CN111564988B - 集成微纳能量回收与存储芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
集成微纳能量回收与存储芯片及其制备方法，该芯片由自下而上的基座、中间层、顶层以及嵌套在这三层结构中的发电正极模块、发电负极模块以及电容模块构成；其中发电正极模块和发电负极模块内部分别含有多孔三维石墨烯与对应的正性和负性颗粒，在芯片受到振动时颗粒与三维石墨烯壁面碰撞摩擦，分别产生正负电荷，经过电源管理模块处理后向外供电；电容模块的作用是在发电功率大于供电功率时存储振动能量转换而来的电能，并在发电功率不足时向外补充供电。本发明芯片中集成了能量回收和存储元件，可以持续向外供电并存储富余电量。芯片体积小，适用于移动消费电子产品与物联网等；芯片采用半导体工艺批量生产，成本低，适于规模应用。
Description
技术领域
本发明涉及能量回收与存储技术领域，具体涉及一种基于三维石墨烯的集成微纳能量回收与存储芯片及其制备方法。
背景技术
移动消费电子产品和物联网发展迅速，伴随而来的是移动能量供给或者分布式能量供给需求。目前移动消费电子领域如手机、笔记本电脑、智能手表等主要依赖电池供电；物联网节点供电则采用电网和电池供电两种方式。电池供电的问题包括续航时间受限制、电池充放电次数有限、性能易退化等；电网供电持续性强，但是需要建立供电网络，额外增加了物联网复杂程度和建设运营成本；此外对于气象监测、地质监测、水文监测等野外作业物联网系统，电网供电成本过高难以实用，电池供电又难以保证长时间持续供电。因此可提供长时间持续性能量供给的可移动能量源对于消费电子和物联网发展具有重要意义。
发明内容
针对移动消费电子产品和物联网能量需求，本发明旨在提供一种可长时间持续供电的集成微纳能量回收与存储芯片及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
集成微纳能量回收与存储芯片，由自下而上的基座1、中间层2、顶层3以及嵌套在这三层结构中的发电正极模块4、发电负极模块5以及电容模块6构成；
所述基座1上具有正极盲槽1-1、电容盲槽1-2与负极盲槽1-3，基座电容负极引线孔1-4以及隔膜台阶1-5；
所述中间层2上具有正极通槽2-1、电容通槽2-2、负极通槽2-3以及中间电容负极引线孔2-4；中间层2所有通槽为贯通上下表面的结构；
所述的顶层3上具有发电正极引线孔3-1、发电正极集流槽3-2、电容正极引线孔3-3、电容正极集流槽3-4、顶层电容负极引线孔3-5、发电负极集流槽3-6以及发电负极引线孔3-7；其中各引线孔均贯穿顶层3，各集流槽均位于顶层下表面；各引线孔横向位置位于对应的集流槽区域内；
所述的基座1、中间层2和顶层3从下到上依次叠加；
所述的正极盲槽1-1、正极通槽2-1以及发电正极集流槽3-2径向尺寸相同，相互对准，共同围成一个空腔，在该空腔内部自下而上依次布置有发电正极4-1与发电正极集流器4-2，二者相互接触；发电正极引线孔3-1内部填充发电正极引线4-3；顶层3上表面并位于发电正极引线孔3-1端面周围区域设置发电正极焊盘4-4；发电正极4-1产生的正电荷被发电正极集流器4-2收集，并通过发电正极引线4-3导出至发电正极焊盘4-4存储；所述发电正极4-1、发电正极集流器4-2、发电正极引线4-3和发电正极焊盘4-4构成发电正极模块4；
所述的负极盲槽1-3、负极通槽2-3以及发电负极集流槽3-6径向尺寸相同，相互对准，共同围成一个空腔，在该空腔内部自下而上依次布置有发电负极5-1与发电负极集流器5-2，二者相互接触；发电负极引线孔3-7内部填充发电负极引线5-3；顶层3上表面并位于发电负极引线孔3-7端面周围区域设置发电负极焊盘5-4；发电负极5-1产生的负电荷被发电负极集流器5-2收集，并通过发电负极引线5-3导出至发电负极焊盘5-4；所述发电负极5-1、发电负极集流器5-2、发电负极引线5-3和发电负极焊盘5-4构成发电负极模块5；
