JP6817230B2 - ハーメチックにシールされたマイクロ電池群を備えたマイクロ電池構造体 - Google Patents

Description

本発明は電池技術に関し、さらに具体的には、ハーメチック(hermetic)にシールされたマイクロ電池群を備えたマイクロ電池構造体、特に狭幅薄型マイクロ電池のための全シリコン・ハーメチック・パッケージおよび加工処理に関する。

１００μＡｈ台以下の容量の非常に小さい薄型(low-profile)電源が必要な様々な新たな用途（例えば、生物医学、ＩｏＴ、リモートセンシング）が存在する。このサイズの機能電池の作製は比較的簡単であるが、小さな物理的寸法で薄型（現在市販されている既存のどの金属コイン・セル電池よりはるかに小さい）への要求事項は、かかる電池を完全にハーメチックにシールすることを非常に難しくしている。通常、金属缶またはコイン・セルは、シリンダ対称形で、外部金属とポリマー・ガスケットとの間で圧着シールを用いているが、セル全体が、幅１ｍｍ以下、０．２ｍｍの厚さで、例えば、矩形または円弧形状など随意の形状である場合、かかる圧着シールを行うことは極度に困難であるかまたは不可能である。

金属缶を使わず屈曲性ポリマーの筺体を用いる典型的な屈曲性電池構造体は、多くの場合郵便切手のサイズであり、それらの縁部に、数ミリメートル幅台の非常に大きなシーリング領域を必要とする。これらのポリマー／接着剤シールが非常に狭ければ、そのシールの寿命期間に相当な影響が出ることになろう。かかるシステムにおいて、１ｍｍより大幅に小さいシール幅を生成しようとする試みは非常に実現困難であろう。上記のように、１ｍｍ以下の全幅の非常に小さく、薄く、狭い電池を作製しようとすると、深刻なシーリング問題が発生する。

既存の量産対処策は、圧着シールによるシリンダ対称形の金属缶型パッケージ、もしくは数ミリメートルの非常に広いシール幅を有する屈曲性ポリマー・パッケージのいずれかである。或る種の長寿命のリチウム・イオン電池は、Ｌｉをどんな湿気にも曝露できないので、完全な密封性を確実にするために、ガラス金属シールを用いている。しかしながら、前述の非常に小さな物理的寸法の制約、およびアルカリ性または酸性電解質を有するＭｎＯ_２−Ｚｎなど、非Ｌｉ電池ケミストリへの要求を所与とすれば、幅１００μｍ以下の良質なシール生成のためのパッケージのオプションはほとんどない。

シュル（Ｓｈｕｌ）らの米国特許第６，４３２，５７７Ｂ１号は、シリコンを、構造コンポーネント、パッケージ・コンポーネント、および半導体として用いるマイクロ電池を作製するための方法および装置を開示している。シュルらによって開示されたこの方法は、平板マイクロ電池構造体を形成するために４つのシリコン・ウエハを使用し、２つのシリコン・ウエハは構造体フレームとして機能し、２つのシリコン・ウエハは、それぞれアノードおよびカソードとして機能する。外部シリコン・フレームは、それぞれ４２５μｍの厚さである。シュルらは、これら２つの外部シリコン・フレームを一緒に結合するためにエポキシシーリング材料を使っている。この技法は、ハーメチック・シールを形成すべく、エポキシ材料によって２つのシリコン・ウエハを一緒に結合するため、Ｏリングを用いる。Ｏリングの使用は、シール幅を相当に増大する。

本発明は、シリコンから精密エッチングされたロック・キー式電池パッケージング構造体を生成するために、フォトリソグラフィ、ディープ・シリコン反応性イオン・エッチング（Ｄ−ＲＩＥ：ｄｅｅｐ ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）、一時的ウエハ・ボンディング／薄化／剥離などを含む、改良型の３Ｄシリコン処理技法(advanced 3D silicon processing techniques)の組み合わせを使用する。これらは、マイクロ電池を完全にしっかりと包容するよう機能し、約１００μｍ以下台のシール幅を有し、全厚が４００μｍ以下の非常に薄く狭いセルの可能性を提供するように機能することになる。

