物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器

摘要

本发明公开了一种物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器，通过在天线和MEMS热电堆，再辅以整流电路、大电容和稳压电路，构成利用射频发射机所耗散的热能以及射频收发机组件周围的杂散波电磁能形成的自供电微传感器。与现有的射频收发组件相比，应用了本发明的热和电磁自供电微传感器的射频收发组件有效地改善了射频收发组件的散热问题、杂散波干扰问题以及能量损耗，而且为电路提供了稳定的直流电压源；而且该结构工艺较为简单，与GaAsMMIC工艺相兼容，便于集成；本发明是一种收集两种能量的自供电微传感器，能量的收集效率较高，可以提高射频收发组件的性能。

权利要求

1.一种物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器，其特征在于该微传感器由微波功率放大器的散热板(1)外表面垂直放置的按正方形四边分布的四个分离的微传感器主体(3)构成，其中热和电磁能量自供电微传感器主体(3)以砷化镓衬底(4)为衬底，微传感器主体(3)的正反面结构分别是天线(7)和由MEMS热电堆金属热偶臂(5)、半导体热偶臂(6)交错相连构成的热电堆，其中所述正方形外侧的四面放置天线(7)，天线(7)通过由信号线(8)及其两侧的地线(9)构成的共面波导传输线接入外围整流电路(15,16,17,18)，并和大电容(11,12,13,14)构成电磁能量收集结构与稳压电路(19)连接；

而所述正方形内侧的四面各放置一组由MEMS热电堆金属热偶臂(5)、半导体热偶臂(6)交错相连构成的热电堆，其热端靠在散热板(1)外表面，冷端靠近热沉(2)，由四组串联相连的热电堆和收集电容(10)构成热能收集结构；

该自供电微传感器同时实现了对于热能和电磁波能量这两种能量收集的功能，通过MEMS热电堆收集射频收发组件中微波功率放大器耗散的热能，提高了射频发射机的散热性能；而天线收集了射频收发组件中的杂散波能量，提高了射频收发组件的电磁兼容性。

说明书

物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器

技术领域

[0001] 本发明提出了物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

[0002] 物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。射频收发组件也是物联网中的重要组成部分，射频收发组件中的散热问题和能量消耗问题在任何微波研究中是必不可少的。最常见的射频发射机是基于超外差式的发射机，该系统中微波功率放大器消耗了大量能量，通过热量形式耗散，使得整个系统的温度上升，使得可靠性变低。最常见的射频接收机是基于超外差式的接收机，其构成中的低噪声放大器需要直流电压偏置。随着MEMS技术发展，一方面，利用MEMS热电堆的塞贝克效应，通过热电堆使得发射机的所耗散的热量转化为直流电压，将此直流电压对大电容进行充电储能，进而经过稳压电路输出直流电压，对接收机的低噪声放大器提供直流偏置电压；另一方面，利用天线采集射频收发组件周围的杂散波的电磁能量，通过整流电路以及稳压电路对接收机的低噪声放大器提供直流偏置。从而解决了发射机系统的微波功率放大器的散热问题、杂散波对于射频收发组件的干扰问题以及接收机的低噪声放大器的自供电问题，使物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器的实现成为可能。

发明内容

[0003] 技术问题:本发明的目的是提供一种物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器，将自供电微传感器获得的稳定电压输出提供给低噪声放大器做直流偏置电压，从而解决了发射机系统的微波功率放大器的散热问题、杂散波对于射频收发组件的干扰问题以及接收机的低噪声放大器的自供电问题。

[0004] 技术方案：其结构主要是由在微波功率放大器散热板外表面垂直放置的按正方形四边分布的四个分离的组件构成，其中这四个组件以砷化镓为衬底，其正反面结构分别是天线和MEMS热电堆。其中正方形外侧的四面放置天线，正方形内侧的四面放置MEMS热电堆，MEMS热电堆的热端靠近散热板外表面，冷端靠近热沉，再辅以整流电路、大电容和稳压电路，构成利用射频发射机所耗散的热能以及射频收发机组件周围的杂散波电磁能形成的自供电微传感器。

