JP2010536157A - 流体の流れを調節するための調節自在バリア - Google Patents

Abstract

電気化学セルは、第一のセル、第二のセル、及び、バリアを有し、バリアは、第一のセル内の流体を第二のセルから隔離し、バリアは、活性化信号に応じて第二の状態に変化し、流体を第二のセル内に流入させて電気化学セルを活性化させる。

Description

関連出願の相互参照

本願は、２００７年８月１０日付けで提出した米国仮特許出願第１１／８３７，４０５号の優先権を主張するものである。

本開示は、流体の流れを調節するための調節自在バリアに関する。

予備電池は、特殊な用途の一次電池であり、電解液から分離されたセル内に電解液と反応することが意図されている電極を有するものである。分離されている間、電池が発電することはない。しかし、電解液から出る揮発性化学物質の蒸気、蒸発物、又は凝縮物が、時間の経過とともにシステムを汚染するおそれがある。電解液が不活性なセルの領域内に流入すると、電解液と電極が相互に作用して電極の間に電位差を生じさせ、活性化した（起動した）実働電池となる。

以下、添付の図面を参照して請求の範囲に記載された本発明の一以上の実施形態を詳細に説明する。

例えば、本発明の一側面において、電気化学セルは、第一のセル、第二のセル、及び、調節自在のバリアを含み、該バリアは、第一の状態では第一のセル内の流体を第二のセルから隔離し、バリアは、活性化信号に応じて第二の状態に変化し、流体を第二のセル内に流入させて電気化学セルを活性化させる。

他の一側面において、第一のセル及び第二のセルを含む電気化学セルを活性化させるための方法は、バリアを軸の周りで第一のセルから第二のセルへの流体の流れを妨げる第一の位置へ回転させ、流体を第一のセルから第二のセルへ流して第二のセル内の要素と相互作用させて電気化学セルを活性化させる第二の位置へバリアを回転させる、ことを含む。

更に他の一側面において、電気化学セルを活性化させる方法は、貫通孔を有する第二の部材と重なり合う、貫通孔を有する第一の部材を、二つの貫通孔が位置合わせされず、第一及び第二の部材が、第一のセルから第二のセルへの流体の流入を阻止するように、第一の位置に配設することを含む。

第一及び第二の各部材を、第一の部材の貫通孔の一部分が第二の部材の貫通孔の一部分と少なくとも部分的に位置合わせされる第二の位置へ調節することによって、流体が少なくとも部分的に位置合わせされた貫通孔を通って第一のセルから第二のセル内に流入し、第二のセル内の素子と相互作用して電気化学セルを活性化させる。

他の一側面において、電気化学セルを活性化させる方法は、第一の位置に、第一のセルから第二のセルへの流体の流入を防ぐためのバリアを配設し、流体を第一のセルから第二のセルへ流し、第二のセル内の素子と相互作用させ、電気化学セルを活性化させるように、該バリアを変形又は除去する、ことを含む。

実施例は、下記の一以上の特徴が含まれる。例えば、第二のセルは、一以上の電極を含むことができる。他の例において、流体は、塩と混合させた溶媒溶液を含む。

幾つかの例において、流体は、電解液を含む。該電解液は、第一の電極と対電極の間で電荷を運ぶイオンを含む。電気化学セルの活性化は、例えば、電解液と一以上の電極の間に電位をつくり出す電気化学反応を含む。或いは又は更に、活性化は、電解液と一以上の電極間に電位をつくり出すイオンの輸送を含む。

活性化信号は、適用される電流、電場、磁場、電磁場、又は温度変化を含むことができる。

幾つかの実施例において、バリアは、回転自在な部材を含む。バリアは、また、第一の部材及び該第一の部材と重なり合う第二の部材を含むことができ、活性化信号に応じて第一の部材の貫通孔の一部分が第二の部材の貫通孔の一部分と位置合わせされるように第一の部材の貫通孔を第二の部材の貫通孔と位置合わせできる。第一及び第二の部材は、各々不濡れ性を有する層を含むことができる。

幾つかの実施例において、バリアは、温度変化、適用される電位、又は適用される磁場に応じて変形する材料を含む。該材料は、例えば、圧電材料又はニチノールとすることができる。

幾つかの場合、バリアは、異なる熱膨張係数を有する二つの材料を含む。更に、バリアは、交番極性を示す二つの圧電材料を含むことができる。

他の例において、バリアは、第一のセルの流体と接触しているときに適用される電位の下で溶解する材料を含む。バリア材料は、金、銅、又は亜鉛を含むことができ、一方、流体は、塩素イオンを有する電解液を含み得る。

幾つかの例において、バリアは、ヒータ及び該ヒータ上の材料層を有し、材料層は、ヒータの活性化によって溶融する。材料は、ポリマー又はワックスを含むことができる。

幾つかの実施例において、バリアは、第一の部材及び該第一の部材の上に配置された第二の部材を含み、第二の部材は、第一の部材の膨張又は収縮に応じて破断してバリア内に開口を形成するように構成される。或いは又はさらに、バリアは、第一及び第二の部材の間に配置された流体を含み、第一及び第二の部材は、ともに流体の膨張又は収縮に応じて破断してバリア内に開口を形成するように構成される。

他の例において、バリアは、可撓性の部材を含む。幾つかの場合には、バリアは、不濡れ表面を有する。

バリアは、第一のセルから第二のセルまで延びる一以上の開口を有する伸縮自在な部材を含むことができ、開口の寸法は、第一の状態では、流体が第二のセル内に流入するのを防ぎ、第二の状態では、開口の寸法が引き伸ばされて、流体が第二のセル内に流入することができる。

