CN104781897A - 用于制作超级电容器的结构 - Google Patents

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Abstract

描述了一种电荷存储纤维。在实施例中，电荷存储纤维包括柔性导电纤维、位于柔性导电纤维上的介电涂层和位于介电涂层上的金属涂层。在实施例中，电荷存储纤维被附接到基于纺织品的产品。

Description

用于制作超级电容器的结构
技术领域
本发明涉及用于便携式电子装置的超级电容器，并且更具体地讲，用于可穿戴电子装置的超级电容器。
背景技术
便携式电子装置经常被握在手中，捆扎到皮带上等等，并且易于体积大。当不存在电源插座或便携式发电机时，便携式电子装置也依赖于电池功率。结合许多便携式电子装置的紧凑尺寸，这经常意味着昂贵的电池必须被用于为便携式电子装置供电。电池也需要被定期地充电。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的柔性纤维的透视图。
图2是根据本发明的实施例的单线电容器的透视图。
图3是根据本发明的实施例的双线电容器的透视图。
图4是根据本发明的实施例的单线电容器的透视图。
图5是根据本发明的实施例的通道晶体管的透视图。
图6是根据本发明的实施例的多部件纤维的透视图。
图7A是根据本发明的实施例的多部件纤维的透视图。
图7B是根据本发明的实施例的流向电容器的电流的透视图。
图7C是根据本发明的实施例的存储在电容器中的电荷的透视图。
图7D是根据本发明的实施例的来自电容器的流动的电流的透视图。
图8-9是根据本发明的实施例的用于制作单线电容器的系统的透视图。
图10是根据本发明的实施例的用于制作纤维部件的系统的透视图。
图11-18是根据本发明的实施例的用于制作多部件纤维的系统和方法的透视图。
图19A-19H是根据本发明的实施例的形成交叉指状电容器的方法的剖视侧视图。
图20是根据本发明的实施例的与可穿戴电子装置集成的多部件纤维的示意图。
具体实施方式
在各种实施例中，参照附图描述电荷存储纤维和形成的方法。然而，可在没有这些特定细节中的一个或多个特定细节的情况下或结合其它已知方法和材料实施某些实施例。在下面的描述中，阐述许多特定细节(诸如，特定材料、维度和处理等)，以便提供对本发明的彻底的理解。在其它实例中，未特别详细地描述公知半导体处理和制造技术以免不必要地模糊本发明。在整个本说明书中对“实施例”的提及意味着：结合该实施例描述的特定特征、结构、材料或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在实施例中”在整个本说明书的各种地方的出现不一定表示本发明的相同的实施例。另外，所述特定特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
在一个方面，本发明的实施例将半导体制造技术(诸如，化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD))结合到用于形成柔性电荷存储纤维的处理序列中。在利用本发明的实施例时，预期包括围绕柔性纤维缠绕的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器结构的简单单线超级电容器结构能够实现柔性纤维表面的高达大约每平方微米50毫微微法拉(50 fF/μm2)。例如，示例性尺寸69尼龙柔性纤维具有0.25 mm的直径(0.8 mm周长)。假设沿x和y方向中的每个方向(单股)并在编织线的一平方米表面面积中编织这种纤维的80线/cm，对于单层MIM超级电容器结构，这产生0.25 F的电容。通过增加电容器层的数量，对于每个层，电容能够增加0.25 F。以这种方式，柔性电荷存储纤维可被用作衣服自身的织物，或附接到衣服以用于便携式电子装置的充电或作为便携式电子装置自身的一部分。
在另一方面，本发明的一些实施例描述使用柔性导电纤维形成特定纤维部件的方式。例如，柔性导电纤维能够是涂覆纤维结构或未涂覆纤维结构。在实施例中，柔性导电纤维能够包括涂覆有金属涂层或半导电涂层的绝缘柔性纤维。在实施例中，柔性导电纤维能够是柔性金属线或柔性半导电纳米线。根据本发明的实施例，设想了各种配置。
现在参照图1，提供根据本发明的实施例的柔性纤维的透视图。柔性纤维100可由各种合适的纺织品材料形成，所述合适的纺织品材料能够承受至少100 oC的半导体装置制造装备(诸如，化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)装备)的最小沉积温度。CVD和ALD沉积技术可能特别合适于围绕柔性纤维的圆周提供可再生产的均匀的涂层。在表1中提供合适的柔性纤维材料的非排他性列表以及织物的熔化温度、软化/粘结温度和安全熨烫温度的可用信息(全部为摄氏度)。
表1.
