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日提交的美國申請序列號13/736783的延續(xù)部分，在此引入作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本申請的主題涉及一種熱電能量收集，并且更具體地涉及一種集成單芯片熱電能收獲。
【背景技術(shù)】
[0004]熱電設(shè)備將熱(例如，熱能)轉(zhuǎn)換成電能。熱電設(shè)備的熱側(cè)和冷側(cè)之間的溫度差在所述熱電設(shè)備的半導(dǎo)體材料中移動(dòng)電荷載體來產(chǎn)生電能。熱電設(shè)備的材料被選擇成使得它是電的良導(dǎo)體以產(chǎn)生電流流動(dòng)，但熱的不良導(dǎo)體以保持熱電設(shè)備的雙側(cè)之間的必要熱量差異。當(dāng)所述熱電元件的一側(cè)被放置在熱源(例如，引擎或電路)附近時(shí)，可以產(chǎn)生溫度差，使得所述熱電元件的一側(cè)更熱。
[0005]由所述熱電設(shè)備生成的能量量至少取決于溫差、熱電設(shè)備中材料的類型和熱電設(shè)備的大小。例如，設(shè)備的熱側(cè)和冷側(cè)之間有較大的溫度差可以產(chǎn)生更大的電流流動(dòng)。此外，具有產(chǎn)生電流流動(dòng)的較大表面面積和/或較大材料的熱電設(shè)備常規(guī)上產(chǎn)生更多的電能。這些不同的因素取決于對熱電設(shè)備被使用的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。
[0006]越來越關(guān)注于縮小熱電設(shè)備的尺寸用于新的應(yīng)用(例如，自可持續(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，按比例縮小熱電元件的尺寸引入了新的挑戰(zhàn)，諸如產(chǎn)生足夠的能量并保持制造成本較低。此外，熱電裝置內(nèi)的常規(guī)材料和/或材料安排可以不為某些應(yīng)用提供所需能量。其他挑戰(zhàn)包括處理在集成電路中影響相鄰組件的寄生熱損失。
[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的小規(guī)模熱電設(shè)備是成本低的并解決寄生熱損失。
【附圖說明】
[0008]因此，可以理解本發(fā)明的特征，多個(gè)附圖的說明如下。但應(yīng)當(dāng)指出，所附附圖僅僅示出本公開的具體實(shí)施例，因此不應(yīng)被視為其范圍的限制，因?yàn)楸景l(fā)明可包括其它同等有效的實(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)明實(shí)施例具有封蓋結(jié)構(gòu)的熱電能量收集器的示例性配置。
[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6A-6C示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的熱電能量收集器的示例性配置。
[0015]圖7A-7C示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(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)施例的熱電能收集器的示例性配置。
[0017]圖9A-9B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。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明實(shí)施例可提供能夠在集成電路中提供的熱電能量收集器。在一個(gè)實(shí)施例中，集成電路可包括基板和在基板上形成的介電層。多個(gè)P型熱電元件和多個(gè)η型熱電元件可設(shè)置在介電層內(nèi)。P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)于熱施加到熱電元件的一側(cè)上，可以在各熱電元件中產(chǎn)生電子流以提供電能。
[0019]在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)在P型和η型熱電元件之間交替時(shí)，蓋帽可以在基板上設(shè)置以包圍在基板上設(shè)置和串聯(lián)連接的多個(gè)P型和η型熱電元件。真空或低壓可保持熱電元件之間。蓋帽和真空或低壓可降低到集成電路周圍區(qū)域的寄生熱損失，從而保持沿著熱電元件的較大熱梯度。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，密封件可以由環(huán)繞有源熱電元件的虛設(shè)結(jié)構(gòu)而形成。真空或低壓可保持熱電元件之間和/或之內(nèi)的密封。虛設(shè)結(jié)構(gòu)可以是環(huán)形的形式，并且可以在制造工序中使用一些相同的步驟來形成，用于形成有源熱電元件。密封件也可以用于防止在制造過程中污染物進(jìn)入到有源熱電元件。
