多源一體化微電源

王 赫，張麗麗，李寶清，高 鵬

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384；2.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

信息與智能是未來(lái)科技發(fā)展的重要方向，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，各種分布式智能化無(wú)人裝置、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等各類(lèi)微系統(tǒng)層出不窮，已廣泛應(yīng)用于國(guó)防裝備與民用產(chǎn)品，未來(lái)將逐步建立起萬(wàn)物互聯(lián)的、全方位、全時(shí)空的立體化信息網(wǎng)絡(luò)體系。其中，電能源是支撐上述微系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基石。隨著微系統(tǒng)的集成度不斷提高，功能性不斷增強(qiáng)，特別是引入智能化功能，其對(duì)所需能源提出了更小體積、更強(qiáng)供電能力、更高可靠性、可集成兼容等新要求。表1給出了低功耗載荷類(lèi)微系統(tǒng)對(duì)微電源的性能需求。

表1 低功耗載荷類(lèi)微系統(tǒng)對(duì)微電源的性能需求

國(guó)際上微納電源技術(shù)發(fā)展迅速，美國(guó)的若干一流大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)合作，先后啟動(dòng)了“智能灰塵”、“納米無(wú)人飛行器”、“人工眼”等一系列前瞻性研究計(jì)劃，將微型化電源與功能化模塊、控制模塊等集成在同一微系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)能量自給，提升其無(wú)依托工作能力。美國(guó)密歇根大學(xué)研制的智能塵埃(Smart Dust)系統(tǒng)，整體為三維疊層結(jié)構(gòu)，體積僅1 mm3左右，從頂部到底部依次為薄膜光伏電池，溫度、壓力傳感器，無(wú)線通信天線，AD 轉(zhuǎn)換器，能量12 μWh 的薄膜鋰電池等，全狀態(tài)工作時(shí)額定功耗僅為100 μW[4-5]。處于不同層級(jí)的功能元器件通過(guò)金絲引線互聯(lián)，將感知、處理、通信和電源等不同模塊一體化集成，這是目前國(guó)際上報(bào)道的集成元器件最多，而體積最小的自供能微系統(tǒng)。受限于有限的空間，該系統(tǒng)能夠提供的能量是十分有限的，這也在一定程度上限制了其功能性。

本文緊密結(jié)合表1 中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等典型應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)微納電源的需求，研制了基于PCB 板的混合異構(gòu)集成微納電源系統(tǒng)，其中包括多種環(huán)境能量發(fā)電器件和微型全固態(tài)儲(chǔ)能電池，并且完全基于物理氣相沉積技術(shù)制備，通過(guò)優(yōu)化材料設(shè)計(jì)、制備與器件工藝提升了其能量轉(zhuǎn)換和能量存儲(chǔ)性能，通過(guò)突破三維異構(gòu)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多源能量器件的一體化集成，為后續(xù)研制更高集成度和更強(qiáng)供電能力的集成微電源系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

1 微納電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的微納電源系統(tǒng)由微型光伏電池、薄膜溫差電池、微型薄膜固態(tài)鋰電池和能量控制管理模塊等核心部件組成，為三維立體“三明治”疊層結(jié)構(gòu)，通過(guò)PCB 版圖布線和絕緣端子實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，其示意圖如圖1 所示。微型光伏電池位于系統(tǒng)的最頂部，以便于采集環(huán)境中的光能發(fā)電。微型溫差電池制作在光伏電池背面，采集背底熱量，并轉(zhuǎn)化為電能，電池的正負(fù)極均位于與控制電路芯片接觸的器件冷端。第三層是控制電路芯片，不同功能的引腳與相應(yīng)的發(fā)電、儲(chǔ)能模塊相連，而頂部的光伏電池通過(guò)金屬引線與控制芯片相連接。微納電源系統(tǒng)的最底層為薄膜鋰電池，其正負(fù)極耳與控制芯片連接。

圖1 一體化微納電源總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景以及負(fù)載對(duì)輸入功率、輸入電壓的要求，上述一體化微納電源的結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展，例如單體電池可通過(guò)級(jí)聯(lián)擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)輸出功率和輸出電壓的提升。儲(chǔ)能電池作為系統(tǒng)的主要供電模塊，可根據(jù)需求應(yīng)用薄膜鋰電、異型固態(tài)電池、柔性電池等，以及上述不同種類(lèi)鋰電池與微型超級(jí)電容器復(fù)合的電源結(jié)構(gòu)。總之，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)一體化電源采用不同的發(fā)電與儲(chǔ)能電池組合，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行實(shí)時(shí)地、原位地能量補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化供電配置。

