專利名稱：熱電電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及熱電裝置，更具體地，涉及一種自給自足熱電電源，其 具體地用于產(chǎn)生相對(duì)高電壓功率輸出，例如用于驅(qū)動(dòng)^:電子器件。
背景技術(shù)：
微電子器件不斷向微型化發(fā)展的趨勢(shì)迫使要開(kāi)發(fā)小型化的電源。電池和 太陽(yáng)能電池是用于微電子器件的傳統(tǒng)電源。然而，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間地消耗電池而 提供的功率需要周期性地更換電池。太陽(yáng)能電池雖然具有有效地?zé)o限使用壽 命，但只能提供暫時(shí)的能源，因?yàn)樘?yáng)或其他光源不能總是可得到的。此外， 太陽(yáng)能電池還需要周期性地清潔表面，以便維護(hù)其能量轉(zhuǎn)換的效率。
熱電發(fā)生器是一種自給自足的能源，它根據(jù)塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)換成電
7能，塞貝克效應(yīng)是這樣一種現(xiàn)象，即熱差值可以轉(zhuǎn)換成電，主要是由于電荷 載流子在導(dǎo)體中擴(kuò)散。在塞貝克效應(yīng)作下，電能可以通過(guò)利用熱電偶產(chǎn)生，
每個(gè)熱電偶包含一對(duì)一端連接的不同類金屬(n型和p型)。n型和p型分別是 指材料內(nèi)部的負(fù)的和正的電荷載流子。
存在于熱電偶兩端的溫度梯度可以人工地施加，或者也可以自然發(fā)生， 如廢熱或散逸熱不斷地通過(guò)人體排出。在一塊手表中，其一面在環(huán)境溫度下 暴露于空氣中，同時(shí)相對(duì)的一面暴露于戴表者皮膚的更高溫度下。因此，在 該手表的厚度上即會(huì)呈現(xiàn)小的溫度梯度。熱電發(fā)生器可以結(jié)合到該手表中， 作為一個(gè)自容式單元，以利用散逸熱或廢熱，并產(chǎn)生足夠運(yùn)行該手表的供電 功率。有利的是，許多^:電子器件在大小上都相似于一塊典型的手表，它只 需要很少量的功率，因此可以通過(guò)熱電發(fā)生器兼容供電。
在微電子學(xué)產(chǎn)業(yè)上的連續(xù)開(kāi)發(fā)導(dǎo)致某些微型化電子應(yīng)用的增加，而許多 現(xiàn)代電子器件的功耗在相應(yīng)地減少。
這種電子器件在功率需求上的減少允許了替代能源的應(yīng)用，比如熱電發(fā) 生器。
當(dāng)被用作熱能獲取裝置，以恢復(fù)熱能作為消失到環(huán)境中的散逸熱，這種 熱電發(fā)生器可以被用于驅(qū)動(dòng)微電子或傳感器系統(tǒng)。隨著這種現(xiàn)代電子器件的 功能密度的增加，這些裝置的功耗減少到微瓦和納瓦水平，這種增加部分是 由于將許多組成這種電子器件的分部件進(jìn)行集成。然而，許多微電子器件常 常需要一種更高的功率。這種更高的功率需求常常在毫瓦范圍內(nèi)。
從上述微電子微型化的開(kāi)發(fā)方面來(lái)看，在現(xiàn)有技術(shù)中需求一種用于這種 微電子器件的電源，能夠?yàn)槠涮峁┍举|(zhì)上的連續(xù)供電。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中 需要一種電源，用于不需要周期性的更換電源的微電子器件。
另外，在現(xiàn)有技術(shù)中需要一種用于微電子器件的電源，能夠?yàn)槠涮峁┮?種穩(wěn)定且有效的功率來(lái)源，并且具有實(shí)際上無(wú)限的有效壽命。最后，在現(xiàn)有 技術(shù)中需要一種電源，例如可以被用于微電子器件，能夠從本質(zhì)上只使用小的溫度梯度即可將常規(guī)能源轉(zhuǎn)換成電能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明具體地闡述并緩和了對(duì)前述與用于微電子器件的電源相關(guān)的需 求，其提供了一種熱電電源，具體地用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能，且只利用小的 溫度梯度，例如由于身體或廢熱而發(fā)生的溫度梯度。更具體地，本發(fā)明提供 了 一種熱電電源，能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)換為具有伏特范圍電壓的相對(duì)高的功率輸出， 且以穩(wěn)定可靠的方式提供該功率，以驅(qū)動(dòng)微電子器件，如傳感器系統(tǒng)。
在最廣泛的意義中，本發(fā)明包括 一平面內(nèi)(in-plane)熱電發(fā)生器、 一交叉平面(cross-plane)熱電發(fā)生器、 一初始能量管理組件、 一電壓轉(zhuǎn)換 器及一最終能量管理組件。所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器可以類似于如下文獻(xiàn)公開(kāi) 的內(nèi)容構(gòu)造，美國(guó)專利號(hào)6, 958， 443，由斯塔克(Stark)等人發(fā)表，其全 部?jī)?nèi)容結(jié)合于此作為參考。所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器通常被構(gòu)造為，具有較多 數(shù)量的熱偶，串聯(lián)設(shè)置于一基片上，以產(chǎn)生相對(duì)高的熱電電壓，但具有較低 的功率輸出。