本発明の一態様において、ハーメチックにシールされたマイクロ電池を形成するためのマイクロ電池構造体が提供される。本発明の一実施形態では、このマイクロ電池システムは、カソード材料を収容する領域を区画する少なくとも１つの凸部(pedestal)、および第一シーリング材料を収容する領域を区画する少なくとも１つの凹部(depression)を包含する第一シリコン基板を含む。本マイクロ電池システムは、アノード材料を収容する領域を区画する少なくとも１つの凸部、および第二シーリング材料を収容する領域を区画する少なくとも１つの凹部を包含する第二シリコン基板をさらに含む。また、本マイクロ電池システムは、第一シリコン基板上の少なくとも２つの凹部中に存在する第一シーリング材料に結合された絶縁センタピースを含み、第一シリコン基板上に第二シリコン基板を、ほぞ穴結合方式(in a mortise and tenon fashion)で整列させ重ね合わせることによって、インタロック構造体が形成される。

本発明の別の実施形態において、マイクロ電池システムは、第一シーリング材料を収容する領域を区画する少なくとも１つの凸部、およびカソード材料を収容する領域を区画する少なくとも１つの凹部を包含する第一シリコン基板を含む。本マイクロ電池システムは、アノード材料を収容する領域を区画する少なくとも１つの凸部、および第二シーリング材料を収容する領域を区画する少なくとも１つの凹部を包含する第二シリコン基板をさらに含み、第一シリコン基板上に第二シリコン基板を、ほぞ穴結合方式で整列させ重ね合わせることによって、インタロック構造体が形成される。

本発明のさらに別の実施形態において、マイクロ電池システムは、シーリング材料とアノード材料とを収容する少なくとも１つの凹部を包含する第一シリコン基板、およびカソード材料を収容する少なくとも１つの凸部と少なくとも１つの凹部とを包含する第二シリコン基板を含み、第一シリコン基板上に第二シリコン基板を、ほぞ穴結合方式で整列させ重ね合わせることによって、インタロック構造体が形成される。

以降に、単なる例示として、添付の図面を参照しながら本発明の諸実施形態を説明することとする。

本発明の一実施形態による、深いカソード、浅いアノード挿入体、およびアノード側とカソード側との両方に結合された絶縁センタピースを含む、マイクロ電池のインタロック構造体の概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のアノード側の作製過程における、アノード材料およびシーリング材料を収容するためシリコン中にエッチングされたキャビティを示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のアノード側の作製過程における、図２に示されたキャビティ中の接着金属層を覆って堆積されたシード金属の層を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のアノード側の作製過程における、図３に示されたキャビティ中のシード金属を覆って堆積されたフォトレジストの層を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のアノード側の作製過程における、塗着されエッチングされ、図４に示されたシード金属、アノード電流コレクタを露出させている、ポリマー接着性シーリング材料を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のアノード側の作製過程における、アノードを形成するため、インジウム、ビスマス、および亜鉛から成る均質固体で電気メッキされた、図５に示されたキャビティの１つ上のシード金属を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のアノード側の作製過程における、図６に示されたシード金属およびアノードを覆って堆積されたフォトレジストの層を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のアノード側の作製過程における、塗着されエッチングされ、図７に示されたアノードの表面を露出させている、ポリマー接着性シーリング材料の層を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のアノード側の作製過程における、アノードを生成するため、図８に示されたアノード材料を含むキャビティの中に堆積された電解質注入セパレータ材料を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のカソード側の作製過程における、カソード材料を収容するためエッチングされたキャビティを示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のカソード側の作製過程における、図１０に示されたキャビティ中の接着金属層を覆う電流コレクタ金属の層を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、図１１に示された層状のキャビティを覆って堆積されたフォトレジストの層を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のカソード側の作製過程における、塗着されてパターン取りされ、図１２に示された層状のキャビティの表面を露出させている、ポリマー接着性シーリング材料の層を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、図１３に示された底部シリコン・ウエハに結合されたセンタピースを示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のカソード側の作製過程における、図１４に示されたキャビティ中の透明導電酸化物を覆って塗着された精密ステンシルを示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のカソード側の作製過程における、図１５に示された透明導電酸化物を覆って挿入されたカソード材料を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、ステンシル材料除去後の、マイクロ電池のカソード側を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、図１に示されたマイクロ電池の作製過程において、アノード側とカソード側とが一緒に結合される方向を示す概略的断面図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のアノード側およびカソード側上の電流コレクタが、マイクロ電池のインタロック構造体の外に延び出し、これによりマイクロ電池のパッキングからはみ出て(escaping)いる、マイクロ電池の構造を示す上からの図である。 本発明の或る実施形態による、マイクロ電池のアノード側およびカソード側のキャビティ中にエッチングされた小溝を示す概略的断面図である。本発明の或る実施形態による、絶縁センタピースは、アノード側およびカソード側のキャビティ上の溝と相補する形状の突出構造体を有する。 本発明の一実施形態による、ほぞ穴結合方式で結合された浅いアノードおよび深いカソード挿入体を含むマイクロ電池のインタロック構造体の概略的断面図である。 本発明の一実施形態による、ほぞ穴結合方式で結合された深いカソードおよび浅いアノード挿入体を含むマイクロ電池のインタロック構造体の概略的断面図である。

