n colocada sobre ella.

Sobre la superficie semiconductora del cuerpo de sustrato 3 de tipo n se genera o aplica entonces una capa de óxido mediante tratamiento en una fase de vapor de agua a la correspondiente temperatura.

A continuación, se aplica sobre la capa de óxido una máscara fotolítica para la subsiguiente difusión y se ilumina, disolviéndose las partes no iluminadas.

A continuación, se produce la corrosión de la estructuración para una difusión de tipo p, por ejemplo una difusión con boro, que se realiza en un medio de vapor de boro a una temperatura de aproximadamente 1000ºC. Con ello, se forman sobre la superficie semiconductora los puentecillos 8 dopados de tipo p siguiendo la cuadrícula prefijada.

Sigue entonces la fase del procedimiento de separación del nitrito de silicio o una eventual nueva oxidación en toda la superficie de la capa semiconductora 6.

A continuación, se aplica en esta etapa del procedimiento la máscara fotolítica para producir los contactos a la que entonces, tras iluminar y disolver la máscara, sigue la corrosión de los agujeros de contacto que quedan.

A continuación, se pulveriza sobre la superficie semiconductora una capa metálica delgada, en especial una capa de aluminio, sobre la que después se coloca de nuevo una máscara fotolítica para fabricar la estructura de los puentecillos metálicos 15.

A esta formación de la máscara le sigue, después de la iluminación y la disolución de las zonas no iluminadas, el paso de procedimiento de la corrosión, mediante la cual se obtienen los distintos puentecillos metálicos 15 a partir de la capa metálica cerrada, por ejemplo la capa de aluminio. Mediante la corrosión previa de los agujeros de contacto se posibilita un contacto directo de los extremos 12, 13 de los puentecillos 8 dopados con la capa metálica aplicada, por ejemplo una capa de aluminio, los cuales permanecen ahora unidos mediante contacto con los extremos 17, 18 de los puentecillos metálicos 15 elaborados.

Después de estos pasos de procedimiento se coloca la matriz térmica 1 sobre un soporte apropiado, produciéndose la conexión eléctrica mediante un alambre metálico, preferentemente de aluminio-oro.

Para conseguir un elevado rendimiento de la batería térmica 1 según la invención, el cuerpo de sustrato 3 debería estar configurado de tal manera que se establezca el máximo gradiente de temperatura posible entre el lado "caliente" y el "frío" del cuerpo de sustrato 3 en el sentido de la flecha 10. Esto se favorece haciendo que la conductibilidad térmica entre el lado "caliente" y el "frío" 20, 21 del cuerpo de sustrato 3 sea lo más baja posible.

Para hacer que la conductibilidad térmica del cuerpo de sustrato 3 en el sentido de la flecha 10 (véanse Figs. 1 y 2) sea lo menor posible, al cuerpo de sustrato 3 se le da según la invención una forma geométrica determinada, tal como muestran las Figs. 2 y 7.

Para este fin, sobre el lado del cuerpo de sustrato 3 alejado de la cuadrícula 8, 15, o sea, sobre su lado posterior, hay previsto un foso 11 comparativamente ancho y que discurre en el sentido longitudinal del cuerpo de sustrato 3, mediante el cual se reduce fuertemente la sección útil restante del cuerpo de sustrato. De esta manera, se reduce considerablemente la influencia de la sección, que igualmente influye sobre la conductibilidad térmica del cuerpo de sustrato 3, y se concentra sobre la sección del puentecillo 14 restante.

Esta configuración del cuerpo de sustrato 3 en forma de puente o de U en lo referente a la sección, se genera haciendo que sobre el lado opuesto a la cuadrícula 8, 15 se aplique, con un procedimiento litográfico, una máscara que equivalga a la forma del foso 11, mediante la cual puede producirse una corrosión del foso 11.

Para evitar que se perjudique la estabilidad del cuerpo de sustrato 3, de sección fuertemente reducida de este modo, el foso 11 formado se rellena con una masa fundida apropiada, por ejemplo un plástico adecuado, que es menos conductora térmica que el material del cuerpo de sustrato. A este respecto interesa un material, por ejemplo en forma de un adhesivo, que a ser posible tenga una conductibilidad térmica claramente inferior a la del material del sustrato.

