CN100466314C - 采用热电电容作为用于集成电路的校准电源及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种校准电源，包括一个热电电容，与该热电电容热交换的热耗元件；以及向热耗元件发送电脉冲并且调节脉冲、以校准所述校准电源的输出的反馈电路。另一种校准电源，包含：一个热电电容；向该热电电容发送热脉冲的装置；比较热电电容电压与参考电压的装置；以及根据比较结果调节热脉冲的装置。这些电源可以集成在集成电路中。一种使用热电电容作为校准电源的方法，该方法包含：向热电电容发送热脉冲；比较电容电压和参考电压；以及根据比较结果调节热脉冲。

Description

采用热电电容作为用于集成电路的校准电源及其方法
技术领域
本发明总体上涉及电源。更具体而言，本发明涉及一种可以集成到集成电路中的校准电源。
背景技术
小型化和集成化是集成电路发展的趋势。半导体制造技术被用来生产单个芯片上有上百万个晶体管的集成电路。每经过一年，该晶体管的个数都在增加。
然而，集成电路所用的高压电源很难小型化。传统的磁性变压器尺寸太大，因为它们不能缩小以集成在集成电路中。倍压器也太大，因为它们一般需要太多级来从低电压(例如，5伏)产生高电压(例如，100伏)。压电变压器能够在毫米级产生加强电压；但它们的尺寸还是太大，无法集成到集成电路中。
场发射存储器、辐射检测传感器、以及许多其它基于芯片的器件通常都在高电压下运行。如果它们所需的电源充分缩小到能够集成到集成电路中，则这些设备中有很多都可以显著缩小尺寸。
发明内容
根据本发明的一方面，一种校准电源包括一个热电电容。这种电源可以集成在集成电路中。
根据本发明的一种校准电源，包含：
一个热电电容；
与该热电电容热交换的热耗元件；以及
向热耗元件发送电脉冲并且调节脉冲、以校准所述校准电源的输出的反馈电路。
根据本发明的另一种校准电源，包含：
一个热电电容；
向该热电电容发送热脉冲的装置；
比较热电电容电压与参考电压的装置；以及
根据比较结果调节热脉冲的装置。
根据本发明的一种集成电路，包含一个所述的包括热电电容的校准电源。
根据本发明的一种使用热电电容作为校准电源的方法，该方法包含：
向热电电容发送热脉冲；
比较电容电压和参考电压；以及
根据比较结果调节热脉冲。
结合附图，通过下面用示例方式对本发明的原理的详细描述，可以清楚地理解本发明的其它方面及其优点。
附图说明
图1是根据本发明的一种电源的方框图。
图2是该电源的电容温度曲线。
图3说明作为集成电路一部分的加热器和热电电容。
图4说明一种集成电路电源实施方案。
图5是一种使用热电电容产生校准电压的方法的流程图。
具体实施方式
如附图所示，本发明实施为一种包括热电电容的校准电源。该电源提供有与晶体大小成比例的最大功率容量的校准输出电压。根据热电电容中使用的热电材料类型，可以从低电压(例如，3-10伏)产生20到200伏之间的电压，而温升范围在1-5℃之间。设计的小尺寸和简单性以及高电压范围使得该电源可以集成在集成电路中。
参考图1，电源10包括一个含第一和第二金属极板14和16以及电极板14和16之间的电介质18的热电电容12。电介质18由一种热电材料制成，包括与温度有关的内在极化作用。该极化作用与温度有关，温度的变化会引起极化作用强度的改变。该热电材料可以是一种薄而平的晶体，面积为(A)，厚度(d)，极化方向与晶体厚度方向一致。热电电容12也有面积(A)，厚度(d)，以及表示具体热电材料特征的相应介电常数和极化作用。