初始能量管理系統(tǒng)從平面內(nèi)熱電發(fā)生器接收相對(duì)高電壓和低功率輸出， 并用于校正熱電電壓，防止額外電壓通過(guò)二極管，并在一能量存儲(chǔ)單元中存 儲(chǔ)或積累足夠量的能量，以激活電壓轉(zhuǎn)換器。所述初始能量管理組件可以進(jìn) 一步包括一電壓檢測(cè)器，用于當(dāng)達(dá)到一定的電壓門限值時(shí)釋放功率給電壓轉(zhuǎn) 換器。
所述電壓轉(zhuǎn)換器具體用于在該電壓經(jīng)初始能量管理組件處理后，被來(lái)自 于平面內(nèi)熱電發(fā)生器的電壓激活或驅(qū)動(dòng)。那么，所述電壓轉(zhuǎn)換器能夠通過(guò)使 用電壓倍增原理，如使用電荷泵，將來(lái)自于交叉平面熱電發(fā)生器的低電壓輸 出轉(zhuǎn)換為相對(duì)高電壓。更具體地,所述電壓轉(zhuǎn)換器用于將交叉平面熱電發(fā)生 器的相對(duì)低的熱電電壓輸出倍增。
較佳地，所述交叉平面熱電發(fā)生器用于產(chǎn)生相對(duì)高的功率輸出但具有低電壓。不幸的是，由于組成交叉平面熱電發(fā)生器的熱偶的幾何結(jié)構(gòu)，在相對(duì)
低的電壓及小溫度梯度下提供高功率輸出，使得電壓過(guò)低，以致無(wú)法驅(qū)動(dòng)大
多數(shù)現(xiàn)代的電子電路。但是,通過(guò)將平面內(nèi)熱電發(fā)生器與交叉平面熱電發(fā)生
器相結(jié)合，可以利用結(jié)合后的每個(gè)優(yōu)點(diǎn)來(lái)克服單個(gè)的缺點(diǎn)，以提供具有與用 在功率消耗要求高的電子器件中的電功率輸出相兼容的熱電電源。
在本發(fā)明的熱電電源中，將交叉平面熱電發(fā)生器提供的相對(duì)低的電壓倍 增后，電壓轉(zhuǎn)換器直接向最終能量管理組件提供電能，該最終能量管理組件 像初始能量管理組件一樣，也校正和限制電壓，為集成的能量存儲(chǔ)單元充電， 通過(guò)一電壓檢測(cè)器檢測(cè)所存儲(chǔ)的能量的狀態(tài)，用于釋放給外部功率接收器， 如微電子器件。
可選地，由最終能量管理組件釋放的部分功率可以被重新循環(huán)回電壓轉(zhuǎn) 換器，以驅(qū)動(dòng)該電壓轉(zhuǎn)換器，其可以提供減少平面內(nèi)熱電發(fā)生器的功率需求、 尺寸及成本的能力。因此，所述初始能量管理組件用于初始激活所述電壓轉(zhuǎn) 換器，此后，所述初始能量管理組件可以用于向最終器件提供能量。
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為一實(shí)施例中的熱電電源的示意圖，包括一平面內(nèi)熱電發(fā)生器、一 交叉平面熱電發(fā)生器、 一初始能量管理組件、 一電壓轉(zhuǎn)換器及一最終能量管
理組件；
圖2為平面內(nèi)熱電發(fā)生器的立體圖，表示了使用薄膜技術(shù)沉積于基片上 的p型和n型熱電管腳的基本構(gòu)造；
圖3為交叉平面熱電發(fā)生器的立體圖，其中一對(duì)相間隔的熱偶極板設(shè)置 為方格圖案的p型和n型熱電管腳結(jié)構(gòu)；
圖4為一可選實(shí)施例中的熱電電源的示意圖，其中，所述平面內(nèi)熱電發(fā) 生器和交叉平面熱電發(fā)生器被構(gòu)造為分離單元，其中的初始能量管理組件、電壓轉(zhuǎn)換器及最終能量管理組件被集成在一起，例如被集成為一單一的電組
件；以及
圖5為一進(jìn)一步的可選實(shí)施例中的熱電電源的示意圖，其中的平面內(nèi)熱 電發(fā)生器和交叉平面熱電發(fā)生器共享相同的熱偶極板，與圖1所示類似，但 其中的初始能量管理組件和最終能量管理組件與電壓轉(zhuǎn)換器被集成為一單一 的電子組件。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)附圖，其中所示內(nèi)容的目的是用于表示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而非對(duì) 其限制。
如圖l所示，為一種熱電電源IO的示意圖，其具體地用于將熱能轉(zhuǎn)換成 電能，且只利用小的溫度梯度，例如通過(guò)身體或廢熱發(fā)出的溫度梯度。有利 的是，本發(fā)明的電源IO用于以這種小的溫度梯度產(chǎn)生電能，該電能具有大功 率輸出且具有穩(wěn)定的且相對(duì)高電平的電壓，足夠驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代的微電子器件和傳 感器系統(tǒng)。
在最廣泛的意義中，熱電電源10包括 一平面內(nèi)熱電發(fā)生器12、 一交叉 平面熱電發(fā)生器14、 一初始能量管理組件40、 一電壓轉(zhuǎn)換器58及一最終能 量管理組件64。平面內(nèi)熱電發(fā)生器12具有即使在很小的溫度梯度也能產(chǎn)生相 對(duì)高電壓的優(yōu)點(diǎn)。
平面內(nèi)熱電發(fā)生器12串聯(lián)設(shè)置有相對(duì)較多數(shù)量的熱偶38，由于設(shè)置有相 對(duì)長(zhǎng)且薄的n型和p型熱電管腳34、 36,且通常是彼此并聯(lián)且間隔設(shè)置，因 此，所以平面內(nèi)熱電發(fā)生器12具有相對(duì)高的熱阻抗。更具體地，該熱電管腳 的長(zhǎng)度位于毫米范圍內(nèi)，其中，管腳的厚度為微米數(shù)量級(jí)，高達(dá)幾十微米。 在這點(diǎn)上，熱電管腳的長(zhǎng)度與其厚度之比需要使穿過(guò)平面內(nèi)熱電發(fā)生器12的 熱流的量相對(duì)小。