本発明の詳細な実施形態を添付の図面を参照しながら本明細書で開示する。当然のことながら、開示される実施形態は、本発明の可能な実施形態の単なる例示であって、様々な形態を取ることが可能である。加えて、様々な実施形態に関連して提示される諸例のそれぞれは、例示を意図したものであって限定を意図したものではない。さらに、これらの図面は、必ずしも一定の縮尺でなく、特定の部品の詳細を示すためにいくつかの特徴が誇張されていることがある。したがって、本明細書で開示する具体的な構造的および機能的詳細は、限定をするものではなく、本発明を様々に用いるべく当業者に教示するための単なる代表例として解釈すべきである。

本明細書中の「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「或る実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「或る例示の実施形態（ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」などへの言及は、説明された実施形態が、特定の特徴、構造、または特性を含み得ることを示すが、あらゆる実施形態が、必ずしもその特定の特徴、構造、または特性を含み得るわけではない。また、かかる語句は、必ずしも同じ実施形態を言及するものではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性が或る実施形態に関連して説明されている場合、明示で記載されているかどうかにかかわらず、かかる特徴、構造、または特性を他の実施形態に関連して適用することは当業者の常識内と考えられる。

以降の説明の目的の上で、用語「より上の（ｕｐｐｅｒ）」、「より下の（ｌｏｗｅｒ）」、「右の（ｒｉｇｈｔ）」、「左の（ｌｅｆｔ）」、「垂直の（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」、「水平の（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「最上部の（ｔｏｐ）」、「底部の（ｂｏｔｔｏｍ）」、およびこれらの派生語は、開示された本発明の作図面中の方向に関するものとする。用語「上に横たわる（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ）」、「下に横たわる（ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ）」、「の上に（ａｔｏｐ）」、「の最上部に（ｏｎ ｔｏｐ）」、「に位置する（ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ｏｎ）」、または「の上に位置する（ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ａｔｏｐ）」は、第一構造体などの第一要素が、第二構造体などの第二要素の上に存在し、インターフェース構造体などの介在要素が第一要素と第二要素との間に存在し得ることを意味する。用語「直接接触（ｄｉｒｅｃｔ ｃｏｎｔａｃｔ）」は、第一構造体などの第一要素と、第二構造体などの第二要素とが、これら２つの要素の界面に媒介する導電、絶縁、または半導体層を一切なくして連結されていることを意味する。用語「凸部（ｐｅｄｅｓｔａｌ）」は、エッチングによってシリコン基板上に生成された隆起した構造体を意味する。用語「ほぞ穴構造体（ｍｏｒｔｉｓｅ ａｎｄ ｔｅｎｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」は、第二要素すなわち第二シリコン基板上にエッチングされた凸部と連動する、第一要素すなわち第一シリコン基板上にエッチングされた凹部、を意味し、これらの寸法は相互に相補する。用語「アスペクト比（ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）」は、接着材料の厚さに対する幅の比率を意味する。

本発明の或る実施形態において、両方の側ともシリコンで作られたアノード側およびカソード側を含むマイクロ電池が提供される。或る実施形態では、本マイクロ電池は、周知の工程を用い、挿入側と底部側との両半分に作製され、その後、これら両半分が一緒に結合される。それぞれの側は別々に作製され、その後、挿入側が、底部側上に整列され重ね合わされ、強い力、すなわち、後記で定義されるような圧力で底部側に結合される。

