CN107293583B - 面向物联网的具有自供电功能的bjt管放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器,主要包括:具有热电转换功能的BJT、电阻、电容、稳压电路和大电容充电电池等。其中,当BJT管放大器正常工作时,具有热电转换功能的BJT上的36个热电偶根据Seebeck效应产生塞贝克电压,实现了热能到电能的直接转换,输出塞贝克电压到稳压电路和大电容,可以进行电能存储,通过检测存储电量的大小,从而检测热耗散功率的大小。将产生的塞贝克电压输入到稳压电路和大电容,输出稳定的直流电压,为BJT放大器供电,实现了自供电和绿色能源的可持续。同时,废热得到了有效回收,增强了其散热性能,提高了可靠性,延长了使用寿命。

Description

面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器
技术领域
本发明提出了一种面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器,属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。BJT是双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT)的缩写。
背景技术
随着物联网的快速发展,自供电传感器的研究得到了广泛的关注。其中,面临的挑战有能量的收集与存储。自供电传感器的能量可以有诸多来源,较为普遍的是光能或者太阳能,但是,还有一个可靠的来源就是射频收发组件的废热。如果将这一废热收集利用起来,不仅可以改善射频收发组件的能耗问题,还可以减小发热对射频收发组件的影响。因此,自供电传感器网络可以利用热电能量收集技术回收废热,并转换成电能为自身供电,实现自供电的功能。
本发明即是基于BJT工艺和MEMS表面微机械加工工艺设计了一种具有自供电功能的BJT管放大器,这是一种应用在物联网通讯中的BJT管放大器,实现了能量收集以自供电,且为可持续的绿色能源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器,是为了收集BJT器件工作时产生的热能,以补偿BJT放大器工作过程中所产生的不必要的热损耗功率,将热能转换成电能的同时改善散热问题,进而提高了放大器的性能;根据Seebeck效应实现热能到电能的转换,产生的直流电压输出到稳压电路和充电电池,进行能量存储,输出稳定的直流电压可以为BJT放大器供电。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器,包括:具有热电转换功能的BJT放大管、电阻、电容、稳压电路和大电容充电电池;信号通过隔直电容C1输入到BJT放大管的基极,电阻R1和电阻R2分别为BJT放大管的基极的上下偏置,BJT放大管的发射极通过电阻R3接地,BJT放大管的集电极通过电阻R4接到VDD,放大后的信号通过BJT放大管的集电极输出,BJT放大管的集电极通过隔直电容C2接负载电阻R5,稳压电路和大电容充电电池接VDD;所述具有热电转换功能的BJT放大管产生塞贝克电压,塞贝克电压的输出极“+”极接稳压电路和大电容充电电池,“-”极接地。
进一步的,所述具有热电转换功能的BJT放大管以硅为衬底,在衬底上设有N+型隐埋层、BJT集电区、P+型隔离区、BJT基区、BJT发射区、集电极、基极、发射极;所述集电极、基极、发射极的四周分别设有绝缘层;所述集电极、基极、发射极的四周的绝缘层上分别均匀设有若干热电偶,热电偶之间通过金属连线串联,并留下两个热电偶电极作为塞贝克电压的输出极“+”极和“-”极,“+”极接稳压电路和大电容充电电池,“-”极接地;所述热电偶由金属Al型热电臂和多晶硅N型热电臂通过金属连线串联而成。
进一步的,所述绝缘层的材质为二氧化硅。
进一步的,所述集电极、基极、发射极的四周的绝缘层上分别设有12个热电偶。
进一步的,所述集电极、基极、发射极的左右侧各摆放4个热电偶,上下侧各摆放2个热电偶。
进一步的,针对BJT正常工作时的温度的分布不同,根据Seebeck效应实现热电能量转换,收集废热,增强了其散热性能,提高了可靠性,延长了使用寿命。
进一步的,输出的塞贝克电压通过稳压电路和大电容充电电池,进行电能存储,通过检测存储电能的大小,从而检测耗散功率的大小。
本发明具有如下有益效果:
1.本发明的面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器的原理、结构简单,利用现有的硅基BJT工艺和MEMS表面微机械加工易于实现;
2.本发明的面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器根据Seebeck效应,热电偶产生直流电压,通过稳压电路,输出稳定的直流电压,实现放大器的自供电,且为可持续的绿色能源;
