JP5235334B2 - エネルギー回復と貯蔵機能を結合する一体化されたマイクロ部品 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、縮小した(微細な)体積でのエネルギーの電気化学的な貯蔵の機能を遂行し、エネルギー回復源(ソース)とエネルギー制御システム(ASIC)との最適化された一体化を可能にする部品を製造する分野に関する。そして、システムは全体として、完全にMEMS(「マイクロ電気機械的システム(Microelectromechanical Systems)」)に電力を供給するのに完璧に適している。
目標とされる用途の主な分野は「環境知能」、すなわち「高性能粉末」、「e−グレイン(e-grain)」などと言う用語によって時々言い表されるマイクロセンサ(解放され、場合に応じてネットワークに接続された)を包含する。このタイプの生産物は非常に小さな体積(通常、1mm未満の厚さを持った数mmから1cmの表面)において関係付けられる多くの機能:通信、センサ、エネルギー、ボード上の(オンボードの)知能を必要とする。本発明は、場合に応じて知能に関係するこれらのシステムのエネルギー部分に関する。
エネルギーを貯蔵するための電気化学的システムは2つのカテゴリーに分類できる:つまり、スーパーキャパシター(supercapacitance)と電池である。
スーパーキャパシターは、大きな電力量を生成する可能性を持つが、電池と比較して貯蔵しておいたエネルギー量の損失を持たざるを得ない。現在の最も高性能なスーパーキャパシターシステムは、7mF程度の(すなわち考慮した電圧に対して10μAhのオーダーの)容量を持つ。主な問題は、マイクロメートル規模に集積し大きさを縮小することの問題に存在する。
集積の目的でその大きさが縮小し得る電池は、本質的に2つのタイプから成る:すなわち、真空蒸着(堆積)技術によって作られ数マイクロメートルのオーダーの厚さの全固体の電池(以下ではマイクロ電池と言う)と、数百マイクロメートルのオーダーのの厚さの被覆によって得られた電池(以下ではミニ電池と呼ぶ)である。それにもかかわらず、集積できる他の液体電解質をベースとする溶液も提案されてきた(特許文献1参照)。
薄膜の形態にある「全固体」のマイクロ電池は多数の刊行物および特許の主題である。動作原理は陽極におけるアルカリ金属イオンまたは陽子の挿入と取り出し(またはインターカレーション−デインターカレーション(intercalation-deintercalation))に基づいている。与えられたシステムは、例えば金属リチウム電極からのイオン種Liとして使用する。マイクロ電池を構成するすべての層(集電体、陽陰電極、電解質、カプセル封入)は、PVD蒸着(「物理的気相蒸着」に対応)またはCVD蒸着(「化学的気相蒸着」に対応)によって得られる。スタックの全体厚さは15μmのオーダーである。種々の材料を使うことができる。
・集電体は金属であり、例えば、Pt、Cr、Au、またはTiをベースとしうる。
・陽極は、LiCoO、LiNiO、LiMn、CuS、CuS、WO、TiO、V、またはVと、さらにこれらの酸化バナジウムと金属硫化物をリチオ化した形態によって構成することができる。選択した材料に依存して、膜の結晶化とそれらの挿入特性を向上するために熱的アニーリングプロセスが必要となりうる。それにもかかわらず、ある特定のアモルファス材料、特定のチタン酸硫化物は、このような処置を必要とせず、リチウムイオンの高い挿入性を可能にする。
・電解質は良好なイオンの伝導体で、かつ電気絶縁体でなければならない。それは一般に、ホウ素酸化物、リチウム酸化物、またはリチウム塩をベースとするガラス質の材料である。
・陰極は熱的蒸着、リチウムをベースとする金属合金、または挿入化合物(SiTON、SnN、InN、SnO、...)によって蒸着(堆積)される金属リチウムであり得る。
・カプセル封入は外部環境、特に活性なスタックを水分から保護することを目的としている。それはセラミック、ポリマー(ヘキサメチルジシロキサン(hexamethyldisiloxane)、パリレン(parylene))または金属と、さらにこれらの異なった材料の重ね合わせた層によって構成することができる。
