CN107395138B - 面向物联网的具有自供电功能的hbt管放大器 - Google Patents

面向物联网的具有自供电功能的hbt管放大器 Download PDF

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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HBT管放大器，主要包括：具有热电转换功能的HBT放大管、电阻、电容、稳压电路和大电容充电电池等。其中，当HBT管放大器正常工作时，射频HBT放大管产生大量的废热，通过其上对称摆放的36个热电偶，根据Seebeck效应，实现热能到电能的直接转换，产生较大的塞贝克电压。将塞贝克电压的“‑”极接地，“+”极接稳压电路和大电容，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；输出稳定的直流电压为HBT放大器提供电能，实现了自供电和绿色能源的可持续。此外，将射频HBT放大器产生废热回收，增强了散热性能，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HBT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HBT管放大器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。HBT是异质结双极晶体管(heterojunction bipolartransistor)的缩写。
背景技术
物联网作为第三次信息技术革命的重要组成部分，得到了业界的广泛关注。相应地，有关于物联网的无线传感网络正在快速发展，其中，自供电传感器和能量收集等的有关报道相继出现。目前，物联网射频收发组件面临的重大问题技术供电问题和散热问题。研究发现，物联网射频收发组件中发射部分大约有80％的功率以热的形式耗散了，常用的供电技术多为不易更换且容量有限的锂电池。而自供电、能量收集技术可以利用环境中的能量，既有助于改善功耗，又有利于散热。其中，温差发电系统原理十分简单，只要发电模块两端有温差就可持续不断地产生电力输出。
本发明即是基于GaAs工艺和MEMS表面微机械加工工艺设计了一种面向物联网的具有自供电功能的HBT管放大器，这是一种应用在物联网通讯中的HBT管放大器。
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HBT管放大器，具有热电转换功能的HBT根据Seebeck效应，实现热能到电能的转换，产生直流电压输出到稳压电路和充电电池，作为HBT放大器的电源，实现了自供电和绿色能源的可持续。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种面向物联网的具有自供电功能的HBT管放大器，包括：具有热电转换功能的HBT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HBT放大管的基极，电阻R1和电阻R2分别为HBT放大管的基极的上下偏置，HBT放大管的发射极通过电阻R3接地，HBT放大管的集电极通过电阻R4接到VDD，放大后的信号通过HBT放大管的集电极输出，HBT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HBT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HBT放大管以半绝缘的砷化镓为衬底，在衬底上设有N+型砷化镓层的掩埋集电极、N-型GaAs层的内集电区、P型GaAs层的基区、N型AlGaAs层的发射区、N+型GaAs发射区接触层、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；所述热电偶由热电偶金属臂和热电偶砷化镓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。
更进一步的，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HBT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。
进一步的，输出的塞贝克压差连接到稳压电路和大电容充电电池，可以进行电能存储，通过检测存储电能的大小，从而检测耗散功率的大小。
进一步的，产生的塞贝克电压输出到稳压电路和大电容充电电池，输出稳定的直流电压，连接到放大器的电源，实现了自供电的和绿色能源的可持续。
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HBT管放大器的原理、结构简单，利用现有的GaAs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HBT管放大器根据Seebeck效应，热电偶产生直流电压，通过稳压电路和大电容，输出稳定的直流电压，为放大器提供电能，实现自供电；
3.本发明的面向物联网的具有自供电功能的HBT管放大器根据Seebeck效应，热电偶产生直流电压，通过大电容进行电能存储，可持续的电能产生，有利于延长器件的使用寿命；
4.本发明的面向物联网的具有自供电功能的HBT管放大器对废热进行充分吸收，有利于散热，提高了放大器性能及其可靠性。
附图说明
