[發明專利]自供電射頻收發組件中硅基熱電和光電傳感器

有效

• 申請號: 201410097839.1
• 申請日: 2014-03-17
• 公開（公告）號: CN103910326A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發明（設計）人: 廖小平;閆浩
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;H02S10/30
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明提出了自供電射頻收發組件中硅基熱電和光電傳感器，屬于微電子機械系統的技術領域。

背景技術

隨著物聯網的飛速發展，自供電傳感器、能量收集芯片的研究得到越來越多的關注。而最大的挑戰就是找到如何自行收集/儲存能量的方法以便持續使用，以及如何將這樣的超低功耗芯片安裝在小型物聯網設備中。它利用環境中存在的各種能量，將其轉化為電能并存儲起來，為電子系統提供電力。這種解決方案的供電壽命理論上取決于組成能量收集器的電子器件的壽命，沒有額外消耗能源，不會有排放，是典型的“綠色”技術。自供電傳感器的能量來源有很多種，其中一方面是最普遍的光能；另一方面是射頻收發組件消耗的熱能。這一部分能量若能被利用，將能大大改善射頻收發組件的功耗問題。而且還能避免不必要的發熱對射頻收發組件的工作產生影響。因此，自供電傳感器也可以利用收集這些能量來為電路提供輔助電源。

在此基礎上地提出了適用于物聯網的自供電射頻收發組件中硅基熱電和光電傳感器結構，基于硅基CMOS技術，在熱能收集器頂部上方的熱沉板上制作一層光伏材料，形成了收集光和熱兩種能量收集器。這種基于微傳感器的能量收集，不僅為接收部分提供自供電，而且還能解決發射部分的散熱問題；由無源器件所構成的該自供電低功耗熱電-光電集成微傳感器結構，沒有直流功耗，完全滿足了物聯網通訊所提出的低功耗要求。

發明內容

技術問題：本發明提供一種自供電射頻收發組件中硅基熱電和光電傳感器，是為了收集光能和熱量以減少物聯網射頻收發組件工作過程中不必要的能量損耗，同時改善發射部分散熱問題，提高射頻收發組件的性能。

技術方案：本發明提出了一種自供電射頻收發組件中硅基熱電和光電傳感器結構。該微傳感器放置在電射頻放大器的頂部，它是由幾個相同傳感器模塊組成的陣列結構。其中每個傳感器模塊由許多組熱電偶串聯連接，從而通過減小傳感器的總電阻以提高輸出的直流電壓對充電電池的充電能力。傳感器的熱端放置在功率放大器熱量集中的部位（散熱板），而冷端遠離熱量集中的部分且緊靠金屬外殼（熱沉板），以達到傳感器的冷熱兩端形成較大溫差的目的。基于Seebeck效應在傳感器陣列結構上產生直流電壓的輸出，該直流電壓對充電電池進行充電儲能；在熱能收集器頂部上方的熱沉板上制作一層光伏材料，形成可以收集光能的光電式傳感器。光能收集的補充可以彌補單獨使用熱能收集的能量不足問題。從而真正實現自供電的功能。

本發明的自供電射頻收發組件中硅基熱電和光電傳感器，該微傳感器放置在射頻功率放大器的頂部，所述硅基熱電和光電傳感器由多個傳感器并列構成，傳感器由多個熱電偶通過金屬線串聯而成，而熱電偶主要部分是N⁺多晶硅的半導體臂和Al的金屬臂構成，N⁺多晶硅的半導體臂與Al的金屬臂形成歐姆接觸，靠近熱沉板處的歐姆接觸作為熱電偶的冷端，靠近導熱板處的為熱端，傳感器以硅襯底為基底，中間SiO₂層為隔熱層用以防止收集到的熱能向基底傳輸，硅襯底以下是導熱板，上層覆蓋熱沉板；硅襯底與SiO₂層同為支撐材料，起到支撐熱沉板的功能，導熱板下面接射頻收發組件的散熱板作為傳感器的熱端，熱沉板作為傳感器的冷端，熱沉板頂部制作一層光伏材料,用以接收光能從而轉換成電能；傳感器外圍輔以大電容及穩壓電路，所獲得的穩定直流電壓，供給電路自身使用，實現了自供電。

本發明的自供電射頻收發組件中硅基熱電和光電傳感器，同時實現了對光能、熱能收集和利用。利用熱沉板上表面的一層光伏材料，可以有效地吸收光能，產生直流電流，輸出到外圍的大電容和穩壓電路，實現了光能到電能的轉換，制作了MEMS傳感器，傳感器的熱端朝下，靠近射頻收發組件的散熱板，而冷端朝上，遠離散熱板。基于seeback效應，MEMS傳感器由于熱端和冷端的溫差產生直流電壓。將該直流電壓加到大電容上，可實現能量的儲存。將產生的電壓通過穩壓電路，獲得穩定的直流電壓，供給電路自身使用。

有益效果：本發明的自供電射頻收發組件中硅基熱電和光電傳感器，基于MEMS技術，能夠同時收集光能、熱能的能量實現自供電。相比傳統的收集單一能量的自供電傳感器，本發明體積更小，供電能力大大提高，能夠有效的降低射頻收發組件的功耗。同時，射頻收發組件工作中散發的熱量得到了有效吸收，增強了其散熱性能。

附圖說明

圖1是自供電射頻收發組件中硅基熱電和光電傳感器的俯視圖；

圖2是自供電射頻收發組件中硅基熱電和光電傳感器的示意圖；

圖3是自供電射頻收發組件中硅基熱電和光電傳感器的A-A'剖面圖；