JP2014517457A - 設定可能な電気的出力を有する、貯蔵および／または電気エネルギ生成要素のスタッキングを備えたアーキテクチャ、そのようなアーキテクチャを作る方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、マイクロバッテリ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）等の電気貯蔵要素および／または電気生成要素から成るスタックを有するアーキテクチャを備えた新規な電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）に関する。
本発明によれば、その電気的接続部は、製造中には、異なる積層要素（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の間には形成されないが、後に、該要素の全てまたは一部を直列におよび／または並列に設定すること、すなわち、電圧または貯蔵容量等の該装置の電気的出力を設定することが可能な電子制御ユニットを活用して形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、全固体電池として知られている電池の分野に関し、具体的には、真空蒸着法によって得られた薄膜または層から成るスタックで構成されたマイクロバッテリに関する。
本発明によるマイクロバッテリは、当技術分野における通常の意味によれば、数ｍｍ２〜数ｃｍ２の領域を有し、および各々が、いくつかの薄層から成るスタックで構成され、そのうちの１つは正電極層であり、そのうちの１つは負電極層であり、およびそのうちの１つは該正電極層と該負電極層との間に挿入される電解質層であり、その他の層は、バス、保護電気絶縁体および封入層として機能する、数十マイクロメータ厚、典型的には、１０〜２５μｍの再充電可能な全固体電気化学的発電装置として定義される。
マイクロバッテリの対象となる用途の中には、スマートカードやＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）ラベルとして知られているスマートラベルに加えて、電子コンポーネント、および、特にそれらが機械的である場合、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれるマイクロシステムの内部クロックの電力供給がある。
これらの用途は、該マイクロバッテリの動作に必要な全ての薄層が、マイクロエレクトロニクス分野で用いられる工業的方法に適合する技術を用いて製造される必要がある。
マイクロバッテリの多くの用途は、それらの電気的特性が、特に、容量および出力電圧の増大に関して改善される必要がある。
このような状況において、本発明は、より具体的には、貯蔵装置および／または貯蔵要素を用いて電気エネルギを生成するための装置および／または設定可能な電気的出力を有する、電気エネルギを生成するための装置に関する。
さらにより具体的には、本発明による電気エネルギ貯蔵および／または生成要素はマイクロバッテリであり、それらの各々は、電気的絶縁支持体上に形成される。
本発明は、マイクロバッテリに関して詳細に記載されているが、バッテリと、具体的には、特にコンパクト性のために積層することが求められ、およびその各々が、正極および負極を有するバッテリから成る発電要素とで構成されている蓄電および発電要素にも適用できる。
薄膜の積層形態をとる「全固体」マイクロバッテリは、現時点で周知されている。それらの作動原理は、アルカリ金属イオン、または、正電極内の陽子の挿入および脱挿入（または、インターカレーション／デインターカレーション）に基づいている。主なマイクロバッテリシステムは、金属リチウムで形成された電極から生じるリチウムＬｉ＋イオンを、それらのイオン種として用いる。該マイクロバッテリの全てのコンポーネント、すなわち、バス、正電極および負電極、電解質および封入部は、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって得られた薄層の形態をとっている。そのスタックの全体の厚さは、数十マイクロメータ、典型的には、１５μｍ程度である。
異なる材料を、それらのコンポーネントに用いることができる、すなわち：
・該バスは金属製であり、および例えば、Ｐｔ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｔｉ、ＷまたはＭｏから形成することができる。
・該正電極は、具体的には、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＣｕＳ、ＣｕＳ２、ＷＯｙＳｚ、ＴｉＯｙＳｚまたはＶ２Ｏ５で構成することができる。選択された材料により、該薄膜の結晶化およびそれらの挿入特性を向上させるために、熱アニールが必要となる可能性がある。これは、特に、リチウム化酸化物を用いた場合である。しかし、いくつかのアモルファス材料、具体的には、チタン酸硫化物は、そのような熱アニール処理にさらすことなく、リチウムイオンの高挿入を本質的に可能にする。
