[发明专利]射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器

说明书

本发明的射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器，主要由衬底、水平放置的热电堆和散热金属板构成；其中，硅衬底的特定区域通过深反应离子刻蚀技术刻孔，作为上方第一氮化硅薄膜8的支撑结构和传热结构；热电堆的一端位于硅衬底上，另一端位于薄膜结构的中央；热电堆是由许多热电偶串联而成，而每个热电偶又由N型多晶硅纳米薄膜和P型多晶硅纳米薄膜构成，因多晶硅纳米薄膜的热导率远低于传统体材料，提高了器件的热电转换效率；两个半导体臂之间采用Au作为互联金属，同时制作了多个测试电极；在热电堆的上方，通过牺牲层释放制作出的空腔结构，空腔的上方为金属板，与热电堆之间隔有第二氮化硅薄膜。

技术领域

本发明提出了一种射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术

射频收发组件广泛应用于通信和雷达系统，是无线收发系统至关重要的组成部分，功率放大器作为发射环节的关键部件，其作用是将直流输入功率转换为一定量的微波输出功率，功率放大器的功耗决定了射频收发组件的功耗。因为转换效率有限，功率放大器在工作时有相当一部分能量以热能的形式耗散，不仅造成了收发组件的升温，影响了模块正常的工作，此外还造成了能量的浪费。采用基于纳米热电偶的热电式能量收集器，因量子限制和声子散射效应，热电转换效率较高；可对射频功率放大器工作中耗散的热能进行收集，不仅提高能量的使用效率，减少能量的浪费。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提供一种射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器，微型能量收集器的热电堆为多晶硅纳米薄膜，并通过刻蚀热电堆下方衬底和释放牺牲层形成空腔等方式，实现热电堆冷热两端的热绝缘，提高了器件的热电转换性能。

1.技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器，该微型能量收集器主要由衬底、水平放置的热电堆和散热金属板构成；其中，硅衬底的中央区域被去除，周围部分作为上方第一氮化硅薄膜的支撑结构和传热结构；热电堆的一端位于硅衬底上，另一端位于薄膜结构的中央，有效实现了热电堆冷热结点之间的热绝缘；热电堆是由许多热电偶串联而成，热电偶采用多晶硅纳米薄膜，因量子限制和声子散射效应，多晶硅纳米薄膜的热导率远低于传统体材料，提高了器件的热电转换效率；两个半导体臂之间采用金(Au)作为互联金属，同时制作了多个测试电极；在热电堆的上方，通过牺牲层释放制作出的空腔结构，空腔的上方为散热金属板，与热电堆之间隔有第二氮化硅薄膜以实现绝缘。

微型能量收集器的工作原理如下：当在能量收集器的冷热端施加一定温差，热量会从热端面注入，经过热电堆后，最后从冷端面排出，并在器件上形成一定的温度分布；由于热电堆存在一定的热阻，在热电堆的冷热结点之间会产生相应的温差，根据塞贝克效应，热电堆的两端会输出与温差成正比的热电势，连接负载后可实现功率输出。

该微型能量收集器用于射频收发机中，器件的一面贴于射频收发机的功率放大器或者微处理器等高功耗模块的上方，作为热端，另一面与散热器相连，作为冷端，实现散热；工作时，射频收发机产生的热量通过微型能量收集器后，再由散热器交换到周围环境中；器件可将冷热两端的温差转换为电能，收集的能量通过DC-DC转换模块后，被存贮在可充电电池中，可为布置在射频收发机周边的各种无线传感节点供电

有益效果：本发明相对于现有的能量收集器具有以下优点：

1.本发明的微型能量收集器工艺上采用成熟的CMOS工艺和MEMS工艺制造，优点有体积小、成本低、可批量制造，以及能够和微电子电路实现单片集成；

2.微型能量收集器采用混合型结构，即热流路径垂直于芯片表面，而电流路径平行于芯片表面，垂直于芯片表面的热流路径简化了能量收集器的封装，而位于芯片平面内的热电堆，可采用IC兼容工艺制作，具有较高的集成密度和较大的输出电压密度；

3.因量子限制和声子散射效应，多晶硅纳米薄膜的热导率远低于传统体材料，提高了微型能量收集器的热电转换效率；