セルは、更に複数の第二のセルを含み、バリアは、第一のセル内の流体を複数の第二のセルから隔離することができる。バリアは、活性化され、流体が複数の第二のセルの一以上の中に流入してそれらを活性化することができる。

他の一側面において、電気化学セルは、第一のセル、第二のセル、及び第一及び第二の調節自在バリアを含み、第一及び第二のバリアは、第一の状態では第一のセル内の流体を第二のセルから隔離することができる。第一のバリアは、第一の活性化信号に応じて第二の状態へ変化し、流体を第二のバリアへ向けて通すことができる。第二のバリアは、第二の活性化信号に応じて第二の状態へ変化し、流体を第二のセル内に流入させて電気化学セルを活性化することができる。

他の一側面において、電池は、電解液を含む第一の区画、電極を含む第二の区画、第一の状態では第一の区画内の電解液を第二の区画から隔離する調節自在バリア、及び、調節自在バリアに接続された導線を含み、バリアは、導線に与えられる電気信号に応じて、電解液を第二の区画内に流入させ、電解液と電極の間の電気化学反応によって電極間で電位差を生じさせるべく作動可能である。

電池は、第一の区画上に、不濡れ層に被覆された開口を有するカバーを含むことができる。幾つかの実施例において、カバーは、一方向流体弁を含む。幾つかの実施例において、電池は、また、再密閉自在で貫通自在なカバーを含む。

予備電池の一例を示す。 予備電池の一例を示す。 予備電池の一例を示す。 予備電池の一例を示す。 予備電池の一例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の例を示す。 予備電池の一例を示す。 図４Ａの予備電池の製造工程の例を示す。 図４Ａの予備電池の製造工程の例を示す。 図４Ａの予備電池の製造工程の例を示す。 図４Ａの予備電池の製造工程の例を示す。 予備電池パッケージの一例を示す。 予備電池パッケージの一例を示す。 予備電池の一例を示す。

[詳細な説明]
電気化学セルは、化学エネルギーを電位又は電流の形で電気エネルギーに変換する装置である。それは、電極の間で電荷を運ぶことのできる材料で分離された一以上の電極を含む。材料は、電解液などの流体、又は固体とすることができる。電気化学セルの例としては、電池及びコンデンサを挙げることができる。

電気化学セル内の流体分離の制御は、流体、蒸発物、又は凝縮物が電気化学セルの隣接領域に望まずに又は不注意で入る相互汚染によって困難となる場合があり得る。透過性のあるバリアで隣接するセル又は領域への汚染を防ぐことはできるが、膜が、電極を電解液の蒸発物又は凝縮物と反応しないように保護する充分なバリアとなり得ない危険性が存在する。

本開示は、予備マイクロ電池における調節自在バリアの実施例を提供するものである。予備マイクロ電池は、ミリメートル程度又はそれ以下の大きさの電池で、電荷を失うことなく長期間未使用でも保存できるものである。しかし、電解液から出る揮発性化学物質である蒸気、蒸発物、又は凝縮物が、時間の経過と共にマイクロ電池を汚染する恐れがある。調節自在バリアは、電池のある一つの領域内の電解液を電池の異なる領域内の電極から分離し、電解液が電極に早まって曝されるのを防ぐために用いられる。調節自在バリアは、固体素子として形成されるため、電解液の蒸発物と電極の間の望まない化学的相互作用を低減する可能性がある。更に、固体バリアは、電解液が電極を含む領域内に漏出するのを制限され得る。早まった汚染又は漏出の可能性を除去又は低減することによって、予備電池の有効性及び寿命を十分に改善することができる。

予備電池を活性化させると、バリアは、除去され又は修正されて、電解液が電極に曝され、続いて、電解液と電極の相互作用によって発電が起こる。電池の活性化は、引き金となる事象又は活性化信号に応じて発生するが、そのような事象又は信号は、バリアの除去又は修正を起こさせまた電池自身の内部又は装置の外部で生じるものである。引き金となる事象は、手動で誘起させたり、特定の事象に応じて自動的に発生したり、或いは特定の閾値に達した後に発生することができる。例えば、予備電池は、監視されているあるシステム又は装置の一次電池で電圧又は容量の低下が発生したときに活性化され得る。電圧又は容量の低下が、電圧又は電流信号など引き金となる事象を誘起し、それが予備電池の活性化を導く。他の事象又は条件が、予備電池を活性化させるようにできる。たとえば、温度、電場及び磁場、振動、圧力、音響、又は化学的又は生物学的試薬の存在などである。

しかし、ここで説明する手法は、予備マイクロ電池で使用することに限定されるものではなく、例えば、液体及び／又は固体の構成要素の分離が必要とされる他の装置に関連して使用することもできる。また、液体の隔離の制御を行うことが望ましい他の用途に使用してもよい。これらの用途には、例えば、薬品又は薬物の身体内への放出の制御、マイクロ流体装置内での流体の保存などが挙げられる。

