一种高体积比能量密度微能源系统及其制作方法技术方案

本发明专利技术涉及一种高体积比能量微能源系统及制作方法，其特征在于所述的系统由a)用金刚石钻头在玻璃衬底上打孔，孔为两个相对的空心圆台；b)在玻璃衬底正面和背面溅射Al薄膜，Al膜的厚度填满空洞深度，实现双面Al互联；c)在Al背面依次沉积氮化钴镍、LiPON薄膜、Li薄膜和Al薄膜；d)在未覆盖电池多层膜的Al膜表面安装能源管理模块和RF收发模块；e)在玻璃正面Al表面依次沉积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线连接AZO、Li电池阳极、能源管理模块输出端、RF收发模块输出端。采用方法为溅射沉积方法，制作微能源系统体积比能量密度大于291.9W/L，为物联网节点微型化、便携性、长时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，更具体地说涉及一种高体积比能量密度，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的设计与制备方法。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、(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体积比能量也/又。非晶锗硅薄膜太阳能电池是目前薄膜太阳电池中最有希望的电池之一，AMI. 5条件(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)下，效率可达15%以上，另一方面，该电池衬底为玻璃，厚度为1毫米，具有很好的支撑性，成为能源微系统集成的衬底备选，利用玻璃正面、背面都可以采用溅射生长Al 膜，通过通孔技术实现电学连接，同时可以通过Al膜实现正面锗硅薄膜电池与背面的能源管理模块、物联网节点收发模块的互连，实现有效的单片集成，提高微系统的体积比能量密度。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、高体积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，LiPON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材料。选用上述材料和工艺有利于提高锂电池的体积比能量密度。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，现有物联网传感器节点大多采用镍氢电池供电，主要缺点是体积大，通常为 4X4X4cm3以上，所以体积比能量密度低，通常不超过150WH/L，电池消耗完后，需要人工换电池或充电，不能适应未来大规模抛撒，长时间无人值守的需求。调研未见使用如本专利技术所提出的非晶锗硅太阳电池的衬底、储能、能源管理及负载单片集成的实际应用报道。采用该结构最大的优点是体积比能量密度高，可以保持4天阴天连续供电，能够大规模抛撒，长时间无人值守的特殊需求
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，其解决了现有微能源系统低体积能量密度(如聚合物锂电池，通常体积能量密度仅为100-200Wh/L) 的问题。本专利技术的技术解决方案的特殊之处是1、用金刚石钻头在玻璃衬底上打孔，玻璃衬底厚度为1mm，面积为2X2cm2，所打的孔为两个相对的空心圆台(如图1)，孔的中心位置为位于图1右图中距离左测边缘2mm处，距离上边和下边等距离；2、在玻璃正面和背面溅射Al薄膜，Al厚度足以填满空洞深度，实现双面Al互联；3、采用不锈钢掩膜板与Al表面紧贴，掩膜板露出面积为0. 75X Icm2的窗口(如图1右图)，在Al背面窗口上依次沉积氮化钴镍、LiPON薄膜、Li薄膜和Al薄膜；4、在玻璃正面Al表面依次沉积η型微晶硅、i型 GexSi1^O < χ < 1, ρ型非晶硅和含3% Al的AZO ；5、在未覆盖电池多层膜的Al膜(如图 1右图，面积也为0. 75X Icm2)表面安装能源管理模块，能源管理模块通过导电银胶与Al相连，能源管理电路为采用富晶电子股份有限公司的FSA582充电管理芯片构建的电路；6、在未覆盖电池多层膜的Al膜(如图1右图，面积也为0. 