專利名稱：一種高體積比能量密度微能源系統(tǒng)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高體積比能量密度微能源系統(tǒng)及其制作方法，更具體地說涉及一種高體積比能量密度，可使物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在連續(xù)陰天條件下正常工作的微能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制備方法。屬微電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的微型化、可布撒、無人值守是未來發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)能源的體積、重量、功率和工作電流都提出了特殊的要求，迫切要求有體積小、重量輕、(體積)比容量高的微能源與之匹配，微能源與負(fù)載單片集成將有利于進(jìn)一步提高微系統(tǒng)的體積比能量
也/又。非晶鍺硅薄膜太陽能電池是目前薄膜太陽電池中最有希望的電池之一，AMI. 5條件(1000W/m2，25°C條件下，IEC61646—地面用光伏組件設(shè)計(jì)和定型(GB/T18911-2002)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn))下，效率可達(dá)15%以上，另一方面，該電池襯底為玻璃，厚度為1毫米，具有很好的支撐性，成為能源微系統(tǒng)集成的襯底備選，利用玻璃正面、背面都可以采用濺射生長(zhǎng)Al 膜，通過通孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接，同時(shí)可以通過Al膜實(shí)現(xiàn)正面鍺硅薄膜電池與背面的能源管理模塊、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收發(fā)模塊的互連，實(shí)現(xiàn)有效的單片集成，提高微系統(tǒng)的體積比能量密度。全固態(tài)薄膜鋰電池克服了常規(guī)液態(tài)電解質(zhì)電池需要嚴(yán)密封裝的缺點(diǎn)，可以借助濺射工藝在真空中成膜，工藝簡(jiǎn)化，工藝可控性得到有效提升，同時(shí)也成為現(xiàn)有鋰電池中長(zhǎng)壽命、高體積比能量密度的代表之一。全固態(tài)薄膜鋰電池通常由陰極薄膜、電解質(zhì)薄膜和陽極薄膜三部分組成。常規(guī)全固態(tài)薄膜鋰電池中的陰極薄膜材料一般采用LiCo02、LiMnZ0以及 LixV205。該類材料存在制備工藝復(fù)雜的問題，而且在制備過程中一般需要高溫退火過程，而該退火過程將損害電子元器件，從而限制了全固態(tài)薄膜鋰電池在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用。本發(fā)明采用濺射工藝制備氮化鎳鈷薄膜作為鋰電池陰極。常規(guī)鋰電池采用液態(tài)電解液，存在封裝不嚴(yán)可能泄漏和循環(huán)壽命受限的缺點(diǎn)，LiPON由于具有較高的鋰離子電導(dǎo)率、良好的電化學(xué)穩(wěn)定性成為當(dāng)前鋰電池電解質(zhì)材料的重要備選材料。選用上述材料和工藝有利于提高鋰電池的體積比能量密度。通常采用1次電池的傳感器節(jié)點(diǎn)，電池消耗完后電池節(jié)點(diǎn)失效；而采用二次電池的傳感器節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)大多采用鎳氫電池供電，主要缺點(diǎn)是體積大，通常為 4X4X4cm3以上，所以體積比能量密度低，通常不超過150WH/L，電池消耗完后，需要人工換電池或充電，不能適應(yīng)未來大規(guī)模拋撒，長(zhǎng)時(shí)間無人值守的需求。調(diào)研未見使用如本發(fā)明所提出的非晶鍺硅太陽電池的襯底、儲(chǔ)能、能源管理及負(fù)載單片集成的實(shí)際應(yīng)用報(bào)道。采用該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是體積比能量密度高，可以保持4天陰天連續(xù)供電，能夠大規(guī)模拋撒，長(zhǎng)時(shí)間無人值守的特殊需求