図１Ａは、予備電池１００用の調節自在バリアの一例の断面図を示す。電池は、電解液１１２を収容した第一の領域１１０、一以上の薄膜電極１１６が配置された第二の領域１１４、及び、第一の領域１１０と第二の領域１１４の間の調節自在バリアとして機能する薄いプレート１１８が含まれる。領域１１０、１１４、電極１１６、及び薄いプレート１１８は、標準的なマイクロ、ナノ、及びマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）製造の技術を用いて、半導体基板１２０内又は上に形成することができる。幾つかの実施形態において、活性化信号に応じて自動的に調節自在バリアの配置又は変位が生じ、第一の領域内の電解液を第二の領域内に流入させる。第二の領域に入れば、電解液は、酸化還元反応における場合のように電極と電気化学的に反応し、電極の間に電位をつくり出す。電極材料の例としては、Ｌｉ，Ｚｎ／ＭｎＯ_２，Ｌｉ／ＭｎＯ_２、及びＬｉ／ＢＦ３が挙げられる。電解液の例としては、直鎖状エステル（例、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、酢酸エチル）を含む三元及び四元炭酸塩系電解質、ＺｎＣｌ_２水溶液、或いはＬｉＰＦ_６の炭酸プロピレン溶液を挙げることができる。他の溶液と電極対も使用することができる。電解質の役割としては、電極間の電気化学反応に直接関与し及び／又は電極間の電気化学反応に直接関与せずに電荷を運ぶことに関与する場合がある。幾つかの場合には、流体は、電極と流体の間の電気化学反応を促進するための塩と混合させた溶媒溶液を含めることができる。

プレート１１８は、第一の領域１１０と第二の領域１１４の間に配置され、二つの端部で基板１２０に固定される。基板１２０には固定されるが、プレート１１８は、図１Ａに矢印１２１で示されるように軸１１９の周りで回転自在で、第一の領域１１０から第二の領域１１４の中への溶液１１２の流入を制御できる構成となっている。図１Ａの例では、プレート１１８の回転軸１１９は、第一の領域１１０と第二の領域１１４の間の流れの方向に対して垂直に配置されている。予備電池がオフ状態にあるときには、プレート１１８は、第一の領域１１０と第二の領域１１４の間の断面開口と位置合わせされて、電解液１１２が第二の領域１１４の中に流れ込むことができない構成とすることができる。予備電池１００が活性化されると、プレート１１８は回転され、電解液１１２が第二の領域１１４内に流入して電極１１６と反応できるようになる。図１Ｂ及び１Ｃは、予備電池のプレート１１８の動きを示す図である。

幾つかの実施例では、バリアは、一連のプレート２１８として製造され、その各々が、図２Ａに予備電池２００の断面例として示されるように貫通孔又は通路２２２を含むものとなっている。電池が不活性の場合、プレート２１８は、位置合わせされておらず、したがって、電解液２１２は、第一の領域２１０から通路２２２を通って第二の領域２１４の中に流入して電極２１６と接触することができない。予備電池２００を活性化させる必要がある場合には、図２Ｂに示されるように、プレート２１８は、通路２２２が位置合わせされる位置へと動かされ、電解液２１２が、第一の領域２１０から第二の領域２１４へ流入できるようになる。プレートの動きの方向は、矢印２１９で示されている。他の実施例において、プレート２１８は、2つの同心状に回転自在なシリンダと置き換えられる。各シリンダは、各シリンダの回転に応じて位置合わせされる貫通孔を含むことができる。貫通孔が回転して位置合わせされると、電解液が、第一の領域から第二の領域内に流入できるようになる。

溶液２１２が、予備電池が不活性状態にあるときに、事故で、第一の領域２１０から第二の領域２１４内に漏出するのを防ぐために、プレート２１８又はシリンダの表面２２４は、電解液にとっての不濡れ材料で被覆することができる。不濡れ材料の例としては、疎水性ポリマー、親油性又は疎湿性モノポリマー、ならびにテフロンなどのフッ素化ポリマーが挙げられる。また、他の不濡れ材料も使用することもできる。或いは、ナノ加工技術を用いて表面をパターニングし、超疎水性のナノ構造的機能を生成することも可能である。更に、不濡れ層及び材料は、プレート２１８に限定されず、それらを第一及び第二の領域の界面に配設される任意のバリア上で使用し或いはバリア内に組み込むことも可能である。

幾つかの実施例では、調節自在バリアは、形状記憶材料を用いて形成される。形状記憶材料は、変形されても加熱後、当初の形状に戻り、又は高い周囲温度の中にあっても、変形を起こさせた負荷を取り除くことによって当初の形状に戻る材料である。

図３Ａは、調節自在バリアとして形状記憶材料を使用する予備電池３００の例を示す断面図である。バリア３１８は、形状記憶材料を用いて、第一の領域３１０と第二の領域３１４間の界面に形成される。バリア３１８の表面にはマイクロヒータ３２２が配設される。図３Ｂに示すように、マイクロヒータ３２２を活性化させると、バリア３１８は、その形状を変え、電解液３１２が、矢印３１９の方向に第一の領域３１０から第二の領域３１４へと流れ、電極３１６と反応する。

或いは、周囲の温度の上昇又は下降を用いて、バリア３１８の形状を変えることもできる。したがって、予備電池は、周囲の条件の結果として活性化されるという付加的な機能を備え得る。

バリア３１８に使用できる形状記憶材料の例としては、ニッケル−チタン（ニチノール）、銅−亜鉛−アルミ、銅−アルミ−ニッケル、コバルト−ニッケル−アルミ、コバルト−ニッケル−ガリウム、ニッケル−鉄−ガリウム、及び鉄−マンガン−シリコンなどの合金、又はポリ（ε−カプロラクトン）ジメタクリレート、及び、ｎ−ブチル・アクリレートなどのポリマーが挙げられる。他の形状記憶合金及びポリマーも、同様に使用することができる。