材料 T熔化 T软化/粘结k T安全熨烫 注释
丙烯酸树脂   204-254 149-176  
人造丝 n/a   191  
芳族聚酰胺 n/a n/a n/a 在T>425C碳化
氨纶 230 175 149  
醋酸盐 230 184 177  
阿尼尔三醋酯纤维 302 250 240  
玻璃   >700    
聚乙烯塑料 140 93 不熨烫  
酚醛 n/a      
聚亚苯基苯并双噁唑       在T>280C能够连续操作
聚苯并咪唑 n/a     在250C能够连续操作
聚酰亚胺(例如，P-84)       在260C能够连续操作
石蜡 135 127 66  
聚酯 PET 249 238 163  
聚酯 PCDT 311 254 177  
赛纶 177 149 不熨烫  
聚四氟乙烯(PTFE) 327      
尼龙-6,6 250 229 177  
聚对苯二甲酸乙二酯(PET) 265      
棉花 n/a   218  
亚麻 n/a   232  
羊毛 n/a   149  
丝 n/a   149  
竹子 130-175      
尼龙6 212 171 149  
现在参照图2，根据本发明的实施例，单线电容器200能够被形成在图1的纤维100上。如所示的，第一金属(M1)涂层110被沉积在柔性纤维100上。介电(E1)涂层120被沉积在第一金属(M1)涂层110上，并且第二金属(M2)涂层130被沉积在E1涂层120上。所产生的结构可以是金属-绝缘体-金属(MIM)电容器结构。在纤维100由具有0.25 mm直径的尺寸69尼龙形成的示例性实施例中，MIM部分的电容器厚度可以是纤维100的1/2500。在这种实施例中，包括层110、120、130的MIM部分是0.1 μm厚。
M1和M2涂层110、130可由能够使用CVD或ALD沉积的任何合适金属(诸如，但不限于，Ti、TiW、W、Ru、Al)形成。E1涂层120可由用于形成电容器的任何合适介电材料形成，并且可包括较低介电常数或高介电常数材料。例如E1涂层120可由SiO2、SiNx、TaO2、HfO2、ZrO2、BaSrTiO2、PZT(锆钛酸铅)形成。金属和介电层的厚度可针对特定应用而不同，其中较薄介电层和具有较高介电常数的介电层为电荷存储纤维提供较高电容(或超级电容)。
现在参照图3，根据本发明的实施例，双线电容器300能够被形成在图2的单线200电容器上。以这种方式，与单线电容器相比，可实现的电容可有效地加倍。如所示的，在形成M2涂层130之后，第二介电(E2)涂层140在A—B之间的涂层区域上被形成在M2涂层130和E1涂层120上。第三金属(M3)涂层随后在C—D之间的涂层区域上被沉积在E2涂层140、E1涂层120和M1涂层110上。这有效地使M1涂层110与M3涂层150短路并且形成单个电极，另一电极是夹在E1/E2涂层120、140中间并且以电气方式与M1和M3涂层110、150隔离的M2涂层130。
图4是根据本发明的实施例的单线电容器400的透视图。在图示的实施例中，最里面的线是柔性金属线402。柔性金属线402可由任何金属材料形成，并且可通过各种方法(包括通过抽模板抽出)来形成。因此，柔性金属线402可由与M1和M2涂层110、130相同的材料以及其它材料(包括铜)形成。介电(E1)涂层120被沉积在柔性金属线402上，并且第二金属(M2)涂层130被沉积在E1涂层120上。
