(57)【要約】【課題】  ソフトリソグラフィ技法を使用して形成されるＭＥＭＳ容積リチウムイオンバッテリを提供すること。【解決手段】  このバッテリは、増大された容積を介してＺ寸法を利用し、一方、１立方ミリメートル当たり１ジュールの可能な化学反応を使用することにより、対応する容量の増大を伴う削減された設置面積を含む。このバッテリは、１ミリメートルのセルサイズ、１立方ミリメートルのセル容積に作製することができる。このバッテリは、直列および並列で電気的に接続された、またシステムオンチップに一体化されたバッテリバンクの形に形成することができる。また、このバッテリは、オンボード応用分野用に実施することができ、宇宙、航空、地上における応用分野に、特にＭＥＭＳボリュメトリックバッテリを提供するのに適している。【選択図】  図１
2004296432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードの隙間にあり、それらと連通する電解質セパレータであって、アノード、カソード、および電解質セパレータが容積が１立方ミリメートル以下のマイクロバッテリを形成する電解質セパレータと
を備えたことを特徴とするボリュメトリックリチウムイオンエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項２】
前記電解質セパレータは、約１ミリメートル厚であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記デバイスは、約１ミリメートル厚であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記アノードは、リチウムからなることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記カソードは、二酸化マンガンからなることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記電解質セパレータは、炭酸プロピレン、１，２−ジメトキシエタン、および炭酸プロピレンと１，２−ジメトキシエタンの混合物のうち少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記電解質セパレータおよび前記アノード、ならびに前記電解質セパレータおよび前記カソードのうち少なくとも１つの間に形成された最適化材料をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記最適化材料は、セラミックおよびプラスチックのうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
ソフトリソグラフィ技法に従って製造されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１０】
システムオンチップに一体化されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１１】
対応する設置面積の削減に対応してエネルギー貯蔵容量が増大することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
１立方ミリメートル当たり約１ジュールのエネルギー貯蔵容量を提供することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
再充電可能なデバイスであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
ソフトリソグラフィ技法に従って製造されるリチウムイオンエネルギー貯蔵デバイスであって、
アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードの隙間にあり、それらと連通する電解質セパレータであって、前記アノード、前記カソード、および前記電解質セパレータはボリュメトリックの前記エネルギー貯蔵デバイスを形成し、該ボリュメトリックデバイスは１ミリメートル以下のセルサイズ、または１立方ミリメートル以下のセル容積のうち少なくともいずれかである電解質セパレータと
を備えたことを特徴とするデバイス。
【請求項１５】
単一のチップ上で集積された電子システムであって、
高速回路と、
前記高速回路のすべてまたは選択された一部分に電力を供給するための１つまたは複数のボリュメトリックバッテリと
を備えたことを特徴とするシステム。
【請求項１６】
前記１つまたは複数のボリュメトリックバッテリが、前記チップ全体にわたって分散され、直列および並列のうち少なくともいずれかで電気的に接続されることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
単一のチップ上で集積されたシステムであって、
回路と、
検知信号を前記回路に送るために前記回路に接続されて動作可能な１つまたは複数のセンサと、
アクチュエータ信号を前記回路に送るために前記回路に動作可能に接続された１つまたは複数のアクチュエータと、
前記回路、１つまたは複数のセンサ、および１つまたは複数のアクチュエータのうち少なくとも１つに電力を供給するために接続されて動作可能な１つまたは複数のボリュメトリックバッテリと
を備えたことを特徴とするシステム。
【請求項１８】
前記１つまたは複数のボリュメトリックバッテリが、前記チップ全体にわたって、給電するエンティティに近接して分散されることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記１つまたは複数のボリュメトリックバッテリが、直列および並列のうち少なくともいずれかで電気的に接続されることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記１つまたは複数のボリュメトリックバッテリが、チップ上、およびチップ外で個々に分散されることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２１】
ボリュメトリックリチウムイオンバッテリを提供する方法であって、
アノード、カソード、および電解質セパレータを生産するためにソフトリソグラフィ技法を使用するステップであって、前記アノード、前記カソード、および前記電解質セパレータの組合せにより１立方ミリメートル以下の容積を有するマイクロバッテリが形成されるステップ