2 多源微型電池研制

2.1 微型光伏電池研制

光伏發(fā)電是微電源系統(tǒng)的最主要外部能量來(lái)源。實(shí)際應(yīng)用要求微型光伏電池不但具有盡量高的能量轉(zhuǎn)換效率，而且有盡量高的電壓。因?yàn)閮?chǔ)能電池需求的充電電壓為4 V 以上，大幅升壓帶來(lái)能量的高損耗和更多的輔助元器件，對(duì)微型電源是很不劃算的。在體積(或面積)受限的情況下，具有更高光電轉(zhuǎn)換效率和更高輸出電壓的光伏電池優(yōu)勢(shì)將被放大，而成本問(wèn)題顯著縮小。因此，高效III-V 族太陽(yáng)電池是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最理想的發(fā)電芯片。

本文綜合考慮輸出電壓和實(shí)際工作環(huán)境中光譜變化對(duì)多結(jié)電池電流的影響，采用雙結(jié)GaInP/GaAs 太陽(yáng)電池，以晶格匹配的GaAs 和Ga0.5In0.5P 作為光吸收材料，其帶隙組合為1.42 eV/1.87 eV，可吸收300～970 nm 的入射光，并轉(zhuǎn)換為電能。生長(zhǎng)的III-V 外延材料結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體參數(shù)如表2 所示。

襯底采用350 μm 厚度、晶向(100)、直徑為10 cm 的N 型GaAs 晶圓，采用MOCVD 工藝在GaAs 晶圓外延生長(zhǎng)表2 中的外延層結(jié)構(gòu)。首先在襯底上生長(zhǎng)厚度約為500 nm 的緩沖層，可減少有源層的晶格缺陷。然后依次生長(zhǎng)GaAs 和GaInP子電池，每一結(jié)子電池均有背場(chǎng)層、基區(qū)、發(fā)射區(qū)和窗口層構(gòu)成。子電池之間通過(guò)重?fù)诫s隧穿結(jié)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，其中各層材料的摻雜濃度大于1×1019cm－3，厚度一般不大于20 nm，分布通過(guò)摻雜Te、C 等元素形成不同導(dǎo)電類(lèi)型。頂蓋層為P-GaAs 材料，其摻雜濃度很高(通常大于1×1019cm－3，或者更高)，厚度0.3～0.5 mm，此層與金屬電極形成歐姆接觸。完成外延層生長(zhǎng)后，按照?qǐng)D2 所示的工藝流程，依次進(jìn)行腐蝕隔離、光刻、金屬電極蒸鍍、固化燒結(jié)、腐蝕CaP 層、蒸鍍減反射膜等工藝，完成微型光伏電池的制備。

表2 雙結(jié)微型光伏電池外延結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

圖2 微型光伏電池制備工藝流程

參照GB6495.1-1996[6]，擬制了《自然光下多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池I-V 測(cè)試規(guī)范》。通過(guò)日晷使戶(hù)外入射光垂直于電池表面，采用輻照度計(jì)測(cè)試入射光輻照強(qiáng)度，將被測(cè)電池與電子負(fù)載相連接，通過(guò)制冷器將電池測(cè)試臺(tái)表面溫度控制在(25±2) ℃，測(cè)試電池I-V 特性，并測(cè)算電池面積，得到電池輸出功率密度。圖3(a)是微型光伏電池戶(hù)外自然光下測(cè)試照片，圖3(b)是測(cè)試得到的I-V 特性曲線。電池外形尺寸0.99 cm2，自然光照條件下(輻照度為96.4 mW/cm2)的輸出功率密度為28.91 mW/cm2。

圖3 微型光伏電池和測(cè)試裝置照片(a)及其I-V特性曲線(b)

