集成超级电容器制造技术

超级电容器具有衬底，在衬底内集成的至少两个多孔电极和在至少两个多孔电极之间延伸的电解质。电解质与衬底一体化，并且位于衬底内。至少两个多孔电极和电解质被配置为作为超级电容器存储电荷。

Integrated supercapacitor

The supercapacitor has a substrate, at least two porous electrodes integrated within the substrate, and an electrolyte extending between at least two porous electrodes. The electrolyte is integrated with the substrate and is located within the substrate. At least two porous electrodes and electrolytes are configured to store charge as a supercapacitor.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成超级电容器
本明一般涉及超级电容器，更具体地说，本专利技术涉及形成减薄型超级电容器。
技术介绍
尽管便携式电子设备的尺寸不断缩小，但其能量需求往往不能相对降低。例如，下一代MEMS加速度计的体积可以比现有技术的MEMS加速度计小10％，而且要求的功率比现有技术的MEMS加速度计的功率减少5％。在这种情况下，更多的MEMS管芯可以用于储能。不利地，这种趋势可以限制这种电子设备的小型化和适用性。该技术通过开发具有比常规电容器更大的电容的芯片级超级电容器(也称为“微型超级电容器”)来应对这个问题。具体来说，与传统的电容器和电池相比，超级电容器通常具有更高的功率密度，更短的充电和放电时间、更长的寿命周期和更快的开关能力。尽管它们的容量很大，但是超级电容器仍然具有进一步的限制-它们的高度/外形常常相对较大(例如，由于包装)，并且在模具上容纳/形成它们的可用区域通常很少。
技术实现思路
根据本专利技术的一个实施例，超级电容器具有衬底，整合在衬底内的至少两个多孔电极和在至少两个多孔电极之间延伸的电解质。电解质与衬底一体化，并且位于衬底内。至少两个多孔电极和电解质被配置为作为超级电容器存储电荷。衬底在三个方向上具有最大尺寸(例如，在笛卡尔坐标，X方向，Y方向和Z方向上)。优选地，至少两个电极完全位于衬底的最大尺寸内。超级电容器还可以具有覆盖至少两个多孔电极的集电器。此外，形成超级电容器时，衬底可以具有附加的组件。例如，该装置还可以具有形成在基板上和/或基板中的MEMS结构。在这种情况下，MEMS结构任选地可以与至少两个多孔电极电耦合，并且至少两个多孔电极和电解质与MEMS结构物理间隔开。然而，一些实施例可能不将MEMS结构电连接到超级电容器。作为另一示例，该装置还可以具有形成在衬底上和/或衬底中的有源电路。有源电路可选地可以与至少两个多孔电极电耦合。所述至少两个多孔电极优选间隔开并且大体上彼此平行。本领域技术人员优选为超级电容器的各种组件选择合适的材料。例如，衬底可以包括硅(例如，来自硅晶片的单晶硅)，和/或至少两个多孔电极可以包括石墨烯。所述至少两个多孔电极和电解质可在衬底内形成非直线路径。这应该允许更优化地使用衬底体积/面积，从而允许比许多直线实现更高的容量。例如，至少两个多孔电极和电解质可以在衬底内形成蛇形路径。根据另一个实施例，能量存储装置具有衬底，整合在衬底内的至少两个电极，在所述至少两个电极之间延伸的电解质。电解质与衬底集成并定位在衬底内。至少两个电极和电解质被配置为存储电荷(例如，作为电池或超级电容器)。根据其他实施例，形成超级电容器的方法提供了具有初始外表面(即在其被显着蚀刻之前或在形成沟槽之前)的衬底，然后在衬底内形成至少两个多孔电极。该方法还在至少两个电极之间形成电解质区域，以接收电解质，然后将电解质添加到电解质区域。在这种情况下，电极和电解质优选形成为不延伸超出衬底的初始外表面。该方法还形成至少两个集电器，使得每个电极与一个集电器电连通。附图说明参考下面总结的附图讨论的，本领域技术人员应该从下面的“示例性实施例的描述”中更充分地理解本专利技术的各种实施例的优点。图1A示意性地示出了根据本专利技术的示例性实施例配置的超级电容器的透视图。图1B示意性地示出了图1A的超级电容器，其中许多衬底壁被示出为透明以更好地示出超级电容器的内部组件。图2示出了根据本专利技术的示例性实施例形成图1A的超级电容器的过程。图3A-3C示意性地示出了图2的工艺的步骤202中的超级电容器的不同视图。省略了图3A和4-8中的周围的硅以更好地示出内部结构。周围的氧化物以夸张的形式示出，以更好地显示该设备的部分。图4示意性地示出了图2的步骤204的超级电容器的一部分。图5A-5B示意性地示出了图2的步骤206中的超级电容器的一部分。图6示意性地示出了图2的步骤208中超级电容器的一部分。图7示意性地示出了图2的步骤210的超级电容器的一部分。图8示意性地示出了图2的步骤212中的超级电容器的一部分。图9示意性地示出了超电容器的实施例，其中电极和电解质处于非直线构型-在该示例中为蛇形形状。图10示意性地示出了具有在相同裸片/衬底上的电路和/或MEMS设备的超级电容器的实施例。