极化作用的变化产生一个外部电流来平衡极化作用的变化。金属极板14和16上的电压(Vc)是由热电电容12的电容值、连接两金属极板14和16的电路阻抗、以及应用于该热电材料的温度条件产生的。总的来说，当该热电材料的温度上升时，一个正位移电流从该热电材料流出，使得电容电压(Vc)的上升。总的来说，当该热电材料的温度下降时，电流流入该热电材料，使得电容电压(Vc)的下降。位移电流(I)沿极化轴感生，如I＝pA(dT/dt)，其中p是与材料相关的热电系数，A是垂直于极化轴的晶体面积，dT/dt是温度变化率。位移电流和电容电压(Vc)与温度无关，而与作为时间函数的温度变化有关。
电介质厚度(d)是一设计参数：增加热电材料的厚度会减小电容并增加最大允许电压，而减小热电材料的厚度会增大电容并减小最大允许电压。最大允许电压还依赖于所采用的具体热电材料。例如，LiNbO3晶体温度每升高一摄氏度就能产生33伏；LiTaO3晶体温度每升高一摄氏度就能产生46伏；而Li2SO2H2O晶体温度每升高一摄氏度就能产生141伏。这些晶体使电压发生器12在热电材料温度上升1-5℃时产生20到200伏电压成为可能。象随后将看到的那样，产生这些比较高的电压只需要比较低的电压(例如，1.5-10伏)。
电源10还包括热电电容12附近的加热器20。加热器20引起热电材料小而均匀的温度变化。例如，该加热器20可以是一与热电电容12接触的热耗元件(如，电阻)。当给该耗能元件供电时热电材料温度上升，而当该耗能元件断电时热电材料温度下降。
另外参考图2。控制电路22使加热器20改变热电材料16的温度。用于耗能元件的电路22向耗能元件发送电能脉冲(P)。电脉冲导致耗能元件向热电材料16发送热脉冲。热脉冲使热电材料温度(Tp)上升使电流流出该热电材料(在称为“加热周期”的时间区间)。在脉冲之间的时间(“冷却周期”)，来自热电材料的热量耗散在周围环境里，而且该热电材料向周围环境的温度冷却。优选采用一系列加热和冷却周期，而不用一个长的加热周期(长的加热周期可能导致集成电路芯片的超温状态)。
电脉冲的幅值和频率也决定着电容电压(Vc)的大小。频率可以相对较低，在千赫兹数量级或更低(因为热时间常数在千赫兹范围内)。热脉冲的幅值与热电电容12支持的最大温度有关。热电材料较高的温度会导致更有效的冷却周期(例如，耗能元件断电时的时间间隔)。电路22的设计应该考虑在加热周期必须输送到输出负载(s)的电荷，以及在冷却周期(例如，在加热脉冲之间)热电材料的恢复。这个时间关系与负载电压有直接关系。
控制电路22也提供在冷却周期中的负荷恢复。流经热电材料的电流是位移电流，即，不是物理电流。物理电流从控制电路22流到热电电容12以满足冷却期间由热电材料极性变化驱动的电荷平衡关系。当热电材料的温度上升时，一个正电流流入输出电路24。当热电材料冷却时，控制电路22将电流返回到热电电容12。一个温度周期的净电荷交换是零，并且所有提供给输出的电荷都在冷却周期返回。这样控制电路就给热电电容12“重复充电”。
输出电路24在加热周期是起作用的。当热电材料的温度在加热周期上升时，热电材料的电荷流入输出电路24，并且输出电路24对热电电容12的输出进行调节。
输出电路24的反馈被用来确定从控制电路22到加热器电路20的功率脉冲的次序。输出电压(Vout)与参考电压(Vref)进行比较。如果输出电压(Vout)比参考电压(Vref)小，那么就提供功率脉冲给加热器20使热电电容12提供电荷给输出电路24以提高输出电压(Vout)。如果输出电压(Vout)比参考电压(Vref)大，那么控制电路就不向加热器20发送功率脉冲，由此使热电电容12向周围环境温度冷却。没有电荷输送到输出电路24，并且当输出电路24向负载提供电荷时允许输出电压(Vout)衰减。