图1为本发明面向物联网的具有自供电功能的HBT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HBT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HBT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HBT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HBT管放大器中的热电偶摆放的俯视图(即图3的热电偶15)。
图中包括：半绝缘的GaAs衬底1，N+型GaAs层的掩埋集电极2，N-型GaAs层的内集电区3，P型GaAs层的基区4，N型AlGaAs层的发射区5，N+型GaAs发射区接触层6，金属过孔7，热电偶的金属臂8，热电偶的砷化镓臂9，金属连线10，二氧化硅绝缘层11，集电极12，基极13，发射极14，热电偶15,稳压电路和大电容充电电池16。
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HBT管放大器。该HBT管放大器主要包括：具有热电转换功能的HBT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HBT放大管的基极，电阻R1和电阻R2分别为HBT放大管的基极的上下偏置，HBT放大管的发射极通过电阻R3接地，HBT放大管的集电极通过电阻R4接到VDD，放大后的信号通过HBT放大管的集电极输出，HBT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。所述的HBT管采用掺杂浓度为1018cm-3的半绝缘砷化镓衬底1，在其上采用分子束外延生长一层GaAs层，作为HBT有源层，进行重掺杂，得到掺杂浓度为5×1018cm-3的N+型GaAs层，作为N+型GaAs层的掩埋集电极2；厚度为1.0um，涂覆光刻胶，去除集电区(C)位置的光刻胶，在N+型GaAs层上面生成掺杂浓度为7×1016cm-3的厚0.5um的N-型GaAs层，作为N-型GaAs层的内集电区3；在N-型GaAs层上面再生长一层厚度为0.05um的掺杂浓度为2×1019cm-3的P型掺杂的GaAs层，作为P型GaAs层的基区4；涂覆光刻胶，去除基区(B)位置的光刻胶，在P型掺杂的GaAs层上面生长厚度为0.2um的掺杂浓度为2×1017cm-3的N型AlGaAs层，作为HBT的N型AlGaAs层的发射区5；再向上生长一层厚度为0.2um的掺杂浓度为5×1018cm-3的N+型GaAs发射区接触层6，剥离光刻胶；涂覆光刻胶，去除集电极、基极和发射极金属引出极的光刻胶，生长一层Ti/Pt/Au，厚度为0.5um，去除光刻胶以及光刻胶上的金属，得到HBT放大管的集电极12、基极13和发射极14，传统的HBT制得。
先在HBT放大管的集电极四周生长一层二氧化硅绝缘层11，电隔离热电偶，化学机械抛光，减薄到一定厚度，作为制作热电偶的基准面。按照图5所示的图案制作热电偶的金属臂8和热电偶的砷化镓臂9，然后蒸金连线连接两种热电偶臂，串联热电偶从而得到更大的压差，留出下方两个电极引出。在下方一定距离处向上生长一层二氧化硅，制作金属过孔，将集电极的热电偶的一个电极向上引出，用来连接基极热电偶的一个电极，从而实现更多热电偶的串联。类似的，在基极也按照图5所示制作若干个热电偶，并向上引出一个电极，用以连接发射极热电偶的一个电极。最后，在发射极也制作热电偶，留下一个发射极热电偶电极和一个集电极热电偶电极作为塞贝克压差的输出极“+”极和“-”极。
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充电电池，将塞贝克电压输入到稳压电路和大电容充电电池，得到稳定的直流电压，为HBT放大器供电，实现自供电和绿色能源的可持续。
本发明的面向物联网的具有自供电功能的HBT管放大器制备方法如下：
1)准备砷化镓衬底1，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到130Ω/□；
2)分子束外延法生长一层GaAs层，作为HBT有源层；
3)进行重掺杂，得到N+型GaAs层，作为N+型GaAs层的掩埋集电极2，其掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为1.0um；
4)涂覆光刻胶，去除集电区(C)位置的光刻胶；
5)在N+型GaAs层上面生成—轻掺杂的N-型GaAs层，作为N-型GaAs层的内集电区3，掺杂浓度为7×1016cm-3，厚度为0.5um；
6)在N-型GaAs层上面再生长一层非常薄的(小于100nm)P型掺杂的GaAs层，作为P型GaAs层的基区4，其掺杂浓度为2×1019cm-3，厚度为0.05um；
7)涂覆光刻胶，去除基区(B)位置的光刻胶；
8)在P型掺杂的GaAs层上面生长N型AlGaAs层，作为HBT的N型AlGaAs层的发射区5，其掺杂浓度为2×1017cm-3，厚度为0.2um；
9)在向上生长一层N+型GaAs发射区接触层6，其掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为0.2um，剥离光刻胶；
10)涂覆光刻胶，去除集电极、基极和发射极金属引出极的光刻胶；
11)生长一层Ti/Pt/Au，厚度为0.5um；
