CN113328707A - 射频放大器中的静电能和热能收集及自供电 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频放大器中的静电能和热能收集及自供电。在射频放大器中，输入端口Input或输出端口Output的PAD上出现静电时，静电电荷通过高频扼流圈传输到MEMS悬臂梁上，使悬臂梁与下方电荷存储器上极板出现电势差，悬臂梁被静电力拉下，静电电荷由此传输到电荷存储器上极板，电荷存储器将静电能转换为电能，向能量收集及其电源管理电路输出直流电压，完成静电能的收集。射频放大器工作时，所述的放置于MOS管源极和漏极周围的热电偶，用于收集射频放大器工作时产生的热能，并将热能转换为电能，输出至能量收集及其电源管理电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种射频放大器中的静电能和热能收集及自供电技术,属于微电子机械系统(MEMS)技术领域。
背景技术
ESD(Electro-Static discharge)的意思是“静电释放”，ESD是以研究静电的产生、危害及静电防护为主。因此，国际上习惯将用于静电防护的器材统称为ESD，中文名称为静电阻抗器。静电在多个领域造成严重危害。摩擦起电和人体静电是电子工业中的两大危害，常常造成电子电器产品运行不稳定，甚至损坏。静电防护工作是一项长期的系统工程，任何环节的失误或疏漏，都将导致静电防护工作的失败。在半导体集成电路中，从芯片的制造、封装、测试到使用的整个周期中，ESD现象都有可能对芯片造成伤害。当芯片的管脚与外界物体接触时，在纳秒级的时间内，流过管脚的电流可能高达几十安培，芯片内部的电压可能升高到几十甚至几百伏，如果没有ESD防护设备，静电释放造成的过高温度、大电流密度和过强电场很可能对芯片造成伤害。而在射频放大器中，由于ESD防护器件的引入了寄生电容等寄生效应，可能造成阻抗失配，因此为射频放大器设计ESD防护难度要更高。
在射频放大器中，由于使用的是A类放大器，热耗散是不可避免且又急需解决的问题。热电偶可以将射频放大器产生的热能转化成电能传输至能量收集及其电源管理电路，对射频放大器热耗散能量进行收集的同时解决了芯片上器件测试时，由于在封装前不能加载散热器其热耗散引起的发热对芯片带来的损害。因此，将产生的热能收集起来给射频放大器供电具有极其重大的意义。
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射频放大器中的静电能和热能收集及自供电。
发明内容
技术问题：本发明要解决传统的射频放大器静电释放防护将静电能通过电阻吸收而造成了因电阻发热系统温度升高问题，要达到的目标是避免会出现的热可靠性问题，对于静电能加以收集再利用，实现绿色能源的可持续性。
本发明要解决在射频放大器中，芯片上器件测试时，由于在封装前不能加载散热器而产生热耗散引起的发热对芯片带来的损害的技术问题。要达到的目标是将热耗散的能量收集起来给射频放大器供电。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种射频放大器中的静电能和热能收集及自供电，包括第一Input端口、第一Output端口、第一高频扼流圈L1、第二电感L2、第三电感L3、第四高频扼流圈L4、第一隔直电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六隔直电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、具有热-电转换的MOS管、第一MEMS悬臂梁、第二MEMS悬臂梁、电荷存储器、能量收集及其电源管理电路；外部信号通过第一Input端口输入，通过第一隔直电容C1输入到射频放大器的输入匹配网络，信号经射频放大器放大后通过第六隔直电容C6，再经第一Output端口向外部输出，第一高频扼流圈L1、第六高频扼流圈L6的作用均为阻隔高频信号，防止微波信号传到悬臂梁，当第一Input端口或第一Output端口发生静电释放，MEMS悬臂梁获得静电电荷，下层金属极板与悬臂梁间出现电势差，使悬臂梁受到静电力作用被拉下，静电电荷通过悬臂梁传输到电荷存储器，再由电荷存储器输出直流电压到能量收集及其电源管理电路完成静电能的收集；所述静电释放防护及其能量存储通过MEMS悬臂梁，进行静电释放保护的同时完成静电能的收集。热能收集方面，热电偶分布在MOS管源极和漏极周围，用于收集射频放大器工作时产生的热能，并将热能转换为电能，输出直流电压到能量收集及其电源管理电路进行热电能量收集。在进行芯片过热防护的同时实现了自供电。
