[发明专利]自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器

说明书

技术领域

本发明提出了物联网自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

现代物联网技术要求射频收发组件能够长时间低功耗地工作，而射频收发组件的能量损耗问题则是阻碍这一目标实现的一大难题。在常见的射频收发组件的能量损耗中，由于发热而造成的热损耗是一大关键部分。这一部分能量若能被利用，将能大大改善射频收发组件的功耗问题。而且还能避免不必要的发热对射频收发组件的工作产生影响。此外，还可利用光伏效应将最普遍的光能转换为电能收集。可以研制自供电传感器利用收集这些能量来为电路提供辅助电源。

然而对于光能(10-10000μW/cm2)、热量(25-1000μW/cm2)的能量采集，它们所提供的电压非常少，可能少于1V，电流也是毫安级或微安级。因此，能量采集技术的核心是能够通过更先进的拓扑结构和芯片设计。在此基础上地提出了适用于物联网自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器结构，基于砷化镓MMIC技术，在热电偶结构的半导体臂中制作一个PN结，形成了收集光和热两种能量的微传感器，同时将光能和收发组件发射部分所耗散的热能转换为电能，这种基于微传感器的能量收集，不仅为接收部分提供自供电，而且还能解决发射部分的散热问题；由无源器件所构成的该自供电低功耗热电-光电集成微传感器结构，没有直流功耗，完全满足了物联网通讯所提出的低功耗要求。

发明内容

技术问题：本发明提供一种自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器，是为了收集光能和热量以减少射频收发组件工作过程中不必要的能量损耗，同时改善发射部分散热问题，提高射频收发组件的性能。

技术方案：本发明提出了适用于自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器结构。该微传感器放置在射频功率放大器的顶部，它是由几个相同传感器模块组成的阵列结构。其中每个传感器模块由许多组热电偶串联连接，从而通过减小传感器的总电阻以提高输出的直流电压对充电电池的充电能力。传感器的热端放置在功率放大器热量集中的部位（散热板），而冷端远离热量集中的部分且紧靠金属外壳（热沉板），以达到传感器的冷热两端形成较大温差的目的。基于Seebeck效应在传感器阵列结构上产生直流电压的输出，该直流电压对充电电池进行充电储能；在传感器的半导体热偶臂的顶部制作一个PN结，并构成电流通路正向有序排列，并在PN结上方的热沉板开孔以增加光照面积，形成可以收集光能的光电式微传感器。

该微传感器放置在射频功率放大器的顶部，其特征是该微传感器由多个传感器并列连接构成，传感器由多个热电偶通过金属线串联而成，而热电偶主要部分是N型砷化镓的半导体臂和Au的金属臂构成，采用掺杂的P型砷化镓构成半导体臂和Au金属臂的顶部连接线，P型砷化镓构成的连接线与N⁺掺杂的砷化镓构成PN结，连接线与Au金属臂形成欧姆接触作为热电偶的冷端，半导体臂与金属线形成欧姆接触作为热电偶的热端，传感器以砷化镓衬底为基底，砷化镓衬底以下是导热板，上层覆盖热沉板，砷化镓衬底为支撑材料，起到支撑热沉板的功能，导热板下面接射频收发组件的散热板作为传感器的热端，热沉板作为传感器的冷端，热沉板表面光刻有圆形通孔用以通过光照，圆形通孔间距相同其正下方为PN结用以接收光能从而转换成电能，传感器外围辅以大电容及稳压电路，所获得的稳定直流电压，供给电路自身使用，实现了自供电。

本发明的自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器，同时实现了对光能、热能收集和利用。利用N型砷化镓和P型砷化镓制作PN结，可以有效地吸收光能，产生直流电流。每个PN结都以串联的方式连接，输出到外围的大电容和稳压电路。实现了光能到电能的转换。制作了MEMS传感器，传感器的热端朝下，靠近射频收发组件的散热板，而冷端朝上，远离散热板。基于seeback效应，MEMS传感器由于热端和冷端的温差产生直流电压。将该直流电压加到大电容上，可实现能量的储存。将产生的电压通过稳压电路，获得稳定的直流电压，实现了热能到电能的转换，最后，所获得的稳定直流电压，供给电路自身使用，实现了自供电。

有益效果：本发明的自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器基于砷化镓MMIC工艺，能够同时收集光能、热能的能量，实现自供电，相比传统的收集单一能量的自供电传感器，本发明体积更小，供电能力大大提高，能够有效的降低射频收发组件的功耗。同时，射频收发组件工作中散发的热量得到了有效吸收，增强了其散热性能。

附图说明

图1是自供电射频收发组件中砷化镓基热电-光电微传感器的俯视图；