所述的电容盲槽1-2，电容通槽2-2以及电容正极集流槽3-4径向尺寸相同，相互对准，共同形成一个空腔，该空腔内部从下到上依次布置电容负极集流器6-5、电容负极6-3、隔膜6-2、电容正极6-1以及电容正极集流器6-4；其中隔膜6-2径向尺寸大于电容正极6-1和电容负极6-3径向尺寸，超出部分嵌在隔膜台阶1-5与中间层2下表面共同构成的径向浅槽中；电容正极引线孔3-3内部填充电容正极引线6-6；顶层3的上表面并位于电容正极引线孔3-3端面周围区域设置电容正极焊盘6-8；基座电容负极引线孔1-4、中间电容负极引线孔2-4与顶层电容负极引线孔3-5直径相同，轴心重合，从下到上依次连通形成完整的通孔，通孔内部填充电容负极引线6-7；顶层3的上表面并位于电容负极引线6-7端面周围区域设置有电容负极焊盘6-9；所述电容正极6-1、隔膜6-2、电容负极6-3、电容正极集流器6-4、电容负极集流器6-5、电容正极引线6-6、电容负极引线6-7、电容正极焊盘6-8和电容负极焊盘6-9构成电容模块6；电容正极6-1与电容正极集流器6-4接触，并通过电容正极引线6-6与电容正极焊盘6-8连接；正电荷从正极焊盘6-8开始沿着电容正极引线6-6和电容正极集流器6-4导入电容正极6-1；电容负极6-3与电容负极集流器6-5接触，并通过电容负极引线6-7与电容负极焊盘6-9连接；负电荷从电容负极焊盘6-9开始沿着电容负极引线6-7和电容负极集流器6-5导入电容负极6-3。
所述发电正极4-1的结构是内部含有正性颗粒4-1-1的正极多孔三维结构4-1-2。
所述发电正极4-1中的正极多孔三维结构4-1-2的材料为高孔隙率的三维石墨烯，正极颗粒4-1-1的材料为功函数大于石墨烯的物质颗粒，该物质颗粒包括金、铜、碳中的一种或者多种材料的颗粒。
所述发电负极5-1的结构是内部含有负性颗粒5-1-1的负极多孔三维结构5-1-2。
所述的发电负极5-1中的负极多孔三维结构5-1-2的材料为高孔隙率的三维石墨烯，负极颗粒5-1-1的材料为功函数小于石墨烯的物质颗粒，该物质颗粒包括单晶硅、氧化硅、银、铅、钙中的一种或者多种材料的颗粒。
所述基座1、中间层2和顶层3的材料为无机材料或有机高分子材料；或者聚二甲基硅氧烷，聚甲基丙烯酸甲酯等有机高分子材料。基座1、中间层2和顶层3的电阻率大于1000Ω·㎝；各引线和焊盘的材料为导电率良好的金属。
所述无机材料为单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化硅或氮化硅；所述有机高分子材料为聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯；所述导电率良好的金属为铜、金、铝、铬、镍或钛。
所述的发电正极模块4、发电负极模块5与电容模块6的截面形状为圆形或矩形；三者相对位置根据具体需求确定，电容模块6位于发电正极模块4与发电负极模块5的中间或者一侧。
芯片中设置有发电正极4-1与发电负极5-1，芯片受到外界振动作用时，正性颗粒4-1-1随机晃动，与正极多孔三维结构4-1-2的壁面发生碰撞摩擦，由于二者为不同材质，功函数不同，因此在碰撞和摩擦过程中产生正电荷，并通过发电正极集流器4-2收集，通过发电正极引线4-3导出至发电正极焊盘4-4。与此同时，负性颗粒5-1-1与负极多孔三维结构5-1-2发生碰撞摩擦，二者材料不同，功函数不同，在碰撞摩擦过程中产生负电荷，并通过发电负极集流器5-2收集，通过发电负极引线5-3导出至发电负极焊盘5-4。由此，发电正极焊盘4-4和发电负极焊盘5-4可分别向外提供正电和负电；这种供电电压稳定性不足，需经过外围的稳压整流电路处理，并经过电源管理模块，转变为稳定输出的电源。
