专利名称：一种高重量比能量密度微能源系统、方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高重量比能量密度微能源系统、方法及其应用，具体涉及一种高重量比能量密度，可使物联网节点在连续阴天条件下正常工作的微能源系统、制备方法及应用。属微电子技术领域。
背景技术：
物联网传感器节点的微型化、可布撒、无人值守是未来发展的趋势，对能源的体积、重量、功率和工作电流都提出了特殊的要求，迫切要求有体积小、重量轻、(重量、体积) 比容量高的微能源与之匹配，微能源与负载单片集成将有利于进一步提高微系统的重量比能量密度。GaAs太阳电池是目前太阳电池中效率最高的电池，AMI. 5 (1000W/m2，25°C条件下， IEC61646-地面用光伏组件设计和定型(GB/T18911-2002)的测试标准)，效率可达27%以上，另一方面，该电池衬底厚度为200微米，具有很好的支撑性，成为能源微系统集成的衬底备选，利用GaAs背面衬底可以直接生长固态薄膜锂电池结构，同时可以集成能源管理和物联网节点收发模块，实现有效的单片集成，提高微系统的重量比能量密度。全固态薄膜锂电池克服了常规液态电解质电池需要严密封装的缺点，可以借助溅射工艺在真空中成膜，工艺简化，工艺可控性得到有效提升，同时也成为现有锂电池中长寿命、高重量比能量密度的代表之一。全固态薄膜锂电池通常由阴极薄膜、电解质薄膜和阳极薄膜三部分组成。常规全固态薄膜锂电池中的阴极薄膜材料一般采用LiCo02、LiMnZ0以及 LixV205。该类材料存在制备工艺复杂的问题，而且在制备过程中一般需要高温退火过程，而该退火过程将损害电子元器件，从而限制了全固态薄膜锂电池在半导体行业中的应用。本发明采用溅射工艺制备氮化镍钴薄膜作为锂电池阴极。常规锂电池采用液态电解液，存在封装不严可能泄漏和循环寿命受限的缺点，而固体电解质LiuTiuAla3(PO4)3由于具有较高的锂离子电导率、良好的电化学稳定性成为当前锂电池电解质材料的重要备选。选用上述材料和工艺有利于提高锂电池的重量比能量密度。如能利用GaAs电池效率高的特点，则将可以更多的捕获太阳光，通过固态锂电池可以储存更多的能量，通过能源管理单元转换为电能储存和为传感器节点供电，实现节点的白天捕获光能同时供应传感器工作，夜间锂电池供应传感器工作，实现长时间供电的模式。本发明正是基于上述背景提出的。
发明内容
本发明的目的是提供一种高重量比能量密度微能源系统、制作方法及其应用，本发明解决了现有微能源系统低能量密度(如聚合物锂电池，仅为100-200Wh/Kg)的问题。 本发明提供了微能源系统的技术解决方案一种高重量比能量密度微能源系统，其特征在于1)、在GaAs电池背表面溅射生长Al薄膜(厚度范围150-350nm)，在Al表面溅射沉积Cc^NihNO) <m< 1)薄膜，沉积工艺条件是按通式中一定比例的Co纳米粉和Ni纳米粉混合，真空熔融煅烧，制备金属钴镍合金靶材，通过射频磁控溅射的方法沉积氮化镍钴薄膜，本底真空为2X10_4Pa以下，沉积时基片温度小于80°C，直至氮化镍钴薄膜的厚度为 800-1000nm ；2)、在氮化镍钴薄膜表面溅射沉积LiuTiuAla3(PO4)3薄膜；制作工艺是先制作 Li1. JiuAla3 (PO4)3合金靶材，采用该靶材，在Ar环境中溅射成膜，直至Li1. Jk7Ala3 (PO4)3 薄膜的厚度为1500-1700nm ；3)、在LiuTiuAla3(PO4)3薄膜上沉积金属Li薄膜。其制备工艺是采用真空热蒸发沉积，本底真空为hlO—Va以下，基片温度为室温，蒸发速率400 llOOnm/min，直至锂薄膜的厚度为1000-1200nm。4)、在Li薄膜表面溅射成膜一层Cu薄膜，其制备工艺条件是在Ar环境中溅射成膜，本底真空为hlO_4Pa以下，基片温度为室温，蒸发速率500nm/min，直到Cu厚度为 500-800nm在上述沉积的氮化镍钴膜时(包括沉积Li1. Ji1.7A10.3 (PO4) 3薄膜及Li膜和Cu膜) 采用不锈钢掩膜板与Al表面紧贴，掩模板露出一定面积，在未覆盖电池多层膜的Al膜表面，依次安装能源管理电路和RF收发模块(详见实施例)。