專利名稱：多源能源采集與儲存集成系統(tǒng)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量采集和存儲技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多源能源采集與儲存集成系統(tǒng)及其制備工藝。
背景技術(shù)：
最近集成電路技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展了超低功耗應(yīng)用的芯片，它用電量低，可以通過采集周圍環(huán)境中能量源的供電方式，形成自供電電子系統(tǒng)。例如，在無線聯(lián)網(wǎng)中的自有源傳感器系統(tǒng)中，包括微控制器、傳感器輸入的模擬/數(shù)字(A / D)轉(zhuǎn)換器和無線射頻收發(fā)器的功能，它可以結(jié)合光伏能量收集裝置供電與充電電化學(xué)存儲設(shè)備(充電電池)。對于本發(fā)明所涉及的光電能量采集器、振動能量采集器、射頻充電器和固體電池，雖然分別已經(jīng)有相關(guān)的報道，但是，將多種能源轉(zhuǎn)換器與存儲器集成為一個器件是一項全新的技術(shù)，實現(xiàn)這一技術(shù)方案需要解決一系列新的問題，如選擇物理性能優(yōu)良價格合理的材料以保證器件良好的能源轉(zhuǎn)換及存儲性能；采取有效的隔離屏蔽設(shè)計以防止集成器件之間可能產(chǎn)生的相互干擾。無線傳感器件根據(jù)不同應(yīng)用設(shè)計的需要，對電源有不同的要求。有些傳感器器件需要一種可以自行充電的電源來延長器件的使用壽命，降低維護(hù)成本。這時太陽能光伏電池是理想的選擇，因為太陽能電池結(jié)構(gòu)相對較為簡單，性能比較穩(wěn)定，而且所需的光能很容易獲得。光電能量采集器基于太陽能電池的工作原理，由光子激發(fā)電子空穴對，半導(dǎo)體PN結(jié)的內(nèi)建電場將電子與空穴分離到相反的PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢。太陽能電池的有效率受很多因素影響，例如半導(dǎo)體材料本身的光吸收系數(shù)，少子壽命，器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，抗反射層的特性等。相對其它能源，光伏技術(shù)采集技術(shù)較成熟，其能量采集率相對高，太陽能源存在范圍最廣，綠色清潔，作為能量采集技術(shù)目前頗受青睞。微太陽能電池技術(shù)作為較成熟的技術(shù)已經(jīng)有公司進(jìn)行開發(fā)，其中 包括美國Clare Corporation ;IXYS Corp ;和以色列Sol Chip等公司，他們利用半導(dǎo)體材料的微加工技術(shù)，可以將光敏物質(zhì)做得很薄，電池體積可以做得很小，能夠滿足無線傳感器件的需要。但是，現(xiàn)有的微光伏采集產(chǎn)品尚未與能量存儲器集成，使用時需要外加能量存儲器，增加了系統(tǒng)的體積和成本?，F(xiàn)有的光伏采集產(chǎn)品的成本也偏聞。振動發(fā)電的原理是利用壓電材料的壓電效應(yīng)，電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象而產(chǎn)生正負(fù)相反的電荷。振動轉(zhuǎn)化為電能的表述如下P AV/ω，其中P :能量，A:加速因子，m:質(zhì)量，ω :振動頻率，產(chǎn)生的能量與質(zhì)量和振動頻率有直接關(guān)系。射頻發(fā)電和充電最近受到許多關(guān)注，但是其能量采集率低，可用能量源很局限，能量源須非常接近其能量采集器。這些特性限制了射頻發(fā)電的應(yīng)用。目前射頻技術(shù)用于能量傳遞，有很好的應(yīng)用前景，如電動汽車的充電，無線傳感網(wǎng)的節(jié)點充電。射頻能量采集器或充電器是根據(jù)簡化Fr i i s公式計算
