CN103915459B - 自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器 - Google Patents

自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器 Download PDF

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自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微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；在传感器的半导体热偶臂的顶部制作一个PN结，并构成电流通路正向有序排列，并在PN结上方的热沉板开孔以增加光照面积，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。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。

Description

自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器
技术领域
本发明提出了物联网自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
现代物联网技术要求射频收发组件能够长时间低功耗地工作，而射频收发组件的能量损耗问题则是阻碍这一目标实现的一大难题。在常见的射频收发组件的能量损耗中，由于发热而造成的热损耗是一大关键部分。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。此外，还可利用光伏效应将最普遍的光能转换为电能收集。可以研制自供电传感器利用收集这些能量来为电路提供辅助电源。
然而对于光能(10-10000μW/cm2)、热量(25-1000μW/cm2)的能量采集，它们所提供的电压非常少，可能少于1V，电流也是毫安级或微安级。因此，能量采集技术的核心是能够通过更先进的拓扑结构和芯片设计。在此基础上地提出了适用于物联网自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器结构，基于砷化镓MMIC技术，在热电偶结构的半导体臂中制作一个PN结，形成了收集光和热两种能量的微传感器，同时将光能和收发组件发射部分所耗散的热能转换为电能，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低功耗热电-光电集成微传感器结构，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：本发明提供一种自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器，是为了收集光能和热量以减少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：本发明提出了适用于自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器结构。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，从而通过减小传感器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；在传感器的半导体热偶臂的顶部制作一个PN结，并构成电流通路正向有序排列，并在PN结上方的热沉板开孔以增加光照面积，形成可以收集光能的光电式微传感器。
该微传感器放置在射频功率放大器的顶部，其特征是该微传感器由多个传感器并列连接构成，传感器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型砷化镓的半导体臂和Au的金属臂构成，采用掺杂的P型砷化镓构成半导体臂和Au金属臂的顶部连接线，P型砷化镓构成的连接线与半导体臂构成PN结，连接线与Au金属臂形成欧姆接触作为热电偶的冷端，半导体臂与金属线形成欧姆接触作为热电偶的热端，传感器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传感器的热端，热沉板作为传感器的冷端，热沉板表面光刻有圆形通孔用以通过光照，圆形通孔间距相同，其正下方为PN结用以接收光能从而转换成电能，传感器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-光电微传感器，同时实现了对光能、热能收集和利用。利用N型砷化镓和P型砷化镓制作PN结，可以有效地吸收光能，产生直流电流。每个PN结都以串联的方式连接，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传感器，传感器的热端朝下，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-光电微传感器基于砷化镓MMIC工艺，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-光电微传感器的俯视图；
图2是自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器的示意图；
图3是自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器的A-A'剖面图；
图4是自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器的B-B'剖面图；
以上图中包括传感器1，顶部连接线2，PN结3，冷端4，热端5，砷化镓衬底6，热沉板7，导热板8，金属线9，半导体臂10，金属臂11，大电容及稳压电路12。
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-光电微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9串联而成。而热电偶主要部分是N型砷化镓的半导体臂10和Au的金属臂11构成。采用掺杂的P型砷化镓构成半导体臂10和Au金属臂11的顶部连接线2。P型砷化镓构成的连接线2与半导体臂10构成PN结3。连接线2与Au金属臂11形成欧姆接触作为热电偶的冷端4。半导体臂10与金属线9形成欧姆接触作为热电偶的热端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传感器的热端5。热沉板7作为传感器的冷端4。热沉板7表面光刻有圆形通孔用以通过光照。圆形通孔间距相同，其正下方为PN结3用以接收光能从而转换成电能。传感器在传感器外围辅以大电容及稳压电路12。
本发明的自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器，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5朝下，靠近射频收发组件的散热板，而冷端4朝上，远离散热板。基于seeback效应，MEMS传感器1由于热端5和冷端4的温差产生直流电压。将该直流电压加到大电容及稳压电路12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。在传感器的半导体臂的顶部制作一个PN结3，可以有效地吸收光能，产生直流电流。每个传感器1上的PN结3都以串联的方式连接，并构成电流通路正向有序排列。并在PN结上方的热沉板7开孔以增加光照面积，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-光电微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。
3)掺杂磷方，LPCVD生成一层N型砷化镓；
4)旋涂光刻胶，光刻留出P型掺杂窗口；
5)注入硼，形成P型砷化镓，形成热电偶的P型连接线和热电偶中的突变PN结结构；
6)去除预备制作热电偶的金属热偶臂处的光刻胶；
7)在衬底上溅射金锗镍/金，其厚度共为
8)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，形成热电偶的金属热偶臂；
9)通过蒸发方式生长用于电镀的底金：蒸发钛/金/钛，作为种子层，其厚度为500/1500/
10)涂覆光刻胶，去除预备制作输出压焊块以及连接线地方的光刻胶；
11)电镀一层金，其厚度为2μm；
12)去除步骤10)中留下的光刻胶；
13)反刻钛/金/钛，腐蚀种子层，形成输出压焊块以及连接线；
14)整体划片，并列排列。传感器之间金属线Au连接；
15)热沉板光刻出图形完成顶部开孔；
16)通过组装把MEMS传感器和热沉板、散热板装配在一起。
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-光电微传感器，同时实现了对光能、热能收集和利用。利用N型砷化镓和P型砷化镓制作PN结，可以有效地吸收光能，产生直流电流。每PN结个都以串联的方式连接，输出到外围的大电容和稳压电路，供给后级电路使用。实现了光能到电能的转换。制作了MEMS传感器，传感器的热端朝下，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。

Claims (1)

1.一种自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器，该微传感器放置在射频功率放大器的顶部，其特征是该微传感器由多个传感器(1)并列连接构成，传感器(1)由多个热电偶通过金属线(9)串联而成，而热电偶主要部分是N型砷化镓的半导体臂(10)和Au的金属臂(11)构成，采用重掺杂的P型砷化镓构成半导体臂(10)和Au金属臂(11)的顶部连接线(2)，P型砷化镓构成的连接线(2)与半导体臂(10)构成PN结(3)，连接线(2)与Au金属臂(11)形成欧姆接触作为热电偶的冷端(4)，半导体臂(10)与金属线(9)形成欧姆接触作为热电偶的热端(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传感器的热端(5)，热沉板(7)作为传感器的冷端(4)，热沉板(7)表面光刻有圆形通孔用以通过光照，圆形通孔间距相同，其正下方为PN结(3)用以接收光能从而转换成电能，传感器外围辅以大电容及稳压电路(12)，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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