不幸的是，平面內(nèi)熱電發(fā)生器12的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了相對(duì)高的電阻，這也是由于有相對(duì)較多數(shù)量的電性串聯(lián)的熱偶38。另外，高電阻是熱電管腳的長(zhǎng)度與 其截面之比相對(duì)較大的結(jié)果。該高電阻導(dǎo)致相對(duì)低的功率輸出。進(jìn)一步地， 平面內(nèi)熱電發(fā)生器12的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了相對(duì)低水平的效率，這是由于穿過(guò)基片26 的寄生熱流造成的，在該基片26上設(shè)置有n型和p型熱電管腳34、 36。
正如前面所提到的，用于平面內(nèi)熱電發(fā)生器12構(gòu)造的通常結(jié)構(gòu)將該裝置 構(gòu)建為一箔片段24或一組箔片段24,具有相對(duì)較多數(shù)量的熱偶38,該熱偶 38本身電性串聯(lián)。構(gòu)成熱偶38的p型和n型熱電管腳36、 34使用金屬橋30 和金屬接觸物32連接，如圖2所示。該金屬橋30和金屬接觸物2可以在設(shè) 置p型和n型熱電管腳36、 34之后沉積于基片26上，從而形成薄膜熱電結(jié) 構(gòu)，構(gòu)成平面內(nèi)熱電發(fā)生器12構(gòu)造。
該平面內(nèi)熱電發(fā)生器可以通過(guò)許多可選技術(shù)制造。例如，該平面內(nèi)熱電 發(fā)生器可以采用MEMS硅基技術(shù)制造，比如描述在如下文獻(xiàn)中的內(nèi)容，名稱為 "用于能源供應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換器"，由H .格羅什(Glosch)等發(fā)表，再版于名稱 為"傳感器和激勵(lì)器"的刊物的第246-250頁(yè)，編號(hào)為74 (1999)。另外，平 面內(nèi)熱電發(fā)生器12可以采用硅技術(shù)制造，比如描述在如下文獻(xiàn)內(nèi)容中，名稱 為"基于多晶硅和多晶硅鍺表面微加工的微型化熱電發(fā)生器"，由英飛凌技術(shù) A.G,無(wú)線電產(chǎn)品，樣t系統(tǒng)和慕尼黑科技大學(xué)，電工物理學(xué)學(xué)會(huì)的M .斯塔斯 爾(Strasser)等發(fā)表。
對(duì)用于制造平面內(nèi)熱電發(fā)生器的硅基技術(shù)的進(jìn)一步描述在如下文獻(xiàn)內(nèi)容 中，名稱為"互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Meta卜0xide Semiconductor, 簡(jiǎn)稱CMOS)低功率熱電發(fā)生器的分析"，由英飛凌技術(shù)和 慕尼黑科技大學(xué)的M .斯塔斯?fàn)?Strasser)等發(fā)表。平面內(nèi)熱電發(fā)生器可以進(jìn) 一步使用電鍍技術(shù)制造，類似于如下文獻(xiàn)的內(nèi)容，名稱為"在柔性箔片基片 上微制造熱電發(fā)生器作為自主微系統(tǒng)的電源"，由曲溫明等發(fā)表，其出版于微 型機(jī)械學(xué)和微工程雜志11期(2001)中的第146-152頁(yè)。
在可選的結(jié)構(gòu)中，熱偶38的相對(duì)高密度可以利用基片26的堆疊而實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步地，箔片段24或基片26可以被輥軋成螺旋形，以便產(chǎn)生圓形熱電發(fā) 生器，其類似于如下文獻(xiàn)公開(kāi)的內(nèi)容，美國(guó)專利公開(kāi)號(hào)20060151021，名稱為 "低功率熱電發(fā)生器"。 一對(duì)間隔的熱偶極板22(即，頂板和底板)可以通過(guò)例 如焊接到一堆或一巻薄膜(即，沉積于基片26上的熱偶38)上的方式而被結(jié)合 在一起，以便與其熱連接，并將熱電發(fā)生器連接到外部熱源18和吸熱設(shè)備20 上。
平面內(nèi)熱電發(fā)生器12與初始能量管理組件40的電連接可以這樣實(shí)現(xiàn)， 使用熱偶極板22中的至少一個(gè)(即，頂板和底板之一)，或直接將熱偶鏈的相 對(duì)端連接到初始能量管理組件40上。在使用熱偶極板22進(jìn)行連接時(shí)，頂板 和底板最好由導(dǎo)電材料制造，例如金屬材料。
熱偶極板22的內(nèi)表面除了在一組交替的n型和p型熱電管腳34、 36的 末端以外，最好涂敷有非導(dǎo)電涂層，其中，所述非導(dǎo)電涂層此處省略了。熱 偶極板22 (即，頂板或底板)又電連接于一組交替的n型和p型熱電管腳34、 36的各自相對(duì)端。熱偶極板22然后電連接于初始能量管理組件40,類似于 手表電池與手表的連接。
可選地，平面內(nèi)熱電發(fā)生器12可以連接于初始能量管理組件40，通過(guò)直 接連接到平面內(nèi)熱電發(fā)生器12的熱偶鏈的末端。更具體地，在該結(jié)構(gòu)中，熱 偶極板22(即，頂板和底板)可以由非導(dǎo)電材料制造，如相對(duì)高導(dǎo)熱的陶資材 料或其他具有相對(duì)高導(dǎo)熱性的合適材料?？蛇x地，熱偶極板22內(nèi)表面中的至 少一個(gè)表面可以涂敷有非導(dǎo)電涂層。