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高體積比能量密度微能源系統(tǒng)及其制作方法，其解決了現(xiàn)有微能源系統(tǒng)低體積能量密度(如聚合物鋰電池，通常體積能量密度僅為100-200Wh/L) 的問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案的特殊之處是1、用金剛石鉆頭在玻璃襯底上打孔，玻璃襯底厚度為1mm，面積為2X2cm2，所打的孔為兩個(gè)相對(duì)的空心圓臺(tái)(如圖1)，孔的中心位置為位于圖1右圖中距離左測(cè)邊緣2mm處，距離上邊和下邊等距離；2、在玻璃正面和背面濺射Al薄膜，Al厚度足以填滿空洞深度，實(shí)現(xiàn)雙面Al互聯(lián)；3、采用不銹鋼掩膜板與Al表面緊貼，掩膜板露出面積為0. 75X Icm2的窗口(如圖1右圖)，在Al背面窗口上依次沉積氮化鈷鎳、LiPON薄膜、Li薄膜和Al薄膜；4、在玻璃正面Al表面依次沉積η型微晶硅、i型 GexSi1^O < χ < 1, ρ型非晶硅和含3% Al的AZO ；5、在未覆蓋電池多層膜的Al膜(如圖 1右圖，面積也為0. 75X Icm2)表面安裝能源管理模塊，能源管理模塊通過導(dǎo)電銀膠與Al相連，能源管理電路為采用富晶電子股份有限公司的FSA582充電管理芯片構(gòu)建的電路；6、在未覆蓋電池多層膜的Al膜(如圖1右圖，面積也為0. 75X Icm2)表面安裝RF收發(fā)模塊，RF 模塊通過導(dǎo)電銀膠與Al相連，RF收發(fā)模塊用于數(shù)據(jù)傳輸，單元模塊電路由Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗、短距離的無線通信模塊CCM20組成，可以將探測(cè)到的溫度、濕度等信息發(fā)送出去，每8小時(shí)發(fā)送1次，每次發(fā)送脈沖電流1A，48ms，待機(jī)電流為40mA，輸出電壓3. 3V ；7、 用Au線連接ΑΖ0、Li電池陽極、能源管理模塊輸出端、RF收發(fā)模塊輸出端；8、測(cè)試物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連續(xù)陰天工作性能；9、優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于鋰電池的面積越大，鋰電池效率越高，因此，調(diào)節(jié) Li電池占比面積，反復(fù)設(shè)計(jì)制作，可以提高微能源系統(tǒng)體積比能量密度，提高能源系統(tǒng)微型化程度。2、所述的高體積比能量密度微能源系統(tǒng)制作方法，其特征在于上述射頻磁控濺射方法沉積氮化鎳鈷合金薄膜的濺射條件為靶材與襯底基片的距離為4. 5cm，本底真空為2X10_Va以下，沉積薄膜前靶材要反濺射25min，反濺射功率 150評(píng)，濺射氣氛為體積比2.5 1的氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，流速為3kccm，工作氣壓為 1. 2Pa，沉積功率為120W，沉積時(shí)基片溫度小于90°C ；上述射頻磁控濺射方法沉積LiPON薄膜的濺射條件為在隊(duì)環(huán)境下濺射Li3PO4 靶，靶到基片的距離為7cm，本底真空為2X10_4Pa以下，沉積薄膜前靶材要反濺射25min， 反濺射功率50-100W，濺射氣氛為純Ar氣，流速為30sCCm，工作氣壓為1. 6Pa,沉積功率為 125W，沉積時(shí)基片溫度小于90°C。本發(fā)明中所述微能源系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)1、A1膜既作為薄膜鍺硅太陽電池與鋰電池間的連接，又作為鋰電池和能源管理電路間的連接，減少了外部電路連接，便于單片集成，實(shí)現(xiàn)雙面Al互聯(lián)。2、非晶鍺硅太陽電池正面用于捕獲太陽光，背面用于儲(chǔ)存和管理能量，光捕獲、管理、儲(chǔ)存、和使用集成在一塊模塊上，節(jié)省空間，提高了微系統(tǒng)的體積比能量密度。3、非晶鍺硅具有15%的高效率，可以捕獲比常規(guī)銅銦鎵硒(CIGS)電池更多的太陽能，實(shí)現(xiàn)鋰電池的充電需求。4、可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)載4天無太陽光連續(xù)供電。5、本發(fā)明玻璃上所鉆的孔為兩個(gè)相對(duì)的空心圓臺(tái)(如圖1)，可以便于雙面濺射形成Al膜電連接，無需電鍍工藝。6、LiPON薄膜的離子電導(dǎo)率比Li3PO4高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，25 °C時(shí)可達(dá)2X10_6-3. 2X10_6S/Cm。LiPON電解質(zhì)具有很高的熱穩(wěn)定性，在-25 160°C溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相變。


