基于通孔硅热电偶结构的微型热电能量收集器研究

System power supply has been a bottleneck for the practical application of microsystem. Energy harvester is an effective way to solve this problem. With through silicon thermocouple (TST) micro energy harvester as the research object, this project focus on the applied basic research of thermoelectric micro energy harvester. To enhance the output power density and energy conversion efficiency,the TST microstructure is proposed to reduce device size and increase the thermocouple density. Moreover, with thermo-electric multiphysics coupling analysis, the model for TST micro energy harvester will be developed, and the microstructure design will be optimized. Considering the cost-efficiency and system integration requirements in pratical application, this research will adopt the silicon substrate as one component of the TST microstructure, which will simplify the fabrication process. Furthermore,in order to assimilate the good cost-efficiency and high integration advantages of CMOS technology, CMOS compatible process will be used to fabricate the device. Based on the experimental results, the analysis and evaluation on device model and fabrication will be made, and the second optimization of the device will be carried out to further improve the performance of thermoelectric micro energy harvester. Finally, by integrating the practical results, a thermoelectric micro energy harvester for small temperature difference environment application will be design and fabricated, which will provide a theoretical and technical basis for power independence in mircosystem.

系统供电已成为微系统技术实际应用的一个瓶颈，微型能量收集器则是解决该问题的一种有效途径。本项目以通孔硅热电偶能量收集器为研究对象，对微型热电能量收集器进行应用基础研究。为提高输出功率密度和能量收集效率，本研究拟设计通孔硅热电偶结构以减小器件尺寸并提高热电偶密度，同时通过热电多物理场耦合分析构建通孔硅热电偶能量收集器模型，对器件结构进行优化设计。考虑到实际应用中性价比和系统集成度等要求，本研究拟直接采用硅衬底材料作为通孔硅热电偶结构的一种组分，来降低制作工艺复杂度，并利用CMOS 兼容工艺进行器件制作，从而吸收CMOS 技术高性价比和高集成度的优点。根据器件实际测试结果，本研究将对器件模型和制作工艺进行分析和评价，并对微型热电能量收集器进行二次优化。最后，本项目将集成阶段性研究成果，设计并制作一种可在小温差环境中使用的微型热电能量收集器，为微系统技术中能源自主化奠定理论和技术基础。

能量收集器能够收集周围环境中的能量实现可持续供电，因此，在无线传感网络、MEMS、人体局域网中具有重要的研究价值和广阔的应用前景。其中，将环境中的温度梯度转化为电能的微型热电能量收集器由于其体积小、重量轻、寿命长、绿色环保等优点，成为当前能量收集器最热门的研究方向之一。然而，现阶段基于微机械加工技术的微型热电能量收集器采用的热电偶臂多为薄膜状，热电偶臂两端与导热板接触面积小，接触阻抗大，温差利用率低，输出功率小。. 本项目研究了通孔硅热电偶微型热电能量收集器，该结构可以实现较高的集成度、良好的界面接触，并且加工工艺和CMOS-MEMS工艺兼容。首先，在有限元软件Ansys中建立通孔硅微型热电能量收集器的仿真模型，仿真热电臂高度、柱体半径、环厚度等结构参数对器件温度分布的影响。然后，对器件建立完整的数学解析模型，仿真在负载匹配时器件的有效利用温差、开路电压、回路电流和输出功率随着器件结构参数变化的特性曲线图。针对器件的应用环境，仿真分析器件结构的最佳设计方案。. 最后，根据通孔硅微型热电能量收集器的仿真结果设计器件版图。并采用CMOS-MEMS工艺整合出器件工艺流程，突破了通孔硅热电偶关键工艺，并采用微机械加工工艺成功完成通孔硅结构的微型热电能量收集器的制备，在低成本批量化生产微型热电能量收集器的研究中显现了重大价值。实验结果表明，采用通孔硅热电偶结构，微型热电能量收集器的热电偶密度可以提高10倍以上，能量收集器的性能也优于传统结构。.