使われる材料に依存して、このタイプの対象物の動作電圧は2Vから4Vである。表面容量は100μAh/cmのオーダーである。使われた技術は、すべての面および形状の対象物を製造することを可能にする。
一定の表面において、これらのシステムの容量は主に2つの方法で増やすことができる:
・電極の厚さを増やすこと
・並列に連結した重ね合わせマイクロ電池
それにもかかわらずこれらの技術は、実行するのが難しい。実際に、PVDによって10μmを超える厚さを持つが、最初の特性を維持するような層を得ることは困難である。さらに、リチウムの拡散によって種々の層に起こる体積変化は、スタックされたマイクロ電池を含むシステムにおいて大きな制約の問題をもたらす。
ミニ電池は通常、被覆技術によって作られる。実際、これらの対象物の製造は、製造プロセスの開発によって得られる既存のシステムのスケールダウンである。全体の厚さは数百μmのオーダー(300μmから650μm)である。これらのミニ電池は、現在の電池製造業者によって製造され、市場に現われ始めている。それらは専門の用途(例えば、スマートカードディスプレイに電力を供給するための開発)のために商業化されることになる。
これらのシステムの表面容量はマイクロ電池のそれよりも大きい(100μAh/cmに対して数mAh/cm)。しかしながら、その厚さはスマートカード集積回路(組立体0.76mmの最大厚さ)上への配置に対し不適合にし、それらは小さな体積(1mm未満)への集積が難しい。この層は現在、次にプレスによって組み立てられる金属サポート上に作られる。小さな表面(1mm以下)を生産することは可能でない。しかも、これらのデバイスはカプセル封入されない。
特許文献1は、薄膜技術(CVD、PVD、電着)によって蒸着された両方の電極層、および液体電解質を使った混合型の手法を提案している。それにもかかわらず、製造プロセスは一つの基板上への層のスタックに基づいている。電極とポリイミドスペーサーの一部分の収縮によって2つの電極層の間にキャビティが作られる。このような形状は、上部の電極層の上に大きな機械的応力を必要とし、それはカプセル封入を支援するためだけのものである。さらに、それは決して活性な要素(すなわち、例えば集積回路またはエネルギー回復部品を含むようなもの)ではない。
エネルギー回復と貯蔵マイクロシステムの組み合わせに関しては、その個別のシステムよりも遥かに少ない研究しか行われていない。現在の製造における相対的な弱点は一体化の問題に存在する。
エネルギーマイクロ回復とマイクロ貯蔵を一体化することに対する、最も進行した一体化の努力は、バイポーラ・テクノロジー社(Bipolar Technologies Corp.)によって行なわれている。これはアメリカの会社であって、ブリガム・ヤング大学(Brigham Young University)と共同して、太陽電池と接続された(液体電解質を備えた)Ni−Znマイクロ電池をベースとするエネルギー供給マイクロシステムを開発している。このマイクロシステムは、すべての要素が並んで配列される平面の構造に従って設計されており、それは大きな表面と体積を占め、従って利用可能な体積(または質量)エネルギー密度を減らしている。
米国特許出願2005/0110457号明細書
本発明の目的は、オンボードの最大のエネルギーで、すべて非常に小さな体積(1mm以下で厚さを持ち、表面が数μmから数cmの範囲が可能)に回復、貯蔵、そして場合に応じてエネルギー制御を結集することができる一体化された部品を得ることである。これは、場合に応じ、エネルギーの回復、および/または、エネルギー貯蔵を形成するためのオンボードの知能(集積回路)のために、基板の体積を利用することによって得られる。
本発明の第1の対象は、電気化学的貯蔵源(ソース)を含むマイクロ部品であって、接触面を持つ第1の基板と接触面を持つ第2の基板とを含み、少なくとも1つのキャビティが前記接触面から基板の少なくとも1つに形成され、前記2つの基板がシール手段によって前記接触面で一体化され、それによって前記キャビティがシールされ、電気化学的貯蔵源を収容し、そして前記マイクロ部品は電気化学的貯蔵源と外部環境との間に電気的接続を提供することを特徴とするマイクロ部品に関連する。