圖1為微能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，(a)為前視圖，(b)為仰視圖。圖2為由圖1所示的高體積比能量密度能源微系統(tǒng)的制作流程。圖中1代表玻璃片通孔(孔中已覆蓋Al) ；2代表鍺硅太陽電池和鋰電池的集電極 Al (400nm) ；3代表陰極CoxNihN,厚度900nm ；4代表固體電解質(zhì)LiPON，厚度1600nm ；5代表陽極Li薄膜，厚度為IlOOnm ；6代表鋰電池集電極Al，厚度600nm ；7代表η型微晶硅薄膜； 8、代表i型非晶鍺硅；9、代表ρ型非晶硅；10、代表AZO薄膜；11、代表能源管理電路；12代表RF收發(fā)模塊；13代表焊點(diǎn)；14、代表Au線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述的高體積比能量密度微能源系統(tǒng)的制作方法，其制作流程(如圖2)如下1、用金剛石鉆頭在玻璃襯底上打孔，孔為兩個(gè)相對(duì)的空心圓臺(tái)(如圖1)。2、在玻璃正面和背面分別濺射Al薄膜，Al厚度足以填滿空洞深度，實(shí)現(xiàn)雙面Al互聯(lián)；3、在Al背面依次沉積氮化鈷鎳、LiPON薄膜、Li薄膜和Al薄膜；在Al表面濺射沉積CoxNihlO <x< 1，其工藝條件是按一定比例Co納米粉和Ni納米粉混合，真空熔融煅燒，制備金屬鉆鎳合金靶材，通過射頻磁控濺射的方法沉積氮化鎳鈷薄膜，本底真空為 2 X IO-4Pa以下，沉積時(shí)基片溫度小于80°C，直至氮化鎳鈷薄膜的厚度為900nm ；在氮化鎳鈷薄膜表面濺射沉積LiPON薄膜；所述的LiPON薄膜制作工藝是先制作Li3PO4靶材，采用該靶材，在隊(duì)環(huán)境中濺射成膜，直至LiPON薄膜的厚度為ieOOnm ；在LiPON薄膜上沉積金屬Li 薄膜，它采用濺射方法沉積，本底真空為hlO—Va以下，基片溫度為室溫，成膜速率400 llOOnm/min，直至鋰薄膜的厚度為IlOOnm ；在Li薄膜表面濺射成膜一層Al薄膜，它是在Ar 環(huán)境中濺射成膜，本底真空為hlO_4Pa以下，基片溫度為室溫，蒸發(fā)速率500nm/min，直到Al 薄膜厚度為600nm ；4、在未覆蓋電池多層膜的Al膜表面安裝能源管理模塊，使得一電路輸出端通過焊點(diǎn)13用Au線與Al相連，另外的輸出端通過焊點(diǎn)13與RF模塊和Al相連。連接手段采用引線鍵合(wire bonding)方法，連接材料為Au線；5、在未覆蓋電池多層膜的Al膜表面安裝RF收發(fā)模塊，使得一輸出端與Al薄膜相連，另外輸出端與非晶鍺硅正極、能源管理電路輸出端相連。連接手段采用引線鍵合方法， 連接材料為Au線；6、在玻璃正面Al表面依次沉積η型微晶硅、i型GiixSi1YO < χ < 1, ρ型非晶硅和含3% Al的ΑΖ0;7、用Au線14焊接ΑΖ0、Li電池陽極、能源管理模塊11的輸出端、RF收發(fā)模塊12 的輸出端，13表示焊點(diǎn)。8、測(cè)試物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連續(xù)陰天工作性能；電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作。
9、對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，判斷是否滿足體積比能量密度大于四1. 9WH/L 和能夠連續(xù)4天陰天正常供電的要求，若滿足，則完成設(shè)計(jì)制作，若不滿足，從新設(shè)計(jì)微能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)鋰電池占非晶鍺硅太陽電池面積比例，調(diào)節(jié)鋰電池電解質(zhì)層厚度，調(diào)節(jié)能源管理電路功耗，重新制作，直到滿足需求。
權(quán)利要求
1.一種高體積比能量微能源系統(tǒng)，其特征在于所述的微能源系統(tǒng)的組成為a)在玻璃襯底上打孔，孔為兩個(gè)相對(duì)的空心圓臺(tái)；b)在玻璃襯底正面和背面分別濺射Al薄膜，Al膜的厚度填滿空洞深度，實(shí)現(xiàn)雙面Al 互聯(lián)；c)在玻璃襯底背面的Al膜表面依次沉積氮化鈷鎳、LiPON薄膜、Li薄膜和Al薄膜；d)在未覆蓋多層電池的Al膜表面安裝能源管理模塊和RF收發(fā)模塊；e)在玻璃正面Al表面依次沉積η型微晶硅、0< χ < 1的i型GexSi1^ ρ型非晶硅和含 3% Al 的 ΑΖ0;f)用Au線連接AZ0、Li電池陽極、能源管理模塊輸出端、RF收發(fā)模塊輸出端。
2.按權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的圓臺(tái)的外孔直徑為1mm，內(nèi)孔為0.5mm。
3.按權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的氮化鈷鎳通式為CoxNihN式中O< χ < 1。
4.按權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于在未覆蓋多層電池的Al膜上安裝的能源管理模塊為富晶電子股份有限公司生產(chǎn)的FSA582充電管理芯片構(gòu)建的電路，安裝的RF收發(fā)模塊的電路由Chipcon公司生產(chǎn)的無線通信模塊CCM20組成。