电容模块6的作用是存储电能。当发电功率大于负载所需功率或者无需向外供电时，发电正极模块4和发电负极模块5输出的正负电荷通过电源管理模块后分别导入电容模块6的电容正极6-1和电容负极6-3存储。当发电功率小于负载功率时电容模块6存储的电能可以向外输出进行功率补充。
所述的集成微纳能力回收与存储芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、制备基座结构
取硅片一为基底层，采用RCA标准清洗硅片一，硫酸和双氧水溶液去除有机污染物，氨水和双氧水溶液去除非金属沾污，盐酸和双氧水去除金属沾污；接着在清洗后的硅片一上表面旋涂光刻胶，光刻胶厚度0.5-2μm，曝光，显影，形成凹槽；用DRIE干法刻蚀后去除光刻胶，清洗并干燥硅片，获得深度为0.5-5μm的凹槽；
二次光刻，在上表面旋涂厚胶进行正面对准套刻，干法刻蚀、去胶后获得正极盲槽1-1、电容盲槽1-2与负极盲槽1-3，基座电容负极引线孔1-4以及隔膜台阶1-5；
步骤二、制备中间层结构
取硅片二为中间层，清洗硅片二后经光刻、刻蚀、去胶获得正极通槽2-1、电容通槽2-2、负极通槽2-3以及中间电容负极引线孔2-4；
步骤三、制备顶层结构
取硅片三为顶层，清洗硅片三后经光刻、刻蚀、去胶；然后在硅片另一面对准套刻、刻蚀、去胶，获得发电正极引线孔3-1、发电正极集流槽3-2、电容正极引线孔3-3、电容正极集流槽3-4、顶层电容负极引线孔3-5、发电负极集流槽3-6以及发电负极引线孔3-7；
步骤四、制作集流器
在基座1上的电容盲槽1-2底部沉积金属形成电容负极集流器6-5；在顶层3的发电正极集流槽3-2底部、电容正极集流槽3-4底部以及发电负极集流槽3-6底部沉积金属分别形成发电正极集流器4-2、电容正极集流器6-4以及发电负极集流器5-2；
步骤五、填充电容负极与隔膜
在基座1内的电容盲槽1-2内并位于电容负极集流器6-5上部填充电容负极6-3，并在电容负极6-3上表面覆盖隔膜6-2；隔膜6-2径向尺寸大于电容负极6-3，超出部分覆盖在隔膜台阶1-5表面；
步骤六、基座与中间层键合
将硅片一和硅片二采用RCA标准清洗后用OH-溶液进行表面活化，在室温下将硅片一上表面和硅片二下表面贴合在一起，使硅片一和硅片二在室温下依靠短程的分子间作用力吸合在一起，将贴合好的硅片一和硅片二在N2环境下经过高温退火处理，使界面发生物理化学反应，增加键合强度形成整体；
步骤六、填充发电材料和电容正极
将发电正极4-1、发电负极5-1以及电容正极6-1填入对应结构，与预先制作的集流器结合；
步骤七、顶层与中间层对准键合
将硅片二上表面和硅片三下表面对准键合，形成密封的发电正极模块4、电容模块6和发电负极模块5；
步骤八、制作通孔引线与焊盘
依次使用化学沉积的方法沉积二氧化硅绝缘层，使用物理气相沉积的方法沉积钛作为阻挡层、铜作为种子层；
将电镀槽内抽真空至3Torr以内，温度为常温，在引线通孔结构中进行填充电镀金属，形成通孔引线；在有电极引线通孔的硅片三上表面制作焊盘；
步骤九、将硅片划切成单个芯片。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1)本发明的芯片可以不断将环境中的振动能量转换为电能，实现持续的可移动能量供给；
2)发电正极模块和发电负极模块内部分别含有多孔三维石墨烯与对应的正性和负性颗粒，在芯片受到振动时颗粒与三维石墨烯壁面碰撞摩擦，分别产生正负电荷，经过电源管理模块处理后向外供电；电容模块在发电功率大于供电功率时存储振动能量转换而来的电能，并在发电功率不足时向外补充供电，在一个芯片中集成了能量回收原件和能量存储元件，在向外供电间隙或者负载功率小于发电功率时实现能量存储。
3)采用微纳器件设计制造，芯片体积小，能量密度高，适用于移动消费电子产品、物联网等移动能量供给需求；并可批量生产，成本低，生产效率高，适于规模应用。
附图说明
图1本发明集成微纳能量回收与存储芯片整体结构图。
图2为基座结构示意图。
图3为中间层结构示意图。
图4为顶层结构示意图。