[0021]在一個(gè)實(shí)施例中，活性熱電元件可以水平傾斜和豎直傾斜，即相對于整個(gè)集成電路的熱梯度方向在兩個(gè)維度傾斜，以便最大化通過每個(gè)活動(dòng)的熱電元件的熱長度(熱能流動(dòng)的長度)。
[0022]在一個(gè)實(shí)施例中，所有串聯(lián)連接的多個(gè)熱電元件可以包括僅一種類型的熱電元件，即串聯(lián)連接的僅η型或僅P-型。純粹的η型或純P型熱電能量收集器可以更簡單以使用更少的工藝步驟制造。
[0023]圖1A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱電能量收集100的示例性配置。熱電能量收集器100可包括基板層130上方的和介電層120內(nèi)的熱電元件110Α、110Β。多個(gè)熱電元件110Α、IlOB可以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110A、1 1B可以相互連接，使得響應(yīng)于第一側(cè)(例如，熱側(cè))和第二側(cè)(例如，冷測)之間的溫度梯度，每個(gè)熱電元件有助于由所述熱電能量收集器100提供的總能量。熱接觸層140可以在介電層120上方提供，以支持所述第一側(cè)和所述第二側(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。
[0024]如圖1A所示，熱電能收集器100可包括設(shè)置有介電層120的垂直結(jié)構(gòu)，并且可以被形成為單個(gè)晶片。熱電能量收集器100的晶片級結(jié)構(gòu)允許它與基板130之上或鄰近的其他集成電路部件(圖1A中未示出)集成。
[0025]如所示，熱電元件110Α、IlOB可以包括不同類型的熱電材料(例如，ρ型和η型)。響應(yīng)于兩個(gè)端部之間的溫度差，熱電元件110Α、110Β的熱電材料可以被選擇以從熱電元件的一端到相對端產(chǎn)生不同極性的電荷載體流動(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)到相對冷端。與此相反，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。
[0026]多個(gè)熱電元件110A、1 1B可以連接成陣列，并在相鄰的熱電元件IlOA和IlOB中交替材料的類型(例如，η型和ρ型之間)。以這種方式，跨越熱電元件IlOA和IlOB開發(fā)的電壓和/或電流可以被一起求和以產(chǎn)生超過熱電元件IlOA和IlOB分別進(jìn)行的更大聚集電壓和/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110Β。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的陣列的輸出可并聯(lián)連接，以在特定應(yīng)用中提供所需的能量?；ミB150可以連接熱電元件IlOA和IlOB到相鄰的熱電元件IlOA和IlOBo
[0027]雖然每個(gè)熱電元件110Α、110Β可以提供少量的能量(例如，毫伏)，在陣列中連接熱電元件110Α、110Β可提供特定應(yīng)用所需的較高能量。當(dāng)熱施加到所述熱電能收集器100的一側(cè)時(shí)，在具有P型材料的熱電元件IlOA中的電子將從熱電元件IlOA的低溫側(cè)流至高溫側(cè)，和在具有η型材料的熱電元件IlOB中的電子將從熱電元件IlOB的高溫側(cè)流至低溫偵U。因此，如果熱電元件IlOA串聯(lián)連接熱電元件110Β，形成了熱電偶，電子就會(huì)從ρ型材料的冷側(cè)流向P型材料的熱側(cè)，經(jīng)由互連150進(jìn)入η型材料的熱側(cè)，并且進(jìn)入η型材料的冷偵U。在各熱電元件110A、1 1B所產(chǎn)生的能量相組合并在熱電能收集器100的輸出端提供。
[0028]圖1B示出等效于圖1A中所示的熱電能收集器100的電路?？缭綗犭娫蘒lOA和I1B發(fā)展的電壓由Vp與Vn表示。各個(gè)電壓和/或電流可以被加在一起以提供聚合輸出電壓Vout，并在引流的情況下，電壓被相加以獲得可以驅(qū)動(dòng)常規(guī)低功率電子電路的有用電壓。
[0029]圖1A并不按比例繪制，但描述在一個(gè)實(shí)施例中收集器100的粗略尺寸。熱電元件110A、1 1B可以具有最大化鄰近于介電層120的熱電元件110A、110B的表面的形狀。熱電元件110A、110B可以具有矩形的形狀，兩側(cè)具有相鄰于介電層120的較長端，和相鄰于互連150的短邊。在另一個(gè)實(shí)施例中，熱電元件110A、110B的至少一側(cè)也可以是正方形。
[0030]熱電元件110A、1 1B的材料可以被這樣選擇，使得熱電元件110A、1 1B的熱電阻器小于電介質(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110A、110B的高熱電阻仍需要確保良好的溫度差被維持在熱電元件110A、I1B的熱側(cè)和冷側(cè)之間。熱電元