幾つかの実施例では、調節自在バリアは、電気活性（ＥＡ）材料を用いて形成される。形状記憶材料と同様に、ＥＡ材料も、その形状を変えることができる。ただし、熱の代わりに、ＥＡ材料は、適用される電位に反応する。一般に、ＥＡ材料は、誘電性とイオン性の二つの種類に分類することができる。誘電性ＥＡ材料は、当該材料を横断して適用される電位によって生成される静電力の結果としてその形状を変えるものである。それに対して、イオン性ＥＡ材料は、適用される電位に応じた当該材料内部のイオンの変位の結果としてその形状を変えるものである。図３Ｃは、電気活性材料をバリア３１８として使用する予備電池３００の例を示す断面図である。図３Ｃの実施例において、バリア３１８を電圧源３２１に接続することによって、バリア３１８を横断して電位が与えられる。与えられた電位に応じて、バリア３１８は、その形状を変え、電解液３１２を、矢印３１９の方向に、第一の領域３１０から第二の領域３１４へ流入させ、電極３１６と反応させる。

バリアの反応の引き金となる電圧及び電流活性化信号は、電池構造体の内部又は外部の回路によって制御及び生成することができる。回路が外部にある場合は、例えば、回路を電池から電力が供給される装置の一部とすることができる。回路が内部にある場合は、予備電池取付具の内部に、電圧を制御する論理を内蔵させることができる。幾つかの実施例において、複合的な電池構成中の外部の一次非予備電池によって電圧を供給することができる。幾つかの実施例において、活性化信号として無線周波数（ＲＦ）信号を使用することができる。一実施例として、図３Ｄは、装置３００に接続されて、外部発信源からのＲＦ信号３２９を受信し、受信した信号を、装置を活性化させる電圧又は電流として機能する電荷に変換するアンテナ３３０を示す。図３Ｅは、他の実施例を示すが、この例では、電気活性化信号が、圧電材料を含みまた予備電池３００に連結された別個の装置３３２によって供給される。装置３３２又は該装置３３２内の圧電材料に引張又は圧縮応力３３１を与えると、電荷が生成され、それを、活性化信号として使用するか或いはコンデンサに蓄えて、後で放出することができる。

更に、磁気歪み材料を調節自在な固体バリア３１８として使用することもできる。磁気歪み材料は、磁場によって刺激されると機械的変形という材料の反応を示す。磁気歪み材料の例としては、強磁性形状記憶合金である鉄−ニッケル−コバルト−チタン合金及びニッケル−マンガン−ガリウム合金を挙げることができる。磁場は、誘導コイル又は当業者には公知の他の磁場発生源によって与えることができる。

幾つかの実施例において、調節自在な固体バリア３１８は、バイモルフ構造体を用いて形成される。バイモルフ構造体は、異なる熱膨張係数をもつ二つの材料で構成される。バイモルフ構造体で形成されたバリアを加熱すると、異なる熱膨張係数のためにバリアの形状が変形する。バイモルフ構造体は、電位を与えると一方の材料は膨張し、同じ電位を与えると他方の材料は収縮するという二つの異なる圧電材料を含むこともできる。どちらの例においても、バイモルフ・バリアの変形を用いて、第一の領域３１０内の電解液３１２を第二の領域３１４内の電極３１６と接触させることができる。幾つかの実施例において、バリアは、熱膨張係数又は圧電性の異なる三以上の材料を含むことができる。

図３Ｆは、バイモルフ構造体を用いて形成された調節自在バリア３１８の例の断面図を示す。図３Ｆに示す例のバリア３１８は、異なる熱膨張係数を有する二つの材料３２３、３２５を含む。バリア３１８を加熱すると、熱膨張係数が大きい材料３２３が膨張して熱膨張係数が小さい材料３２５より寸法が大きくなる。膨張する寸法の差によって、材料３２３，３２５間の界面に張力が生じ、それがバリア３１８を曲げ又は歪める。すると、第一の領域３１０内の電解液３１２が、バリア３１８の歪みによって生成された開口を通って第二の領域３１４内に流入できるようになる（矢印３１９参照）。

形状記憶材料の場合と同様に、バイモルフ・バリアは、周囲の温度変化に応じてマイクロヒータが活性化すると、変形することが可能となる。更に、バイモルフ・バリアは、誘電損失加熱の結果としても変形することができる。誘電損失加熱では、バリアは、ＲＦコイルなどの信号源から放出された電磁信号を吸収する。このＲＦエネルギーの吸収のために、バリア材料の温度が上昇し、その形状を変える。

幾つかの実施例では、バリア３１８に用いられる材料の膨張係数差によって、バリアの破断又は破裂が生じ、それによって予備電池３００の第一から第二の領域への流体の通過が可能になる。一例として図３Ｇに示すバリア３１８は、ガラス層３４０とその上に配設された金属膜３４２を含む。本実施例において、金属膜３４２は、ガラス層３４０より大きい熱膨張係数を有する。したがって、金属が加熱されると、それがガラス層３４０より膨張してガラス層に応力矢印３４４で示すような応力がかかる。この応力が、ガラスの引張強度を超えると、ガラス層３４０が破断して、図３Ｈの例に示すようにバリア３１８に開口３４１が生成される。バリア３１８の組成は、ガラスと金属に限定されるものではない。代わりに、二酸化ケイ素、ケイ素、及びポリマーなどの異なる膨張係数を有する任意の数の材料又は層を用いてバリア３１８が形成され得る。

