JP7843540B2 - センサが取り付けられたセル及びリチウム電池 - Google Patents

センサが取り付けられたセル及びリチウム電池

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Description

（相互参照）
本願は、２０２３年０４月１３日に中国特許局に提出され、出願番号が２０２３１０３９２９１７．Ｘであり、発明名称が「センサが取り付けられたセル及びリチウム電池」の中国特許出願の優先権を主張し、その全ての内容は、引用により本願に組み込まれる。
（技術分野）
本願は、リチウム電池技術の分野に関し、特にセンサが取り付けられたセル及びリチウム電池に関する。
グローバルなエネルギーの収集方法の多様化に伴い、世界各国は、いずれも電気エネルギーの収集及び貯蔵などの面でより多くの方法を探索する。例えば従来の交通機関では、電気エネルギーによる駆動からリチウム電気による駆動方式への変換が徐々に採用されており、電子業界製品のエネルギー貯蔵及び駆動方式は、幾何学的に増加して自動車及びエネルギー貯蔵発電所の市場に迅速に浸透する。発明者らは、業界の急速な発展に伴い、リチウム電気製品の安全性に対する要求も徐々に高くなることを認識した。したがって、リチウム電気製品の安全性をどのように保障するかは、当業者が解決すべき問題である。
本願の実施形態は、センサが取り付けられたセルを提供し、リチウム電池内部の圧力と温度データを収集することによりリチウム電池の安全状態を判断し、リチウム電池の安全性を保障する効果を達成することを目的とする。
本願の実施形態は、電解液を含む、センサが取り付けられたセルであって、
シリコン基板と、
前記シリコン基板に設置され、前記シリコン基板に電気的に接続される微小電気機械センサと、
前記シリコン基板に設置され且つ前記微小電気機械センサ側に位置し、前記シリコン基板と微小電気機械センサにそれぞれ電気的に接続される信号処理チップと、
前記微小電気機械センサの上方に設置され、且つその一側が前記微小電気機械センサに接触し、他側が前記セル内の電解液に接触し、前記セル内部の温度及び／又は圧力データを検出するための応力ダイアフラムと、を含む、センサが取り付けられたセルを提供する。
さらに、前記シリコン基板にホイートストンブリッジが取り付けられ、前記信号処理チップは、前記ホイートストンブリッジの出力端に接続される。
さらに、前記ホイートストンブリッジの対称抵抗値は、１００Ω～１０００Ωである。
さらに、前記信号処理チップは、アナログデジタル変換器である。
さらに、前記アナログデジタル変換器の変換範囲は、１０ｂｉｔ～３２ｂｉｔである。
さらに、前記信号処理チップは、１種又は複数種の標準通信プロトコルを備え、前記標準通信プロトコルは、ＩＩＣプロトコル、ＳＰＩプロトコル又はＴＴＬプロトコルである。
さらに、前記微小電気機械センサ及び／又は信号処理チップは、自動的レーザ溶接方式又はピエゾ抵抗式埋め込み溶接方式を採用して前記シリコン基板に埋め込み設置される。
さらに、前記微小電気機械センサの材質は、単結晶シリコンである。
さらに、前記応力ダイアフラムの材質は、アルミニウム材である。
本願の実施形態は、上記いずれかに記載のセンサが取り付けられたセルを含むリチウム電池をさらに提供する。
本願の実施形態は、センサが取り付けられたセル及びリチウム電池を提供し、当該セルは、電解液を含み、シリコン基板と、前記シリコン基板に設置され、前記シリコン基板に電気的に接続される微小電気機械センサと、前記シリコン基板に設置され且つ前記微小電気機械センサ側に位置し、前記シリコン基板と微小電気機械センサにそれぞれ電気的に接続される信号処理チップと、前記微小電気機械センサの上方に設置され、且つその一側が前記微小電気機械センサに接触し、他側が前記セル内の電解液に接触し、前記セル内部の温度及び／又は圧力データを検出するための応力ダイアフラムと、を含む。本願の実施形態は、微小電気機械センサに応力ダイアフラムを設置することにより、セルの圧力データを感知して取得し、しかも応力ダイアフラムによりセル内の温度データを取得し、続いて信号処理チップを利用して圧力データと温度データに対して分析出力を行い、それによりリチウム電池の現在の安全指標を得、さらに当該安全指標に基づいてリチウム電池に対して関連する安全措置を取るか否かを確認し、リチウム電池の安全性を保障する。
