晶片級熱電能量收集器的制造方法
【專利說明】晶片級熱電能量收集器
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請是于2013年I月8日提交的美國申請N0.13/736783的延續(xù)部分，在此通過引用并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本申請的主題涉及一種熱電能量收集器，并且更具體地涉及一種集成的單芯片熱電能量收集器。
【背景技術(shù)】
[0004]熱電設(shè)備將熱量(例如，熱能量)轉(zhuǎn)換成電能。熱電裝置的熱側(cè)和冷側(cè)之間的溫度差移動(dòng)在熱電設(shè)備的半導(dǎo)體材料中的電荷載流子以產(chǎn)生電能。熱電設(shè)備的材料經(jīng)選擇以使得它是電的良好導(dǎo)體，以產(chǎn)生電流的流動(dòng)，但是熱量的不良導(dǎo)體，以保持熱電設(shè)備的兩側(cè)之間所需的熱量差。當(dāng)熱電元件的一側(cè)被放置在熱源(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)或電路)附近，使熱電設(shè)備的一側(cè)更熱時(shí)，可以產(chǎn)生溫度差。
[0005]由熱電設(shè)備生成的能量至少取決于溫差、熱電設(shè)備中材料的類型和熱電元件的大小。例如，在設(shè)備的熱側(cè)和冷側(cè)之間的較大溫度差可以產(chǎn)生更多的電流。此外，具有較大表面積和/或產(chǎn)生電流的更大材料的熱電設(shè)備在常規(guī)上產(chǎn)生更多電能。這些不同因素取決于熱電設(shè)備被使用的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。
[0006]人們越來越關(guān)心縮減熱電設(shè)備的尺寸用于新的應(yīng)用(例如，自持續(xù)傳感器或移動(dòng)設(shè)備)，并產(chǎn)生其可以是集成電路的一部分的熱電設(shè)備。然而，縮小熱電設(shè)備的大小引入了新的挑戰(zhàn)，諸如產(chǎn)生足夠的能量并保持制造成本較低。此外，熱電設(shè)備內(nèi)的傳統(tǒng)材料和/或材料安排可以不為某些應(yīng)用提供所需的能量。其他挑戰(zhàn)包括處理影響在集成電路中相鄰部件的寄生熱損失。
[0007]因此，本發(fā)明人已經(jīng)確定本領(lǐng)域需要包括高能量密度、成本低并解決寄生熱損失的小規(guī)模熱電設(shè)備。
【附圖說明】
[0008]因此，可以理解本發(fā)明的特征，一些附圖如下描述。但應(yīng)當(dāng)指出，所附附圖僅示出了本發(fā)明的特定實(shí)施例，因此不應(yīng)被視為限制其范圍，因?yàn)楸景l(fā)明可包括其他等效實(shí)施例。
[0009]圖1A和IB示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱電能量收集器的示例性配置。
[0010]圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱電能量收集器100的立體圖。
[0011]圖3示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的熱電能量收集器的示例性配置。
[0012]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，具有封端結(jié)構(gòu)的熱電能量收集器的示例性結(jié)構(gòu)。
[0013]圖5示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的熱電能量收集器的示例性配置。
[0014]圖6示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的熱電能量收集器的示例性配置。
[0015]圖7示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的熱電能量收集器的示例性配置。
[0016]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱電元件的形狀。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明實(shí)施例可以提供能在集成電路中提供的熱電能量采集器。在一個(gè)實(shí)施例中，集成電路可包括襯底和在襯底上形成的介電層。多個(gè)P型熱電元件和多個(gè)η型熱電元件可置于電介質(zhì)層內(nèi)。該P(yáng)型熱電元件和η型熱電元件可以交替的方式串聯(lián)電連接。響應(yīng)于被施加至熱電元件的一側(cè)的熱量，可以在各熱電元件中產(chǎn)生電子流，以提供電能。