他の一実施例では、バリア３１８は、水などの液体層３４８により分離された二つの固体材料の層３４６を含む（図３Ｉ参照）。水が凍ると、膨張して固体層に応力が生じる。水が充分に膨張すると、固体層３４６に生じた応力が、これらの層３４６を破裂させる。予備電池３００が、水より低い氷点下温度を有する電解液を含む場合には、電解液が第一から第二の領域へ流入可能となる。このようにして、温度の上昇ではなく温度の下降によって予備電池３００を活性化できる。

幾つかの実施例では、調節自在バリア３１８は、バリア３１８を通って第一の領域３１０から第二の領域３１４へ延びる一連の開口を有する伸縮自在な材料の層を含む。図３Ｊ乃至３Ｋは、開口３２８を有し伸縮自在バリア３１８を備える予備電池３００の例を示す。バリア３１８が引き伸ばされない状態にあって基板３２０に密接しているときには、開口３２８の平均寸法が充分に小さく、第一の領域３１０内の電解液３１２は、例えば表面張力のために第二の領域３１４内にバリア３１８を介して流入できない（図３Ｊ参照）。しかし、バリア３１８が引き伸ばされると（図３Ｋの矢印３２９参照）、開口３２８の寸法が増大し、電解液３１２は、バリア３１８を通って第二の領域３１４内に流入する。バリアの引伸ばしは、電池３００に圧縮又は引張力を与えることにより生じさせることができる。伸縮自在バリア３１８は、ゴム、プラスチック、ケイ素などの材料を用いて形成することができる。また、弾性を有する他の材料を使用することもできる。電解液３１２を流入させることのできる開口３２８の寸法は、使用する溶液及び伸縮自在な材料の表面特性により決まる。

或いは、幾つかの実施例において、伸縮自在バリアは、温度変化に応じて収縮又は膨張する例えばポリウレタン形状記憶ポリマーなどの材料が含まれる。形状記憶材料及びバイモルフ材料と同様に、伸縮自在バリアの温度変化は、マイクロヒータ、誘電損失加熱、又は周囲温度の変化によって引き起こすことができる。

上に述べたような活性化後に初期の状態に戻ることのできる調節自在バリアを使用する一つの効果は、幾つかの実施例において、予備電池が再使用可能なことにある。電池が活性化されて電解液が消耗しても、新しい電極と新しい電解液を用いて電池を再生させることができる。装置がモジュラー仕様の場合には、使用済みの電極部分を新しいものと交換することができる。電解液は、電解液貯蔵容器内に手動で分与され得る。調節自在バリアが初期状態（即ち、第二の領域から第一の領域を分離した状態）に戻ることができるので、新しい電解液は、隔離して新しい電極と作用するのを防止できる。

更に、バリアは、短期間開位置に調節して、電解液の一部分のみが第一の領域から第二の領域へ流入するように、短期間、開放位置にくるように調節することができる。したがって、望ましい適用用途に使用される電解液の量は、指定された期間だけ電力を供給するのに必要な量に限定され、残った溶液は、保存して後で使用することができる。

幾つかの実施例では、図３Ｌに示す例のように、予備電池３００は、一連の第二の領域３１４を含み、その各第二の領域３１４は、一以上のバリア３１８によって第一の領域３１０から分離され得る。或いは、電池３００は、一連の電気化学セルを含み、その各セルは、バリア３１８によって第二の領域３１４から分離された第一の領域３１０を含み得る。多数の第二領域を分離するバリアは、装置の構成に応じて個々に又は同時に修正されるように構成することが可能である。このようにして、多数のセルを異なる時間に活性化させることができる。一例として、電池の配列前に電圧又は電流を供給して一以上のセルを活性化できる。電池が作動したら、それらの電圧又は電流信号は、残りの不活性化セルを活性化させる信号のためにパワーを供給することができる。

他の実施形態では、バリアは、電池の活性化後は初期の状態にもどらない材料を用いて形成される。幾つかの実施例では、活性化信号又は周囲状態の変化に応じて消散する薄い固体膜を用いることができる。例えば、薄膜の金属又はポリマーで形成されたバリアにおいて、バリアを溶解させるように制御された電気化学電位を、バリアを横断して与えることによって、電解液の環境に曝されてバリアが選択的に除去されるような構成とされ得る。そのような薄金属膜の例は、塩素イオンを含む電解液と与えられた電気化学電位の存在下で溶解する金、銅、及び亜鉛を含む。

図４Ａは、第一の領域４１０内の電解液４１２を、電極４１６を含む第二の領域４１４から分離するバリア４１８として溶解可能な薄い金の膜を有する予備電池４００の例を示す。基板４２０を介して延び、またバリア４１８に電気的に接続された導電性のトレース４２２が形成される。トレース４２２に電圧をかけると、電解液４１２の存在下でバリアが溶解し、溶液が、第一の領域４１０から第二の領域４１４へ流入可能となる。

図４Ｂ乃至４Ｅは、図４Ａに示す構造体を製造する方法の一例を示す。電解液４１２を収容するための貯蔵容器４２４が基板４２０内に生成される（図４Ｂ参照）。基板４２０は、例えば、半導体ウエハ、成型ポリマー又はプラスチック・シート、又は金属箔とすることができる。また他の基板を使用することもできる。貯蔵容器４２４は、例えば、基板表面にマスクを当てる、マスクをパターニングする、マスク・パターンを通して基板をエッチングする、及び、マスクを除去する各工程を含む標準的な半導体装置製造方法を用いて形成することができる。或いは、貯蔵容器４２４は、スタンピング又は成型法を用いて形成することもできる。貯蔵容器４２４に電解液４１２を充填するために、基板４２０の後側に開口４２３を形成することができる。

