CN103904764B - 自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器 - Google Patents

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Abstract

自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器由几个相同传感器模块组成的阵列结构。其中每个传感器模块由许多组热电偶串联连接。传感器的热端放置在功率放大器热量集中的部位（散热板），而冷端远离热量集中的部分且紧靠金属外壳（热沉板），以达到冷热两端形成较大温差。基于Seebeck效应在热电堆阵列结构上产生直流电压的输出，该直流电压对充电电池进行充电储能；利用热沉板上表面的一层光伏材料，可以有效地吸收光能，形成可以收集光能的光电式微传感器。能够同时收集光能、热能的能量实现自供电，相比传统的收集单一能量的自供电传感器，本发明体积更小，供电能力大大提高。

Description

自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器
技术领域
本发明提出了自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
物联网被称为第三次信息技术浪潮，作为战略性新兴产业在政府的高度重视下迅速推进。随着物联网的飞速发展，自供电传感器、能量收集芯片的研究得到越来越多的关注。目前，物联网射频收发组件存在急需解决的问题是：供电问题和散热问题。物联网射频收发组件中发射部分大约85%的功率是以热功耗的形式浪费，常用的传感器网络接点均采用自身携带的电池供电，其能量有限，特别是应用在野外环境下的物联网射频收发组件电池不易更换。自供电传感器的能量来源有很多种，其中一方面是最普遍的光能；另一方面是射频收发组件消耗的热能。这一部分能量若能被利用，将能大大改善射频收发组件的功耗问题。而且还能避免不必要的发热对射频收发组件的工作产生影响。因此，自供电传感器也可以利用收集这些能量来为电路提供辅助电源。在此基础上地提出了适用于自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器结构，基于砷化镓MMIC技术，在热能收集器顶部上方的热沉板上制作一层光伏材料，形成了收集光和热两种能量收集器。这种基于微传感器的能量收集，不仅为接收部分提供自供电，而且还能解决发射部分的散热问题；由无源器件所构成的该自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器结构，没有直流功耗，完全满足了物联网通讯所提出的低功耗要求。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器，是为了收集光能和热量以减少物联网射频收发组件工作过程中不必要的能量损耗，同时改善发射部分散热问题，提高射频收发组件的性能。
技术方案：本项目创新性地提出了适用于自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器结构。该微传感器放置在射频功率放大器的顶部，它是由几个相同传感器模块并列组成的阵列结构。其中每个传感器模块由许多组热电偶串联连接，从而通过减小热电堆的总电阻以提高输出的直流电压对充电电池的充电能力。传感器的热端放置在功率放大器热量集中的部位（散热板），而冷端远离热量集中的部分且紧靠金属外壳（热沉板），以达到传感器的冷热两端形成较大温差的目的。基于Seebeck效应在传感器阵列结构上产生直流电压的输出，该直流电压对充电电池进行充电储能；在热能收集器顶部上方的热沉板上制作一层光伏材料，形成可以收集光能的光电式微传感器。光能收集的补充可以弥补单独使用热能收集的能量不足问题。从而真正实现自供电的功能。
本发明的自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器，该微传感器放置在射频功率放大器的顶部，该结构有多个传感器并列构成，每个传感器是由多个热电偶通过金属线串联而成，而热电偶主要部分是N型砷化镓半导体臂和Au的金属臂构成，N型砷化镓半导体臂与Au的金属臂2形成欧姆接触，靠近热沉板处的欧姆接触作为热电偶的冷端，靠近导热板处的为热端，热电堆以砷化镓衬底为基底，砷化镓衬底以下是导热板，上层覆盖热沉板，砷化镓衬底为支撑材料，起到支撑热沉板的功能，导热板下面接射频收发组件的散热板作为热电堆的热端，热沉板作为热电堆的冷端，热沉板顶部制作一层光伏材料,用以接收光能从而转换成电能，传感器在热电堆外围辅以大电容及稳压电路，所获得的稳定直流电压，供给电路自身使用，实现了自供电。
本发明的自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器，同时实现了对光能、热能收集和利用。利用热沉板上表面的一层光伏材料，可以有效地吸收光能，产生直流电流，输出到外围的大电容和稳压电路，实现了光能到电能的转换；制作了MEMS热电堆，热电堆的热端朝下，靠近射频收发组件的散热板，而冷端朝上，远离散热板。基于seeback效应，MEMS热电堆由于热端和冷端的温差产生直流电压。将该直流电压加到大电容上，可实现能量的储存。将产生的电压通过稳压电路，获得稳定的直流电压，实现了热能到电能的转换。最后，所获得的稳定直流电压，供给电路自身使用，实现了自供电。
有益效果：本发明的自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器基于MEMS技术，能够同时收集光能、热能的能量实现自供电。相比传统的收集单一能量的自供电传感器，本发明体积更小，供电能力大大提高，能够有效的降低射频收发组件的功耗。同时，射频收发组件工作中散发的热量得到了有效吸收，增强了其散热性能。