在另一實(shí)施例中，描述在美國(guó)專利號(hào)為6， 958, 443的文獻(xiàn)中的將頂板 和底板粘貼于箔片段上的導(dǎo)熱膠水或黏合劑被，最好為非導(dǎo)電的，因此不需 要單獨(dú)的非導(dǎo)電涂層。進(jìn)一步地，可以考慮使所述熱偶極板22(即，頂板和底 板)由導(dǎo)電材料制造(例如，金屬)，其通過(guò)非導(dǎo)電涂層和/或通過(guò)將箔片段24 粘貼于頂板和底板的非導(dǎo)電膠水，與箔片段24電絕緣。熱電電源10可以包 括導(dǎo)電線，用于將一組交替的n型和p型熱電管腳34、 36的各自相對(duì)端連接于初始能量管理組件40。
關(guān)于交叉平面熱電發(fā)生器14的構(gòu)建，其構(gòu)造如圖3所示，可以采用多晶 塊材料制造，用在例如現(xiàn)有"t支術(shù)中已知的標(biāo)準(zhǔn)佩爾蒂埃(Peltier)冷卻器。 在本結(jié)構(gòu)中，p型和n型熱電管腳36、 34的長(zhǎng)度典型地是在毫米范圍內(nèi)，用 于利用多晶塊材料的結(jié)構(gòu)?？蛇x地，對(duì)于采用薄膜技術(shù)的構(gòu)建方法，為了產(chǎn) 生交叉平面熱電發(fā)生器14,熱電管腳的長(zhǎng)度可以在數(shù)十微米范圍內(nèi)。在該構(gòu) 造中，設(shè)置于一對(duì)間隔的熱電管腳的上端和下端的熱偶極板22作為基片26， 用于薄膜沉積。
較佳地，如圖3所示的用于交叉平面熱電發(fā)生器14的結(jié)構(gòu)提供了相對(duì)低 的電阻，這是因?yàn)橛邢鄬?duì)較少量的熱偶38串聯(lián)設(shè)置。另外，交叉平面熱電發(fā) 生器14構(gòu)造的低電阻是由于n型和p型熱電管腳34、 36的長(zhǎng)度與其截面的 比相對(duì)較小的結(jié)果。與平面內(nèi)熱電發(fā)生器12的結(jié)構(gòu)相反，交叉平面熱電發(fā)生 器14中的熱電管腳的相對(duì)小縱橫比導(dǎo)致了相對(duì)高的功率輸出。
另外，由于缺少如平面內(nèi)熱電發(fā)生器12中存在的互聯(lián)熱偶極板22的基 片26，交叉平面熱電發(fā)生器14提供一種相對(duì)高的效率能力，用于將熱能轉(zhuǎn)換 為電能。這是由于缺少如平面內(nèi)熱電發(fā)生器12構(gòu)造中存在的穿過(guò)基片26的 寄生熱流的結(jié)果。較佳地，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致熱流僅僅穿過(guò)熱電管腳。不幸地是， 由較小縱橫比(即，低電阻和高功率輸出)提供的優(yōu)點(diǎn)也意味著交叉平面熱電 發(fā)生器14展現(xiàn)出相對(duì)低的熱阻抗，因?yàn)槠渚哂邢嗤牡涂v橫比。
更具體地，熱電管腳長(zhǎng)度與其截面相對(duì)低的比率導(dǎo)致低的熱阻抗，從而 導(dǎo)致穿過(guò)該裝置的較大量的熱流。交叉平面熱電發(fā)生器14的不利特性與相對(duì) 有限數(shù)量的熱偶38相關(guān)，該熱偶38可以在最小化該裝置的總體尺寸的同時(shí) 電性串聯(lián)。盡管具有高功率能力，但有限數(shù)量的熱偶38在小溫度梯度下仍導(dǎo) 致相對(duì)低的電壓輸出。
交叉平面熱電發(fā)生器14可以由各種薄膜技術(shù)制造，該技術(shù)描述在如下文 獻(xiàn)中。例如，交叉平面熱電發(fā)生器14可以采用如下文獻(xiàn)中所描述的方式制造，名稱為"微佩爾特(Micropelt)小型化熱電裝置，小尺寸，高度冷卻功率密 度，短響應(yīng)時(shí)間11，由德國(guó)弗賴堡(Freiburg )的弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)(Fraunhofer Institute Physikalische Messtechnik， IPM)的H-貝特納(Boettner)發(fā) 表，或名稱為"微佩爾特技術(shù)發(fā)展水平，路標(biāo)和應(yīng)用程序"，也是由H.貝特 納發(fā)表，以及名稱為"采用微系統(tǒng)技術(shù)的新熱電組件"，也是由H.貝特納等發(fā) 表。
交叉平面熱電發(fā)生器14可以采用各種電鍍技術(shù)(例如，流電處理)制造， 比如，描述在如下文獻(xiàn)中的內(nèi)容，"通過(guò)類似MEMS電化過(guò)程制造的熱電微設(shè) 備"，由加利福尼亞科技學(xué)會(huì)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的G 杰弗里(Jeffrey).斯奈 德(Snyder)等發(fā)表，聯(lián)機(jī)出版在2003年7月27日，其全部?jī)?nèi)容結(jié)合于此 作為參考。
另外，交叉平面熱電發(fā)生器14可以采用多晶塊熱電材料及多晶塊熱電材 料的機(jī)械切割技術(shù)制造。多晶塊熱電材料可以由熔融物(即，液體)和/或通過(guò) 粉末技術(shù)和/或通過(guò)機(jī)械合金化制備。
有利地，本發(fā)明的熱電電源10將平面內(nèi)及交叉平面熱電發(fā)生器12、 14 組合到一單一結(jié)構(gòu)，利用了每個(gè)裝置的優(yōu)點(diǎn)，從而提供與許多消耗相對(duì)高功 率的微電子裝置相兼容的電能輸出。更具體地，平面內(nèi)熱電發(fā)生器12構(gòu)造能 夠提供必要的電壓，用于在1.5到3v的范圍內(nèi)運(yùn)行許多現(xiàn)代微電子裝置，但 不能產(chǎn)生所需量的功率，這是因?yàn)樵撾娔鼙惶峁┰谙鄬?duì)低的電流。該低電流 是由于平面內(nèi)熱電發(fā)生器12設(shè)計(jì)中的高內(nèi)電阻的結(jié)果。
