專利名稱：隔離的單片電轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能為其次級線圏提供與施加到其主線圏的電源隔開的
低電壓D. C.電源電轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明主要應(yīng)用于施加給主線圈的電源為50或 60Hz的A. C.主電壓。轉(zhuǎn)換器將被稱為主電源。
器將具有多種應(yīng)用，例如，用于加電裝置編程器的供電。
背景技術(shù)：
主電源的一個缺點在于次級線圈必須從主線圈電隔離。主電源通常包 括變壓器，其通常是最重和體積最大的原件。該變壓器連接到用于整流A. C. 電流的電路，例如包括二極管橋、多個電阻和電容元件，用于建立D.C.參 考電壓的齊納二極管，以及可能的晶體管、閘流晶體管和/或用于電流或電 壓穩(wěn)定的觸發(fā)三極管。
并且，由于它們的重量和體積，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器不能繼承到便攜裝置如手 機中。
便攜電話通常具有用戶在移動模式中使用的可充電電池，并附帶售賣 連接到引線的充電器，該引線在一端連接到便攜裝置的電源入口，另一端 連接到主電源。手機用戶必須攜帶通常與手機一樣大并且可能更重的充電器。
直到現(xiàn)在，仍然沒有小體積的主電源或可以很容易設(shè)置在手機或其它 便攜裝置如掌上電腦中的充電器，其也能夠使該裝置通過簡單的電源線插 入到主電源插座上。 發(fā)明內(nèi)容由此，本發(fā)明的實施例提供了一種隔離的單片電轉(zhuǎn)換器，包括在由電 阻材料制成的襯底上，在其下表面上包括兩個彼此隔開的形成主線圈
(primary)的輸入電極，絕緣層，和至少兩個分別電串聯(lián)連接的P和N摻雜 的熱電半導體元件，串聯(lián)連接的末端形成轉(zhuǎn)換器的次線圏(secondary )。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，每個熱電元件包括在其上表面的涂敷金屬和其下 表面上的涂敷金屬。
才艮據(jù)本發(fā)明的實施例，襯底由硅制成。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一 P摻雜的熱電半導體元件由摻雜有銻的碲化 鉍、形成，第二 N 4參雜的熱電半導體元件由摻雜有硒的碲化鉍、形成。 根據(jù)本發(fā)明的實施例，轉(zhuǎn)換器包括多個彼此串聯(lián)的熱電單元。 將結(jié)合附圖在以下的具體實施例的非限制性描述中詳細說明本發(fā)明的 前述和其它目的，特征和優(yōu)點。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例使用熱點元件的隔離單片轉(zhuǎn)換器示例的簡化
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的隔離單片轉(zhuǎn)換器的示例的詳細截面圖； 圖3是安裝在具有冷卻器的支座上的圖2的轉(zhuǎn)換器的截面圖； 圖4示出了用于形成圖2的轉(zhuǎn)換器的不同步驟。
具體實施例方式
為了清楚起見，在不同的附圖中相同的元件用相同的附圖標記表示，并 且，如集成電路中通常表達的那樣，不同的附圖沒有按比例縮放。
圖1說明了隔離單片轉(zhuǎn)換器的示例，在其主線圏處通過A.C.源電壓Ue 和電流Ie提供，并為其次線圈提供D. C.電壓Us和電流Is。在硅晶片4的 背面的兩個端子2和3之間施加電壓Ue。硅晶片4的正面由電絕緣層5覆 蓋，該電絕緣層是好的熱導體。在層5上，電極6電連接兩個由N和P型 半導體層7和9形成的(反之亦可)熱電元件的下表面，在它們上表面上具有電極8和10。電極8和10形成電源的輸出或次級端子。
在工作中，能觀察到傳導電流的硅晶片的溫度由于焦耳效應(yīng)升高。該溫度升高穿過電絕緣層5傳輸?shù)诫姌O6和熱電元件7和9的下表面。熱電元件7和9的相對表面一邊上的電極8和10的溫度保持與外界溫度接近。由此通過塞貝克效應(yīng)在串聯(lián)的熱電元件7和9的電極8和10之間由于溫度梯度而產(chǎn)生了 D.C.電壓差Us。電極8和10由此能夠為圖中未示出的負載提供D. C.電流Is。該負載將例如是電池。在D. C.電壓源Us和負載之間可以插入多個電流和/或電壓調(diào)節(jié)元件。
