自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器的制造方法
【專利摘要】自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器由幾個相同傳感器模塊組成的陣列結(jié)構(gòu)。其中每個傳感器模塊由許多組熱電偶串聯(lián)連接。傳感器的熱端放置在功率放大器熱量集中的部位（散熱板），而冷端遠(yuǎn)離熱量集中的部分且緊靠金屬外殼（熱沉板），以達(dá)到冷熱兩端形成較大溫差?；赟eebeck效應(yīng)在熱電堆陣列結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生直流電壓的輸出，該直流電壓對充電電池進(jìn)行充電儲能；利用熱沉板上表面的一層光伏材料，可以有效地吸收光能，形成可以收集光能的光電式微傳感器。能夠同時收集光能、熱能的能量實現(xiàn)自供電，相比傳統(tǒng)的收集單一能量的自供電傳感器，本發(fā)明體積更小，供電能力大大提高。
【專利說明】自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出了自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器，屬于微電子機械系統(tǒng)的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)被稱為第三次信息技術(shù)浪潮，作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)在政府的高度重視下迅速推進(jìn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，自供電傳感器、能量收集芯片的研究得到越來越多的關(guān)注。目前，物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件存在急需解決的問題是:供電問題和散熱問題。物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件中發(fā)射部分大約85%的功率是以熱功耗的形式浪費，常用的傳感器網(wǎng)絡(luò)接點均采用自身攜帶的電池供電，其能量有限，特別是應(yīng)用在野外環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件電池不易更換。自供電傳感器的能量來源有很多種，其中一方面是最普遍的光能；另一方面是射頻收發(fā)組件消耗的熱能。這一部分能量若能被利用，將能大大改善射頻收發(fā)組件的功耗問題。而且還能避免不必要的發(fā)熱對射頻收發(fā)組件的工作產(chǎn)生影響。因此，自供電傳感器也可以利用收集這些能量來為電路提供輔助電源。在此基礎(chǔ)上地提出了適用于自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器結(jié)構(gòu)，基于砷化鎵MMIC技術(shù)，在熱能收集器頂部上方的熱沉板上制作一層光伏材料，形成了收集光和熱兩種能量收集器。這種基于微傳感器的能量收集，不僅為接收部分提供自供電，而且還能解決發(fā)射部分的散熱問題；由無源器件所構(gòu)成的該自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器結(jié)構(gòu)，沒有直流功耗，完全滿足了物聯(lián)網(wǎng)通訊所提出的低功耗要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器，是為了收集光能和熱量以減少物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件工作過程中不必要的能量損耗，同時改善發(fā)射部分散熱問題，提高射頻收發(fā)組件的性能。
[0004]技術(shù)方案:本項目創(chuàng)新性地提出了適用于自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器結(jié)構(gòu)。該微傳感器放置在射頻功率放大器的頂部，它是由幾個相同傳感器模塊并列組成的陣列結(jié)構(gòu)。其中每個傳感器模塊由許多組熱電偶串聯(lián)連接，從而通過減小熱電堆的總電阻以提高輸出的直流電壓對充電電池的充電能力。傳感器的熱端放置在功率放大器熱量集中的部位(散熱板)，而冷端遠(yuǎn)離熱量集中的部分且緊靠金屬外殼(熱沉板)，以達(dá)到傳感器的冷熱兩端形成較大溫差的目的?；赟eebeck效應(yīng)在傳感器陣列結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生直流電壓的輸出，該直流電壓對充電電池進(jìn)行充電儲能；在熱能收集器頂部上方的熱沉板上制作一層光伏材料，形成可以收集光能的光電式微傳感器。光能收集的補充可以彌補單獨使用熱能收集的能量不足問題。從而真正實現(xiàn)自供電的功能。
