專利名稱：有附加功能控制的集成燃料電池功率調(diào)節(jié)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池功率系統(tǒng)，特別地，涉及具有集成的功能功率調(diào)節(jié)電路的、芯片上的基于MEMS(微電子機械系統(tǒng))的燃料電池結構，以轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和調(diào)整輸出功率。
背景信息隨著個人便攜式計算機電子設備變得越來越小，需要使用提供更高功率密度的電池或電池等價物(即燃料電池)來給電子設備供電。
燃料電池及其控制已發(fā)展了許多年。在美國專利6,387,556中可以看到這樣的例子，其描述了一種包括用于監(jiān)控和控制燃料電池工作的控制器的燃料電池功率系統(tǒng)。在此通過引用包含該專利。
微電子機械系統(tǒng)(MEMS)已發(fā)展為形成通道和隔膜以在芯片級實現(xiàn)燃料電池。在Marsh的美國專利第6,312,846號中可以看到這個例子。該專利公開了在同一晶片(其上形成許多獨立的集成電路芯片的大襯底)上形成的燃料電池結構。通常，從晶片中裁剪出獨立的芯片并且單獨地封裝。然而，Marsh表示了在不同芯片上形成不同的功能電路，而且所述不同芯片依然在同一晶片上。然后通過在芯片之間離散布線或放置可以進行互連。這些芯片提供了包括功率轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和調(diào)整在內(nèi)的功能。在此和在本領域，功率轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和調(diào)整是冗余地使用的，術語“調(diào)節(jié)”、“轉(zhuǎn)換”和“調(diào)整”可能根據(jù)上下文互相包括或者排斥另兩個。
Marsh技術的一項限制在于實際實施將會較大，因為必須使用晶片的大部分，而晶片的直徑可能為四、八或更大英寸。這些大的部分包括不同芯片之間的間隔，而互連必須達到電連接。這些互連要求額外的步驟和相應的成本。
由上述引用的美國專利所表明的現(xiàn)有技術描述了如何制造所描述的芯片級的燃料電池結構。眾所周知，使用獨立的電子設備封裝來提供轉(zhuǎn)換、調(diào)整和調(diào)節(jié)功能，而使用電纜或焊接的導線來電子地互連獨立的封裝。
然而，不斷地需要減小尺寸，同時提供功率系統(tǒng)的更高功率密度以用于便攜式和不斷變小的計算機以及娛樂和商業(yè)電子設備。與這些需求相一致，本發(fā)明的一個目的是利用各種電子設備，包括切換模式或線性電源電路，以在有高功率容量的小封裝中提供實際的燃料電池電源。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于前述的背景討論，本發(fā)明提供了一種集成功率系統(tǒng)，其包括一個集成了均構造在單個芯片上的功率轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和調(diào)整控制的燃料電池陣列。燃料電池或燃料電池陣列在電接觸點提供了第一電壓輸出。如現(xiàn)有技術中所知的，燃料電池有通道和隔膜，而氣體在隔膜任意一側的通道中流動并在接觸點產(chǎn)生第一輸出電壓。一個優(yōu)選使用現(xiàn)有技術中已知的切換模式類型電路的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，接受第一輸出電壓并且對其進行轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)以產(chǎn)生適合于給電子系統(tǒng)(特別是電子設備、計算機和/或通信系統(tǒng))供電的第二輸出電壓。調(diào)節(jié)可能還特別包括有源或無源濾波。
用于燃料電池的控制器調(diào)整流入燃料電池通道的氣體。該氣流對應于在第一輸出電壓的功率輸出。提供了電路來檢測在第二輸出電壓所需的功率并向燃料電池控制器提供反饋信號。該燃料電池控制器響應，以滿足在第二輸出電壓的所需輸出功率。
