CN103066146A - 多源能源采集与储存集成系统及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多源能源采集与储存集成系统，包括多源能量采集器和能量存储器，多源能量采集器与能量存储器集成在同一衬底中。其中，多源能量采集器包括光电能量采集器、振动能量采集器和射频充电器，光电能量采集器的电极作为射频充电器的天线；振动能量采集器的压电材料集成在太阳能电池的硅衬底表面；能量存储器集成在太阳能电池的硅衬底背面，可采用三维的沟壕结构或堆栈层的结构。本发明的系统将能量采集器及能量存储器集成为同一器件，能实现将环境中的光能、振动能和电磁场能量同时转化为电能的功能；三维结构的设计能提高容量、降低成本、缩小体积；并且其制备工艺流程简单，能与低成本集成电路工艺兼容。

Description

多源能源采集与储存集成系统及其制备方法
技术领域
本发明涉及能量采集和存储技术领域，尤其涉及一种多源能源采集与储存集成系统及其制备工艺。
背景技术
最近集成电路技术的进步发展了超低功耗应用的芯片，它用电量低，可以通过采集周围环境中能量源的供电方式，形成自供电电子系统。例如，在无线联网中的自有源传感器系统中，包括微控制器、传感器输入的模拟/数字（A / D）转换器和无线射频收发器的功能，它可以结合光伏能量收集装置供电与充电电化学存储设备（充电电池）。
对于本发明所涉及的光电能量采集器、振动能量采集器、射频充电器和固体电池，虽然分别已经有相关的报道，但是，将多种能源转换器与存储器集成为一个器件是一项全新的技术，实现这一技术方案需要解决一系列新的问题，如：选择物理性能优良价格合理的材料以保证器件良好的能源转换及存储性能；采取有效的隔离屏蔽设计以防止集成器件之间可能产生的相互干扰。
无线传感器件根据不同应用设计的需要,对电源有不同的要求。有些传感器器件需要一种可以自行充电的电源来延长器件的使用寿命，降低维护成本。这时太阳能光伏电池是理想的选择，因为太阳能电池结构相对较为简单，性能比较稳定,而且所需的光能很容易获得。光电能量采集器基于太阳能电池的工作原理，由光子激发电子空穴对，半导体PN结的内建电场将电子与空穴分离到相反的PN结两端产生电势。太阳能电池的有效率受很多因素影响，例如半导体材料本身的光吸收系数，少子寿命，器件的结构设计，抗反射层的特性等。相对其它能源，光伏技术采集技术较成熟，其能量采集率相对高，太阳能源存在范围最广，绿色清洁，作为能量采集技术目前颇受青睐。微太阳能电池技术作为较成熟的技术已经有公司进行开发，其中包括美国Clare Corporation；IXYS Corp；和以色列 Sol Chip 等公司，他们利用半导体材料的微加工技术，可以将光敏物质做得很薄,电池体积可以做得很小,能够满足无线传感器件的需要。但是，现有的微光伏采集产品尚未与能量存储器集成，使用时需要外加能量存储器，增加了系统的体积和成本。现有的光伏采集产品的成本也偏高。
振动发电的原理是利用压电材料的压电效应，电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象而产生正负相反的电荷。振动转化为电能的表述如下：P ~ A2m/ω，其中P：能量，A:加速因子，m：质量，ω：振动频率，产生的能量与质量和振动频率有直接关系。
射频发电和充电最近受到许多关注，但是其能量采集率低，可用能量源很局限，能量源须非常接近其能量采集器。这些特性限制了射频发电的应用。目前射频技术用于能量传递，有很好的应用前景，如电动汽车的充电，无线传感网的节点充电。射频能量采集器或充电器是根据简化Friis公式计算：                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中P r ：接受天线能量；P t ：传送天线能量；G t : 传送天线增益；G r ：接受天线增益；R：距离；λ：波长。
在微能源存储技术方面，锂蓄电池有比较高的比能量(100～200 Ah/kg) 和优良的循环使用性能。薄膜微电池作为传感器件的主要电源和备用电源有许多可能的应用。比如,微型的医疗器件,远程的传感器,小型的发报器,智能卡。作为备用电源可以应用于计算机存储器卡和其他类型的静态存储器等等。美国OakRidge 国家实验室用物理溅射的方法制备了全固态的薄膜电池。这种薄膜锂蓄电池体的厚度仅为15μm ,这种电池可以制成任意形状以满足特定的应用需要,只要保证电解质完全的隔离了正极和负极。