相反地，交叉平面熱電發(fā)生器14構(gòu)造能夠產(chǎn)生與許多電子裝置62相兼 容量的功率，這是因?yàn)槠渚哂械偷膬?nèi)電阻，導(dǎo)致了相對(duì)高的電流。但是，交 叉平面熱電發(fā)生器14在相對(duì)小的溫度梯度的功率輸出產(chǎn)生熱電壓，該熱電壓 對(duì)于運(yùn)行許多電子電路來(lái)說(shuō)通常太低。
但是，通過(guò)在本發(fā)明的熱電電源10中包含電壓轉(zhuǎn)換器58，交叉平面熱電 發(fā)生器14的處于低電壓的相對(duì)高功率輸出可以由電壓轉(zhuǎn)換器58通過(guò)提叉平面熱電發(fā)生器14的電壓而被開(kāi)發(fā)。電壓轉(zhuǎn)換器58使用充電泵60的原理 來(lái)這樣做。然后，電壓轉(zhuǎn)換器58為最終能量管理組件64直接提供電能。
如圖1所示，最終能量管理組件64連接于電壓轉(zhuǎn)換器58，并從其接收能 量。電壓轉(zhuǎn)換器58由電能激活或驅(qū)動(dòng)，該電能最初由初始能量管理組件40 處理后，由平面內(nèi)熱電發(fā)生器12產(chǎn)生。更具體地，最終能量管理組件64用 于校正和限制從交叉平面熱電發(fā)生器14接收到的電壓，為能量存儲(chǔ)單元50 充電，例如包含于最終能量管理組件64中的電容器52或可充電薄膜電池54, 并利用電壓^r測(cè)器56 ;險(xiǎn)測(cè)能量存儲(chǔ)單元50的充電狀態(tài)。
更具體地，電壓檢測(cè)器56的檢測(cè)能力當(dāng)在能量存儲(chǔ)單元50中檢測(cè)到足 夠水平的電能時(shí)，允許最終能量管理組件64向電子器件62釋放能量。如圖1 所示，最終能量管理組件64釋放能量給某一器件，如微電子器件，目的是為 了驅(qū)動(dòng)該器件，該器件可以是許多應(yīng)用，包括但不限于微電子及傳感器系統(tǒng)。
可選地，由最終能量管理組件64釋放的部分能量可以重新循環(huán)回電壓轉(zhuǎn) 換器58，以便出于電壓倍增的目的而提供能量。在這種構(gòu)造中，平面內(nèi)熱電 發(fā)生器12的功率需求、尺寸及成本將最終被減少。另外，初始能量管理組件 40的功率需求、尺寸及成本也可以被減少，因?yàn)閮H需要運(yùn)行初始能量管理組 件40來(lái)開(kāi)始或啟動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換器58，此后則不再需要運(yùn)行初始能量管理組件 40。可選地，如果不需要初始能量管理組件40所產(chǎn)生的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換 器58，則該功率可以^皮傳遞給最終能量管理組件64,并在此存儲(chǔ)到能量存儲(chǔ) 單元50中。
另外，本發(fā)明的熱電電源IO可以被設(shè)置為包括一相對(duì)大的能量存儲(chǔ)單元 50,如可充電薄膜電池54或電容器52,其與最終能量管理組件64電連通。 該相對(duì)大的能量存儲(chǔ)單元50可以用于存儲(chǔ)最終電子器件62和/或電壓轉(zhuǎn)換器 58所不需要的額外能量。
關(guān)于初始能量管理組件40的具體架構(gòu)，可以考慮使初始能量管理組件40 用于校正和限制由平面內(nèi)熱電發(fā)生器12產(chǎn)生的熱電壓，防止產(chǎn)生額外電壓，以能量存儲(chǔ)單元50的形式初始提供能量存儲(chǔ)能力，以及提供電壓調(diào)節(jié)能力，
來(lái)調(diào)節(jié)功率被釋放給電壓轉(zhuǎn)換器58的點(diǎn)。
對(duì)熱電電壓的校正可以通過(guò)采用二極管44而實(shí)現(xiàn)，以便提供只有一個(gè)極 性的電壓，而與溫度流動(dòng)或溫度梯度的方向無(wú)關(guān)?？蛇x地，校正器42可以用 于開(kāi)發(fā)溫度梯度，而與利用二極管橋46時(shí)的熱流動(dòng)的方向無(wú)關(guān)。進(jìn)一步的實(shí) 施例可以包括至少一個(gè)二極管，用于通過(guò)平面內(nèi)和/或交叉平面熱電發(fā)生器 12、 14來(lái)阻止存儲(chǔ)的能量放電。
初始能量管理組件40還可以提供額外電壓保護(hù)，比如通過(guò)利用一齊納二 極管， 一個(gè)單獨(dú)的二極管44或多個(gè)二極管44以在現(xiàn)有技術(shù)中已知的方式串 聯(lián)設(shè)置。初始能量存儲(chǔ)單元50可以包括小電容器52或可充電薄膜電池，用 于積累足夠的能量以便激活電壓轉(zhuǎn)換器58。電壓檢測(cè)可以通過(guò)使用一個(gè)或多 個(gè)開(kāi)關(guān)而實(shí)現(xiàn)，其定義有電壓門限值與所存儲(chǔ)的能量的量相對(duì)應(yīng)。超過(guò)預(yù)定 門限值時(shí)，存儲(chǔ)單元中的電荷可以被作為功率釋放給電壓轉(zhuǎn)換器58。低于該 預(yù)定門限值時(shí)，電流可能會(huì)被中斷或阻止。
如前所述，電壓轉(zhuǎn)換器58具體用于通過(guò)使用電壓倍增原理，以電荷泵60 的方式，將交叉平面熱電發(fā)生器14的相對(duì)低的電壓但高的輸出功率轉(zhuǎn)換成可 用的高電壓。在這種方式中，熱電電源IO能夠供電或驅(qū)動(dòng)電子元件，如能量 管理系統(tǒng)、最終電子應(yīng)用和/或電壓轉(zhuǎn)換器58本身。