进一步地：所述电荷存储器包括锚区底部TiN层，电荷存储器下极板，绝缘层，电荷存储器上极板，介质层，锚区金属柱，MEMS悬臂梁表面金属层，所述下极板设置于金属件绝缘体层上方，所述介质层设置在金属上下极板之间，所述下极板通过连线接地，所述上极板作为输出端向能量收集及其电源管理电路输出电荷。所述的具有热-电转换的MOS管，由热电偶和MOS共同构成。
更进一步地：所述MEMS悬臂梁包括悬臂梁表面金属层和锚区。其中：所述的悬臂梁表面金属层由最上层金属制成，横置于电荷存储器上极板上方，与上极板间存在空气间隙，所述的锚区与悬臂梁表面金属层形成连接，起支撑MEMS悬臂梁的作用，锚区由最下方一层TiN及其上方沉积的金属构成。所述的具有热-电转换的MOS管，热电偶分布在MOS管源极和漏极周围，用于收集射频放大器工作时产生的热能，并将热能转换为电能，输出直流电压到能量收集及其电源管理电路进行热电能量收集。
优选的：所述的能量收集及其电源管理电路的一个输入端与所述电荷存储器的上极板连接。所述的能量收集及其电源管理电路的另一个输入端与具有热-电转换的MOS管的输出端相连接。
优选的：所述两个MEMS悬臂梁横跨在电荷存储器上极板上方，且对称设置，分别通过第一高频扼流圈L1、第六高频扼流圈L6与第一Input端口和第一Output端口连接。
优选的：所述悬臂梁表面金属层上刻蚀有多个方形小孔，目的是方便释放牺牲层。
优选的：所述衬底为P型Si衬底。
优选的：热电偶由热电偶多晶硅半导体臂，金属铝半导体臂和金属钨互联通孔组成，兼容CMOS工艺。
优选的：热电偶分布在MOS管源极和漏极周围，热电偶金属臂尽可能靠近MOS管的热区，方便收集射频放大器工作时产生的热能。
有益效果：本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电的原理、结构简单，与标准CMOS工艺和MEMS表面微机械加工工艺兼容，利用标准CMOS工艺制备电荷存储器、具有热-电转换的MOS管和MEMS梁主体部分之后，将梁下方牺牲层释放即可；
本发明的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电，与传统的射频放大器静电释放防护将静电能通过电阻吸收而造成了因电阻发热系统温度升高不同，电荷存储器将静电能转换为电能，不但避免了会出现的热可靠性问题，而且对于静电能加以收集再利用，体现了绿色能源的可持续性；
本发明中的MEMS悬臂梁属于压控器件，减少了器件发热可能带来的损害；
本发明中的热电偶金属臂尽可能靠近MOS管的热区，热电偶可以将射频放大器产生的热能转换成电能传输至能量收集及其电源管理电路，对射频放大器热耗散能量进行收集的同时解决了芯片上器件测试时，由于在封装前不能加载散热器其热耗散引起的发热对芯片带来的损害。
附图说明
图1为本发明射频放大器中的静电能和热能收集及自供电的示意图；
图2为本发明射频放大器中的静电能和热能收集及自供电的俯视图；
图3为本发明悬臂梁和具有热-电转换的MOS管的Q-Q’向的剖面图；
图4为本发明悬臂梁和具有热-电转换的MOS管的P-P’向的剖面图；
图中包括：衬底(1)，外延层(2)，P阱(3)，N阱(4)，NMOS的源区(5)，NMOS的漏区(6)，隔离区(7)，PMOS的源区(8)，PMOS的漏区(9)，SiO2层(10)，硼磷硅玻璃层(11)，栅极(12)，热电偶半导体臂(13)，金属钨互联通孔(14)，金属件绝缘体层(15)，金属连接线(16)，热电偶金属臂(17)，锚区底部TiN层(18)，电荷存储器下极板(19)，PAD(20)，绝缘层(21)，电荷存储器上极板(22)，介质层(23)，锚区金属柱(24)，MEMS悬臂梁表面金属层(25)，能量收集及其电源管理电路(26)。
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、图2所示为一种射频放大器中的静电能和热能收集及自供电，包括第一Input端口、第一Output端口、第一高频扼流圈L1、第二电感L2、第三电感L3、第四高频扼流圈L4、第一隔直电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六隔直电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、具有热-电转换的MOS管、第一MEMS悬臂梁、第二MEMS悬臂梁、电荷存储器、能量收集及其电源管理电路。
如图1、图2所示，第一Input端口通过第一隔直电容C1接到射频放大器的输入匹配网络，同时通过第一高频扼流圈L1接到第一MEMS悬臂梁，第一Output端口通过第六隔直电容C6接到射频放大器的输出匹配网络，同时通过第四高频扼流圈L4接到第二MEMS悬臂梁；悬臂梁下极板19接地，悬臂梁上极板22与能量收集及其电源管理电路26输入端相连。