以下、本願の実施形態の技術的解決手段をより明確に説明するために、実施形態の説明に使用する必要がある図面を簡単に紹介し、明らかに、以下の説明における図面は、本願のいくつかの実施形態であり、当業者であれば、創造的な労力をせず、これらの図面に基づいて他の図面を得ることができる。
本願の実施形態にて提供されるセンサが取り付けられたセルの構造概略図である。 本願の実施形態にて提供されるセンサが取り付けられたセルの分解概略図である。
以下、本願の実施形態における図面を参照して、本願の実施形態における技術的解決手段を明瞭、完全に説明し、明らかに、説明された実施形態は、本願の一部の実施形態であり、全ての実施形態ではない。本願の実施形態に基づき、当業者が創造的な労力を行わない前提で得た全ての他の実施形態は、いずれも本願の保護範囲に属する。
理解すべきものとして、本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用する場合、用語の「含む」及び「包含」は、説明された特徴、全体、ステップ、操作、要素及び／又は構成部材の存在を示すが、１つ又は複数の他の特徴、全体、ステップ、操作、要素、構成部材及び／又はその集合の存在又は追加を排除するものではない。
また理解すべきものとして、ここで、本願の明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本願を限定するものではない。本願の明細書及び特許請求の範囲において使用されるように、単数形の「一」、「１つ」及び「当該」は、文脈において明らかにほかの場合を示さない限り、複数形を含むものを意図している。
さらに理解すべきものとして、本願の明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される用語の「及び／又は」は、関連して列挙された項目のうち１つ又は複数の任意の組み合わせ及び全ての可能な組み合わせを意味し、これらの組み合わせを含む。
以下、図１及び図２を参照し、本願の実施形態は、電解液を含む、センサが取り付けられたセルであって、
シリコン基板１と、
前記シリコン基板１に設置され、前記シリコン基板１に電気的に接続される微小電気機械センサ２と、
前記シリコン基板１に設置され且つ前記微小電気機械センサ２側に位置し、前記シリコン基板１と微小電気機械センサ２にそれぞれ電気的に接続される信号処理チップ３と、
前記微小電気機械センサ２の上方に設置され、且つその一側が前記微小電気機械センサ２に接触し、他側が前記セル内の電解液に接触し、前記セル内部の温度及び／又は圧力データを検出するための応力ダイアフラム４と、を含む、センサが取り付けられたセルを提供する。
本実施形態において、前記セルは、通常の構造、例えば電解液、正負極などを含む以外、前記シリコン基板１がさらに設置され、当該シリコン基板１に微小電気機械センサ２と信号処理チップ３が設置されるとともに、さらに微小電気機械センサ２に応力ダイアフラム４が設置され、応力ダイアフラム４の両側をそれぞれ微小電気機械センサ２とセル内の電解液に接触させる。このように、微小電気機械センサ２に応力ダイアフラム４を設置することにより、セルの圧力データを感知して取得し、しかも応力ダイアフラム４によりセル内の温度データを取得し、続いて信号処理チップ３を利用して圧力データと温度データに対して分析出力を行い、それによりリチウム電池の現在の安全指標を得、さらに当該安全指標に基づいてリチウム電池に対して関連する安全措置を取るか否かを確認し、リチウム電池の安全性を保障する。