图5是根据本发明的实施例的通道晶体管500的透视图。在图示的实施例中，最里面的线是柔性半导电纳米线502。在另一实施例中，柔性半导电柔性纳米线502可由柔性纤维(诸如，柔性绝缘纤维)和该柔性纤维上的半导电涂层替代。介电(E1)涂层120和第二金属(M2)涂层130可被如上所述那样类似地形成。在操作中，源极和漏极位于中心半导电纳米线502上，并且M2涂层用作栅极。当栅极接通时，根据通道晶体管500连接到什么部件，电流将会被允许在源极/漏极之间流动。在一个实施例中，E1涂层120由对被检测的周围环境做出响应的材料形成。例如，特定气体的存在可引起漏极和源极之间的电流的电气改变。以这种方式，通道晶体管500部件能够用作传感器。根据本发明的实施例，通道晶体管500可以自身是形成某种逻辑功能的装置或可以连接到其它装置以形成某种逻辑功能。
图6是根据本发明的实施例的多部件纤维600的透视图。如所示的，多部件纤维600包括沿着柔性半导电纳米线502与电容器200串联连接的通道晶体管500。如所示的，通道晶体管500可以是参照图5描述的相同的通道晶体管，并且电容器200可以是如参照图2所述的相同的单线电容器200，其中唯一差别在于：单线电容器200被形成在柔性半导电纳米线502上，而非形成在柔性纤维100上。在其它实施例中，电容器200可以是根据本发明的实施例描述的其它电容器，诸如双线电容器或交叉指状电容器。
图7A是根据本发明的实施例的多部件纤维700的透视图。如所示的，多部件纤维700包括沿着柔性纤维100与电容器720串联连接的通道晶体管750。如所示的，电容器720可类似于如参照图2所述的单线电容器200。通道晶体管750可类似于图5中描述的通道晶体管500，其中柔性半导电纳米线502由柔性纤维100和半导电涂层702替代。在操作中，源极和漏极位于中心半导电涂层702上，并且M2涂层130用作栅极。还如所示的，为了以电气方式连接通道晶体管750和电容器720，电容器720的第一金属(M1)涂层110的近侧部分112与通道晶体管750的中心半导电涂层702的源极/漏极部分交叠。
图7B-7D是图示根据本发明的实施例的多部件纤维700的操作的透视图。图7B图示栅极接通并且电流流经通道晶体管750以对电容器720进行充电。图7C图示栅极关断，其中电流不流经通道晶体管750并且电荷被存储在电容器720中直至被需要。图7D图示栅极接通并且来自电容器720电荷的电流经通道晶体管750到达需要充电的装置。
图8-9是根据本发明的实施例的用于制作单线电容器的系统的透视图。更具体地讲，诸如系统图示如何能够使用ALD/CVD沉积系统以低成本制作长电荷存储纤维，在ALD/CVD沉积系统中，柔性纤维100的全部长度顺序地经过一个或多个金属沉积室820和介电沉积室850，根据是否需要沉积，当纤维经过沉积系统时，金属沉积室820和介电沉积室850的前体气体被打开和关闭。参照图8，在图示的底部开始，在辊810上拉动纤维100并且纤维100被拉入到金属沉积室820中以沉积M1涂层110。随后能够在辊830、840上拉动该纤维，并且该纤维被拉入到介电沉积室850中，介电沉积室850可沉积各种介电材料(包括高K电介质)以在M1涂层110上形成E1涂层120。如所示的，在沉积E1涂层120之前，M1涂层110的远侧部分可被拉动到超微经过介电沉积室850。现在参照图9，可沿相反方向拉动该纤维。在图示的实施例中，拉回该纤维通过介电沉积室850并且该纤维被拉入到金属沉积室820中以沉积M2涂层130，产生单线电容器200。如所示的，在沉积M2涂层130之前，E1涂层120的近侧部分(即，纤维的沿图9中指示的方向首先重新进入金属沉积室820的部分)可被拉动到超微经过金属沉积室820以便避免M1涂层110和M2涂层130之间短路。尽管参照图8-9图示和描述的系统利用单个金属沉积室820和单个介电沉积室850，但应该理解，这种布置是示例性的，并且根据本发明的实施例设想了其它布置。例如，可沿单个方向拉动该纤维以经过金属沉积室、介电沉积室和第二金属沉积室而不改变方向。该纤维还可在该系统中循环。同样地，辊810、830、840、860配置意图是示例性的而非限制性的。