外部信号通过第一Input端口输入，通过第一隔直电容C1输入到射频放大器的输入匹配网络，信号经射频放大器放大后通过第六隔直电容C6，再经第一Output端口向外部输出，第一高频扼流圈L1、第六高频扼流圈L6的作用均为阻隔高频信号，防止微波信号传到悬臂梁，当第一Input端口或第一Output端口发生静电释放，MEMS悬臂梁获得静电电荷，下层金属极板与悬臂梁间出现电势差，使悬臂梁受到静电力作用被拉下，静电电荷通过悬臂梁传输到电荷存储器，再由电荷存储器输出直流电压到能量收集及其电源管理电路完成静电能的收集；所述静电释放防护及其能量存储通过MEMS悬臂梁，进行静电释放保护的同时完成静电能的收集。热能收集方面，热电偶分布在MOS管源极和漏极周围，用于收集射频放大器工作时产生的热能，并将热能转换为电能，输出直流电压到能量收集及其电源管理电路进行热电能量收集。在进行芯片过热防护的同时实现了自供电。
其中，射频放大器、MEMS悬臂梁、具有热-电转换的MOS管和能量收集及其电源管理电路制作在同一个Si衬底上。如图三和图四所示，选择P型Si作为衬底1，通过标准CMOS工艺和MEMS表面微机械加工实现射频放大器中的静电能和热能收集及自供电。在P型衬底上热氧化生长一层
的SiO2，作为衬垫氧化层10。在此之上采用化学气相沉积(CVD)沉积硼磷硅玻璃
作为硼磷硅玻璃层11。金属件绝缘体层15表面沉积一层TiN，形成TiN层18，作为悬臂梁的锚区。在金属件绝缘体层表面通过溅射工艺沉积第一层金属，金属的厚度为
通过反应离子刻蚀(RIE)刻蚀金属，形成电荷存储器的下极板19。沉积未掺杂SiO2的金属间电介质(IMD)材料，形成介质层23。通过RIE刻蚀金属，形成电荷存储器的上极板22。刻蚀形成接触孔并填充，形成锚区金属柱24。通过溅射工艺沉积顶层金属，金属的厚度为
作为MEMS悬臂梁表面金属层25。
本发明的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电制备方法如下：
1)准备硅基P型硅衬底，掺杂浓度为1015cm-3；
2)通过光刻，低压气相沉积SiO2填充隔离区；
3)通过离子注入，形成MOS管的P阱和N阱；
4)在800℃下热生长
的栅氧化层，再沉积多晶硅。多晶硅沉积完成后进行光刻，旋涂光刻胶，Mask光刻后采用干法刻蚀，形成MOS管的栅极和热电偶的半导体臂；
5)采用光刻和离子注入形成NMOS和PMOS的源区和漏区，MOS管形成。
6)采用CVD方法沉积硼磷硅玻璃(BPSG)，厚度为
7)通过CMP工艺对BPSG表面抛光处理，使其光滑；
8)通过溅射工艺沉积第一层金属，厚度为
通过反应RIE刻蚀金属，形成MOS管之间的互联和热电偶的金属导体臂；
9)采用CVD沉积未掺杂SiO2的金属件绝缘层，厚度为
10)通过溅射工艺沉积第二层金属，厚度为
通过RIE刻蚀金属，形成电荷存储器的下极板；
11)采用CVD沉积绝缘层材料，厚度为
通过溅射工艺沉积第三层金属，厚度为
通过RIE刻蚀金属，形成电荷存储器的上极板；
12)采用RIE干法刻蚀的方式获得垂直的侧墙，形成通孔。通孔表面沉积一层TiN，再沉积金属，与顶层金属形成连接，形成悬臂梁的锚区；
13)通过溅射工艺沉积顶层金属，厚度为
通过RIE刻蚀金属，形成PAD和悬臂梁的梁，以及悬臂梁表面金属层上用于释放的小孔，小孔的孔径为
14)用气体刻蚀释放牺牲层，形成空气间隙，制备完成。
区分是否为该结构的标准如下：
本发明的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电包括MEMS悬臂梁、电荷存储器、具有热-电转换的MOS管、热电偶、能量收集及其电源管理电路。输入或输出端口发生静电释放时，静电电荷被隔直电容阻隔，通过高频扼流圈传输到MEMS悬臂梁上，悬臂梁受静电力下拉，静电电荷传输到电荷存储器上极板。电荷存储器将静电能转换为电能，向电源管理电路输出直流电压。与传统的射频放大器静电释放防护将静电能通过电阻吸收而造成了因电阻发热系统温度升高不同，本发明不但避免了会出现的热可靠性问题，而且对于静电能加以收集再利用，体现了绿色能源的可持续性。热电偶金属臂尽可能靠近MOS管的热区，热电偶可以将射频放大器产生的热能转换成电能传输至能量收集及其电源管理电路，对射频放大器热耗散能量进行收集的同时解决了芯片上器件测试时，由于在封装前不能加载散热器而产生热耗散引起的发热对芯片带来的损害。
满足以上条件的结构即视为本发明的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电。
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)