Mediante la estructuración microtécnica anteriormente descrita de la sección del cuerpo de sustrato 3 de la matriz térmica 1 según la invención, se consigue que la resistencia térmica entre los dos lados de contacto de la batería térmica 1 sea grande y se consigue con ello una diferencia máxima de temperatura dT en los termoelementos 2 con una corriente de calor mínima.

En otra forma de realización de la batería térmica 1 según la invención, la cuadrícula 8, 15 sobre el cuerpo de sustrato 3 no se realiza mediante un emparejado de zonas 8 de silicio dopadas, que están formadas sobre un cuerpo de sustrato 3 de un material semiconductor, por ejemplo silicio, de una determinada conductibilidad, con puentecillos mecánicos 15 de un material apropiado. En lugar de ello, se han utilizado emparejamientos de puentecillos metálicos 15 de distintos materiales que son adecuados al respecto.

Así por ejemplo, es adecuado preferentemente un emparejamiento de materiales tales como níquel y hierro o níquel y cobre. También son imaginables dentro de este contexto emparejamientos de otros metales.

Como soporte se utilizó aquí convenientemente un cuerpo de sustrato 3 de vidrio, en especial cristal de cuarzo. Sobre este cuerpo de sustrato 3 se vaporiza o pulveriza una capa metálica de un primer metal y después de la colocación y estructuración de una máscara se corroe de manera correspondiente para formar los puentecillos metálicos 15 de los distintos termoelementos 2. Estos puentecillos metálicos de un primer metal aparecen en el lugar de los puentecillos 8 dopados en el caso de un cuerpo de sustrato 3 de material semiconductor, por ejemplo silicio.

Sobre esta cuadrícula de puentecillos metálicos 15 del primer material metálico se coloca una capa aislante adecuada, por ejemplo de pintura, plástico, polisilicio. Esta capa aislante se vaporiza o pulveriza entonces con otra capa metálica de un segundo metal y, después de colocar y estructurar otra máscara, se corroe asimismo de manera correspondiente para formar los puentecillos metálicos 15 de metal contrario para los termoelementos 2.

El aislamiento entre los dos puentecillos metálicos 15 se estructura de tal manera que los extremos 17, 18 de cada uno de los puentecillos metálicos 15 de ambas capas metálicas se conectan eléctricamente entre sí y, de este modo, se forma cada uno de los termoelementos 2.

Según una configuración de la invención adecuada y no representada de modo detallado en los dibujos, para aumentar la potencia eléctrica absorbible desde la batería térmica 1 se pueden colocar sobre el cuerpo de sustrato 3 varias cuadrículas planas de este tipo, unas encima de otras, en capas y aisladas entre sí, y unirse entre sí eléctricamente.

Conectando de manera adecuada las distintas cuadrículas o baterías térmicas 1 sobre la superficie del cuerpo de sustrato 3, puede conseguirse un aumento de la tensión de toda la batería térmica y/o una disminución de la resistencia interna eficaz.

El aislamiento de los planos de cuadrícula de cada una de las baterías térmicas entre sí se realiza convenientemente con las capas aislantes habituales en la microtecnología, como por ejemplo capas de pintura o de óxido. Las capas aislantes están estructuradas de manera correspondiente, con lo cual quedan libres las conexiones para la unión de cada una de las cuadrículas entre sí y con ello para las distintas baterías térmicas 1.

En las Figs. 3 y 4 se representa un perfeccionamiento de la batería térmica 1 según la invención. La matriz térmica 1 está inmersa preferentemente en plástico y forma una unidad constructiva 25 independiente, que puede utilizarse como generador térmico y como elemento de medición de la temperatura, es decir, como sensor de temperatura.

La unidad constructiva 25 está dimensionada de tal manera que como mínimo en una parte de sus dimensiones es equivalente a las de un chip IC normalizado.

Para hacer posible una unión conductora térmica de los lados "caliente" y "frío" 21, 22 de la matriz térmica 1 hacia el exterior, hay previstas en la unidad constructiva 25 conexiones térmicas 26 y 27 que están formadas por chapas de contacto 28 y 29, preferentemente de cobre o aluminio. Éstas hacen posible un contacto térmico con las fuentes de calor de la batería térmica 1 fuera de su caja.

Además, en la unidad constructiva 25 hay integrado según la invención un sensor térmico 30, preferentemente un sensor NTC, que sirve como sensor de referencia térmica. Este sensor también puede integrarse directamente en el cuerpo de sustrato 3 de la batería térmica 1.