マイクロ部品は、好都合に、エネルギー回復デバイスと、前記エネルギー回復デバイスを前記電気化学的貯蔵源に電気的に接続する手段と、をも含む。それは、電気化学的貯蔵源と外部環境との間の電気的接続のための手段を制御することを可能にする集積回路をも含むことができる。
上記電気的接続は、上記基板の少なくとも1つを貫通する電気的接続を含むことができる。それらは基板外側でのワイヤー接続を含むこともできる。
シール手段は、上記2つの基板の間に置かれその2つの基板の間の電気的接続を可能にする導電性の異方性膜を含むことができる。 電気化学的貯蔵源は、第1の基板と一体化された第1の電極と、第2の基板と一体化された第2の電極とを含むことができる。
化学的保護手段を電極と一体化された基板との間に置くことができる。
基板のうち少なくとも1つが半導体材料、例えばシリコンから作られうる。
限定的でない例によって与えられ、添付された図面を参照した以下の説明を読むことで、本発明はより良く理解され、他の利点および特定の特徴が明らかとなるであろう。
本発明によれば、2つの基板が組み立てられ、少なくとも1つのキャビティが閉じられ、電気化学的貯蔵源の製造のためにキャビティの利用可能な体積を使うことを可能にする。従って、それぞれの基板は、エネルギー貯蔵システムを製造するのに必要な技術の一部を有することができる。基本としてのこの構成により、多くのケースを改良することができる。いずれのケースでも、少なくとも1つのキャビティが基板のうちの少なくとも1つにおける後面(または接触面)の上に形成される。両方の基板に作られたキャビティは、エネルギー源のために有効な体積を最大にすることができる。シリコン基板の場合には、キャビティは通常、局所的に限定されたKOHエッチングによって得られる。キャビティの壁は使われる電解質に対して不活性でなければならない。このために、キャビティの壁面には化学的および電気的な絶縁層を堆積する必要がある。この層は、例えば、ポリマーであり得る。そして、この層の上に、金属(Ti、Cr、Au、Ptなど)の使われる電極材料と両立できる導電体が堆積される。2つの基板の組立体が相互に電気絶縁をもたらすならば、キャビティの不活性層は直接金属で作ることができ、集電体としてもはたらく。
第1の実施形態によれば、電池またはスーパーキャパシター電極層がそれぞれの基板上に堆積される(一方の上に陽極、他方の上に陰極)。この場合、キャビティに存在する電解質は最終的には液体である。これは厚い電極層(10から数百μm)を使うことを可能にする。なぜならば、電解質はこれらの層を満たすことができるからである。このとき、非常に大きな容量(数100mAh/cm)を得ることが可能である。基板上に存在するシステム(集積回路、エネルギー回復システム)によれば、電極層は、すでに存在するシステムの劣化を起こすよりも高い温度での熱的アリーリング動作を経験しなくてもよいように選択することができる。従って、700°Cでアニーリングを必要とする層は回路の後面上に作られないことになる。このような層は、前面上での他の処理を行なう前に基板の後面上に製造することができるかも知れない。いくつかのケースでは、前面の処理の際にこの層を保護するように、保護部(樹指タイプ)を堆積することができる。
電池またはスーパーキャパシターの電極層は、要求される厚さを得ることを可能にする何らかの技術によって堆積することができる。従って、インク(通常、リチウムを挿入することができる活性要素、例えばポリマーバインダーおよび導電体を含む)を使用するインクジェット、シルクスクリーン、フレキソ、オフセットなどのような技術を使うことができる。真空蒸着技術(CVD、PECVD、PVDなど)も使うことができる。蒸着の局所化および速い蒸着速度を可能にする技術が好ましい。
第2の実施形態によれば、電池またはスーパーキャパシターを作るのに必要なすべての層(電極と電解質)がそれぞれの基板上に堆積(蒸着)される。この形態は、第1の実施形態よりも多くの層を堆積するという不利点を持つ。しかし、それはそれぞれの面上に2つの異なったシステムを持つことを可能にする、という利点を持つ。そのため、例えばこれらのシステムの直列接続を持ち、従って出力電圧を2倍にすることが可能である。従って、リチウム電池の場合には、8Vを超える電圧を生成するシステムを得ることができる。他の形態では、異なった特性(電池とスーパーキャパシター、異なった電気化学対を持った電池、異なった電極厚さを持つことで異なった電力特性を持った電池)を持ったシステムを選択することができる。このような手法は、例えば1つの源をエネルギー回復(低電流)に適合させ、他の源をセンサの電源(高電流)に適合させることを可能にする。
