專利名稱：電化學能量源和電子器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及電化學能量源。本發明還涉及電子器件，所述器件包括 至少 一 個依照本發明的電化學能量源以及至少 一 個電連接到所述電化 學能量源的電子部件。
背景技術：
目前，儲備電池組(battery)用來為各種各樣的應用提供按需 (on-demand)功率。這些電池組中的每一個包4舌兩個分開的電才及，電 解室存在于所述電極之間，用于容納外部提供的電解液(electrolyte )。 這些電池組的主要優點在于其極長的貨架(shelf)壽命，因為電解液僅 在使用之前才被加入。可能有利地由這種類型的電池組供電的非常有前 景的應用尤其是一次性(disposable)小規模和廉價的電子設備，比如生 物傳感器。在這些器件中，待檢查的介質，尤其是液體(血液、尿、唾 液)，可以用作用于儲備電池組的電解液。然而，儲備電池組的性能取 決于單獨的電極的表面面積。在已知的儲備型電池組結合到小規模電子 器件的情況下，電極的尺寸將受限于整個器件的尺寸。因此，只有小規 模電極才能用于向小規模電子器件供電，這導致相對較差的電池組性
A匕巧匕。
本發明的目的是提供具有提高的性能的儲備型電化學能量源。
發明內容
這個目的可以通過提供依照序言的電化學能量源來實現，所述電化 學能量源包括基底；以及至少一個沉積在所述基底上的電池(cell), 該電池包括第一電極和第二電極，所述第一電才及和所述第二電才及由用 于容納外部提供的電解液的電解室分離，其中至少一個電極設有至少一
個圖案化(patterned)表面。通過圖案化或結構化依照本發明的儲備型 電化學能量源的一個電極以及優選地兩個電極，獲得了三維表面區域以 及因此電極的每覆蓋區(footprint)的增加的表面面積和所述至少一個 電極與外部提供的電解液之間的每體積的增加的接觸表面。接觸表面的這種增加導致依照本發明的能量源的提高的額定容量以及因此依照本 發明的能量源的提高的性能。通過這種方式，可以最大化并且從而最優 化能量源的功率密度。由于這種提高的電池性能的原因，依照本發明的 小規模能量源將適于以令人滿意的方式向小規模電子器件供電。而且， 由于這種提高的性能的原因，將充分地增大要由依照本發明的電化學能 量源供電的(小規才莫)電子部件的選擇自由度。所述圖案的性質、形狀
和尺寸確定(dimensioning)可以是各種各樣的，這將在下面進行闡述。 外部提供的電解液也可以是不同的性質，其中例如基本上為液態的電解 液，例如(海)水、血液、尿、唾液可以用來激活依照本發明的能量源。 然而，也可以想到向電解室提供基本上為固態的電解液、基于聚合物的 電解液和/或凝膠(凝膠狀)電解液。依照本發明的電化學能量源的電池 優選地為電池組電池。然而，在另一個優選的實施例中，電化學能量源 的電池是(生物)燃料電池。通過將生物燃料電池植入有生命人體或動 物體內，生物燃料電池將從血液流、從可再生來源中提取容易獲得的生 物燃料，例如葡萄糖，并且在產生電的同時將其轉化成良性副產品。由 于生物燃料電池使用了集中的可再生化學能量源，因而生物燃料電池通 常具有相對較高的能量密度以及相對較長的壽命，其結果是，生物燃料 電池可以一皮制造成相對4交小和4交輕，并且因而可以理想地適用于一皮植入 有生命人體或動物體內。在一個特定的優選實施例中，所述電化學能量 源可以包括電池組電池和燃#+電池，并且因而可以 一皮看作混合能量源， 其中通過使用生物燃料電池將化學能轉化為電能，所述電能隨后可以存 儲在電池組電池內，從而進 一 步提高依照本發明的能量源的功率輸出。 所述第一電極優選地包括陽極，并且所述第二電極優選地包括陰 極。常見的是，在將堆疊(stack)沉積到基底上期間沉積陽極和陰極。 