[0005]本發(fā)明的自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器，該微傳感器放置在射頻功率放大器的頂部，該結(jié)構(gòu)有多個傳感器并列構(gòu)成，每個傳感器是由多個熱電偶通過金屬線串聯(lián)而成，而熱電偶主要部分是N型砷化鎵半導(dǎo)體臂和Au的金屬臂構(gòu)成，N型砷化鎵半導(dǎo)體臂與Au的金屬臂2形成歐姆接觸，靠近熱沉板處的歐姆接觸作為熱電偶的冷端，靠近導(dǎo)熱板處的為熱端，熱電堆以砷化鎵襯底為基底，砷化鎵襯底以下是導(dǎo)熱板，上層覆蓋熱沉板，砷化鎵襯底為支撐材料，起到支撐熱沉板的功能，導(dǎo)熱板下面接射頻收發(fā)組件的散熱板作為熱電堆的熱端，熱沉板作為熱電堆的冷端，熱沉板頂部制作一層光伏材料，用以接收光能從而轉(zhuǎn)換成電能，傳感器在熱電堆外圍輔以大電容及穩(wěn)壓電路，所獲得的穩(wěn)定直流電壓，供給電路自身使用，實現(xiàn)了自供電。
[0006]本發(fā)明的自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器，同時實現(xiàn)了對光能、熱能收集和利用。利用熱沉板上表面的一層光伏材料，可以有效地吸收光能，產(chǎn)生直流電流，輸出到外圍的大電容和穩(wěn)壓電路，實現(xiàn)了光能到電能的轉(zhuǎn)換；制作了 MEMS熱電堆，熱電堆的熱端朝下，靠近射頻收發(fā)組件的散熱板，而冷端朝上，遠(yuǎn)離散熱板?；趕eeback效應(yīng)，MEMS熱電堆由于熱端和冷端的溫差產(chǎn)生直流電壓。將該直流電壓加到大電容上，可實現(xiàn)能量的儲存。將產(chǎn)生的電壓通過穩(wěn)壓電路，獲得穩(wěn)定的直流電壓，實現(xiàn)了熱能到電能的轉(zhuǎn)換。最后，所獲得的穩(wěn)定直流電壓，供給電路自身使用，實現(xiàn)了自供電。
[0007]有益效果:本發(fā)明的自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器基于MEMS技術(shù)，能夠同時收集光能、熱能的能量實現(xiàn)自供電。相比傳統(tǒng)的收集單一能量的自供電傳感器，本發(fā)明體積更小，供電能力大大提高，能夠有效的降低射頻收發(fā)組件的功耗。同時，射頻收發(fā)組件工作中散發(fā)的熱量得到了有效吸收，增強了其散熱性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器的俯視圖；
[0009]圖2是自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器的示意圖；
[0010]圖3是自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器的A-A’剖面圖；
[0011]圖4是自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器的B-B’剖面圖；
[0012]以上圖中包括傳感器1，金屬臂2，半導(dǎo)體臂3，冷端4，熱端5，砷化鎵襯底6，熱沉板7,導(dǎo)熱板8,光伏材料9,金屬線10,穩(wěn)壓電路11。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明的自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器是由多個傳感器I并列構(gòu)成，傳感器I由多個熱電偶通過金屬線10串聯(lián)而成。而熱電偶主要部分是N型砷化鎵的半導(dǎo)體臂3和Au的金屬臂2構(gòu)成。N型砷化鎵半導(dǎo)體臂3與Au的金屬臂2形成歐姆接觸?？拷鼰岢涟?處的歐姆接觸作為熱電偶的冷端4，靠近導(dǎo)熱板8處的為熱端5。傳感器I以砷化鎵襯底6為基底，砷化鎵襯底6以下
[0014]是導(dǎo)熱板8，上層覆蓋熱沉板7。砷化鎵襯底6為支撐材料，起到支撐熱沉板7的功能。導(dǎo)熱板8下面接射頻收發(fā)組件的散熱板作為熱電堆的熱端。熱沉板7作為熱電堆的冷端。熱沉板7頂部制作一層光伏材料9，用以接收光能從而轉(zhuǎn)換成電能。傳感器在熱電堆外圍輔以大電容及穩(wěn)壓電路U。
[0015]本發(fā)明的自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器，同時實現(xiàn)了對光能、熱能收集和利用。制作傳感器I。MEMS傳感器I的熱端朝下，靠近射頻收發(fā)組件的散熱板，而冷端朝上，遠(yuǎn)離散熱板?；趕eeback效應(yīng),MEMS傳感器I由于熱端和冷端的溫差產(chǎn)生直流電壓。將該直流電壓加到大電容上，可實現(xiàn)能量的儲存。將產(chǎn)生的電壓通過穩(wěn)壓電路，獲得穩(wěn)定的直流電壓，實現(xiàn)了熱能到電能的轉(zhuǎn)換。傳感器由熱電偶串聯(lián)而成。每個傳感器I上的P-N結(jié)3都以串聯(lián)的方式連接，并構(gòu)成電流通路正向有序排列。熱沉板8頂部制作一層光伏材料10，用以接收光能從而轉(zhuǎn)換成電能。形成可以收集光能的光電式微傳感器。