以降に、本発明の実施形態によって、図面を参照しながら本発明を詳しく説明することとする。

図１は、カソード側１７０２がアノード側９０２に整列され重ね合わされ、強い力で結合されてインタロック構造体を形成しているマイクロ電池構造体１０１を示す。或る実施形態において、マイクロ電池のアノード側９０２およびカソード側１７０２は、並行して作製される。或る実施形態では、アノード側９０２は挿入体であり、カソード側１７０２は底部体である。

或る実施形態において、絶縁センタピース１４０１は、アノード側９０２がカソード側１７０２の上に整列され重ね合わされる前にカソード側に結合される。本発明の一実施形態において、シーリング材料１３０１および８０１が、カソード側１７０２およびアノード側９０２両方のそれぞれに塗着される。以下に、図１に示されたマイクロ電池構造体１０１の様々な他のコンポーネント（または要素）を、図２〜１７を参照しながらさらに詳しく説明することとする。

或る実施形態において、マイクロ電池の厚さは、約４００μｍ以下である。或る実施形態では、マイクロ電池のシール幅は１００μｍ以下である。

図２〜９は、本発明の或る実施形態による、作製工程の異なるステップにおける、図１のマイクロ電池構造体１０１のアノード側９０２を示す。とりわけ、図２は、挿入体シリコン基板２０１中にエッチングされたキャビティ（すなわち凹部）２０２、２０３および２０４を示す。或る実施形態において、挿入体シリコン基板２０１をエッチングするために、ディープ・シリコン反応性イオン・エッチングが用いられる。図２に示されるように、本発明のこのステップの過程で、挿入体シリコン基板２０１中に凸部が形成される。

図３は、次のステップを示し、このステップでは、接着金属層３０１およびシード金属３０２の層がキャビティ２０２、２０３、および２０４を覆って層として堆積され、挿入体シリコン基板２０１の表面上に層状のキャビティ３０３、３０４、および３０５が生成される。或る実施形態では、接着金属層３０１は、チタンタングステン（ＴｉＷ）であるが、但し、当業者には当然のことながら、ＴｉＷに代えて、チタン（Ｔｉ）もしくはタンタル（Ｔａ）または他の適した材料を使うことも可能である。或る実施形態において、接着金属層３０１は、マイクロ電池のアノードからの電解質の漏出を防止するための金属障壁として機能する。或る実施形態では、シード金属３０２は銅（Ｃｕ）であるが、但し、当業者には当然のことながら、シード金属３０２は、例えば金（Ａｕ）などの別の適切な材料であってもよい。シード金属３０２は、アノードの電流コレクタとして機能する。或る実施形態において、接着金属層３０１は、マイクロ電池への電気コンタクトとして機能する。或る実施形態では、接着金属層３０１は、接着金属層３０１に結合された機械的シールを、電池の電気回路から電気的に絶縁するための断絶性を有する。

図４は、アノードの作製におけるその次のステップを示し、このステップでは、フォトレジスト４０１の層がシード金属３０２を覆って堆積され、層状のキャビティ３０３、３０４、３０５をフォトレジスト材料で完全に満たしている。

図５は、アノードの作製におけるその次のステップを示し、このステップでは、フォトレジスト５０１は、アノードの電流コレクタであるシード金属３０２の表面を露出する形状にフォトパターン取りされる。

図６は、アノードの作製におけるその次のステップを示し、このステップでは、アノード材料６０１を形成するため、シード金属３０２の露出された表面が、インジウム、ビスマス、および亜鉛（Ｉｎ／Ｂｉ／Ｚｎ）から成る均質固体で電気メッキされる。或る実施形態において、アノード材料６０１は、１００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍのＢｉ、１００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍのＩｎ、そして残りがＺｎから成る均質な固体金属合金であるが、但し、当業者には当然のことながら、アノード材料６０１は、亜鉛金属など別の材料で構成することも可能である。或る実施形態では、アノード材料６０１は、１μｍ〜５０μｍの厚さであるが、但し、当業者には当然のことながら、アノード材料６０１は別の適切な厚さとしてもよい。アノード材料６０１がシード金属３０２の露出面に電気メッキされた後、フォトレジスト４０１の残り部分が除去される。この図面に示された実施形態では、アノード材料６０１は、挿入体シリコン基板２０１のシリコン凸部のペアによって区画された領域の中に形成される。