图5发电正极整体及局部示意图。
图6发电负极整体及局部示意图。
图7集成微纳能量回收与存储芯片工作原理图。
图8第二种形状的集成微纳能量回收与存储芯片示意图。
图9第三种形状的集成微纳能量回收与存储芯片示意图。
图10第四种形状的集成微纳能量回收与存储芯片示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明集成微纳能量回收与存储芯片的具体实施方式做进一步说明。
结合图1、图2、图3和图4，集成微纳能量回收与存储芯片，针对移动消费电子产品和物联网能量需求，本发明旨在提供一种可长时间持续供电的集成微纳能量回收与存储芯片。为实现这一目的，本发明集成微纳能量回收与存储芯片，由自下而上的基座1、中间层2、顶层3以及嵌套在这三层结构中的发电正极模块4、发电负极模块5以及电容模块6构成。
所述基座1上具有正极盲槽1-1、电容盲槽1-2与负极盲槽1-3，基座电容负极引线孔1-4以及隔膜台阶1-5。
所述中间层2上具有正极通槽2-1、电容通槽2-2、负极通槽2-3以及中间电容负极引线孔2-4。中间层所有通槽为贯通上下表面的结构。
所述的顶层3上具有发电正极引线孔3-1、发电正极集流槽3-2、电容正极引线孔3-3、电容正极集流槽3-4、顶层电容负极引线孔3-5、发电负极集流槽3-6以及发电负极引线孔3-7。其中各引线孔均贯穿顶层，各集流槽均位于顶层下表面；各引线孔横向位置位于对应的集流槽区域内。
所述的基座1、中间层2和顶层3从下到上依次叠加。
所述的正极盲槽1-1、正极通槽2-1以及发电正极集流槽3-2径向尺寸相同，相互对准，共同围成一个空腔，在该空腔内部自下而上依次布置有发电正极4-1与发电正极集流器4-2，二者相互接触。发电正极引线孔3-1内部填充发电正极引线4-3；顶层3上表面并位于发电正极引线孔3-1端面周围区域设置发电正极焊盘4-4。发电正极4-1产生的正电荷可以被发电正极集流器4-2收集，并通过发电正极引线4-3导出至发电正极焊盘4-4存储。所述发电正极4-1、发电正极集流器4-2、发电正极引线4-3和发电正极焊盘4-4构成发电正极模块4。
所述的负极盲槽1-3、负极通槽2-3以及发电负极集流槽3-6径向尺寸相同，相互对准，共同围成一个空腔，在该空腔内部自下而上依次布置有发电负极5-1与发电负极集流器5-2，二者相互接触。发电负极引线孔3-7内部填充发电负极引线5-3；顶层3上表面并位于发电负极引线孔3-7端面周围区域设置发电负极焊盘5-4。发电负极5-1产生的负电荷可以被发电负极集流器5-2收集，并通过发电负极引线5-3导出至发电负极焊盘5-4存储。所述发电负极5-1、发电负极集流器5-2、发电负极引线5-3和发电负极焊盘5-4构成发电负极模块5。
所述的电容盲槽1-2，电容通槽2-2以及电容正极集流槽3-4径向尺寸相同，相互对准，共同形成一个空腔，该空腔内部从下到上依次布置电容负极集流器6-5、电容负极6-3、隔膜6-2、电容正极6-1以及电容正极集流器6-4。其中隔膜6-2径向尺寸大于电容正极6-1和电容负极6-3径向尺寸，超出部分嵌在隔膜台阶1-5与中间层2下表面共同构成的径向浅槽中。电容正极引线孔3-3内部填充电容正极引线6-6。顶层3的上表面并位于电容正极引线孔3-3端面周围区域设置电容正极焊盘6-8。基座电容负极引线孔1-4、中间电容负极引线孔2-4与顶层电容负极引线孔3-5直径相同，轴心重合，从下到上依次连通形成完整的通孔，内部填充电容负极引线6-7。顶层3的上表面并位于电容负极引线6-7端面周围区域设置有电容负极焊盘6-9。所述电容正极6-1、隔膜6-2、电容负极6-3、电容正极集流器6-4、电容负极集流器6-5、电容正极引线6-6、电容负极引线6-7、电容正极焊盘6-8和电容负极焊盘6-9构成电容模块6。电容正极6-1与电容正极集流器6-4接触，并通过电容正极引线6-6与电容正极焊盘6-8连接；正电荷可以从正极焊盘6-8开始沿着电容正极引线6-6和电容正极集流器6-4导入电容正极6-1。电容负极6-3与电容负极集流器6-5接触，并通过电容负极引线6-7与电容负极焊盘6-9连接；负电荷可以从电容负极焊盘6-9开始沿着电容负极引线6-7和电容负极集流器6-5导入电容负极6-3。