[0016]自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器的工藝流程如下:
[0017]I)準(zhǔn)備砷化鎵襯底:選用外延的半絕緣砷化鎵襯底，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為1018cnT3，其方塊電阻值為100?130 Ω / 口；
[0018]2)在外延的N+砷化鎵襯底上涂覆光刻膠，保留預(yù)備制作歐姆接觸區(qū)和初步形成熱電偶的半導(dǎo)體熱偶臂區(qū)的光刻膠，形成歐姆接觸區(qū)和初步形成熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂；
[0019]3)反刻步驟2)中初步形成的熱電偶的半導(dǎo)體熱偶臂，完全形成其摻雜濃度為IO17CnT3的熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂；
[0020]4)在步驟3)得到的襯底上涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作熱電堆的金屬熱偶臂處的光刻膠；
[0021]5)在襯底上濺射金鍺鎳/金，其厚度共為2700A ；
[0022]6)剝離去除步驟4)中留下的光刻膠，連帶去除了光刻膠上的金鍺鎳/金，形成熱電堆的金屬熱偶臂；
[0023]7)在砷化鎵襯底上涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作輸出壓焊塊以及連接線上的光刻膠；
[0024]8)在襯底上通過蒸發(fā)方式生長一層金，其厚度為0.3 μ m ;
[0025]9)將步驟10)留下的光刻膠去除，連帶去除了光刻膠上面的金，初步形成輸出壓焊塊以及連接線；
[0026]10)整體劃片，并列排列。熱電堆之間金屬線Au連接；
[0027]11)通過組裝把MEMS熱電堆和熱沉板、散熱板裝配在一起；
[0028]12)在熱沉板的上表面生長一層光伏材料。
[0029]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于:
[0030]本發(fā)明的自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器，同時實現(xiàn)了對光能、熱能收集和利用。利用熱沉板上表面的一層光伏材料，可以有效地吸收光能，產(chǎn)生直流電流。光能收集的補充可以彌補單獨使用熱能收集的能量不足問題，實現(xiàn)了光能到電能的轉(zhuǎn)換。制作了 MEMS熱電堆，熱電堆的熱端朝下，靠近射頻收發(fā)組件的散熱板，而冷端朝上，遠(yuǎn)離散熱板。基于seeback效應(yīng),MEMS熱電堆由于熱端和冷端的溫差產(chǎn)生直流電壓。將該直流電壓加到大電容上，可實現(xiàn)能量的儲存。將產(chǎn)生的電壓通過穩(wěn)壓電路，獲得穩(wěn)定的直流電壓，實現(xiàn)了熱能到電能的轉(zhuǎn)換。同時實現(xiàn)光能、熱能不同的能量的收集，降低了射頻收發(fā)組件的功耗，大大提高了供電能力。同時本發(fā)明在吸收了熱能同時，增強了射頻收發(fā)組件的散熱性能保證了射頻收發(fā)組件工作的穩(wěn)定性。最后，所獲得的穩(wěn)定直流電壓，供給電路自身使用，實現(xiàn)了自供電。
【權(quán)利要求】
1.一種自供電射頻收發(fā)組件中砷化鎵基熱電和光電傳感器，該微傳感器放置在射頻功率放大器的頂部，其特征是該微傳感器由多個傳感器(I)并列構(gòu)成，傳感器(I)由多個熱電偶通過金屬線(10)串聯(lián)而成，而熱電偶主要部分是N型砷化鎵半導(dǎo)體臂(3)和Au的金屬臂(2)構(gòu)成，N型砷化鎵半導(dǎo)體臂(3)與Au的金屬臂2形成歐姆接觸，靠近熱沉板(7)處的歐姆接觸作為熱電偶的冷端(4)，靠近導(dǎo)熱板(8)處的為熱端(5)，熱電堆(I)以砷化鎵襯底(6 )為基底，砷化鎵襯底(6 )以下是導(dǎo)熱板(8 )，上層覆蓋熱沉板(7 )，砷化鎵襯底(6 )為支撐材料，起到支撐熱沉板(7)的功能，導(dǎo)熱板(8)下面接射頻收發(fā)組件的散熱板作為熱電堆的熱端，熱沉板(7)作為熱電堆的冷端，熱沉板(7)頂部制作一層光伏材料(9)，用以接收光能從而轉(zhuǎn)換成電能，傳感器在熱電堆外圍輔以大電容及穩(wěn)壓電路(11)，所獲得的穩(wěn)定直流電壓，供給電路自身 使用，實現(xiàn)了自供電。
【文檔編號】H04B1/38GK103904764SQ201410098872
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】廖小平, 閆浩 申請人:東南大學(xué)