CN1222747A - 热伏电源式固态开关 - Google Patents
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Abstract
一种热伏电源式固态开关,包括:一单晶硅基片,一MOS场效应晶体管,其栅极接受信号而控制输出端的负载;一热垫,以微加工技术制作于硅基片的局部区域;一薄膜加热电阻,制作于该热垫片上,作为开关的输入端;一热电堆,利用p－n接合结的半导体薄膜热电偶串联所形成,热电堆的输出端作为MOS晶体管开关元件的输入端;由输入端施以偏压,MOS场效应晶体管为导通状态;输入端不再施以偏压时,MOS场效应晶体管开关回复断路状态。
Description
本发明关于一种微电子及微加工技术制作的高转阻抗(transresistance)热伏电源式固态开关。
现今半导体式的固态开关在工业上应用十分广泛。此类固态元件具有：无接点、不跳火花与快速触发等优点。故用于大功率系统的启闭，十分安全且耐用，是近代工业电子不可缺少的元件。长久以来，使用最广的固态开关装置为可控硅二极管(SCR)及进一步将两可控硅SCR反并联(anti-parallel)而得到的三端双向可控硅开关TRIAC。
利用可控硅SCR作为大电流的触发开关有如下缺点：(1)可控硅的输入与输出端的转阻抗小，因此两端无法完全隔离。若输出端具有高电压时，即有可能引起输入端电路的崩溃；(2)可控硅元件触发后具有锁定(Latch-up)特性，一但触发导通后即不息止，除非将阳极与阴极间的电压归零，或在栅极注入一逆向电流方能切断。此点与传统的机械式开关所具有的高转阻抗特性，即输入与输出间电气隔离状况不同，可控硅的使用有本质上的缺点。
为了达到如传统机械式开关的功能，且具有“无接点不跳火花”的优点，最近数年来另有一种新型的光电耦合式固态开关装置，目前其使用量与日俱增。此装置输出端的电力驱动功能是由常态断路(normally off)的高压、高功率MOS晶体管执行。由于MOS晶体管具有双向导通功能，且其栅极的输入阻抗又非常大，因此在隔离(isolation)性能上与传统机械式开关十分类似。若要驱动此装置为导通状态，仅须在栅极施加一启动电压(threshold voltage)即可，就功率MOS晶体管而言，此值约为3伏特。由于MOS晶体管具有相当大的输入阻抗，因此驱动此元件的电流及功率需求皆十分小，仅须将MOS晶体管输入端的微小栅极电容予以充电即可。当驱动的外加电位去除时，栅极电荷可经由漏电而消失，此时MOS晶体管即回复“断路”状态，如同机械开关的作用。又MOS晶体管为双向导通元件，在适当的组合下，可用于交流电功率的负载。
为达到此MOS功率晶体管的触发导通，必须有一电路可产生足够的起始电位差，并施于栅极与接地的漏极间。此电路尚必须在其输入与输出端具有极高的电气隔离，以避免如上述可控硅SCR的缺点。目前普遍采用的方法是利用二极管光电池的“光伏作用”(photovoltaic effect)达成，如图1所示。图中在MOS功率晶体管的栅极G前方设有一串联的硅质光二极管(siliconphotodiode)。此串联二极管受其上方一发光二极管LED照射，因而可产一光电压。就硅二极管而言，一般此光电压约在0.3～0.6伏特间，故十数个硅二极管串联的结构即可产生大于高压MOS晶体管的启动电压(约为3伏)的驱动电压，而使此元件导通。此种光电耦合形式的“光伏电源”(photovoltaic generator,PVG)关闭，其作用与通讯电子用的光耦合器(photo-coupler)或光电隔离元件(opto-isolator)类似；因发光二极管与硅二极管之间并无电路的直接连接，故其具有极大的转阻抗。此种以光为耦合介质的光伏电源开关能在发光二极管端，以极小的光功率驱动MOS输出端的高压、高电流的负载(图1中的R)，且不致引发输入端的电崩溃。目前它是一种新型且优良的固态功率电子开关，可参看目前各制造公司的产品目录。