由此可见，①所述的射频磁控溅射方法沉积氮化镍钴合金薄膜的溅射条件为靶材与衬底基片的距离为4. 5cm，本底压力为2X10_4Pa，沉积薄膜前靶材要反溅射25min，反溅射功率150W，溅射气氛为体积比2. 5 1的氢气和氮气的混合气体，流速为35sCCm，工作气压为1. 2Pa，沉积功率为120W，沉积时基片温度小于90°C ；②所述的射频磁控溅射方法沉积LiuTiuAla3(PO4)3薄膜的溅射条件为靶到基片的距离为7cm，本底压力为2X10_4Pa，沉积薄膜前靶材要反溅射25min，反溅射功率 50-100W，溅射气氛为纯Ar气，流速为30sCCm，工作气压为1.6Pa，沉积功率为125W，沉积时基片温度小于90°C ；③所述的微能源系统采用金属(包括Al、Au、Ag、Cu、Ni、或V)作为多模块的连接线.
一入 ，④所述的微能源系统采用GaAs电池背表面作为多模块集成的衬底，节约空间和
重量，提高了重量比能量密度；⑤所述微能源系统所用GaAs太阳电池效率大于27% (AMI. 5)，5小时可以为锂电池充满电；⑥所述微能源系统中所制备固态Li电池容量大于300 μ Ah，可以满足物联网节点在5天连续阴天条件下工作；本发明所述的微能源系统可以a)应用于为物联网节点供能。现有物联网传感器节点一般采用镍氢电池供电，尺度为4*4衬cm3以上，重量比能量密度为< 100WH/Kg，文献且未见使用GaAs衬底、储能、能源管理及负载单片集成的实际应用报道。通常采用1次电池的传感器节点，电池消耗完后电池节点失效；而采用二次电池的传感器节点，电池消耗完后，需要人工换电或充电，不能适应未来大规模抛撒，长时间无人值守的需求；b)所述高重量比能量密度微能源系统可以应用于为纳米卫星供能。纳米卫星是指重量在I-IOKg的卫星，随着集成电路和微光机械系统技术的不断发展和卫星重量的减小，包括太阳电池、能源管理电路和储能电池在内的能源系统在整个卫星中所占比重出现CN 102324586 A
说明书
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增加趋势。将薄膜技术应用于将太阳电池和储能及能源管理单元集成，提高重量比能量密度，有助于改变这一趋势。能源系统微型化单片集成技术成为未来纳米卫星及更小的卫星的能源技术发展重点。现有的卫星上的能量储存采用镍氢、Cu2In2Ga2Se2(CIGS太阳电池， 效率15% )等电池，尚未形成单片集成。美国ITN能源系统公司采用美国橡树岭国家实验室(ORNL)提供的技术生产了全固态薄膜锂电池结合柔性Cu2In2Ga2Se2 (CIGQ太阳能电池， 加上柔性电源管理线路，已研制出卫星用高度集成化的柔性集成电源模块，为纳米卫星中储存能源的提供了技术支撑[Backanski M. J. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2000,62 :21.]。采用GaAs电池集成固态锂电池，有望实现高重量比能量密度微系统，为纳米卫星提供“全天候供电”。综上所述，本发明提供的高重量比能量密度微能源系统具有以下优点1、一层Al膜既作为GaAs与锂电池间的连接，又作为锂电池和能源管理电路间的连接，减少了外部电路连接，便于单片集成。2、GaAs太阳电池正面用于捕获太阳光，背面用于储存和管理能量，光捕获、管理、 储存、和使用集成在一块模块上，节省空间，提高了微系统的体积比能量密度3、GaAs具有27%的高效率，可以捕获比常规CIGS电池更多的太阳能，实现锂电池的充电需求。4、负载为物联网传感器节点，提供的微能源系统重量比能量密度高达438WH/Kg， 可以实现5天无太阳光连续供电。