最終能量管理組件64可以用于提供如上所述的與初始能量管理組件40 類似能力。在這一點(diǎn)上，最終能量管理組件64最好用于通過(guò)使用二極管44 或二極管橋46來(lái)校正熱電電壓，以便在一種極性提供電壓，用于相反方向的 熱流。最終能量管理組件64也最好用于提供額外電壓保護(hù)，以防止對(duì)最終電 子應(yīng)用造成損壞，并且還包括能量存儲(chǔ)單元50,如小電容器52或可充電薄膜 電池54，以便用于驅(qū)動(dòng)連接有熱電電源10的應(yīng)用。
可選地，額外的能量存儲(chǔ)單元50，如相對(duì)大的可充電薄膜電池54或電容 器52可以被集成為最終能量管理組件64,以便允許積累在驅(qū)動(dòng)電子元件時(shí)不再需要的額外能量。像初始能量管理組件40那樣，最終能量管理組件64可 以進(jìn)一步包括一電壓檢測(cè)器56來(lái)決定和調(diào)節(jié)將能量釋放給連接于熱電電源10 的微電子器件或應(yīng)用。
在每一個(gè)上述結(jié)構(gòu)中，初始能量管理組件40及最終能量管理組件64的 特征可以才艮據(jù)具體的應(yīng)用和熱電電源IO運(yùn)行時(shí)所在的熱環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。更具 體地，初始及最終能量管理組件的上述特征可以根據(jù)對(duì)熱電發(fā)生器所驅(qū)動(dòng)的 器件的需求，以及才艮據(jù)熱電電源IO運(yùn)行時(shí)所在的熱環(huán)境的特點(diǎn)而減少。
熱電電源10的部件的可選實(shí)施例或結(jié)構(gòu)如圖4、 5所示。在圖4所示的 結(jié)構(gòu)中，平面內(nèi)熱電發(fā)生器12被構(gòu)建為與交叉平面熱電發(fā)生器14分離的實(shí) 體。如圖1所示，平面內(nèi)及交叉平面熱電發(fā)生器12、 14可以用于分離公共熱 源18及吸熱設(shè)備20。
相反地，如圖4所示，可以考慮將熱電電源IO進(jìn)行如下設(shè)置，平面內(nèi)及 交叉平面熱電發(fā)生器12、 14具有分離的熱偶極板22，用于熱源18和吸熱i殳 備20。另外，圖1表示初始及最終能量管理組件40、 64和電壓轉(zhuǎn)換器58的 其他部件，他們被設(shè)置為電連接在一起的分離部件。
在如圖5所示的另一可選結(jié)構(gòu)中，熱電電源IO可以被進(jìn)行如下設(shè)置，平 面內(nèi)及交叉平面熱電發(fā)生器12、 14共享公共熱源18用吸熱設(shè)備20(即，公共 熱偶極板22),與圖4的分離熱偶極板22相反。
但是，如圖5所示，平面內(nèi)及交叉平面熱電發(fā)生器12、 14可以被集成為 單一結(jié)構(gòu)，而其可以與包含初始及最終能量管理組件40、 64和電壓轉(zhuǎn)換器58 的組件電連接。如前所述，平面內(nèi)熱電發(fā)生器12可以4i^殳置為多種結(jié)構(gòu)，包 括但不限于熱電堆的堆疊，其中，每個(gè)熱電堆包括設(shè)置有熱電管腳的基片26， 并使用金屬橋30和金屬接觸物32進(jìn)行互連。
可選地，平面內(nèi)熱電發(fā)生器12可以被設(shè)置為螺旋的連續(xù)基片26，其中相 對(duì)較多數(shù)量的熱電管腳串聯(lián)連接，其中基片26部分可以使用基片26之間的 金屬接觸物32進(jìn)行端到端連接，從而將熱電管腳電性串聯(lián)。螺旋的或堆疊的熱電堆結(jié)構(gòu)可以具有熱偶極板22，置于上端和下端上，以便熱連接到熱源18 及吸熱設(shè)備20上。在最終實(shí)施例中，可以考慮將組成熱電電源10的每個(gè)部 件都集成為一單一結(jié)構(gòu)并進(jìn)行封裝，以形成可以用在許多公共微電子器件中
的方侵i且件。
本發(fā)明對(duì)各種實(shí)施例的描述表明了較佳的實(shí)施例，然而，其他各種有創(chuàng) 造性的概念也可以被舉出和應(yīng)用。在審的權(quán)利要求目的是被構(gòu)建以包括這些 變化，除了至今為止已為現(xiàn)有技術(shù)所限制的以外。
權(quán)利要求
1、一種熱電電源，包括一平面內(nèi)熱電發(fā)生器，用于響應(yīng)作用于所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器兩端的溫度梯度，產(chǎn)生處于相對(duì)低功率的相對(duì)高電壓；一初始能量管理組件，與所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器連接，并用于從所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器接收電功率；一電壓轉(zhuǎn)換器，與所述初始能量管理組件連接，并從該初始能量管理組件接收處于相對(duì)高電壓的電能，以驅(qū)動(dòng)所述電壓轉(zhuǎn)換器；以及一交叉平面熱電發(fā)生器，用于響應(yīng)作用于所述交叉平面熱電發(fā)生器兩端的溫度梯度，產(chǎn)生處于相對(duì)低電壓的相對(duì)高功率；其中所述電壓轉(zhuǎn)換器用于在其被從所述初始能量管理組件接收到的電能激活后，提高由所述交叉平面熱電發(fā)生器產(chǎn)生的能量的電壓電平。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電電源，其中進(jìn)一步包括一最終能量管理組 件，其與所述電壓轉(zhuǎn)換器連接，用于處理供連接于所述熱電電源的電子器件 使用的功率。