晶片级热电能量收集器的制造方法
【专利说明】晶片级热电能量收集器
[0001]相关申请
[0002]本申请是于2013年I月8日提交的美国申请序列号13/736783的延续部分，在此引入作为参考。
技术领域
[0003]本申请的主题涉及一种热电能量收集，并且更具体地涉及一种集成单芯片热电能收获。
【背景技术】
[0004]热电设备将热(例如，热能)转换成电能。热电设备的热侧和冷侧之间的温度差在所述热电设备的半导体材料中移动电荷载体来产生电能。热电设备的材料被选择成使得它是电的良导体以产生电流流动，但热的不良导体以保持热电设备的双侧之间的必要热量差异。当所述热电元件的一侧被放置在热源(例如，引擎或电路)附近时，可以产生温度差，使得所述热电元件的一侧更热。
[0005]由所述热电设备生成的能量量至少取决于温差、热电设备中材料的类型和热电设备的大小。例如，设备的热侧和冷侧之间有较大的温度差可以产生更大的电流流动。此外，具有产生电流流动的较大表面面积和/或较大材料的热电设备常规上产生更多的电能。这些不同的因素取决于对热电设备被使用的应用进行调整。
[0006]越来越关注于缩小热电设备的尺寸用于新的应用(例如，自可持续传感器或移动设备)，并产生其可以是集成电路的一部分的热电设备。然而，按比例缩小热电元件的尺寸引入了新的挑战，诸如产生足够的能量并保持制造成本较低。此外，热电装置内的常规材料和/或材料安排可以不为某些应用提供所需能量。其他挑战包括处理在集成电路中影响相邻组件的寄生热损失。
[0007]因此，本发明人已经确定本领域需要包括高能量密度的小规模热电设备是成本低的并解决寄生热损失。
【附图说明】
[0008]因此，可以理解本发明的特征，多个附图的说明如下。但应当指出，所附附图仅仅示出本公开的具体实施例，因此不应被视为其范围的限制，因为本发明可包括其它同等有效的实施例。
[0009]图1A和IB示出根据本发明实施例的热电能量收集器的示例性配置。
[0010]图2示出根据本发明实施例的热电能量收集器100的立体图。
[0011]图3示出根据本发明另一实施例的热电能量收集器的示例性配置。
[0012]图4示出根据本发明实施例具有封盖结构的热电能量收集器的示例性配置。
[0013]图5示出根据本发明另一实施例的热电能量收集器的示例性配置。
[0014]图6A-6C示出根据本发明的另一实施例的热电能量收集器的示例性配置。
[0015]图7A-7C示出根据本发明的另一实施例的热电能量收集器的示例性配置。
[0016]图8示出了根据本发明实施例的热电能收集器的示例性配置。
[0017]图9A-9B示出根据本发明另一实施例的热电能量收集器的示例性配置。
【具体实施方式】
[0018]本发明实施例可提供能够在集成电路中提供的热电能量收集器。在一个实施例中，集成电路可包括基板和在基板上形成的介电层。多个P型热电元件和多个η型热电元件可设置在介电层内。P型热电元件和η型热电元件可以交替的方式串联电连接。响应于热施加到热电元件的一侧上，可以在各热电元件中产生电子流以提供电能。
[0019]在另一个实施例中，当在P型和η型热电元件之间交替时，盖帽可以在基板上设置以包围在基板上设置和串联连接的多个P型和η型热电元件。真空或低压可保持热电元件之间。盖帽和真空或低压可降低到集成电路周围区域的寄生热损失，从而保持沿着热电元件的较大热梯度。
[0020]在一个实施例中，密封件可以由环绕有源热电元件的虚设结构而形成。真空或低压可保持热电元件之间和/或之内的密封。虚设结构可以是环形的形式，并且可以在制造工序中使用一些相同的步骤来形成，用于形成有源热电元件。密封件也可以用于防止在制造过程中污染物进入到有源热电元件。
[0021]在一个实施例中，活性热电元件可以水平倾斜和竖直倾斜，即相对于整个集成电路的热梯度方向在两个维度倾斜，以便最大化通过每个活动的热电元件的热长度(热能流动的长度)。
