CN1575523A - 包括电源及电源保护装置的微型或纳米电子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种器件，其包括密封的腔体(9)，其中设置有由微电池或微超级电容构成的未保护电源。任何环境大气进入该密封腔体中的渗入由于氧化而造成该电源的损坏，由此使得该器件无法工作。腔体(9)可以处于真空下或者填充有惰性气体。压力传感器设置在腔体内并且探测腔体内压力变化以便当压力变化超过预定阈值时使该器件无法工作。腔体(9)可以采用盖子(10)封闭或者填充有由硅树脂、热固性树脂、聚合物、可熔玻璃或者选自铟、锡、铅或它们的合金中的金属构成的填充材料。

Description

包括电源及电源保护装置的微型或纳米电子器件
技术领域
本发明涉及包括呈沉积在衬底上的薄膜的形式的电源以及用于保护该电源免受环境大气影响的装置。
背景技术
呈沉积在衬底上的薄膜形式的电源包括与环境大气反应的元件，并且能够造成电源的快速恶化。构成微电池(micro-battery)的负极的金属锂例如与空气接触而快速氧化，特别是在潮湿的情况下。因此，在微电子设备中所必需的是利用一种与其使用兼容的、有效的保护来保护这些电源免受环境空气的影响。
美国专利5,561,004描述了一种薄膜式锂电池，其利用至少一个附加层保护薄膜式锂电池免受外部大气的影响。该保护层以薄膜的形式直接沉积在电池的锂电极上，以便全部覆盖该电极的露出部分。用于形成这些保护层的材料为金属、陶瓷、陶瓷金属组合物、聚对亚苯基二甲基金属(parylene-metal)组合物、聚对亚苯基二甲基陶瓷(parylene-ceramic)组合物或者聚对亚苯基二甲基陶瓷金属(parylene-ceramic-metal)组合物。这种涂层提供电池化学保护，但不提供防止机械侵入物的保护。
发明内容
本发明的目的是改善包括形成在衬底上的微型或纳米电子器件的安全性。
根据本发明，利用根据所附权利要求书的器件实现该目的，更具体地是利用以下事实：该保护装置包括密封的腔体，其中设置有未被保护的电源，任何环境大气渗入该密封的腔体从而由于氧化造成电源的损坏，由此使得该器件无法工作。
该腔体可以处于真空状态或者填充有惰性气体。
根据本发明的一新装置，该器件包括设置在腔体内部并探测腔体内压力变化的压力传感器以使当压力变化超过预定阈值时该器件无法工作。
根据本发明的另一新装置，该腔体填充有由硅树脂、热固性树脂、聚合物、易熔玻璃或者从铟、锡、铅或它们的合金选出的金属。
该电源可以由微电池或者微超级电容(micro-supercapacitance)形成。
附图说明
通过以下只是作为非限制性示例并在附图中加以表示的本发明的具体实施例，其它优点和特征将变得更加显而易见，其中：
图1表示根据本发明的器件的第一实施例；
图2示出了在腔体被封闭之前，根据本发明的器件的第二实施例；
图3表示根据图2的器件的腔体的封闭的特定实施例；
图4表示可以构成该电源的微超级电容；
图5示出了使得该器件无法工作的特定实施例。
具体实施方式
图1表示一器件，其中一电源形成在集成电路1上，而集成电路1自身形成在绝缘衬底2上。该电源被设计成提供集成电路1的元件的至少一部分。在一替换实施例(未示出)中，该电源和集成电路被并排设置在衬底2上。当电源形成在集成电路上时，集成电路的顶层可以用作衬底。但是，集成电路的顶层的形貌(不平表面)和/或密度可能不适合实现呈现电源所需的电气特性的附加层。在一优选实施例中，中间绝缘层3沉积在集成电路上并用作支撑电源的不同元件的衬底。沉积在集成电路上的中间绝缘层3足够厚，以便在形成电源前如果需要能够在其顶面上被平坦化。该中间绝缘层可以由矿物材料(玻璃、SiO2等)或有机材料(聚合物、环氧树脂(epoxy)等)制成。它的平坦化可以通过机械或机械化学装置(例如通过抛光)实现。如果中间绝缘层利用液体装置形成在集成电路上，平坦的中间绝缘层也可以直接获得。平坦的中间绝缘层优选地覆盖整个集成电路2和衬底1(图1)。该电源随后制作在用作衬底的中间绝缘层3上。