Tal como se ha mencionado anteriormente, la unidad constructiva 25 puede formarse con un procedimiento adecuado de moldeo de plástico inyectando los distintos componentes, o sea, la matriz térmica 1, las chapas de contacto 28 y 29 y el sensor térmico 30. Puede haber previstas en la unidad constructiva 25 conexiones eléctricas 31 a 34 configuradas como pins, que ventajosamente imitan las conexiones de un chip IC. A través de estas conexiones 31 a 34 puede accederse eléctricamente a la matriz térmica 1 (31, 32) y al sensor térmico 30 (33, 34), estando unidas eléctricamente las conexiones 31, 32 con las conexiones 22, 23 de la matriz térmica (batería térmica) 1, por ejemplo mediante cableado.

De esta manera es posible, por ejemplo, disponer la unidad constructiva térmica 25 con su caja de plástico 35 sobre un circuito impreso 45 y unir sus conexiones 31 a 34 con las vías conductoras de esta última mediante un procedimiento convencional. Al utilizar la unidad constructiva 25, sus conexiones térmicas 26, 27 deben conectarse de manera apropiada a las fuentes de referencia térmica, de tal manera que se instaure un gradiente de calor correspondiente a través de la matriz térmica 1 y con ello la correspondiente diferencia de temperatura en ésta.

El sensor 30 está unido térmicamente con la conexión 26 y en caso de necesidad transmite a través de sus conexiones eléctricas 33, 34 una señal eléctrica, que caracteriza la temperatura absoluta existente en la conexión térmica 26.

En las Figs. 5 y 6 se representa esquemáticamente un distribuidor electrónico 40 de costes de calefacción en el que se utiliza la matriz térmica 1 según la invención (véase Fig. 7) o su unidad constructiva 25. La matriz térmica 1 sirve entonces tanto de fuente de corriente, para alimentar el circuito de medición electrónico, como también de sensor de medición para calcular la diferencia de temperatura relevante entre el cuerpo calefactor que hay que registrar y la temperatura ambiente de la habitación pertinente de una unidad de vivienda.

El distribuidor 40 de costes de calefacción presenta una pieza adaptadora 42, sirviendo de placa base de la caja, que es de un material térmicamente conductor, en especial aluminio. Por un lado, con la pieza adaptadora 42 se coloca el distribuidor electrónico de costes de calefacción en el cuerpo calefactor, no representado, que hay que registrar. Por otro lado, la pieza adaptadora 42 sirve para la conducción térmica desde el cuerpo calefactor a la batería térmica 1 o su unidad constructiva 25 del distribuidor 40 de costes de calefacción.

La pieza adaptadora 42, actuando como placa base de la caja, está unida a la parte anterior 43 de la caja del distribuidor electrónico 40 de costes de calefacción, en el que los grupos constructivos eléctricos y electrónicos del circuito de medición e indicación están dispuestos sobre un circuito impreso 45. Éste, se encuentra unido mediante pernos portantes 46 a la parte anterior 43 de la caja. Sobre el circuito impreso 45 está dispuesta la unidad constructiva 25, que sirve de generador de medición y térmico, con la matriz térmica 1 y unida a las vías conductoras del mismo.

Además, sobre el circuito impreso 45 hay previstos, entre otros, un microordenador 48, un sistema indicador 49 y otros circuitos integrados 50, 51 que sirven para desarrollar los programas de medición del distribuidor 40 de costes de calefacción. El soporte indicador del sistema indicador 49 puede leerse a través de una ventana 53 de la parte anterior 43 de la caja.

La unidad constructiva 25 termoeléctrica montada sobre el circuito impreso 45 está unida térmicamente, con su conexión térmica 26 a través de una primera pieza 55 de unión conductora térmicamente por medio de una pieza de contacto 56, a la pieza adaptadora 42.

Igualmente, la conexión térmica 27 de la unidad constructiva 25 está unida, a través de una segunda pieza 57 de unión conductora térmicamente, con una pieza 58 de caja, térmicamente conductora y rodeada por el aire ambiente de la habitación, situada en la parte anterior 43 de la caja del distribuidor 40 de costes de calefacción. El extremo 59 de este pieza 57 de unión atraviesa la parte anterior 43 de la caja por un orificio 60 y entra en contacto allí con la pieza 58 de caja conductora térmicamente, que está configurada como una placa metálica colocada por delante sobre la pieza anterior 43 de la caja y que puede estar además configurada, por ejemplo, como placa de tipos de la caja.