但是，此种“光伏电源”驱动的MOS功率开关在“切断”之初，即当发光二极管的光源关掉时，MOS晶体管的栅极电容CG(一般约120pf)上有已存在的电荷，此电荷必须漏除，方能达到切断的功能。但此时二极管是在负偏压的高阻抗状态下进行，因而电荷不易泄出，造成MOS晶体管无法立即反应成断路状态。作为电力开关而言，此种延时切断效应十分不利。为克服此缺点，目前的“光伏电源MOS开关”(PVG switch)在栅极与光电池的输出端之间需要设计一泄流电路以缩短切断的反应时间，如图2所示一例的虚线方块S。此种泄流电路不仅因其元件面积与制程的复杂性而增加了成本。另外，更需增加光伏感应功率来驱动，这必须增加输入端发光二极管的数目，或增加光电池的晶体面积来补充，因而亦使成本增加。如此使发光二极管的光线要均匀地照射于光电池表面增加困难。
又如图3A所示，此光伏电源的固态开关在封装结构上，发光二极管与光电池两元件必须彼此面对以达到直接的光耦合作用。故它较一般平面封装的IC结构，如图3B所示，复杂许多，因此封装的成本亦较高。另外，两元件之间的封装树脂必须对发光二极管波长的光透明，否则将无光耦合作用。对目前的IC用树脂材料而言，必须利用波长900nm左右的红外线发光二极管为光源才能透明；而且这时廉价的硅光电池在此段光谱亦有较高的光电转换效率。但此点在制作硅质光电池时又导致如下缺点。
由于光伏电源开关所使用的各硅质光二极管元件必须串联，才能累积足够的光伏电压(～3V)来驱动功率MOS晶体管。这在硅晶片上制作时有其困难。原因在于：(1)各二极管必须具有完善的电气隔离方有串联效果，否则会引起漏电，降低感应电压及电流；(2)单晶硅对波长900nm光的吸收长度(absorption length)相当大，因此，在硅晶片上的光二极管必须具有深的接合面(deep junction)才能提高光电效率，元件之间的隔离因而必须更深。这种深层隔层在一般硅晶片上制作较为困难。为达到此目的，在目前的商品中，有利用绝缘单晶硅(SOI,Silicon-on-Insulator)的晶片制作以完成元件间的隔离功能，如图4所示的结构。但SOI的晶片价格较一般硅单晶片昂贵，且其制作程序较复杂。此外，绝缘层上硅的厚度亦无法增加太多，造成V型沟槽过深而不易补平，结果此种较小的厚度造成光吸收率降低。
总之，光伏电源的功率MOS固态开关装置目前虽已实用化，但如上所述，在元件的材料、制作、封装结构所造成的缺点，皆令其成本昂贵，或有不可忽略的缺点。
本发明的目的在于提供一种成本低廉的固态开关。
为达到上述目的，本发明采取以下措施：
本发明的原理是根据热电转换(thermoelectric transducing)的物理效应，以热耦合作用取代上述光电效应的光耦合作用，达到高转阻抗特性。
本发明利用一半导体薄膜结构所形成的热电偶堆(thermopile，以下称热电堆)，产生足够的热电电压(thermoelectric voltage)，以驱动MOS晶体启闭，作为固态电子开关功能。该驱动热电电压的产生是利用邻近热电堆的一加热用薄膜电阻所释出的焦耳热，使热电堆的冷、热接点间产生足够的温差所致。这些元件皆置于同一硅晶片上，而加热电阻与热电堆的热接点则置于以微加工技术形成的热垫上，且具有高隔热效果。
本发明的热伏电源式固态开关主要包括：一硅基片基座、一热垫、一薄膜加热电阻及一热电偶堆(以下简称热电堆)等。其中：该热垫以微加工技术制作浮板(membrane)悬浮硅基片的局部区域上，作为热隔离之用。该薄膜加热电阻的制作于该热垫区内，亦为开关装置的输入端。该热电堆是利用半导体薄膜制作，形成含复数个串联电偶的结构。该等热电偶的热接点位于该热垫区内且邻近于该薄膜加热电阻，而其冷接点则位于远离该热垫的未悬浮基片区。该热电堆的两端作为MOS元件开关的输入端。
当由该加热电阻的输入端施与偏压，使其产生焦耳热时，此热流向基板区，使得该热电堆因为不匀匀的热分布而在冷却接点间产生适当的温差，故可在该热电堆两端产生一热电动势，此电动势使与该热电堆串接的MOS晶体管得以被触发，而成为导通状态。但当输入端不再施与偏压，冷热接点会因热平衡原理而回复相同温度，该热电堆的输出端所呈现的热电电位即回归为零，因而使该MOS晶体管回复断路状态。
本发明的一种热伏电源式固态开关，包括：
一单晶硅基片；其特征在于：
一MOS场效应晶体管，其栅极接受信号而控制输出端的负载；