由任何适合的公知材料制成的衬底2特别可以是硅、玻璃、塑料衬底等。集成电路1也可以以公知的方式制成，利用任何类型的用于集成半导体制造的技术。
电源可以由微电池形成，其厚度包括在7μm和30μm之间(优选为大约15μm)，例如通过传统化学汽相沉积(CVD)或者物理汽相沉积(PVD)技术形成的锂微电池。薄膜式的这种微电池在文件WO-A98/48467和US-A-5,561,004中特别地被描述了。
以公知的方式，微电池的工作原理是基于微电池的正极中碱金属离子或质子的插入和抽出，优选地为来自金属锂电极的锂离子Li+。微电池由利用CVD或PVD获得的叠层形成，分别构成两个电流收集极4a和4b、正极5、电解质6和负极7。
集成电路1的焊盘8a和8b的连接、集成电路顶部的安装通过中间绝缘层3以便与构成微电池的连接盘的电流收集极4a和4b连接。由此通过所述形成连接盘的相关层之间的金属连接实现集成电路与微电池之间的电连接。由微电池形成的电源因而供给集成电路1的至少一部分元件，微电池形成在集成电路1上。
微电池1的元件可以由各种材料制成：
-例如金属电流收集极4a和4b可以是铂(Pt)、铬(Cr)、金(Au)或钛(Ti)基的。
-正极5可以由LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、CuS、CuS2、WOySz、TiOySz、V2O4或V3O8以及这些钒氧化物和金属硫化物的锂化合物。
-电解质6是良好的离子导体和电绝缘体，可以由硼、锂氧化物或锂盐基的玻璃质材料形成。
-负极7可以由通过热蒸发沉积的金属锂、通过锂基金属合金或者通过SiTON、SnNx、InNx、SnO2等类型的插入化合物来形成。
依赖于所使用的材料，微电池的工作电压包括在2V和4V之间，并具有大约100μAh/cm2的表面电容。微电池的充电仅需要几分钟的充电。
必需的是防止元件，更具体地为电源，受到周围环境的影响。包括在微电源的构件中的某些元件实际上对大气条件敏感。特别地，构成微电池负极的金属锂接触空气、特别是潮湿的情况下快速氧化。
美国专利第5,561,004号中描述的用于防止以薄膜形式获得的锂电池接触外部大气的涂层提供了电池的化学保护，但没有提供防止机械类型侵入物进入器件的保护。
根据本发明，该器件包括密封的腔体9，其中设置有所需保护的器件的部件，也即，至少为电源。在图1至3中，电源和集成电路1被完全容纳于腔体9中。集成电路和电源可以独立地设置或者以组件的形式设置在腔体9中，但是优选地被直接制作在腔体中，其底部用作衬底。
在第一实施例中，由图1表示，腔体9由盖子10封闭，盖子10密接在所需保护的元件上方，更具体地，密接在微电池的上方。所述盖子优选地由硅、金属、聚合物、环氧树脂或者玻璃板形成，其中腔体9被蚀刻。盖子10被固定到衬底2上或者被固定到用作微电池衬底的中间板3上，以便包住所需保护的该元件的部件。在图1中，腔体9因而被盖子和中间板3束缚住。除了焊盘8a和8b之外的连接垫可以设置在外部上。
可以采用任意能够实现腔体9密封的合适的工具进行组装，具体地通过粘贴或者通过阳极粘接(anodic bonding)(“Anodic bonding below 180℃ forpackaging and assembling of MEMS using lithium”，Shuichi Shoji，D.E.C.E.，Waseda University，3-4-1，ohkubo，Shinjuku，Tokyo 169，1997，IEEE)。可以利用事先沉积在所要组装的至少一个表面上的聚合物或者环氧树脂胶或者光敏树脂实现粘贴。根据另一组装替换例，粘贴可以利用以珠状或薄层形式沉积的例如可熔玻璃的可熔材料或者熔点比锂低的共晶金属(例如锂或者铅-锡合金)来实现。