Desde el cuerpo calefactor no representado y a través de la pieza adaptadora 42, así como la pieza 56 de contacto y la pieza 55 de unión, se transmite ahora la temperatura media del cuerpo calefactor a través de la conexión térmica 26 sobre el lado "caliente" 21 de la matriz térmica 1 de la unidad constructiva 25.

Al mismo tiempo, la temperatura que se ajusta en la pieza 58 de caja debido al aire circulante del entorno se transmite, a través de la pieza de unión 57, a la conexión térmica 27 no representada en la Fig. 5 y desde allí al lado "frío" 22 de la batería térmica 1 de la unidad constructiva 25.

En la matriz térmica 1 se forma una diferencia de temperatura que tiene como consecuencia una tensión termoeléctrica correspondiente, que como criterio de medición para el consumo momentáneo en el cuerpo calefactor puede registrarse mediante el circuito evaluador electrónico conectado en serie, y teniendo en cuenta los factores de valoración y las funciones de radiación vigentes puede incluirse en la valoración, almacenarse y/o indicarse.

La unidad constructiva termoeléctrica 25 se monta sobre el circuito impreso 45 convenientemente junto con los puntos de unión 55, 57, que son conductores térmicos, uniéndose al mismo tiempo las conexiones 31, 32 y 33, 34 con las vías conductoras de los mismos. El punto de unión 55 pasa a través de una escotadura 62 del circuito impreso 45 y lleva fuera la pieza de contacto 56, que con relación a la pieza adaptadora 42 está dispuesta preferentemente de manera elástica para garantizar siempre un contacto eficaz con la pieza adaptadora 42.

Según la invención, tal como muestra la Fig. 7 el cuerpo de sustrato 3 de la batería térmica 1 en la configuración según la invención, que posee un foso 11 lleno de masa fundida, está unido a las piezas de conexión 64, 65 bilaterales de alta conductibilidad térmica, formando un módulo térmico 70 que hace posible un aumento adicional de la toma de potencia eléctrica.

Para este fin, las piezas de conexión 64, 65 colocadas a un lado a la altura del cuerpo de sustrato 3 están unidas con los lados 20, 21 "caliente" y "frío" del cuerpo de sustrato 3 mediante una unión 68, 69 buena conductora del calor. Esta unión 68, 69 se realiza convenientemente soldando con una soldadura adecuada o pegando con un adhesivo buen conductor del calor.

Las áreas entre las dos piezas de conexión térmicas 64, 65, concretamente por debajo y por encima del cuerpo de sustrato 3 del módulo térmico 70, están llenas de masa fundida 16 mala conductora del calor para concentrar la conducción térmica entre las dos piezas de conexión 64, 65 sobre el cuerpo de sustrato 3, y concretamente en especial sobre el puentecillo 14.

El módulo térmico 70 con la batería térmica 1 constituye por lo tanto una unidad constructiva optimizada que puede utilizarse para las más diversas aplicaciones para las que esté previsto o sea necesario una medición termoeléctrica y una obtención de energía.

La configuración del módulo térmico 70 permite, incluso con diferencias de temperatura dT muy pequeñas, una ganancia de energía relativamente grande o una señal de medición eléctrica suficientemente grande para la evaluación.

El módulo térmico 70 según la invención resulta apropiado para usar con la unidad constructiva 25 según las Figs. 3 y 4 y con ello también con el distribuidor electrónico de costes de calefacción según las Figs. 5 y 6.

En la unidad constructiva 25, el módulo térmico 70 según la invención está dispuesto entre las chapas de contacto 28, 29 para las conexiones térmicas 26, 27 y junto con éstas rodeado, por ejemplo mediante inyección, por la caja 35 de plástico que sirve para la protección y la cohesión de la unidad constructiva 25.