图10是根据本发明的实施例的用于制作纤维部件的系统的透视图。如所示的，多个纤维100同时经过该系统以显著减少处理的成本。
现在参照图11-18，提供根据本发明的实施例的用于制作多部件纤维的系统和方法的透视图。在实施例中，该方法开始于纤维100。参照图12，打开半导电沉积室1205并且拉动纤维100的一部分经过半导电沉积室1205从而在将要形成通道晶体管的纤维100上沉积半导电涂层702。随后当纤维100的将会在其上面形成电容器的部分经过时，半导电沉积室1205被关闭。参照图13，随后拉动该纤维经过金属沉积室1220从而在纤维100上沉积M1涂层110。如所示的，在拉动全部半导电涂层702经过室1205之前打开室1205，以使得M1涂层110的部分112与半导电涂层702交叠以形成接触。随后当多部件纤维的电容器部分的其余部分移动经过室1205时，室1205保持打开。
现在参照图14-15，拉动该纤维经过介电沉积室1450。在图示的实施例中，在半导电涂层702位于介电沉积室1450内时，介电沉积室1450被暂时打开并且随后被关闭，以使得E1涂层120仅形成在半导电涂层702上，其中半导电涂层702的近侧部分和远侧部分不被E1涂层120覆盖。在介电沉积室1450关闭的情况下，纤维移动继续进行移动直至电容器部分的M1涂层110位于该室内，并且该室被再次打开以在电容器部分的M1涂层110上沉积E1涂层120。随后在M1涂层110的远端进入该室之前，该室可被关闭。
参照图16-18，随后拉动该纤维经过金属沉积室1220从而沉积M2涂层130。金属沉积室1220可以是用于沉积M1涂层110的相同或不同的金属沉积室。如所示的，在通道晶体管E1涂层120经过该室时，金属沉积室1220被打开，并且在通道晶体管E1涂层120完全经过该室之前，金属沉积室1220被关闭，以使得M2涂层130仅形成在E1涂层120上。参照图17，在电容器M1涂层110的接触部分112移动经过金属沉积室1220时，金属沉积室1220保持关闭。现在参照图18，一旦E1涂层120进入金属沉积室，金属沉积室就被再次打开。随后在E1涂层120的远端进入该室之前，该室可被关闭，以使得M2涂层130不与M1涂层110短路。在实施例中，图7A-7D中图示的多部件纤维700是所获得的产品。
图19A-19H是根据本发明的实施例的形成交叉指状电容器的方法的剖视侧视图。图19A-19H中图示的实施例也可以使用如参照图8-18所述的类似沉积系统制作。处理序列可开始于围绕纤维100沉积M1涂层110，如图19A-19B中所示。E2涂层120随后被沉积在M1涂层110上方，其中E2涂层120的远端122包围M1涂层110的远端112。E2涂层120的近端121不包围M1涂层的近端111，M1涂层的近端111保持露出。
现在参照图19D， M2涂层130在纤维100上被沉积在E1涂层120的远端122和M2涂层130的远端132上方。M2涂层130的近端122不包围E1涂层120的近端121，E1涂层120的近端121保持露出。如所示的，M1、E1、M2结构110、120、130形成交叉指状单壁电容器结构。
E2涂层140可随后被沉积在M2涂层130的近端131上方。如图19D中所示，E2涂层140的近端141不被形成在M1涂层110的近端111上方，E2涂层140的远端142也不被形成在M2涂层130的远端132上方。
现在参照图19F，M3涂层150被沉积在E2涂层140的近端141上方，其中近端151形成在M1涂层110上，从而把M1和M3涂层110、150短路在一起。如所示的，M3涂层150的远端152不被形成在E2涂层140的远端142上方。如所示的，M1、E1、M2、E2、M3结构110、120、130、140、150形成交叉指状双壁电容器结构。