12)去除光刻胶以及光刻胶上的金属，得到HBT的集电极12、基极13和发射极14；
13)生长一层0.2um厚的二氧化硅绝缘层11，化学机械抛光，用于制作热电偶；
14)涂覆光刻胶，除去热电偶砷化镓臂9形状的光刻胶，外延生长一层N+砷化镓作为热电偶砷化镓臂，形成热电偶砷化镓臂9的形状和欧姆接触区，反刻N+砷化镓，形成掺杂浓度为1017cm-3的热电偶砷化镓臂9；
15)光刻：除去将要保留金锗镍/金的光刻胶；
16)溅射金锗镍/金作为热电偶金属臂8，其厚度为270nm，其中金锗镍与砷化镓形成欧姆接触；
17)剥离，得到热电偶的金属臂8；
18)涂覆光刻胶，蒸发一层0.3um厚的金层用作连接砷化镓臂9和金属臂8等的金属连线，去除光刻胶，BCE各留下两个热电偶引出极；
19)在集电极和基极的热电偶引出极上面生长一层二氧化硅绝缘层11，并化学机械抛光，在引出极位置做金属过孔7，淀积金属金引出至基极和发射极水平面；
20)淀积金属金将引出极如图2所示进行连接，留下两个电极作为塞贝克压差的输出极“+”和“-”电极。
21)将塞贝克电压“-”电极接地，“+”电极通过稳压电路和大电容16连接到放大器的电源；
22)通过连线，得到具有自供电功能的HBT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HBT管放大器包括具有热电转换功能的HBT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HBT放大管的基极，电阻R1和R2构成偏置，放大后的信号通过HBT的集电极输出。在传统的HBT的集电极、基极和发射极的金属电极层四周，制作一层二氧化硅层，进行电隔离，同时作为制作热电偶的基准面。在二氧化硅上面，制作36个由热电偶金属臂和热电偶砷化镓臂组成热电偶，用金线将其串联，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，输出稳定的直流电压，为HBT放大器提供电能，是为可持续的绿色能源。
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HBT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 (8)

1.一种面向物联网的具有自供电功能的HBT管放大器，其特征是：包括：具有热电转换功能的HBT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HBT放大管的基极，电阻R1和电阻R2分别为HBT放大管的基极的上下偏置，电阻R1的另一端接到VDD，电阻R2的另一端接地，HBT放大管的发射极通过电阻R3接地，HBT放大管的集电极通过电阻R4接到VDD，放大后的信号通过HBT放大管的集电极输出，HBT放大管的集电极通过隔直电容C2接负载电阻R5，负载电阻R5的另一端接地；所述具有热电转换功能的HBT放大管产生塞贝克电压，塞贝克电压的输出极“-”极接地，“+”极通过稳压电路和大电容充电电池接VDD。
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HBT管放大器，其特征是：所述具有热电转换功能的HBT放大管以半绝缘的砷化镓为衬底(1)，在衬底(1)上设有N+型砷化镓层的掩埋集电极(2)、N-型GaAs层的内集电区(3)、P型GaAs层的基区(4)、N型AlGaAs层的发射区(5)、N+型GaAs发射区接触层(6)、集电极(12)、基极(13)、发射极(14)；所述集电极(12)、基极(13)、发射极(14)的四周分别设有绝缘层(11)；所述集电极(12)、基极(13)、发射极(14)的四周的绝缘层(11)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(16)，“-”极接地；所述热电偶由热电偶金属臂(8)和热电偶砷化镓臂(9)通过金属连线(10)串联而成。
3.根据权利要求2所述的一种面向物联网的具有自供电功能的HBT管放大器，其特征是：所述绝缘层(11)的材质为二氧化硅。
4.根据权利要求2所述的一种面向物联网的具有自供电功能的HBT管放大器，其特征是：所述集电极(12)、基极(13)、发射极(14)的四周的绝缘层(11)上分别设有12个热电偶。
5.根据权利要求4所述的一种面向物联网的具有自供电功能的HBT管放大器，其特征是：所述集电极(12)、基极(13)、发射极(14)的左右侧各摆放4个热电偶，上下侧各摆放2个热电偶。
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HBT管放大器，其特征是：针对HBT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。
7.根据权利要求1或2所述的一种面向物联网的具有自供电功能的HBT管放大器，其特征是：输出的塞贝克压差连接到稳压电路和大电容充电电池，可以进行电能存储，通过检测存储电能的大小，从而检测耗散功率的大小。
8.根据权利要求1或2所述的一种面向物联网的具有自供电功能的HBT管放大器，其特征是：产生的塞贝克电压输出到稳压电路和大电容充电电池，输出稳定的直流电压，连接到放大器的电源，实现了自供电的和绿色能源的可持续。
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