附图说明
图1是自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器的俯视图；
图2是自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器的示意图；
图3是自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器的A-A'剖面图；
图4是自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器的B-B'剖面图；
以上图中包括传感器1，金属臂2，半导体臂3，冷端4，热端5，砷化镓衬底6，热沉板7，导热板8，光伏材料9，金属线10，稳压电路11。
具体实施方式
本发明的自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器是由多个传感器1并列构成，传感器1由多个热电偶通过金属线10串联而成。而热电偶主要部分是N型砷化镓的半导体臂3和Au的金属臂2构成。N型砷化镓半导体臂3与Au的金属臂2形成欧姆接触。靠近热沉板7处的欧姆接触作为热电偶的冷端4，靠近导热板8处的为热端5。传感器1以砷化镓衬底6为基底，砷化镓衬底6以下
是导热板8，上层覆盖热沉板7。砷化镓衬底6为支撑材料，起到支撑热沉板7的功能。导热板8下面接射频收发组件的散热板作为热电堆的热端。热沉板7作为热电堆的冷端。热沉板7顶部制作一层光伏材料9,用以接收光能从而转换成电能。传感器在热电堆外围辅以大电容及稳压电路11。
本发明的自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器，同时实现了对光能、热能收集和利用。制作传感器1。MEMS传感器1的热端朝下，靠近射频收发组件的散热板，而冷端朝上，远离散热板。基于seeback效应，MEMS传感器1由于热端和冷端的温差产生直流电压。将该直流电压加到大电容上，可实现能量的储存。将产生的电压通过稳压电路，获得稳定的直流电压，实现了热能到电能的转换。传感器由热电偶串联而成。每个传感器1上的P-N结3都以串联的方式连接，并构成电流通路正向有序排列。热沉板8顶部制作一层光伏材料10,用以接收光能从而转换成电能。形成可以收集光能的光电式微传感器。
自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器的工艺流程如下：
1)准备砷化镓衬底：选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N＋砷化镓的掺杂浓度为1018cm-3，其方块电阻值为100～130Ω/□；
2)在外延的N＋砷化镓衬底上涂覆光刻胶，保留预备制作欧姆接触区和初步形成热电偶的半导体热偶臂区的光刻胶，形成欧姆接触区和初步形成热电堆的半导体热偶臂；
3)反刻步骤2）中初步形成的热电偶的半导体热偶臂，完全形成其掺杂浓度为1017cm-3的热电堆的半导体热偶臂；
4)在步骤3）得到的衬底上涂覆光刻胶，去除预备制作热电堆的金属热偶臂处的光刻胶；
5)在衬底上溅射金锗镍/金，其厚度共为；
6)剥离去除步骤4）中留下的光刻胶，连带去除了光刻胶上的金锗镍/金，形成热电堆的金属热偶臂；
7)在砷化镓衬底上涂覆光刻胶，去除预备制作输出压焊块以及连接线上的光刻胶；
8)在衬底上通过蒸发方式生长一层金，其厚度为0.3μm；
9)将步骤10）留下的光刻胶去除，连带去除了光刻胶上面的金，初步形成输出压焊块以及连接线；
10)整体划片，并列排列。热电堆之间金属线Au连接；
11)通过组装把MEMS热电堆和热沉板、散热板装配在一起；
12)在热沉板的上表面生长一层光伏材料。
本发明与现有技术的区别在于：
本发明的自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器，同时实现了对光能、热能收集和利用。利用热沉板上表面的一层光伏材料，可以有效地吸收光能，产生直流电流。光能收集的补充可以弥补单独使用热能收集的能量不足问题，实现了光能到电能的转换。制作了MEMS热电堆，热电堆的热端朝下，靠近射频收发组件的散热板，而冷端朝上，远离散热板。基于seeback效应，MEMS热电堆由于热端和冷端的温差产生直流电压。将该直流电压加到大电容上，可实现能量的储存。将产生的电压通过稳压电路，获得稳定的直流电压，实现了热能到电能的转换。同时实现光能、热能不同的能量的收集，降低了射频收发组件的功耗，大大提高了供电能力。同时本发明在吸收了热能同时，增强了射频收发组件的散热性能保证了射频收发组件工作的稳定性。最后，所获得的稳定直流电压，供给电路自身使用，实现了自供电。

Claims (1)

1.一种自供电射频收发组件中砷化镓基热电和光电传感器，该热电和光电传感器放置在射频功率放大器的顶部，其特征是该热电和光电传感器由多个子传感器(1)并列构成，子传感器(1)由多个热电偶通过金属线(10)串联而成，而热电偶包括N型砷化镓半导体臂(3)和Au的金属臂(2)构成，N型砷化镓半导体臂(3)与Au的金属臂(2)形成欧姆接触，靠近热沉板(7)处的欧姆接触作为热电偶的冷端(4)，靠近导热板(8)处的为热端(5)，热电堆以砷化镓衬底(6)为基底，砷化镓衬底(6)以下是导热板(8)，砷化镓衬底(6)上层覆盖热沉板(7)，砷化镓衬底(6)为支撑材料，起到支撑热沉板(7)的功能，导热板(8)下面接射频收发组件的散热板作为热电堆的热端，热沉板(7)作为热电堆的冷端，热沉板(7)顶部制作一层光伏材料(9),用以接收光能从而转换成电能，热电和光电传感器在热电堆外围辅以大电容及稳压电路(11)，所获得的稳定直流电压，供给电路自身使用，实现了自供电。
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