圖2是隔離單片轉(zhuǎn)換器1的另一示例的放大簡化截面圖。如圖1中的相同元件具有相同的附圖標記。與圖1中示出了單對熱電元件相反，圖2示出了兩對熱電元件7 - 9和11 - 13， N型元件(9和11)和P型元件(7和13)中二者選一。電極6連接元件7和9的背面，電極12把元件7的正面連接元件ll的背面，電極14連接元件11和13的背面。D. C.輸出電壓在元件9的正面上的電極10和元件13的正面上的元件8之間是可利用的(工作)的。元件7、 9、 11和13通過電絕緣層5a橫向絕緣，該電絕緣層使裝置的上表面基本平坦，其使得導電層特別容易在其上表面沉積。隔開硅襯底4的電極6和14的絕緣層5優(yōu)選由電絕緣并且導熱的材料制成以確保襯底4和熱電元件7、 9、 11和13之間正確的熱連接。即使絕緣層5的材料不是非常好的熱導體，該層將會被選擇成足夠薄以基本避免影響在襯底和熱電元件之間的熱傳導。
在圖2中，箭頭分別示出了熱流(以虛線箭頭表示)和當其經(jīng)受溫度梯度時跨過每個熱電元件的電壓增加的方向(以實線箭頭表示)。
硅襯底4在其下表面上提供有兩個主電流輸入電極2和3。沒有覆蓋有電極2和3的下表面部分優(yōu)選覆蓋有透入襯底的電絕緣層16。在兩個電極2和3之間象征性地示出了電阻器15 ，由此系統(tǒng)化地表示了導致所述襯底4發(fā)熱的A. C.電流的阻抗電流(resistive f low)，因此對于熱電元件其用作熱儲蓄器(它們的相對表面為外界溫度)。
以下給出如圖2中示出的隔離單片轉(zhuǎn)換器1的兩個實施例。
示例1
在實施例的第一示例中，電源主要接收在50赫茲頻率的230瓦rms的 主A. C.電壓Ue。在電極2和3之間的距離，硅襯底的厚度，可以通過電絕 緣層16的滲入而調(diào)節(jié)，并且可以選擇硅摻雜以使電阻15具有17. 6kD的值 Rp。硅由此傳導13-mA的電流Ip,其對應(yīng)于主線圏處消耗的3瓦的總功率。
使用四個熱電元件，分別是N摻雜的9和11 (例如由硒摻雜的碲化鉍形 成)和P摻雜的7和13。該元件通常具有6%的塞貝克轉(zhuǎn)換系數(shù)(塞貝克 轉(zhuǎn)換系數(shù)是通過在這些元件觸點處的兩個熱和冷源的可利用熱源的熱電元 件的傳輸效率和跨過熱電元件恢復的電源)。對于98%的熱耦合，因此，5 伏的電壓Us和35-mA的電流Is,即總0. 18瓦的功率，在電極10和14之 間的電源的次級線圈處恢復了 。
由此得到了這樣的結(jié)果，例如，具有具有從約1至IO隱的邊和從約10 至50lam的熱電材^h厚度的正方形芯片。
示例2
在實施例的第二示例中，使用與示例l相同的元件和相同的參數(shù)值，除 了下列修改設(shè)定硅襯底的尺寸以使電阻Rp等于2. 3kQ，由此在主線圈處 得到了 100-mA的電流Ip和23瓦的功率。
在次級線圈處，對于總1. 3瓦的功率得到了 5伏的電壓和270mA的電流。 圖3示出了圖2的結(jié)構(gòu)的裝配示例。該結(jié)構(gòu)被翻轉(zhuǎn)以使其電極14、 8和 10分別與設(shè)置在支座17 (電極19是可選的)表面上的金屬電極18、 19和 20接觸。襯底10由電絕緣并且導熱的材料制成，例如陶瓷。其也可以是在 結(jié)構(gòu)1的一側(cè)上涂敷有薄電絕緣層的導電材料(金屬)。支座17的下表面 優(yōu)選與散熱器23的表面接觸，該散熱器能夠使支座17的溫度盡可能地接 近所需溫度(冷源)，例如外界溫度。如果不使用散熱器，支座17可以是
6印刷電路板(PCB)。
圖4示出了圖2的隔離單片轉(zhuǎn)換器的可能實施例的連續(xù)步驟。 在硅晶片4的一部分上，淀積電絕緣并且導熱的均勻?qū)? (步驟a ),在 其上以彼此遠隔的方式淀積兩個電極6和14 (步驟b ),隨后該組件覆蓋有 絕緣層5a(步驟c)。然后在層5a中分別在開口 6和12上并且以部分暴露 它們的方式形成兩個開口 7a和13a (步驟d ),隨后例如在開口 7a和13a 中分別淀積兩個P摻雜的熱電層7和13 (步驟e )。在層5a中分別在電極6 和12上再次形成兩個開口 9a、 lla,其開口分別接近于熱電元件7和13(步 驟f)。 N摻雜的熱電材料層9和ll分別淀積在開口中(步驟g)。在元件l 的上表面，由此可以在水平面上依次發(fā)現(xiàn)N型元件、P型元件、N型元件， 接著是P型元件，彼此通過層5a隔開，層5a也圍繞它們下至元件1的末 端。最后，熱電元件的上表面覆蓋有將這些元件串聯(lián)的電極電極10覆蓋 元件9,電極8電連接兩個元件7和11，同時電極14 (其上恢復D.C.輸出 電壓)覆蓋元件13的另一端(步驟h)。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，上述不同的元件可以具有不同的變體和修改。
