[发明专利]晶片规模热电能量收集器

说明书

技术领域

本申请的主题涉及一种热电能量收集器，且更具体地涉及一种集成式单芯片热电能量收集器。

背景技术

热电装置将热（例如，热能）转化为电能。热电装置的热侧和冷侧之间的温差移动热电装置的半导体材料中的电荷载流子以产生电能。热电装置的材料被选择使得它为良好的电导体以产生电流，但为热的不良导体以保持热电装置的两侧之间所需的热差。当将热电装置的一侧置于热源（例如，发动机或电路）附近使得热电装置的一侧更热时，会产生温差。

通过热电装置能够产生的能量的量至少取决于热电装置中的温差、材料类型和热电装置的尺寸。例如，装置的热侧和冷侧之间的更大温差能产生更多的电流。此外，具有产生电流的更大表面积和/或更大材料的热电装置通常产生更多的电能。这些不同因素根据使用热电装置的应用进行调整。

现在越来越趋向于按比例减小热电装置的尺寸以用于新的应用（例如自维持传感器或移动装置）并生产可作为集成电路一部分的热电装置。然而，按比例减小热电装置的尺寸带来新的挑战，例如产生足够的能量和保持低的制造成本。此外，热电装置内的传统材料和/或材料的布置可能不能为某些应用提供所需的能量。其它挑战包括处理影响集成电路中毗邻部件的寄生热损失。

因此，发明人已经意识到本领域对包含高能量密度、低成本并解决寄生热损失的小规模热电装置的需要。

附图说明

为了能够理解本发明的特征，以下描述了多个附图。然而应当注意，附图只示出本公开的特定实施方案，且因而不应被视为限制其范围，因为本发明可涵盖其它等效实施方案。

图1(a)和图1(b)示出根据本发明的实施方案的热电能量收集器的示例性配置。

图2示出根据本发明的实施方案的热电能量收集器100的透视图。

图3示出根据本发明的另一个实施方案的热电能量收集器的示例性配置。

图4示出根据本发明的实施方案的具有封盖结构的热电能量收集器的示例性配置。

图5示出根据本发明的另一个实施方案的热电能量收集器的示例性配置。

具体实施方式

本发明的实施方案可以提供热电能量收集器，热电能量收集器可被提供于集成电路中。在一个实施方案中，集成电路可以包括基板和形成于基板上的电介质层。多个p型热电元件和多个n型热电元件可被布置于所述电介质层内。p型热电元件和n型热电元件可以按交替方式串联电连接。响应于热被施加到热电元件一侧，在热电元件的每个中可以产生电子的流动以提供电能。

在另一个实施方案中，可在基板上提供盖以封闭多个p型和n型热电元件，所述p型热电元件和n型热电元件被布置于基板上并串联连接，同时在p型热电元件和n型热电元件之间交替。热电元件之间可以保持真空或低压。盖和真空或低压可以减少集成电路周围区域的寄生热损失，并因而沿热电元件保持大的热梯度。

图1(a)示出根据本发明的实施方案的热电能量收集器100的示例性配置。热电能量收集器100可以包括基板层130上和电介质层120内的多个热电元件110A、110B。热电元件110A、110B可以包括不同类型的热电材料（例如p型和n型）的元件。热电元件110A、110B可以互连，以使每个热电元件有助于响应于第一侧（例如，热侧）和第二侧（例如，冷侧）之间的温度梯度通过热电能量收集器100提供的总能量。热接触层140可提供于电介质层120上，以支持第一侧和第二侧之间的温度梯度。热接触层140可由良好的热导体材料制成。

如图1(a)所示，热电能量收集器100可以包括提供有电介质层120的垂直结构并可以形成为单晶片。热电能量收集器100的晶片规模结构允许其与基板130上或基板130附近的其它集成电路部件（图1(a)中未示出）一起集成。

如图所示，热电元件110A、110B可以包括不同类型的热电材料（例如，p型和n型）。热电元件110A、110B的热电材料可以被选择以响应于热电元件两端之间的温差产生不同极性的电荷载流子从热电元件的一端向相对端的流动。在包含p型材料的热电元件110A中，正电荷载流子从热端向相对的冷端流动。相反，在包含n型材料的热电元件110B中，电子从具有热源的一端向较冷的相对端流动。