[0005] 本发明的物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器由MEMS热电堆以及天线构成，在外围辅以整流电路、大电容以及稳压电路：

[0006] 该微传感器由微波功率放大器的散热板外表面垂直放置的按正方形四边分布的四个分离的微传感器主体构成，其中热和电磁能量自供电微传感器主体以砷化镓衬底为衬底，微传感器主体的正反面结构分别是天线和由MEMS热电堆金属热偶臂、半导体热偶臂交错相连构成的热电堆，其中所述正方形外侧的四面放置天线，天线通过由信号线及其两侧的地线构成的共面波导传输线接入外围整流电路，并和大电容构成电磁能量收集结构与稳压电路连接；而所述正方形内侧的四面各放置一组由MEMS热电堆金属热偶臂、半导体热偶臂交错相连构成的热电堆，其热端靠在散热板外表面，冷端靠近热沉，由四组首尾相连的热电堆和收集电容构成热能收集结构；

[0007] 该自供电微传感器同时实现了对于热能和电磁波能量这两种能量收集的功能。通过MEMS热电堆收集射频收发组件中微波功率放大器耗散的热能，提高了射频发射机的散热性能；而天线收集了射频收发组件中的杂散波能量，提高了射频收发组件的电磁兼容性。

[0008] 在射频发射机的微波功率放大器的散热板外表面设计和制备按正方形四边分布的四个分离的的组件，这四个组件以砷化镓为衬底，在正方形外侧的四面放置天线，内侧的四面放置MEMS热电堆，其中MEMS热电堆的热端靠近散热板外表面，并在四组热电堆冷端的外侧放置热沉来帮助散热以稳定工作温度。

[0009] 在射频发射机的微波功率放大器的工作过程中，会有大量的热能耗散，在散热板向热沉方向产生温度梯度，形成温差。在微波功率放大器的散热板外表面垂直放置的四个组件衬底内侧表面放置MEMS热电堆，其中MEMS热电堆由金属热偶臂和半导体热偶臂组成，将四组热电堆串联，基于塞贝克效应将会在首尾两端产生直流电压。将该直流电压加到大电容上，可实现热能的储存。将储存的直流电压通过稳压电路，以获得稳定的直流电压。

[0010] 在射频收发组件的工作过程中，会有大量的杂散电磁波能量耗散，在射频收发组件的环境中无处不在，为了将自供电微传感器集成为一个器件，可以把自供电微传感器的电磁能量收集部分和MEMS热电堆集成在一起。在微波功率放大器的散热板外表面垂直放置的四个组件衬底的外侧表面放置天线，将四个天线接收到的电磁能量分别接入整流电路，把产生的直流电压分别接入四个大电容，可实现电磁能量的存储。将储存的直流电压通过稳压电路，以获得稳定的直流电压。

[0011] 在射频接收机工作时，将由以上热能和电磁能转化而获得的稳定的直流电压提供给低噪声放大器作为直流偏置，从而实现了该自供电微传感器的基本功能。因此，通过热能和电磁能的再利用，有效地改善了射频收发组件的能量消耗，不仅可以改善发射机的散热性能，还可以改善杂散波对于射频收发组件的干扰，提高了射频收发组件的电磁兼容性。

[0012] 有益效果：本发明的物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器不但同时实现了对于热能和杂散电磁波能量这两种能量的收集，解决了射频收发组件中低噪声放大器的自供电问题，而且有效地改善了射频发射机的散热性能，提高了射频收发组件的电磁兼容性，降低了能量损耗。

附图说明

[0013] 图1是物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器的原理图。

[0014] 图2是物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器从A-A'面内侧向外看的平面结构图。

[0015] 图3是物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器从A-A'面外侧向内看的平面结构图。