电源10可以在多种不同的应用中使用。然而，它的小尺寸、设计的简单性、低功率需求、以及高电压范围使电源10可以集成在集成电路中。
现在参考图3，它显示了作为集成电路112一部分的热电电容12和加热器20。加热器20包括一与热电电容12接触的薄膜电阻。在硅基片116上可以形成一个厚的氧化物区域114，薄膜电阻在氧化物区域114上形成，而热电电容12在薄膜电阻上形成。这种结构在加热器20和热电电容12之间有良好的热耦合性。它还对基片116有不良热耦合性，因此来自加热器20的绝大部分热脉冲都耦合到热电材料。基片中的集成电阻实现起来成本较低但是需要更多的功耗来加热热电材料。晶体管(薄膜晶体管或者基片中的晶体管)可以用来替代电阻向热电电容12输送热量。输送到加热器20的功率可以来自集成电路112中的VDD电源或者如果需要隔离电源的话，来自单独的加热器电源。
热电材料的区域外形可以遵循加热器20的区域外形。如果晶体粘在集成电路的表面，优选一种规则的形状(例如，正方形或长方形)。如果热电晶体生长或沉积在基片上，并且使用光刻方法成型，晶体表面的形状可以是任何能覆盖加热器20的复杂形状。在冷却周期，来自热电材料的热量耗散到集成电路的封装材料上。
薄膜电阻或其它热耗元件可以由几乎任何电阻材料制成，如多晶硅或钨。如果热电电容晶体是利用机械放置到芯片上，可以使用离散导线或作为梁式引线方法的一部分在晶体顶端加上一个导体。
现在参考图4，它示出用于集成电路112的电源的一种具体实施方案。控制电路22和输出电路24可以在硅基片116中制造。输出电路24包括二极管118和输出滤波器120(例如，电容和电阻)来对热电电容12的输出整流。输出电路24还包括传感器电路122用于检测输出电路24输出(Vout)的电压电平，并向控制电路22提供反馈(Fbk)。检测电路122显示为串联电阻，它也构成了输出滤波器120的一部分。
控制电路22包括用来比较检测到的输出电压和参考电压(Vref)的比较电路124，以及响应比较电路124的输出向加热器20输送一系列功率脉冲的脉冲发生器126。脉冲发生器126可以包括时钟和门电路。时钟产生固定频率的脉冲，而门电路允许某些脉冲在输出电压(Vout)小于参考电压(Vref)时通过。
一种更完善的控制电路可以用来替代控制到加热器20的电脉冲的幅值和频率。例如，可以使用一种可变频率/幅值的发生器。可以改变幅值来控制每个加热周期输送到加热器20的瞬间功率，而改变频率可以控制加热和冷却阶段的持续时间。增大加热负载周期(即，增大加热周期和一个完整周期的比值)将提高输出电压(Vout)，而减小加热负载周期将降低输出电压(Vout)。提高频率将使热电电容12的平均温度上升。通过在热电电容和周围环境之间有较大温差的情况下运转，冷却周期将更加有效并且会产生较高的输出电压(Vout)。
控制电路22还包括在冷却周期提供电荷恢复的二极管128。二极管128连接在热电电容12和恢复电压(Vg)的供电电源之间。当电容电压(Vc)比输出电压(Vout)大时，功率被输送到输出电路24。在冷却周期当电容电压(Vc)比恢复电压(Vg)小时，电流从恢复电压电源流出，通过二极管128到达热电电容12，从而电荷得以恢复。
参考电压(Vref)和恢复电压(Vg)供电电源可以在集成电路112的内部或外部。恢复电压可以设置为偏压(如标准低压电源VDD)或其它某种恢复电压从而限定热电电容12上电压的较低电平并在加热周期期间帮助加速电容电压(Vc)的形成。
