CN107395137B - 面向物联网的具有自供电功能的mos管放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，信号通过第一隔直电容C1输入到MOS管的栅极，第一电阻R1和第二电阻R2分别为栅极的上下偏置，MOS管的源极通过第三电阻R3接地，MOS管的漏极通过第四电阻R4接到电源端VDD，放大后的信号通过MOS管的漏极输出，MOS管的漏极通过第二隔直电容C2接负载第五电阻R5；所述自供电机构用于收集MOS管发出的热能，并将热能转换为电能，经过稳压充电电路连接到VDD。

Description

面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器

技术领域

本发明涉及一种面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。MOS管是金属-氧化物半导体场效应晶体管，(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)的缩写。

背景技术

随着经济的发展，能源危机越来越严重，废热回收再利用正在成为科学研究者的关注热点。据报道，当下的能源系统有大量的能量以废热的形式耗散在环境中，这一方面造成环境污染和温室效应，另一方面也耗费大量资金去处理废热。

其中，热电能量收集技术是一种绝佳的解决办法之一，它在转换过程中不需要机械运动部件，在微小的温差下就能够将热能转换为电能，能量转换过程中也没有废水废气等污染物的产生。因此，温差发电技术可以对射频收发组件中的放大器的废热进行回收，得到可用的功率输出，也缓解了放大器的散热问题。

本发明即是基于CMOS工艺和MEMS表面微机械加工工艺设计了一种应用在物联网中的具有自供电功能的MOS管放大器。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，具有热电转换功能的MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)放大器根据Seebeck(塞贝克)效应，实现热能到电能的转换，产生塞贝克电压，输出到稳压电路和电容电池，进行能量存储，输出稳定的直流电压，为放大器提供电能，实现了自供电和绿色能源的可持续。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，包括第一隔直电容C1、第二隔直电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、MOS管、VDD、稳压充电电路以及自供电机构；信号通过第一隔直电容C1输入到MOS管的栅极，第一电阻R1和R2分别为栅极的上下偏置，MOS管的源极通过第三电阻R3接地，MOS管的漏极通过第四电阻R4接到电源端VDD，放大后的信号通过MOS管的漏极输出，MOS管的漏极通过第二隔直电容C2接负载第五电阻R5；所述自供电机构用于收集MOS管发出的热能，并将热能转换为电能，经过稳压充电电路连接到VDD。

进一步地：所述MOS管包括衬底、氧化层、栅氧化层、MOSFET源区、MOSFET漏区、三个MOS管电极，所述三个MOS管电极分别为：源极、漏极、栅极；其中：所述氧化层、衬底从上到下依次设置，所述MOSFET源区设置于所述衬底内，且所述MOSFET源区位于衬底上相邻氧化层的一面；所述源极穿过氧化层与所述MOSFET源区相连接；所述MOSFET漏区设置于所述衬底内，且所述MOSFET漏区位于衬底上相邻氧化层的一面；所述漏极穿过氧化层与所述MOSFET漏区相连接；所述栅极设置于栅氧化层上，所述栅氧化层穿过氧化层与所述衬底相连接；

更进一步地：所述自供电机构包括金属Al型热电臂、多晶硅N型热电臂和连接线金属铝，所述金属Al型热电臂分别绕三个MOS管电极分布，所述多晶硅N型热电臂分别绕三个MOS管电极分布，同一个MOS管电极周围的金属Al型热电臂和多晶硅N型热电臂交替设置，且同一个MOS管电极周围的金属Al型热电臂和多晶硅N型热电臂通过连接线金属铝串联起来，同时同一个MOS管电极留出两个热电偶电极作为塞贝克电压的输出极正极和负极，其中，同一个MOS管电极周围相邻的金属Al型热电臂和多晶硅N型热电臂通过连接线金属铝连接构成一个热电偶；三个MOS管电极之间留出的热电偶电极通过连接线金属铝串联起来，且留下两个留出的热电偶电极作为塞贝克电压的输出极。

优选的：所述的稳压充电电路包括相互串联在一起的稳压电路和电容电池，所述稳压电路和电容电池一端与两个留出的热电偶电极之间的塞贝克电压的正极输出极连接，另一端与VDD连接。

优选的：输出的塞贝克压差加到电容电池，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。

优选的：所述三个MOS管电极周围各制作了12个热电偶。

优选的：在三个MOS管电极的左右两边对称设置4个热电偶，上下对称设置2个热电偶。

优选的：所述热电偶沿各自对应的MOS管电极均匀分布。

优选的：所述MOS管为N型MOS管。

优选的：所述衬底为P型Si衬底。

有益效果：本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1.本发明的具有自供电功能的MOS管放大器的原理、结构简单，只需要在现有的MOS管器件基础上制作金属Al型热电臂和多晶硅N型热电臂，然后使用金属铝连线连接两种电热偶臂，得到36个热电偶，留出下方6个热电偶电极。按照图2所示进行金属连线，将栅极、源极和漏极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即可，利用现有的硅基CMOS工艺和MEMS表面微机械加工易于实现；