[0022]在一个实施例中，所有串联连接的多个热电元件可以包括仅一种类型的热电元件，即串联连接的仅η型或仅P-型。纯粹的η型或纯P型热电能量收集器可以更简单以使用更少的工艺步骤制造。
[0023]图1A示出根据本发明实施例的热电能量收集100的示例性配置。热电能量收集器100可包括基板层130上方的和介电层120内的热电元件110Α、110Β。多个热电元件110Α、IlOB可以包括不同类型的热电材料的元件(例如，P型和η型)。热电元件110A、1 1B可以相互连接，使得响应于第一侧(例如，热侧)和第二侧(例如，冷测)之间的温度梯度，每个热电元件有助于由所述热电能量收集器100提供的总能量。热接触层140可以在介电层120上方提供，以支持所述第一侧和所述第二侧之间的温度梯度。热接触层140可以由作为良好热导体的材料制成。
[0024]如图1A所示，热电能收集器100可包括设置有介电层120的垂直结构，并且可以被形成为单个晶片。热电能量收集器100的晶片级结构允许它与基板130之上或邻近的其他集成电路部件(图1A中未示出)集成。
[0025]如所示，热电元件110Α、IlOB可以包括不同类型的热电材料(例如，ρ型和η型)。响应于两个端部之间的温度差，热电元件110Α、110Β的热电材料可以被选择以从热电元件的一端到相对端产生不同极性的电荷载体流动。在包括P型材料的热电元件IlOA中，正电荷载体从热端流动到相对冷端。与此相反，在包括η型材料的热电元件IlOB中，电子从具有热源的一端流动到较冷的相对端。
[0026]多个热电元件110A、1 1B可以连接成阵列，并在相邻的热电元件IlOA和IlOB中交替材料的类型(例如，η型和ρ型之间)。以这种方式，跨越热电元件IlOA和IlOB开发的电压和/或电流可以被一起求和以产生超过热电元件IlOA和IlOB分别进行的更大聚集电压和/或电流。例如，具有P型材料的热电元件IlOA可串联连接具有η型材料的热电元件110Β。热电元件110Α、110Β可以被布置，使得给定热电元件的所有相邻热电元件包括不同于给定热电元件的材料的材料类型。热电元件IlOA和IlOB的阵列的输出可并联连接，以在特定应用中提供所需的能量。互连150可以连接热电元件IlOA和IlOB到相邻的热电元件IlOA和IlOBo
[0027]虽然每个热电元件110Α、110Β可以提供少量的能量(例如，毫伏)，在阵列中连接热电元件110Α、110Β可提供特定应用所需的较高能量。当热施加到所述热电能收集器100的一侧时，在具有P型材料的热电元件IlOA中的电子将从热电元件IlOA的低温侧流至高温侧，和在具有η型材料的热电元件IlOB中的电子将从热电元件IlOB的高温侧流至低温侦U。因此，如果热电元件IlOA串联连接热电元件110Β，形成了热电偶，电子就会从ρ型材料的冷侧流向P型材料的热侧，经由互连150进入η型材料的热侧，并且进入η型材料的冷侦U。在各热电元件110A、1 1B所产生的能量相组合并在热电能收集器100的输出端提供。
[0028]图1B示出等效于图1A中所示的热电能收集器100的电路。跨越热电元件IlOA和I1B发展的电压由Vp与Vn表示。各个电压和/或电流可以被加在一起以提供聚合输出电压Vout，并在引流的情况下，电压被相加以获得可以驱动常规低功率电子电路的有用电压。
[0029]图1A并不按比例绘制，但描述在一个实施例中收集器100的粗略尺寸。热电元件110A、1 1B可以具有最大化邻近于介电层120的热电元件110A、110B的表面的形状。热电元件110A、110B可以具有矩形的形状，两侧具有相邻于介电层120的较长端，和相邻于互连150的短边。在另一个实施例中，热电元件110A、110B的至少一侧也可以是正方形。
[0030]热电元件110A、1 1B的材料可以被这样选择，使得热电元件110A、1 1B的热电阻器小于电介质层120的热阻，使得该介电层不会引起太多的热分流。热电元件110A、110B的高热电阻仍需要确保良好的温度差被维持在热电元件110A、I1B的热侧和冷侧之间。热电元