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電電源，其中所述初始能量管理組件、最終 能量管理組件及電壓轉(zhuǎn)換器被集成為一單一的電子組件。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電電源，其中所述初始能量管理組件和最終 能量管理組件各包括一 能量存儲(chǔ)單元。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電電源，其中所述初始能量管理組件和最終發(fā)生器接收到的電壓。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電電源，其中所述最終能量管理組件用于當(dāng) 檢測(cè)到所述能量存儲(chǔ)單元中的電能具有足夠電平時(shí)，向電子器件釋放功率。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱電電源，其中所述初始能量管理組件用于當(dāng) 檢測(cè)到所述能量存儲(chǔ)單元中的電能具有足夠電平時(shí)，向所述電壓轉(zhuǎn)換器釋放功率。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電電源，其中所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器采用微 電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱電電源，其中所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器采用硅 基技術(shù)制造。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱電電源，其中所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器采用 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制造工藝制造。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電電源，其中所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器包括 多個(gè)相間隔的平行箔片段電性串聯(lián)，熱連接于一頂板和一底板，且插設(shè)于所述頂板和底板之間，每個(gè)所述箔片段包括一基片，具有相對(duì)的前、后基片表面；以及一組延長(zhǎng)交替的n型和p型熱電管腳，以相間隔的平行結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述 前基片表面上，每個(gè)所述n型和p型管腳由熱電材料構(gòu)成；其中每個(gè)所述p型熱電管腳電連接于在所述p型熱電管腳的兩端相鄰的 一個(gè)所述n型熱電管腳，以使該組n型和p型熱電管腳電性串聯(lián)且熱性并聯(lián)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電電源，其中所述頂板和底板至少一個(gè)由導(dǎo)電材料制造，并且與該組交替的n型和p 型熱電管腳的相對(duì)端分別電連接；所述頂板和底板至少一個(gè)與所述初始能量管理組件電連接。
13、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的熱電電源，其中所述頂板和底板由導(dǎo)電材料和非導(dǎo)電材料中的至少 一種制造； 所述熱電電源包括導(dǎo)電線纜，用于將該組交替的n型的p型熱電管腳的 相對(duì)端分別連接于所述初始能量管理組件。
14、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱電電源，其中所述n型和p型熱電管腳由 Bi/Te3型熱電材料形成。
15 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電電源，其中所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器包括一頂板和一底^反，^皮此相間隔平行設(shè)置；以及一螺旋纏繞的箔片段，被置于所述頂板和底板之間，并與所述頂板和底 板熱互連，所述箔片段包括一延長(zhǎng)的基片，具有頂邊緣和底邊緣，且包括相對(duì)的前、后基片表面；以及一組延長(zhǎng)交替的n型和p型熱電管腳，以相間隔的平行結(jié)構(gòu)設(shè)置于所 述前基片表面上；其中每個(gè)所述p型熱電管腳電連接于所述p型熱電管腳的兩端相鄰的所 述n型熱電管腳，以使所述n型和p型熱電管腳電性串聯(lián)且熱性并聯(lián)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱電電源，其中所述頂板和底板至少一個(gè)由導(dǎo)電材料制造，并且與該組交替的n型和p 型熱電管腳的相對(duì)端分別電連接；所述頂板和底板至少 一個(gè)與所述初始能量管理組件電連接。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱電電源，其中所述頂板和底板由導(dǎo)電材料和非導(dǎo)電材料中的至少 一種制造； 所述熱電電源包括導(dǎo)電線纜，用于將該組交替的n型的p型熱電管腳的 相對(duì)端分別連接于所述初始能量管理組件。
