[發明專利]晶片規模熱電能量收集器

有效

• 申請號: 201410007637.3
• 申請日: 2014-01-08
• 公開（公告）號: CN103972259B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 陳寶興
• 申請（專利權）人: 美國亞德諾半導體公司
• 主分類號: H01L27/16
• 分類號: H01L27/16;H01L35/32
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 申發振

技術領域

本申請的主題涉及一種熱電能量收集器，且更具體地涉及一種集成式單芯片熱電能量收集器。

背景技術

熱電裝置將熱（例如，熱能）轉化為電能。熱電裝置的熱側和冷側之間的溫差移動熱電裝置的半導體材料中的電荷載流子以產生電能。熱電裝置的材料被選擇使得它為良好的電導體以產生電流，但為熱的不良導體以保持熱電裝置的兩側之間所需的熱差。當將熱電裝置的一側置于熱源（例如，發動機或電路）附近使得熱電裝置的一側更熱時，會產生溫差。

通過熱電裝置能夠產生的能量的量至少取決于熱電裝置中的溫差、材料類型和熱電裝置的尺寸。例如，裝置的熱側和冷側之間的更大溫差能產生更多的電流。此外，具有產生電流的更大表面積和/或更大材料的熱電裝置通常產生更多的電能。這些不同因素根據使用熱電裝置的應用進行調整。

現在越來越趨向于按比例減小熱電裝置的尺寸以用于新的應用（例如自維持傳感器或移動裝置）并生產可作為集成電路一部分的熱電裝置。然而，按比例減小熱電裝置的尺寸帶來新的挑戰，例如產生足夠的能量和保持低的制造成本。此外，熱電裝置內的傳統材料和/或材料的布置可能不能為某些應用提供所需的能量。其它挑戰包括處理影響集成電路中毗鄰部件的寄生熱損失。

因此，發明人已經意識到本領域對包含高能量密度、低成本并解決寄生熱損失的小規模熱電裝置的需要。

附圖說明

為了能夠理解本發明的特征，以下描述了多個附圖。然而應當注意，附圖只示出本公開的特定實施方案，且因而不應被視為限制其范圍，因為本發明可涵蓋其它等效實施方案。

圖1(a)和圖1(b)示出根據本發明的實施方案的熱電能量收集器的示例性配置。

圖2示出根據本發明的實施方案的熱電能量收集器100的透視圖。

圖3示出根據本發明的另一個實施方案的熱電能量收集器的示例性配置。

圖4示出根據本發明的實施方案的具有封蓋結構的熱電能量收集器的示例性配置。

圖5示出根據本發明的另一個實施方案的熱電能量收集器的示例性配置。

具體實施方式

本發明的實施方案可以提供熱電能量收集器，熱電能量收集器可被提供于集成電路中。在一個實施方案中，集成電路可以包括基板和形成于基板上的電介質層。多個p型熱電元件和多個n型熱電元件可被布置于所述電介質層內。p型熱電元件和n型熱電元件可以按交替方式串聯電連接。響應于熱被施加到熱電元件一側，在熱電元件的每個中可以產生電子的流動以提供電能。

在另一個實施方案中，可在基板上提供蓋以封閉多個p型和n型熱電元件，所述p型熱電元件和n型熱電元件被布置于基板上并串聯連接，同時在p型熱電元件和n型熱電元件之間交替。熱電元件之間可以保持真空或低壓。蓋和真空或低壓可以減少集成電路周圍區域的寄生熱損失，并因而沿熱電元件保持大的熱梯度。

圖1(a)示出根據本發明的實施方案的熱電能量收集器100的示例性配置。熱電能量收集器100可以包括基板層130上和電介質層120內的多個熱電元件110A、110B。熱電元件110A、110B可以包括不同類型的熱電材料（例如p型和n型）的元件。熱電元件110A、110B可以互連，以使每個熱電元件有助于響應于第一側（例如，熱側）和第二側（例如，冷側）之間的溫度梯度通過熱電能量收集器100提供的總能量。熱接觸層140可提供于電介質層120上，以支持第一側和第二側之間的溫度梯度。熱接觸層140可由良好的熱導體材料制成。

如圖1(a)所示，熱電能量收集器100可以包括提供有電介質層120的垂直結構并可以形成為單晶片。熱電能量收集器100的晶片規模結構允許其與基板130上或基板130附近的其它集成電路部件（圖1(a)中未示出）一起集成。

如圖所示，熱電元件110A、110B可以包括不同類型的熱電材料（例如，p型和n型）。熱電元件110A、110B的熱電材料可以被選擇以響應于熱電元件兩端之間的溫差產生不同極性的電荷載流子從熱電元件的一端向相對端的流動。在包含p型材料的熱電元件110A中，正電荷載流子從熱端向相對的冷端流動。相反，在包含n型材料的熱電元件110B中，電子從具有熱源的一端向較冷的相對端流動。