在一個首選實施例中，集成功率系統(tǒng)在氣流通道中或者附近提供了嵌入式氣體溫度和壓力傳感器。將溫度和壓力饋給控制器，并用于最優(yōu)化系統(tǒng)性能。如那些技術中的專業(yè)人員所知的，在使用這一方案之前，可以測量和勾畫作為溫度和壓力的函數(shù)的系統(tǒng)性能，并且通過控制器可最優(yōu)化性能。
在芯片中集成功率晶體管，并且在首選實施例中，通過在芯片頂部蝕刻線路可以進行這些功率元件的互連，其中所述頂部是在集成電路制造中典型擴散和材料生長發(fā)生的芯片一側。在另一首選實施例中，穿過芯片到襯底側形成功率晶體管。在該配置中，在芯片的底部或襯底側，可獲得晶體管中的高電流密度和功率點。這允許在芯片的該側進行更好的散熱和更大的電連接。
在另一首選實施例中，在具有第一接觸點的獨立組件或獨立集成電路上構造功率轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和控制功能的一部分。然后給集成功率系統(tǒng)配置對應于第一接觸點的接觸點，以便在芯片上可以安裝至少一個組件，并且在芯片和獨立組件或集成電路之間可以進行電連接。
那些熟悉技術的人將會意識到，盡管下述的詳細描述將參照示意性實施例、附圖和使用方法來進行，本發(fā)明并不意在受這些實施例和使用方法的限制。相反地，本發(fā)明有較寬的范圍，并且意在僅由附上的權利要求書中所提出的來定義。


下文的本發(fā)明描述參見附圖，其包括圖1是本發(fā)明首選實施例的方框視圖；圖2A和2B是依照本發(fā)明制作的芯片的截面視圖；以及圖3是本發(fā)明一個實施例的功能方框圖。
具體實施例方式
圖1表示在同一模具或芯片2上，具有集成燃料電池陣列4以及功率轉(zhuǎn)換6、功率調(diào)節(jié)和調(diào)整8電路和功率晶體管10的單個集成電路芯片2(與獨立封裝這些功能相比)的方框視圖。
使用已知的MEMS技術來制作燃料電池陣列4，其中將MOSFET電源開關10或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)開關10，和功率轉(zhuǎn)換6控制電路8，例如切換模式類型電路(SMPS)構建成同一集成電路以作為燃料電池。
圖2A以橫截面表示燃料電池4、用于切換電源和調(diào)節(jié)電路的控制器功能6和8。圖2A的組件表示在芯片的頂側20電源集成電路的接觸區(qū)域，其中在上文中定義了“頂”側。在本例中，通過在芯片內(nèi)蝕刻線路或生長層，可以在燃料電池陣列4和集成的電路元件22之間進行連接?？梢詫⒓苫蛏踔练至㈦娐?4安放在基礎芯片2上。標記24可以包含(圖1的)轉(zhuǎn)換、調(diào)整和控制電路6和8，同時可以在集成區(qū)域22中形成(圖1的)功率晶體管10。在未畫出的另一實施例中，也可以在芯片上的集成區(qū)域之內(nèi)形成轉(zhuǎn)換、調(diào)整和控制電路。
圖2B表示本發(fā)明另一實施例，其中功率晶體管10構建在集成電路上，但功率晶體管從芯片延伸到下側或襯底側26。這種情況下，就底側22上的電源電路的接觸區(qū)域來說，可獲得大得多的區(qū)域來支持更高的電流密度和功率消耗。
允許上述首選實施例的實際集成技術包括MOS和雙極元件的單片集成，安放在同一芯片或載體上的多芯片(芯片上的芯片)，以及以更傳統(tǒng)的混合方法分立安放的元件。這些組件和結構在技術中是已知的，但在每個這些例子中，不需要分立或額外的布線。
圖3表示在本發(fā)明一個實施例中的操作功能?？刂破?0向燃料電池32直接輸入輸出功率引線34、并提供一個向系統(tǒng)負載40輸出規(guī)定功率38的切換電源調(diào)節(jié)器36。調(diào)節(jié)器的輸出電壓可以是任意的現(xiàn)有技術中通常使用的電壓，即1.8、2.5、3.8和/或5.0伏。但是，事實上可以使用任意輸出電壓，包括雙極電壓(負的)。切換電路可以是在現(xiàn)有技術中已知的典型應用中可看到的。如現(xiàn)有技術中所知的，系統(tǒng)還可以監(jiān)控負載狀態(tài)并將該信息以數(shù)字信號的形式通過適當?shù)臄?shù)據(jù)總線反饋回燃料電池的嵌入控制器功能42。如Marsh在美國專利第6,312,846號中所講授的，該嵌入的燃料電池控制器監(jiān)控氣壓和溫度44，并能夠輸出信號以控制燃料電池氣體46的流速以適合不同應用中的不同功率需求。由功率系統(tǒng)的控制部分使用溫度和壓力以最優(yōu)化系統(tǒng)性能。如現(xiàn)有技術中已知的，可以產(chǎn)生燃料電池工作的系統(tǒng)性能曲線以適合系統(tǒng)對溫度和壓力測量的響應。現(xiàn)在，構建這種燃料電池和控制器在現(xiàn)有技術中是眾所周知的，并且在此通過引用包含了Marsh專利，因為它表示了MEMS燃料電池和控制器的構建。