具体实施方式在示例性实施例中，形成具有最小轮廓的超级电容器，因此减小了在诸如印刷电路板的较大系统中所需的垂直空间的量。为此，超级电容器具有至少两个电极和不延伸超过其衬底(例如，硅片)外部边界的电解质。事实上，与形成超级电容器相比，相同的结构是足够的，足以用作电池或其他电荷存储装置的基础。下面讨论示例性实施例的细节。图1A示意性地示出了根据本专利技术的示例性实施例配置的微超级电容器管芯(以下称为“超级电容器10”)的透视图。图1B示意性地示出了相同的超级电容器10，但是其大部分支撑结构是透明的，以明确地示出其一些内部组件。具体地，图1A和1B的超级电容器10是具有在电解质材料(“电解质16”)的每一侧上具有一对电极14的基板12的整体芯片级装置。与其他超级电容器一样，电极14和电解质16配合以具有存储规定电荷的能力。超级电容器10还具有集电器18层以收集电极14的电荷，以及形成在集电器18顶部上的薄的钝化/包装材料20层。每个集电器18可以在其一个或多个暴露表面与焊盘22电连接，以允许与设备外部的电子组件电通信。如上所述，电极14和电解质16被集成到基板12中，它们优选地嵌入到衬底12中，使得它们不延伸出衬底12。换句话说，衬底12在三个衬底12中具有最大尺寸笛卡尔坐标系的尺寸，电极14和电解质16在这些尺寸内。例如，图1A中的超级电容器10的衬底12在X方向上具有D1的长度，在Y方向上具有D2，在Z方向上具有D3。在这种情况下，电极14和电解质16各自具有在相应尺寸上实质上等于或小于D1，D2和D3中的任何一个的X，Y和Z尺寸-优选地等于或小于所有三个尺寸D1，D2和D3。图1B的视图更清楚地显示了这种关系。然而，一些替代实施例可以允许电极14或电解质16的一部分延伸超出所述边界中的一个或多个。以类似的方式，钝化层20、集电体18和衬垫22也可以被形成为不明显地从衬底12延伸出来-而是将这些组件集成在衬底12之上或者仅仅可忽略地延伸到衬底12之上。其中，衬垫22优选地允许表面安装或者用传统的引线键合结合。因此，在这种情况下，超级电容器10的轮廓不应该明显地超过衬底12的轮廓。然而，在其他实施例中，集流器18、钝化层20和/或衬垫22确实增加了小而明显的附加厚度，其超出衬底12的厚度。使用上述示例，集电器18、钝化层20和/或衬垫22可能导致整个超级电容器结构在一定程度上超过D1，D2和/或D3。这样的实施例优选地不会明显地延伸超过这些边界，因此仅向相关维度添加非实质额外的量(例如，将其延伸2至5％)。然而，其他这样的实施例可以基本上增加其中一个维度。电极14可以由超级电容器领域中已知的常规材料形成-优选地是多孔固体材料。例如，如下面更详细讨论的那样，电极14可以由石墨烯形成，其已知是具有曲折的内部和外部表面的多孔材料。实际上，暴露于电解质16的电极14的每个表面因此可以被认为是以公知的方程式表示的电容器板的表面积的一部分：C＝ε*(A/D)(Equation1),其中:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容器，包括：衬底；至少两个多孔电极集成在衬底内；和在所述至少两个多孔电极之间延伸的电解质，所述电解质与所述衬底一体化，所述电解质在所述衬底内，所述至少两个多孔电极和电解质配置成作为超级电容器存储电荷。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.08 US 14/509,9501.一种超级电容器，包括：衬底；至少两个多孔电极集成在衬底内；和在所述至少两个多孔电极之间延伸的电解质，所述电解质与所述衬底一体化，所述电解质在所述衬底内，所述至少两个多孔电极和电解质配置成作为超级电容器存储电荷。2.根据权利要求1所述的超级电容器，其中，所述衬底在三个方向上具有最大尺寸，所述至少两个电极完全位于所述衬底的最大尺寸内。3.根据权利要求1所述的超级电容器，还包括覆盖所述至少两个多孔电极的集电器。4.根据权利要求1所述的超级电容器，其中，所述至少两个多孔电极间隔开并且实质上彼此平行。5.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述衬底包括硅。6.根据权利要求1所述的超级电容器，其中，所述至少两个多孔电极和电解质在所述衬底内形成非直线路径。7.根据权利要求6所述的超级电容器，其中，所述至少两个多孔电极和电解质在所述衬底内形成蛇形路径。8.根据权利要求1所述的超级电容器，包括形成在衬底上和/或衬底中的MEMS结构，所述MEMS结构与所述至少两个多孔电极电耦合，所述至少两个多孔电极和电解质与MEMS结构。9.根据权利要求1所述的超级电容器，其中所述至少两个多孔电极包括石墨烯。10.根据权利要求1所述的超级电容器，还包括形成在所述衬底上和/或衬底中的有源电路，所述有源电路与所述至少两个多孔电极电耦合。11.一种能量存储装置，包括：衬底；集成在衬底内的至少两个电极；和在所述至少两个电极之间延伸的电解质，所述电解质与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜英琪，杨光隆，
申请(专利权)人：美国亚德诺半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国,US