本実施形態は、スマートセンサの方式に基づき、スマートな採集及び測定方法をリチウム電池セル及びエネルギー貯蔵電池セルなどを含むがそれらに限定されない分野に拡張適用し、適用した様々なデータ収集及び安全に対して動的な監視実現手段を科学的に形成する。なお、本実施形態にて提供されるセルにおける検出方法（すなわち圧力と温度データを取得して検出する）は、さらに異なる化学反応における電気エネルギーの利用過程に適用することができ、しかもセルにおける信号処理チップ３の出力は、内部電解液の実際の温度に対応する温度データであってもよく、単独で圧力をリアルタイムに測定することに対応する圧力データであってもよく、さらに温度と圧力を同時にリアルタイムに出力する総合測定、すなわち温度データと圧力データであってもよい。本実施形態にて提供されるセルは、市場におけるペインポイントを極めて柔軟に解決し、ユーザの自動車運転、エネルギー貯蔵による電力利用及びその他の電気エネルギーの充電、放電、停電などの様々な環境でのデータ収集を効果的に助けることができる。当然のことながら、具体的な利用過程において、前記微小電気機械センサ２は、１つであってもよく、複数であってもよく、例えば数個乃至数百個の微小電気機械センサ２で１つのニューラルネットワークを構成する。また、本実施形態のセルは、リアルタイムに収集して検出する効果を達成することができ、すなわち収集されたデータ同士は、唯一性、リアルタイム動的、単独可能性、総合可能性などの特徴を有する。さらに、温度データ及び圧力データの出力形式は、能動的連続出力、単独の受動的出力及び高精度モードの出力であってもよく、つまり、本実施形態にて提供されるセル及びリチウム電池などは、量産可能性及び非常に広い商業的実用価値を有する。また、本実施形態にて提供されるセルは、チップのレイアウト、実装、媒体、ダイアフラム形状、基板材質などに対して強く制限的な画定を行う必要がない。
具体的な実施形態において、前記シリコン基板１にホイートストンブリッジ５が取り付けられ、前記信号処理チップ３は、前記ホイートストンブリッジ５の出力端に接続される。前記ホイートストンブリッジ５の対称抵抗値は、１００Ω～１０００Ωである。さらに、前記微小電気機械センサ２の材質は、単結晶シリコンである。前記応力ダイアフラム４の材質は、アルミニウム材である。
本実施形態に記載のセルは、１つのホイートストンブリッジ５のシリコン基板１と高純度単結晶シリコンとの結合プロセスにより完成することができ、ホイートストンブリッジ５の対称抵抗値は、１００オーム～１００００オームのイオン注入の方式により実現することができ、ホイートストンブリッジ５の出力の両端は、温度補償などの方式により、温度変化によって出力したホイートストン内部抵抗の変化を引き起こす温度ドリフトを補償することができる。当然のことながら、他の実施形態において、前記セルは、１つのシリコン材にコンデンサを作製するポールピースで実現されてもよく、それは温度による圧力出力の線形性への影響のためノイズがより高い。さらに、本実施形態における微小電気機械センサ２の材質は、単結晶シリコンであり、作製された回路は、ホイートストンブリッジ５の温度ドリフト無しの抵抗を例としてプロトタイプのサンプルを設計して作製し、温度及び圧力の測定を評価して、本実施形態の実現可能性及び作製可能性を確保する。
具体的な実施形態において、前記信号処理チップ３は、アナログデジタル変換器である。さらに、前記アナログデジタル変換器の変換範囲は、１０ｂｉｔ～３２ｂｉｔである。さらに、前記信号処理チップ３は、１種又は複数種の標準通信プロトコルを備え、前記標準通信プロトコルは、ＩＩＣプロトコル、ＳＰＩプロトコル又はＴＴＬプロトコルである。