图1、微能源系统结构示意图，(a)为前视图，(b)为仰视图；图2、高重量比能量密度能源微系统设计与制作流程。图中1代表GaAs电池，厚度200微米；2代表阴极集电极Al (150-350nm) ；3代表阴极 CoxNihN(0 彡 m 彡 1)，厚度 800-1000nm ；4 代表固体电解质 Li1.3TiL 7A10.3 (PO4) 3,厚度1500-1700nm;5代表阳极Li薄膜，厚度为1000-1200nm ;6代表锂电池集电极Cu，厚度 500-800nm ；7代表能源管理电路；8代表RF收发模块；9代表焊点；10代表Au线。
具体实施例方式本发明为一种高重量比能量密度微能源系统的制作流程(如图2)如下①对GaAs太阳电池背表面进行清洗，清洗条件是使用异丙醇，兆声清洗，常温， 3min ；②溅射生长150-350nm Al薄膜；溅射条件为A1靶材(5N)与衬底基片的距离为 4. 5cm,本底压力为2X 10_4Pa，沉积薄膜前靶材要反溅射30min，反溅射功率90W，溅射气氛为Ar，流速为30sCCm，工作气压为1. 2Pa，沉积功率为110W，沉积时基片温度小于90°C，沉积速率为25nm/min，调节连续沉积时间，即可获得厚度约为150-350nm的Al薄膜；③CoxNihN薄膜溅射采用直径为100mm，厚度为5mm的金属镍钴合金作为溅射靶材，通过射频磁控溅射的方法在步骤②生长的Al膜上沉积氮化镍钴ComNi1IlO < m < 1， 薄膜作为阳极薄膜，溅射条件为靶材与衬底基片的距离为4. 5cm，本底压力为2X10_4Pa， 沉积薄膜前靶材要反溅射25!^11，反溅射功率1501，溅射气氛为体积比2.5 1的氢气和氮气的混合气体，流速为35sCCm，工作气压为1. 2Pa，沉积功率为120W，沉积时基片温度小于 900C，成膜速率45nm/min，调节成膜时间，形成厚度为800-1000nm的CoxNihN薄膜；采用不锈钢掩模板与Al表面紧贴，掩膜露出面积未0. 75Xlcm2的窗口，如图1(b)所示；④在步骤③的薄膜上采用磁控溅射的方法在已沉积好的氮化镍钴薄膜上继续沉积LiuTiuAla3(PO4)3薄膜作为电解质薄膜，溅射条件为靴到基片的距离为7cm，本底压力为2X 10_4Pa，沉积薄膜前靶材要反溅射25min，反溅射功率50-100W，溅射气氛为纯Ar气， 流速为30sCCm，工作气压为1. 6Pa，沉积功率为125W，沉积时基片温度小于90°C。成膜速率 40nm/min，调节成膜时间，直到成膜厚度为1500-1700nm ；⑤在步骤④的在LiuTiuAla3(PO4)3薄膜上溅射沉积金属Li薄膜条件是本底真空为2xlO_4Pa以下，基片温度为室温，成膜速率55nm/min，调节成膜时间，直至金属锂薄膜的厚度为1000-1200nm ；⑥在Li薄膜溅射沉积Cu薄膜作为阳极集电极，溅射条件为靶材与衬底基片的距离为4. 5cm，本底压力为2X10_4Pa，沉积薄膜前靶材要反溅射25min，反溅射功率50-100W， 溅射气氛为Ar，流速为30sCCm，工作气压为1. 2Pa，沉积功率为80W，沉积时基片温度小于 100°C，沉积速率为20nm/min，调节成膜时间，即可获得厚度约为500-800nm的氮化镍钴薄膜。⑦在未覆盖电池多层膜的Al表面安装能源管理电路，使得一电路输出端通过导电银胶与Al相连。能源管理电路为采用富晶电子股份有限公司的FSA582充电管理芯片构建的电路，电路背面采用导电胶和不导电胶与Al表面粘结，导电胶连接电路输出端之一与 Al表面，不导电胶连接电路背面不导电端与Al线。能源管理电路另外的输出端与RF模块和Cu相连。连接手段采用wire bonding方法，连接材料为Au线。⑧在未覆盖电池多层膜的Al表面安装RF模块，RF模块用于数据传输，单元模块电路由Chipcon公司生产的低功耗、短距离的无线通信模块CC2420组成，可以将探测到的温度、湿度等信息发送出去，每8小时发送1次，每次发送脉冲电流lA，48ms，待机电流为 40mA,输出电压3. 3V。RF模块一输出端通过导电胶与Al薄膜相连，另外一输出端通过Au 线与GaAs正极、能源管理电路输出端相连。连接手段采用引线键合(wire bonding)方法， 连接材料为Au线。最后对制作的微能源系统进行电学性能测试，判断是否满足重量比能量密度大于 438WH/Kg和能够连续5天阴天正常供电的要求，若满足，则完成设计制作，若不满足，重新设计微能源系统结构，调节锂电池占GaAs太阳电池面积比例，调节锂电池电解质层厚度， 调节能源管理电路功耗，重新制作，直到满足需求。
