專利名稱：多源能源采集與儲存集成系統的制作方法
技術領域：
本 實用新型涉及能量采集和存儲技術領域，尤其涉及一種多源能源采集與儲存集成系統。
背景技術：
最近集成電路技術的進步發展了超低功耗應用的芯片，它用電量低，可以通過采集周圍環境中能量源的供電方式，形成自供電電子系統。例如，在無線聯網中的自有源傳感器系統中，包括微控制器、傳感器輸入的模擬/數字(A / D)轉換器和無線射頻收發器的功能，它可以結合光伏能量收集裝置供電與充電電化學存儲設備(充電電池)。對于本實用新型所涉及的光電能量采集器、振動能量采集器、射頻充電器和固體電池，雖然分別已經有相關的報道，但是，將多種能源轉換器與存儲器集成為一個器件是一項全新的技術，實現這一技術方案需要解決一系列新的問題，如選擇物理性能優良價格合理的材料以保證器件良好的能源轉換及存儲性能；采取有效的隔離屏蔽設計以防止集成器件之間可能產生的相互干擾。無線傳感器件根據不同應用設計的需要，對電源有不同的要求。有些傳感器器件需要一種可以自行充電的電源來延長器件的使用壽命，降低維護成本。這時太陽能光伏電池是理想的選擇，因為太陽能電池結構相對較為簡單，性能比較穩定，而且所需的光能很容易獲得。光電能量采集器基于太陽能電池的工作原理，由光子激發電子空穴對，半導體PN結的內建電場將電子與空穴分離到相反的PN結兩端產生電勢。太陽能電池的有效率受很多因素影響，例如半導體材料本身的光吸收系數，少子壽命，器件的結構設計，抗反射層的特性等。相對其它能源，光伏技術采集技術較成熟，其能量采集率相對高，太陽能源存在范圍最廣，綠色清潔，作為能量采集技術目前頗受青睞。微太陽能電池技術作為較成熟的技術已經有公司進行開發，其中包括美國Clare Corporation ;IXYS Corp ;和以色列Sol Chip等公司，他們利用半導體材料的微加工技術，可以將光敏物質做得很薄，電池體積可以做得很小，能夠滿足無線傳感器件的需要。但是，現有的微光伏采集產品尚未與能量存儲器集成，使用時需要外加能量存儲器，增加了系統的體積和成本。現有的光伏采集產品的成本也偏聞。振動發電的原理是利用壓電材料的壓電效應，電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象而產生正負相反的電荷。振動轉化為電能的表述如下P AV/ω，其中P :能量，A:加速因子，m:質量，ω :振動頻率，產生的能量與質量和振動頻率有直接關系。射頻發電和充電最近受到許多關注，但是其能量采集率低，可用能量源很局限，能量源須非常接近其能量采集器。這些特性限制了射頻發電的應用。目前射頻技術用于能量傳遞，有很好的應用前景，如電動汽車的充電，無線傳感網的節點充電。射頻能量采集器或充電器是根據簡化Fr i i s公式計算
^ w.d其中巧接受天線能量傳送天線能量而傳送天線增益a :接受天線增益'R :距離；λ :波長。在微能源存儲技術方面，鋰蓄電池有比較高的比能量(100 200 Ah/kg)和優良的循環使用性能。薄膜微電池作為傳感器件的主要電源和備用電源有許多可能的應用。比如，微型的醫療器件，遠程的傳感器，小型的發報器，智能卡。作為備用電源可以應用于計算機存儲器卡和其他類型的靜態存儲器等等。美國OakRidge國家實驗室用物理濺射的方法制備了全固態的薄膜電池。這種薄膜鋰蓄電池體的厚度僅為15μπι，這種電池可以制成任意形狀以滿足特定的應用需要，只要保證電解質完全的隔離了正極和負極。
