CN108447876A - 射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器 - Google Patents
射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器,主要由衬底、水平放置的热电堆和散热金属板构成;其中,硅衬底的特定区域通过深反应离子刻蚀技术刻孔,作为上方第一氮化硅薄膜8的支撑结构和传热结构;热电堆的一端位于硅衬底上,另一端位于薄膜结构的中央;热电堆是由许多热电偶串联而成,而每个热电偶又由N型多晶硅纳米薄膜和P型多晶硅纳米薄膜构成,因多晶硅纳米薄膜的热导率远低于传统体材料,提高了器件的热电转换效率;两个半导体臂之间采用Au作为互联金属,同时制作了多个测试电极;在热电堆的上方,通过牺牲层释放制作出的空腔结构,空腔的上方为金属板,与热电堆之间隔有第二氮化硅薄膜。
Description
技术领域
本发明提出了一种射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器,属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
射频收发组件广泛应用于通信和雷达系统,是无线收发系统至关重要的组成部分,功率放大器作为发射环节的关键部件,其作用是将直流输入功率转换为一定量的微波输出功率,功率放大器的功耗决定了射频收发组件的功耗。因为转换效率有限,功率放大器在工作时有相当一部分能量以热能的形式耗散,不仅造成了收发组件的升温,影响了模块正常的工作,此外还造成了能量的浪费。采用基于纳米热电偶的热电式能量收集器,因量子限制和声子散射效应,热电转换效率较高;可对射频功率放大器工作中耗散的热能进行收集,不仅提高能量的使用效率,减少能量的浪费。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器,微型能量收集器的热电堆为多晶硅纳米薄膜,并通过刻蚀热电堆下方衬底和释放牺牲层形成空腔等方式,实现热电堆冷热两端的热绝缘,提高了器件的热电转换性能。
1.技术方案:为解决上述技术问题,本发明提出了一种射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器,该微型能量收集器主要由衬底、水平放置的热电堆和散热金属板构成;其中,硅衬底的中央区域被去除,周围部分作为上方第一氮化硅薄膜的支撑结构和传热结构;热电堆的一端位于硅衬底上,另一端位于薄膜结构的中央,有效实现了热电堆冷热结点之间的热绝缘;热电堆是由许多热电偶串联而成,热电偶采用多晶硅纳米薄膜,因量子限制和声子散射效应,多晶硅纳米薄膜的热导率远低于传统体材料,提高了器件的热电转换效率;两个半导体臂之间采用金(Au)作为互联金属,同时制作了多个测试电极;在热电堆的上方,通过牺牲层释放制作出的空腔结构,空腔的上方为散热金属板,与热电堆之间隔有第二氮化硅薄膜以实现绝缘。
微型能量收集器的工作原理如下:当在能量收集器的冷热端施加一定温差,热量会从热端面注入,经过热电堆后,最后从冷端面排出,并在器件上形成一定的温度分布;由于热电堆存在一定的热阻,在热电堆的冷热结点之间会产生相应的温差,根据塞贝克效应,热电堆的两端会输出与温差成正比的热电势,连接负载后可实现功率输出。
该微型能量收集器用于射频收发机中,器件的一面贴于射频收发机的功率放大器或者微处理器等高功耗模块的上方,作为热端,另一面与散热器相连,作为冷端,实现散热;工作时,射频收发机产生的热量通过微型能量收集器后,再由散热器交换到周围环境中;器件可将冷热两端的温差转换为电能,收集的能量通过DC-DC转换模块后,被存贮在可充电电池中,可为布置在射频收发机周边的各种无线传感节点供电
有益效果:本发明相对于现有的能量收集器具有以下优点:
1.本发明的微型能量收集器工艺上采用成熟的CMOS工艺和MEMS工艺制造,优点有体积小、成本低、可批量制造,以及能够和微电子电路实现单片集成;
2.微型能量收集器采用混合型结构,即热流路径垂直于芯片表面,而电流路径平行于芯片表面,垂直于芯片表面的热流路径简化了能量收集器的封装,而位于芯片平面内的热电堆,可采用IC兼容工艺制作,具有较高的集成密度和较大的输出电压密度;
3.因量子限制和声子散射效应,多晶硅纳米薄膜的热导率远低于传统体材料,提高了微型能量收集器的热电转换效率;
4.热电式能量收集器为固态能量转换器,没有可动部件,可靠性高,使用寿命长,无需维护,工作时不会产生噪音;
5.微型能量收集器的所有电极均在同一平面,避免了类似过孔的复杂电学连接。
附图说明
图1为本发明射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器的应用示意图;
图2为本发明射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器的俯视结构示意图;
图3为本发明电极制备完成后的俯视结构示意图;
图4为本发明射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器的A-A’向剖视图。