・該電解質は、良好なイオン導電体および電気絶縁体とすることができる。これは、一般的に、酸化ホウ素、酸化リチウムまたはリチウム塩で形成されたガラス状物質である。最も有効な電解質は、リン酸塩、例えば、ＬｉＰＯＮまたはＬｉＳｉＰＯＮから作られる。
・該負電極は、熱蒸発によって堆積された金属リチウム、リチウムを含有する金属合金、または、この場合もやはり挿入化合物（ＳｉＴＯＮ，ＳｎＮｘ，ＩｎＮｘ，ＳｎＯ２等）とすることができる。金属リチウムを伴わないマイクロバッテリも存在し、「リチウムフリー」マイクロバッテリとして知られている。この場合、そのリチウムを遮断する金属から成る層が堆積される。そして、該リチウムは、この層上で電気めっきされる。
・封入の機能は、活性スタックを外部環境から守ること、および具体的には、湿気から保護することである。該封入部を形成するために、異なる方法、すなわち、薄層を用いる封入、同時積層を用いる封入、すなわち、２つの層の同時積層、または、筐体による封入が用いられる。
また、マイクロバッテリの電気的特性は、該マイクロバッテリを構成する材料の特性に直接的に関連していることが分かっている。すなわち：
・マイクロバッテリによって供給される電圧は、該正電極および負電極の材料物質に、および前記材料物質の結晶構造内にリチウムイオンを挿入するのに用いられる方法に依存する。典型的には、Ｖ２Ｏ５／Ｌｉで形成された正／負電極のペアは、１．５〜３．８Ｖの電圧を供給し、ＴｉＯＳ／Ｌｉで形成されたペアは、１〜３Ｖの電圧を供給し、およびＬｉＣｏＯ２／Ｌｉで形成されたペアは、３〜４．２Ｖの電圧を供給する。
・マイクロバッテリに貯蔵される容量は、挿入電極の性質および量に依存する。典型的には、ＬｉＣｏＯ２で形成された電極の場合、その容積容量は、６９μＡｈ／ｃｍ２・μｍ−１であり、ＴｉＯＳで形成された電極の場合には、その容積容量は、８０μＡｈ／ｃｍ２・μｍ−１である。また、材料物質の量、すなわち、本質的には、一定の面積を前提とする厚さと、容積容量との間の比例性は、一般的に非線形である。
特定の電気的特性を要するいくつかの用途は、その結果として、多くの場合、いくつかのマイクロバッテリが、直列構造かまたは並列構造のいずれかで、互いに接続されていることを必要とする。したがって、マイクロバッテリを、直列または並列に互いに接続することにより、該マイクロバッテリが、有効（高電圧、高容量）であっても、材料物質の固有の特性のみでは実現することができない電力条件を、単一のマイクロバッテリに用いたときに満足させることができる。
単一のマイクロバッテリによっては実現することのできないこれらの電力条件を満足させるために、いくつかのマイクロバッテリを互いに接続するための多くの手法が、既に従来技術において提案されている。
また、互いに接続されたマイクロバッテリから成るスタックをより小型化するために、該スタックを備えたアーキテクチャを形成することも分かっている。
互いに接続されたマイクロバッテリから成るスタックを備えたアーキテクチャは、２つの別々のカテゴリーに分けることができる。
第１のカテゴリーは、各マイクロバッテリが、それ自体の支持体上に形成されるため、不均一集積によるアーキテクチャと見なすことができ、最終的なアーキテクチャは、集積によって形成され、この場合、全てのマイクロバッテリが互いに接続される。換言すれば、この第１のカテゴリーにおいては、以下のステップ、すなわち、
・同じ基板上の各個別のマイクロバッテリの薄層の堆積と、
・形成された全てのマイクロバッテリを支持する前記共通基板のカッティングと、
・該カッティングの後の、該マイクロバッテリの互いの電気的接続と、
が実施される。
この第１のカテゴリーにおいては、米国特許出願第２００９／０１３６８３９号を挙げることができ、該出願は、マイクロバッテリから成るスタックを備えたアーキテクチャと、その製造方法を開示しており、この場合、該マイクロバッテリは、このアーキテクチャにおいて、図５に示すように、単に直列で、または、単に並列で互いに接続することができる。この米国特許出願第２００９／０１３６８３９号により提案されたアーキテクチャには、いくつかの技術的限界があり、具体的には：
・該マイクロバッテリの電気的接続の固定構造。実際には、該マイクロバッテリは、その製造方法の一体化部分を構成する堆積およびエッチングのステップから得られる材料によって物理的に接続される。この接続の構造は、その結果として、製造後に、異なる出力電圧または容量を得るために変更することができない。また、欠陥があるマイクロバッテリを、形成済みの電気エネルギのマイクロソースから切り離すことも不可能であり、したがって、その機能的なマイクロバッテリの残りの部分、すなわち、いまだに作動状態にある該マイクロバッテリは、使用することができない。
・２つの隣接する積層されたマイクロバッテリ間の、エポキシ樹脂で形成された中間層の存在を前提として形成された該電気エネルギのマイクロソースの低容量エネルギ密度。
この第１のカテゴリーにおいては、米国特許出願第２００９／００２９２５１号も挙げることができ、該出願は、全て電気導電体である支持体によって互いに接続されたマイクロバッテリから成るスタックを備えるアーキテクチャを開示している。この出願により提案されたアーキテクチャに関する容積エネルギ密度は、この場合には、該支持体もまた、バスを構成していることを考えれば、上述したものよりも優れていると考えることができる。逆に、その提案されたアーキテクチャには、該マイクロバッテリの接続の固定構造という同じ技術的限界があるため、製造後に該接続を設定することが不可能である。