5.按權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于RF收發(fā)模塊可將探測(cè)到得溫度或濕度每8小時(shí)發(fā)送一次，每次發(fā)送脈沖電流lA，48ms，待機(jī)電流為40mA。
6.按權(quán)利要求1、4或5所述的系統(tǒng)，其特征在于能源管理模塊和RF收發(fā)模塊均通過導(dǎo)電銀膠與Al膜相連。
7.制作如權(quán)利要求1所述的能源系統(tǒng)的方法，其特征在于步驟為①用金剛石鉆頭在玻璃襯底上打孔，孔為兩個(gè)相對(duì)的空心圓臺(tái)；②在玻璃襯底的正面和背面濺射Al薄膜，Al薄膜的厚度填滿空洞深度，實(shí)現(xiàn)雙面Al互聯(lián)；③在玻璃襯底背面的Al膜上依次沉積氮化鈷鎳、LiPON薄膜、Li薄膜和Al薄膜；在 Al表面濺射沉積CoxNih^O <x< 1，沉積的工藝條件是以一定比例Co納米粉和Ni納米粉混合，真空熔融煅燒，制備金屬鉆鎳合金靶材，通過射頻磁控濺射的方法沉積氮化鎳鈷薄膜，本底真空為2 X10_4I^以下，沉積時(shí)基片溫度小于80°C ；接著在氮化鎳鈷薄膜表面濺射沉積LiPON薄膜；制作Li3PO4靶材時(shí)，采用該靶材是在N2環(huán)境中濺射成膜，再在LiPON薄膜上沉積金屬Li薄膜；采用濺射方法沉積，本底真空為hlO—Va以下，基片溫度為室溫，成膜速率400 llOOnm/min，最后是在Li薄膜表面在Ar環(huán)境中濺射成膜一層Al薄膜，本底真空為hlO-4Pa以下，基片溫度為室溫，蒸發(fā)速率500nm/min ；④在未覆蓋電池多層膜的Al膜表面安裝能源管理模塊，使得一電路輸出端與Al相連， 另外的輸出端與RF模塊和Al相連；連接手段采用引線鍵合方法，連接材料為Au線；⑤在未覆蓋電池多層膜的Al膜表面安裝RF收發(fā)模塊，使得一輸出端與Al薄膜相連， 另外輸出端與非晶鍺硅正極、能源管理電路輸出端相連；連接手段采用引線鍵合方法，連接材料為Au線；⑥在玻璃襯底正面的Al膜表面依次沉積η型微晶硅、i型GexSi1^O< χ < 1，ρ型非晶硅和含3% Al的AZO ；⑦用Au線焊接ΑΖΟ、Li電池陽極、能源管理模塊輸出端、RF收發(fā)模塊輸出端，表示焊占.^ \\\ ⑧測(cè)試物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連續(xù)陰天工作性能；電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作，⑨對(duì)上述制作的能源系統(tǒng)進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，判斷是否滿足體積比能量密度大于 291. 9WH/L和能夠連續(xù)4天陰天正常供電的要求，若滿足，則完成設(shè)計(jì)制作，若不滿足，從新設(shè)計(jì)微能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)鋰電池占非晶鍺硅太陽電池面積比例，調(diào)節(jié)鋰電池電解質(zhì)層厚度，調(diào)節(jié)能源管理電路功耗，重新制作，直到滿足需求。
8.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于a)步驟③所述氮化鈷鎳的厚度為900nm；b)步驟③所述的LiPON薄膜的厚度為ieOOnm；c)步驟③所述所述的Li膜的厚度為IlOOnm；d)步驟③所述的Al膜的厚度為600nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高體積比能量微能源系統(tǒng)及制作方法，其特征在于所述的系統(tǒng)由a)用金剛石鉆頭在玻璃襯底上打孔，孔為兩個(gè)相對(duì)的空心圓臺(tái)；b)在玻璃襯底正面和背面濺射Al薄膜，Al膜的厚度填滿空洞深度，實(shí)現(xiàn)雙面Al互聯(lián)；c)在Al背面依次沉積氮化鈷鎳、LiPON薄膜、Li薄膜和Al薄膜；d)在未覆蓋電池多層膜的Al膜表面安裝能源管理模塊和RF收發(fā)模塊；e)在玻璃正面Al表面依次沉積n型微晶硅、i型GexSi1-x，0＜x＜1，p型非晶硅和含3％Al的AZO；f)用Au線連接AZO、Li電池陽極、能源管理模塊輸出端、RF收發(fā)模塊輸出端。采用方法為濺射沉積方法，制作微能源系統(tǒng)體積比能量密度大于291.9W/L，為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)微型化、便攜性、長(zhǎng)時(shí)供電及野外應(yīng)用提供技術(shù)手段。
文檔編號(hào)H01M10/46GK102347518SQ201110180049
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者劉正新, 周健, 周建華, 周舟, 孫曉瑋, 王偉, 談惠祖 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所