2.2 微型溫差電池研制

970 nm 以后的長(zhǎng)波段入射光不能被太陽(yáng)電池吸收轉(zhuǎn)化為電能，而以熱量的形式擴(kuò)散到太陽(yáng)電池背面。以此作為溫差電池?zé)嵩矗捎帽∧夭铍姵?，將熱量轉(zhuǎn)換為電能，從而提升微納電源系統(tǒng)整體能效。本文研制的微型溫差電池具有多層材料疊加、一體集成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。單體電池各層材料由下到上的結(jié)構(gòu)順序?yàn)椋豪涠私^緣襯底-冷端導(dǎo)電層-N/P 型單體層-熱端導(dǎo)電層-熱端絕緣襯底，如圖4 所示。

圖4 微型薄膜溫差電池單體與集成結(jié)構(gòu)示意圖

選取在室溫～200 ℃范圍具有良好熱電性能的低溫P、N型BiTe 系材料作為熱電能量轉(zhuǎn)換材料，如圖5 所示，首先在二氧化硅基片上光刻出電極層圖樣，在冷、熱端基片上蒸鍍導(dǎo)電金屬。然后，在冷、熱端電極層表面，套刻P、N 元件排布圖樣，采用多靶非平衡磁控濺射工藝分別制備厚度150 μm 的具有碳納米管嵌入的P、N 元件薄膜微區(qū)陣列，相比于幾個(gè)微米厚的常規(guī)薄膜微區(qū)，納米管嵌入網(wǎng)絡(luò)支撐將顯著削弱BiTe 材料本征脆性，大幅提升薄膜柔韌性；同時(shí)百微米以上的厚膜微區(qū)將更有利于建立溫差，提升電池的電輸出性能[7-8]。在制備好的P、N 元件表面制備金屬層，采用對(duì)準(zhǔn)金屬鍵合技術(shù)(集成溫度為200 ℃)實(shí)現(xiàn)了P-N 陣列的整體轉(zhuǎn)移和全串聯(lián)集成。單體電池包含71 對(duì)P-N 單體，面積僅為1 cm2。

圖5 微型薄膜溫差電池集成過(guò)程示意圖

以溫差電基本理論為指導(dǎo)，通過(guò)搭接測(cè)試電路(圖6)，以戶(hù)外光伏電池測(cè)試過(guò)程中連續(xù)照射2 h 后監(jiān)測(cè)的背底溫度(53.87 ℃)作為溫差電池工作溫度，在常溫環(huán)境條件下電池自主建立溫差23.22 ℃，通過(guò)測(cè)試在開(kāi)關(guān)(K)斷開(kāi)與閉合狀態(tài)下電池的開(kāi)路電壓(ε)、輸出電壓(V1)、外接標(biāo)準(zhǔn)電阻(Rs1)和輸出電壓(V2)，利用式(1)～(4)計(jì)算獲得電池電流I1、內(nèi)阻ri、輸出功率P以及最大輸出功率Pmax。在外接標(biāo)準(zhǔn)電阻和測(cè)試導(dǎo)線電阻之和等于電池內(nèi)阻時(shí)，電池的輸出功率密度即為最大輸出功率密度，為1.09 mW/cm2。

圖6 溫差電池外接測(cè)試電路圖

2.3 微型薄膜儲(chǔ)能電池研制

與傳統(tǒng)鋰電池相比，薄膜鋰電池雖然能量密度較低，但對(duì)于微納電源系統(tǒng)，其在結(jié)構(gòu)和制備工藝等方面的集成兼容性更有優(yōu)勢(shì)[9]。本文制備的微型薄膜儲(chǔ)能電池以硅片為基底，依次沉積正極集流體薄膜Ti/Pt 合金/ LiCoO2正極薄膜/LiPON 電解質(zhì)薄膜/金屬鋰負(fù)極薄膜/負(fù)極集流體Cu 薄膜，結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示。通過(guò)“原位”的連續(xù)化物理氣相沉積工藝制備，有效避免了各功能層薄膜在生長(zhǎng)過(guò)程中受到環(huán)境污染(如大氣中的H2O、O2和塵埃等)，降低了電池內(nèi)部的界面阻抗。在此基礎(chǔ)上，本文采用快速熱退火工藝(RTP)[10]，有效改善了LiCoO2正極薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。Ti/Pt/LiCoO2/LiPON 樣品的截面SEM 如圖7(b)所示，LiCoO2薄膜呈現(xiàn)明顯結(jié)晶狀態(tài)且排列致密，截面各層薄膜之間界面接觸較好。圖7(c)所示為微型薄膜儲(chǔ)能電池樣品照片，電池有效面積1 cm2。采用LAND 測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行充放電測(cè)試，在3～4.2 V，以10 μA 恒電流進(jìn)行充放電，其首次充放電曲線如圖8(a)所示。電池放電能量達(dá)到0.394 mWh，曲線在3.9 V 出現(xiàn)明顯充放電平臺(tái)，表現(xiàn)出晶態(tài)LiCoO2的材料特性。在3～4.2 V，以300 μA 恒電流方式進(jìn)行充放電，電池循環(huán)500次，容量保持率超過(guò)90%，如圖8(b)所示。