[0016] 图中包括：散热板1，热沉2，微传感器主体3，砷化镓衬底4，MEMS热电堆金属热偶臂5，MEMS热电堆半导体热偶臂6，天线7，共面波导传输线信号线8，地线9，收集电容10,大电容11,12,13,14，整流电路15,16,17,18，稳压电路19，低噪声放大器20。

具体实施方式

[0017] 本发明的物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器的具体实施方案如下：

[0018] 该热和电磁自供电微传感器3利用MEMS热电堆以及天线构成，在外围辅以大电容、整流电路、稳压电路：

[0019] 在射频发射机的微波功率放大器的散热板1外表面设计和制备按正方形四边分布的四个分离的的组件3，这四个组件3以砷化镓为衬底4，在正方形外侧的四面放置天线7，内侧的四面放置MEMS热电堆，其中MEMS热电堆的热端靠近散热板外表面，并在四组热电堆冷端的外侧放置热沉2来帮助散热以稳定工作温度。

[0020] 在射频发射机的微波功率放大器的工作过程中，会有大量的热能耗散，在散热板1向热沉2方向产生温度梯度，形成温差。在微波功率放大器的散热板外表面垂直放置的四个组件3衬底4的内侧表面放置MEMS热电堆，其中MEMS热电堆由金属热偶臂5和半导体热偶臂6组成，将四组热电堆串联，基于塞贝克效应将会在首尾两端产生直流电压。将该直流电压加到大电容10上，可实现热能的储存。将储存的直流电压通过稳压电路19，以获得稳定的直流电压。

[0021] 在射频收发组件的工作过程中，会有大量的杂散电磁波能量耗散。在微波功率放大器的散热板1外表面垂直放置的四个组件3衬底4的外侧表面放置天线7，将四组天线7接收到的电磁能量通过共面波导传输线的信号线8、地线9传出后接入整流电路15,16,17,18，把产生的直流电压分别接入四个大电容11,12,13,14，可实现电磁能量的存储。将储存的直流电压通过稳压电路19，以获得稳定的直流电压。

[0022] 在射频接收机工作时，将由以上热能和电磁能转化而获得的稳定的直流电压提供给低噪声放大器20作为直流偏置，从而实现了该自供电微传感器的功能。

[0023] 物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器的制备方法：

[0024] 1）准备砷化镓衬底3：选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N＋砷化镓的掺杂18 -3
浓度为10 cm ，其方块电阻值为100～130Ω/□；

[0025] 2）在砷化镓衬底的一面上外延生长N+砷化镓。砷化镓作为热电堆砷化镓臂，形成热电堆的半导体热偶臂6的图形和欧姆接触区；

[0026] 3）反刻N＋砷化镓，形成其掺杂浓度为1017cm-3的热电堆的半导体热偶臂6；

[0027] 4）光刻：去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；

[0028] 5）溅射金锗镍/金，作为热电堆金属臂5，金锗镍/金的厚度为 ，其中金锗镍与砷化镓形成欧姆接触；

[0029] 6）剥离，形成热电堆的金属热偶臂5；

[0030] 7）在砷化镓衬底的另一面光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；

[0031] 8）蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；

[0032] 9）剥离，形成天线7和共面波导传输线的信号线8和地线9；

[0033] 10）蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/ ：蒸发用于电镀的底金；

[0034] 11）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

[0035] 12）电镀金，其厚度为2μm；

[0036] 13）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

[0037] 14）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成天线7和共面波导传输线的信号线8和地线9。

[0038] 区分是否为该结构的标准如下：

[0039] 本发明的物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器正反面结构分别是天线和MEMS热电堆。该自供电微传感器同时实现了对于热能和电磁波能量这两种能量收集的功能。通过MEMS热电堆收集射频收发组件中微波功率放大器耗散的热能，提高了射频发射机的散热性能；而天线收集了射频收发组件中的杂散波能量，提高了射频收发组件的电磁兼容性。

[0040] 满足以上条件的结构即视为本发明的物联网射频收发组件中的热和电磁能自供电微传感器。