当电容电压(Vc)在输出电压(Vout)和恢复电压(Vg)之间摆动时，控制电路22既不恢复电荷也不给电容充电。更高的恢复电压(Vg)使电源10有更好的效率。使用最高可用电源势能来设置参考电压(Vg)是所希望的。
图5显示了一种使用上述电路的一般方法。热脉冲发送到热电电容(210)；电容电压与参考电压比较(212)；根据比较的结果调节热脉冲(214)。热脉冲可以通过改变脉宽、幅值、频率等来调节。
集成在半导体芯片上的高压电源有很多应用。这些应用包括场发射存储设备和辐射探测器，但不限于此。
本发明不限于以上描述和图示的具体实施方案。本发明可以根据以下的权利要求来解释。

Claims (19)

1、一种用于集成电路的校准电源，包含:
一个热电电容；
与该热电电容热交换的热耗元件；以及
向热耗元件发送电脉冲并且调节脉冲、以校准所述校准电源的输出的反馈电路。
2、权利要求1中的校准电源，其中所述热耗元件包括热电电容极板上的薄膜耗能元件。
3、权利要求1中的校准电源，其中所述反馈电路包括与所述校准电源输出耦合的电压传感器、比较所述电压传感器输出和参考电压的比较电路、以及当所述校准电源的输出电压小于参考电压时向热耗元件提供脉冲的脉冲发生器。
4、权利要求3中校准电源，其中的电压传感器包括串联电阻，并且其中所述校准电源还包括对热电电容输出进行整流的整流器，所述串联电阻也构成所述整流器的滤波器的一部分。
5、权利要求1中的校准电源，还包含在冷却期间当所述校准电源的输出电压降到恢复电压之下时恢复热电电容上电荷的电路。
6、权利要求5中的校准电源，其中所述恢复热电电容上电荷的电路包括连接在所述热电电容和恢复电压端子之间的二极管。
7、一种用于集成电路的校准电源，包含:
一个热电电容；
向该热电电容发送热脉冲的装置；
比较热电电容电压与参考电压的装置；以及
根据比较结果调节热脉冲的装置。
8、一种集成电路，包含一个根据权利要求1所述的包括热电电容的用于集成电路的校准电源。
9、权利要求8中的集成电路，还包含与该热电电容热耦合的加热器，和使该加热器将热脉冲加到热电电容的电路。
10、权利要求9中的集成电路，其中所述加热器包括在热电电容极板上的薄膜耗能元件。
11、权利要求10中的集成电路，还包含基片以及基片上的绝热层，薄膜耗能元件在绝热层上形成，所述热电电容形成在所述薄膜耗能元件上。
12、权利要求9中的集成电路，其中，所述使该加热器将热脉冲加到热电电容的电路包括检测所述校准电源输出电压的电压传感器、比较所述输出电压和参考电压的比较电路、以及在输出电压小于参考电压时向加热器提供脉冲的脉冲发生器。
13、权利要求12中的集成电路，其中所述电压传感器包括串联电阻，而且其中所述校准电源还包括对热电电容的输出进行整流的整流器，串联电阻也构成整流器的滤波器的一部分。
14、权利要求8中的集成电路，还包含在冷却期间当所述校准电源的输出电压降到恢复电压之下时平衡热电电容上电荷的控制电路。
15、权利要求14中的集成电路，其中所述控制电路包括一个连接在所述热电电容和恢复电压端子之间的二极管。
16、一种使用热电电容作为用于集成电路的校准电源的方法，该方法包含:
向热电电容发送热脉冲；
比较热电电容电压和参考电压；以及
根据比较结果调节热脉冲。
17、权利要求16中的方法，其中脉冲宽度可调节。
18、权利要求16中的方法，其中热脉冲的频率可调节。
19、权利要求16中的方法，其中热脉冲的幅值可调节。
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