図７は、アノードの作製におけるその次のステップを示し、このステップでは、フォトレジスト７０１の層が、シード金属３０２およびアノード材料６０１を覆って堆積され、アノード材料６０１を保護する。フォトレジスト７０１のパターン取りは、シード金属３０２の配線トレースおよびパターンならびに接着金属層３０１を区画する。減法エッチング処理(subtractive etching)で、シード金属３０２および接着金属層３０１のマスクされていない領域が除去される。

図８は、アノードの作製におけるその次のステップを示し、このステップでは、フォトレジスト７０１は完全に剥離され、ポリマー接着性シーリング材料(polymer bondable sealant material)８０１がキャビティ３０３および３０５上に塗着されパターン取りされて、アノード材料６０１の表面が露出される。アノード材料６０１の表面が露出された後に残されポリマー接着性シーリング材料８０１は恒久的であり剥離されない。

電池における漏出の主要な理由の１つは、電池の長期的な使用に伴う電池内部への水素ガスの蓄積の結果として電池内部に形成される圧力によるものである。電池内部に形成された過剰な圧力は、電池の端部のシールを破裂させ、これによる電池物質の漏出を招く。本発明では、漏出を回避するために、１００μｍ以下の幅のシールを用いる。また、シールのアスペクト比は１０：１より大きく、したがって、湿気またはガスが外部からシールを通り抜けて進まねばならぬ距離は、それが通り抜けるべき経路（シーリング材料それ自体）の断面と比較した場合に大きい。本発明では、水素分子だけの通過が可能な、選択的浸透性を有する高分子シーリング材料が用いられる。

図９は、アノードの作製におけるその次のステップを示し、このステップでは、電解質注入セパレータ材料９０１が、アノード材料６０１の露出面上に堆積され、これにより、マイクロ電池のアノード側９０２が形成される。或る実施形態において、電解質注入セパレータ材料９０１を用意するのに使われる電解質は、塩化アンモニウム、ＫＯＨなどの水溶性塩の水溶液、塩化亜鉛、またはＺｎＯなどの添加物を有する酢酸亜鉛のうちの１つ以上である。或る実施形態では、電解質注入セパレータ材料９０１を用意するのに使われるセパレータ材料は、セルロース、セロファン、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）、ＰＶＡ／セルロースのブレンド、ポリエチレン（ＰＥ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリプロピレン（ＰＰ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、またはＰＥとＰＰとの混合物から成る、屈曲性多孔性材料、ゲル、厚さ１０μｍ〜１００μｍのシートうちの１つ以上を含む。或る実施形態では、電解質注入セパレータ材料９０１中に存在する電解質は、電解質材料を手作業で分注することによって堆積される。或る実施形態では、電解質注入セパレータ材料９０１中に存在する電解質は、インク・ジェット法を使って堆積される。本発明では、電解質注入セパレータ材料９０１のセパレータ材料は、アノード材料とカソード材料との間に配置される。

アノードの実施形態について説明してきたが（これらは例示を意図したもので限定ではない）、当業者は、前述の教示を踏まえて修改および変形を行うことが可能であることに留意する。したがって、当然のことながら、開示された特定の実施形態に変更を加えることが可能で、それらは、添付の特許請求の範囲に概述された本発明の範囲内である。

図１０〜１７は、本発明の或る実施形態による、作製工程の過程の異なるステップにおける、マイクロ電池構造体１０１のカソード側１７０２を示す。図１０は、最初のステップにおける、底部側シリコン基板１００１中にエッチングされたキャビティ１００２、１００３、１００４を示す。Ｄ−ＲＩＥを用い、キャビティ１００３上に任意の形状をパターン取りすることによって、キャビティ１００３にテクスチャが加えられる。加えられたテクスチャはカソード材料のため利用可能な面積を増加し、カソード材料を適正位置に保持する。