Lista de referencias

1

matriz térmica/batería térmica

2

termoelemento

3

cuerpo de sustrato

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5

soporte

6

capa semiconductora

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8

puentecillos dopados de tipo p

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10

flecha para el gradiente de temperatura

11

foso

12

extremo

13

extremo

14

puentecillo

15

puentecillo metálico

16

masa fundida de la Fig. 7

17

extremo

18

extremo

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20

lado frontal

21

lado frontal

22

conexión

23

conexión

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25

unidad constructiva

26

conexión térmica

27

conexión térmica

28

chapa de contacto

29

chapa de contacto

30

sensor térmico

31

conexión eléctrica

32

conexión eléctrica

33

conexión eléctrica

34

conexión eléctrica

35

caja de plástico

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40

distribuidor de costes de calefacción

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42

pieza adaptadora

43

parte anterior de la caja

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45

circuito impreso

46

pernos portantes

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48

microordenador

49

sistema indicador

50

circuito integrado

51

circuito integrado

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53

ventana

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55

pieza de unión

56

pieza de contacto

57

pieza de unión

58

pieza de caja

59

extremo

60

orificio

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62

escotadura

\vskip1.000000\baselineskip

64

pieza de conexión

65

pieza de conexión

66

lado "caliente"

67

lado "frío"

68

unión

69

unión

70

módulo térmico

Claims (20)

1. Dispositivo de alimentación de corriente con una batería térmica (1) formada por varios termoelementos (2),

siendo colocados los termoelementos (2), mediante un procedimiento microtecnológico, sobre un cuerpo de sustrato (3) de menor conductibilidad térmica, y estando formados por dos puentecillos (8, 15) de distintos materiales,

estando dispuestos los puentecillos (8, 15) de cada material paralelos entre sí en un plano y unidos entre sí en sus extremos (12, 13; 17, 18) de tal manera que los termoelementos (2) están colocados eléctricamente en serie, designándose cada lado opuesto de la batería térmica (1), en el que los extremos de los puentecillos (8, 15) están unidos entre sí, como lado frío o caliente de la batería térmica (1), caracteriza- do

porque las dos superficies laterales del cuerpo de sustrato (3), asignadas a los lados frío o caliente y de las mismas dimensiones, están juntas y fijas a piezas de conexión (64, 65) de un material de alta conductibilidad térmica y

porque en su lado alejado de los puentecillos (8, 15) el cuerpo de sustrato (3) presenta un foso (11) que discurre aproximadamente perpendicular a los puentecillos (8, 15) y cuya sección disminuye en zonas parciales, que está lleno de un material que conduce peor el calor que el material del cuerpo de sustrato (3).

2. Dispositivo de alimentación de corriente según la reivindicación 1, caracterizado

porque los termoelementos (2) de la batería térmica (1) están formados por un cuerpo de sustrato (3) de un material semiconductor (6), en cuya superficie semiconductora hay dispuestos en una disposición a modo de cuadrícula como mínimo una serie de puentecillos (8) situados unos junto a otros, aislados, dopados y producidos con un procedimiento microtecnológico,

porque los distintos puentecillos (8) dopados del material semiconductor (6) están unidos en sus dos extremos (12, 13), mediante puentecillos metálicos (15) de capa delgada, con los extremos (13, 12) opuestos correspondientes de los dos puentecillos (8) vecinos dopados, y

porque estos puentecillos (8) dopados están dispuestos sobre el material semiconductor (6) con su eje longitudinal discurriendo aproximadamente en el sentido del gradiente térmico (flecha 10).

3. Dispositivo de alimentación de corriente según la reivindicación 2, caracterizado

porque el material semiconductor (6) del cuerpo de sustrato (3) de la batería térmica (1) es material dopado de tipo n, y

porque mediante difusión los puentecillos (8) dopados son áreas dopadas de tipo p del material semiconductor.

4. Dispositivo de alimentación de corriente según la reivindicación 2 o 3, caracterizado porque los puentecillos metálicos (15) de capa delgada que unen entre sí los puentecillos (8) dopados del material semiconductor (6) son piezas formadas mediante corrosión selectiva a partir de una capa metálica aplicada sobre la superficie aislada mediante pulverización.

5. Dispositivo de alimentación de corriente según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el material de los puentecillos metálicos (15) es aluminio.