权利要求
1.一种高重量比能量密度微能源系统，其特征在于所述的微能源系统的组成为(1)在GaAs电池背表面溅射生长Al薄膜；(2)在Al膜表面溅射沉积氮化镍钴，其通式为ComNihN,式中O< m < 1 ；(3)在氮化镍钴薄膜表面溅射沉积LiuTk7Ala3(PO4)3薄膜；(4)在LiuTk7Ala3(PO4)3薄膜上沉积金属Li薄膜；(5)在Li薄膜表面溅射成膜一层Cu薄膜；(6)溅射( ( 时在Al膜表面用不锈钢掩模板紧贴在露出未覆盖多层膜的Al表面，依次安装能源管理电路和RF收发模块，用金线连接GaAs电池正极、Li电池阳极、能源管理电路输出端和RF收发模块输出端。
2.按权利要求1所述的系统，其特征在于(a)所述的Al薄膜厚度为150-350nm；(b)所述的Co氮化镍钴薄膜层的厚度为SOO-IOOOnm；(c)所述的LiL3TiL7Al。.3(P04)3 薄膜的厚度为 1500-1700nm ；(d)所述的金属Li薄膜的厚度为1000-1200nm；(e)所述的Cu膜厚度为500-800nm。
3.按权利要求1所述的系统，其特征在于a)在未覆盖多层膜的Al表面安装能源管理电路，使得一电路输出端与Al相连。能源管理电路为采用富晶电子股份有限公司的FSA582充电管理芯片构建的电路，电路背面导电胶和不导电胶与Al表面粘结，导电胶连接电路输出端之一与Al表面，不导电胶连接电路背面不导电端与Al线；能源管理电路另外的输出端与RF模块和Cu相连；b)在未覆盖多层膜的Al表面安装用于数据传输的RF模块，单元模块电路由Chipcon 公司生产的低功耗、短距离的无线通信模块CCM20组成，可将探测到的温度、湿度等信息发送出，每8小时发送1次，每次发送脉冲电流1A，48ms，待机电流为40mA，输出电压3. 3V ； RF模块一输出端通过导电胶与Al薄膜相连，另外一输出端通过Au线与GaAs正极、能源管理电路输出端相连。连接手段采用wire bonding方法，连接材料为Au线。
4.按权利要求3所述的系统，其特征在于能源管理电路或RF收发模块与Au线的连接采用引线键合方法。
5.制作如权利要求1-3中任一项所述的系统的方法，其特征在于具体步骤为①对GaAs太阳电池背表面进行清洗，清洗条件异丙醇，兆声常温清洗，常温，3min；②溅射生长Al薄膜；溅射条件为5NAl靶材与衬底基片的距离为4. 5cm，本底压力为 2X 10_4Pa，溅射气氛Ar，流速为30sCCm，工作气压为1. 2Pa，沉积功率为110W，沉积时基片温度低于90°C，沉积速率为25nm/min，调节连续沉积时间，即可获得厚度所需的150-350nm的 Al薄膜厚度；③溅射CoxNihN薄膜采用直径为100mm，厚度为5mm的金属镍钴合金作为溅射靶材， 通过射频磁控溅射的方法在步骤②生长的Al膜上沉积氮化镍钴ComNi1IlO < m < 1，薄膜作为阳极薄膜，溅射条件为靶材与衬底基片的距离为4. 5cm，本底压力为2X10_4Pa，溅射气氛为体积比2. 5 1的氢气和氮气的混合气体，流速为3kccm，工作气压为1. 2Pa，沉积功率为120W，沉积时基片温度低于90°C，成膜速率45nm/min，调节成膜时间，形成厚度为 800-IOOOnm 的 CoxNihxN 薄膜；④在步骤③的薄膜上采用磁控溅射的方法在已沉积好的氮化镍钴薄膜上继续沉积 Li1.3TiL 7A10.3 (PO4) 3薄膜作为电解质薄膜，溅射条件为靶到基片的距离为7cm，本底压力为 2 X IO-4Pa,溅射气氛为纯Ar气，流速为30sCCm，工作气压为1. 