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N0.13/736783的延续部分，在此通过引用并入。
技术领域
[0003]本申请的主题涉及一种热电能量收集器，并且更具体地涉及一种集成的单芯片热电能量收集器。
【背景技术】
[0004]热电设备将热量(例如，热能量)转换成电能。热电装置的热侧和冷侧之间的温度差移动在热电设备的半导体材料中的电荷载流子以产生电能。热电设备的材料经选择以使得它是电的良好导体，以产生电流的流动，但是热量的不良导体，以保持热电设备的两侧之间所需的热量差。当热电元件的一侧被放置在热源(例如，发动机或电路)附近，使热电设备的一侧更热时，可以产生温度差。
[0005]由热电设备生成的能量至少取决于温差、热电设备中材料的类型和热电元件的大小。例如，在设备的热侧和冷侧之间的较大温度差可以产生更多的电流。此外，具有较大表面积和/或产生电流的更大材料的热电设备在常规上产生更多电能。这些不同因素取决于热电设备被使用的应用进行调整。
[0006]人们越来越关心缩减热电设备的尺寸用于新的应用(例如，自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，缩小热电设备的大小引入了新的挑战，诸如产生足够的能量并保持制造成本较低。此外，热电设备内的传统材料和/或材料安排可以不为某些应用提供所需的能量。其他挑战包括处理影响在集成电路中相邻部件的寄生热损失。
[0007]因此，本发明人已经确定本领域需要包括高能量密度、成本低并解决寄生热损失的小规模热电设备。
【附图说明】
[0008]因此，可以理解本发明的特征，一些附图如下描述。但应当指出，所附附图仅示出了本发明的特定实施例，因此不应被视为限制其范围，因为本发明可包括其他等效实施例。
[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示出根据本发明的实施例，具有封端结构的热电能量收集器的示例性结构。
[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6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。
[0015]图7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。
[0016]图8示出了根据本发明实施例的热电元件的形状。
【具体实施方式】
[0017]本发明实施例可以提供能在集成电路中提供的热电能量采集器。在一个实施例中，集成电路可包括衬底和在衬底上形成的介电层。多个P型热电元件和多个η型热电元件可置于电介质层内。该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。响应于被施加至热电元件的一侧的热量，可以在各热电元件中产生电子流，以提供电能。
[0018]在另一实施例中，可以在衬底上设置盖以包围设置在衬底上并串联连接的多个P型和η型热电元件，并同时在P型和η型热电之间交替。真空或低压可保持在热电元件之间。盖和真空或低压可以减少寄生热损失到围绕集成电路的区域，从而维持沿热电元件的较大热梯度。
[0019]图1A示出根据本发明实施例的热电能量收集器100的示例性配置。热电能量收集器100可包括在衬底层130上并在介电层120内的多个热电元件110Α、110Β。热电元件110Α、IlOB可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110Α、IlOB可以相互连接，使得每个热电元件有助于由热电能量收集器100相应于第一侧(例如，热侦D和第二侧(例如，冷侧)之间的温度梯度所提供的总能量。热接触层140可以在介电层120上方提供，以支持第一侧和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。
[0020]如图1A所示，热电能量收集器100可包括电介质层120提供的垂直结构，并且可以形成为单晶片。热电能量收集器100的晶片级结构允许它与衬底130之上或邻近的其他集成电路元件(图1A中未示出)集成在一起。
[0021]如所示，热电元件110Α、110Β可包括不同类型的热电材料(例如，ρ型和η型)。热电元件110Α、110Β的热电材料可以被选择，以响应于两端之间的温度差而产生从热电元件的一端到另一端的不同极性的电荷载流子的流动。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的冷端。另一方面，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。
[0022]多个热电元件110Α、I1B可以被连接成阵列，并交替在相邻热电元件I1A和I1B中的材料的类型(例如，η型和ρ型)。在这种方式下，跨越热电元件IlOA和IlOB开发的电压和/或电流可被相加在一起，以产生超过分别热电元件IlOA和IlOB的较大聚集电压和/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IlOB0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的阵列的输出可以并联连接以提供特定应用所需的能量。互连线150可连接热电元件IlOA和IlOB到相邻的热电元件IlOA 和 IlOB0
[0023]虽然每个热电元件110Α、IlOB可以提供少量的能量(如毫伏)，连接热电元件110Α、110Β在阵列中可以提供特定应用所需要的更高能量。当热量施加到热电能量收集器100的一侧上，具有P型材料的热电元件IlOA中的电子将从低温侧流至热电元件IlOA的热侦牝以及具有η型材料IlOB的热电元件IlOB的电子从热侧流至热电元件IlOB的冷侧。因此，如果热电元件I1A串联连接热电元件110Β，形成了热电偶，电子从ρ型材料的冷侧流到P型材料的热侧，经由互连150到η型材料的热侧，并进入η型材料的冷侧。在各热电元件110AU10B中所产生的能量被合并，并在热电能量收集器100的输出端提供。
[0024]图1B示出等效于图1A中所示的热电能量收集器100的电路。跨越热电元件IlOA和IlOB开发的电压由Vp与Vn表示。各个电压和/或电流可被相加在一起，以提供并集成输出电压Vout，并在拉伸的情况下，电压被相加，以获得能供电典型低功率电子电路的有用电压。
[0025]图1A不按比例绘制，而是描述在一个实施例中收集器100的粗尺寸。热电元件110A、I1B可具有最大化邻近于介电层120的热电元件110A、I1B的表面的形状，热电元件110AU10B可以具有矩形形状，具有较长端部的侧面相邻介电层120，短边相邻于互连150。在另一实施例中，热电元件110A、110B的至少一侧可以是正方形。
[0026]热电元件110A、110B的材料可经选择以使得热电元件110A、110B的热电阻小于电介质层120的热阻，使得该介电层不会引起太多的热分流。热电元件110AU10B的高耐热性仍需要确保在热电元件110AU10B的热侧和冷侧之间维持的良好温度差。热电元件110A、1 1B的热电阻可以通过控制热电元件110A、1 1B的掺杂水平或通过引入散射元件以提高热电元件110A、I1B的光子散射进行增加，而不影响太多的电传导。与热电元件110A、IlOB的相对端相比，掺杂水平的浓度或散射元件可以在热电元件110