λ嘆d其中巧接受天線能量傳送天線能量而傳送天緣增益a :接受天線±曾益'R :距離；λ :波長。在微能源存儲技術(shù)方面，鋰蓄電池有比較高的比能量(100 200 Ah/kg)和優(yōu)良的循環(huán)使用性能。薄膜微電池作為傳感器件的主要電源和備用電源有許多可能的應(yīng)用。比如，微型的醫(yī)療器件，遠(yuǎn)程的傳感器，小型的發(fā)報器，智能卡。作為備用電源可以應(yīng)用于計算機存儲器卡和其他類型的靜態(tài)存儲器等等。美國OakRidge國家實驗室用物理濺射的方法制備了全固態(tài)的薄膜電池。這種薄膜鋰蓄電池體的厚度僅為15μπι，這種電池可以制成任意形狀以滿足特定的應(yīng)用需要，只要保證電解質(zhì)完全的隔離了正極和負(fù)極。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(1)現(xiàn)有的能量采集器件只能轉(zhuǎn)化單一能源為電能；(2)在無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用中，作為能量采集和存儲的元件目前尚為分立器件，成本高，體積大。本發(fā)明的目的是集成多源能量采集和能量存儲技術(shù)，將環(huán)境中多種能源(光，振動，及射頻)同時轉(zhuǎn)化為電能并存儲在同一器件內(nèi)，輸出再生、不間斷的電能，使其應(yīng)用系統(tǒng)升級為自動供電系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明系統(tǒng)的技術(shù)方案如下
多源能源采集與儲存集成系統(tǒng)，包括多源能量采集器和與之連接的能量存儲器，多源能量采集器包括光電能量采集器、振動能量采集器和射頻采集/充電器，光電能量采集器包括太陽能電池和電極，振動能量采集器由壓電材料形成，射頻充電器包括天線和射頻電路，多源能量采集器和能量存儲器同時集成在太陽能電池的硅襯底中；光電能量采集器的電極作為射頻充電器的天線；壓電材料集成在太陽能電池的硅襯底表面；能量存儲器集成在太陽能電池的硅襯底背面。進(jìn)一步地，所述光電能量采集器上面覆蓋抗反射層用來增加光的吸收。進(jìn)一步地，所述能量`儲器采用三維的溝壕結(jié)構(gòu)或堆棧的結(jié)構(gòu)；能量存儲器的上面遮蓋有保護(hù)層。當(dāng)能量存儲器采用溝壕結(jié)構(gòu)時，溝谷的深度和寬度比為1:1到10:1。能量存儲器中的陽極和陰極的厚度均為50-10000Mffl，位于所述陽極和陰極之間的隔膜優(yōu)選厚度為 10-10000Mm。本發(fā)明的制備方法包括如下步驟
(1)制備光電能量采集器及射頻采集和充電器在硅晶圓上使用掩膜光刻技術(shù)，通過固體擴散或離子注入摻雜的方法形成并激活PN結(jié)，然后在PN結(jié)的N接觸層上通過物理濺射導(dǎo)電金屬層的方法產(chǎn)生電極連接；形成的電極作為射頻采集和充電器的天線；
(2)在制備好的光電能量采集器及射頻采集和充電器的硅襯底表面，制備振動能量采集器對硅襯底表面的一部分進(jìn)行刻蝕，然后沉積壓電材料；
(3)在制備好的光電能量采集器及射頻采集和充電器的硅襯底背面，制備能量存儲器先對硅襯底進(jìn)行深井刻蝕并沉積一層金屬硅化物，然后再沉積一層電介質(zhì)層并進(jìn)行刻蝕定義圖形，再在圖形化的襯底上進(jìn)行金屬的物理沉積并刻蝕，刻蝕后沉積分離層，在分離層的上面進(jìn)行金屬電極的物理沉積和刻蝕，最后對金屬電極進(jìn)行刻蝕，形成最終的能量存儲器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的系統(tǒng)將能量采集器及能量存儲器集成為同一器件，具有將環(huán)境中的光能、振動能和電磁場能量同時轉(zhuǎn)化為電能的功能；三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計能提高容量、降低成本、縮小體積；其制備工藝流程簡單，能與低成本集成電路工藝兼容。本發(fā)明可縮小系統(tǒng)體積50%以上，提高系統(tǒng)可靠性，降低成本50%以上。