そして、この第１のカテゴリーにおいては、公知のアーキテクチャ、例えば、米国特許出願第２００８／０２６１１０７号明細書および同第２００６／０２１６５８９号明細書に開示されているその他の実施例を挙げることができ、それらには、同じ技術的限界、すなわち、製造中に確実に固定される電気的接続があり、その結果として、要望どおりに、その形成済みの電気エネルギのマイクロソースの電気的出力特性、すなわち、その出力電圧およびその放電容量を設定することが不可能である。
第２のカテゴリーは、このカテゴリーにおいては、該マイクロバッテリが、所定の基板上への堆積によって個別に形成されるため、モノリシック集積化によるアーキテクチャと見なすことができ、この場合、該マイクロバッテリの互いへの集積は、隣接するマイクロバッテリのいくつかの薄層内で実施される。そのため、この第２のカテゴリーにおいては、カッティングというステップ、または、後に実施される接続というステップがない。換言すれば、第２のカテゴリーによるアーキテクチャと、第１のカテゴリーによるアーキテクチャとを区別するのは、最終的に構成されたエネルギのマイクロソースが、全てのマイクロバッテリを構成する全ての薄層が、直接か否かにかかわらず、その上に堆積される単一の基板を含むということである。
第２のカテゴリーのマイクロバッテリのスタックを備えたアーキテクチャを開示している特許出願ＷＯ２００８／０５９４０９号を挙げることができる。この出願ＷＯ２００８／０５９４０９号の図１に示されている実施形態は、順に積層されたマイクロバッテリから成る２つの独立したスタックに分けられる４つのマイクロバッテリを備えたエネルギのマイクロソースに関し、この場合、その２つの独立したスタックは、同じ基板上に配置される。互いに積み重ねられた２つのマイクロバッテリは、電気的接続部、この場合、直列の接続部として、およびＬｉ＋イオンの拡散に抗するバリアとして作用する電子伝導性材料で形成された中間層によって離隔されている。その出力電圧は、該マイクロソースの異なる出力パッドへの切り替えを可能にする電子制御ユニットを用いることによって、設定することができる。
この出願ＷＯ２００８／０５９４０９号により提案されたアーキテクチャには、いくつかの技術的限界、より具体的には：
・積層されたマイクロバッテリが、電子伝導性材料で形成された中間層によって直列に接続されているという前提での、少なくとも該積層されたマイクロバッテリに関する接続部の固定構造と、
・物理化学的性質という制限と、
がある。
まず、このアーキテクチャに使用できる材料物質の数に限りがある。スタックは、例えば、ＬｉＣｏＯ２等の正電極材料によって２つのマイクロバッテリを作ることができない。実際には、ＬｉＣｏＯ２は、アニーリング中に該スタック内のＬｉＰＯＮ電解質等の層の存在と相いれない高温（７００℃）の活性化アニーリングを必要とする。加えて、所定の層の堆積の各ステップにおいて、使用する成膜ガスが、それまでに基板上に堆積された層に適合することが必要である。最終的に、全体のスタックは、高レベルの機械的応力を有する。
本発明の目的は、従来技術による方法の技術的限界の全てまたはある程度を補う、より具体的には、設定可能な電気的出力を可能にする、エネルギ貯蔵要素および／またはエネルギ生成要素、特にマイクロバッテリのスタックを有するアーキテクチャを用いた電気エネルギ貯蔵および／または生成装置を提案することである。
このことを実現するために、本発明の１つの目的は、多数の電気エネルギ貯蔵要素および／または電気エネルギ生成要素を含む電気エネルギ貯蔵および／または生成装置であり、この場合、各々が支持体上に形成され、およびそれらが順に積層されている、Ｎ個のそのような要素が存在する。
本発明によれば：
・各支持体は、支持されている要素を構成する薄層の周辺に、電子伝導性材料で形成された多数のパッドを有し、この場合、前記支持体を横断する、Ｘ×Ｎ個のそのようなパッドがあり、該支持されている要素の正のバスに接続された（Ｘ１）個のパッドがあり、および該支持されている要素の負のバスに接続された（Ｘ２）個のパッドがあり、および（Ｘ１＋Ｘ２）の合計はＸに等しく、
・Ｘ×Ｎ個のそのようなパッドの全ては、どの支持体であっても、おおよそ同じ相対的位置決めによって配置され、
・支持体のそれぞれ正および負の該バスに接続された各パッドは、別の支持体の、それぞれ正および負の該バスに接続されたパッドとは異なる位置に配置され、
・Ｎ個あるそのような支持体の全ては、該パッドが、積層方向で、Ｎに等しい数で互いに位置決めされた状態で積層され、この場合、Ｎに等しい数で位置決めされた該パッドもまた、互いに接続されている。
有利な特徴によれば、該支持されている要素のそれぞれ正および負のバスに接続された数（Ｘ１およびＸ２）のパッドは、それぞれ、Ｘの半分、すなわち、Ｘ／２に等しい。
より具体的には、本発明による該電気エネルギ貯蔵要素および／または電気エネルギ生成要素はマイクロバッテリであり、それらの各々は、電気絶縁支持体上に、または、該パッド間で、および該マイクロバッテリと該パッドとの間でのいかなる短絡も防ぐことが可能な電気絶縁膜によって少なくとも局所的に被覆された導電性支持体上に形成される。
