串联四方式纳米热电能量收集器制造技术

本发明专利技术的串联四方式纳米热电能量收集器，应用于收集射频收发组件放大器的热能给无线传感节点供电。所述的串联四方式纳米热电能量收集器制作在N型硅片衬底上，在衬底上行制作一层氮化硅和二氧化硅作为电学隔离层，在氮化硅层上制作纳米热电堆，与传统热电能量收集器相比，纳米热电偶具有更低的热导率，从而具有较高的热电转化效率，利用纳米热电堆的塞贝克效应将热能转化为热电势。纳米热电堆的中心覆盖一层金属散热板作为导热层，纳米热电势四周覆盖聚酰亚胺作为隔热层，使得纳米热电堆两端形成稳定的温度差。DC‑DC转换模块将串联四方式纳米热电能量收集器收集的电能转换成直流电信号，最终存储在充电电池中，充电电池中的电能可以实现给无线传感节点的供电。

【技术实现步骤摘要】
串联四方式纳米热电能量收集器
本专利技术提出了一种串联四方式纳米热电能量收集器，属于微电子机械系统(MEMS)的

技术介绍
随着现代社会的发展，无线通信扮演者越来越重要的角色。无线通信主要包括微波通信和卫星通信。射频收发组件作为无线通信的一个重要组成部分，广泛应用于通信和雷达系统。射频收发组件作尤其是其中的功率放大器，在工作时效率十分低，有相当一部分能量以热能的形式耗散，不仅造成收发组件的升温，影响了模块正常的工作，还造成了能量的浪费。以纳米热电偶作为发电元件的热电能量收集器，与传统热电能量收集器相比，具有较高的热电转化效率，可对射频功率放大器工作中耗散的热能进行重新收集，收集产生的电能通过DC-DC转换被存贮在电池中，不仅能够提高能量的使用效率，减少能源的浪费，同时也可为布置在功率放大器周边的各种无线传感节点供电，最终实现绿色通信的目的。
技术实现思路
技术问题:本专利技术的目的是提供一种串联四方式纳米热电能量收集器，纳米热电能量收集器采用水平型纳米热电偶串联结构，水平纳米热电偶为四方结构，中间为热源端，四周为冷端，用以提高输出功率，将能量收集器贴在射频收发组件功率放大器的表面，可用于收集功率放大器表面的热能，存储起来用于给功率放大器周边的各种无线传感节点供电，最终实现绿色通信。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种串联四方式纳米热电能量收集器。其结构主要包括硅衬底、氮化硅和二氧化硅隔离层、纳米热电堆、二氧化硅保护层、聚酰亚胺隔热层和金属散热板。串联四方式纳米热电能量收集器制作在长载流子寿命的N型硅片衬底上，主要由水平放置的纳米热电堆、聚酰亚胺隔热层和金属散热板构成。其中水平纳米热电堆是由多对水平纳米热电偶串联而成，水平纳米热电偶由水平放置的N型多晶硅纳米线簇和P型多晶硅纳米线簇构成，多晶硅纳米线簇直接利用金属连接线进行电器互联，两端通过金属pad电压输出，呈水平四方式结构排列在硅衬底上，衬底上中心位置的纳米热电堆上覆盖金属散热板，有效地实现了散热，增大了纳米热电堆与周围环境的热耦合，同时提供纳米热电堆热端热场；纳米热电偶的四周覆盖了一层聚酰亚胺层作为隔热层，实现与纳米热电堆热端的热学隔离；为了增加热电能量收集器结构的稳定性，纳米热电偶之间填充有聚甲基丙烯酸甲酯。纳米热电堆和N型硅片衬底之间有一层氮化硅和二氧化硅层，作为电器绝缘层。纳米热电堆上也有一层氮化硅作为电器绝缘层。串联四方式纳米热电能量收集器的工作原理如下：当在串联四方式纳米热电能量收集器的散热板上施加一定的温差，热量会从热端面注入，经过纳米热电堆后，最后从冷端面排出，并在热电能量收集器上形成一定的温度分布。由于纳米热电堆存在一定的热阻，在纳米热电堆的冷热结点之间会产生相应的温差，基于塞贝克效应纳米热电堆两端的金属pad会输出与温差成正比的电势，连接负载后可实现功率输出。该串联四方式纳米热电能量收集器用于射频收发组件中，将串联四方式纳米热电能量收集器的散热板贴在射频收发组件的功率放大器上方，对功率放大器工作中耗散的热能进行收集，能够减少能源的浪费，提高能源利用效率；收集的能量通过DC-DC转换模块后，被存贮在电池中，可为布置在功率放大器周边的各种无线传感节点供电，最终实现绿色通信。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.本专利技术的串联四方式纳米热电能量收集器采用纳米热电偶结构，与传统热电能量收集器相比，纳米热电偶具有更低的热导率，从而具有较高的热电转化效率；2.串联四方式纳米热电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；3.串联四方式纳米热电能量收集器实现了热电能量收集方式的单片集成，提高了能源的使用效率；4.串联四方式纳米热电能量收集器采用水平型结构，即热流路径平行于芯片表面，电流路径平行于芯片表面，使得纳米热电堆的两端具有相当较大的温度差，同时位于芯片平面内的纳米热电堆，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；5.串联四方式纳米热电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；6.