この形態は追加の電気的接続を必要とする:それは外部電極上の集電体である。
使われる電解質は液体であり、2つのシステムに共通である。この場合、前に堆積された電解質層は、電極間の電気的および機械的絶縁のはたらきをし、また「液体電解質を吸い込む」ことができる透過性のポリマータイプの薄膜である。
2つの基板のアセンプリは異なった方法で得ることができる。2つの手法が望ましい。第1の手法によれば、2つの基板のシールされた前組立体が作られ、そして周囲部上への接着剤の蒸着の後にマイクロ部品が電解質に浸漬される。接着は加熱とプレスによって改善することができる。シールが十分ではないならば、電解質の外で、「グロップ・トップ」(glop top:上面粘着)カプセル化方法によって完ぺきなシールを作ることができる。第2の手法によれば、例えば、陽極接着によって2つの基板の組み立てが行われた後、キャビティが充填される。そのとき、キャビティの充填は、基板の一方または他方におけるマイクロチャネルの存在によって横方向に、または基板の一方の上に作られたホールによって縦方向に行うことができる。液体を導入するのに毛管現象が好都合に使われる。次に、充填のために必要な開口は小粒子または樹指を使って閉じられる。
マイクロ部品を得るために使われる実施形態によれば、種々のコネクタ手法が可能である。ほとんどの一体化手法は、基板(電極層堆積の前に提供される)を貫通する接続を準備することから成る。このような構造は、バルクに対してさらに効果的にすることを可能にする:すなわち、基板の体積は、エネルギー源だけではなく電気的接続をも収容する。理想的には、2つの基板の間の接着はACF(異方性導電性膜)の電気伝導を可能にするポリマーを使って得ることができる。従って、電気的接続は、後面上のみに、またはキャビティの組み立て部分によって提供することができる。この手法とは独立に、キャビティの外側でのエネルギーシステムの集電体を提供した後に、ワイヤー接続を製造することもできる。
以下の説明では、本発明によるマイクロ部品は一つのキャビティのみを有する。それにもかかわらず、エネルギー貯蔵マイクロソースのネットワークを持つことを可能にし、また要求通りに直列または並列にそれらを接続する、このように並んだ多重の小さなキャビティを作ることができる。このような手法は完全に多用途であって、そして様々な用途、または同じ用途のための異なった動作モードに適合させることを可能にする。さらに、電気化学的貯蔵源を2つの基板上に分配することは、例えば、活性回路の存在に対するその可能な脆弱化期限に従って、それぞれの基板上に適切な堆積ステップを分配することを意味する。
図1Aから図1Dは、本発明によるマイクロ部品を製造するための第1の基板を処理する方法を示す。これらは横方向の断面図である。
図1Aは、上部に集積回路2が作られた主面上の第1のシリコン基板1を示す。集積回路2の反対側の面3は第1の基板1の接触面を有する。次に、電気的貫通接続4がエッチングによって、それから導電材料で充填されることによって製造される。それらは集積回路2を接触面3に電気的に接続することを可能にする(図1B参照)。次に基板1は, キャビティ4と、電解質を導入するはたらきをして横方向に終端するチャンネル6とを提供するように接触面3から(局所的なKOHエッチングによって)エッチングされる(図1C参照)。次に、(化学的および電子的な)絶縁層7、例えば窒化ケイ素またはシリカがキャビティ5の壁上に堆積され(図1D参照)、電極8がキャビティのベース部分に提供され、電極8と集積回路2との間の対応する電気的接続を作ることを確実にする。
図2Aから図2Dは、本発明によるマイクロ部品を製造するための第2の基板を処理する方法を示す。これらは横方向の断面図である。