[0018]在另一實(shí)施例中，可以在襯底上設(shè)置蓋以包圍設(shè)置在襯底上并串聯(lián)連接的多個(gè)P型和η型熱電元件，并同時(shí)在P型和η型熱電之間交替。真空或低壓可保持在熱電元件之間。蓋和真空或低壓可以減少寄生熱損失到圍繞集成電路的區(qū)域，從而維持沿?zé)犭娫妮^大熱梯度。
[0019]圖1A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱電能量收集器100的示例性配置。熱電能量收集器100可包括在襯底層130上并在介電層120內(nèi)的多個(gè)熱電元件110Α、110Β。熱電元件110Α、IlOB可包括不同類型的熱電材料的元件(例如，P型和η型)。熱電元件110Α、IlOB可以相互連接，使得每個(gè)熱電元件有助于由熱電能量收集器100相應(yīng)于第一側(cè)(例如，熱偵D和第二側(cè)(例如，冷側(cè))之間的溫度梯度所提供的總能量。熱接觸層140可以在介電層120上方提供，以支持第一側(cè)和第二側(cè)之間的溫度梯度。熱接觸層140可以由作為良好熱導(dǎo)體的材料制成。
[0020]如圖1A所示，熱電能量收集器100可包括電介質(zhì)層120提供的垂直結(jié)構(gòu)，并且可以形成為單晶片。熱電能量收集器100的晶片級結(jié)構(gòu)允許它與襯底130之上或鄰近的其他集成電路元件(圖1A中未示出)集成在一起。
[0021]如所示，熱電元件110Α、110Β可包括不同類型的熱電材料(例如，ρ型和η型)。熱電元件110Α、110Β的熱電材料可以被選擇，以響應(yīng)于兩端之間的溫度差而產(chǎn)生從熱電元件的一端到另一端的不同極性的電荷載流子的流動(dòng)。在包括P型材料的熱電元件IlOA中，正電荷載體從熱端流動(dòng)到相對的冷端。另一方面，在包括η型材料的熱電元件IlOB中，電子從具有熱源的一端流動(dòng)到較冷的相對端。
[0022]多個(gè)熱電元件110Α、I1B可以被連接成陣列，并交替在相鄰熱電元件I1A和I1B中的材料的類型(例如，η型和ρ型)。在這種方式下，跨越熱電元件IlOA和IlOB開發(fā)的電壓和/或電流可被相加在一起，以產(chǎn)生超過分別熱電元件IlOA和IlOB的較大聚集電壓和/或電流。例如，具有P型材料的熱電元件IlOA可串聯(lián)連接具有η-型材料的熱電元件IlOB0熱電元件110Α、110Β可以被布置，使得給定熱電元件的所有相鄰熱電元件包括不同于給定熱電元件的材料的材料類型。熱電元件IlOA和IlOB的陣列的輸出可以并聯(lián)連接以提供特定應(yīng)用所需的能量?；ミB線150可連接熱電元件IlOA和IlOB到相鄰的熱電元件IlOA 和 IlOB0
[0023]雖然每個(gè)熱電元件110Α、IlOB可以提供少量的能量(如毫伏)，連接熱電元件110Α、110Β在陣列中可以提供特定應(yīng)用所需要的更高能量。當(dāng)熱量施加到熱電能量收集器100的一側(cè)上，具有P型材料的熱電元件IlOA中的電子將從低溫側(cè)流至熱電元件IlOA的熱偵牝以及具有η型材料IlOB的熱電元件IlOB的電子從熱側(cè)流至熱電元件IlOB的冷側(cè)。因此，如果熱電元件I1A串聯(lián)連接熱電元件110Β，形成了熱電偶，電子從ρ型材料的冷側(cè)流到P型材料的熱側(cè)，經(jīng)由互連150到η型材料的熱側(cè)，并進(jìn)入η型材料的冷側(cè)。在各熱電元件110AU10B中所產(chǎn)生的能量被合并，并在熱電能量收集器100的輸出端提供。
[0024]圖1B示出等效于圖1A中所示的熱電能量收集器100的電路。跨越熱電元件IlOA和IlOB開發(fā)的電壓由Vp與Vn表示。各個(gè)電壓和/或電流可被相加在一起，以提供并集成輸出電壓Vout，并在拉伸的情況下，電壓被相加，以獲得能供電典型低功率電子電路的有用電壓。
[0025]圖1A不按比例繪制，而是描述在一個(gè)實(shí)施例中收集器100的粗尺寸。熱電元件110A、I1B可具有最大化鄰近于介電層120的熱電元件110A、I1B的表面的形狀，熱電元件110AU10B可以具有矩形形狀，具有較長端部的側(cè)面相鄰介電層120，短邊相鄰于互連150。在另一實(shí)施例中，熱電元件110A、110B的至少一側(cè)可以是正方形。
[0026]熱電元件110A、110B的材料可經(jīng)選擇以使得熱電元件110A、110B的熱電阻小于電介質(zhì)層120的熱阻，使得該介電層不會(huì)引起太多的熱分流。熱電元件110AU10B的高耐熱性仍需要確保在熱電元件110AU10B的熱側(cè)和冷側(cè)之間維持的良好溫度差。熱電元件110A、1 1B的熱電阻可以通過控制熱電元件110A、1 1B的摻雜水平或通過引入散射元件以提高熱電元件110A、I1B的光子散射進(jìn)行增加，而不影響太多的電傳導(dǎo)。與熱電元件110A、IlOB的相對端相比，摻雜水平的濃度或散射元件可以在熱電元件110