図４Ｃに示すように、貯蔵容器４２４は、薄い金箔又は蒸着した金の層で貯蔵容器の開口に薄膜を被せることでキャップすることができる。蒸着法としては、標準的なスパッタリング及び蒸発法を含むが、それに限定されるものではない。或いは、貯蔵容器４２４にワックスを充填し、次に蒸着法又は金の膜を被せる方法を用いて、ワックスを充填した貯蔵容器を金で覆うことでキャップが製造され得る。次に、ワックスを溶かして貯蔵容器４２４から滴下させ、金のバリア層４１８でキャップした貯蔵容器を後に残す。次に、バリア４１８の表面上に導電性トレース４２２を形成する（図４Ｄ参照）。トレース４２２は、電圧を与えてバリアを溶解するための活性化端末として使用され得る。

次に、開口４２３を介して各貯蔵容器４２４に電解液４１２を充填し、カバー・シート４２６で囲って、電解液が漏出するのを防止する。或いは、カバー・シート４２６を当てた後、カバー４２６の開口４２８内に電解液４１２を供給して各貯蔵容器４２４を充填することもできる（図４Ｅ参照）。開口４２８は、例えばインクジェット・プリンタなどのように、流体を貯蔵容器４２４内に注入はできるが出られない一方向弁を含むことができる。他の実施例において、開口４２８は、流体を貯蔵容器４２４内に注入した後、流体が開口４２８から漏出するのを防ぐ不濡れ層で被覆される。幾つかの実施例において、電解液４１２は、開口を含まないが、製薬業界で通常用いられているような、再密閉自在で、例えば注射器又はマイクロ・ピペット式分与器が貫通自在なカバー・シート４２６を通じて注入される。

幾つかの実施例では、バリアは、該バリアと電解液の間の電気化学反応の助けを借りずに消散する材料を含む。例えば、バリアは、例えば、スズ鉛半田又はウッド合金などの低融解温度の金属又は合金から形成され得る。トレース４２２に電圧をかけると、電流は、金属を通って流れ、抵抗加熱効果によって金属は融解する。融解すると、電解液４１２は、第一の領域４１０から第二の領域４１４内に流入する。或いは、バリアを、抵抗加熱素子上に形成することもできる。加熱素子を活性化させると、バリアが融解し、電解液を第一の領域から第二の領域へと流入させる。本開示の文脈において、低融解温度とは、一般に、２５０℃以下の温度を意味する。低融解温度バリアの例としては、ワックス、ポリマー、半田、及び他の可溶性合金などの材料を含み得る。

図５は、調節自在バリアを有する予備電池パッケージ５００の一例を示す分解図である。パッケージは、外部端末５０２を保持する基部５０１を含む。外部端末５０２は、パッケージ基部５０１の内部の電極５１６に電気的に接続されている。電極５１６は、交番極性を有する一連の櫛型電極として形成することができる。他の電極構成も同様に使用され得る。電極５１６の下方には、パッケージ５００にかかる衝撃や過度な力を吸収するためのコンプライアント（追従性）・シート５０４を配設することもできる。電極５１６と調節自在バリア５１８の間のスペーサー５１５は、開口５１４を有し、その中にフィルタ紙束５０８を配置することができる。フィルタ紙束５０８によって、電解液は、電極５１６を横切って均等に広がることができる。開口５１０を有する貯蔵容器５２０は、調節自在バリア５１８の上方に配置され、予備電池が活性化される前の電解液を保持するために用いられる。開口５１０の中に第二のフィルタ紙束５２２を配置して、調節自在バリア５１８上で電解液を容易に均等に分布させることもできる。予備電池の構成部品を拘束し、貯蔵容器５２０内の電解液を密閉するために、金属キャップ５２４が、パッケージ基部５０１に固定される。キャップ５２４は、ユーザーが電池の作動を観察できる窓５２６を含むことができる。例えば、電極５１６と反応すると、電解液は変色する場合があり、それを、窓５２６を通して見ることができる。図６は、完全に組み立てられた予備電池パッケージ５００の一例を示す。

第一の領域から第二の領域への流体の流れを制御するために、一種類以上の調節自在バリアを使用され得る。例えば、図７は、二つの異なる種類の調節自在バリアを含む予備電池７００を示す。第一の調節自在バリア７０２は、第二の領域７１４から第一の領域７１０を分離しており、図４Ａに示すような溶解可能な金属膜など固体の透過不能な材料から形成される。第一のバリア７０２に隣接して配置される第二の調節自在バリア７０４は、図３Ｊ及び３Ｋに示す伸縮自在バリアのような多孔性又は半透過性材料を含む。他の異なる調節自在バリアも、第一及び第二のバリアと同様に使用され得る。幾つかの実施例では、第一のバリア７０２は、時間の経過と共に第二の領域７１４内へ電解液の蒸気が透過するのを防ぎ、電池７００の長期保存を容易にするために使用できる。更に、第一のバリア７０２は、乱暴な取扱いや極端な環境条件に耐えるように選択することができる。しかし、予備電池７００が利用可能な状態で、周囲の条件がさほど過酷ではないときには、第一のバリア７０２は、除去して、第二のバリア７０４が、電解液７１２と電極７１６の間の主たるバリアとして機能できるようにされる。その後は、第二のバリア７０４を使用して、電解液７１２の第二の領域７１４内への放出が制御できるようになる。幾つかの実施例では、第一のバリア７０２は、予備電池７００の活性化のために充分なエネルギーと資源が利用可能なときに作動させ又は除去され、それに対して、第二のバリア７０４は、予備電池７００の活性化のためにそれより少ないエネルギーが利用可能なときに使用され得る。