図2Aは、第1の面12と、接触面と呼ぶ第2の面13とを持つ第2のシリコン基板10を示す。電気的貫通接続11が、特に基板1の電気的貫通接続4のいくつかとの間に電気的接続を構築するように基板10に製造される(図2B参照)。図2Cは、基板10の面12に(例えば接着によって)取り付けられたエネルギー回復デバイス14を示す。デバイス14は電気的に接続11に接続している。例えば金属から作られた化学的および電気的伝導性の絶縁層15が接触面13上に堆積される(図2D参照)。電極16が絶縁層15上に堆積される。
2つの電極8または6のうちの一方は陽極であり、他方は陰極である。陰極は、PECVDによって得られたシリコンで構成でき、1μmの厚さで層を形成できる。陽極はLiCoOを使ったシルクスクリーン印刷によって得ることができ、200μmの厚さで層を形成できる。
図3は、それらの接触面3および13により基板1および10を一体化することによって得られた本発明によるマイクロ部品の断面図である。基板1および10の一体化は、異方性の導電性膜またはACP、すなわち膜の平面に対する縦方向の電気伝導と膜の平面における電気的絶縁とを可能にする膜で接着することによって得られる。このように、集積回路2は、電気的接続4および11を使ってエネルギー回復デバイス14に電気的に接続することができる。集積回路2は、貫通接続4によって電極8にも、そして他の貫通接続4、金属層15、および異方性の導電性膜18によって電極16にも電気的に接続される。
次に、チャンネル6を使った毛管現象によって電解質がキャビティ5に導入され、そのアクセス(導入手段)が次に閉じられる。
図4および図5に示したように、他の電気的接続技術を使うことができる。
図4に横方向の断面図で示したマイクロ部品は第1の基板21を含み、その第1の主面が集積回路22を支持し、第2の主面がこの第1の基板の接触面を構成する。マイクロ部品は、第2の基板20をも含み、その第1の主面がエネルギー回復デバイス24を支持し、第2の主面がこの第2の基板の接触面を構成する。内部キャビティ25は、基板21に作られた第1のキャビティ、および基板20に作られた第2のキャビティによって構成される。キャビティ25の側では、第1の基板21が電極28を支持し、第2の基板20が電極26を支持する。第1の基板21に製造された貫通接続34は、集積回路22を電極28に電気的に接続する。第2の基板20と電極26との間に配置された導電層35は、第2の基板20の接触面の空いた部分の上方に拡張される。外部のワイヤー接続32が、導電層35を介して集積回路22を電極26に電気的に接続するように構築される。第2の基板20は、エネルギー回復デバイス24を集積回路22に外部のワイヤー接続33を使って電気的に接続することを可能にする貫通接続31を含む。キャビティ25は電解質で満たされる。シール38はキャビティ25をシールする機能を遂行する。
図5に横方向の断面図で示したマイクロ部品は第1の基板41を含み、その第1の主面が集積回路42を支持し、第2の主面がこの第1の基板の接触面を構成する。マイクロ部品は、第2の基板50をも含み、その第1の主面がエネルギー回復デバイス54を支持し、第2の主面がこの第2の基板の接触面を構成する。内部キャビティ55は、第2の基板50にのみ作られた。キャビティ側55において、第1の基板41は電極48を支持し、第2の基板50は電極56を支持する。第1の基板41に製造された貫通接続44は、集積回路42を電極48に電気的に接続する。第2の基板50と電極56との間に配置された導電層65は、第2の基板50の接触面の空いた部分の上方に拡張される。外部のワイヤー接続62が、導電層65を介して集積回路42を電極56に電気的に接続するように構築される。第2の基板50は、エネルギー回復デバイス54を集積回路42に外部のワイヤー接続53を使って電気的に接続することを可能にする貫通接続51を含む。キャビティ55は電解質で満たされる。シール58はキャビティ55をシールする機能を遂行する。
この技術は、特に液体電解質(イオン性液体タイプの電解質のような)を備えた源に適している。しかし、固体電解質に対して完全に良好に使うことができる。