圖7 (a)微型薄膜儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)示意圖，(b)電池中Ti/Pt/LiCoO2/LiPON 結(jié)構(gòu)的截面形貌，(c)微型薄膜儲(chǔ)能電池照片

圖8 微型薄膜鋰儲(chǔ)能電池充放電曲線及循環(huán)特性

2.4 一體化微納電源集成

多源一體化化微納電源的集成內(nèi)容可以概括為兩方面：第一是多種能量耦合輸出，即電性能上的集成；第二是多能源器件和模塊一體化，即結(jié)構(gòu)上的集成。

在多種能量耦合輸出方面，本文通過(guò)最大功率跟蹤(MPPT)控制器對(duì)發(fā)電器件內(nèi)阻與負(fù)載電阻進(jìn)行匹配，以獲得最高發(fā)電輸出功率。同時(shí)，采用升壓電路對(duì)不同發(fā)電器件輸出電壓進(jìn)行變換，以匹配Li 電池充電電壓和負(fù)載供電電壓。溫差電池采用LTC3108 為能量管理芯片(已內(nèi)置DC-DC 芯片)，電路截止工作電壓為20 mV，實(shí)際測(cè)試當(dāng)輸入達(dá)到26 mV、6 mA 時(shí)，可以得到穩(wěn)定的4.2 V 輸出電壓，滿足鋰電池的充電要求，同時(shí)也可以穩(wěn)定輸出2.2 V 電壓，滿足其他負(fù)載的供電需求。同理，光伏電池采用MAX17710 為能量管理芯片，可以獲得4.2 和2.3 V 等穩(wěn)定輸出電壓，與LTC3108 的輸出端并聯(lián)在一起為鋰電池充電或給負(fù)載供電。整個(gè)能量管理芯片的功耗控制在100 μW 以下。

在多能源器件和模塊結(jié)構(gòu)集成方面，將經(jīng)過(guò)性能優(yōu)化的發(fā)電、儲(chǔ)能微型單體電池按照?qǐng)D1 所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維堆疊集成。由于鋰電池及微光伏電池的輸出端分布在電池上下兩個(gè)表面，若接線位在同一方向，將給這兩種電池接線造成很大的困難。本文對(duì)管理電路接線位進(jìn)行優(yōu)化，由四層電路板經(jīng)過(guò)插針層層堆疊構(gòu)成，每層電路板有效尺寸控制在1 cm2以?xún)?nèi)，通過(guò)在每層電路板四周預(yù)留接線孔位，實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)中的垂直互連，如圖9 所示。測(cè)試其最大外形尺寸為1.2 cm×1.2 cm×2.5 cm(含插孔接線位)，在工作模式下，額定輸出功率密度1.04 mW/cm2。

圖9 多源一體化微電源及每層結(jié)構(gòu)的實(shí)物照片

3 結(jié)論

本文對(duì)微型發(fā)電與儲(chǔ)能器件性能進(jìn)行了優(yōu)化，采用基于PCB 板基的三維異構(gòu)集成技術(shù)制備了多源一體化微電源，在體積3.6 cm3(包括插孔引線位)的空間內(nèi)，多源發(fā)電最大功率密度達(dá)到30.00 mW/cm2，系統(tǒng)額定輸出功率密度達(dá)到1.04 mW/cm2。后續(xù)將繼續(xù)改進(jìn)微型儲(chǔ)能電池材料與結(jié)構(gòu)，提升其能量密度和集成兼容性，并研究基于陶瓷基板和PCB 基板的混合異構(gòu)集成工藝，在提升系統(tǒng)輸出功率密度的同時(shí)，進(jìn)一步將系統(tǒng)體積縮小到2 cm3以?xún)?nèi)。