多源一體化微電源

王 赫，張麗麗，李寶清，高 鵬

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384；2.中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海 200050)

信息與智能是未來科技發展的重要方向，隨著5G 網絡迅速發展，各種分布式智能化無人裝置、無線傳感網絡節點等各類微系統層出不窮，已廣泛應用于國防裝備與民用產品，未來將逐步建立起萬物互聯的、全方位、全時空的立體化信息網絡體系。其中，電能源是支撐上述微系統節點和信息網絡發展的基石。隨著微系統的集成度不斷提高，功能性不斷增強，特別是引入智能化功能，其對所需能源提出了更小體積、更強供電能力、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微系統對微電源的性能需求。

表1 低功耗載荷類微系統對微電源的性能需求

國際上微納電源技術發展迅速，美國的若干一流大學和研究機構合作，先后啟動了“智能灰塵”、“納米無人飛行器”、“人工眼”等一系列前瞻性研究計劃，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內，實現微系統能量自給，提升其無依托工作能力。美國密歇根大學研制的智能塵埃(Smart Dust)系統，整體為三維疊層結構，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，無線通信天線，AD 轉換器，能量12 μWh 的薄膜鋰電池等，全狀態工作時額定功耗僅為100 μW[4-5]。處于不同層級的功能元器件通過金絲引線互聯，將感知、處理、通信和電源等不同模塊一體化集成，這是目前國際上報道的集成元器件最多，而體積最小的自供能微系統。受限于有限的空間，該系統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。

本文緊密結合表1 中無線傳感網絡節點等典型應用場景對微納電源的需求，研制了基于PCB 板的混合異構集成微納電源系統，其中包括多種環境能量發電器件和微型全固態儲能電池，并且完全基于物理氣相沉積技術制備，通過優化材料設計、制備與器件工藝提升了其能量轉換和能量存儲性能，通過突破三維異構集成技術，實現了多源能量器件的一體化集成，為后續研制更高集成度和更強供電能力的集成微電源系統奠定了基礎。

1 微納電源結構設計

本文設計的微納電源系統由微型光伏電池、薄膜溫差電池、微型薄膜固態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”疊層結構，通過PCB 版圖布線和絕緣端子實現互聯，其示意圖如圖1 所示。微型光伏電池位于系統的最頂部，以便于采集環境中的光能發電。微型溫差電池制作在光伏電池背面，采集背底熱量，并轉化為電能，電池的正負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的發電、儲能模塊相連，而頂部的光伏電池通過金屬引線與控制芯片相連接。微納電源系統的最底層為薄膜鋰電池，其正負極耳與控制芯片連接。

圖1 一體化微納電源總體結構設計示意圖

根據不同應用場景以及負載對輸入功率、輸入電壓的要求，上述一體化微納電源的結構可擴展，例如單體電池可通過級聯擴展的方式實現輸出功率和輸出電壓的提升。儲能電池作為系統的主要供電模塊，可根據需求應用薄膜鋰電、異型固態電池、柔性電池等，以及上述不同種類鋰電池與微型超級電容器復合的電源結構。總之，針對不同的應用場景，對一體化電源采用不同的發電與儲能電池組合，通過對儲能電池進行實時地、原位地能量補充，實現最優化供電配置。

2 多源微型電池研制

2.1 微型光伏電池研制

光伏發電是微電源系統的最主要外部能量來源。實際應用要求微型光伏電池不但具有盡量高的能量轉換效率，而且有盡量高的電壓。因為儲能電池需求的充電電壓為4 V 以上，大幅升壓帶來能量的高損耗和更多的輔助元器件，對微型電源是很不劃算的。在體積(或面積)受限的情況下，具有更高光電轉換效率和更高輸出電壓的光伏電池優勢將被放大，而成本問題顯著縮小。因此，高效III-V 族太陽電池是無線傳感網絡節點最理想的發電芯片。

本文綜合考慮輸出電壓和實際工作環境中光譜變化對多結電池電流的影響，采用雙結GaInP/GaAs 太陽電池，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，并轉換為電能。生長的III-V 外延材料結構及半導體參數如表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 晶圓外延生長表2 中的外延層結構。首先在襯底上生長厚度約為500 nm 的緩沖層，可減少有源層的晶格缺陷。然后依次生長GaAs 和GaInP子電池，每一結子電池均有背場層、基區、發射區和窗口層構成。子電池之間通過重摻雜隧穿結實現串聯，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，分布通過摻雜Te、C 等元素形成不同導電類型。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。完成外延層生長后，按照圖2 所示的工藝流程，依次進行腐蝕隔離、光刻、金屬電極蒸鍍、固化燒結、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 雙結微型光伏電池外延結構及性能參數