本実施形態は、ホイートストンブリッジ５の出力端に２４ビットのアナログデジタル変換器を追加し、科学技術から、当該変換器は、原則として１０ｂｉｔから３２ｂｉｔまでいずれも適用することができ、当該変換器は、１回で書き込んでもよく、有限回で書き込んでもよく、又は無限回（理論値であり、すなわち複数回の書き込み方式である）書き込んでもよく、且つ当該変換器は、１種又は複数種の標準通信プロトコルを備え、例えば２線式ＩＩＣプロトコル、３線式ＳＰＩプロトコル、又は単線式ＴＴＬプロトコルなどであってもよい。具体的な利用シーンにおいて、本実施形態は、２線式ＩＩＣプロトコル及び３線式ＳＰＩプロトコルの単独出力方式を用いてサンプル作製を行い、当然のことながら、これは他のデータ伝送方式が本実施形態の適用範囲にないことを代表しない。
また、前記微小電気機械センサ２と信号処理チップ３との接続方式は、純金、合金、若しくは銅線、アルミニウム線、銀線などの方式であってもよく、又はチップにボールを搭載して新規なフリップチップ技術で電気的接続方式を実現する。本実施形態は、セル内部の圧力と温度測定方法及び実現可能なロジックを提供し、それは材料、信号の収集、オペアンプ、ノイズ処理、温度除去、線形補償、化学反応の適合性、パッケージ方式などの多面で革新的な点を有することにより、コストが低く、精度が高く、応答が速く、材料適合性及びユーザの構造に応じて対応する２次パッケージを行うことができるなどの利点を有する。
さらに、前記微小電気機械センサ２及び／又は信号処理チップ３は、自動的レーザ溶接方式又はピエゾ抵抗式埋め込み溶接方式を採用して前記シリコン基板１に埋め込み設置される。
従来の測定方式は、物理的な安全空気逃し及び外貼り式隔離式温度測定であり、それは標準的な取り付け条件を備えず、且つ外部配線方式が複雑であり、信号反応が遅く、周辺デジタル処理が面倒であるなど多くの欠点を有する。本実施形態は、自動的レーザ溶接方式又はピエゾ抵抗式埋め込み溶接により高強度の内部埋め込み式の量産化を行うことができ、それは高信頼性、デジタルリアルタイム性、コスト抑制、化学適合性など一連の利点を有する。さらに説明すると、本実施形態の化学適合性は、電解液の充電、放電過程における化学反応を出発点として考慮し、リチウムイオンの電気化学過程において、発生するガスと高温に伴う熱放出が必然的であり、しかも電気化学時に電解液自体が高強度腐食の特徴を有し、本実施形態は、グローバル汎用型のセルアルミニウムを圧力媒介とし、硬質媒体の接触可能性により、セル内部のガスと液体が混合した圧力を誤りなくデジタル化して高精度に出力し、それによりデータ検出精度を向上させ、リチウム電池の安全保障程度を向上させる。
本願の実施形態は、上記いずれかに記載のセンサが取り付けられたセルを含むリチウム電池をさらに提供する。
明細書における各実施形態は、漸進の方式を採用して説明し、各実施形態は、いずれも他の実施形態との相違点を主に説明し、各実施形態の間の同じ又は類似の部分は、互いに参照すればよい。実施形態に開示されたシステムについて、それは、実施形態に開示された方法に対応するため、説明が簡単であり、関連するものは、方法の一部の説明を参照すればよい。なお、当業者であれば、本願の原理から逸脱することなく、本願に対していくつかの改良及び修飾を行うことができ、これらの改良及び修飾も本願の特許請求の範囲の保護範囲内に含まれる。
なお、本明細書において、第１及び第２などのような関係用語は、１つのエンティティ又は操作を他のエンティティ又は操作と区別するためだけに用いられ、これらのエンティティ又は操作の間に任意のこのような実際の関係又は順序が存在することを要求又は示唆するものではない。また、用語の「含む」、「包含」又はその任意の他の変形は、非排他的な包含を含むことを意図し、それにより一連の要素を含む過程、方法、物品又は機器は、それらの要素を含むだけでなく、また明確に列挙されない他の要素を含み、又はこのような過程、方法、物品又は機器に固有の要素を含む。より多くの制限がない状況で、文の「１つの…を含む」により限定される要素は、前記要素を含む過程、方法、物品又は機器にさらに他の同じ要素が存在することを排除するものではない。