一热垫，以微加工技术制作于硅基片的局部区域；
一薄膜加热电阻，制作于该热垫片上，作为开关的输入端；
一热电堆，利用p-n接合结的半导体薄膜热电偶串联所形成，该等热电偶的热接点位于热垫上且邻近于薄膜加热电阻处，并具有足够的电气绝缘强度的间距，其冷接点则远离热垫的基片区而恒等温于基片，该热电堆的输出端作为MOS晶体管开关元件的输入端；
由输入端施以偏压，使加热电阻产生焦耳热时，热电堆的冷热接点间由不均匀的热分布产生适当温差，并在热电堆的两端感应一热电动势，此电动势足以使其衔接的MOS场效应晶体管触发而成为导通状态；输入端不再施以偏压时，热电堆的冷热接点回复相同温度，使热电堆的感应电动势消失，MOS场效应晶体管开关回复断路状态。
所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述加热电阻与热电堆为单晶片式元件，加热电阻与热电堆间具有完全电性隔离及极高的转阻抗特性。
本发明的固态开关装置具有下列效果：(1)固态开关装置在输出与输入两端间是以热为耦合介质，故具有完全的气隔离，亦即有极高的转阻抗功效，因而可利用极小的输入电压控制极大输出电压与功率的电力装置；(2)固态开关装置是微加工制作的单晶片结构，故能以半导体制程做批量生产，远优于传统机械式开关的单体生产方式；(3)固态开关装置在“开关”状态时，不需使用目前的“光电耦合MOS固态开关”所必备的电荷漏电电路，因而可减少元件的占用面积；(4)固态开关装置的输入端用以驱动加热电阻，可任意设计为高或低的输入电压，不似光电耦合开关必须为固定的低电压来驱动发光二极管；(5)该固态开关装置的封装，亦可利用传统标准“并排封装”(dual-in-line,DIP IC)结构，因此较光耦合开关的立体封装技术更为简单且成本更低。
附图说明：
图1为光电耦合作用的“光伏电源固态开关”的示意电路。
图2为光伏电源MOS开关的断泄电路的一实施例。
图3A为光伏电源开关的立体封装结构的示意图。
图3B为传统IC的DIP平面封装结构。
图4为以绝缘单晶硅SOI晶片制作的光伏电源开关。
图5A～图5D表示本发明的热伏电源式固态开关的示意图；其中图5A为俯视图；图5B为侧视图；图5C为立体图；图5D为利用本发明以驱动MOS晶体管Q的功能示意图。
图6表示悬浮式热垫装置；
图7表示非悬浮式热垫装置；
图8A及8B为具有悬浮式热垫的热伏电源式固态开关的封装示意图，其中图8A为金属罐(TO metal-can)封装方式；图8 B为并排(DIP)封装方式；
图9为具有非悬浮式热垫的热伏电源式固态开关的封装示意图。
结合较佳实施例及附图详细描述本发明如下：
如图5A～图5D所表示，其为本发明的热伏电源式固态开关的示意图。参考图5A，其中所示的r元件为一薄膜加热电阻，其两端ii’为本发明的固态开关的输入端。当通以电流至此输入端即可产生焦耳电热，并使其周围附近产生局部的温升。此电热元件座落于一个T区内。该区是在硅基片S(图5B)上制作的一局部性热垫板M，用以增加该区的热绝缘性能，而达到上述优良的温升效果。在图5中，热垫是利用块体微加工技术(bulk micromachining)的背面异方性蚀刻(back-side anisotropic etching)，达到悬浮薄板M(图5B)结构，其细节将于后文再述。当热垫上的电热功率P向较冷的基片区S(图5B)流散时，因有一相当的热阻(thermal resistance)居间，使热垫与基片间有效率地产生一温差。此外，图5A中，有由a及b两材料构成的数个薄膜热电偶(thermo-couple)所串联形成的热电堆(thermopile)。此热电堆的热接点(hot junctions)h比邻于上述热电阻r，且设置在热垫区T上，故其温度与加热电阻的温度相近；而此热电堆的冷接点(cold junction)c则设置在未悬浮基材部s，且远离热垫区。由于冷接点紧贴于硅基片上，散热十分快，故其温度与基片的温度，即室温，基本上一致。由此结构可了解，在ii’端输入电功率后，基片上的热分布即不均匀，在冷热两接点之间可具有一预设的温差。此温差因而可在热电堆的输出端oo’产生一串联累积的热电动势。