以上、本発明の多数の実施形態を記述した。しかし、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な修正が可能なことは理解されよう。他の実施形態も請求の範囲内である。

Claims (56)

1. 第一のセル；
   第二のセル；と、
   調節自在のバリアを有し、前記バリアは、第一の状態では前記第一のセル内の流体を第二のセルから隔離し；
   前記バリアは、活性化信号に応じて第二の状態に変化し、前記流体を前記第二のセル内に流入させて電気化学セルを活性化させるように作動可能である、電気化学セル。
2. 前記流体は、塩と混合させた溶媒溶液を含み、前記第二のセルは一以上の電極を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記流体は、電解液を含み、前記第二のセルは一以上の電極を有する、請求項１に記載の装置。
4. 前記電解液は、第一の電極と対電極との間で電荷を運ぶイオンを含む、請求項３に記載の装置。
5. 前記電気化学セルの活性化は、前記電解液と前記一以上の電極の間で電位をつくり出す電気化学反応を含む、請求項３に記載の装置。
6. 前記電気化学セルの活性化は、前記電解液と前記一以上の電極の間での電位をつくり出すイオンの輸送を含む、請求項３に記載の装置。
7. 前記活性化信号は与えられる電流を含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記活性化信号は与えられる電場、磁場、又は電磁場を含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記活性化信号は与えられる温度変化を含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記バリアは回転自在な部材を有する、請求項１に記載の装置。
11. 前記バリアは、
    第一の部材；
    前記第一の部材と重なり合う第二の部材；と、
    前記第二の部材の貫通孔と位置合わせされない第一の部材の貫通孔を有し、前記第一の部材は、活性化信号に応じて前記第一の部材の貫通孔の一部分が前記第二の部材の貫通孔の一部分と位置合わせされるように移動すべく作動可能である、請求項１に記載の装置。
12. 前記第一及び第二の部材は各々不濡れ層を含む、請求項１１に記載の装置。
13. 前記バリアは温度変化に応じて変形する材料を含む、請求項１に記載の装置。
14. 前記バリアはニチノールを含む、請求項１３に記載の装置。
15. 前記バリアは与えられる電位に応じて変形する材料を含む、請求項１に記載の装置。
16. 前記材料は圧電材料である、請求項１５に記載の装置。
17. 前記バリアは与えられる磁場に応じて変形する材料を含む、請求項１に記載の装置。
18. 前記バリアは異なる熱膨張係数を有する少なくとも二つの材料を含む、請求項１に記載の装置。
19. 前記バリアは交番極性を有する少なくとも二つの圧電材料を含む、請求項１に記載の装置。
20. 前記バリアは第一のセルの流体と接触しているときに与えられる電位のもとで溶解する材料を含む、請求項１に記載の装置。
21. 前記バリアは金、銅、又は亜鉛を含む、請求項２０に記載の装置。
22. 前記流体は塩素イオンを含む電解液である、請求項２０に記載の装置。
23. 前記バリアは、ヒータ及び前記ヒータ上の材料層を有し、前記材料層は、前記ヒータの活性化によって溶融するように定められている、請求項１に記載の装置。
24. 前記材料層はポリマーを含む、請求項２３に記載の装置。
25. 前記材料層はワックスを含む、請求項２３に記載の装置。
26. 前記バリアは、
    第一の部材；と、
    前記第一の部材上に配置された第二の部材を含み、前記第二の部材は、前記第一の部材の膨張又は収縮に応じて破断して前記バリア内に開口を形成するように構成される、請求項１に記載の装置。
27. 前記バリアは、
    第一の部材；
    第二の部材；と、
    前記第一及び第二の部材の間に配置された流体を含み、前記第一及び第二の部材は、前記流体の膨張又は収縮に応じて破断して前記バリア内に開口を形成するように構成される、請求項１に記載の装置。
28. 前記バリアは可撓性を有する部材を含む、請求項１に記載の装置。
29. 前記バリアは不濡れ表面を備える、請求項１に記載の装置。
30. 前記バリアは、前記第一のセルから前記第二のセルまで延びる、一以上の開口を有する伸縮自在な部材を備え、
    前記開口の寸法は、第一の状態では、流体が第二のセル内に流入するのを阻止するように作動可能であり、第二の状態では、バリアは開口の寸法が引き伸ばされて、前記流体が第二のセル内に流入し得るように作動可能である、請求項１に記載の装置。
31. 更に複数の第二のセルを備え、前記バリアは、第一の状態では、前記第一のセル内の流体を前記複数の第二のセルから隔離し、
    前記バリアは、活性化信号に応じて、第二の状態に変化し、流体を前記複数の第二のセルの一以上の中に流入させて１つ又は複数の第二のセルを活性化させるべく作動可能である、請求項１に記載の装置。
32. 第一のセル；
    第二のセル；
    第一の調節自在バリア；と、
    第二の調節自在バリアを備え、
    第一の状態において、前記第一のバリアおよび前記第二のバリアは、前記第一のセル内の流体を第二のセルから隔離し、
    前記第一のバリアは、第一の活性化信号に応じて第二の状態へ変化し、前記流体を前記第二のバリアへ通すように作動可能であり、さらに、
    前記第二のバリアは、第二の活性化信号に応じて第二の状態へ変化し、前記流体を前記第二のセル内に流入させて電気化学セルを活性化させるように作動可能である、電気化学セル。