（付記）
（付記１）
電解液を含む、センサが取り付けられたセルであって、
シリコン基板と、
前記シリコン基板に設置され、前記シリコン基板に電気的に接続される微小電気機械センサと、
前記シリコン基板に設置され且つ前記微小電気機械センサ側に位置し、前記シリコン基板と微小電気機械センサにそれぞれ電気的に接続される信号処理チップであって、前記シリコン基板にホイートストンブリッジが取り付けられ、前記信号処理チップは前記ホイートストンブリッジの出力端に接続される信号処理チップと、
前記微小電気機械センサの上方に設置され、且つその一側が前記微小電気機械センサに接触し、他側が前記セル内の電解液に接触し、前記セル内部の温度及び／又は圧力データを検出するための応力ダイアフラムであって、前記応力ダイアフラムの材質は、アルミニウム材である応力ダイアフラムと、を含み、
前記微小電気機械センサ及び／又は信号処理チップは、自動的レーザ溶接方式又はピエゾ抵抗式埋め込み溶接方式を採用して前記シリコン基板に埋め込み設置される、
センサが取り付けられたセル。
（付記２）
前記ホイートストンブリッジの対称抵抗値は、１００Ω～１０００Ωである、
付記１に記載のセンサが取り付けられたセル。
（付記３）
前記信号処理チップは、アナログデジタル変換器である、
付記１に記載のセンサが取り付けられたセル。
（付記４）
前記アナログデジタル変換器の変換範囲は、１０ｂｉｔ～３２ｂｉｔである、
付記３に記載のセンサが取り付けられたセル。
（付記５）
前記信号処理チップは、１種又は複数種の標準通信プロトコルを備え、前記標準通信プロトコルは、ＩＩＣプロトコル、ＳＰＩプロトコル又はＴＴＬプロトコルである、
付記１に記載のセンサが取り付けられたセル。
（付記６）
前記微小電気機械センサの材質は、単結晶シリコンである、
付記１に記載のセンサが取り付けられたセル。
（付記７）
シリコン基板と、
前記シリコン基板に設置され、前記シリコン基板に電気的に接続される微小電気機械センサと、
前記シリコン基板に設置され且つ前記微小電気機械センサ側に位置し、前記シリコン基板と微小電気機械センサにそれぞれ電気的に接続される信号処理チップであって、前記シリコン基板にホイートストンブリッジが取り付けられ、前記信号処理チップは前記ホイートストンブリッジの出力端に接続される信号処理チップと、
前記微小電気機械センサの上方に設置され、且つその一側が前記微小電気機械センサに接触し、他側が前記セル内の電解液に接触し、前記セル内部の温度及び／又は圧力データを検出するための応力ダイアフラムであって、前記応力ダイアフラムの材質は、アルミニウム材である応力ダイアフラムと、を含み、
前記微小電気機械センサ及び／又は信号処理チップは、自動的レーザ溶接方式又はピエゾ抵抗式埋め込み溶接方式を採用して前記シリコン基板に埋め込み設置される、
リチウム電池。
（付記８）
前記ホイートストンブリッジの対称抵抗値は、１００Ω～１０００Ωである、
付記７に記載のリチウム電池。
（付記９）
前記信号処理チップは、アナログデジタル変換器である、
付記７に記載のリチウム電池。
（付記１０）
前記アナログデジタル変換器の変換範囲は、１０ｂｉｔ～３２ｂｉｔである、
付記９に記載のリチウム電池。
（付記１１）
前記信号処理チップは、１種又は複数種の標準通信プロトコルを備え、前記標準通信プロトコルは、ＩＩＣプロトコル、ＳＰＩプロトコル又はＴＴＬプロトコルである、
付記７に記載のリチウム電池。
（付記１２）
前記微小電気機械センサの材質は、単結晶シリコンである、
付記７に記載のリチウム電池。

Claims (12)

  1. 電解液を含む、センサが取り付けられたセルであって、
    シリコン基板と、