圖1是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別示意圖，Ca)為傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)節(jié)點，(b)為應(yīng)用本發(fā)明系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)節(jié)點。圖中，1-射頻電路，2-能量存儲器，3-能量采集器，4-微處理器/電源管理電路，5-傳感器，6-多源能量采集器和能量存儲器集成系統(tǒng)。圖2是本發(fā)明集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，7-光伏器件，8-光伏電極和射頻天線，9-三維能量存儲器，10-襯底，11-壓電材料，12-抗反射層，13-保護(hù)層。圖3是本發(fā)明實施例中光伏器件的制備流程中相應(yīng)結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。圖4是本發(fā)明實施例中能量存儲器的制備流程示意圖。
具體實施例方式如圖1 (b)所示，本發(fā)明的系統(tǒng)是將多源能量采集器與能量存儲器(電池)集成在一起，可以應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)節(jié)點中。其中，多源能量采集器包括光電能量采集器(光伏器件)、振動能量采集器和射頻采集/充電器。其中，光電能量采集器包括太陽能電池和電極，振動能量采集器包括壓電材料和振動能量采集電路，射頻采集/充電器包括天線和射頻電路。如圖2所示，光伏器件7、射頻采集/充電器的天線8、振動能量采集器的壓電材料11和三維能量存儲器9集成設(shè)計在同一襯底10上，襯底10為太陽能電池的硅襯底，將光伏器件7的電極設(shè)計成射頻充電器的天線來采集電磁場的能量。光伏工藝與單晶硅傳統(tǒng)工藝類似，微光伏器件7在硅晶圓上使用掩膜光刻，通過固體擴散或離子注入摻雜的方法形成實現(xiàn)并激活PN結(jié)，然后再在 PN結(jié)上通過物理濺射導(dǎo)電金屬層的方法產(chǎn)生電極連接，微光伏器件7上面還需要覆蓋抗反射層12來增加光的吸收。具體的工藝流程見圖3所示(1)離子注入能量為200-700KeV，摻雜激活在700-1100°C條件下，30分鐘到2個小時；(2)沉積氮化硅等材料作為抗反射層12，厚度為200-6000埃；(3)對抗反射層12刻蝕，形成P接觸層；(4)再對抗反射層12刻蝕，形成N接觸層；(5)進(jìn)行金屬沉積，形成光伏電極和射頻天線8。光伏器件7制備好后，在硅片的表面刻蝕掉一部分，再沉積上壓電材料，如PZT，然后將能量存儲器集成在硅襯底的背面，為了方便操作，先將光伏器件7的正面粘貼在載體襯底上，將硅襯底的背面朝上。三維能量存儲器9 (電池)可以用三維的溝壕(trench)結(jié)構(gòu)或堆棧層的結(jié)構(gòu)。三維電池的設(shè)計原理是通過增加有效面積來增加單位能量密度。微電池器件是在基板上淀積薄膜陰極材料，然后再沉積出電解質(zhì)層，最后采用鋰或鋰化合物建立陽極，從而實現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換的微電能的存儲。在微電池上面需要遮蓋保護(hù)層13。具體的工藝流程如圖4所示先對硅襯底進(jìn)行深井(deep well)刻蝕并沉積一層金屬硅化物(如COSix),然后再沉積一層電介質(zhì)進(jìn)行刻蝕定義圖形，再在圖形化的襯底上進(jìn)行金屬(如Zn或Ag)的物理沉積并刻蝕，刻蝕后沉積分離層，在分離層的上面進(jìn)行金屬電極(如Zn或Ag)的物理沉積和刻蝕，最后對金屬電極進(jìn)行刻蝕，形成最終的能量存儲器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的微光伏器件作為光電轉(zhuǎn)換的核心部件，其采用單晶硅，通常的光照能量在室內(nèi)輸出能量大約為O. l-10mff/cm2 ;室外輸出能量為lO-lOOOmW/cm2。微電池器件作為儲能單元，經(jīng)過充電過程后，通過電源管理模塊輸出電壓為IV左右時，大約能輸出10-1000μΑ/小時的供電能力和提供2000-10000次以上的可利用充放電周期。