在應用電池組電池的情況下，優選地依照本發明的能量源的至少 一 個電 池組電才及適于存4諸以下元素中的至少 一種的活性物種(active species ): 氳(H),鋰(Li),鈹(Be),鎂(Mg)，鋁(Al),銅(Cu),銀(Ag)， 鈉(Na)和鉀(K),或者分配給周期表的1族或2族的任何其他適當的元 素。因此，依照本發明的能量系統的電化學能量源可以基于各種不同的 插層(intercalation)機制并且從而適用于形成不同種類的(儲備型)電 池組電池，例如Li離子電池組電池、NiMH電池組電池等等。在一個優 選的實施例中，至少一個電才及，更加地電池組陽才及，包括以下材料中的至少一種C， Sn, Ge, Pb， Zn, Bi, Sb, Li，以及優選地摻雜的Si。 這些材料的組合也可以用來形成電極。優選地，n型或p型摻雜的Si用作 電極，或者摻雜的與Si有關的化合物，比如SiGe或SiGeC。此外，其他 合適的材料可以用作陽極，優選地任何其他被分配到周期表的12-16族之 一的合適元素都可以用作陽極，只要電池組電極的材料適于插層和存儲 上述反應物種(reactive species )。前述材津+特別適用于應用到基于4里離 子的電池組電池中。在應用基于氬的電池組電池的情況下，所述陽極優 選地包括氫化物形成材料，例如AB5型材料，特別是LaNis,并且例如基 于鎂的合金，特別是MgxTh-x。
用于基于鋰離子的電池組電池的陰極優選地包括至少 一種基于金 屬氧化物的材料，例如LiCo02、 LiNi02、 LiMn02或者這些的組合，例如 Li(NiCoMn)02。在基于氬的能量源的情況下，所述陰;歐優選地包括 Ni(OH)2和/或NiM(OH)2,其中M由選自例如Cd、 Co或Bi的組的一種或多 種元素形成。
一般而言，可以以各種方式圖案化指向要提供的電解液的電極的接 觸表面，其中該圖案的性質、形狀和尺寸確定可以是任意的。但是，優 選的是基本上規則地圖案化至少一個電極的至少一個表面，并且更加優 選地，所應用的圖案設有一個或多個腔體，特別是柱狀物(pillar)、溝 槽、狹縫或孔，可以以相對精確的方式應用所述特定的腔體。通過這種 方式，也可以以相對精確的方式預先確定所述電化學能量源的提高的性 能。在這種情況下，應當指出的是，所述堆疊沉積于其上的基底的表面 可以是基本上平坦的或者可以被圖案化(通過彎曲該基底和/或為該基底 提供溝槽、孔和/或柱狀物)以便幫助產生三維取向的電池組電池和/或 生物燃料電池。
優選地，每個電極包括集流器。借助于這些集流器，所述電池可以 容易地連接到電子器件。優選地，這些集流器由以下材料中的至少一種 制成Al, Ni, Pt, Au, Ag, Cu, Ta, Ti, TaN以及TiN。其他種類的 集流器，例如優選地摻雜的半導體材料(例如Si、 GaAs、 InP)也可以 用來充當集流器。
在一個優選的實施例中，第一電極和第二電極中的至少一個至少部 分地被保護層覆蓋。更加優選地，兩個電極都至少部分地被保護層覆蓋。 該保護層適于在使用之前保護電極，以便防止電極被損壞、玷污和/或污染或者鈍化。在一個特定的優選實施例中，保護層至少部分地由電解材 料制成，其在向電解室提供外部供應的電解液時通常將相對高效地激活 所述電化學電池。由于諸如特定的固體物質、聚合物或者凝膠之類的電 解材料用作保護層，因而所述電池的操作通常將不受保護層的應用的妨 礙。在另一個特定的優選實施例中，保護層至少部分地由可溶解的材料， 特別是水溶性材料制成，所述材料例如水溶性(單)糖，例如葡萄糖。 通過應用液態電解液，特別是體液，保護層將溶解在該電解液中，其后 所述電化學電池通常將被激活。 '
所述電化學能量源優選地包括沉積在基底與至少 一 個電極之間的
擴散到所述:底中。通過il種方式，基:和電化學電池將在化學性質上 被分開，其結果是，可以相對長期持久地維持電化學電池的性能。
在 一個優選的實施例中，直接將第 一 電極和第二電極二者沉積在基 底上。直接將這些電極沉積在基底上有助于制造依照本發明的電化學能 量源。兩個電極之間的空間限定了電解室。將兩個電極堆疊在彼此之上 (其中在兩個電極之間留下開放空間)發生相對費力，并且因而不是那 么優選的。