如图5D所示，此电动势跨接于功率MOS晶体管Q的栅极与漏极(接地)间，可用以推动晶体管成导通状态，其功能与上述固态光电开关的光伏电源相似。但必须强调，就产生此电位差的物理基础与工程技术而言，两者完全不同。一种是利用光作为耦合媒介，另一种则是利用热作为媒介。当输入的电功率去除时，热垫上的温升即开始降低，回复与冷接点及室温一致。此时热电动势亦同步消失，致使常态断路的MOS晶体管回复“切断”状态。此为本发明的固态开关装置所依据的基本原理，换言之，根据焦耳热(Joule＇s heating)-热电(thermoeectricity)两效应达成的热耦合方式可产生推动MOS晶体管启闭所需的致动能量，作为固态电子功率开关的功能，它具有如下优点；
(1)由于加热电阻r与热电偶堆两元件间是由二氧化硅或氮化硅等优良的电气绝缘材料隔离，故其间并无电气的直接耦合或连接。仅依赖热量为耦合的媒介，故本发明的固态开关装置具有非常高的转阻值，如目前光伏开关所具有的优点；
(2)由于热电堆是电阻性材料所制作的薄膜元件，虽然其串联后的薄膜电阻在实际制作时可能达到约100KΩ，但与光二极管逆向阻抗一般达1012Ω以上相较仍然十分微小。若一般大型功率MOS的栅极电容CG保守地以电容量约150pf计，则所形成的RC电路充放电的时间常数仍在数十微秒范围。因此，本发明的固态开关装置的栅极电荷的泄电速度仍然非常快速。
由此可了解：本发明的固态开关装置无需具备前述光伏电源开关的泄流电路与相关的消耗功率；制程亦较简单，可完全利用半导体技术实施，且面积亦可减少，功能及成本皆较光电开关有改进。
实际上，控制本发明的固态开关装置的启闭速度，乃在于该开关装置的升温与降温的热时间常数。此热时间常数受该开关装置上，热垫的热容值H与热垫上热流往基片或周围的热阻Z，两者的乘积H*Z所决定。应用集成电路IC技术制作时，热垫的尺寸可十分微小，均在数毫米范围，其热容十分小。在适当的热阻设计下，由经验可知，此热时间常数可在0.1至1毫秒之间或更小。故本发明的固态开关装置具有较传统机械式开关的启闭速度(约1.25毫秒)更为快速，与光伏电源开关的速度相比亦不相上下，故具实用价值。
如前所述，由于MOS晶体管的输入电阻十分大，因此驱动其导通所需的功率与电流皆非常小，其栅极电压几乎等于热电堆感应的热电动势。有关热电偶堆所需产生的电动势，用以推动功率MOS晶体管，可由如下公式计算：
emf=αab*N*△T=m*Vth (1)其中，
emf为热电堆产生的电动势；
αab为a与b两热电偶材料所构成的Seebeck系数或称热电(thermoelectricpower)差值；
N为热电堆的热电偶对数；
△T为冷热接点的温差；
Vth为MOS晶体管的启动电压；
m为一安全系数，其值至少应较1略大；又依付利叶热流定律(F oruier＇s law)，相对于基片温度或环境温度的温升为：
△T=P·RT
=i2·r·RT=i·V·RT (2)其中
r为电热元件的电阻值；
P、i及V分别为输入的电热功率、电流及电压；
RT则为该电阻至基片间的热阻(℃/W)。由前(1)、(2)二式可知，所必须具备的热电偶对数为：
N=m·Vth/αab.△T=m·Vth/αab·i2·r·RT=m·Vth/αab·i·y·RT (3)
一实施例如下：假设本发明的固态开关装置的各参数如下：
RT=103℃/W；i=5mA；
V=10伏；αab=200μV/℃(如Bi-Sb金属性热电偶)；
Vth=3伏；m=1.5；
则本例所需的热电偶对数为：
N=1.5×3/200×10-6×5×10-3×10×103=450故知需要制作450对串联热电偶的热电堆。若每对为线长300μm(微米)、线距(spacing)线宽(line width)为10μm，则每对电偶周距(pitch)为40μm，故共需元件的活性面积(active are)约为：
0.3×0.04×450mm2=5.4mm2(1mm=1000μm)。
若加上加热电阻所必须占据的线垫(bonding pad)及边缘面积(以400μm宽及1000μm长计)，约0.4mm2，则本发明的固态开关装置，不含MOS功率晶体在内时不超过6mm2。此面积较前述光伏电源开关尺寸小了甚多，且可利用一般硅元件的标准制程实施单晶片结构，成本较前述光伏开关的SOI制程及材料均低廉。