2.本发明的具有自供电功能的MOS管放大器根据Seebeck效应，热电偶产生塞贝克电压，通过稳压电路，输出稳定的直流电压，作为电源供电，实现放大器的自供电；

3.本发明根据Seebeck效应，热电偶产生塞贝克电压，通过电容电池进行电能存储，有利于延长使用寿命。

4.本发明的具有自供电功能的MOS管放大器通过在MOS管的氧化层表面设置热电偶组，并在连接电路中设置电容电池，对MOS管的废热进行充分吸收，增强了散热性能，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MOS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MOS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MOS管放大器的P-P’向的剖面图；

图4为本发明面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器的Q-Q’向的剖面图；

图5为本发明面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器中的热电偶摆放的俯视图(即图3的热电偶11)。

图中包括：衬底1，氧化层2，MOSFET源区3，MOSFET漏区4，源极5，漏极6，栅极7，金属Al型热电臂8，多晶硅N型热电臂9，连接线金属铝10，热电偶11，栅氧化层12，稳压充电电路13。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1-2所示为一种面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，包括第一隔直电容C1、第二隔直电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、MOS管、VDD、稳压充电电路13以及自供电机构；如图3-4所示，所述MOS管包括衬底1、氧化层2、栅氧化层12、MOSFET源区3、MOSFET漏区4、三个MOS管电极，所述三个MOS管电极分别为：源极5、漏极6、栅极7；其中：所述氧化层2、衬底1从上到下依次设置，所述MOSFET源区3设置于所述衬底1内，且所述MOSFET源区3位于衬底1上相邻氧化层2的一面；所述源极5穿过氧化层2与所述MOSFET源区3相连接；所述MOSFET漏区4设置于所述衬底1内，且所述MOSFET漏区4位于衬底1上相邻氧化层2的一面；所述漏极6穿过氧化层2与所述MOSFET漏区4相连接；所述栅极7设置于栅氧化层12上，所述栅氧化层12穿过氧化层2与所述衬底1相连接；所述三个MOS管电极周围的氧化层2的表面排布有自供电机构；所述衬底1为P型Si衬底，所述MOS管为N型MOS管。

如图1、图2所示，交流电电源的输出连接第一隔直电容C1的输入端，所述第一隔直电容C1的输出端连接MOS管的栅极7；第一电阻R1的输入端与第一隔直电容C1的输出端连接，第一电阻R1的输出端与VDD输入端连接；所述VDD输出端与第四电阻R4输入端连接，第四电阻R4的输出端与MOS管的漏极6连接；第二电阻R2的输入端与第一隔直电容C1的输出端连接，而第二电阻R2的输出端接地；所述第三电阻R3输入端与MOS管的源极5连接，而第三电阻R3输出端接地；所述第二隔直电容C2的输入端与MOS管的漏极6连接，而第二隔直电容C2的输出端第五电阻R5的输入端连接，第五电阻R5的输出端接地；所述稳压充电电路13输入端与塞贝克电压的正极输出极连接，而所述稳压充电电路13的输出端与第四电阻R4输入端连接；而所述塞贝克电压的负极输出极接地。

信号通过第一隔直电容C1输入到MOS管的栅极7，第一电阻R1和第二电阻R2分别为栅极7的上下偏置，MOS管的源极5通过第三电阻R3接地，MOS管的漏极6通过第四电阻R4接到电源端VDD，放大后的信号通过MOS管的漏极6输出，MOS管的漏极6通过第二隔直电容C2接负载第五电阻R5；所述自供电机构用于收集MOS管发出的热能，并将热能转换为电能，经过稳压充电电路13连接到VDD。所述自供电机构包括金属Al型热电臂8、多晶硅N型热电臂9和连接线金属铝10；所述的稳压充电电路13包括相互串联在一起的稳压电路和电容电池，所述稳压电路和电容电池一端与两个留出的热电偶电极之间的塞贝克电压的正极输出极连接，另一端与VDD连接。