在一個優選的實施例中，優選地應用基底，其理想地適用于經受圖 案化該基底的表面處理，這可以有助于圖案化電極。更加優選地，基底
由以下材料中的至少一種制成C, Si, Sn, Ti, Ge, Al, Cu， Ta和Pb。 這些材料的組合也可以用來形成基底。優選地，n型或p型摻雜的Si或Ge 用作基底，或者摻雜的與Si有關的和/或與Ge有關的化合物，比如SiGe 或者SiGeC。應當清楚的是，其他的適當材料也可以用作基底材料。
所述電化學能量源優選地適于生物植入以便監視或者刺激生命體 或者最終死亡的軀體中的某些生物過程。依照本發明的電化學能量源可 以用于例如向諸如微機電系統(MEMS)之類的可生物植入的微型器件 供電以及向諸如心臟起博器、傳感器、除顫器(defibrilator)、疼痛緩解 刺激器、顯微鏡無線通信設備之類的可植入生物醫療器件供電。因此， 優選的是應用液態電解液，并且更加優選的是應用體液。在一個可替換 的優選實施例中，所述電化學能量源適于在體外使用，即在有生命人體 或動物體之外使用。在該后一個實施例中，所述能量源優選地用作用于 例如感測電解液中特定物種的存在和/或濃度的感測器件，所述電解液特
7別是取自有生命體的體液。
本發明還涉及設有至少 一 個依照本發明的電化學能量源以及至少 一個連接到所述電化學能量源的電子部件的電子器件。該小型化電子器
件可以例如由微機電系統(MEMS)、心臟起搏器、傳感器、除顫器、 疼痛緩解刺激器以及顯微鏡通信設備形成。應當清楚的是，這種列舉不 應當被認為是限制性的。所述至少 一個電子部件優選地至少部分地嵌入 到所述電化學能量源的基底中。通過這種方式，可以實現系統級封裝 (System in Package, Sip)。在SiP中， 一個或多個電子部件和/或器件， 例如集成電路(IC)、致動器、傳感器、接收器、發射器等等，至少部 分地嵌入到依照本發明的電化學能量源的基底中。所述至少一個電子部 件優選地選自包括感測裝置、疼痛緩解刺激裝置、(無線)通信裝置和 致動裝置的組。同樣可能的是，在需要時添加一個或多個電容器以便增 強功率輸出。所述電子器件可以適于體內用途和/或適于體外用途。
本發明通過以下非限制性實例進行說明，其中
圖1示出了常規儲備型能量源的示意性截面，
圖2示出了依照本發明的電子器件的示意性截面，
圖3示出了依照圖2的電子器件的細節的示意性截面，以及
圖4示出了依照本發明的另 一 電子器件的透視圖。
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圖l示出了常規儲備型能量源l的示意性截面。能量源l包括平面負 電極3和平面正電極4沉積于其上的基底2。在兩個平面電極3、 4之間提 供了電解室5，其填充了液體電解液6，在現有技術的這個實例中例如唾 液。第一電極3包括(第一)集流器7以及沉積在集流器7上面的陽極8。 第二電極4包括(第二)集流器9以及沉積在集流器9上面的陰極10。在 這個實例中，陽極8由鋅制成，而陰極10由氧化銀制成。通過向電解室5 提供電解液6，將在陽極8和陰極10處啟動電化學反應，如圖所示。由能 量源l產生的電能用于向結合到基底2內的電子器件ll供電。這種已知的 能量源l的主要缺陷在于，能量源l的性能相對較差，其結果是，將相當 程度地限制要應用的電子器件的自由度。圖2示出了依照本發明的電子器件12的示意性截面。電子器件12可
