自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器的制造方法
【专利摘要】自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器放置在射频功率放大器的顶部，它是由几个相同传感器模块组成的阵列结构。其中每个传感器模块由许多组热电偶串联连接。传感器的热端放置在功率放大器热量集中的部位（散热板），而冷端远离热量集中的部分且紧靠金属外壳（热沉板），以达到冷热两端形成较大温差。基于Seebeck效应在传感器阵列上产生直流电压的输出，该直流电压对充电电池进行充电储能；在传感器的半导体热偶臂的顶部制作一个PN结，并构成电流通路正向有序排列，并在PN结上方的热沉板开孔以增加光照面积，形成可以收集光能的光电式微传感器。能够同时收集光能、热能的能量实现自供电。相比传统的收集单一能量的自供电传感器。
【专利说明】自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器
【技术领域】
[0001]本发明提出了物联网自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器，属于微电子机械系统的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]物联网是新一代信息技术的重要组成部分，随着物联网技术的发展，应用于物联网的射频收发组件中的自供电技术越来越得到关注。自供电传感器的能量来源有很多种，其中一方面是最普遍的光能；另一方面是射频收发组件消耗的热能。这一部分能量若能被利用，将能大大改善射频收发组件的功耗问题。而且还能避免不必要的发热对射频收发组件的工作产生影响。因此，自供电传感器也可以利用收集这些能量来为自身电路供电。
[0003]然而对于光能(10-10000 μ W/cm2)、热量(25-1000 μ W/cm2)的能量采集，它们所提供的电压非常少，可能少于IV，电流也是毫安级或微安级。因此，能量采集技术的核心是能够通过更先进的拓扑结构和芯片设计。在此基础上地提出了适用于物联网射频收发组件的硅基热电-光电集成微传感器结构，基于硅基CMOS技术，在热电偶结构的半导体臂中制作一个PN结，形成了收集光和热两种能量的微传感器，同时将光能和收发组件发射部分所耗散的热能转换为电能，这种基于微传感器的能量收集，不仅为接收部分提供自供电，而且还能解决发射部分的散热问题；由无源器件所构成的该自供电低功耗热电-光电集成微传感器结构，没有直流功耗，完全满足了物联网通讯所提出的低功耗要求。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明的目的是提供一种自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器，是为了收集物联网射频收发组件中热量和光能，以减少射频收发组件工作过程中不必要的能量损耗，同时改善发射部分散热问题，提高射频收发组件的性能。
[0005]技术方案:本发明提出了适用于自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器结构。该微传感器放置在射频功率放大器的顶部，它是由几个相同传感器模块并列组成的阵列结构。其中每个传感器模块由许多组热电偶串联连接，从而通过减小传感器的总电阻以提高输出的直流电压对充电电池的充电能力。传感器的热端放置在功率放大器热量集中的部位(散热板)，而冷端远离热量集中的部分且紧靠金属外壳(热沉板)，以达到传感器的冷热两端形成较大温差的目的。基于Seebeck效应在传感器阵列结构上产生直流电压的输出，该直流电压对充电电池进行充电储能；在传感器的半导体热偶臂的顶部制作一个PN结，并构成电流通路正向有序排列，并在PN结上方的热沉板开孔以增加光照面积，形成可以收集光能的光电式微传感器。