發明內容針對現有技術中存在的缺點(1)現有的能量采集器件只能轉化單一能源為電能；(2)在無線傳感網的應用中，作為能量采集和存儲的元件目前尚為分立器件，成本高，體積大。本實用新型的目的是集成多源能量采集和能量存儲技術，將環境中多種能源(光，振動，及射頻)同時轉化為電能并存儲在同一器件內，輸出再生、不間斷的電能，使其應用系 統升級為自動供電系統。為了實現上述目的，本實用新型系統的技術方案如下多源能源采集與儲存集成系統，包括多源能量采集器和與之連接的能量存儲器，多源能量采集器包括光電能量采集器、振動能量采集器和射頻采集/充電器，光電能量采集器包括太陽能電池和電極，振動能量采集器由壓電材料形成，射頻充電器包括天線和射頻電路，多源能量采集器和能量存儲器同時集成在太陽能電池的硅襯底中；光電能量采集器的電極作為射頻充電器的天線；壓電材料集成在太陽能電池的硅襯底表面；能量存儲器集成在太陽能電池的硅襯底背面。進一步地，所述光電能量采集器上面覆蓋抗反射層用來增加光的吸收。進一步地，所述能量存儲器采用三維的溝壕結構或堆棧的結構；能量存儲器的上面遮蓋有保護層。當能量存儲器采用溝壕結構時，溝谷的深度和寬度比為1:1到10:1。能量存儲器中的陽極和陰極的厚度均為50-10000Mffl，位于所述陽極和陰極之間的隔膜優選厚度為 10-10000Mm。本實用新型的制備方法包括如下步驟(I)制備光電能量采集器及射頻采集和充電器在硅晶圓上使用掩膜光刻技術，通過固體擴散或離子注入摻雜的方法形成并激活PN結，然后在PN結的N接觸層上通過物理濺射導電金屬層的方法產生電極連接；形成的電極作為射頻采集和充電器的天線；(2)在制備好的光電能量采集器及射頻采集和充電器的硅襯底表面，制備振動能量采集器對硅襯底表面的一部分進行刻蝕，然后沉積壓電材料；(3)在制備好的光電能量采集器及射頻采集和充電器的硅襯底背面，制備能量存儲器先對硅襯底進行深井刻蝕并沉積一層金屬硅化物，然后再沉積一層電介質層并進行刻蝕定義圖形，再在圖形化的襯底上進行金屬的物理沉積并刻蝕，刻蝕后沉積分離層，在分離層的上面進行金屬電極的物理沉積和刻蝕，最后對金屬電極進行刻蝕，形成最終的能量存儲器結構。本實用新型的系統將能量采集器及能量存儲器集成為同一器件，具有將環境中的光能、振動能和電磁場能量同時轉化為電能的功能；三維結構的設計能提高容量、降低成本、縮小體積；其制備工藝流程簡單，能與低成本集成電路工藝兼容。本實用新型可縮小系統體積50%以上,提高系統可靠性，降低成本50%以上。

圖I是本實用新型與現有技術的區別示意圖，Ca)為傳統無線傳感網節點，(b)為應用本實用新型系統的無線傳感網節點。圖中，I-射頻電路，2-能量存儲器，3-能量采集器，4-微處理器/電源管理電路，5-傳感器，6-多源能量采集器和能量存儲器集成系統。圖2是本實用新型集成系統的結構示意圖。圖中，7-光伏器件，8-光伏電極和射頻天線，9-三維能量存儲器，10-襯底，11-壓電材料，12-抗反射層，13-保護層。圖3是本實用新型實施例中光伏器件的制備流程中相應結構的橫截面示意圖。圖4是本實用新型實施例中能量存儲器的制備流程示意圖。·
具體實施方式
如圖I (b)所示，本實用新型的系統是將多源能量采集器與能量存儲器(電池)集成在一起，可以應用于無線傳感網節點中。其中，多源能量采集器包括光電能量采集器(光伏器件)、振動能量采集器和射頻采集/充電器。其中，光電能量采集器包括太陽能電池和電極，振動能量采集器包括壓電材料和振動能量采集電路，射頻采集/充電器包括天線和射頻電路。如圖2所示，光伏器件7、射頻采集/充電器的天線8、振動能量采集器的壓電材料11和三維能量存儲器9集成設計在同一襯底10上，襯底10為太陽能電池的硅襯底，將光伏器件7的電極設計成射頻充電器的天線來采集電磁場的能量。光伏工藝與單晶硅傳統工藝類似，微光伏器件7在硅晶圓上使用掩膜光刻，通過固體擴散或離子注入摻雜的方法形成實現并激活PN結，然后再在PN結上通過物理濺射導電金屬層的方法產生電極連接，微光伏器件7上面還需要覆蓋抗反射層12來增加光的吸收。具體的工藝流程見圖3所示(1)離子注入能量為200-700KeV，摻雜激活在700-1100°C條件下，30分鐘到2個小時；(2)沉積氮化硅等材料作為抗反射層12，厚度為200-6000埃；(3)對抗反射層12刻蝕，形成P接觸層；(4)再對抗反射層12刻蝕，形成N接觸層；(5)進行金屬沉積，形成光伏電極和射頻天線8。