The invention discloses a thermoelectric conversion system based on Nanomaterials in three-dimensional integration. Mainly composed of thermoelectric conversion module and voltage conversion and storage circuit module, the thermoelectric conversion module is mainly composed of several thermoelectric components. Each thermoelectric component is composed mainly of thermoelectric layer and isolation layer in the vertical direction. A layer of isolation layer is set between two adjacent layers of thermoelectric layer, and the thermoelectric layer is set outside the thermoelectric layer. The layer isolation layer makes the top layer and the bottom layer of the thermoelectric component the isolation layer; the heat energy is converted to electric energy through the thermoelectric conversion module. The voltage conversion and storage module is used for voltage amplification and storage, voltage conversion and storage module output voltage. The invention is suitable for the heat acquisition and conversion of a specific small area hot spot on the chip. It can convert the heat energy into electric energy and use the energy collection form on chip to drive the other functional modules on the chip for energy circulation and reduce the energy consumption of the system. One
【技术实现步骤摘要】
一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统
本专利技术涉及一种三维集成电路中的热电转换系统,尤其是涉及以石墨烯二维材料作为热电材料的热电转换模块以及自启动的电压转换模块。本专利技术属于集成电路与系统电子设计领域。
技术介绍
在集成电路与系统低功耗、高性能和超小型化封装发展趋势下,三维集成电路系统级封装已被广泛认可为具有很大的应用潜力。然而芯片模块垂直堆叠的封装内部芯片互联技术也加剧了散热问题。芯片中不同模块里的晶体管工作会产生不规则的热点分布,热点和冷却点之间悬殊的温度差可以通过热电发生器转化成电能,如此有望实现芯片中能量的循环使用。热电转换基于ThomasJohamSeebeck在1821年发现的塞贝克效应。塞贝克效应描述了一种材料在一定温度差(ΔT)下产生电势差(ΔV)的能力,由该种材料的塞贝克系数S决定:S=ΔV/ΔT。热电材料的热电转换效率与它的热优值ZT有关:ZT=S2σT/k,其中S代表材料的塞贝克系数,σ是材料的电导系数,k是材料的热导系数,T是器件工作的绝对温度。ZT值越高,热电材料的热电转换效率越高,所以一种优秀的热电材料,其塞贝克系数和电导率需要大而热导率小。传统的热电发生器(ThermoelectricGenerator,TEG)由多个热电对串联构成,热电对由P型和N型热电材料构成两个脚,该两脚呈热并联电串联形态。以P型热电材料为例,热端空穴浓度较高,空穴从热端向冷端扩散,N型则相反。由此在两脚之间便会形成电势差。前期对于TEG的工作大多以体材料为热电材料,而在三维集成中,往往能形成几十微米数量级的极小热点,所以低维热电材料相比体材料更 ...
【技术保护点】
1.一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统,其特征在于:所述的热电转换系统
【技术特征摘要】
1.一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统,其特征在于:所述的热电转换系统主要由热电转换模块以及电压转换与储存电路模块组成,所述的热电转换模块主要由多个热电组件组成,多个热电组件串联连接;每个热电组件主要由热电层和隔离层沿垂直方向上交替层叠构成,相邻两层热电层之间均设置一层隔离层,且在热电层外设置一层隔离层,使得热电组件顶层和底层均为隔离层;每层隔离层均主要由导热绝缘材料制成,导热绝缘材料的端部替换为导电材料,并且上下相邻两层隔离层中的导电材料布置端部相反,每个热电层均采用四层封闭式石墨烯,上下相邻两层热电层形成一个P-N热电对;相邻两侧热电层之间通过两者之间的隔离层的导电材料导通,顶层隔离层中的导电材料和底层隔离层中的导电材料引出P-N热电对两脚之间由于塞贝克效应产生电压差,作为热电组件的电压输出。2.根据权利要求1所述的一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统,其特征在于:所述的热电组件中,上下相邻两层热电层中,一个为P型四层封闭式石墨烯,另一个为N型四层封闭式石墨烯;并且热电层的层数为双数,即每两个热电层形成一个P-N热电对,使得热电组件可具有多对P-N热电对。3.根据权利要求1所述的一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统,其特征在于:所述的P型四层封闭式石墨烯和N型四层封闭式石墨烯之间由导热绝缘材料SiO2隔离,在一端端部通过金属铜进行导电连接,形成封闭式结构。4.根据权利要求2所述的一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统,其特征在于:所述的电压转换及储存模块包括一个改进LC振荡器、二阶交叉耦合升压器升压器和充电电容,热电转换模块的输出电压分别连接到改进LC振荡器和二阶交叉耦合升压器,改进LC振荡器和二阶交叉耦合升压器相互连接,由改进...
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