发明内容
针对现有技术中存在的缺点：（1）现有的能量采集器件只能转化单一能源为电能；（2）在无线传感网的应用中，作为能量采集和存储的元件目前尚为分立器件，成本高，体积大。本发明的目的是集成多源能量采集和能量存储技术，将环境中多种能源（光，振动，及射频）同时转化为电能并存储在同一器件内，输出再生、不间断的电能，使其应用系统升级为自动供电系统。
为了实现上述目的，本发明系统的技术方案如下：
多源能源采集与储存集成系统，包括多源能量采集器和与之连接的能量存储器，多源能量采集器包括光电能量采集器、振动能量采集器和射频采集/充电器，光电能量采集器包括太阳能电池和电极，振动能量采集器由压电材料形成，射频充电器包括天线和射频电路，多源能量采集器和能量存储器同时集成在太阳能电池的硅衬底中；光电能量采集器的电极作为射频充电器的天线；压电材料集成在太阳能电池的硅衬底表面；能量存储器集成在太阳能电池的硅衬底背面。
进一步地，所述光电能量采集器上面覆盖抗反射层用来增加光的吸收。
进一步地，所述能量存储器采用三维的沟壕结构或堆栈的结构；能量存储器的上面遮盖有保护层。当能量存储器采用沟壕结构时，沟谷的深度和宽度比为1:1到10:1。能量存储器中的阳极和阴极的厚度均为50-10000μm，位于所述阳极和阴极之间的隔膜优选厚度为10-10000μm。
本发明的制备方法包括如下步骤：
（1）制备光电能量采集器及射频采集和充电器：在硅晶圆上使用掩膜光刻技术，通过固体扩散或离子注入掺杂的方法形成并激活PN结，然后在PN结的N接触层上通过物理溅射导电金属层的方法产生电极连接；形成的电极作为射频采集和充电器的天线；
（2）在制备好的光电能量采集器及射频采集和充电器的硅衬底表面，制备振动能量采集器：对硅衬底表面的一部分进行刻蚀，然后沉积压电材料；
（3）在制备好的光电能量采集器及射频采集和充电器的硅衬底背面，制备能量存储器：先对硅衬底进行深井刻蚀并沉积一层金属硅化物，然后再沉积一层电介质层并进行刻蚀定义图形，再在图形化的衬底上进行金属的物理沉积并刻蚀，刻蚀后沉积分离层，在分离层的上面进行金属电极的物理沉积和刻蚀，最后对金属电极进行刻蚀，形成最终的能量存储器结构。
本发明的系统将能量采集器及能量存储器集成为同一器件，具有将环境中的光能、振动能和电磁场能量同时转化为电能的功能；三维结构的设计能提高容量、降低成本、缩小体积；其制备工艺流程简单，能与低成本集成电路工艺兼容。本发明可缩小系统体积50%以上，提高系统可靠性，降低成本50%以上。
附图说明
图1是本发明与现有技术的区别示意图，（a）为传统无线传感网节点，（b）为应用本发明系统的无线传感网节点。图中，1-射频电路，2-能量存储器，3-能量采集器，4-微处理器/电源管理电路，5-传感器，6-多源能量采集器和能量存储器集成系统。
图2是本发明集成系统的结构示意图。图中，7-光伏器件，8-光伏电极和射频天线，9-三维能量存储器，10-衬底，11-压电材料，12-抗反射层，13-保护层。
图3是本发明实施例中光伏器件的制备流程中相应结构的横截面示意图。
图4是本发明实施例中能量存储器的制备流程示意图。
具体实施方式
如图1（b）所示，本发明的系统是将多源能量采集器与能量存储器（电池）集成在一起，可以应用于无线传感网节点中。其中，多源能量采集器包括光电能量采集器（光伏器件）、振动能量采集器和射频采集/充电器。其中，光电能量采集器包括太阳能电池和电极，振动能量采集器包括压电材料和振动能量采集电路，射频采集/充电器包括天线和射频电路。
如图2所示，光伏器件7、射频采集/充电器的天线8、振动能量采集器的压电材料11和三维能量存储器9集成设计在同一衬底10上，衬底10为太阳能电池的硅衬底，将光伏器件7的电极设计成射频充电器的天线来采集电磁场的能量。光伏工艺与单晶硅传统工艺类似，微光伏器件7在硅晶圆上使用掩膜光刻，通过固体扩散或离子注入掺杂的方法形成实现并激活PN结，然后再在PN结上通过物理溅射导电金属层的方法产生电极连接，微光伏器件7上面还需要覆盖抗反射层12来增加光的吸收。具体的工艺流程见图3所示：（1）离子注入：能量为200-700KeV,掺杂激活：在700-1100℃条件下,30分钟到2个小时；（2）沉积氮化硅等材料作为抗反射层12，厚度为200-6000埃；（3）对抗反射层12刻蚀，形成P接触层；（4）再对抗反射层12刻蚀，形成N接触层；（5）进行金属沉积，形成光伏电极和射频天线8。