圖2 微型光伏電池制備工藝流程

參照GB6495.1-1996[6]，擬制了《自然光下多結砷化鎵太陽電池I-V 測試規范》。通過日晷使戶外入射光垂直于電池表面，采用輻照度計測試入射光輻照強度，將被測電池與電子負載相連接，通過制冷器將電池測試臺表面溫度控制在(25±2) ℃，測試電池I-V 特性，并測算電池面積，得到電池輸出功率密度。圖3(a)是微型光伏電池戶外自然光下測試照片，圖3(b)是測試得到的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 以后的長波段入射光不能被太陽電池吸收轉化為電能，而以熱量的形式擴散到太陽電池背面。以此作為溫差電池熱源，采用薄膜溫差電池，將熱量轉換為電能，從而提升微納電源系統整體能效。本文研制的微型溫差電池具有多層材料疊加、一體集成的結構特點。單體電池各層材料由下到上的結構順序為：冷端絕緣襯底-冷端導電層-N/P 型單體層-熱端導電層-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構示意圖

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 元件薄膜微區陣列，相比于幾個微米厚的常規薄膜微區，納米管嵌入網絡支撐將顯著削弱BiTe 材料本征脆性，大幅提升薄膜柔韌性；同時百微米以上的厚膜微區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，采用對準金屬鍵合技術(集成溫度為200 ℃)實現了P-N 陣列的整體轉移和全串聯集成。單體電池包含71 對P-N 單體，面積僅為1 cm2。

圖5 微型薄膜溫差電池集成過程示意圖

以溫差電基本理論為指導，通過搭接測試電路(圖6)，以戶外光伏電池測試過程中連續照射2 h 后監測的背底溫度(53.87 ℃)作為溫差電池工作溫度，在常溫環境條件下電池自主建立溫差23.22 ℃，通過測試在開關(K)斷開與閉合狀態下電池的開路電壓(ε)、輸出電壓(V1)、外接標準電阻(Rs1)和輸出電壓(V2)，利用式(1)～(4)計算獲得電池電流I1、內阻ri、輸出功率P以及最大輸出功率Pmax。在外接標準電阻和測試導線電阻之和等于電池內阻時，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 溫差電池外接測試電路圖

2.3 微型薄膜儲能電池研制

與傳統鋰電池相比，薄膜鋰電池雖然能量密度較低，但對于微納電源系統，其在結構和制備工藝等方面的集成兼容性更有優勢[9]。本文制備的微型薄膜儲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 電解質薄膜/金屬鋰負極薄膜/負極集流體Cu 薄膜，結構如圖7(a)所示。通過“原位”的連續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過程中受到環境污染(如大氣中的H2O、O2和塵埃等)，降低了電池內部的界面阻抗。在此基礎上，本文采用快速熱退火工藝(RTP)[10]，有效改善了LiCoO2正極薄膜的結晶質量。Ti/Pt/LiCoO2/LiPON 樣品的截面SEM 如圖7(b)所示，LiCoO2薄膜呈現明顯結晶狀態且排列致密，截面各層薄膜之間界面接觸較好。圖7(c)所示為微型薄膜儲能電池樣品照片，電池有效面積1 cm2。采用LAND 測試系統對電池進行充放電測試，在3～4.2 V，以10 μA 恒電流進行充放電，其首次充放電曲線如圖8(a)所示。電池放電能量達到0.394 mWh，曲線在3.9 V 出現明顯充放電平臺，表現出晶態LiCoO2的材料特性。在3～4.2 V，以300 μA 恒電流方式進行充放電，電池循環500次，容量保持率超過90%，如圖8(b)所示。

圖7 (a)微型薄膜儲能電池結構示意圖，(b)電池中Ti/Pt/LiCoO2/LiPON 結構的截面形貌，(c)微型薄膜儲能電池照片

圖8 微型薄膜鋰儲能電池充放電曲線及循環特性

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，即結構上的集成。

在多種能量耦合輸出方面，本文通過最大功率跟蹤(MPPT)控制器對發電器件內阻與負載電阻進行匹配，以獲得最高發電輸出功率。同時，采用升壓電路對不同發電器件輸出電壓進行變換，以匹配Li 電池充電電壓和負載供電電壓。溫差電池采用LTC3108 為能量管理芯片(已內置DC-DC 芯片)，電路截止工作電壓為20 mV，實際測試當輸入達到26 mV、6 mA 時，可以得到穩定的4.2 V 輸出電壓，滿足鋰電池的充電要求，同時也可以穩定輸出2.2 V 電壓，滿足其他負載的供電需求。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 等穩定輸出電壓，與LTC3108 的輸出端并聯在一起為鋰電池充電或給負載供電。整個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構集成方面，將經過性能優化的發電、儲能微型單體電池按照圖1 所示結構進行三維堆疊集成。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。本文對管理電路接線位進行優化，由四層電路板經過插針層層堆疊構成，每層電路板有效尺寸控制在1 cm2以內，通過在每層電路板四周預留接線孔位，實現三維結構中的垂直互連，如圖9 所示。測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構的實物照片

3 結論

本文對微型發電與儲能器件性能進行了優化，采用基于PCB 板基的三維異構集成技術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，多源發電最大功率密度達到30.00 mW/cm2，系統額定輸出功率密度達到1.04 mW/cm2。后續將繼續改進微型儲能電池材料與結構，提升其能量密度和集成兼容性，并研究基于陶瓷基板和PCB 基板的混合異構集成工藝，在提升系統輸出功率密度的同時，進一步將系統體積縮小到2 cm3以內。