串联四方式纳米热电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为本专利技术串联四方式纳米热电能量收集器在射频收发组件中的应用示意图；图2为本专利技术串联四方式纳米热电能量收集器在衬底上制作纳米热电堆后的俯视结构示意图；图3为本专利技术串联四方式纳米热电能量收集器最终的俯视结构示意图(聚酰亚胺层和金属散热板透明度设置为10％)；图4为本专利技术串联四方式纳米热电能量收集器图3中的A-A’向剖视图；图中包括：射频收发组件放大器1，后续信号处理模块2，串联四方式纳米热电能量收集3，DC-DC转换模块4，无线传感节点5，充电电池6，串联四方式纳米热电能量收集器3包括N型硅片衬底7，氮化硅层8，第一二氧化硅层9，纳米热电堆，第二二氧化硅层10，聚酰亚胺层11，金属散热板12，纳米热电堆包括N型多晶硅纳米线簇13，P型多晶硅纳米线簇14，金属连线15、聚甲基丙烯酸甲酯16和金属pad17。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，本专利技术提出了一种串联四方式纳米热电能量收集器，其主要功能能是收集射频收发组件放大器1的热能给无线传感节点5供电。将串联四方式纳米热电能量收集器3的金属散热板12贴在射频收发组件放大器1的表面，射频收发组件放大器1的输出端接后续信号处理模块2，串联四方式纳米热电能量收集器3将收集射频收发组件放大器1的热能通过塞贝克效应转换成电能，然后通过DC-DC转换模块4将收集的电能转换成直流电信号，最终存储在充电电池6中。充电电池6中的电可以实现给无线传感节点5的供电。参见图2串联四方式纳米热电能量收集器3由N型硅片衬底7，氮化硅层8，第一二氧化硅层9，纳米热电堆，第二二氧化硅层10，聚酰亚胺层11和金属散热板12构成，纳米热电堆包括N型多晶硅纳米线簇13，P型多晶硅纳米线簇14，金属连线15、聚甲基丙烯酸甲酯16和金属pad17。其中氮化硅层8和第一二氧化硅层9的作用是使N型硅片衬底7和纳米热电堆进行电学隔离，第二二氧化硅层10的作用是使得纳米热电堆和金属散热板12实现电学隔离，同时对纳米热电堆具有保护作用。串联四方式纳米热电能量收集器3中的纳米热电偶对由N型多晶硅纳米线簇13和P型多晶硅纳米线簇14构成了纳米热电偶的半导体臂，多晶硅纳米线簇含有的纳米线数量为50-200，多晶硅纳米线直径为1-100nm，高度为2-10um，N型多晶硅纳米线簇13和P型多晶硅纳米线簇14之间用金属连线15连接；为了增加串联四方式纳米热电能量收集器3结构的稳定性，纳米热电偶之间填充有聚甲基丙烯酸甲酯16；在纳米热电堆的正上方，覆盖有第二二氧化硅层10起到保护和电学隔离的作用，纳米热电偶成四方式排列，纳米热电堆中间覆盖了一块金属板散热板12，有效地实现了散热，增大了纳米热电堆与周围环境的热耦合，纳米热电堆的四周覆盖了一层聚酰亚胺起到隔热的作用，使得纳米热电偶的热端和冷端有一个温度差，最终基于塞贝克效应有热电势从金属pad17输出。串联四方式纳米热电能量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串联四方式纳米热电能量收集器，其特征在于：串联四方式纳米热电能量收集器由N型硅片衬底(7)，氮化硅层(8)，第一二氧化硅层(9)，纳米热电堆，第二二氧化硅层(10)，聚酰亚胺层(11)和金属散热板(12)构成，纳米热电堆包括N型多晶硅纳米线簇(13)，P型多晶硅纳米线簇(14)，金属连线(15)，聚甲基丙烯酸甲酯(16)和金属pad(17)；氮化硅层(8)和第一二氧化硅层(9)的作用是使N型硅片衬底(7)和纳米热电堆进行电学隔离，第二二氧化硅层(10)的作用是使得纳米热电堆和金属散热板(12)实现电学隔离，同时对纳米热电堆具有保护作用，收集到热电势从金属pad(17)进行输出；该能量收集器主要功能是收集射频收发组件放大器(1)的热能给无线传感节点(5)供电；串联四方式纳米热电能量收集器(3)将收集射频收发组件放大器(1)的热能通过塞贝克效应转换成电能，然后通过DC‑DC转换模块(4)将收集的电能转换成直流电信号，最终存储在充电电池(6)中，充电电池(6)中的电可以实现给无线传感节点(5)的供电；N型多晶硅纳米线簇(13)和P型多晶硅纳米线簇(14)含有的多晶硅纳米线数量为50‑200，多晶硅纳米线由深紫外光刻形成，直径为1‑100nm，高度为2‑10um；N型多晶硅纳米线簇(13)和P型多晶硅纳米线簇(14)之间利用金属连接线(15)进行连接。...

【技术特征摘要】
1.一种串联四方式纳米热电能量收集器，其特征在于：串联四方式纳米热电能量收集器由N型硅片衬底(7)，氮化硅层(8)，第一二氧化硅层(9)，纳米热电堆，第二二氧化硅层(10)，聚酰亚胺层(11)和金属散热板(12)构成，纳米热电堆包括N型多晶硅纳米线簇(13)，P型多晶硅纳米线簇(14)，金属连线(15)，聚甲基丙烯酸甲酯(16)和金属pad(17)；氮化硅层(8)和第一二氧化硅层(9)的作用是使N型硅片衬底(7)和纳米热电堆进行电学隔离，第二二氧化硅层(10)的作用是使得纳米热电堆和金属散热板(12)实现电学隔离，同时对纳米热电堆具有保护作用，收集到热电势从金属pad(17)进行输出；该能量收集器主要功能是收集射频收发组件放大器(1)的热能给无线传感节点(5)供电；串联四...

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