本発明によるマイクロ部品を製造するための第1の基板を処理する方法を示す。 本発明によるマイクロ部品を製造するための第1の基板を処理する方法を示す。 本発明によるマイクロ部品を製造するための第1の基板を処理する方法を示す。 本発明によるマイクロ部品を製造するための第1の基板を処理する方法を示す。 本発明によるマイクロ部品を製造するための第2の基板を処理する方法を示す。 本発明によるマイクロ部品を製造するための第2の基板を処理する方法を示す。 本発明によるマイクロ部品を製造するための第2の基板を処理する方法を示す。 本発明によるマイクロ部品を製造するための第2の基板を処理する方法を示す。 本発明によるマイクロ部品の断面図である。 本発明による他のマイクロ部品の断面図である。 本発明によるさらに他のマイクロ部品の断面図である。
符号の説明
1 基板
2 集積回路
3 接触面
4 電気的貫通接続
5 キャビティ
6 チャンネル
7 絶縁層
8 電極
10 基板
11 電気的貫通接続
12 接触面
13 接触面
14 エネルギー回復デバイス
15 絶縁層
16 電極
18 導電性膜
20 基板
21 基板
22 集積回路
24 エネルギー回復デバイス
25 キャビティ
26 電極
28 電極
31 電気的貫通接続
32 ワイヤー接続
33 ワイヤー接続
34 電気的貫通接続
35 導電層
38 シール
42 集積回路
44 電気的貫通接続
48 電極
51 電気的貫通接続
53 ワイヤー接続
54 エネルギー回復デバイス
55 キャビティ
56 電極
58 シール
62 ワイヤー接続
65 導電層

Claims (9)

  1. 電気化学的貯蔵源を含むマイクロ部品であって、接触面(3)を持つ第1の基板(1,21,41)と接触面(13)を持つ第2の基板(10,20,50)とを含み、少なくとも1つのキャビティ(5、25、55)が前記接触面から基板の少なくとも1つに形成され、前記2つの基板(1,10)がシール手段によって前記接触面(3,13)で一体化され、それによって前記キャビティがシールされ、電気化学的貯蔵源を収容し、前記電気化学的貯蔵源は、電池またはスーパーキャパシター電極を構成し第1の基板(1,21,41)と一体化された第1の電極(8,28,48)と、電池またはスーパーキャパシター電極を構成し第2の基板(10,20,50)と一体化された第2の電極(16,26,56)とを含み、さらに前記キャビティ(5、25、55)が液体の電解質で満たされ、そして前記マイクロ部品は電気化学的貯蔵源と外部環境との間に電気的接続を提供することを特徴とするマイクロ部品。
  2. エネルギー回復デバイス(14,24,54)と、前記エネルギー回復デバイスを前記電気化学的貯蔵源に電気的に接続する手段と、をも含むことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ部品。
  3. 電気化学的貯蔵源と外部環境との間の電気的接続のための手段を制御することを可能にする集積回路(2,22,42)をも含むことを特徴とする請求項2に記載のマイクロ部品。
  4. 前記電気的接続は、前記基板の少なくとも1つを貫通する電気的接続(4,11,31,34,44,51)を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のマイクロ部品。
  5. 前記電気的接続は基板外側でのワイヤー接続(32、33、53、62)を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のマイクロ部品。
  6. シール手段は、2つの基板(1、10)の間に置かれ前記2つの基板の間の電気的接続を可能にする導電性の異方性膜(18)を含むことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のマイクロ部品。
  7. 化学的保護手段(7,15)が電極と一体化された基板との間に置かれることを特徴とする請求項に記載のマイクロ部品。
  8. 基板のうち少なくとも1つが半導体材料から作られることを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載のマイクロ部品。
  9. 前記半導体材料はシリコンであることを特徴とする請求項に記載のマイクロ部品。
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