75X Icm2)表面安装RF收发模块，RF 模块通过导电银胶与Al相连，RF收发模块用于数据传输，单元模块电路由Chipcon公司生产的低功耗、短距离的无线通信模块CCM20组成，可以将探测到的温度、湿度等信息发送出去，每8小时发送1次，每次发送脉冲电流1A，48ms，待机电流为40mA，输出电压3. 3V ；7、 用Au线连接ΑΖ0、Li电池阳极、能源管理模块输出端、RF收发模块输出端；8、测试物联网节点连续阴天工作性能；9、优化设计，由于锂电池的面积越大，锂电池效率越高，因此，调节 Li电池占比面积，反复设计制作，可以提高微能源系统体积比能量密度，提高能源系统微型化程度。2、所述的高体积比能量密度微能源系统制作方法，其特征在于上述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，本底真空为2X10_Va以下，沉积薄膜前靶材要反溅射25min，反溅射功率 150评，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3kccm，工作气压为 1. 2Pa，沉积功率为120W，沉积时基片温度小于90°C ；上述射频磁控溅射方法沉积LiPON薄膜的溅射条件为在队环境下溅射Li3PO4 靶，靶到基片的距离为7cm，本底真空为2X10_4Pa以下，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。本专利技术中所述微能源系统具有以下优点1、A1膜既作为薄膜锗硅太阳电池与锂电池间的连接，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，实现双面Al互联。2、非晶锗硅太阳电池正面用于捕获太阳光，背面用于储存和管理能量，光捕获、管理、储存、和使用集成在一块模块上，节省空间，提高了微系统的体积比能量密度。3、非晶锗硅具有15%的高效率，可以捕获比常规铜铟镓硒(CIGS)电池更多的太阳能，实现锂电池的充电需求。4、可以实现对物联网传感器节点负载4天无太阳光连续供电。5、本专利技术玻璃上所钻的孔为两个相对的空心圆台(如图1)，可以便于双面溅射形成Al膜电连接，无需电镀工艺。6、LiPON薄膜的离子电导率比Li3PO4高近两个数量级，25 °C时可达2X10_6-3. 2X10_6S/Cm。LiPON电解质具有很高的热稳定性，在-25 160°C温度范围内不发生相变。附图说明图1为微能源系统结构示意图，(a)为前视图，(b)为仰视图。图2为由图1所示的高体积比能量密度能源微系统的制作流程。图中1代表玻璃片通孔(孔中已覆盖Al) ；2代表锗硅太阳电池和锂电池的集电极 Al (400nm) ；3代表阴极CoxNihN,厚度900nm ；4代表固体电解质LiPON，厚度1600nm ；5代表阳极Li薄膜，厚度为IlOOnm ；6代表锂电池集电极Al，厚度600nm ；7代表η型微晶硅薄膜； 8、代表i型非晶锗硅；9、代表ρ型非晶硅；10、代表AZO薄膜；11、代表能源管理电路；12代表RF收发模块；13代表焊点；14、代表Au线。具体实施例方式本专利技术所述的高体积比能量密度微能源系统的制作方法，其制作流程(如图2)如下1、用金刚石钻头在玻璃衬底上打孔，孔为两个相对的空心圆台(如图1)。2、在玻璃正面和背面分别溅射Al薄膜，Al厚度足以本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种高体积比能量微能源系统，其特征在于所述的微能源系统的组成为：ａ）在玻璃衬底上打孔，孔为两个相对的空心圆台；ｂ）在玻璃衬底正面和背面分别溅射Ａｌ薄膜，Ａｌ膜的厚度填满空洞深度，实现双面Ａｌ互联；ｃ）在玻璃衬底背面的Ａｌ膜表面依次沉积氮化钴镍、ＬｉＰＯＮ薄膜、Ｌｉ薄膜和Ａｌ薄膜；ｄ）在未覆盖多层电池的Ａｌ膜表面安装能源管理模块和ＲＦ收发模块；ｅ）在玻璃正面Ａｌ表面依次沉积ｎ型微晶硅、０＜ｘ＜１的ｉ型ＧｅｘＳｉ１－ｘ，ｐ型非晶硅和含３％Ａｌ的ＡＺＯ；ｆ）用Ａｕ线连接ＡＺＯ、Ｌｉ电池阳极、能源管理模块输出端、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，周建华，王伟，刘正新，
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