将盖子10组装在衬底2或者在中间绝缘层3上优选地在真空中或者在惰性气体(例如氩气或氮气)中进行，使得电源位于具有中性或者保护性气氛的密封腔体中。如果出现侵入物或试图进入的侵入物，包含在腔体中的惰性气体选出并且环境大气进入腔体9并直接于所要保护的部件接触。由于电源是由反应性非常强的材料例如与空气中的湿气反应的锂构成的，所以任何试图进入到器件中的造成这些材料与大气接触的侵入物导致电源的损坏并因此使得该器件无法工作，这增加了防止未经授权的用户试图接触集成电路的保护。将电源集成在与安装集成电路相同的衬底上的实际目的是保护该集成电路，电源至少部分地为集成电路供电。例如对于智能卡，电源可以用于在存储器中存储例如机密代码的敏感信息。如果出现侵入物情况下电源的损坏将删除使得该卡防干扰的信息并因此不能使用。
在第二实施例中，由图2表示，在盖子被封闭之前，腔体9横向被包围所有需要保护的部件的壁11束缚，壁11的高度大于所需保护的部件的厚度。在第一变型例中，由玻璃制成的壁11形成在衬底2上，其形成利用以下方法：绢印、利用自动注入器型的注入器注入粉末和前体、利用打印机针头中使用的微注入器注入、通过光刻或注入沉积玻璃或树脂珠、或者蚀刻厚层。在第二实施例中，腔体通过蚀刻衬底2获得，集成电路1和电源随后被嵌在衬底2中。腔体9可以利用固定到壁11上的并由与上述盖子10相同类型的板形成的盖子以紧密封的方式被封闭。
在另一实施例中，由图3表示，腔体9填充有设计用来提高保护并由硅树脂、热固性树脂、聚合物、可熔玻璃或者选自铟、锡、铅或它们的合金中的金属构成的填充材料。为了实现更好的密封，此外被填充的腔体9可以被附加保护涂层12覆盖。后者可以由通过沉积(例如通过CVD或PVD)或者通过粘贴薄的金属带获得的薄的金属层或绝缘层形成。
所述电源必须提供足够的电力以在该器件的使用寿命期间进行一定数量的操作，同时具有尽可能小的尺寸并与集成电路的尺寸兼容，特别与集成电路的厚度(几十到几百微米)兼容。
微超级电容可以构成另一适合的电源。这种超级电容采用与微电池相同类型的技术以薄膜的形式实现。如图4所示，它通过在最好由硅制成的绝缘衬底2上堆叠分别构成底部电流收集极13、底部电极14、电解质15、顶部电极16和顶部电流收集极17的层来形成。
微超级电容的元件可以由不同的材料制成。电极14和16可以具有由碳或者例如RuO2、IrO2、TaO2或MnO2的金属氧化物形成的基底。电解质15可以是与微电池的电解质类型相同的玻璃质电解质。该微超级电容可以具有大约10μAh/cm2的表面电容并且它的完全充电可以在小于1秒的时间内完成。
微超级电容的特别的实施例可以用于由图4表示的根据本发明的器件中。该微超级电容形成在绝缘硅衬底2上。它在5个连续的沉积步骤中形成：
-在第一步骤中，通过利用射频阴极溅射沉积厚度微0.2±0.1μm的铂层来形成底部电流收集极13。
-在第二步骤中，在氩气和氧气(Ar/O2)的混合物中在室温条件下通过反应射频阴极溅射利用金属钌靶制作由钌氧化物(RuO2)制成的底部电极14。所形成的层具有1.5±0.5μm的厚度。
-在第三步骤中，形成具有1.2±0.4μm厚度的构成电解质15的层。
这是通过在部分氮气压力下采用Li3PO4或0.75(Li2O)-0.25(P2O5)靶的阴极溅射获得的Lipon型(Li3PO2.5N0.3)的导电玻璃。
-在第四步骤中，由钌氧化物(RuO2)制成的顶部电极以与第二步骤过程中的底部电极14相同的方法制作。
-在第五步骤中，由铂制成的顶部电流收集极17以与第一步骤过程中的底部电流收集极13相同的方法形成。
当腔体9未填充有填充材料时通过在腔体9内安装压力传感器可以进一步提高器件的保护。该压力传感器探测腔体内的任何压力变化并且当压力变化超过预定阈值时使该器件无法工作。无论比大气压力低(真空)或高，腔体的内部压力根据装置的质量(泄漏等)易随时间变化。它随时间的演变无法预见并且无法从外部测量。因此腔体的内部压力构成了防干扰标志(code)。这种保护使得在受控的惰性气氛中进行的侵入无效。