E3涂层160可随后被沉积在M3涂层150的近端151和远端152上方。如图19G中所示，E3涂层160的远端162不被形成在M2涂层130的远端132上方。现在参照图19H，M4涂层170被沉积在E3涂层160的远端162上方，其中M4涂层170的远端171形成在M2涂层132上，从而把M2和M4涂层120、160短路一起。如所示的，M4涂层170的近端171不被形成在M1涂层110上。如所示的，M1、E1、M2、E2、M3、E3、M4结构110、120、130、140、150、160、170形成交叉指状三壁电容器结构。
图20是根据本发明的实施例的与可穿戴电子装置集成的多部件纤维的示意图。在实施例中，便携式电子装置2092被连接到纺织品2095(诸如，衣服、手提包或可穿戴配件)或嵌入在纺织品2095中。根据本发明的实施例，设想了各种便携式电子装置2092，诸如但不限于照相机、电话和生物医学装置(诸如，心率监视器或用于检查胰岛素水平的装置)。便携式电子装置被连接到纤维部件2000，纤维部件2000可以是这里描述的电荷存储纤维、通道晶体管/传感器纤维或多部件纤维中的任何部件。在图示的特定实施例中，线290将便携式电子装置2092连接到多部件纤维2000，多部件纤维2000包括通道晶体管250和电容器2020。例如，线290可被以电气方式连接到通道晶体管250的栅极。在实施例中，通过从便携式电子装置2092接收信号或替代地从射频识别(RFID)装置接收信号，电线290能够接通和关断栅极。在另一实施例中，通过由通道晶体管250(传感器)中的介电层感测的环境改变，可接通和关断栅极。如以上参照图7B-7D所述，当栅极被接通时，电流可流动以对电容器2020进行充电。当栅极被关断时，电荷将会被存储在电容器2020中，并且当便携式电子装置需要充电时，电流还可从电容器2020流向便携式电子装置2092。
纤维部件2000可被以各种方式附接到基于纺织品的产品。例如，纤维部件2000能够被用于制作基于纺织品的产品。纤维部件2000能够被编织成基于纺织品的产品。纤维部件200能够被缝制到基于纺织品的产品上，或被熨烫到基于纺织品的产品上。例如，如图20中所示，纤维部件能够是被编织到基于放置的产品中、缝制到基于纺织品的产品上或熨烫到基于纺织品的产品上的补片2080。纤维部件2000能够被以各种另外的方式附接到基于纺织品的产品。
虽然已按照特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了本发明，但应该理解，在所附权利要求中定义的本发明不必局限于描述的特定特征或动作。替代地，公开的特定特征和动作应该被理解为有助于说明本发明的要求保护的本发明的特别合适的实现方式。

Claims (28)

1.一种电荷存储纤维，包括：
柔性导电纤维；
介电(E1)涂层，位于柔性导电纤维上；
金属(M2)涂层，位于介电涂层上。
2.如权利要求1所述的电荷存储纤维，其中所述柔性导电纤维包括柔性绝缘纤维和位于柔性绝缘纤维上的第一金属(M1)涂层，其中介电(E1)涂层位于第一金属(M1)涂层上。
3.如权利要求2所述的电荷存储纤维，其中所述第一金属(M1)涂层比介电(E1)涂层长。
4.如权利要求3所述的电荷存储纤维，其中所述介电(E1)涂层比金属(M2)涂层长。
5.如权利要求2所述的电荷存储纤维，还包括：
第二介电(E2)涂层，位于金属(M2)涂层上；和
第三金属(M3)涂层，位于第二介电(E2)涂层上。
6.如权利要求5所述的电荷存储纤维，其中所述第三金属(M3)涂层与第一金属(M1)涂层电气接触。
7.如权利要求5所述的电荷存储纤维，其中所述第二金属(M2)涂层以电气方式与第一金属(M1)涂层和第三金属(M3)涂层隔离。