6. Dispositivo de alimentación de corriente según la reivindicación 1, caracterizado porque la batería térmica (1) está formada por un cuerpo de sustrato (3) de vidrio o cerámica, sobre cuya superficie hay dispuestos juntos puentecillos (8) conductores, generados según un procedimiento microtecnológico a partir de una capa metálica aplicada,

porque sobre los puentecillos (8) conductores hay aplicada una última capa aislante con la excepción de sus extremos (12, 13) más exteriores, y

porque sobre la capa aislante de una capa metálica adicional aplicada sobre la última hay dispuestos puentecillos (15) conductores de un segundo material, producidos por un procedimiento microtecnológico, que con sus extremos (17, 18) más exteriores están unidos con los extremos (13, 12) opuestos de los dos puentecillos (8) vecinos del primer material y forman así una red conductora de una matriz térmica (1) densa con termoelementos (2) opuestos entre sí.

7. Dispositivo de alimentación de corriente según la reivindicación 6, caracterizado porque sobre el cuerpo de sustrato (3) fuera de la primera capa metálica de un primer material y desde una segunda capa metálica de un segundo material y una capa aislante dispuesta entre las dos capas metálicas, según un procedimiento microtecnológico en forma de una batería térmica (1) de base que crea una red, se agrupan eléctricamente entre sí de manera adecuada una o varias baterías térmicas (1) adicionales de este tipo, disponiéndolas en emparedado, superpuestas o anexas, con una capa aislante entre ellas.

8. Dispositivo de alimentación de corriente según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la batería térmica (1) se agrupan sobre el cuerpo de sustrato (3) 500 a 2000 termoelementos (2) individuales.

9. Dispositivo de alimentación de corriente según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado

porque presenta una fuente de calor (42) de temperatura más alta y una fuente de calor (58) de temperatura más baja,

porque el lado caliente (20) de la batería térmica (1, 70) está unido, a través de una primera pieza de unión (55) conductora de calor, con la fuente de calor (42) de temperatura más alta, y

porque el lado frío (21) de la batería térmica (1) está unido, a través de una segunda pieza de unión (57) conductora de calor, con la fuente de calor (58) de temperatura más baja.

10. Dispositivo de alimentación de corriente según la reivindicación 9, caracterizado porque la fuente de calor (42) de temperatura más alta está formada por un emisor de calor que debe registrarse en función de su uso, y

porque la fuente de calor (58) de temperatura más baja está formada por el aire circundante del dispositivo de alimentación de corriente.

11. Dispositivo de alimentación de corriente según una de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque la batería térmica (1) está dispuesta dentro de una caja (42, 43) del dispositivo de alimentación de corriente.

12. Dispositivo de alimentación de corriente según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la batería térmica (1, 70) está configurada como un elemento constructivo (25) independiente que está provisto de un relleno (35) de plástico y en el que hay previstas conexiones térmicas (26, 27) para los lados caliente y frío (20, 21) de la batería térmica (1, 70) así como para conexiones eléctricas (31 a 34).

13. Dispositivo de alimentación de corriente según la reivindicación 12, caracterizado porque las conexiones térmicas (26, 27) están configuradas como chapaletas metálicas (28, 29) que están unidas con la matriz térmica (1, 70) de un modo conductor del calor.

14. Dispositivo de alimentación de corriente según la reivindicación 12 o 13, caracterizado porque a la matriz térmica (1, 70) hay asignado como mínimo un sensor de temperatura (30), que está dispuesto en el elemento constructivo (25) de la batería térmica (1, 70) o está integrado directamente en el cuerpo de sustrato (3) de la batería térmica (1).

15. Dispositivo de alimentación de corriente según una de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado

porque el relleno de plástico (35) se prepara según el tipo y las dimensiones de un chip IC convencional, y

porque las conexiones eléctricas (31 a 34) se configuran del tipo "pin" de un chip IC.

16. Distribuidor (40) de costes de calefacción eléctrica o de costes de agua caliente, caracterizado por un dispositivo de alimentación de corriente según una de las anteriores reivindicaciones, donde la batería térmica (1, 70) está configurada tanto como fuente de energía eléctrica como también como sensor eléctrico de temperatura del distribuidor (40) eléctrico de costes de calefacción o de agua caliente

17. Distribuidor de costes de calefacción eléctrica o de costes de agua caliente según la reivindicación 16, caracterizado

porque una primera pieza de unión (55) conductora del calor y unida al lado caliente (20) de la batería térmica (1, 70) está unida de manera conductora del calor con una pieza adaptadora (42) del distribuidor (40) de costes de calefacción eléctrica o de costes de agua caliente y

porque una segunda pieza de unión (57) conductora del calor y unida al lado frío (21) de la batería térmica (1, 70) está unida de manera conductora del calor con una pieza (58), rodeada por el aire circundante, del distribuidor (40) de costes de calefacción.