6Pa,沉积功率为125W，沉积时基片温度小于90°C ；成膜速率40nm/min，调节成膜时间，直到成膜厚度为1500-1700nm ；⑤在步骤④的LiuTiuAla3(PO4)3薄膜上溅射沉积金属Li薄膜，条件是本底真空为 2xlO_4Pa以下，基片温度为室温，成膜速率55nm/min，调节成膜时间，直至金属锂薄膜的厚度为 1000-1200nm ；⑥在Li薄膜溅射沉积Cu薄膜作为阳极集电极，溅射条件为靶材与衬底基片的距离为 4. 5cm，本底压力为2X10_4Pa，溅射气氛为Ar，流速为30sCCm，工作气压为1. 2Pa，沉积功率为80W，沉积时基片温度小于100°C，沉积速率为20nm/min，调节成膜时间，即可获得厚度约为500-800nm的氮化镍钴薄膜；⑦在未覆盖上述多层膜Al表面安装能源管理电路，使得一电路输出端与Al相连，电路背面采用导电胶和不导电胶与Al表面粘结，导电胶连接电路输出端之一与Al表面，不导电胶连接电路背面不导电端与Al线；能源管理电路另外的输出端与RF模块和Cu相连。连接手段采用wire bonding方法，连接材料为Au线；⑧在未覆盖上述多层膜的Al表面安装用于数据传输RF收发模块，单元模块电路由 Chipcon公司生产的低功耗、短距离的无线通信模块CC2420组成，可以将探测到的温度、湿度等信息发送出去，每8小时发送1次，每次发送脉冲电流1A，48ms，待机电流为40mA，输出电压3. 3V ；RF模块一输出端通过导电胶与Al薄膜相连，另外一输出端通过Au线与GaAs正极、能源管理电路输出端相连；连接手段采用wire bonding方法，连接材料为Au线；⑨最后对①_⑧制作的微能源系统进行电学性能测试，判断是否满足重量比能量密度大于430WH/Kg和能够连续5天阴天正常供电的要求，若满足，则完成设计制作，若不满足， 重新设计微能源系统结构，调节锂电池占GaAs太阳电池面积比例、调节锂电池电解质层厚度和/或调节能源管理电路功耗，重新制作，直到满足需求。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于1)在步骤②所述的清洗后GaAs太阳电池表面溅射Al薄膜前靶材要反溅射30min，反溅射功率为90W ；2)在步骤③所述的溅射氮化镍钴薄膜之前靶材要反溅射25min，反溅射功率为150W；3)在步骤④溅射沉积LiuTiuAla3(PO4)3薄膜前靶材反溅射25min，反溅射50-100W；4)在步骤⑥沉积Cu薄膜之前靶材反溅射25min，反溅射功率为50-100W。
7.按权利要求1所述的系统的应用，其特征在于为物联网节点供能或为纳米卫星提供全天候供能。
全文摘要
本发明涉及一种高重量比能量密度微能源系统、方法及应用。其特征在于所述的系统组成为(1)在GaAs电池背表面溅射生长Al薄膜；(2)在Al膜表面溅射沉积氮化镍钴，其通式为ComNi1-mN，式中0＜m＜1；(3)在氮化镍钴薄膜表面溅射沉积Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3薄膜；(4)在Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3薄膜上沉积金属Li薄膜；(5)在Li薄膜表面溅射成膜一层Cu薄膜；(6)溅射(2)-(5)时在Al膜表面用不锈钢掩模板紧贴在露出未覆盖多层膜的Al表面，依次要装能源管理电路和RF模块，用金线连接GaAs电池正极、Li电池阳极、能源管理模块输出端和RF收发模块输出端。提供的高重量比能量密度高达438wh/kg，可连续5天在阴天条件下工作，为物联网节点微型化长时间供电及野外应用提供技术手段。
文档编号H01M10/46GK102324586SQ20111018007
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者周健, 周建华, 周舟, 孙晓玮, 王伟, 谈惠祖 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所