其中，当N型MOSFET在一定栅压下正常工作时，由于沟道区的温度分布不同，从而为热电偶提供了温差。选择P型Si作为衬底1，通过CMOS工艺和MEMS表面微机械加工实现具有热电能量转换功能的MOSFET。在衬底上面制作一层厚度为20nm的缓冲氧化层，以防止硼离子注入造成损伤，然后以1.5×10¹⁴cm^-2的剂量进行P阱硼离子注入，之后用BOE(缓冲氧化物刻蚀液)除去缓冲氧化层；用LOCOS(硅局部氧化隔离技术)隔离热氧化制作一层20nm氧化层，然后LPCVD(低压力化学气相沉积法)制作一层100nm氮化硅，有源区光刻采用干法刻蚀氮化硅，之后用BOE除去氧化层；用干/湿/干热氧化法制备LOCOS，厚度为400nm，然后用H₃PO₄去除100nm氮化硅，用BOE除去20nm氧化层；制备一层厚度为20nm的栅氧化层12，在其上淀积一层厚度为300nm的栅多晶硅7，然后进行磷扩散，采用干法刻蚀栅多晶硅；源漏注入砷，剂量为5×10¹⁵cm^-2，得到MOSFET源区3和MOSFET漏区4，再分别在源区、漏区上面溅射一层厚度为800nm的源极5和漏极6，传统的MOS制得。

在N型MOSFET上面制作一层氧化硅保护层2，用以隔离MOS和热电偶，避免短路。同时，进行抛光，以便在氧化硅上制作热电偶。先是按照图5所示的图案制作热电偶的金属Al型热电臂8和多晶硅N型热电臂9，然后用连接线金属铝10连接两种热电偶臂。具体地，所述金属Al型热电臂8分别绕三个MOS管电极分布，所述多晶硅N型热电臂9分别绕三个MOS管电极分布，同一个MOS管电极周围的金属Al型热电臂8和多晶硅N型热电臂9交替设置，且同一个MOS管电极周围的金属Al型热电臂8和多晶硅N型热电臂9通过连接线金属铝10串联起来，同时同一个MOS管电极留出两个热电偶电极作为塞贝克电压的输出极正极和负极，其中，同一个MOS管电极周围相邻的金属Al型热电臂8和多晶硅N型热电臂9通过连接线金属铝10连接构成一个热电偶；所述氧化层2表面的三个MOS管电极周围各制作了12个热电偶。在三个MOS管电极的左右两边对称设置4个热电偶，上下对称设置2个热电偶。三个MOS管电极之间留出的热电偶电极通过连接线金属铝10串联起来，按照图2所示，连接源、栅、漏的电极，且留下两个留出的热电偶电极作为塞贝克电压的输出极。将塞贝克压差输出极的负电极接地，正电极接稳压电路和电容电池，进行电能存储，输出稳定的直流电压，为MOS放大器供电，实现了自供电和绿色能源的可持续。

针对MOSFET正常工作时的温度的分布不同，根据塞贝克效应实现热电转换，收集废热，增强了其散热性能，提高了可靠性，延长了其使用寿命。

本发明的面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器制备方法如下：

1)准备硅基P型硅衬底1，掺杂浓度为10¹⁵cm^-3；

2)为P阱离子注入制备缓冲氧化层，厚度20nm，氧化温度1000℃，时间为30min；

3)P阱硼离子注入，剂量为1.5×10¹⁴，然后用BOE去除缓冲氧化层，时间为20s；

4)用LOCOS隔离热氧化制作一层20nm氧化层，然后LPCVD制作一层100nm氮化硅；

5)有源区光刻，采用干法刻蚀氮化硅，时间为1.5min，用BOE除去氧化层，时间为20s；

6)用干/湿/干热氧化法制备LOCOS，厚度为400nm，温度为1000℃，时间2小时，然后用H₃PO₄去除100nm氮化硅，用BOE除去20nm氧化层；

7)制备栅氧化层12，厚度为20nm，温度为925℃，时间为30min；

8)淀积栅多晶硅7，厚度为300nm，温度为620℃，时间为70min，然后进行磷扩散，温度为950℃，时间为30min；

9)光刻栅多晶硅，采用干法刻蚀栅多晶硅，时间为35s；

10)源漏N+离子注入，剂量为5×10¹⁵cm^-2得到MOSFET源区3和MOSFET漏区4；

11)低温氧化，刻蚀接触区开口，得到二氧化硅钝化层；

12)溅射一层800nm金属铝作为源极5和漏极6；

13)化学机械抛光氧化层，以备制作热电偶；

14)在栅极附近涂覆光刻胶，光刻出N型热电臂窗口；

15)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型热电臂9；

16)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；

17)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，将N型多晶硅热电臂9与金属Al型热电臂8用金属铝连线10连接起来，形成热电偶；