全ての該支持体は、有利には、同じ基板で形成される。
積層された要素の全ての支持体は、好ましくは、互いに接合される。
各電気的貯蔵要素および／または電気生成要素、例えば、マイクロバッテリが、その支持体を越えて拡がっている構造においては、その高さが、該支持体から突出している該電気的貯蔵要素および／または電気生成要素の高さに少なくとも等しい追加的なパッドが、各スルーパッドの上に載っていることが有利に実現される。
各電気的貯蔵要素および／または電気生成要素、例えば、マイクロバッテリが、その支持体内に収まっている構造においては、該追加的なパッドは、もはや必要ない。同様に、下方の支持体によって支持される、マイクロバッテリ等の要素が積層時に収容される、上方に隣接する支持体の下側に、キャビティが形成される構造においては、該追加的なパッドは、もはや必要ない。
積層された要素の支持体は、好ましくは、絶縁接着剤によって互いに接合される。
一つの変形例によれば、同じ機能を有する該積層された要素の全ての薄層は、同じ材料物質で、および同じ厚さで堆積される。
代替例によれば、同じ機能を有する該積層された要素の全ての薄層は、異なる材料物質および／または異なる厚さで堆積される。
該スタックの上部または底部にある全てのパッドは、好ましくは、集積回路ユニットタイプのユニットＢの座部のタブに個々に接続される。
変形例によれば、該スタックの上部または底部にある各パッドと、該タブとの間の個々の接続部は、ワイヤによる接続部とすることができる。
代替的な変形例によれば、該スタックの上部または底部にある各パッドと、該タブとの間の個々の接続部は、フリップチップボンディングとすることができる。
したがって、本発明は、本質的に、プリアンブルで述べられている第１のカテゴリーによる積層アーキテクチャを備えているが、該マイクロバッテリの全てまたは一部の互いの直列および／または並列接続によって設定することができる電気的出力を有する電気エネルギマイクロソースを作り出すことにある。
換言すれば、本発明は、本質的に、該製造プロセスの終了時まで、該マイクロバッテリは、該スタック内では互いに電気的に接続されないということにある。その結果、各マイクロバッテリは、少なくとも２つの独立した正および負の出力バスを有し、全てのマイクロバッテリの出力は、最終的には、該スタックの上部または下部において、単一の面内に配置される。製造が完了すると、すなわち、該スタックが形成されて、該パッド間の電気的接続部が該スタック内に作られると、該出力も、可能性のある異なる出力の組合せを設定するために、適切な電子制御ユニットに接続される。
本発明の別の目的は、上述したような電気的エネルギ貯蔵および／または生成装置と、電気的貯蔵要素および／または電気生成要素から成るスタックの上部または底部にある全てのパッドに接続された電子制御ユニットとを含むシステムであって、この場合に、該電子制御ユニットが該要素のバスの全てまたは一部を互いに電気的に直列および／または並列に切り替えることができる該システムである。
本発明の他の効果および特徴は、図１〜図２Ｄを参照して、例示として、および非限定的に示されている本発明の実施形態に関する詳細な説明を読めば、より明確に思い浮かぶであろう。
図１は、本発明による個々のマイクロバッテリＭ１の平面図を示す。 図１Ａは、本発明による個々のマイクロバッテリＭ１の軸Ａ−Ａ’に沿った断面図を示す。 図２Ａは、図１および図１Ａに従って形成された３つの個々のマイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３からの、電気エネルギおよび貯蔵装置の製造のステップを示す。 図２Ｂは、図１および図１Ａに従って形成された３つの個々のマイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３からの、電気エネルギおよび貯蔵装置の製造のステップを示す。 図２Ｃは、図１および図１Ａに従って形成された３つの個々のマイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３からの、電気エネルギおよび貯蔵装置の製造のステップを示す。 図２Ｄは、図１および図１Ａに従って形成された３つの個々のマイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３からの、電気エネルギおよび貯蔵装置の製造のステップを示す。
マイクロバッテリＭ１は、電気絶縁材料で形成されたその支持体Ｓ１からの該薄層の積層の順に、
支持体Ｓ１上に直接堆積された、第１の出力バスを構成する薄層１０と、
バス１０上に堆積された、正の挿入電極を構成する薄層１１と、
正電極１１の上に堆積され、および該正電極を包囲している固体電解質を構成する薄層１２と、
電解質１２上に堆積された負の挿入電極を構成する薄層１３と、
負電極１２上に堆積され、および該負電極を包囲している第２の出力バス１４を構成する薄層１４と、
を含んでいる。
実施例として、
・薄層１１は、ＬｉＴｉＯＳで形成された、厚さ１〜３μｍの層であり、