如图5，发电正极4-1的结构是内部含有正性颗粒4-1-1的正极多孔三维结构4-1-2。芯片受到外界振动作用时，正性颗粒4-1-1随机晃动，与正极多孔三维结构4-1-2的壁面发生碰撞摩擦，由于二者为不同材质，功函数不同，因此在碰撞和摩擦过程中产生正电荷。
如图6，发电负极5-1的结构是内部含有负性颗粒5-1-1的负极多空三维结构5-1-2。芯片受到外界振动作用时，负性颗粒5-1-1与负极多孔三维结构5-1-2发生碰撞摩擦，二者材料不同，功函数不同，在碰撞摩擦过程中产生负电荷。
如图7所示，本发明集成微纳能量回收与存储芯片的工作原理如下：
芯片中设置有发电正极4-1与发电负极5-1，芯片受到外界振动作用时，正性颗粒4-1-1随机晃动，与正极多孔三维结构4-1-2的壁面发生碰撞摩擦，由于二者为不同材质，功函数不同，因此在碰撞和摩擦过程中产生正电荷，并通过发电正极集流器4-2收集，通过发电正极引线4-3导出至发电正极焊盘4-4。与此同时，负性颗粒5-1-1与负极多孔三维结构5-1-2发生碰撞摩擦，二者材料不同，功函数不同，在碰撞摩擦过程中产生负电荷，并通过发电负极集流器5-2收集，通过发电负极引线5-3导出至发电负极焊盘5-4。由此，发电正极焊盘4-4和发电负极焊盘5-4可分别向外提供正电和负电；这种供电电压稳定性不足，需经过外围的稳压整流电路处理，并经过电源管理模块，转变为稳定输出的电源。
电容模块6的作用是存储电能。当发电功率大于负载所需功率或者无需向外供电时，发电正极模块4和发电负极模块5输出的正负电荷通过电源管理模块后分别导入电容模块6的电容正极6-1和电容负极6-3存储。当发电功率小于负载功率时电容模块6存储的电能可以向外输出进行功率补充。
如图8所示，为第二种形状的集成微纳能量回收与存储芯片。芯片外形为长方体，发电正极模块4、发电负极模块5以及用于能量存储的超级电容模块6的截面均为圆形。发电正极模块4和发电负极模块5位于超级电容模块6两侧，对称分布。
如图9所示，为第三种形状的集成微纳能量回收与存储芯片。芯片外形为长方体，发电正极模块4、发电负极模块5以及用于能量存储的超级电容模块6的截面均为长方形。发电正极模块4和发电负极模块5位于超级电容模块6两侧，对称分布。
如图10所示，为第四种形状的集成微纳能量回收与存储芯片。芯片外形为正方体，发电正极模块4、发电负极模块5以及用于能量存储的超级电容模块6的截面均为长方形。其中从左至右依次设置发电正极模块4和发电负极模块5和电容模块6。
步骤一、制备基座结构
取硅片一为基底层，硅片参数为厚度300μm，晶面<100>，常温电阻率为103Ω/cm的双抛硅片，采用RCA标准清洗硅片一，硫酸和双氧水溶液去除有机污染物，氨水和双氧水溶液去除非金属沾污，盐酸和双氧水去除金属沾污。接着在硅片上表面旋涂薄胶，光刻胶厚度约2μm，接触式曝光8秒，显影40秒。用DRIE干法刻蚀，利用六氟化硫(SF6)作为蚀刻剂进行硅刻蚀；填充八氟环丁烷(C4F8)气体，以产生良好的钝化膜来保护刻蚀出的侧壁；刻蚀与钝化交替进行，每个周期刻蚀时间为8秒，钝化时间为5秒，功率600W，偏压12W。采用丙酮和酒精浸泡去除光刻胶，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干，获得截面为圆形的凹槽结构，所述凹槽深度1.5μm、直径为1100μm。
二次光刻，在硅片一上表面旋涂10μm厚胶进行正面对准套刻，干法刻蚀深度150μm，刻蚀后去胶，获得直径500μm的正极盲槽1-1，直径1000μm的电容盲槽1-2与直径500μm负极盲槽1-3，直径10μm的基座电容负极引线孔1-4以及隔膜台阶1-5；