33. 電解液を含む第一の区画；
    電極を含む第二の区画；
    第一の状態では前記第一の区画内の前記電解液を前記第二の区画から隔離する調節自在バリア；と、
    前記調節自在のバリアに接続された導線を有し、前記バリアは、前記導線に与えられる電気信号に応じて前記電解液を前記第二の区画内に流入させ、電解液と電極の間の電気化学反応によって前記電極間の電位差を生じさせるように作動可能である、電池。
34. 前記第一の区画上にカバーを有し、前記カバーは、不濡れ層で被覆された開口を備える、請求項３３に記載の電池。
35. 前記第一の区画上にカバーを有し、前記カバーは、一方向流体弁を備える、請求項３３に記載の電池。
36. 再密閉自在で貫通自在なカバーを備える、請求項３３に記載の電池。
37. 第一のセル及び第二のセルを有する電気化学セルを活性化させる方法であって、
    バリアを、軸の周りで前記第一のセルから前記第二のセルへの流体の流れを阻止する第一の位置へ回転させ；
    前記流体を第一のセルから第二のセルへ流入させ、第二のセル内の素子と相互作用させて前記電気化学セルを活性化させる第二の位置へ、バリアを回転させる、方法。
38. 前記電気化学セルの活性化は、電位をつくり出すことを含む、請求項３７に記載の方法。
39. 第一のセル及び第二のセルを有する電気化学セルを活性化させる方法であって、
    貫通孔を有する第二の部材と重なり合う、貫通孔を有する第一の部材を、第一の位置において、前記二つの貫通孔が位置合わせされず、前記第一及び第二の部材が第一のセルから第二のセルへの流体の流れを阻止するように、配設し；
    前記第一及び第二の各部材を、第一の部材の貫通孔の一部分が第二の部材の貫通孔の一部分と少なくとも部分的に位置合わせされる第二の位置へ調節し、これによって、流体が少なくとも部分的に位置合わせされた前記貫通孔を通って第一のセルから第二のセル内に流入し、第二のセル内の素子と相互作用して前記電気化学セルを活性化させる、方法。
40. 前記電気化学セルの活性化は、電位をつくり出すことを含む、請求項３９に記載の方法。
41. 第一のセル及び第二のセルを有する電気化学セルを活性化させる方法であって、
    第一のセルから第二のセルへの流体の流れを阻止するようにバリアを第一の位置に配設し；
    前記流体を第一のセルから第二のセルへ流して第二のセル内の素子と相互作用させて前記電気化学セルを活性化させるように、前記バリアを変形させる、方法。
42. 前記電気化学セルの活性化は、電位をつくり出すことを含む、請求項４１に記載の方法。
43. 前記バリアの変形は、該バリアの温度の変化に応じて生じる、請求項４１に記載の方法。
44. 前記バリアの変形は、該バリアに供給される電流に応じて生じる請求項４１に記載の方法。
45. 前記バリアの変形は、該バリアに与えられる電場又は磁場に応じて生じる、請求項４１に記載の方法。
46. 前記バリアの変形は、該バリアの膨張又は収縮を含む、請求項４１に記載の方法。
47. 第一のセル及び第二のセルを有する電気化学セルを活性化させる方法であって、
    第一の位置において流体と接触し、第一のセルから第二のセルへの流体の流れを阻止するバリアを配設し；
    前記流体を前記第一のセルから前記第二のセルへ流して前記電気化学セルを活性化させるように、前記バリアを除去し、
    前記バリアの除去は、前記バリアへ電位を又は前記バリアを通る電流を与えることを含む、方法。
48. 前記バリアの除去は、電気化学反応において前記バリアを溶解させることを含む、請求項４７に記載の方法。
49. 前記バリアの除去は、該バリアの融解を含む。請求項４７に記載の方法。
50. 前記電気化学セルの活性化は、電位をつくり出すことを含む、請求項４７に記載の方法。
51. 第一のセル及び第二のセルを有する電気化学セルを活性化させる方法であって、
    第一の位置において第一のセルから第二のセルへの流体の流れを阻止するバリアであって、第二の部材の上に配置された第一の部材を備えるバリアを配設し；
    前記バリアに開口を形成し、流体が前記第一のセルから前記第二のセルへ流れて前記電気化学セルを活性化させるように、前記第一の部材を膨張又は収縮させて前記第二の部材を破断する、方法。
52. 前記電気化学セルの活性化は、電位をつくり出すことを含む、請求項５１に記載の方法。
53. 第一のセル及び第二のセルを有する電気化学セルを活性化させる方法であって、
    第一の位置において第一のセルから第二のセルへの流体の流れを阻止するバリアであって、第一の部材と第二の部材の間に配置された流体を備えるバリアを配設し；
    前記バリアに開口を形成し、流体が前記第一のセルから前記第二のセルへ流れて前記電気化学セルを活性化させるように、前記流体を膨張又は収縮させて前記第一及び第二の部材を破断する、方法。
54. 前記電気化学セルの活性化は、電位をつくり出すことを含む、請求項５３に記載の方法。
55. 第一のセル及び第二のセルを有する電気化学セルを活性化させる方法であって、
    第一の位置において第一のセルから第二のセルへの流体の流れを阻止する第一のバリア及び第二のバリアを配設し；
    前記流体を前記第二のバリアへ流すように、前記第一のバリアを第二の位置へ調節し；
    前記流体を前記第二のセルへ流して前記電気化学セルを活性化させるように、前記第二のバリアを第二の位置へ調節する、方法。
56. 前記電気化学セルの活性化は、電位をつくり出すことを含む、請求項５５に記載の方法。

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