由于相關(guān)的制造技術(shù)已經(jīng)在集成電路制造和MEMS元件領(lǐng)域中廣泛發(fā)展 了，能通過焦耳效應(yīng)加熱的電阻村底4優(yōu)選是單晶硅晶片。然而應(yīng)當注意
熱電元件可以由適當摻雜(N或P)的碲化鉍制成。也可以使用其它熱電 半導體材料例如碲化鉛、硅鍺、鉍銻等，只要它們的性能參數(shù)足夠在電源 所需的溫度范圍內(nèi)使用即可(例如從-4(TC到+ 80°0的外界溫度范圍內(nèi))。 實際上，這些材料的性能參數(shù)與表征元件的熱電轉(zhuǎn)換的塞貝克系數(shù)成正比， 性能參數(shù)越高，該材料的塞貝克系數(shù)就越大。
當襯底由硅制成時，初始淀積在襯底4上的絕緣層5將優(yōu)選為薄的氧化 硅層。也可以使用陶乾型材料層。元件1的支座17可以是任意類型的能被金屬化(電極)并且特別是現(xiàn)
在用在印刷電路組件中的支座，例如聚酯、聚酰亞胺、PET等。優(yōu)選使用具 有比上述塑料材料的導熱性能更好的陶瓷型支座。
由于這些元件成對使用(一個P型元件和一個N型元件串聯(lián)連接)，也 有可能將多個熱電元件連接在一起。這些對可以彼此串聯(lián)、并串聯(lián)連接或 并聯(lián)；如所述，它們可以設(shè)置在一條線上，或根據(jù)其它所需的幾何結(jié)構(gòu)設(shè) 置。
這里所述的隔離單片轉(zhuǎn)換器可以很輕并且體積很小。由此可以集成在手 機中以形成手機的電池充電器。便攜裝置然后可以通過筒單的電線連接到 電源插座。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)勢，主電源僅具有功能以產(chǎn)生由焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的加熱。 由此其可以是D. C.或任意頻率(5Q或60Hz)的A. C.電壓。
并且，當不同的電壓例如110和220V的電壓施加到其主線圈時，在下 襯底表面上可以提供幾組電極以優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的工作。
權(quán)利要求
1、隔離的單片電轉(zhuǎn)換器，包括在由電阻材料(4)制成的襯底上，在其下表面上包括兩個彼此隔開的形成主線圈的輸入電極(2，3)；絕緣層(5)，和至少兩個分別電串聯(lián)連接的P和N摻雜的熱電半導體元件(7，9)，串聯(lián)連接的末端形成轉(zhuǎn)換器的次線圈。
2、 如權(quán)利要求l的轉(zhuǎn)換器，其中每個熱電元件包括在其上表面的涂敷 金屬和其下表面上的涂敷金屬。
3、 如權(quán)利要求l的轉(zhuǎn)換器，其中襯底由硅制成。
4、 如權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其中第一 P摻雜的熱電半導體元件(7)由 摻雜有銻的碲化鉍形成，第二N摻雜的熱電半導體元件(9)由摻雜有硒的碲4b敘、形成。
5、 如權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其中轉(zhuǎn)換器包括多個彼此串聯(lián)的熱電單元。
6、 具有上述任意一個權(quán)利要求的轉(zhuǎn)換器的手機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種隔離單片電轉(zhuǎn)換器，包括在由電阻材料(4)制成的襯底上，在其下表面上包括兩個彼此隔開的形成主線圈的輸入電極(2，3)；構(gòu)成主線圈的絕緣層(5)，位于襯底的上表面，在絕緣層(5)上，至少兩個分別電串聯(lián)連接的P和N摻雜的熱電半導體元件(7，9)，串聯(lián)連接的末端形成轉(zhuǎn)換器的次線圈。
文檔編號H01L35/28GK101681919SQ200880011139
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月2日
發(fā)明者吉恩-魯克·莫蘭德 申請人:意法半導體有限公司