18、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱電電源，其中所述n型和p型熱電管腳由 Bi2Te3型熱電材料形成。
19、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電電源，其中所述交叉平面熱電發(fā)生器采 用微電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造。
20、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電電源，其中所述交叉平面熱電發(fā)生器采 用電鍍技術(shù)制造。
21、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電電源，其中所述交叉平面熱電發(fā)生器具 有多個(gè)n型和p型熱電管腳，由塊狀多晶熱電材料形成。
22、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電電源，其中所述交叉平面熱電發(fā)生器由將熱電材料的薄膜沉積于具有預(yù)構(gòu)電極的晶片上制造。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的熱電電源，其中所述熱電材料為Bije3型材料。
24、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電電源，其中所述電壓轉(zhuǎn)換器用于作為一 電荷泵運(yùn)行，以提高由所述交叉平面熱電發(fā)生器產(chǎn)生的能量的電壓電平。
25、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電電源，其中所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器和交 叉平面熱電發(fā)生器包括一公共頂板和公共底板，且所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器和 交叉平面熱電發(fā)生器被集成為 一單一結(jié)構(gòu)。
26、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電電源，其中所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器、初 始能量管理組件、最終能量管理組件、電壓轉(zhuǎn)換器及交叉平面熱電發(fā)生器被 集成為一單一結(jié)構(gòu)。
27、 一種用于熱電電源中的平面內(nèi)熱電發(fā)生器，包括一初始能量管理組 件、 一交叉平面熱電發(fā)生器、 一電壓轉(zhuǎn)換器及一最終能量管理組件；所述初 始能量管理組件與所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器連接，并用于從所述平面內(nèi)熱電發(fā) 生器接收電功率；所述電壓轉(zhuǎn)換器與所述初始能量管理組件連接，并從其接 收處于相對(duì)高電壓的電能，以驅(qū)動(dòng)該電壓轉(zhuǎn)換器；所述交叉平面熱電發(fā)生器 用于響應(yīng)作用于交叉平面熱電發(fā)生器兩端的溫度梯度，產(chǎn)生處于相對(duì)高功率 和低電壓的電能；所述電壓轉(zhuǎn)換器用于在其被從所述初始能量管理組件接收 到的電能激活后，提高由所述交叉平面熱電發(fā)生器產(chǎn)生的能量的電壓電平； 所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器包括至少一個(gè)平行箔片段，朝向相對(duì)于一對(duì)相間隔的熱偶極板的垂直方向， 且與所述基板熱互^:，所述箔片段包括一基片，具有相對(duì)的前、后基片表面；以及一組延長(zhǎng)交替的n型和p型熱電管腳，以相間隔的平行結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述 前基片表面上，每個(gè)所述n型和p型管腳由熱電材料形成；其中每個(gè)所述p型熱電管腳電連接于所述p型熱電管腳的兩端相鄰的一個(gè)所述n型熱電管腳，以使該組n型和p型熱電管腳電性串聯(lián)且熱性并聯(lián)。
28、根據(jù)權(quán)利要求27所述平面內(nèi)熱電發(fā)生器，其中所述n型和p型熱電 管腳由Bi/Te3型熱電材料形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電源，包括一熱電發(fā)生器、一初始能量管理組件、一靜電轉(zhuǎn)換器及一最終能量管理組件。所述熱電發(fā)生器用于響應(yīng)作用于熱電發(fā)生器兩端的溫度梯度，以產(chǎn)生具有足夠高電壓的電激活能量。所述初始能量管理組件與所述熱電發(fā)生器連接，用于接收和限制由該熱電發(fā)生器產(chǎn)生的電激活能量。所述靜電轉(zhuǎn)換器連接于所述初始能量管理組件，并由從其接收到的電激活能量激活，并用于響應(yīng)作用于其上的振動(dòng)能量，以產(chǎn)生電能。所述最終能量管理組件與所述靜電轉(zhuǎn)換器連接，并用于限制由其產(chǎn)生的電能。
文檔編號(hào)H01L35/30GK101473460SQ200780022542
公開(kāi)日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月16日
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