本发明专利技术涉及一种高重量比能量密度微能源系统、方法及应用。其特征在于所述的系统组成为：(1)在GaAs电池背表面溅射生长Al薄膜；(2)在Al膜表面溅射沉积氮化镍钴，其通式为ComNi1-mN，式中0＜m＜1；(3)在氮化镍钴薄膜表面溅射沉积Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3薄膜；(4)在Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3薄膜上沉积金属Li薄膜；(5)在Li薄膜表面溅射成膜一层Cu薄膜；(6)溅射(2)-(5)时在Al膜表面用不锈钢掩模板紧贴在露出未覆盖多层膜的Al表面，依次要装能源管理电路和RF模块，用金线连接GaAs电池正极、Li电池阳极、能源管理模块输出端和RF收发模块输出端。提供的高重量比能量密度高达438wh/kg，可连续5天在阴天条件下工作，为物联网节点微型化长时间供电及野外应用提供技术手段。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高重量比能量密度微能源系统、方法及其应用，具体涉及一种高重量比能量密度，可使物联网节点在连续阴天条件下正常工作的微能源系统、制备方法及应用。属微电子
技术介绍
物联网传感器节点的微型化、可布撒、无人值守是未来发展的趋势，对能源的体积、重量、功率和工作电流都提出了特殊的要求，迫切要求有体积小、重量轻、(重量、体积) 比容量高的微能源与之匹配，微能源与负载单片集成将有利于进一步提高微系统的重量比能量密度。GaAs太阳电池是目前太阳电池中效率最高的电池，AMI. 5 (1000W/m2，25°C条件下， IEC61646-地面用光伏组件设计和定型(GB/T18911-2002)的测试标准)，效率可达27%以上，另一方面，该电池衬底厚度为200微米，具有很好的支撑性，成为能源微系统集成的衬底备选，利用GaAs背面衬底可以直接生长固态薄膜锂电池结构，同时可以集成能源管理和物联网节点收发模块，实现有效的单片集成，提高微系统的重量比能量密度。全固态薄膜锂电池克服了常规液态电解质电池需要严密封装的缺点，可以借助溅射工艺在真空中成膜，工艺简化，工艺可控性得到有效提升，同时也成为现有锂电池中长寿命、高重量比能量密度的代表之一。全固态薄膜锂电池通常由阴极薄膜、电解质薄膜和阳极薄膜三部分组成。常规全固态薄膜锂电池中的阴极薄膜材料一般采用LiCo02、LiMnZ0以及 LixV205。该类材料存在制备工艺复杂的问题，而且在制备过程中一般需要高温退火过程，而该退火过程将损害电子元器件，从而限制了全固态薄膜锂电池在半导体行业中的应用。本专利技术采用溅射工艺制备氮化镍钴薄膜作为锂电池阴极。常规锂电池采用液态电解液，存在封装不严可能泄漏和循环寿命受限的缺点，而固体电解质LiuTiuAla3(PO4)3由于具有较高的锂离子电导率、良好的电化学稳定性成为当前锂电池电解质材料的重要备选。选用上述材料和工艺有利于提高锂电池的重量比能量密度。如能利用GaAs电池效率高的特点，则将可以更多的捕获太阳光，通过固态锂电池可以储存更多的能量，通过能源管理单元转换为电能储存和为传感器节点供电，实现节点的白天捕获光能同时供应传感器工作，夜间锂电池供应传感器工作，实现长时间供电的模式。本专利技术正是基于上述背景提出的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高重量比能量密度微能源系统、制作方法及其应用，本专利技术解决了现有微能源系统低能量密度(如聚合物锂电池，仅为100-200Wh/Kg)的问题。 本专利技术提供了微能源系统的技术解决方案一种高重量比能量密度微能源系统，其特征在于1)、在GaAs电池背表面溅射生长Al薄膜(厚度范围150-350nm)，在Al表面溅射沉积Cc^NihNO) <m< 1)薄膜，沉积工艺条件是按通式中一定比例的Co纳米粉和Ni纳米粉混合，真空熔融煅烧，制备金属钴镍合金靶材，通过射频磁控溅射的方法沉积氮化镍钴薄膜，本底真空为2X10_4Pa以下，沉积时基片温度小于80°C，直至氮化镍钴薄膜的厚度为 800-1000nm ；2)、在氮化镍钴薄膜表面溅射沉积LiuTiuAla3(PO4)3薄膜；制作工艺是先制作 Li1. JiuAla3 (PO4)3合金靶材，采用该靶材，在Ar环境中溅射成膜，直至Li1. Jk7Ala3 (PO4)3 薄膜的厚度为1500-1700nm ；3)、在LiuTiuAla3(PO4)3薄膜上沉积金属Li薄膜。其制备工艺是采用真空热蒸发沉积，本底真空为hlO—Va以下，基片温度为室温，蒸发速率400 llOOnm/min，直至锂薄膜的厚度为1000-1200nm。