図１１は、次のステップを示し、このステップでは、接着金属層１１０１および適した電流コレクタ金属１１０２が、キャビティ１００２、１００３、１００４中に層として堆積されて層状のキャビティ１１０３、１１０４、１１０５が生成され、底部側シリコン基板(ウエハ基板)１００１の表面も覆って堆積される。或る実施形態では、接着金属層１１０１は、チタン（Ｔｉ）であるが、但し、当業者には当然のことながら、Ｔｉに代えて、チタンタングステン（ＴｉＷ）もしくはタンタル（Ｔａ）または他の適した材料を使うことも可能である。或る実施形態では、接着金属層１１０１は、電池のカソードからの電解質の漏出を防止する金属障壁として機能する。或る実施形態において、接着金属層１１０１は、電池への電気コンタクトとして機能する。或る実施形態では、接着金属層１１０１は、接着金属層１１０１に結合された機械的シールを、電池の電気回路から電気的に絶縁するための断絶性を有する。

或る実施形態において、カソード電流コレクタとして機能する、適した電流コレクタ金属１１０２は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）であるが、但し、当業者には当然のことながら、インジウム酸化亜鉛（ＩＺＯ：ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）、Ａｌドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ：Ａｌ−ｄｏｐｅｄ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）、またはＧａドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ：Ｇａ−ｄｏｐｅｄ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）など、他の透明導電性酸化物も使用可能である。或る実施形態では、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ、およびＧＺＯの組み合わせを電流コレクタ金属１１０２として使うことができる。或る実施形態では、電流コレクタ金属１１０２は、ニッケル（Ｎｉ）、およびカーボンコートＮｉで代替することが可能である。或る実施形態において、電流コレクタ金属１１０２は、２０ｎｍ〜２００μｍの間の厚さに薄くすることが可能で、これは機械的に屈曲性のある電池を提供し、カソード電流コレクタに対しより厚い層を必要とする材料よりも少ないスペースを費消する。

図１２は、カソードの作製におけるその次のステップを示し、このステップでは、フォトレジスト１２０１の層が、透明導電性酸化物１１０２を覆って堆積され、層状のキャビティ１１０３、１１０４、１１０５をフォトレジスト材料で満たす。フォトレジスト１２０１のパターン取りは、配線トレースを区画する。減法エッチング処理において、シード金属１１０２および接着金属層１１０１のマスクされていない領域が除去される。

図１３は、その次のステップを示し、このステップでは、シーリング材料１３０１が、層状のキャビティ１１０３、１１０４、および１１０５に塗着される。或る実施形態において、シーリング材料１３０１は、選択的浸透性を有する高分子シールである。或る実施形態では、シーリング材料１３０１は、水素分子だけがシールを通り抜ける通過を可能にする。

図１４は、シーリング材料１３０１に結合されたセンタピース１４０１を示す。或る実施形態において、センタピース１４０１は、例えば、ＰＥＣＶＤ酸化物または窒化物などの絶縁体材料、または絶縁体でコートされたシリコンで作製される。或る実施形態では、センタピース１４０１の幅は５０μｍより小さく、センタピース１４０１の長さは１５０μｍより小さい。

図１５は、カソードの作製におけるその次のステップを示し、このステップでは、精密ステンシル(precision stencil)１５０１が、層状のキャビティ１１０３、１１０４、および１１０５、ならびにセンタピース１４０１上に塗着される。精密ステンシル１５０１は、カソードペーストが、フィールド域またはシーリングリングを汚染するのを防止するため生成される。或る実施形態では、精密ステンシル１５０１はシリコンである。

図１６は、マイクロ電池のカソード側１７０２の作製における一ステップを示し、このステップでは、カソード材料１６０１がキャビティ１１０４中に挿入される。示されたこの実施形態において、カソード材料１６０１は、底部側シリコン基板１００１中に形成されたシリコン凸部のペアの間に位置する区域の中に形成される。或る実施形態において、カソード材料１６０１は二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）であるが、但し、当業者には当然のことながら他の適切な材料も使用可能である。カソード材料１６０１には、水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）または、バインダ有りもしくは無しのＭｎＯ_２の混合体を電気メッキすることができる。透明導電性酸化物１１０２は薄いので、透明導電性酸化物１１０２によってより小さいスペースが費消され、カソード材料１６０１のためにより多くのスペースが残され、カソード電流コレクタにより厚い材料を用いている同じサイズのマイクロ電池に比べて、より多くのエネルギを包含する電池の構築を可能にする。或る実施形態では、カソード材料１６０１は、電流コレクタである透明導電性酸化物１１０２に直接接触している。