在图5所示的实施例中，一般处于开启状态的开关18与电源19并联。当压力变化超过预定阈值时开关18被压力传感器自动关闭，随后将电源19短路使其立即放电从而造成该器件无法工作。开关18例如可以由压力传感器薄膜形成，它的一面在腔体损坏时接触大气压，由此产生的移动使得电源短路。
在一变型例中，未示出，压力传感器由电源供电并由集成电路1控制。集成电路1周期性地读压力传感器测量的压力值，并通过差分比较探测腔体的泄漏或者恶意的侵入物。当压力变化超过预定阈值时，集成电路1使得该器件无法工作，例如通过利用由晶体管形成的电子开关使电源放电。腔体中压力测量的频率被加以调整以便使侵入物不可能进入该器件，同时限制电能的消耗。

Claims (20)

1.一种微型或纳米电子器件，包括以薄膜形式沉积在衬底上的电源以及用于保护该电源免于接触环境大气的装置，其特征在于，该保护装置包括密封腔体(9)，其中设置有未保护的电源，任何环境大气进入该密封腔体中的渗入由于氧化而造成该电源的损坏，由此使得该器件无法工作。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，该腔体(9)填充有惰性气体。
3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，该腔体(9)内部处于真空。
4.如权利要求2或3所述的器件，其特征在于，该器件包括设置在腔体内并探测腔体内压力变化的压力传感器以便当压力变化超过预定阈值时使该器件无法工作。
5.如权利要求4所述的器件，其特征在于，当压力变化超过预定阈值时所述压力传感器将电源(19)短路。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的器件，其特征在于，所述腔体(9)被盖子(10)封闭。
7.如权利要求6所述的器件，其特征在于，所述盖子(10)由硅、金属、聚合物、环氧树脂或玻璃板形成。
8.如权利要求7所述的器件，其特征在于，所述腔体(9)在盖子(10)中被蚀刻。
9.如权利要求6至8中任一权利要求所述的器件，其特征在于，所述盖子(10)通过粘贴被固定。
10.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述腔体(9)填充有由硅树脂、热固性树脂、聚合物、可熔玻璃或者选自铟、锡、铅或它们的合金中的金属构成的填充材料。
11.如权利要求10所述的器件，其特征在于，所述被填充的腔体(9)被保护性涂层(12)覆盖。
12.如权利要求11所述的器件，其特征在于，所述保护性涂层(12)由利用半导体制造技术形成的薄层构成。
13.如权利要求11所述的器件，其特征在于，所述保护性涂层(12)由粘贴到该被填充的腔体上的薄金属带构成。
14.如权利要求1至13中任一权利要求所述的器件，其特征在于，该腔体(9)通过在衬底(2)中蚀刻来形成，所述电源形成在该腔体的底部。
15.如权利要求1至13中任一权利要求所述的器件，其特征在于，该腔体(9)横向被包围所有需要保护的部件的壁(11)束缚，所述壁的高度大于需要保护的部件的厚度。
16.如权利要求15所述的器件，其特征在于，所述壁(11)通过在衬底上的绢印来形成。
17.如权利要求15所述的器件，其特征在于，所述壁(11)通过在衬底上的注入来形成。
18.如权利要求15所述的器件，其特征在于，所述壁(11)通过在衬底上的光刻来形成。
19.如权利要求1至18中任一权利要求所述的器件，其特征在于，所述电源由微电池形成。
20.如权利要求1至18中任一权利要求所述的器件，其特征在于，所述电源由微超级电容形成。
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