[發明專利]自供電射頻收發組件中硅基熱電-光電集成微傳感器

有效

• 申請號: 201410097924.8
• 申請日: 2014-03-17
• 公開（公告）號: CN103915458A
• 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: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 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

本發明提出了物聯網自供電射頻收發組件中硅基熱電-光電集成微傳感器，屬于微電子機械系統的技術領域。

背景技術

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分,隨著物聯網技術的發展,應用于物聯網的射頻收發組件中的自供電技術越來越得到關注。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自身電路供電。

然而對于光能(10-10000μW/cm2)、熱量(25-1000μW/cm2)的能量采集，它們所提供的電壓非常少，可能少于1V，電流也是毫安級或微安級。因此，能量采集技術的核心是能夠通過更先進的拓撲結構和芯片設計。在此基礎上地提出了適用于物聯網射頻收發組件的硅基熱電-光電集成微傳感器結構，基于硅基CMOS技術，在熱電偶結構的半導體臂中制作一個PN結，形成了收集光和熱兩種能量的微傳感器，同時將光能和收發組件發射部分所耗散的熱能轉換為電能，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：本發明的目的是提供一種自供電射頻收發組件中硅基熱電-光電集成微傳感器，是為了收集物聯網射頻收發組件中熱量和光能，以減少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：本發明提出了適用于自供電射頻收發組件中硅基熱電-光電集成微傳感器結構。該微傳感器放置在射頻功率放大器的頂部，它是由幾個相同傳感器模塊并列組成的陣列結構。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；在傳感器的半導體熱偶臂的頂部制作一個PN結，并構成電流通路正向有序排列，并在PN結上方的熱沉板開孔以增加光照面積，形成可以收集光能的光電式微傳感器。

本發明提出了適用于自供電射頻收發組件中硅基熱電-光電集成微傳感器結構。該微傳感器放置在射頻功率放大器的頂部，該集成微傳感器由多個傳感器并列連接構成，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；采用摻雜的P型多晶硅構成半導體臂和Al的金屬臂的頂部連接線，P型多晶硅構成的頂部連接線與N型摻雜的多晶硅構成PN結，頂部連接線與Al的金屬臂形成歐姆接觸作為熱電偶的冷端，半導體臂與金屬線形成歐姆接觸作為熱電偶的熱端，傳感器以硅襯底為基底，中間的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，熱沉板表面光刻有圓形通孔用以通過光照，圓形通孔間距相同其正下方為PN結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。

本發明的物聯網自供電射頻收發組件中硅基熱電-光電集成微傳感器，同時實現了對光能、熱能收集和利用。利用N⁺多晶硅和P⁺多晶硅制作PN結，可以有效地吸收光能，產生直流電流。每個PN結都以串聯的方式連接，輸出到外圍的大電容和穩壓電路。同時，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，實現了熱能到電能的轉換。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。