3.本发明的面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器根据塞贝克效应产生塞贝克电压,可以通过大电容等进行存储;
4.本发明的面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器对废热进行充分吸收,有利于散热,提高了可靠性,延长了使用寿命。
附图说明
图1为本发明面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器的示意图;
图2为本发明面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器的俯视图;
图3为本发明面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器的P-P’的剖面图;
图4为本发明面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器的Q-Q’的剖面图;
图5为本发明面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器中的热电偶摆放的俯视图(即图3的热电偶14)。
图中包括:硅衬底1,N+型隐埋层2,BJT集电区3,P+型隔离区4,二氧化硅绝缘5,BJT基区6,BJT发射区7,热电偶的金属Al型热电臂8,热电偶的多晶硅N型热电臂9,金属连线10,集电极11,基极12,发射极13,热电偶14,稳压电路和大电容充电电池15。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1-5,本发明提出了一种面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器。该BJT管放大器主要包括:具有热电转换功能的BJT放大管、电阻、电容、稳压电路和大电容充电电池等。信号通过隔直电容C1输入到BJT放大管的基极,电阻R1和R2分别为BJT放大管的基极的上下偏置,BJT放大管的发射极通过R3接地,BJT放大管的集电极通过R4接到VDD,放大后的信号通过BJT放大管的集电极输出,BJT放大管的集电极通过隔直电容C2接负载电阻R5,稳压电路和大电容充电电池接VDD。其中,BJT放大管选择厚度为200um的N型硅作为衬底1,氧化一层二氧化硅作为掩蔽膜,制作N+型隐埋层2,用BOE去除二氧化硅层;生长一层厚度为5um的N型外延层,砷离子掺杂,掺杂浓度为2×1016cm-3,得到集电区3;隔离氧化,隔离光刻,隔离扩散,制备P+型隔离区4;氧化一层二氧化硅层,涂覆光刻胶,开出基区掺杂窗口,进行硼离子注入,注入能量为18KeV,注入剂量为2.5×1013cm-2,得到基区6;光刻发射区,进行砷离子注入,注入剂量为7.5×1015cm-2,注入能量为50KeV,得到发射区7;涂覆光刻胶,低温氧化,刻蚀集电区、基区和发射区窗口,得到二氧化硅钝化层,除去光刻胶,溅射一层800nm金属铝分别作为集电极11、基极12和发射极13,从而得到传统的BJT器件。
在BJT器件有源层上面制作的一层二氧化硅绝缘层5,用以隔离BJT和热电偶。在二氧化硅绝缘层5上涂覆光刻胶,光刻出N型多晶硅热电臂窗口,如图5所示,LPCVD生长一层N+多晶硅,其掺杂浓度和厚度分别为5×1016cm-3和0.7um,得到热电偶的多晶硅N型多晶硅热电臂9,去除光刻胶;类似地,蒸发生长Al,反刻Al,刻蚀金属图形,形成热电偶的另一金属Al型热电臂8;然后蒸铝连线连接两种热电偶臂,得到36个热电偶,留出下方6个热电偶电极。按照如图2所示,进行金属连线,将集电极、基极和发射极的热电偶电极串联起来,留下两个电极作为塞贝克电压的输出极“+”和“-”。将塞贝克压差输出极的“-”电极接地,“+”电极接稳压电路和大电容,将产生的电压输入到稳压电路和大电容充电电池,可以进行电能存储,输出稳定的直流电压可以为BJT放大器供电,实现自供电,是可持续的绿色能源。
本发明的面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器制备方法如下:
1)准备硅基N型衬底1,厚度为200um;
2)氧化一层二氧化硅作为掩蔽膜,N+型隐埋层2制备;
3)用BOE去除二氧化硅层,时间为20s;
4)生长一层厚度为5um的N型外延层,砷离子掺杂,掺杂浓度为2×1016cm-3,得到集电区3;
5)隔离氧化,隔离光刻,隔离扩散,P+型隔离区4制备;
6)氧化一层二氧化硅层,涂覆光刻胶,开出基区掺杂窗口;
7)进行硼离子注入,注入能量为18KeV,注入剂量为2.5×1013cm-2,得到基区6;
8)光刻发射区,进行砷离子注入,注入剂量为7.5×1015cm-2,注入能量为50KeV,得到发射区7;
9)涂覆光刻胶,低温氧化,刻蚀集电区、基区和发射区窗口,得到二氧化硅绝缘层5,除去光刻胶;
10)溅射一层800nm金属铝分别作为集电极11、基极12和发射极13;
11)在二氧化硅绝缘层5上涂覆光刻胶,光刻出N型多晶硅热电臂窗口,如图5所示;