[0006]本发明提出了适用于自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器结构。该微传感器放置在射频功率放大器的顶部，该集成微传感器由多个传感器并列连接构成，传感器由多个热电偶通过金属线串联而成，而热电偶主要部分是N+多晶硅的半导体臂和Al的金属臂构成；采用掺杂的P型多晶硅构成半导体臂和Al的金属臂的顶部连接线，P型多晶硅构成的顶部连接线与N型掺杂的多晶硅构成PN结，顶部连接线与Al的金属臂形成欧姆接触作为热电偶的冷端，半导体臂与金属线形成欧姆接触作为热电偶的热端，传感器以硅衬底为基底，中间的SiO2层为隔热层用以防止收集到的热能向基底传输，硅衬底以下是导热板，上层覆盖热沉板，硅衬底与SiO2层同为支撑材料，起到支撑热沉板的功能，导热板下面接射频收发组件的散热板作为传感器的热端，热沉板作为传感器的冷端，热沉板表面光刻有圆形通孔用以通过光照，圆形通孔间距相同其正下方为PN结用以接收光能从而转换成电能，传感器外围辅以大电容及稳压电路，所获得的稳定直流电压，供给电路自身使用，实现了自供电。
[0007]本发明的物联网自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器，同时实现了对光能、热能收集和利用。利用N+多晶硅和P+多晶硅制作PN结，可以有效地吸收光能，产生直流电流。每个PN结都以串联的方式连接，输出到外围的大电容和稳压电路。同时，实现了光能到电能的转换。制作了 MEMS传感器，传感器的热端朝下，靠近射频收发组件的散热板，而冷端朝上，远离散热板。基于seeback效应,MEMS传感器由于热端和冷端的温差产生直流电压，实现了热能到电能的转换。将该直流电压加到大电容上，可实现能量的储存。将产生的电压通过稳压电路，获得稳定的直流电压，供给电路自身使用。
[0008]有益效果:本发明的物联网自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器基于MEMS技术，能够同时收集光能、热能的能量实现自供电，相比传统的收集单一能量的自供电传感器，本发明体积更小，供电能力大大提高，能够有效的降低射频收发组件的功耗。同时，射频收发组件工作中散发的热量得到了有效吸收，增强了其散热性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器的俯视图；
[0010]图2是自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器的示意图；
[0011]图3是自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器的A-A’剖面图；
[0012]图4是自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器的B-B’剖面图；
[0013]以上图中包括传感器I，顶部连接线2，PN结3，冷端4，热端5，硅衬底6，SiO2层7，热沉板8，导热板9，金属线10，半导体臂11，金属臂12，稳压电路13。
【具体实施方式】
[0014]本发明的物联网自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器是由多个传感器I构成，传感器I由多个热电偶通过金属线10串联而成。而热电偶主要部分是N+多晶硅的半导体臂11和Al的金属臂12构成。采用掺杂的P型多晶硅构成半导体臂11和Al金属臂12的顶部连接线2。P型多晶硅构成的连接线2与N型掺杂的多晶硅构成PN结3。连接线2与Al金属臂12形成欧姆接触作为热电偶的冷端4。半导体臂11与金属线10形成欧姆接触作为热电偶的热端5。传感器I以硅衬底6为基底，中间SiO2层7为隔热层用以防止收集到的热能向基底6传输。硅衬底6以下是导热板9，上层覆盖热沉板8。硅衬底6与SiO2隔热层7同为支撑材料，起到支撑热沉板8的功能。导热板9下面接射频收发组件的散热板作为传感器的热端。热沉板8作为传感器的冷端。热沉板8表面光刻有圆形通孔用以通过光照。圆形通孔间距相同其正下方为P-N结3用以接收光能从而转换成电能。传感器外围辅以大电容及稳压电路13。本发明的物联网射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器，同时实现了对光能、热能收集和利用。制作传感器1，MEMS传感器I的热端朝下，靠近射频收发组件的散热板，而冷端朝上，远离散热板。基于seeback效应，MEMS传感器I由于热端和冷端的温差产生直流电压。将该直流电压加到大电容上，可实现能量的储存。将产生的电压通过稳压电路，获得稳定的直流电压，实现了热能到电能的转换。传感器由热电偶串联而成。在传感器的半导体热偶臂的顶部制作一个PN结3，可以有效地吸收光能，产生直流电流。每个传感器I上的P-N结3都以串联的方式连接，并构成电流通路正向有序排列。并在PN结上方的热沉板8开孔以增加光照面积，形成可以收集光能的光电式微传感器。