8.如权利要求1所述的电荷存储纤维，其中所述柔性导电纤维是柔性金属线，其中介电(E1)涂层位于该柔性金属线上。
9.如权利要求1所述的电荷存储纤维，其中所述柔性导电纤维是柔性半导电线，或者所述柔性导电纤维包括柔性纤维和位于柔性纤维上的半导电涂层。
10.如权利要求9所述的电荷存储纤维，还包括：第一金属(M1)涂层，位于柔性半导电线上，其中所述介电(E1)涂层位于第一金属(M1)涂层上。
11.如权利要求9所述的电荷存储纤维，还包括：第一金属(M1)涂层，位于半导电涂层上，其中所述介电(E1)涂层位于第一金属(M1)涂层上。
12.如权利要求1所述的电荷存储纤维，其中所述介电(E1)涂层包围第一金属(M1)涂层的远端，并且第二金属(M2)涂层包围介电(E1)涂层的远端并且以电气方式与第一金属(M1)涂层隔离。
13.如权利要求12所述的电荷存储纤维，还包括：
第二介电(E2)涂层，位于第二金属(M2)涂层上并且包围第二金属(M2)涂层的近端；和
第三金属(M3)涂层，位于第二介电(E2)涂层上并且包围第二介电(E2)涂层的近端；
其中所述第三金属(M3)涂层以电气方式与第二金属(M2)涂层隔离。
14.一种通道晶体管纤维，包括：
柔性半导电纤维，具有近侧部分、中心部分和远侧部分；
介电(E1)涂层，位于柔性导电纤维的中心部分上，其中所述介电(E1)涂层不被形成在半导电纤维的近侧部分或远侧部分上；
金属(M2)涂层，位于介电涂层上，其中金属(M2)涂层不覆盖半导电纤维的近侧部分或远侧部分。
15.如权利要求14所述的通道晶体管纤维，其中所述柔性半导电纤维包括柔性绝缘纤维和位于柔性绝缘纤维上的半导电涂层。
16.如权利要求14所述的通道晶体管纤维，其中所述柔性半导电纤维包括半导电线。
17.一种多部件纤维，包括：
柔性纤维；
通道晶体管，围绕纤维形成；和
电容器，围绕纤维形成；
其中所述通道晶体管和电容器沿着柔性纤维串联连接。
18.如权利要求17所述的多部件纤维，其中所述柔性纤维包括内绝缘纤维和位于内绝缘纤维上的半导电涂层。
19.如权利要求17所述的多部件纤维，其中所述柔性纤维包括半导电线。
20.如权利要求17所述的多部件纤维，其中所述电容器包括单壁电容器或双壁电容器。
21.如权利要求17所述的多部件纤维，其中所述电容器包括交叉指状电容器。
22.如权利要求17所述的多部件纤维，其中所述电容器的金属涂层被形成在通道晶体管的源极或漏极上。
23.如权利要求1所述的电荷存储纤维，如权利要求14所述的通道晶体管或如权利要求17所述的多部件纤维，被附接到基于纺织品的产品或编织到基于纺织品的产品中。
24.如权利要求23，其中从包括衣服和可穿戴配件的组选择基于纺织品的产品。
25.一种制作电荷存储装置的方法，包括：
在使柔性导电纤维经过介电沉积室时，将介电(E1)涂层沉积在柔性导电纤维上；以及
在使柔性导电纤维经过金属沉积室时，将金属(M2)涂层沉积在柔性导电纤维上。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述介电沉积室或金属沉积室是化学气相沉积室。
27.如权利要求25所述的方法，还包括：
在使一批柔性导电纤维经过介电沉积室时，同时将一批介电(E1)涂层沉积在所述一批柔性导电纤维上；以及
在使一批柔性导电纤维经过金属沉积室时，同时将一批金属(M2)涂层沉积在所述一批柔性导电纤维上。
28.如权利要求25所述的方法，还包括：使柔性导电纤维交替经过一个或多个介电沉积室和一个或多个金属沉积室以形成从包括下面各项的组选择的结构：纤维圆柱形电容器、与纤维圆柱形电容器串联的通道晶体管和纤维圆柱形多壁电容器。
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