18. Distribuidor de costes de calefacción eléctrica o de costes de agua caliente según la reivindicación 16 o 17, caracterizado porque una segunda pieza de unión (57) conductora del calor está unida de manera conductora del calor con una pieza (58) recorrida por el aire circundante de una caja (43) del aparato del distribuidor (40) de costes de calefacción.

19. Distribuidor de costes de calefacción eléctrica o de costes de agua caliente según una de las reivindicaciones 16 a 18, caracterizado

porque un elemento constructivo (25) termoeléctrico junto con las piezas de unión (55, 57) conductoras del calor están dispuestos sobre un circuito impreso (45) del distribuidor (40) de costes de calefacción, y las piezas de unión (55, 57) están unidas de manera conductora del calor con las conexiones térmicas (26, 27) de la unidad constructiva (25) y

porque conexiones eléctricas (31 a 34) de la unidad constructiva (25) están unidas con vías conductoras del circuito impreso (45).

20. Procedimiento microtecnológico para fabricar una batería termoeléctrica para un dispositivo de alimentación de corriente según una de las reivindicaciones 1 a 16,

caracterizado por los siguientes pasos del procedimiento:

1)

oxidación de la superficie semiconductora de un cuerpo de sustrato (3) de silicio tipo n

2)

aplicación de una máscara fotolítica con objeto de la difusión sobre la superficie semiconductora en las etapas siguientes:

a)

revestimiento

b)

iluminación

c)

desprendimiento de la máscara

3)

Corrosión de la estructura desde la capa de óxido para formar los puentecillos (8) dopados en número muy elevado sobre el cuerpo de sustrato (3)

4)

Impurificación de tipo p de la estructura de los puentecillos (8) a impurificar sobre el cuerpo de sustrato (3) mediante difusión o implante.

5)

Eliminación del nitruro de silicio o del óxido de silicio sobre la superficie semiconductora estructurada

6)

Aplicación de una máscara fotolítica con objeto de formar los contactos en las etapas siguientes:

a)

revestimiento

b)

iluminación

c)

desprendimiento de la máscara

7)

Corrosión de los contactos

8)

Pulverización de metal en la superficie semiconductora del cuerpo de sustrato (3)

9)

Aplicación de una máscara fotolítica con objeto de formar una estructura a partir de los puentecillos metálicos (15) de capa delgada que unen entre sí los puentecillos (8) dopados, en las etapas de trabajo siguientes:

a)

revestimiento

b)

iluminación

c)

desprendimiento de la máscara, estando configurada la estructura de tal manera que los distintos puentecillos (8) dopados del material semiconductor (6) están unidos con sus dos extremos (12, 13), mediante los puentecillos metálicos (15), con los correspondientes extremos opuestos (13, 12) de los dos puentecillos (8) dopados vecinos, y se obtiene con ello una pluralidad de termoelementos, siendo los puentecillos metálicos (15) y los puentecillos (8) dopados de distintos materiales y estando dispuestos los puentecillos de un material paralelos entre sí en un plano y situándose por lo tanto los termoelementos en serie.

10)

Corrosión de los puentecillos metálicos (15) desde la capa metálica

11)

Aplicación de una máscara litográfica en el lado posterior con objeto de adelgazamiento sobre el cuerpo de sustrato (3) en las etapas siguientes:

a)

revestimiento

b)

iluminación

c)

desprendimiento de la máscara

12)

Adelgazamiento del lado posterior del cuerpo de sustrato (3) mediante corrosión, de manera que se obtiene un foso (11) que discurre aproximadamente perpendicular a los puentecillos metálicos (15).

13)

Llenado del foso (11) con un material para dar estabilización mecánica, que conduce peor el calor que el material del cuerpo de sustrato (3).

14)

Colocación del cuerpo de sustrato (3), elaborado mediante el procedimiento microtecnológico, sobre una pieza portante.

15)

Cableado metálico para las conexiones (22, 23) de la batería térmica (1).

16)

Fijación de piezas de conexión (64, 65) de un material de alta conductibilidad térmica en las dos superficies laterales del cuerpo de sustrato (3) de igual dimensionamiento y dirigidas hacia el lado frío o caliente.