图中包括:微型能量收集器1,散热器2,射频收发机3,DC-DC转换模块4,可充电电池5,无线传感节点6,衬底7,第一氮化硅薄膜8,N型多晶硅纳米薄膜9,P型多晶硅纳米薄膜10,互联金属11,第二氮化硅薄膜12,金属板13,测试电极14。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参见图1-4,本发明提出了一种射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器,该微型能量收集器1主要由衬底7、水平放置的热电堆和散热金属板13构成;其中,硅衬底7的中央区域通过深反应离子刻蚀技术刻孔,作为上方第一氮化硅薄膜8的支撑结构和传热结构;热电堆的一端位于硅衬底7上,另一端位于薄膜结构的中央,有效实现了热电堆冷热结点之间的热绝缘;热电堆是由许多热电偶串联而成,而每个热电偶又由N型多晶硅纳米薄膜9和P型多晶硅纳米薄膜10构成,多晶硅纳米薄膜的厚度为1-100nm,因量子限制和声子散射效应,多晶硅纳米薄膜的热导率远低于传统体材料,提高了器件的热电转换效率;两个半导体臂之间采用Au作为互联金属11,因为热量皆由热电堆的热端传递到冷端,所以热电偶在传热学上并联,电学上串联;为了方便测试和避免局部偏差导致整个器件的失效,微型能量收集器1制作了多个测试电极14;在热电堆的上方,通过牺牲层释放制作出的空腔结构,进一步增强了冷热两端之间的热隔离;微型能量收集器1的冷端通过一块金属板13有效地实现了散热,增大了热电堆与周围环境的热耦合,金属板13材料为铝(Al),与热电堆之间隔有第二氮化硅薄膜12以实现绝缘;由于热流路径垂直于芯片表面,便于器件在应用中的封装。
微型能量收集器1的工作原理如下:当在能量收集器的冷热端施加一定温差,热量会从热端面注入,经过热电堆后,最后从冷端面排出,并在器件上形成一定的温度分布;由于热电堆存在一定的热阻,在热电堆的冷热结点之间会产生相应的温差,根据塞贝克效应,热电堆的两端会输出与温差成正比的热电势,连接负载后可实现功率输出。
该微型能量收集器1用于射频收发机3中,如附图1所示,器件的一面贴于射频收发机3的功率放大器或者微处理器等高功耗模块的上方,作为热端,另一面与散热器2相连,作为冷端,实现散热;工作时,射频收发机3产生的热量通过微型能量收集器1后,再由散热器交换到周围环境中;器件可将冷热两端的温差转换为电能,收集的能量通过DC-DC转换模块4后,被存贮在可充电电池5中,可为布置在射频收发机3周边的各种无线传感节点6供电。
本发明的射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器的制备方法如下:
1)选择硅片作为衬底7,并在氢氟酸溶液中浸泡,去除金属颗粒等杂质;
2)采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺淀积第一氮化硅薄膜8,厚度为0.2μm,作为电学绝缘层;
3)采用低压化学气相淀积(LPCDV)工艺生长一层厚度为1-100nm的多晶硅纳米薄膜;
4)分别对多晶硅纳米薄膜相应区域进行N型磷离子掺杂和P型硼离子掺杂,接着进行光刻,以厚光刻胶作为掩膜板进行干法刻蚀,分别形成N型多晶硅纳米薄膜9和P型多晶硅纳米薄膜10;
5)蒸发一层厚度为0.2μm的金层,剥离法成型,形成热电堆的互联金属11和测试电极14;
6)采用PECVD工艺生长第二氮化硅薄膜12,厚度为0.1μm,作为介质绝缘层和保护层;
7)旋涂一层厚度为3μm的聚酰亚胺,并光刻成型,作为牺牲层;
8)电镀一层厚度为1μm的金属Al,光刻成型作为器件的散热金属板13;
9)进行深反应离子刻蚀,去除特定区域下方的硅,形成薄膜结构;
10)超声清洗后,硅片放入丙酮10分钟,再立即放入乙醇10分钟,释放聚酰亚胺牺牲层,最后冲水并甩干。
区分是否为该结构的标准如下:
本发明的射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器,主要由衬底7、水平放置的热电堆和散热金属板13构成;其中,硅衬底7的中央区域通过深反应离子刻蚀技术刻孔,作为上方第一氮化硅薄膜8的支撑结构和传热结构;热电堆的一端位于硅衬底7上,另一端位于薄膜结构的中央;热电堆是由许多热电偶串联而成,而每个热电偶又由N型多晶硅纳米薄膜9和P型多晶硅纳米薄膜10构成,多晶硅纳米薄膜的厚度为1-100nm,量子限制和声子散射效应,多晶硅纳米薄膜的热导率远低于传统体材料,提高了微型能量收集器的热电转换效率;两个半导体臂之间采用Au作为互联金属11,同时制作了多个测试电极14;在热电堆的上方,通过牺牲层释放制作出的空腔结构,空腔的上方为金属板13,与热电堆之间隔有第二氮化硅薄膜12。
满足以上条件的结构即视为本发明的射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器。
Claims (2)
1.一种射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器,其特征是:该微型能量收集器(1)主要由衬底(7)、水平放置的热电堆和散热金属板(13)构成;其中,衬底(7)的中心区域被去除,周围部分作为上方第一氮化硅薄膜(8)的支撑结构和传热结构;热电堆的一端位于衬底(7)上,另一端位于薄膜结构的中央,有效实现了热电堆冷热结点之间的热绝缘;热电堆是由许多热电偶串联而成,制作了多个测试电极(14);在热电堆的上方,通过牺牲层释放制作出的空腔结构,空腔的上方为散热金属板(13),与热电堆之间隔有第二氮化硅薄膜(12)以实现绝缘;微型能量收集器(1)的热电堆是由N型多晶硅纳米薄膜(9)和P型多晶硅纳米薄膜(10)串联而成,多晶硅纳米薄膜通过外延技术生长而成,厚度为1-100nm。
2.根据权利要求1所述的一种射频收发机中的多晶硅纳米薄膜热电偶微型能量收集器,其特征是:微型能量收集器(1)的衬底(7)材料为硅,两个半导体臂之间采用Au作为互联金属(11)。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180824 |
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