在功率調(diào)節(jié)電路(與一個切換模式電源電路SMPS相關)中的負載感應單元和燃料電池控制器之間的反饋數(shù)據(jù)路徑允許一種與現(xiàn)有電源負載匹配能力一致的系統(tǒng)閉合環(huán)路反饋方法。負載感應單元可以是電流反射鏡MOS晶體管對，一個在到負載的電流線路中，并且鏡像在控制器中。按照已知的技術，(通過通道寬度/長度)可以構造反射鏡晶體管以提供一個等于負載電流的鏡像或一個更小或更大的鏡像。
通過使用負載監(jiān)控功能釋放出備用和空閑功率應用的燃料電池功率的一小部分，IC控制器和功率調(diào)節(jié)電路的啟動可以使用引導啟動的方法。當功率需求增加而按需求來提供直至全功率時，負載監(jiān)控還可作為一個與燃料電池控制器通信的觸發(fā)器。
應當理解在此提出的上述實施例是作為例子的，其許多修改和變更都是可行的。因此，應當更寬泛地把本發(fā)明看作僅由在此后附上的權利要求書中所提出的來定義。
權利要求
1.一種構建在單個芯片上的集成功率系統(tǒng)，所述集成功率系統(tǒng)包括至少一個構建在所述芯片上的燃料電池，其限定氣體流動的通道和一個電壓信號并且定義了一個電壓信號，用于接受燃料電池氣體進入所述通道的裝置，一個從所述燃料電池接受所述電壓信號并將該電壓轉(zhuǎn)換成一個適合于在電子設備系統(tǒng)中使用的第二輸出電壓的功率轉(zhuǎn)換器，一個調(diào)整流入和/或流經(jīng)所述至少一個燃料電池的氣體的燃料電池控制器，其中所述氣流對應于所述至少一個燃料電池的功率輸出，用于檢測通過所述第二輸出電壓傳輸?shù)墓β什⑻峁┡c此對應的反饋信號的裝置，用于連接所述信號到所述燃料電池控制器的裝置，其中所述燃料電池控制器響應于所述反饋信號以滿足所傳輸?shù)墓β省?br> 2.一個權利要求1的集成功率系統(tǒng)，進一步包括用于測量流動的氣體的溫度和壓力并且用于向所述集成功率系統(tǒng)發(fā)送所述測量的裝置。
3.一個權利要求1的集成功率系統(tǒng)，其中所述集成功率系統(tǒng)限定所述芯片的兩側，所述第一側是在構建并且互連多個單片結構之處，所述芯片的第二側限定所述襯底，并且在此處所述功率轉(zhuǎn)換器包括經(jīng)由第二輸出電壓發(fā)出電流的功率晶體管。
4.一個權利要求3的集成功率系統(tǒng)，其中將所述功率晶體管集成進所述芯片，并且在所述芯片的第一側進行與其的連接。
5.一個權利要求3的集成功率系統(tǒng)，其中將所述功率晶體管集成進所述芯片，并且在所述芯片的第一和第二側上都進行與其的連接。
6.一個權利要求1的集成功率系統(tǒng)，其中在至少一個限定多個第一接觸點的組件上構建所述功率轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和控制功能的至少一部分，并且其中所述芯片限定對應于所述第一接觸點的多個接觸點，以便在所述芯片上安放所述至少一個組件，并在所述芯片和所述至少一個組件之間進行電連接。
7.一個權利要求1的集成功率系統(tǒng)，其中所述功率轉(zhuǎn)換功能包括一個切換模式類型電路。
全文摘要
給一種具有燃料電池陣列(4)的功率系統(tǒng)集成了功率轉(zhuǎn)換和控制電路(6、8)以在單個芯片(2)上形成一個組件。所述功率系統(tǒng)可以包括安放的分立元件或倒裝晶片。所述功率晶體管(10)可被構建為與所述芯片的頂部和底部同時接觸，其中底部上較大區(qū)域允許高功率消耗和電流密度。如在集成電路中常見的，通過蝕刻線路或集成的層，在元件之間進行電連接。所述控制功能包括響應于所述提供的功率，控制在燃料電池通道中的氣流?？梢詼y量溫度和壓力并用于最優(yōu)化所述功率系統(tǒng)的工作。
文檔編號H01M8/02GK1720631SQ200380105266
公開日2006年1月11日 申請日期2003年12月1日 優(yōu)先權日2002年12月6日
發(fā)明者唐納德·J·德比安 申請人:唐納德·J·德比安