步骤二、制备中间层结构
取硅片二为中间层，硅片参数为厚度150μm，晶面<100>，常温电阻率为103Ω/cm的双抛硅片，清洗硅片二后经光刻、刻蚀、去胶获得直径500μm的正极通槽2-1，直径1000μm的电容通槽2-2，直径500μm的负极通槽2-3以及直径10μm的中间电容负极引线孔2-4；
步骤三、制备顶层结构
取硅片三为顶层，厚度150μm，清洗硅片三后经正面光刻、刻蚀、去胶；然后在硅片另一面对准套刻、刻蚀、去胶，获得直径10μm的发电正极引线孔3-1，直径500μm深度0.5μm的发电正极集流槽3-2，直径10μm的电容正极引线孔3-3，直径1000μm深度0.5μm的电容正极集流槽3-4，直径10μm的顶层电容负极引线孔3-5，直径500μm深度0.5μm的发电负极集流槽3-6以及直径10μm发电负极引线孔3-7；
步骤四、制作集流器
在基座1上的电容盲槽1-2底部依次沉积金属钛0.1μm，铜0.4μm形成电容负极集流器6-5；在顶层3的发电正极集流槽3-2底部、电容正极集流槽3-4底部以及发电负极集流槽3-6底部依次沉积金属钛0.1μm，铜0.4μm分别形成发电正极集流器4-2、电容正极集流器6-4以及发电负极集流器5-2；
步骤五、填充电容负极与隔膜
在基座1内的电容盲槽1-2内并位于电容负极集流器6-5上部填充电容负极6-3，并在电容负极6-3上表面覆盖隔膜6-2；隔膜6-2径向尺寸大于电容负极6-3，径向超出部分覆盖在隔膜台阶1-5表面；
步骤六、基座与中间层键合
将硅片一和硅片二采用RCA标准清洗后用OH-溶液进行表面活化，在室温下将硅片一上表面和硅片二下表面贴合在一起，使硅片一和硅片二在室温下依靠短程的分子间作用力吸合在一起，将贴合好的硅片一和硅片二在N2环境下经过高温退火处理，使界面发生物理化学反应，增加键合强度形成整体；
步骤六、填充发电材料和电容正极
将发电正极4-1、发电负极5-1以及电容正极6-1填入对应结构，与预先制作的集流器结合；
步骤七、顶层与中间层对准键合
将硅片二上表面和硅片三下表面对准键合，形成密封的发电正极模块4、电容模块6和发电负极模块5；
步骤八、制作通孔引线与焊盘
依次使用化学沉积的方法沉积二氧化硅绝缘层，使用物理气相沉积的方法沉积钛0.2μm作为阻挡层、铜0.8μm作为种子层；
将电镀槽内抽真空至3Torr以内，温度为常温，在引线通孔结构中进行填充电镀金属铜，形成通孔引线；在有电极引线通孔的硅片三上表面制作焊盘；
步骤九、将硅片划切成单个芯片。
Claims (7)
1.集成微纳能量回收与存储芯片，其特征在于：由自下而上的基座（1）、中间层（2）、顶层（3）以及嵌套在这三层结构中的发电正极模块（4）、发电负极模块（5）以及电容模块（6）构成；
所述基座（1）上具有正极盲槽（1-1）、电容盲槽（1-2）与负极盲槽（1-3），基座电容负极引线孔（1-4）以及隔膜台阶（1-5）；
所述中间层（2）上具有正极通槽（2-1）、电容通槽（2-2）、负极通槽（2-3）以及中间电容负极引线孔（2-4）；中间层（2）所有通槽为贯通上下表面的结构；
所述的顶层（3）上具有发电正极引线孔（3-1）、发电正极集流槽（3-2）、电容正极引线孔（3-3）、电容正极集流槽（3-4）、顶层电容负极引线孔（3-5）、发电负极集流槽（3-6）以及发电负极引线孔（3-7）；其中顶层各引线孔均贯穿顶层（3），顶层各集流槽均位于顶层下表面；顶层各引线孔横向位置位于对应的集流槽区域内；
所述的基座（1）、中间层（2）和顶层（3）从下到上依次叠加；
