CN102347518B - 一种高体积比能量密度微能源系统及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明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Ge_xSi_1-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。

Description

一种高体积比能量密度微能源系统及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种高体积比能量密度微能源系统及其制作方法，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。属微电子技术领域。

背景技术

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密度。

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，AM1.5条件(1000W/m²，25℃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LiCoO₂、LiMnZO以及Li_xV₂O₅。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。本发明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4×4×4cm³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。调研未见使用如本发明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。

发明内容

本发明的目的是提供一种高体积比能量密度微能源系统及其制作方法，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。本发明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2×2cm²，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0.75×1cm²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n型微晶硅、i型Ge_xSi_1-x，0＜x＜1，p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0.75×1cm²)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0.75×1cm²)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CC2420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AZO、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2×10^-4Pa以下，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℃；

上述射频磁控溅射方法沉积LiPON薄膜的溅射条件为：在N₂环境下溅射Li₃PO₄靶，靶到基片的距离为7cm，本底真空为2×10^-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℃。

本发明中所述微能源系统具有以下优点：

1、Al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、本发明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℃时可达2×10^-6-3.2×10^-6S/cm。LiPON电解质具有很高的热稳定性，在-25～160℃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Co_xNi_1-xN，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1100nm；6代表锂电池集电极Al，厚度600nm；7代表n型微晶硅薄膜；8、代表i型非晶锗硅；9、代表p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。

具体实施方式

本发明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厚度足以填满空洞深度，实现双面Al互联；

3、在Al背面依次沉积氮化钴镍、LiPON薄膜、Li薄膜和Al薄膜；在Al表面溅射沉积Co_xNi_1-xN，0＜x＜1，其工艺条件是按一定比例Co纳米粉和Ni纳米粉混合，真空熔融煅烧，制备金属钻镍合金靶材，通过射频磁控溅射的方法沉积氮化镍钴薄膜，本底真空为2×10^-4Pa以下，沉积时基片温度小于80℃，直至氮化镍钴薄膜的厚度为900nm；在氮化镍钴薄膜表面溅射沉积LiPON薄膜；所述的LiPON薄膜制作工艺是先制作Li₃PO₄靶材，采用该靶材，在N₂环境中溅射成膜，直至LiPON薄膜的厚度为1600nm；在LiPON薄膜上沉积金属Li薄膜，它采用溅射方法沉积，本底真空为2x10^-4Pa以下，基片温度为室温，成膜速率400～1100nm/min，直至锂薄膜的厚度为1100nm；在Li薄膜表面溅射成膜一层Al薄膜，它是在Ar环境中溅射成膜，本底真空为2x10^-4Pa以下，基片温度为室温，蒸发速率500nm/min，直到Al薄膜厚度为600nm；

4、在未覆盖电池多层膜的Al膜表面安装能源管理模块，使得一电路输出端通过焊点13用Au线与Al相连，另外的输出端通过焊点13与RF模块和Al相连。连接手段采用引线键合(wire bonding)方法，连接材料为Au线；

5、在未覆盖电池多层膜的Al膜表面安装RF收发模块，使得一输出端与Al薄膜相连，另外输出端与非晶锗硅正极、能源管理电路输出端相连。连接手段采用引线键合方法，连接材料为Au线；

6、在玻璃正面Al表面依次沉积n型微晶硅、i型Ge_xSi_1-x，0＜x＜1，p型非晶硅和含3％Al的AZO；

7、用Au线14焊接AZO、Li电池阳极、能源管理模块11的输出端、RF收发模块12的输出端，13表示焊点。

8、测试物联网节点连续阴天工作性能；电池的优化设计与制作。

9、对能源系统进行电学性能测试，判断是否满足体积比能量密度大于291.9WH/L和能够连续4天阴天正常供电的要求，若满足，则完成设计制作，若不满足，从新设计微能源系统结构，调节锂电池占非晶锗硅太阳电池面积比例，调节锂电池电解质层厚度，调节能源管理电路功耗，重新制作，直到满足需求。

Claims (8)

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A1薄膜，Al膜的厚度填满空洞深度，实现双面A1互联；

c)在玻璃衬底背面的A1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A1表面依次沉积n型微晶硅、0<x<1的i型Ge_xSi_1-x，p型非晶硅和含3％A1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。

2.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述的圆台的外孔直径为1mm，内孔为0.5mm。

3.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述的氮化钴镍通式为Co_xNi_1-xN，式中0<x<1。

4.按权利要求1所述的系统，其特征在于在未覆盖多层电池的Al膜上安装的能源管理模块为富晶电子股份有限公司生产的FSA582充电管理芯片构建的电路，安装的RF收发模块的电路由Chipcon公司生产的无线通信模块CC2420组成。

5.按权利要求4所述的系统，其特征在于RF收发模块可将探测到得温度或湿度每8小时发送一次，每次发送脉冲电流1A，48ms，待机电流为40mA。

6.按权利要求1、4或5所述的系统，其特征在于能源管理模块和RF收发模块均通过导电银胶与Al膜相连。

7.制作如权利要求1所述的能源系统的方法，其特征在于步骤为：

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；

②在玻璃衬底的正面和背面溅射Al薄膜，A1薄膜的厚度填满空洞深度，实现双面Al互联；

③在玻璃衬底背面的A1膜上依次沉积氮化钴镍、LiPON薄膜、Li薄膜和Al薄膜；在Al表面溅射沉积Co_xNi_1-xN，0<x<1，沉积的工艺条件是以一定比例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钴镍薄膜，本底真空为2×10^-4pa以下，沉积时基片温度小于80℃；接着在氮化钴镍薄膜表面溅射沉积LiPON薄膜；制作Li₃PO₄靶材时，采用该靶材是在N₂环境中溅射成膜，再在LiPON薄膜上沉积金属Li薄膜；采用溅射方法沉积，本底真空为2×10^-4Pa以下，基片温度为室温，成膜速率400～1100nm／min，最后是在Li薄膜表面在Ar环境中溅射成膜一层Al薄膜，本底真空为2×10^-4Pa以下，基片温度为室温，蒸发速率500nm／min；

④在未覆盖电池多层膜的A1膜表面安装能源管理模块，使得一电路输出端与Al相连，另外的输出端与RF模块和Al相连；连接手段采用引线键合方法，连接材料为Au线；

⑤在未覆盖电池多层膜的Al膜表面安装RF收发模块，使得一输出端与Al薄膜相连，另外输出端与非晶锗硅正极、能源管理电路输出端相连；连接手段采用引线键合方法，连接材料为Au线；

⑥在玻璃衬底正面的Al膜表面依次沉积n型微晶硅、i型Ge_xSi_1-x，0<x<1，p型非晶硅和含3％A1的AZO；

⑦用Au线焊接AZO、Li电池阳极、能源管理模块输出端、RF收发模块输出端，表示焊点；

⑧测试物联网节点连续阴天工作性能；电池的优化设计与制作，

⑨对上述制作的能源系统进行电学性能测试，判断是否满足体积比能量密度大于291.9Wh／L和能够连续4天阴天正常供电的要求，若满足，则完成设计制作，若不满足，重新设计微能源系统结构，调节锂电池占非晶锗硅太阳电池面积比例，调节锂电池电解质层厚度，调节能源管理电路功耗，重新制作，直到满足需求。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于：

a)步骤③所述氮化钴镍的厚度为900nm；

b)步骤③所述的LiPON薄膜的厚度为1600nm；

c)步骤③所述所述的Li膜的厚度为1100nm；

d)步骤③所述的Al膜的厚度为600nm。

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