化學電池14沉積于其上的基底13。電池14可以是電池組電池或者燃料電 池。電池14包括圖案化第一電極15以及圖案化第二電極16。在兩個三維 取向的電極15、 16之間提供了電解室17,其在電子器件12的操作期間將 至少部分地填充電解液(未示出)，例如血液、唾液、水。第一電極15 包括(第一)集流器18以及沉積在集流器18上面的陽極19。第二電極16 包括(第二)集流器20以及沉積在集流器20上面的陰極21。陽極19和陰 極21—起形成配對(couple)。在應用電池組電池14的情況下，電池組 電池14優選地包括「對應陽4及19和陰才及21的以下配對之一Zn-AgO, A1-H202， A1-NaOCl， A1-AgO， Mg—H202， Mg—NaOCl， Mg—AgCl， Mg-CuCl。每個配對將具有自身的電池電位以及能量和電荷密度。應當 清楚的是，其他的配對也可以用在依照本發明的電子器件12中。可替換 地，電池14由(生物)燃料電池形成，其可以代表脫氧葡萄糖(oxyglucose) 電池，其可以依賴于一定的電化學過程，在該電化學過程中在操作期間 葡萄糖在陰極21處氧化并且分子氧在燃料電池陽極19處還原。由電池14 產生的電能將用于向嵌入到基底13中的電子部件22供電。在這個實施例 中，兩個集流器18、 20實際上由電引線18、 20形成，借助于所述引線18、 20,電池14電耦合到電子部件22。由于電池14包括圖案化電才及15、 16以 及特別地分別包括圖案化陽極19和陰極21 ，因而可以顯著地增大一方面 的兩個電才及15、 16與另一方面的電解液之間的接觸表面面積，其結果是， 也可以顯著地增大電池14的容量，這將有利于依照本發明的電子器件12 以及特別是結合到基底13內的電子部件22的設計自由度。
圖3示出了依照圖2的電子器件12的細節的示意性截面。在該圖中， 清楚地示出基底13的上表面13a部分地設有腔體23。正電極16沉積在基 底13的圖案化上表面13a上，其中正電才及16的一部分也沉積在腔體23內， 其結果是，電極16也將以刷狀的方式被圖案化，這將導致電極16與電解 液之間的接觸表面面積的增大以及從而電化學電池14的容量的增大。負 電極15通常將以類似的方式被定形。電子器件12可以是一次性的并且因 而適于單次使用。然而，也可以想到電子器件12將^L多次使用。在該后 一種情況下，腔體23的寬度和深度優選地大得足以允許對腔體23進行清 洗(沖洗)以便消除電解液對腔體23的污染。因此，腔體23的最佳尺寸通常將取決于要提供給電化學電池14的電解液。
圖4示出了依照本發明的另一電子器件24的透視圖。依照圖4的電子 器件24是可生物植入的電子器件24,適于植入有生命(或死亡)軀體內。 電子器件24包括兩個分開的集流器26、 27沉積于其上的基底25,陽極28 和陰極29分別沉積于所述集流器26、 27的上面。可以使得電解液30與陽
與陽極29之間，可以在基底25上面提供生物識別層31，其中該生物識別 層31適于選擇性地識別電解液30中存在的生物物種32,例如特定的抗原 (antigenes)。應當指出的是，所述生物識別層也可以置于不在陽才及28 和陰極29之間的基底的另 一表面區域處，以便防止由于在電子器件24的
過程的最終干擾。
將多個電子部件33a、 33b、 33c結合到基底25中以便處理由生物識 別層31檢測的分析信息并且無線地將該信息發送到外部接收站34。該接 收站34可以是設有多個電子設備35a、 35b、 35c以便存儲、處理和/或(實 時)可視化該分析信息的特殊計算機。
應當指出的是，上述實施例說明了而不是限制了本發明，并且本領 域技術人員在不脫離所附權利要求書的范圍的情況下應當能夠設計出 許多可替換的實施例。在權利要求書中，置于括號中的任何附圖標記都 不應當被視為限制了權利要求。動詞"包括"及其變體的使用并沒有排 除存在權利要求中未聲明的元件或步驟。元件之前的冠詞"一"并沒有 排除存在多個這樣的元件。在相互不同的從屬權利要求中列舉了特定的 技術措施這一事實并不意味著這些技術措施的組合不可以加以利用。
權利要求
1. 電化學能量源，包括-基底，以及-至少一個沉積在所述基底上的電池，該電池包括-第一電極，和-第二電極，所述第一電極和所述第二電極由用于容納外部提供的電解液的電解室分離，其中至少一個電極設有至少一個圖案化表面。
