基于CMOS的热电微发电机的设计与制造：提升功率因数

《IEEE Sensors Journal》：Design and Fabrication of CMOS-Based Thermoelectric Microgenerators With Enhanced Power Factor

热电微发电机（TEMG）基于CMOS-MEMS技术设计，采用后处理工艺制作悬浮热端热电偶，提升温度梯度和功率因子（PF=0.61nW/mm2K2），适用于自供能传感器。

　　

摘要：

本研究重点关注利用互补金属氧化物半导体（CMOS）-微机电系统（MEMS）技术设计和制造热电微发电机（TEMG）。该热电微发电机采用创新设计，通过后处理工艺制造出悬浮式热端热电偶。这种结构创新增强了热电偶两端的温度梯度，从而显著提高了热电微发电机的功率因数（PF）。该热电微发电机采用标准CMOS工艺制造，集成了p型与n型多晶硅热电偶，确保了精确的制造和紧凑的集成。实验结果显示，其电压为6.14 mV/mm2K，功率因数为0.61 nW/mm2K2。由于其较高的功率因数，该热电微发电机具有应用于自供电传感器的潜力。

引言

热电发电机（TEG）作为一种多功能设备，能够直接将热量转化为电能，因此被广泛应用于各种领域[1]、[2]、[3]、[4]。TEG可以从工业过程中回收多余的热量，例如钢铁制造，从而提高能源效率并减少能量损失[5]。在汽车能源系统中，TEG可将废气热量转化为电能，提升燃油经济性并降低车辆排放[6]。此外，TEG在可穿戴设备中也展现出潜力，例如健康监测系统，通过利用人体热量为小型电子设备供电[7]。在消费电子领域，手表和计算器等设备利用TEG从人体或环境中获取热量来延长电池寿命[8]。在可再生能源系统中，TEG与太阳能热能系统结合使用，以利用多余的热量并提高整体系统效率[9]。最后，TEG在遥感应用中也得到广泛应用，为深海或北极等环境恶劣地区的传感器提供电力，这些地方难以进行常规维护或更换电池[10]。