・薄層１２は、ＬｉＰＯＮで形成された、厚さ１〜２μｍの層であり、
・薄層１３は、Ｓｉで形成された、厚さ５０ｎｍ〜１μｍの層であり、
・薄層１０および薄層１４の各々は、Ｔｉで形成された、厚さ２５０ｎｍ程度の層である。
個々のマイクロバッテリに対して、または、本発明による電気貯蔵および生成装置Ｍを構成するマイクロバッテリから成るスタックに対しては、封入部があってもよい。
支持体Ｓ１は、各々に電子伝導性材料が充填され、および各々がパッドを形成しているスルーホール１，２，３，４も含んでいる。これらのパッドは、マイクロエレクトロニクス分野において、ビアの通称で知られている。したがって、これらのビアは、電子伝導を可能にする。
図１および図２に示すように、該支持体は、２つの同等の群１＋，２＋，３＋，４＋；１−，２−，３−，４−に分けられる、８つに等しい複数のビアを含み、薄層１０，１１，１２，１３，１４のスタックの表面のいずれかの側が、マイクロバッテリＭ１を構成している。より正確には、４つ、すなわち、１＋，２＋，３＋，４＋は、該薄層から成るスタックの縁部上に設けられ、他の４つ、すなわち、１−，２−，３−，４−は、前記層の堆積の長さＬ１の方向の反対側の縁部上に設けられている。
本発明に照らして、ビアの数は、変えることができ、および本発明による電気エネルギマイクロソースを構成した後に積層されるマイクロバッテリの数Ｎに依存する。典型的には、該ビアの数は、積層される各マイクロバッテリに対して２つの出力バス１＋，１−；２＋，２−；３＋，３−があることが選択された場合、積層されるマイクロバッテリの数Ｎの少なくとも２倍に等しい。より一般的には、本発明によれば、各マイクロバッテリに対して、最小でも積層されるマイクロバッテリの総数Ｎに、各マイクロバッテリに所望される出力バスの数Ｘを乗じた数、すなわち、少なくともＸ×Ｎに等しい数のビアが形成される。換言すれば、各マイクロバッテリが、Ｘ１に等しい数の正のパッドと、Ｘ２に等しい数の負のパッドを有している場合、本発明に照らして、各支持体に対して、（Ｘ１＋Ｘ２）×Ｎに等しい数のパッドを有することが必要である。
特定のバスのためのいくつかのパッドを有することも、重要になりうる。すなわち、例えば、マイクロバッテリ等の電気的貯蔵および／または生成要素は、該要素を自動的に監視できるようにし、その監視測定を実行する等のために、該要素の負荷に接続されていない別の電気装置に接続することができる。
図１Ａによる断面図においては、電子伝導性材料で形成された追加的な薄層１Ｓが、ビア１＋，２＋，３＋，４＋；１−，２−，３−，４−の各々の上に選択的に堆積されていることが図を見て分かる。以下でより十分に説明するように、電子伝導性材料で形成された、これらの追加的で選択的なパッド１Ｓは、マイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３から成るスタックを互いに接合するステップの間に、ある機能を有している。
図１を見て分かるように、形成されたビア１＋，２＋，３＋，４＋；１−，２−，３−，４−は、所定のマイクロバッテリＭ１の場合に、同じ寸法になっており、および同じ構成材料から形成されている。また、それらは、該電解質の縁部にほぼ等しい距離に、４つから成る群で配列されている。その他の寸法、異なる構成材料および所定の支持体上への他の配置も想定可能である。逆に、以下で良好に理解できるように、本発明に照らして、全ての該ビアは、Ｘ×Ｎ個のそのようなビアがある場合に、どの支持体Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３であっても、互いに対する相対的位置決めに従っておおよそ配置される。
図１および図１Ａに図示されているマイクロバッテリＭ１の場合、各正の出力バス１０および負の出力バス１４は、それぞれ、その配列の端部に形成された単一のビア１＋，１−に接続されている。このことは、該接続部を、マイクロバッテリＭ１の支持面Ｓ１に対して垂直方向に移動させることを可能にする。該接続部を逆にすること、すなわち、それぞれ、図１の右側において、正のバス１０をビア１＋に接続し、および図１の左側において、負のバス１４をビア１−に接続することも可能である。
図２Ｂの平面図を見てより容易に分かるように、所定の支持体Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の全てのビア１＋，２＋，３＋，４＋；１−，２−，３−，４−に対して、同一の相対的位置決めが選択されている。該マイクロバッテリが、それらに関連する支持体に互いに積層される場合、それに伴って、全ての該ビアは、該マイクロバッテリの数Ｎだけ、該スタック方向において互いに対して垂直方向に配置される。逆に、積層される各マイクロバッテリに対して、異なるビア−出力バスの電気的接触位置が形成される。その結果、該電気的接続部は、それぞれ、：
・マイクロバッテリＭ１の場合は、ビア１＋，１−によって、
・マイクロバッテリＭ２の場合は、ビア２＋，２−によって、
・マイクロバッテリＭ３の場合は、ビア３＋，３−によって、
正のバス１０と負のバス１４との間に形成される。
換言すれば、ビア４＋，４−は、積層される全てのマイクロバッテリに対して、どの正のバス１０または負のバス１４も接続されない。