[0015]自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器的工艺流程如下:
[0016]I)准备掺杂浓度为IO14CnT3的P型高阻Si衬底；
[0017]2)氧化生成一层SiO2厚热阻层,其厚度为Ιμπι;
[0018]3)掺杂磷方，LPCVD生成一层N+多晶硅，其掺杂浓度和厚度分别为1018cm-3和2 μ m ；
[0019]4)低温氧化生成一层SiO2掩膜层，光刻SiO2层，刻蚀出P型掺杂窗口
[0020]5)离子注入硼，形成掺杂浓度为102°cm_3的P+多晶娃，快速退火，形成热电偶的P型连接线和热电偶中的突变PN结结构；
[0021]6)刻蚀步骤四中的SiO2层，氧化生成一层SiO2掩膜层，光刻SiO2层，刻蚀掉N+多晶硅，形成热电偶的N型半导体臂；
[0022]7)刻蚀在步骤六中的SiO2层，氧化生成一层SiO2掩膜层，光刻SiO2层，溅射一层Al，形成热电偶的金属臂；
[0023]8)热沉板光刻出图形完成顶部开孔；
[0024]9)通过组装把MEMS传感器和热沉板、散热板装配在一起；
[0025]本发明与现有技术的区别在于:
[0026]本发明的物联网自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器，同时实现了对光能、热能收集和利用。利用N+多晶硅和P+多晶硅制作PN结，可以有效地吸收光能，产生直流电流。每个PN结都以串联的方式连接，输出到外围的大电容和稳压电路，实现了光能到电能的转换。同时，制作了 MEMS传感器，传感器的热端朝下，靠近射频收发组件的散热板，而冷端朝上，远离散热板。基于seeback效应,MEMS传感器由于热端和冷端的温差产生直流电压。将该直流电压加到大电容上，可实现能量的储存。将产生的电压通过稳压电路，获得稳定的直流电压，实现了热能到电能的转换。同时实现光能、热能不同的能量的收集，降低了射频收发组件的功耗，大大提高了供电能力，最后，所获得的稳定直流电压，供给电路自身使用。同时本发明在吸收了热能同时，增强了射频收发组件的散热性能，保证了射频收发组件工作的稳定性。
【权利要求】
1.一种自供电射频收发组件中硅基热电-光电集成微传感器，该微传感器放置在射频功率放大器的顶部，其特征是该集成微传感器由多个传感器(I)并列连接构成，传感器(I)由多个热电偶通过金属线(10)串联而成，而热电偶主要部分是N+多晶硅的半导体臂(11)和Al的金属臂(12)构成；采用掺杂的P型多晶硅构成半导体臂(11)和Al的金属臂(12)的顶部连接线(2)，P型多晶硅构成的顶部连接线(2)与N型掺杂的多晶硅构成PN结(3)，顶部连接线(2)与Al的金属臂(12)形成欧姆接触作为热电偶的冷端(4)，半导体臂(11)与金属线(10)形成欧姆接触作为热电偶的热端(5)，传感器(I)以硅衬底(6)为基底，中间的SiO2层(7)为隔热层用以防止收集到的热能向基底(6)传输，硅衬底(6)以下是导热板(9)，上层覆盖热沉板(8)，硅衬底(6)与SiO2层(7)同为支撑材料，起到支撑热沉板(8)的功能，导热板(9)下面接射频收发组件的散热板作为传感器的热端，热沉板(8)作为传感器的冷端，热沉板(8)表面光刻有圆形通孔用以通过光照，圆通孔间距相同其正下方为PN结(3)用以接收光能从而转换成电能，传感器外围辅以大电容及稳压电路(13)，所获得的稳定直流电压，供给电路自身使用，实现了自供电。
【文档编号】H01L27/146GK103915458SQ201410097924
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2014年3月17日
【发明者】廖小平, 闫浩 申请人:东南大学