4)、在Li薄膜表面溅射成膜一层Cu薄膜，其制备工艺条件是在Ar环境中溅射成膜，本底真空为hlO_4Pa以下，基片温度为室温，蒸发速率500nm/min，直到Cu厚度为 500-800nm在上述沉积的氮化镍钴膜时(包括沉积Li1. Ji1.7A10.3 (PO4) 3薄膜及Li膜和Cu膜) 采用不锈钢掩膜板与Al表面紧贴，掩模板露出一定面积，在未覆盖电池多层膜的Al膜表面，依次安装能源管理电路和RF收发模块(详见实施例)。由此可见，①所述的射频磁控溅射方法沉积氮化镍钴合金薄膜的溅射条件为靶材与衬底基片的距离为4. 5cm，本底压力为2X10_4Pa，沉积薄膜前靶材要反溅射25min，反溅射功率150W，溅射气氛为体积比2. 5 1的氢气和氮气的混合气体，流速为35sCCm，工作气压为1. 2Pa，沉积功率为120W，沉积时基片温度小于90°C ；②所述的射频磁控溅射方法沉积LiuTiuAla3(PO4)3薄膜的溅射条件为靶到基片的距离为7cm，本底压力为2X10_4Pa，沉积薄膜前靶材要反溅射25min，反溅射功率 50-100W，溅射气氛为纯Ar气，流速为30sCCm，工作气压为1.6Pa，沉积功率为125W，沉积时基片温度小于90°C ；③所述的微能源系统采用金属(包括Al、Au、Ag、Cu、Ni、或V)作为多模块的连接线.一入 ，④所述的微能源系统采用GaAs电池背表面作为多模块集成的衬底，节约空间和重量，提高了重量比能量密度；⑤所述微能源系统所用GaAs太阳电池效率大于27% (AMI. 5)，5小时可以为锂电池充满电；⑥所述微能源系统中所制备固态Li电池容量大于300 μ Ah，可以满足物联网节点在5天连续阴天条件下工作；本专利技术所述的微能源系统可以a)应用于为物联网节点供能。现有物联网传感器节点一般采用镍氢电池供电，尺度为4*4衬cm3以上，重量比能量密度为< 100WH/Kg，文献且未见使用GaAs衬底、储能、能源管理及负载单片集成的实际应用报道。通常采用1次电池的传感器节点，电池消耗完后电池节点失效；而采用二次电池的传感器节点，电池消耗完后，需要人工换电或充电，不能适应未来大规模抛撒，长时间无人值守的需求；b)所述高重量比能量密度微能源系统可以应用于为纳米卫星供能。纳米卫星是指重量在I-IOKg的卫星，随着集成电路和微光机械系统技术的不断发展和卫星重量的减小，包括太阳电池、能源管理电路和储能电池在内的能源系统在整个卫星中所占比重出现CN 102324586 A说明书3/4页增加趋势。将薄膜技术应用于将太阳电池和储能及能源管理单元集成，提高重量比能量密度，有助于改变这一趋势。能源系统微型化单片集成技术成为未来纳米卫星及更小的卫星的能源技术发展重点。现有的卫星上的能量储存采用镍氢、Cu2In2Ga2Se2(CIGS太阳电池， 效率15% )等电池，尚未形成单片集成。美国ITN能源系统公司采用美国橡树岭国家实验室(ORNL)提供的技术生产了全固态薄膜锂电池结合柔性Cu2In2Ga2Se2 (CIGQ太阳能电池， 加上柔性电源管理线路，已研制出卫星用高度集成化的柔性集成电源模块，为纳米卫星中储存能源的提供了技术支撑。采用GaAs电池集成固态锂电池，有望实现高重量比能量密度微系统，为纳米卫星提供“全天候供电”。综上所述，本专利技术提供的高重量比能量密度微能源系统具有以下优点1、一层Al膜既作为GaAs与锂电池间的连接，又作为锂电池和能源管理电路间的连接，减少了外部电路连接，便于单片集成。2、GaAs太阳电池正面用于本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种高重量比能量密度微能源系统，其特征在于所述的微能源系统的组成为：（１）在ＧａＡｓ电池背表面溅射生长Ａｌ薄膜；（２）在Ａｌ膜表面溅射沉积氮化镍钴，其通式为ＣｏｍＮｉ１－ｍＮ，式中０＜ｍ＜１；（３）在氮化镍钴薄膜表面溅射沉积Ｌｉ１．３Ｔｉ１．７Ａｌ０．３（ＰＯ４）３薄膜；（４）在Ｌｉ１．３Ｔｉ１．７Ａｌ０．３（ＰＯ４）３薄膜上沉积金属Ｌｉ薄膜；（５）在Ｌｉ薄膜表面溅射成膜一层Ｃｕ薄膜；（６）溅射（２）～（５）时在Ａｌ膜表面用不锈钢掩模板紧贴在露出未覆盖多层膜的Ａｌ表面，依次安装能源管理电路和ＲＦ收发模块，用金线连接ＧａＡｓ电池正极、Ｌｉ电池阳极、能源管理电路输出端和ＲＦ收发模块输出端。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周健，孙晓玮，谈惠祖，周舟，王伟，周建华，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。