    前記シリコン基板に設置され、フリップチップ技術により前記シリコン基板に電気的に接続される微小電気機械センサと、
    前記シリコン基板に設置され且つ前記微小電気機械センサ側に位置し、前記フリップチップ技術により前記シリコン基板と微小電気機械センサにそれぞれ電気的に接続される信号処理チップであって、前記シリコン基板にホイートストンブリッジが取り付けられ、前記信号処理チップは前記フリップチップ技術により前記ホイートストンブリッジの出力端に接続される信号処理チップと、
    前記微小電気機械センサの上方に設置され、且つその一側が前記微小電気機械センサに接触し、他側が前記セル内の電解液に接触し、前記セル内部の温度及び／又は圧力データを検出するための応力ダイアフラムであって、前記応力ダイアフラムの材質は、アルミニウム材である応力ダイアフラムと、を含み、
    前記微小電気機械センサ及び／又は信号処理チップは、自動的レーザ溶接方式又はピエゾ抵抗式埋め込み溶接方式を採用して前記シリコン基板に埋め込み設置される、
    センサが取り付けられたセル。
  2. 前記ホイートストンブリッジの対称抵抗値は、１００Ω～１０００Ωである、
    請求項１に記載のセンサが取り付けられたセル。
  3. 前記信号処理チップは、アナログデジタル変換器である、
    請求項１に記載のセンサが取り付けられたセル。
  4. 前記アナログデジタル変換器の変換範囲は、１０ｂｉｔ～３２ｂｉｔである、
    請求項３に記載のセンサが取り付けられたセル。
  5. 前記信号処理チップは、１種又は複数種の標準通信プロトコルを備え、前記標準通信プロトコルは、ＩＩＣプロトコル、ＳＰＩプロトコル又はＴＴＬプロトコルである、
    請求項１に記載のセンサが取り付けられたセル。
  6. 前記微小電気機械センサの材質は、単結晶シリコンである、
    請求項１に記載のセンサが取り付けられたセル。
  7. シリコン基板と、
    前記シリコン基板に設置され、フリップチップ技術により前記シリコン基板に電気的に接続される微小電気機械センサと、
    前記シリコン基板に設置され且つ前記微小電気機械センサ側に位置し、前記フリップチップ技術により前記シリコン基板と微小電気機械センサにそれぞれ電気的に接続される信号処理チップであって、前記シリコン基板にホイートストンブリッジが取り付けられ、前記信号処理チップは前記フリップチップ技術により前記ホイートストンブリッジの出力端に接続される信号処理チップと、
    前記微小電気機械センサの上方に設置され、且つその一側が前記微小電気機械センサに接触し、他側がセル内の電解液に接触し、前記セル内部の温度及び／又は圧力データを検出するための応力ダイアフラムであって、前記応力ダイアフラムの材質は、アルミニウム材である応力ダイアフラムと、を含み、
    前記微小電気機械センサ及び／又は信号処理チップは、自動的レーザ溶接方式又はピエゾ抵抗式埋め込み溶接方式を採用して前記シリコン基板に埋め込み設置される、
    リチウム電池。
  8. 前記ホイートストンブリッジの対称抵抗値は、１００Ω～１０００Ωである、
    請求項７に記載のリチウム電池。
  9. 前記信号処理チップは、アナログデジタル変換器である、
    請求項７に記載のリチウム電池。
  10. 前記アナログデジタル変換器の変換範囲は、１０ｂｉｔ～３２ｂｉｔである、
    請求項９に記載のリチウム電池。
  11. 前記信号処理チップは、１種又は複数種の標準通信プロトコルを備え、前記標準通信プロトコルは、ＩＩＣプロトコル、ＳＰＩプロトコル又はＴＴＬプロトコルである、
    請求項７に記載のリチウム電池。
  12. 前記微小電気機械センサの材質は、単結晶シリコンである、
    請求項７に記載のリチウム電池。
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