このようにして、本発明によるマイクロバッテリから成るスタックは、正および負の全ての出力バスを、各マイクロバッテリの支持面から、該スタックの上部および／または底部の平面へ垂直方向に移動させることを可能にし、また、この手段により、構成されたエネルギのマイクロソースを電子制御ユニットに接続できるようにしている。その結果、そのような電子制御ユニットは、可能性のある異なる組合せ間のスイッチング、すなわち、該マイクロバッテリの出力バス間の可能性のある異なる電気的接続部へのスイッチングを可能にし、そのため、要望どおりに、出力電圧レベルまたは貯蔵容量を設定することを可能にする。
図２Ａ〜図２Ｄは、本発明による３つのマイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３から成るスタックを備えたアーキテクチャを完全に得るための様々な製造工程を示す。
マイクロバッテリＭ１が、その支持体Ｓ１から突出し、および追加的なパッド１Ｓの存在が好ましい、図１および図１Ａによる構造とは異なって、図２Ａ〜図２ＤによるマイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、それらの各々の支持体内に収められているということに注目されたい。
第１のステップは、全てのビア１＋，２＋，３＋，４＋；１−，２−，３−，４−を、電気絶縁材料で形成された同一の基板Ｓに形成することと、全てのマイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍｉを構成する全ての薄層を、前記基板上に堆積する（図２Ａ）ことにある。この場合、明確にするために、同じ機能（正のバス、正電極、固体電解質、負電極、負のバス）を有する、各堆積された薄層１０，１１，１２，１３，１４が、全ての該マイクロバッテリにおいて、同じ厚さで、および同じ構成材料から形成されることが考慮される。該基板は、Ｓｉ、ガラス等とすることができる。電子伝導性基板を想定することも可能であり、その場合、該基板は、該マイクロバッテリと該パッドとの間、および該パッド間でのどのような短絡も防ぐことが可能な電気絶縁膜によって、少なくとも局所的に被覆される。
前述したように、および別のものと異なる、その支持体に対するマイクロバッテリのビア−バスの接触位置により、該バスのレイアウトだけは、１つのマイクロバッテリと他のものとで異なっている。このレイアウトは、好ましくは、フォトリソグラフィの工程中に変更することができる。
第２のステップは、同じ基板Ｓから形成されたマイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３…Ｍｉを個々にカッティングすることと、該ビア−出力バス接触部のレイアウトに従って、該マイクロバッテリが該スタック内に含まれる位置によって、該マイクロバッテリを分類することとにある。すなわち、図２Ｂに示すように、以下のものが、この連続する積層順に配置される。：
・端部のビア１＋，１−が、その２つのバス、すなわち、それぞれ正のバス１０および負のバス１１に接続された状態でカッティングされて形成されたマイクロバッテリＭ１、
・マイクロバッテリＭ１の下に隣接するマイクロバッテリＭ２、この場合、マイクロバッテリＭ２は、そのビア２＋，２−がビア１＋，１−のすぐ隣に隣接し、およびその２つのバス、すなわち、それぞれ正のバス１０および負のバス１１に接続された状態でカッティングされて形成される、
・マイクロバッテリＭ２の下に隣接するマイクロバッテリＭ３、この場合、マイクロバッテリＭ３は、そのビア３＋，３−がビア２＋，２−のすぐ隣に隣接し、およびその２つのバス、すなわち、それぞれ正のバス１０および負のバス１１に接続された状態でカッティングされて形成される。
共通の基板Ｓをカッティングする前に、この基板を薄くするステップを実施できることに注目されたい。
第３のステップは、本発明によるそのスタッキングアーキテクチャを完成させるために、マイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３を互いに接合することにある。該接合ステップを実施する場合（図２Ｃ）、それらの支持体Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３における同じ位置のビア間の電気的接続部を形成しなければならない。換言すれば、該接合のステップの終了時に、所定の支持体Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の符号１＋，１−；２＋，２−；３＋，３−；４＋，４−で示されている全てのビアが、同様の符号で示されている別の支持体のビアに電気的に接続される。あるいは、それを別の方法でできるようにするには、全ての該支持体の同一の所定位置の全ての該ビアが、その積層方向で互いに電気的に接続されるが、それらのうちの１つだけは、正のバスに接続され、およびそれらのうちの１つだけは、負のバスに接続される。この接合ステップは、いくつかの方法を用いて実施することができる。好ましくは、固相拡散による接合のステップ、すなわち、適切な温度で機械的圧力を印加した後に、金属間化合物の形成を伴う、金属−金属接合が実施される。この接合のステップは、例えば、所定の支持体Ｓ２上に堆積された電子伝導性材料で形成された追加的なパッド１Ｓと、その上に積層された支持体Ｓ１のビア１＋，１−との間で実施することができる。支持体Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３間の接続／接合のステップもまた、フリップチップ手段により、または、支持体全体を覆って、または、該ビア上に局所的に堆積される異方性導電膜（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ：ＡＣＦ）と呼ばれる膜によって実施することができる。
マイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３間の物理的積層、およびそれらの積層方向における同じ位置のビア間の電気的接続の終了時には、本発明による電気エネルギＭのマイクロソースが得られている。
第４のステップは、マイクロソースＭの接続を完成させることにある。この場合の目的は、該スタックの上部のマイクロバッテリＭ１の符号１＋，１−；２＋，２−；３＋，３−；４＋，４−で示されている全ての該ビアを、集積回路ユニットタイプのユニットＢの座部６のタブ６０に個別に接続することである。図２Ｄに示すように、この接続部は、ワイヤボンディング法５を用いて、ビアとタブ６０との間に形成することができる。この接続部を形成するのに、他の方法、例えば、フリップチップボンディング法を想定することも可能である。
一旦、このようにして、電気エネルギＭのマイクロソースが、その外部接続部６０によって形成されると、図示されていない電子制御ユニットとの後の接続は、該マイクロバッテリのバスの全てまたは一部を、電気的に直列および／または並列に互いに接続することを可能にする。換言すれば、マイクロバッテリＭ１〜Ｍ３間の可能性のある異なる組合せに切り替えること、および例えば、出力電圧レベルまたは貯蔵容量を設定することが可能である。
例えば、３つのマイクロバッテリＭ１，Ｍ２，Ｍ３を電気的に並列にするには、出力１−，２−，３−が、同じ第１の外部端子に接続され、および出力１＋，２＋，３＋が、同じ第２の外部端子に接続される。
別の実施例として、マイクロバッテリＭ１をマイクロバッテリＭ３と電気的に直列にするには、出力１−が第１の外部端子に接続され、出力１＋および出力３−が一緒に接続され、そして、出力３＋が第２の外部端子に接続される。
このように記載された本発明は、以下の効果を有している：
・電気出力を、当該用途に従って設定することができる。
・異なる挿入材料を有する電極を有するマイクロバッテリを積層することにより、出力の可能性を増やすことができる。例えば、各々が、０．４Ｖの出力電圧を供給するように、Ｓｉ／Ｌｉで形成された正および負の電極のペアによって構成された、直列で設けられた２つのマイクロバッテリを用いることができ、および１１．４Ｖの出力電圧を供給するために、最初の２つのバッテリと積層され、および各々が、ＬｉＣｏＯ２／Ｌｉで形成された正および負の電極のペアによって構成された、直列に設けられた他の３つのマイクロバッテリを用いることができる。
・該出力に共通の該スタックのマイクロバッテリを利用しない出力を伴う、異なる電気的特性を有する２つまたは３つの出力があってもよい。
本発明に関連して、その他の変形および改良を想定することができる。すなわち、例えば、符号４＋，４−で示されているパッドが、マイクロバッテリのどのバスにも接続されていない場合、このことも想定可能であり、すなわち、各支持体に形成された全てのビアが、所定のマイクロバッテリのバスへのコンタクトとして機能することが実現できる。
上述したように、特に、２つの異なるレベルの出力電圧を有することが求められる場合、異なる薄層から成るスタックが設けられたいくつかのマイクロバッテリから成るスタックを想定することができる。したがって、１つ以上のＬｉ／ＬｉＰＯＮ／ＬｉＣｏＯ２タイプのマイクロバッテリ上に、１つ以上のＬｉ／ＬｉＰＯＮ／ＴｉＳタイプのマイクロバッテリを積層することができる。

Claims (13)

  1. 複数の電気エネルギ貯蔵要素および／または電気エネルギ生成要素（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）を有する電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）であって、この場合、各々が、支持体（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）上に形成され、および順に積層された、Ｎ個のそのような要素がある電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）であって、
    各支持体は、支持されている要素を構成する薄層（１０，１１，１２，１３，１４）の周辺に、電子伝導性材料で形成された複数のパッド（１，２，３，４）を有し、この場合、前記支持体を横断する、（Ｘ×Ｎ）個のそのようなパッドがあり、前記支持されている要素の正のバス（１０）に接続された（Ｘ１）個のパッドがあり、および前記支持されている要素の負のバス（１４）に接続された（Ｘ２）個のパッドがあり、および（Ｘ１＋Ｘ２）の合計はＸに等しく、