図１７は、作製工程の次のステップを示し、このステップでは、精密ステンシル１５０１は洗い流され、マイクロ電池のカソード側１７０２が形成される。

カソードの実施形態について説明してきたが（これらは例示を意図したもので限定ではない）、当業者は、前述の教示を踏まえて修改および変形を行うことが可能であることに留意する。したがって、当然のことながら、開示された特定の実施形態に変更を加えることが可能で、それらは、添付の特許請求の範囲に概述された本発明の範囲内である。

図１８は、図１に示されたマイクロ電池構造体を形成するため、アノード側９０２とカソード側１７０２とが一緒に結合される方向を示す。とりわけ、前述の第二シリコン基板を前述の第一シリコン基板上に、ほぞ穴結合方式で整列させ重ね合わせることによってインタロック構造体が形成される。次いで、高い圧力を使ってこれら２つの基板のシーリングが達成される。この「高い圧力」とは、それぞれの側のシール域の１００ｍｍ^２台に対し、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲で加えられる圧力を意味する。

図１９は、本発明の或る実施形態による、アノード側９０２およびカソード側１７０２上の電流コレクタ１９０２、１９０３が、マイクロ電池インタロック構造体の外に延び出し、これによりマイクロ電池のパッキングからはみ出ている、マイクロ電池を示す。

図２０は、カソード側３７０２上のキャビティが、それらそれぞれの中にエッチングされた溝２００５、２００６、および２００９、２０１０含む、マイクロ電池構造体を示す。或る実施形態では、アノード側２９０２上のキャビティは、それらそれぞれの中にエッチングされた、溝２００７、２００８、および２０１１、２０１２含む。或る実施形態において、絶縁センタピース３４０１は、形状が溝２００５、２００６、および２００７、２００８と相補する突出構造体３４０２、３４０３を含み、これにより、アノード側２９０２およびカソード側３７０２に結合されたときインタロック構造体が形成される。或る実施形態では、絶縁センタピース３４０１は、形状が溝２００９、２０１０、および２０１１、２０１２と相補する突出構造体３４０２、３４０３を含み、これにより、アノード側２９０２およびカソード側３７０２に結合されたときインタロック構造体が形成される。

或る実施形態において、溝２００５、２００６、２００７、２００８、２００９、２０１０、２０１１、および２０１２は、Ｄ−ＲＩＥを使ってエッチングされる。或る実施形態では、溝２００５、２００６、２００７、２００８、２００９、２０１０、２０１１、および２０１２は、任意の所望の形状にエッチングされる。或る実施形態では、突出構造体３４０２および３４０３は、溝２００５、２００６、２００７、２００８、２００９、２０１０、２０１１、および２０１２と相補する形状を有する。

図２１は、インタロック構造体を形成するため、浅いアノード２１０１が、ほぞ穴結合方式で深いカソード２１０５に結合されたマイクロ電池構造体を示す。或る実施形態において、アノード側２１０１は、接着層２１０２および電流コレクタ２１０３と、加えて、アノード材料２１０４、シーリング材料２１１０および電解質注入セパレータ材料２１０９とを含む。或る実施形態では、カソード側２１０５は、接着層２１０６、電流コレクタ２１０７、およびカソード材料２１０８を含む。

図２２は、浅いアノード２２０２が、深いカソード２２０１上に整列され重ね合わされ、ほぞ穴結合方式で一緒に結合され、インタロック構造体を形成しているマイクロ電池構造体を示す。或る実施形態において、アノード側２２０２は、接着層２２０３、電流コレクタ２２０４、アノード材料２２０５、電解質セパレータ２２０６、およびシーリング材料２２０７を含む。シーリング材料をアノード側に塗着するのが高度に有利である。或る実施形態では、カソード側２２０１は、接着層２２０８、電流コレクタ２２０９、およびカソード材料２２１０を含む。電流コレクタ２２０９および２２０４は、電池の短絡を回避するために、断絶的に保たれる。

本発明を、その様々な実施形態に関連させて具体的に提示し説明してきたが、当業者には当然のことながら、本発明の範囲を逸脱することなく、形態および細部における前述のまたは他の変更を加えることが可能である。したがって、本開示は、記述され例示された通りの形態および詳細内容に限定されるものでなく、添付の特許請求の範囲に含まれるよう意図されている。

Claims (11)