2. 依照權利要求1的電化學能量源，其特征在于，所述陽極和陰極 二者都設有至少一個圖案化表面。
3. 依照權利要求1或2的電化學能量源，其特征在于，所述第一電 極包括陽極和/或所述第二電極包括陰極。
4. 依照權利要求3的電化學能量源，其特征在于，所述陽極和陰極二者都適于存儲以下元素中的至少一種的活性物種H, Li, Be， Mg, Cu, Ag, Na和K。
5. 依照權利要求3或4的電化學能量源，其特征在于，所述電池組陽 極和電池組陰極中的至少一個由以下材料中的至少一種制成C, Sn, Ge, Pb, Zn， Bi， Li, Sb,以及優選地摻雜的Si。
6. 依照前述權利要求之一的電化學能量源，其特征在于，所述至少 一個電極的所述至少一個圖案化表面設有多個腔體。
7. 依照權利要求6的電化學能量源，其特征在于，所述腔體的至少 一部分形成柱狀物、溝槽、狹縫或孔。
8. 依照前述權利要求之一的電化學能量源，其特征在于，所述電池由電〗也ia電；也形成。
9. 依照前述權利要求之一的電化學能量源，其特征在于，所述電池 由生物燃料電池形成。
10. 依照前述權利要求之一的電化學能量源，其特征在于，所述第 一電極和第二電極中的每 一 個都包括集流器。
11. 依照一個權利要求io的電化學能量源，其特征在于，所述至少一個集流器由以下材料中的至少一種制成Al, Ni, Pt, Au, Ag, Cu, Ta, Ti, TaN以及TiN。
12. 依照前述權利要求之一的電化學能量源，其特征在于，所述第 一電極和第二電極二者都直接沉積到所述基底上。
13. 依照前述權利要求之一的電化學能量源，其特征在于，所述第 一電極和第二電極中的至少 一個至少部分地被保護層覆蓋。
14. 依照權利要求13的電化學能量源，其特征在于，所述保護層至 少部分地由電解材料制成。
15. 依照權利要求13或14的電化學能量源，其特征在于，所述保護 層至少部分地由可溶解的材料制成。
16. 依照前述權利要求之一的電化學能量源，其特征在于，所述能 量源還包括沉積在所述基底與至少一個電極之間的至少一個電子導電 阻擋層，所述阻擋層適于至少基本上阻止所述電池的活性物種擴散到所 述基底中。
17. 依照權利要求16的電化學能量源，其特征在于，所述至少一個 阻擋層由以下材料中的至少一種制成Ta, TaN, Ti以及TiN。
18. 依照前述權利要求之一的電化學能量源，其特征在于，所述基 底包括Si和/或Ge。
19. 依照前述權利要求之一的電化學能量源，其特征在于，所述電 化學能量源適于生物植入。
20. 適用于生物植入的電子器件，包括至少一個依照權利要求1-19 之一的電化學能量源以及至少一個連接到所述電化學能量源的電子 部件。
21. 依照權利要求20的電子器件，其特征在于，所述至少一個電子 部件至少部分地嵌入到所述電化學能量源的基底中。
22. 依照權利要求20或21的電子器件，其特征在于，該電子器件適 于生物4直入。
23. 依照權利要求20-22之一的電子器件，其特征在于，該電子器件 適于體外使用。
24. 依照權利要求20-23之一的電子器件，其特征在于，所述至少一 個電子部件選自包括感測裝置、疼痛緩解刺激裝置、通信裝置和致動 裝置的組。
25. 依照權利要求20-24之一的電子器件，其特征在于，所述電子器 件和所述電化學能量源形成系統級封裝(Sip)。
全文摘要
本發明涉及電化學能量源，其包括基底以及至少一個沉積到所述基底上的電池。本發明還涉及電子器件，所述器件包括至少一個依照本發明的電化學能量源以及至少一個電連接到所述電化學能量源的電子部件。
文檔編號H01M4/24GK101536218SQ200780040633
公開日2009年9月16日 申請日期2007年10月24日 優先權日2006年10月30日
發明者M·梅夫塔, R·A·H·尼森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司