12)LPCVD生长一层N+多晶硅,其掺杂浓度和厚度分别为5×1016cm-3和0.7um,形成热电偶的多晶硅N型多晶硅热电臂9,去除光刻胶;
13)类似地,蒸发生长Al,反刻Al,刻蚀金属图形,形成热电偶的另一金属Al型热电臂8;
14)涂覆光刻胶,保留特定图案光刻胶,反刻Al,得到金属连线10,将多晶硅N型热电臂9与金属铝型热电臂8连接起来,形成热电偶;
15)涂覆光刻胶,保留特定图案光刻胶,用H3PO4:CH3COOH:HNO3=100:10:1反刻Al,温度为50℃,时间为3min,得到金属连线10,将N型多晶硅热电臂9与金属Al型热电臂8连接起来,形成热电偶;
16)去除光刻胶;
17)制作集电极、基极和发射极热电偶电极极;
18)蒸铝连线,按照如图2所示连接集电极、基极和发射极热电偶电极,留下两个电极作为塞贝克电压的输出极“+”和“-”电极。
19)“-”电极接地,“+”电极通过稳压电路和大电容15连接到放大器的电源;
20)按照图1、2所示,连接电容、电阻和BJT放大管,得到具有自供电功能的BJT管放大器。
区分是否为该结构的标准如下:
本发明的面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器,包括具有热电转换功能的BJT管、放大器电路、稳压电路和大电容充电电池等。信号通过隔直电容C1输入到BJT放大管的基极,电阻R1和电阻R2构成偏置,放大后的信号通过BJT的集电极输出。在传统的BJT的有源层上方的二氧化硅层作为掺杂窗口,本结构中作为制作热电偶的基准面和电隔离层。在二氧化硅上面,制作了36个由金属Al型热电臂和多晶硅N型热电臂组成热电偶,用金属连线将其串联,各留出两个基极、集电极和发射极的热电偶电极,依次串联,留下两个电极作为塞贝克电压的输出极“+”和“-”。将塞贝克电压的“-”极接地,“+”极输出到稳压电路和大电容,将产生的电压输入到稳压电路和大电容,可以进行电能存储,输出稳定的直流电压可以为BJT放大器供电,实现自供电,是可持续的绿色能源。
满足以上条件的结构即视为本发明面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器,其特征是:包括:具有热电转换功能的BJT放大管、电阻、电容、稳压电路和大电容充电电池;信号通过隔直电容C1输入到BJT放大管的基极,电阻R1和电阻R2分别为BJT放大管的基极的上下偏置,BJT放大管的发射极通过电阻R3接地,BJT放大管的集电极通过电阻R4接到VDD,放大后的信号通过BJT放大管的集电极输出,BJT放大管的集电极通过隔直电容C2接负载电阻R5,稳压电路和大电容充电电池接VDD;所述具有热电转换功能的BJT放大管产生塞贝克电压,塞贝克电压的输出极“+”极接稳压电路和大电容充电电池,“-”极接地;
所述具有热电转换功能的BJT放大管以硅为衬底(1),在衬底(1)上设有N+型隐埋层(2)、BJT集电区(3)、P+型隔离区(4)、BJT基区(6)、BJT发射区(7)、集电极(11)、基极(12)、发射极(13);所述集电极(11)、基极(12)、发射极(13)的四周分别设有绝缘层(5);所述集电极(11)、基极(12)、发射极(13)的四周的绝缘层(5)上分别设有若干热电偶,热电偶之间通过金属连线(10)串联,并留下两个热电偶电极作为塞贝克电压的输出极“+”极和“-”极,“+”极接稳压电路和大电容充电电池(15),“-”极接地;所述热电偶由金属Al型热电臂(8)和多晶硅N型热电臂(9)通过金属连线(10)串联而成。
2.根据权利要求1所述的一种面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器,其特征是:所述绝缘层(5)的材质为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器,其特征是:所述集电极(11)、基极(12)、发射极(13)的四周的绝缘层(5)上分别设有12个热电偶。
4.根据权利要求3所述的一种面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器,其特征是:所述集电极(11)、基极(12)、发射极(13)的左右侧各摆放4个热电偶,上下侧各摆放2个热电偶。
5.根据权利要求1所述的一种面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器,其特征是:针对BJT管放大器正常工作时的温度的分布不同,根据Seebeck效应实现热电能量转换,收集废热,增强了其散热性能,提高了可靠性,延长了使用寿命。
6.根据权利要求1所述的一种面向物联网的具有自供电功能的BJT管放大器,其特征是:输出的塞贝克压差接到稳压电路和大电容充电电池,进行电能存储,通过检测存储电能的大小,从而检测耗散功率的大小。
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