[發(fā)明專利]自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電-光電微傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410098094.0
• 申請(qǐng)日: 2014-03-17
• 公開（公告）號(hào): CN103915459A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖小平;閆浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L27/146
• 分類號(hào): H01L27/146
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出了物聯(lián)網(wǎng)自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電-光電微傳感器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求射頻收發(fā)組件能夠長時(shí)間低功耗地工作，而射頻收發(fā)組件的能量損耗問題則是阻礙這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的一大難題。在常見的射頻收發(fā)組件的能量損耗中，由于發(fā)熱而造成的熱損耗是一大關(guān)鍵部分。這一部分能量若能被利用，將能大大改善射頻收發(fā)組件的功耗問題。而且還能避免不必要的發(fā)熱對(duì)射頻收發(fā)組件的工作產(chǎn)生影響。此外，還可利用光伏效應(yīng)將最普遍的光能轉(zhuǎn)換為電能收集?？梢匝兄谱怨╇妭鞲衅骼檬占@些能量來為電路提供輔助電源。

然而對(duì)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(jí)或微安級(jí)。因此，能量采集技術(shù)的核心是能夠通過更先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和芯片設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上地提出了適用于物聯(lián)網(wǎng)自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電-光電微傳感器結(jié)構(gòu)，基于砷化鎵MMIC技術(shù)，在熱電偶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體臂中制作一個(gè)PN結(jié)，形成了收集光和熱兩種能量的微傳感器，同時(shí)將光能和收發(fā)組件發(fā)射部分所耗散的熱能轉(zhuǎn)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(fā)射部分的散熱問題；由無源器件所構(gòu)成的該自供電低功耗熱電-光電集成微傳感器結(jié)構(gòu)，沒有直流功耗，完全滿足了物聯(lián)網(wǎng)通訊所提出的低功耗要求。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電-光電微傳感器，是為了收集光能和熱量以減少射頻收發(fā)組件工作過程中不必要的能量損耗，同時(shí)改善發(fā)射部分散熱問題，提高射頻收發(fā)組件的性能。

技術(shù)方案：本發(fā)明提出了適用于自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電-光電微傳感器結(jié)構(gòu)。該微傳感器放置在射頻功率放大器的頂部，它是由幾個(gè)相同傳感器模塊組成的陣列結(jié)構(gòu)。其中每個(gè)傳感器模塊由許多組熱電偶串聯(lián)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(duì)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(yuǎn)離熱量集中的部分且緊靠金屬外殼（熱沉板），以達(dá)到傳感器的冷熱兩端形成較大溫差的目的。基于Seebeck效應(yīng)在傳感器陣列結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生直流電壓的輸出，該直流電壓對(duì)充電電池進(jìn)行充電儲(chǔ)能；在傳感器的半導(dǎo)體熱偶臂的頂部制作一個(gè)PN結(jié)，并構(gòu)成電流通路正向有序排列，并在PN結(jié)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。

該微傳感器放置在射頻功率放大器的頂部，其特征是該微傳感器由多個(gè)傳感器并列連接構(gòu)成，傳感器由多個(gè)熱電偶通過金屬線串聯(lián)而成，而熱電偶主要部分是N型砷化鎵的半導(dǎo)體臂和Au的金屬臂構(gòu)成，采用摻雜的P型砷化鎵構(gòu)成半導(dǎo)體臂和Au金屬臂的頂部連接線，P型砷化鎵構(gòu)成的連接線與N⁺摻雜的砷化鎵構(gòu)成PN結(jié)，連接線與Au金屬臂形成歐姆接觸作為熱電偶的冷端，半導(dǎo)體臂與金屬線形成歐姆接觸作為熱電偶的熱端，傳感器以砷化鎵襯底為基底，砷化鎵襯底以下是導(dǎo)熱板，上層覆蓋熱沉板，砷化鎵襯底為支撐材料，起到支撐熱沉板的功能，導(dǎo)熱板下面接射頻收發(fā)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(jié)用以接收光能從而轉(zhuǎn)換成電能，傳感器外圍輔以大電容及穩(wěn)壓電路，所獲得的穩(wěn)定直流電壓，供給電路自身使用，實(shí)現(xiàn)了自供電。

本發(fā)明的自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電-光電微傳感器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光能、熱能收集和利用。利用N型砷化鎵和P型砷化鎵制作PN結(jié)，可以有效地吸收光能，產(chǎn)生直流電流。每個(gè)PN結(jié)都以串聯(lián)的方式連接，輸出到外圍的大電容和穩(wěn)壓電路。實(shí)現(xiàn)了光能到電能的轉(zhuǎn)換。制作了MEMS傳感器，傳感器的熱端朝下，靠近射頻收發(fā)組件的散熱板，而冷端朝上，遠(yuǎn)離散熱板?；趕eeback效應(yīng)，MEMS傳感器由于熱端和冷端的溫差產(chǎn)生直流電壓。將該直流電壓加到大電容上，可實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存。將產(chǎn)生的電壓通過穩(wěn)壓電路，獲得穩(wěn)定的直流電壓，實(shí)現(xiàn)了熱能到電能的轉(zhuǎn)換，最后，所獲得的穩(wěn)定直流電壓，供給電路自身使用，實(shí)現(xiàn)了自供電。

有益效果：本發(fā)明的自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電-光電微傳感器基于砷化鎵MMIC工藝，能夠同時(shí)收集光能、熱能的能量，實(shí)現(xiàn)自供電，相比傳統(tǒng)的收集單一能量的自供電傳感器，本發(fā)明體積更小，供電能力大大提高，能夠有效的降低射頻收發(fā)組件的功耗。同時(shí)，射頻收發(fā)組件工作中散發(fā)的熱量得到了有效吸收，增強(qiáng)了其散熱性能。

附圖說明

圖1是自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電-光電微傳感器的俯視圖；