此例中，元件的温升：
△T=P·RT=5×10-3×10×103=50 (℃)此温升加基片温度(室温)即为热垫上的温度，其值应在100℃以下，不会破坏元件及封装材料的热安定性。
若以多晶硅半导体来制作p与n接合(p-n junction)的热电偶，则其塞贝克Seebeck(温差电动垫)系数αab可高达1～2 mV/℃上下，为Bi-Sb电偶材的5倍。若其它条件与上例相同，则本热电堆的对数N可降至90对以下，这将使制作的元件更加缩小至2mm2以下。或者，若仍保持同于上例的450对，则元件热垫的温升仅需10℃上下即足，输入端的电流将亦可降至1mA的程度。此点较光伏电源开关利用发光二极管工作时，正常所需要的20mA小了许多。
有关本发明的固态开关装置的制作，其中加热薄膜电阻可以利用任何耐热性金属，如钛、钨等；或具有较低电阻的铝材；或利用较高电阻的多晶硅材料。这些材料皆为目前半导体微电子元件制作上所习用，故可完全与标准的IC制程匹配。另外有关热电堆的制作，除可利用传统“热电偶堆感测元件”所用的“半金属”材料，如前提及的Bi、Te、Sb等外，亦可利用多硅制作p与n接合的半导体式为热电偶。多晶硅的电偶材料除有前述灵敏度达1～2mV/℃上下的热电功率外，更可与标准IC制程完全匹配。这些制作技术为目前习知的技术，如S.Middelhoek及S．A.Audet氏所著的书“Silicon Sensors”中即有详细说明，传统上用来制作热辐射微感测元件，故本发明的固态开关装置无制作上的困难。
综而言之，由以上说明可知，本发明的“热伏式固态开关”不仅具有“光伏式固态开关”高转阻功能，而且制作面积亦较小，制程较简单，更因驱动与反应元件皆在同一硅晶片平面上形成，故元件封装可简化为以低成本的标准平面式封装结构实施，如图3B所示。
如上述为了增加热电偶堆的灵敏性，在基片上的局部区域必须具有足够良好的热垫，以便安置热电堆的热接点及加热电阻。本发明的开关装置的热垫主要可藉由以下两种结构来实施：第一种为悬浮薄板的结构；另一种为非悬浮式结构。第一种结构是在硅基片上形成局部悬浮的硅薄板或玻璃板，加热电阻及热接点可制作于此薄板上。这种结构具有十分优良的热阻特性，对前述实施例所述的面积5.4mm2而言，热阻抗在一大气压下可达104℃/W上下，若施以真空封装抑除气体的导热，则其值更可达105℃/W上下；第二种结构是在硅基片上制作隔热性良好的氧化物垫层，此垫层与基片相紧贴，故热阻较前类悬浮性结构低，但至少约100℃/W，此时元件的密度必须提高，但制作及封装却较悬浮式简易。
悬浮薄板结构的制作方法有许多种，其中之一如图6所示。它是利用背面异方蚀刻(back-side anisotropic etching)的技术去除浮板下方部份的硅材而形成。被留下的可为高浓度渗硼(＞5×1019)的硅板其上具有二氧化硅绝缘层；或无应力的氮化硅板，如申请人曾发表的论文(A method offabricating a thin,and low-stress dielectric film for microsensorsapplications,Proceeding of Eurosensors X,pp.287～290,Sep.8～11,1996,Belgium)及专利(台湾专利申请号码：85109746)。另外，尚有许多形成悬浮薄板的微加工技术，均可使本发明所需的热垫实用化，此等技术为本领域人士所习知，在此不加详述。
有关非悬浮式热垫结构可参考图7所示的一示意例：其是以习知的电蚀方式在硅基片上形成局部厚层约数十微米的多孔硅(porous silicon)层(图7中的P区)，它具有与二氧化硅相当的低热传导率及高氧化速率的特性，此多孔硅的形成为目前习知的半导体微加工技术，是将浓度高于1016/cm3的P型硅半导体单晶片于氟酸溶液中作电蚀(electro-etching)，形成如蚯蚓穴状的多孔硅结构于表层。在多孔硅层形成后，可另在其上做局部性快速氧化，产生约数微米的玻璃层，以便形成热性与电性皆隔离于其下多孔硅基片的局部热垫，此局部性多孔硅即是图5A中的T区，用以提供与电热阻及热电堆元件的设置。