1. ハーメチックにシールされたマイクロ電池を形成するためのマイクロ電池構造体であって、
   カソード材料を収容する領域を区画する少なくとも1つの凸部、および第一シーリング材料を収容する領域を区画する少なくとも１つの凹部を包含する第一シリコン基板と、
   アノード材料 を収容する領域を区画する少なくとも1つの凸部、および第二シーリング材料を収容する領域を区画する少なくとも１つの凹部を包含する第二シリコン基板と、
   前記第一シリコン基板上の少なくとも１つの凹部中に存在する前記第一シーリング材料に結合された絶縁センタピースであって、前記第一シリコン基板上に前記第二シリコン基板を、ほぞ穴結合方式で整列させ重ね合わせることによって前記絶縁センタピースの位置にインタロック構造が形成される、前記絶縁センタピースと、
   を含む、マイクロ電池構造体。
2. 前記第一シリコン基板上にさらにカソード電流コレクタを、前記第二シリコン基板上にさらにアノード電流コレクタを、それぞれ含み、
   前記アノードおよびカソード電流コレクタは、前記第一シリコン基板と「前記第二シリコン基板との間に前記絶縁センタピースを介在させて存在し、
   前記２つの電流コレクタの少なくとも１つは、前記絶縁センタピースの外側端部から延び出すはみ出た部分を具備するように配設される、請求項１に記載のマイクロ電池構造体。
3. 前記第一および前記第二シーリング材料は１００μｍ以下のシールの幅を有し、前記第一および前記第二シリコン基板の凹部において前記絶縁センタピース結合されるように設けられる、請求項１または２に記載のマイクロ電池構造体。
4. 前記シールが１０：１より大きいアスペクト比を有する、請求項３に記載のマイクロ電池構造体。
5. 前記第一および第二シーリング材料が、水素分子だけの通過を可能にする、ガス状物質に対する選択的浸透性を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロ電池構造体。
6. 前記マイクロ電池が４００μｍ以下の厚さを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ電池構造体。
7. 前記第一シリコン基板上の前記凸部によって区画されたカソード材料を収容する領域の表面が、前記領域に収納されるカソード材料と前記表面との接触面積が増加するように、テクスチャ付けされる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のマイクロ電池構造体。
8. 前記絶縁センタピースの表面上に溝が存在し、前記溝は、前記第一および第二シリコン基板の前記凹部上に存在する突出構造体中に配置される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のマイクロ電池構造体。
9. 前記絶縁センタピースが、第一および第二シリコン基板の凹部上の突出構造体とほぞ穴結合方式でインタロックする溝を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のマイクロ電池構造体。
10. ハーメチックにシールされたマイクロ電池を形成するためのマイクロ電池構造体であって、
    カソード材料をその内部に完全に収容する領域を区画する少なくとも1つの凸部を包含する第一シリコン基板と、
    アノード材料を収容する領域を区画する少なくとも1つの凸部、およびシーリング材料を収納する領域を区画する少なくとも１つの凹部を包含する第二シリコン基板であって、前記第一シリコン基板の凸部は前記シーリング材料に結合され、前記第一シリコン基板上に前記第二シリコン基板を、ほぞ穴結合方式で前記第二シリコン基板の凸部を前記完全に収容された領域（凹部）のカソード材料上の端部に位置付け、整列させ重ね合わせることによって前記第一シリコンの凸部と前記第二シリコン基板の凹部との位置にインタロック構造が形成される、前記第二シリコン基板と、
    を含む、マイクロ電池構造体。
11. ハーメチックにシールされたマイクロ電池を形成するためのマイクロ電池構造体であって、
    シーリング材料およびアノード材料を収容する少なくとも１つの凹部を包含する第一シリコン基板であって、シーリング材料が前記アノード材料の側壁を横方向に囲み、かつ、前記シーリング材料がアノード材料に直接に接触する前記第一シリコン基板と、
    カソード材料を収容する少なくとも1つの凸部、および少なくとも１つの凹部を包含する第二シリコン基板であって、前記第二シリコン基板の凸部は前記シーリング材料に結合され、前記第一シリコン基板上に前記第二シリコン基板を、ほぞ穴結合方式で整列させ重ね合わせることによって前記第ニシリコン基板の凸部と前記第一シリコン基板の凹部との位置にインタロック構造が形成される、前記第二シリコン基板と、
    を含む、マイクロ電池構造体。

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