    （Ｘ×Ｎ）個のそのようなパッドの全ては、どの支持体（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）であっても、おおよそ同じ相対的位置決めによって配置され、
    支持体のそれぞれ正および負の前記バスに接続された各パッドは、別の支持体の、それぞれ正および負のバスに接続されたパッドとは異なる位置に配置され、
    Ｎ個あるそのような前記支持体の全ては、前記パッドが、積層方向で、Ｎに等しい数で互いに位置決めされた状態で積層され、この場合、Ｎに等しい数で位置決めされた前記パッドもまた、互いに接続されている、
    ことを特徴とする電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  2. 前記支持されている要素のそれぞれ正のバス（１０）および負のバス（１４）に接続された数（Ｘ１およびＸ２）の前記パッドは、それぞれ、Ｘの半分、すなわち、Ｘ／２に等しいことを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  3. 前記電気エネルギ貯蔵要素および／または電気エネルギ生成要素はマイクロバッテリであり、それらの各々は、電気絶縁支持体上に、または、前記パッド間で、および前記マイクロバッテリと前記パッドとの間での短絡を防ぐことが可能な電気絶縁膜によって少なくとも局所的に被覆された導電性支持体上に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  4. 全ての支持体（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）が、同じ基板（Ｓ）から形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  5. 前記積層された要素の全ての前記支持体が互いに接合されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  6. その高さが、前記支持体を越えて拡がっている前記電気的貯蔵および／または生成要素の高さに少なくとも等しい追加的なパッド（１Ｓ）が、各スルーパッド（１＋，１−；２＋，２−；３＋，３−；４＋，４−）の上に載っていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  7. 前記積層された要素の支持体（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）は、絶縁接着剤によって互いに接合されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  8. 同じ機能を有する積層された要素（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の全ての薄層（１０または１１または１２または１３または１４）は、同じ材料物質で、および同じ厚さで堆積されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  9. 同じ機能を有する積層された要素（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の全ての薄層（１０または１１または１２または１３または１４）は、異なる材料物質で、および／または異なる厚さで堆積されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  10. 前記スタックの上部または底部にある全ての前記パッドは、集積回路ユニットタイプののユニットＢの座部（６）のタブ（６０）に個別に接続されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  11. 前記スタックの上部または底部にある各パッドと、前記タブとの間の個々の接続部は、ワイヤによる接続部（５）であることを特徴とする請求項１０に記載の電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  12. 前記スタックの上部または底部にある各パッドと、前記タブとの間の個々の接続部は、フリップチップボンディングであることを特徴とする請求項１０に記載の電気エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）。
  13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の電気的エネルギ貯蔵および／または生成装置（Ｍ）と、電気的貯蔵要素および／または電気生成要素から成る前記スタックの上部または底部にある全ての前記パッドに接続された電子制御ユニットとを含むシステムであって、前記電子制御ユニットは、前記要素のバスの全てまたは一部を互いに電気的に直列および／または並列に切り替えることができるシステム。
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