所述的正极盲槽（1-1）、正极通槽（2-1）以及发电正极集流槽（3-2）截面尺寸相同，相互对准，共同围成一个空腔，在该空腔内部自下而上依次布置有发电正极（4-1）与发电正极集流器（4-2），二者相互接触；发电正极引线孔（3-1）内部填充发电正极引线（4-3）；顶层（3）上表面并位于发电正极引线孔（3-1）端面周围区域设置发电正极焊盘（4-4）；所述发电正极（4-1）的结构是内部含有正性颗粒（4-1-1）的正极多孔三维结构（4-1-2），所述正极多孔三维结构（4-1-2）的材料为高孔隙率的三维石墨烯，正极颗粒（4-1-1）的材料为功函数大于石墨烯的物质颗粒，发电正极（4-1）产生的正电荷被发电正极集流器（4-2）收集，并通过发电正极引线（4-3）导出至发电正极焊盘（4-4）；所述发电正极（4-1）、发电正极集流器（4-2）、发电正极引线（4-3）和发电正极焊盘（4-4）构成发电正极模块（4）；
所述的负极盲槽（1-3）、负极通槽（2-3）以及发电负极集流槽（3-6）截面尺寸相同，相互对准，共同围成一个空腔，在该空腔内部自下而上依次布置有发电负极（5-1）与发电负极集流器（5-2），二者相互接触；发电负极引线孔（3-7）内部填充发电负极引线（5-3）；顶层（3）上表面并位于发电负极引线孔（3-7）端面周围区域设置发电负极焊盘（5-4）；所述发电负极（5-1）的结构是内部含有负性颗粒（5-1-1）的负极多孔三维结构（5-1-2），所述负极多孔三维结构（5-1-2）的材料为高孔隙率的三维石墨烯，负极颗粒（5-1-1）的材料为功函数小于石墨烯的物质颗粒，发电负极（5-1）产生的负电荷被发电负极集流器（5-2）收集，并通过发电负极引线（5-3）导出至发电负极焊盘（5-4）；所述发电负极（5-1）、发电负极集流器（5-2）、发电负极引线（5-3）和发电负极焊盘（5-4）构成发电负极模块（5）；
所述的电容盲槽（1-2），电容通槽（2-2）以及电容正极集流槽（3-4）截面尺寸相同，相互对准，共同形成一个空腔，该空腔内部从下到上依次布置电容负极集流器（6-5）、电容负极（6-3）、隔膜（6-2）、电容正极（6-1）以及电容正极集流器（6-4）；其中隔膜（6-2）截面尺寸大于电容正极（6-1）和电容负极（6-3）截面尺寸，超出部分嵌在隔膜台阶（1-5）与中间层（2）下表面共同构成的浅槽中；电容正极引线孔（3-3）内部填充电容正极引线（6-6）；顶层（3）的上表面并位于电容正极引线孔（3-3）端面周围区域设置电容正极焊盘（6-8）；基座电容负极引线孔（1-4）、中间电容负极引线孔（2-4）与顶层电容负极引线孔（3-5）直径相同，轴心重合，从下到上依次连通形成完整的通孔，通孔内部填充电容负极引线（6-7）；顶层（3）的上表面并位于电容负极引线（6-7）端面周围区域设置有电容负极焊盘（6-9）；所述电容正极（6-1）、隔膜（6-2）、电容负极（6-3）、电容正极集流器（6-4）、电容负极集流器（6-5）、电容正极引线（6-6）、电容负极引线（6-7）、电容正极焊盘（6-8）和电容负极焊盘（6-9）构成电容模块（6）；电容正极（6-1）与电容正极集流器（6-4）接触，并通过电容正极引线（6-6）与电容正极焊盘（6-8）连接；正电荷从正极焊盘（6-8）开始沿着电容正极引线（6-6）和电容正极集流器（6-4）导入电容正极（6-1）；电容负极（6-3）与电容负极集流器（6-5）接触，并通过电容负极引线（6-7）与电容负极焊盘（6-9）连接；负电荷从电容负极焊盘（6-9）开始沿着电容负极引线（6-7）和电容负极集流器（6-5）导入电容负极（6-3）。
2.根据权利要求1所述的集成微纳能量回收与存储芯片，其特征在于：所述正极颗粒（4-1-1）的材料为功函数大于石墨烯的物质颗粒，该物质颗粒包括金、铜、碳中的一种或者多种材料的颗粒。
3.根据权利要求1所述的集成微纳能量回收与存储芯片，其特征在于：所述负极颗粒（5-1-1）的材料为功函数小于石墨烯的物质颗粒，该物质颗粒包括单晶硅、氧化硅、银、铅、钙中的一种或者多种材料的颗粒。
4.根据权利要求1所述的集成微纳能量回收与存储芯片，其特征在于：所述基座（1）、中间层（2）和顶层（3）的材料为无机材料或有机高分子材料；基座（1）、中间层（2）和顶层（3）的电阻率大于1000Ω·㎝；