非悬浮式的热垫亦可以耐高温的聚酰亚胺(polyimide)材料涂布数微米于热垫上，而在其上制作加热电阻及热接点。聚酰亚胺的导热为纯二氧化硅的1/5，或为硅元件的1/600，故热隔离效果十分优良，制作亦更简易。但其后的制程温度必须以低于约400℃以下的低温化学气相沉积术(LTCVD)实施，此点以目前的技术亦可达到，亦为习知技术。
如图8A及图8B所示为悬浮式热垫结构的两种元件封装方法：图8A所示是利用标准的TO金属罐(to-metal can)的封装技术。为了降低气体的热损，此结构亦可以真空封装(＜10-2Torr)的形式达到更高的热效率。(此点可参考申请人著作之一：High performance Pirani vacuum gauge，发表于Journal of Vacuum Science＆Technology A,vol.13,No.6,Dec.1995)；图8B所示者则是利用成本低廉的标准DIP封装技术，但是为降低元件上方与封装材料接触导致的热传导，元件本身可利用晶圆贴著(wafer bonding)技术，事先制作密封腔的结构，如图8B及C，使悬浮薄板可与封胶离而不接触。本法虽然较为复杂，但却具有另一优点：晶圆黏著技术可达到真空封腔的构造，而做到无气体热损的高热阻特性。此外，如图9所示，其为非悬浮式热垫结构的一种封装方法：其中与传统DIP封装方法不同处，是于晶粒黏著与焊线的步骤之后、与树脂射出成型步骤之前，在晶粒上加以覆盖隔热极为良好的硅橡胶(silicone rubber)的厚层，以抑制热垫上的热散失。用于电子方面的硅橡胶，其导热系数非常小，约为硅晶片导热系数的1/2400，亦约为IC封装成型的树脂1/10，此低传热性可防止热堆运作时热接点的热散失，使冷热接点间有足够的温差。以上所述的种种方法均为标准的IC封装设备足以完成，易于自动化大批量生产而达低成本，较图3A所示的光伏电源的固态开关所涉及的封装结构简易许多，此亦为本发明的固态开关装置的另一优点。
总之，本发明所述的单晶片式热伏电源固态元件，用以驱动MOS开关装置，不仅具有类似传统机械式以及光伏电源开关装置的高转阻抗特性，而且其中元件相关的制造步骤皆可利用标准的微电子制程，适合批量生产，所需的元件面积亦较小，又可用标准的DIP或TO金属罐结构实施晶片封装，故相较下成本较光伏电源式低甚多；同时，输入端的控制电功率又可较传统元件小，并且可设计适当的加热电阻值以适应不同状况的输入电流或电压，即直流或交流、高压或低压的输入信号。上述的多重优点使本发明的固态开关装置具有很强的实用价值。
在发明的详细说明中所提出的具体的实施例仅为了易于说明本发明的技术内容，而并非将本发明限制于该实施例中，在不超出本发明的构思及以下的权利范围下，可作种种变化实施。
Claims (15)
1、一种热伏电源式固态开关，包括：
一单晶硅基片；其特征在于：
一MOS场效应晶体管，其栅极接受信号而控制输出端的负载；
一热垫，以微加工技术制作于硅基片的局部区域；
一薄膜加热电阻，制作于该热垫片上，作为开关的输入端；
一热电堆，利用p-n接合结的半导体薄膜热电偶串联所形成，该等热电偶的热接点位于热垫上且邻近于薄膜加热电阻处，并具有足够的电气绝缘强度的间距，其冷接点则远离热垫的基片区而恒等温于基片，该热电堆的输出端作为MOS晶体管开关元件的输入端；
由输入端施以偏压，使加热电阻产生焦耳热时，热电堆的冷热接点间由不均匀的热分布产生适当温差，并在热电堆的两端感应一热电动势，此电动势足以使其衔接的MOS场效应晶体管触发而成为导通状态；输入端不再施以偏压时，热电堆的冷热接点回复相同温度，使热电堆的感应电动势消失，MOS场效应晶体管开关回复断路状态。
2、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述加热电阻与热电堆为单晶片式元件，加热电阻与热电堆间具有完全电性隔离及极高的转阻抗特性。
3、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述热电堆的热电偶是以具有十分优良的温差电动垫效应的多晶硅或非晶硅半导体材料形成的p-n结，并利用微电子制程在该硅基片上形成至少二对串联。