1.一种射频放大器中的静电能和热能收集及自供电，其特征在于：包括第一Input端口、第一Output端口、第一高频扼流圈L1、第二电感L2、第三电感L3、第四高频扼流圈L4、第一隔直电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六隔直电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、具有热-电转换的MOS管、热电偶、第一MEMS悬臂梁、第二MEMS悬臂梁、电荷存储器、能量收集及其电源管理电路；信号从第一Input端口输入，通过第一隔直电容C1接到输入匹配网络，输入匹配网络接到MOS管的栅极，第一电阻R1和第三电阻R3分别为栅极的上下偏置，MOS管的源极通过第四电阻R4接地，MOS管的漏极通过第二电阻R2接到能量收集及其电源管理电路的输出，MOS管的漏极通过输出匹配网络接第六隔直电容C6，信号从第一Output端口输出，第一高频扼流圈L1接在第一Input端口和第一MEMS悬臂梁之间，第四高频扼流圈L4接在第一Output端口和第二MEMS悬臂梁之间，电荷存储器位于第一MEMS悬臂梁和第二MEMS悬臂梁下方；所述的电荷存储器将MEMS悬臂梁收集到的静电能转换为电能，传输至能量收集及其电源管理电路，解决了传统射频放大器静电释放防护将静电能量通过电阻吸收而造成了因电阻发热系统温度升高的问题，热电偶将具有热-电转换的MOS管工作时产生的热能转换为电能传输至能量收集及其电源管理电路，电源管理电路为射频放大器供电。
2.根据权利要求1所述的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电，其特征在于：所述具有热-电转换的MOS管包括衬底(1)，外延层(2)，P阱(3)，N阱(4)，NMOS的源区(5)，NMOS的漏区(6)，隔离区(7)，PMOS的源区(8)，PMOS的漏区(9)，SiO2层(10)，硼磷硅玻璃层(11)，栅极(12)，热电偶半导体臂(13)，金属钨互联通孔(14)，金属件绝缘体层(15)，金属连接线(16)，热电偶金属臂(17)，锚区底部TiN层(18)，电荷存储器下极板(19)，PAD(20)，绝缘层(21)，电荷存储器上极板(22)，介质层(23)，锚区金属柱(24)，MEMS悬臂梁表面金属层(25)，所述衬底(1)，外延层(2)，SiO2层(10)，硼磷硅玻璃层(11)，金属件绝缘体层(15)，绝缘层(21)，从下到上依次设置，所述下极板(19)置于金属件绝缘体层(15)上，绝缘层(21)位于电荷存储器下极板(19)和电荷存储器上极板(22)之间。
3.根据权利要求2所述的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电，其特征在于：所述具有热-电转换的MOS管还包括MEMS悬臂梁表面金属层(25)，锚区底部TiN层(18)，其中：所述锚区底部TiN层(18)置于金属件绝缘体层(15)上，锚区金属柱(24)生长在锚区底部TiN层(18)上，MEMS悬臂梁表面金属层(25)由左侧的锚区金属柱(24)支撑，右侧悬空，故称之为悬臂梁。
4.根据权利要求2所述的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电，其特征在于：热电偶多晶硅半导体臂(13)，热电偶金属臂(17)，金属钨互联通孔(14)构成的热电偶分布在MOS管源极和漏极周围，用于收集射频放大器工作时产生的热能，并将热能转换为电能，故称之为具有热-电转换的MOS管；热电偶金属臂(17)尽可能靠近MOS管的热区，使热电偶可以充分吸收MOS管工作时产生的热能，达到防止器件过热，保护器件的功能。
5.根据权利要求1所述的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电，其特征在于：能量收集及其电源管理电路(26)的输入与电荷存储器上极板连接，能量收集及其电源管理电路(26)可以将电荷存储器输出的直流电压和热-电转换的MOS管输出的电压转化为稳定的直流电压输出，从而给射频放大器供电。
6.根据权利要求1所述的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电，其特征在于：所述两个MEMS悬臂梁横跨在电荷存储器上极板(22)上方，且对称设置，分别通过第一高频扼流圈L1和第四高频扼流圈L4与第一Input端口和第一Output端口连接。
7.根据权利要求3所述的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电，其特征在于：为方便释放牺牲层，在MEMS悬臂梁表面金属层上刻蚀有多个方形小孔。
8.根据权利要求2所述的射频放大器中的静电能和热能收集及自供电，其特征在于：所述衬底(1)为P型Si衬底。
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