各引线和焊盘的材料为导电率良好的金属。
5.根据权利要求4所述的集成微纳能量回收与存储芯片，其特征在于：所述无机材料为单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化硅或氮化硅；所述有机高分子材料为聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯；所述导电率良好的金属为铜、金、铝、铬、镍或钛。
6.根据权利要求1所述的集成微纳能量回收与存储芯片，其特征在于：所述的发电正极模块（4）、发电负极模块（5）与电容模块（6）的截面形状为圆形或矩形；三者相对位置根据具体需求确定，电容模块（6）位于发电正极模块（4）与发电负极模块（5）的中间或者一侧。
7.权利要求1至6任一项所述的集成微纳能量回收与存储芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备基座结构
取硅片一为基底层，采用RCA标准清洗硅片一，硫酸和双氧水溶液去除有机污染物，氨水和双氧水溶液去除非金属沾污，盐水和双氧水去除金属沾污；接着在清洗后的硅片一上表面旋涂光刻胶，光刻胶厚度0.5-2μm，曝光，显影，形成凹槽；用DRIE干法刻蚀后去除光刻胶，清洗并干燥硅片，获得深度为0.5-5μm的凹槽；
二次光刻，在上表面旋涂厚胶进行正面对准套刻，干法刻蚀、去胶后获得正极盲槽（1-1）、电容盲槽（1-2）与负极盲槽（1-3），基座电容负极引线孔（1-4）以及隔膜台阶（1-5）；
步骤二、制备中间层结构
取硅片二为中间层，清洗硅片二后经光刻、刻蚀、去胶获得正极通槽（2-1）、电容通槽（2-2）、负极通槽（2-3）以及中间电容负极引线孔（2-4）；
步骤三、制备顶层结构
取硅片三为顶层，清洗硅片三后经光刻、刻蚀、去胶；然后在硅片另一面对准套刻、刻蚀、去胶，获得发电正极引线孔（3-1）、发电正极集流槽（3-2）、电容正极引线孔（3-3）、电容正极集流槽（3-4）、顶层电容负极引线孔（3-5）、发电负极集流槽（3-6）以及发电负极引线孔（3-7）；
步骤四、制作集流器
在基座（1）上的电容盲槽（1-2）底部沉积金属形成电容负极集流器（6-5）；在顶层（3）的发电正极集流槽（3-2）底部、电容正极集流槽（3-4）底部以及发电负极集流槽（3-6）底部沉积金属分别形成发电正极集流器（4-2）、电容正极集流器（6-4）以及发电负极集流器（5-2）；
步骤五、填充电容负极与隔膜
在基座（1）内的电容盲槽（1-2）内并位于电容负极集流器（6-5）上部填充电容负极（6-3），并在电容负极（6-3）上表面覆盖隔膜（6-2）；隔膜（6-2）截面尺寸大于电容负极（6-3），超出部分覆盖在隔膜台阶（1-5）表面；
步骤六、基座与中间层键合
将硅片一和硅片二采用RCA标准清洗后用OH-溶液进行表面活化，在室温下将硅片一上表面和硅片二下表面贴合在一起，使硅片一和硅片二在室温下依靠短程的分子间作用力吸合在一起，将贴合好的硅片一和硅片二在N2环境下经过高温退火处理，使界面发生物理化学反应，增加键合强度形成整体；
步骤六、填充发电材料和电容正极
将发电正极（4-1）、发电负极（5-1）以及电容正极（6-1）填入对应结构，与预先制作的集流器结合；
步骤七、顶层与中间层对准键合
将硅片二上表面和硅片三下表面对准键合，形成密封的发电正极模块（4）、电容模块（6）和发电负极模块（5）；
步骤八、制作通孔引线与焊盘
依次使用化学沉积的方法沉积二氧化硅绝缘层，使用物理气相沉积的方法沉积钛作为阻挡层、铜作为种子层；
将电镀槽内抽真空至3Torr以内，温度为常温，在引线通孔结构中进行填充电镀金属，形成通孔引线；在有电极引线通孔的硅片三上表面制作焊盘；
步骤九、将硅片划切成单个芯片。
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