4、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述热电堆的热电偶材料是铋及锑，并利用微电子制程在所述硅基片上形成至少二对串联。
5、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述热垫悬浮于所述硅基片上、呈热隔离状的硅或氮化硅薄板，并在薄板上制作所述加热电阻与所述热电堆的热接点，在未悬浮的硅晶片区制作冷接点。
6、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述热垫是在所述硅晶片上部区域制作数十微米厚层的多孔硅，然后施以位置一致的局部性氧化步骤，在多孔硅表面形成二氧化硅层，使其上的加热电阻及热电堆与多孔硅间具有电与热皆隔离特性的非悬浮性热垫叠层。
7、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述封装方式以TO金属罐予以粘晶粒及焊线技术完成。
8、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述封装是在标准的IC引线框上实施标准焊晶及焊线工作，在所述开关上覆盖热隔离性的硅胶厚层，再以标准并排树脂作成IC模组。
9、根据权利要求7所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述TO金属罐封装的内腔在封配时予以抽气而达气压约10-3torr的真空状态。
10、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述热垫、薄膜加热电阻与热电堆与所述被驱动的MOS场效应晶体管合并在同一硅晶片上而成单晶片。
11、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述热垫、薄膜加热电阻与热电堆元件与所述驱动的MOS场效应晶体管元件分立，而以双晶粒的模组形式合并封装。
12、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，利用晶片粘合的方式形成微腔，以标准的并排树脂封装方式完成整体元件模组。
13、根据权利要求12所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，以真空晶片粘合技术完成微真空腔。
14、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述输入端加热电阻的驱动电源为直流电源。
15、根据权利要求1所述的热伏电源式固态开关，其特征在于，所述输入端加热电阻的驱动电源为交流电源。
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|---|---|---|---|
| CNB971218811A CN1167097C (zh) | 1997-12-16 | 1997-12-16 | 热伏电源式固态开关 |
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ID=5176513
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110610871A (zh) * | 2019-08-21 | 2019-12-24 | 中国科学院微电子研究所 | 一种金属栅温度测量方法 |
| CN110763358A (zh) * | 2019-10-23 | 2020-02-07 | 山东理工大学 | 基于温差电压场效应管传感装置与温度测量方法 |
| TWI718731B (zh) * | 2019-10-29 | 2021-02-11 | 國立中興大學 | 熱電單元以及具有該熱電單元及壓電單元的發電裝置 |
-
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