微光伏器件和微電池器件均通過半導(dǎo)體加工工藝來實現(xiàn)，通過優(yōu)化工藝和封裝流程，將這兩者和電源管理模塊整合在一起， 從而形成可提供不間斷供電能力的微能源系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.多源能源采集與儲存集成系統(tǒng)，包括多源能量采集器和與之連接的能量存儲器，多源能量采集器包括光電能量采集器、振動能量采集器及射頻采集和充電器，光電能量采集器包括太陽能電池和電極，振動能量采集器由壓電材料形成，射頻采集和充電器包括天線和射頻電路，其特征在于，所述多源能量采集器和能量存儲器同時集成在太陽能電池的硅襯底中；所述光電能量采集器的電極作為射頻充電器的天線；所述壓電材料集成在太陽能電池的硅襯底表面；所述能量存儲器集成在太陽能電池的硅襯底背面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多源能源采集與儲存集成系統(tǒng)，其特征在于，所述光電能量采集器上面覆蓋抗反射層用來增加光的吸收。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多源能源采集與儲存集成系統(tǒng)，其特征在于，所述能量存儲器采用三維的溝壕結(jié)構(gòu)或堆棧的結(jié)構(gòu)；所述能量存儲器的上面遮蓋有保護(hù)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多源能源采集與儲存集成系統(tǒng)，其特征在于，所述能量存儲器采用溝壕結(jié)構(gòu)時，溝谷的深度和寬度比為1:1到10:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多源能源采集與儲存集成系統(tǒng)，其特征在于，所述能量存儲器中的陽極和陰極的優(yōu)選厚度均為50-10000Mffl，位于所述陽極和陰極之間的隔膜優(yōu)選厚度為 10-10000Mm。
6.一種如權(quán)利要求1所述的多源能源采集與儲存集成系統(tǒng)的制備方法，包括如下步驟 (O制備光電能量采集器及射頻采集和充電器在硅晶圓上使用掩膜光刻或其他圖形形成技術(shù)，通過固體擴散或離子注入的方式摻雜，通過熱或光激活形成并PN結(jié)，然后在PN結(jié)的N接觸層上通過物理濺射或其他方式形成導(dǎo)電金屬層產(chǎn)生電極連接；形成的電極作為射頻采集和充電器的天線； (2)在制備好的光電能量采集器及射頻采集和充電器的硅襯底表面，制備振動能量采集器對硅襯底表面的一部分進(jìn)行刻蝕，然后沉積壓電材料； (3)在制備好的光電能量采集器及射頻采集和充電器的硅襯底背面，制備能量存儲器先對硅襯底進(jìn)行深井刻蝕并沉積一層金屬硅化物，然后再沉積一層電介質(zhì)層并進(jìn)行刻蝕定義圖形，再在圖形化的襯底上進(jìn)行金屬的沉積并刻蝕，刻蝕后沉積分離層，在分離層的上面進(jìn)行金屬電極的物理沉積和刻蝕，最后對金屬電極進(jìn)行刻蝕，形成最終的能量存儲器結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多源能源采集與儲存集成系統(tǒng)，包括多源能量采集器和能量存儲器，多源能量采集器與能量存儲器集成在同一襯底中。其中，多源能量采集器包括光電能量采集器、振動能量采集器和射頻充電器，光電能量采集器的電極作為射頻充電器的天線；振動能量采集器的壓電材料集成在太陽能電池的硅襯底表面；能量存儲器集成在太陽能電池的硅襯底背面，可采用三維的溝壕結(jié)構(gòu)或堆棧層的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的系統(tǒng)將能量采集器及能量存儲器集成為同一器件，能實現(xiàn)將環(huán)境中的光能、振動能和電磁場能量同時轉(zhuǎn)化為電能的功能；三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計能提高容量、降低成本、縮小體積；并且其制備工藝流程簡單，能與低成本集成電路工藝兼容。
文檔編號H01L31/058GK103066146SQ20121032839
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者陳遠(yuǎn)寧 申請人:陳遠(yuǎn)寧