光伏器件7制备好后，在硅片的表面刻蚀掉一部分，再沉积上压电材料，如PZT，然后将能量存储器集成在硅衬底的背面，为了方便操作，先将光伏器件7的正面粘贴在载体衬底上，将硅衬底的背面朝上。
三维能量存储器9（电池）可以用三维的沟壕（trench）结构或堆栈层的结构。三维电池的设计原理是通过增加有效面积来增加单位能量密度。微电池器件是在基板上淀积薄膜阴极材料，然后再沉积出电解质层，最后采用锂或锂化合物建立阳极，从而实现光能转换的微电能的存储。在微电池上面需要遮盖保护层13。具体的工艺流程如图4所示：先对硅衬底进行深井（deep well）刻蚀并沉积一层金属硅化物（如COSix),然后再沉积一层电介质进行刻蚀定义图形，再在图形化的衬底上进行金属（如Zn或Ag)的物理沉积并刻蚀，刻蚀后沉积分离层，在分离层的上面进行金属电极(如Zn或Ag)的物理沉积和刻蚀，最后对金属电极进行刻蚀，形成最终的能量存储器结构。
本发明的微光伏器件作为光电转换的核心部件，其采用单晶硅，通常的光照能量在室内输出能量大约为0.1-10mW/cm2；室外输出能量为10-1000mW/cm2。微电池器件作为储能单元，经过充电过程后，通过电源管理模块输出电压为1V左右时，大约能输出10-1000μA/小时的供电能力和提供2000-10000次以上的可利用充放电周期。微光伏器件和微电池器件均通过半导体加工工艺来实现，通过优化工艺和封装流程，将这两者和电源管理模块整合在一起，从而形成可提供不间断供电能力的微能源系统。

Claims (6)

1.多源能源采集与储存集成系统，包括多源能量采集器和与之连接的能量存储器，多源能量采集器包括光电能量采集器、振动能量采集器及射频采集和充电器，光电能量采集器包括太阳能电池和电极，振动能量采集器由压电材料形成，射频采集和充电器包括天线和射频电路，其特征在于，所述多源能量采集器和能量存储器同时集成在太阳能电池的硅衬底中；所述光电能量采集器的电极作为射频充电器的天线；所述压电材料集成在太阳能电池的硅衬底表面；所述能量存储器集成在太阳能电池的硅衬底背面。
2.根据权利要求1所述的多源能源采集与储存集成系统，其特征在于，所述光电能量采集器上面覆盖抗反射层用来增加光的吸收。
3.根据权利要求1或2所述的多源能源采集与储存集成系统，其特征在于，所述能量存储器采用三维的沟壕结构或堆栈的结构；所述能量存储器的上面遮盖有保护层。
4.根据权利要求3所述的多源能源采集与储存集成系统，其特征在于，所述能量存储器采用沟壕结构时，沟谷的深度和宽度比为1:1到10:1。
5.根据权利要求4所述的多源能源采集与储存集成系统，其特征在于，所述能量存储器中的阳极和阴极的优选厚度均为50-10000μm，位于所述阳极和阴极之间的隔膜优选厚度为10-10000μm。
6.一种如权利要求1所述的多源能源采集与储存集成系统的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备光电能量采集器及射频采集和充电器：在硅晶圆上使用掩膜光刻或其他图形形成技术，通过固体扩散或离子注入的方式掺杂，通过热或光激活形成并PN结，然后在PN结的N接触层上通过物理溅射或其他方式形成导电金属层产生电极连接；形成的电极作为射频采集和充电器的天线；
（2）在制备好的光电能量采集器及射频采集和充电器的硅衬底表面，制备振动能量采集器：对硅衬底表面的一部分进行刻蚀，然后沉积压电材料；
（3）在制备好的光电能量采集器及射频采集和充电器的硅衬底背面，制备能量存储器：先对硅衬底进行深井刻蚀并沉积一层金属硅化物，然后再沉积一层电介质层并进行刻蚀定义图形，再在图形化的衬底上进行金属的沉积并刻蚀，刻蚀后沉积分离层，在分离层的上面进行金属电极的物理沉积和刻蚀，最后对金属电极进行刻蚀，形成最终的能量存储器结构。
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