光伏器件7制備好后，在硅片的表面刻蝕掉一部分，再沉積上壓電材料，如PZT，然后將能量存儲器集成在硅襯底的背面，為了方便操作，先將光伏器件7的正面粘貼在載體襯底上，將硅襯底的背面朝上。三維能量存儲器9 (電池)可以用三維的溝壕(trench)結構或堆棧層的結構。三維電池的設計原理是通過增加有效面積來增加單位能量密度。微電池器件是在基板上淀積薄膜陰極材料，然后再沉積出電解質層，最后采用鋰或鋰化合物建立陽極，從而實現光能轉換的微電能的存儲。在微電池上面需要遮蓋保護層13。具體的工藝流程如圖4所示先對硅襯底進行深井(deep well)刻蝕并沉積一層金屬硅化物(如COSix),然后再沉積一層電介質進行刻蝕定義圖形，再在圖形化的襯底上進行金屬(如Zn或Ag)的物理沉積并刻蝕，刻蝕后沉積分離層，在分離層的上面進行金屬電極(如Zn或Ag)的物理沉積和刻蝕，最后對金屬電極進行刻蝕，形成最終的能量存儲器結構。[0026]本實用新型的微光伏器件作為光電轉換的核心部件，其采用單晶硅，通常的光照能量在室內輸出能量大約為O. l-10mff/cm2 ;室外輸出能量為lO-lOOOmW/cm2。微電池器件作為儲能單元，經過充電過程后，通過電源管理模塊輸出電壓為IV左右時，大約能輸出
10-1000μΑ/小時的供電能力和提供2000-10000次以上的可利用充放電周期。微光伏器件和微電池器件均通過半導體加工工藝來實現，通過優化工藝和封裝流程，將這兩者和電源 管理模塊整合在一起，從而形成可提供不間斷供電能力的微能源系統。
權利要求1.多源能源采集與儲存集成系統，包括多源能量采集器和與之連接的能量存儲器，多源能量采集器包括光電能量采集器、振動能量采集器及射頻采集和充電器，光電能量采集器包括太陽能電池和電極，振動能量采集器由壓電材料形成，射頻采集和充電器包括天線和射頻電路，其特征在于，所述多源能量采集器和能量存儲器同時集成在太陽能電池的硅襯底中；所述光電能量采集器的電極作為射頻充電器的天線；所述壓電材料集成在太陽能電池的硅襯底表面；所述能量存儲器集成在太陽能電池的硅襯底背面。
2.根據權利要求I所述的多源能源采集與儲存集成系統，其特征在于，所述光電能量采集器上面覆蓋抗反射層用來增加光的吸收。
3.根據權利要求I或2所述的多源能源采集與儲存集成系統，其特征在于，所述能量存儲器采用三維的溝壕結構或堆棧的結構；所述能量存儲器的上面遮蓋有保護層。
4.根據權利要求3所述的多源能源采集與儲存集成系統，其特征在于，所述能量存儲器采用溝壕結構時，溝谷的深度和寬度比為1:1到10:1。
5.根據權利要求4所述的多源能源采集與儲存集成系統，其特征在于，所述能量存儲器中的陽極和陰極的優選厚度均為50-10000Mffl，位于所述陽極和陰極之間的隔膜優選厚度為 10-10000Mm。
專利摘要本實用新型公開了一種多源能源采集與儲存集成系統，包括多源能量采集器和能量存儲器，多源能量采集器與能量存儲器集成在同一襯底中。其中，多源能量采集器包括光電能量采集器、振動能量采集器和射頻充電器，光電能量采集器的電極作為射頻充電器的天線；振動能量采集器的壓電材料集成在太陽能電池的硅襯底表面；能量存儲器集成在太陽能電池的硅襯底背面，可采用三維的溝壕結構或堆棧層的結構。本實用新型的系統將能量采集器及能量存儲器集成為同一器件，能實現將環境中的光能、振動能和電磁場能量同時轉化為電能的功能；三維結構的設計能提高容量、降低成本、縮小體積；并且其制備工藝流程簡單，能與低成本集成電路工藝兼容。
文檔編號H01L31/058GK202721168SQ201220453670
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者陳遠寧 申請人:陳遠寧