射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机制造技术

本发明专利技术的射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机，主要由衬底、水平放置的热电堆和散热金属板构成；其中，硅衬底的中央区域通过深反应离子刻蚀技术刻孔，作为上方二氧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；热电堆是由许多热电偶串联而成，具有多个输出电极，而每个热电偶又由N型多晶硅纳米线热电偶臂和P型多晶硅纳米线热电偶臂构成，热电偶臂上包含多列多晶硅纳米线，不同列之间采用纳米线支撑结构作为连接；在热电堆的上方，通过牺牲层释放制作出的空腔结构，空腔上方的金属板与热电堆之间隔有氮化硅薄膜。

【技术实现步骤摘要】
射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机
本专利技术提出了一种射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机，属于微电子机械系统(MEMS)的

技术介绍
微型热电式发电机可以将热能直接转换为电能，可以为各种低功耗的电子器件或电路供电，例如用于环境监测的无线网络传感节点。为了提升热电式发电机的输出功率和转换效率等性能参数，改善热电材料的品质因数非常关键。由于存在着量子限制和声子散射效应，多晶硅纳米线的热导率远小于传统的体材料，从而提高了品质因数，可用于制作高性能的热电式发电机，应用在射频收发机中的功率放大器等存在充足热源的场合。
技术实现思路
技术问题:本专利技术的目的是提供一种射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机，热电式发电机的热电堆采用多晶硅纳米线结构，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。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机。其结构主要包括衬底、水平放置的热电堆和散热金属板构成；其中，硅衬底的中央区域通过深反应离子刻蚀技术刻孔，作为上方二氧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，而每个热电偶又由N型多晶硅纳米线热电偶臂和P型多晶硅纳米线热电偶臂构成，热电偶臂上包含多列多晶硅纳米线，不同列之间采用纳米线支撑结构作为连接，提高结构的稳定性与可靠性；两个半导体臂之间采用金(Au)作为热电堆互联金属，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，热电式发电机制作了多个输出电极；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；热电式发电机的冷端通过一块金属板有效地实现了散热，增大了热电堆与周围环境的热耦合，金属板材料为铝(Al)，与热电堆之间隔有氮化硅薄膜以实现绝缘；由于热流路径垂直于芯片表面，便于器件在应用中的封装。微型热电式发电机的工作原理如下：当在发电机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。该微型热电式发电机用于射频收发机中，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热电式发电机后，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：本专利技术相对于现有的发电机具有以下优点：1.本专利技术的微型热电式发电机工艺上采用成熟的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.微型热电式发电机采用混合型结构，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器件的封装，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.热电式发电机为固态能量转换器，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；4.微型热电式发电机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。5.热电偶采用多晶硅纳米线，因量子限制和声子散射效应，多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电式发电机的热电转换效率；附图说明图1为本专利技术射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机的多晶硅纳米线热电偶臂结构示意图；图2为本专利技术射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机的俯视结构示意图；图3为本专利技术热电式发电机电极制备完成后的俯视结构示意图；图4为本专利技术垂直型纳米热电偶和超晶格光电结构的微型发电机A-A’向剖视图。图中包括：多晶硅纳米线1，纳米线支撑结构2，硅片3，二氧化硅薄膜4，N型多晶硅纳米线热电偶臂5，P型多晶硅纳米线热电偶臂6，热电堆互联金属7，氮化硅薄膜8，金属板9，输出电极10。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。参见图1-4，本专利技术提出了一种射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机，该微型热电式发电机主要由衬底3、水平放置的热电堆和散热金属板9构成；其中，硅衬底3的中央区域通过深反应离子刻蚀技术刻孔，作为上方二氧化硅薄膜4的支撑结构和传热结构；热电堆的一端位于硅衬底3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型多晶硅纳米线热电偶臂5和P型多晶硅纳米线热电偶臂6构成，热电偶臂上包含多列多晶硅纳米线1，纳米线的宽度为1-100nm，长度为1-10μm，同一列多晶硅纳米线1之间的间距为1-100nm，不同列之间采用纳米线支撑结构2作为连接，提高结构的稳定性与可靠性，因量子限制和声子散射效应，多晶硅纳米线1的热导率远低于传统体材料，提高了热电式发电机的热电转换效率；两个半导体臂之间采用Au作为热电堆互联金属7，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，热电式发电机制作了多个输出电极10；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；热电式发电机的冷端通过一块金属板9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9材料为Al，与热电堆之间隔有氮化硅薄膜8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。微型热电式发电机的工作原理如下：当在发电机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。该微型热电式发电机用于射频收发机中，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热电式发电机后，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。本专利技术的射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机的制备方法如下：1)选择硅片作为衬底3，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)工艺淀积一层二氧化硅薄膜4，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1μm的多晶硅薄膜；4)采用电子束光刻或极紫外光刻技术形成多晶硅纳米线1；5)分别对多晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机，其特征是：该微型热电式发电机主要由衬底(3)、水平放置的热电堆和散热金属板(9)构成；其中，衬底(3)的中央区域通过深反应离子刻蚀技术刻孔，作为上方二氧化硅薄膜(4)的支撑结构和传热结构；热电堆的一端位于硅衬底(3)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型多晶硅纳米线热电偶臂(5)和P型多晶硅纳米线热电偶臂(6)构成；为了方便测试和避免局部偏差导致整个器件的失效，热电式发电机制作了多个输出电极(10)；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；热电式发电机的冷端通过一块金属板(9)有效地实现了散热，金属板(9)与热电堆之间隔有氮化硅薄膜(8)以实现绝缘；热电偶臂上包含多列多晶硅纳米线(1)，多晶硅纳米线(1)的宽度为1‑100nm，长度为1‑10μm，同一列多晶硅纳米线(1)之间的间距为1‑100nm，不同列之间采用纳米线支撑结构(2)作为连接，提高结构的稳定性与可靠性；因量子限制和声子散射效应，多晶硅纳米线(1)的热导率远低于传统体材料，提高了热电式发电机的热电转换效率。...

【技术特征摘要】
1.一种射频收发机中的多晶硅纳米线热电偶微型热电式发电机，其特征是：该微型热电式发电机主要由衬底(3)、水平放置的热电堆和散热金属板(9)构成；其中，衬底(3)的中央区域通过深反应离子刻蚀技术刻孔，作为上方二氧化硅薄膜(4)的支撑结构和传热结构；热电堆的一端位于硅衬底(3)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型多晶硅纳米线热电偶臂(5)和P型多晶硅纳米线热电偶臂(6)构成；为了方便测试和避免局部偏差导致整个器件的失效，热电式发电机制作了多个输出电极(10)；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖小平，严嘉彬，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32