18)除去光刻胶；

19)制作栅区热电偶的2个引出电极；

20)在源极、漏极附近重复步骤13)--19)，制作如图5所示热电偶11；

21)连接线金属铝连接，按照如图2所示连接各电极，留下两个电极作为塞贝克电压的输出极正极和负极。

22)将塞贝克电压负电极接地，正电极接稳压电路和大电容13，输出稳定的直流电压，为放大器提供电能；

23)按照图2所示连接电容、电阻和MOS管，得到具有自供电功能的MOS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MOS管放大器包括具有热电转换功能的MOS管、放大器电路、稳压电路和电容充电电池。信号通过第一隔直电容C1输入到MOS管的栅极，第一电阻R1和第二电阻R2构成偏置，放大后的信号通过MOS管的漏极输出。在传统的N型MOSFET制作完成栅极之后，生长一层二氧化硅层，作为制作热电偶的基准面。基于MOSFET的温度分布，根据Seebeck效应，热电偶将器件工作时的热能转换成了电能。源极、漏极、栅极各制作了12个由金属Al型热电臂和多晶硅N型热电臂组成的热电偶，用金属连线铝将其串联，从而成倍的增大塞贝克压差，留下两个热电偶电极作为塞贝克电压输出极正极和负极。输出的塞贝克电压负极接地，正极输入到稳压电路和大电容，进行电能存储，输出稳定的直流电压，为放大器提供电能，实现自供电和绿色能源的可持续。

满足以上条件的结构即视为本发明的面向物联网的具有自供电功能的MOS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 (10)

1.一种面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，其特征在于：包括第一隔直电容C1、第二隔直电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、MOS管、VDD、稳压充电电路（13）以及自供电机构；信号通过第一隔直电容C1输入到MOS管的栅极（7），第一电阻R1和第二电阻R2分别为栅极（7）的上下偏置，第一电阻R1的另一端接到VDD，第二电阻R2的另一端接地，MOS管的源极（5）通过第三电阻R3接地，MOS管的漏极（6）通过第四电阻R4接到电源端VDD，放大后的信号通过MOS管的漏极（6）输出，MOS管的漏极（6）通过第二隔直电容C2接负载第五电阻R5，负载第五电阻的另一端接地；所述稳压充电电路(13)输入端与塞贝克电压的正极输出极连接，而所述稳压充电电路(13)的输出端与第四电阻R4输入端连接；而所述塞贝克电压的负极输出极接地。

2.根据权利要求1所述的面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，其特征在于：所述 MOS管包括衬底（1）、氧化层（2）、栅氧化层（12）、MOSFET源区（3）、MOSFET漏区（4）、三个MOS管电极，所述三个MOS管电极分别为：源极（5）、漏极（6）、栅极（7）；其中：所述氧化层（2）、衬底（1）从上到下依次设置，所述MOSFET源区（3）设置于所述衬底（1）内，且所述MOSFET源区（3）位于衬底（1）上相邻氧化层（2）的一面；所述源极（5）穿过氧化层（2）与所述MOSFET源区（3）相连接；所述MOSFET漏区（4）设置于所述衬底（1）内，且所述MOSFET漏区（4）位于衬底（1）上相邻氧化层（2）的一面；所述漏极（6）穿过氧化层（2）与所述MOSFET漏区（4）相连接；所述栅极（7）设置于栅氧化层（12）上，所述栅氧化层（12）穿过氧化层（2）与所述衬底（1）相连接。

3.根据权利要求1所述的面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，其特征在于：所述自供电机构包括金属Al型热电臂（8）、多晶硅N型热电臂（9）和连接线金属铝（10），所述金属Al型热电臂（8）分别绕三个MOS管电极分布，所述多晶硅N型热电臂（9）分别绕三个MOS管电极分布，同一个MOS管电极周围的金属Al型热电臂（8）和多晶硅N型热电臂（9）交替设置，且同一个MOS管电极周围的金属Al型热电臂（8）和多晶硅N型热电臂（9）通过连接线金属铝（10）串联起来，同时同一个MOS管电极留出两个热电偶电极作为塞贝克电压的输出极正极和负极，其中，同一个MOS管电极周围相邻的金属Al型热电臂（8）和多晶硅N型热电臂（9）通过连接线金属铝（10）连接构成一个热电偶；三个MOS管电极之间留出的热电偶电极通过连接线金属铝（10）串联起来，且留下两个留出的热电偶电极作为塞贝克电压的输出极。

4.根据权利要求3所述的面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，其特征在于：所述的稳压充电电路（13）包括相互串联在一起的稳压电路和电容电池，所述稳压电路和电容电池一端与两个留出的热电偶电极之间的塞贝克电压的正极输出极连接，另一端与VDD连接。

5.根据权利要求3所述的面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，其特征是：输出的塞贝克压差加到电容电池，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。

6.根据权利要求3所述的面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，其特征在于：所述三个MOS管电极周围各制作了12个热电偶。

7.根据权利要求3所述的面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，其特征在于：在三个MOS管电极的左右两边对称设置4个热电偶，上下对称设置2个热电偶。

8.根据权利要求3所述的面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，其特征在于：所述热电偶沿各自对应的MOS管电极均匀分布。

9.根据权利要求2所述的面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，其特征在于：所述MOS管为N型MOS管。

10.根据权利要求2所述的面向物联网的具有自供电功能的MOS管放大器，其特征在于：所述衬底（1）为P型Si衬底。

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