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記電解質セパレータは、約１ミリメートル厚であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ボリュメトリックバッテリは、１辺当たり１ミリメートルの立方体寸法を有することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記ボリュメトリックバッテリは、１ミリメートル以下のセルサイズ、および１立方ミリメートル以下のセル容積のうち少なくともいずれかであることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリに関し、より詳細には、ソフトリソグラフィ技法を使用して微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）用に製造された微小ボリュメトリックバッテリに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体業界では、より高いデバイス密度を目指す傾向が続いている。これらの高密度を達成するために、半導体基板上のデバイス寸法を（たとえば、サブミクロンレベルで）縮小することへの努力がなされ、また継続している。そのような高いデバイス実装密度を達成するために、ますます小さい形状が必要とされる。しかし、光学リソグラフィ技法は、回折によって制限され、さらに、生産することができる最小形状に実際上の制限がある。絶えず増え続ける特徴（ｆｅａｔｕｒｅ）を単一の基板上で提供するために、新しい技法が開発され続け、洗練されてきている。最近の微細加工技術の発展により、半導体基板上に形成されるマイクロメカニカル要素を導入することができる。
【０００３】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、電子工学／機械要素、センサ、アクチュエータなどを、微細加工技術を使用してシリコン基板上で一体化することを含む。ＭＥＭＳ技術の導入によって、マイクロセンサの知覚能力やマイクロアクチュエータの制御能力を用いてマイクロエレクトロニクスの計算能力を促進することにより、ほぼすべての製品カテゴリに革命をもたらすことが約束されている。これらの要素を単一の基板上で作製し一体化すると、完全なシステムをチップ上で実現することが可能になる。
【０００４】
技術の進歩は、新しいタイプの機能をチップ上に直接組み込むことを可能にし、チップ上のインテリジェントマイクロシステムを可能にする。環境から情報は、機械特性、熱特性、生物学的特性、化学特性、光学特性、磁気特性をセンサで測定することによって収集される。電子回路は、センサからもたらされたこの情報を処理し、およびアクチュエータに応答させて、移動、位置決め、調節、汲上げ、ろ過させ、これによって、所望の結果のために環境を制御するように指示する。
【０００５】
微小電子要素と微小機械要素の組合せであるＭＥＭＳデバイスは、集積回路に使用されているものと同様な作製技法を使用して製造される。電子回路は、従来の集積回路プロセス（フォトリソグラフィ、電子線リソグラフィなど）を使用して作製され、微小機械構成部品は、シリコンウェハの一部を選択的にエッチング除去し、および／または新しい構造層を追加して機械デバイスおよび電気機械デバイスを形成する、互換性のあるマイクロマシニングプロセスを使用して作製される。ソフトリソグラフィと呼ばれる新たに開発されたリソグラフィプロセスは、３次元物体を形成するのに役立つ。
【０００６】
ソフトリソグラフィは、１組の代替のフォトリソグラフィではない微細加工技法である。ソフトリソグラフィプロセスは、パターン形成されたレリーフ構造をその表面に有するエラストマーブロックを使用する。パターン付きエラストマーは、マイクロパターンおよびマイクロ構造を生成するために、スタンプ、型、または（従来のリソグラフィ加工で使用される硬いフォトマスクではない）マスクとして使用される。ソフトリソグラフィ技法は、露光のために光または他のどのタイプの放射も投射しないため、これらの技法は、フォトリソグラフィ固有の回折による制限を受けない。エラストマーがスタンプまたは型として使用されるため、ソフトリソグラフィ技法により、３次元構造を作成することができ、また平坦ではない表面上にパターンおよび構造を生成することができる。これらの有用な能力を用いると、ソフトリソグラフィは、従来のリソグラフィプロセスで容易に生産することができなかった新しいデバイスの生産が可能になる。
【０００７】
ＭＥＭＳ技術の利用には、電子工学の分野を完全に変化させる可能性がある。航空宇宙産業、自動車産業、医療産業は、そのような技術を有意に適用することができる可能性がある。しかし、これらの新しい技術の利用は、小型の電源、特にバッテリの使用可能性によって制限される。最も可能性のある新しいデバイスは、小型、軽量、効率的、コスト効果的なエネルギー源を必要とすることになる。
【０００８】
ノートブックコンピュータ、ＰＤＡ、携帯電話など、より大きな消費者向け電子デバイスは、数枚の紙のように互いに重ねられた正電極および負電極を有する従来のバッテリを使用する。より多くの電力を有するバッテリを作成するために、追加の電極層が使用される。その結果、サイズと重量を代償にして、より強力なバッテリとなる。さらに、従来の幾何形状を、ＭＥＭＳデバイスに給電するのに必要とされるサイズに縮小すると、これらのバッテリは、適切な電力を有することができない。医療産業、自動車産業、航空宇宙産業が、そのような新しい技術によって提供された可能性を完全に利用することができるようになれば、ＭＥＭＳデバイス用のエネルギー源を提供するために、従来の使用可能ないずれのバッテリより小さい、より強力なバッテリが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
小さいサイズのためにエネルギーを犠牲にしない軽量バッテリは、コンピュータ、携帯電話、ビデオカメラ、ならびに他の電子デバイスおよび／またはＭＥＭＳデバイスのサイズが縮小するにつれて、ますます求められる。小型、軽量のエネルギー源は、この分野の発展を促進し維持するために不可欠である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書に開示および特許請求されている本発明は、その一態様では、Ｚ軸に沿って有意な厚さを備えるバッテリを作成することを可能にし、一方それと同時に、Ｘ寸法およびＹ寸法において、必要とされる表面積を最小限に抑えるソフトリソグラフィ技法を使用して生産されるボリュメトリックマイクロバッテリを提供する。本発明は、少なくとも宇宙、航空、および地上での応用分野、微量分析システム、生体表面および材料、ならびに微小光学に適した、設置面積が小さく小容積の電源の使用を容易にする。Ｚ寸法を使用することにより、単位表面積当たり最大の量のエネルギーを貯蔵することができ、ミリメートル未満の寸法で有意なエネルギー貯蔵が可能になる。次いで、所与の電力応用分野をサポートするための容積に従ってバッテリを作製することができる。
【００１１】
本発明の他の一態様によれば、セルサイズが１ミリメートルと同程度、セル容積が１立方ミリメートルと同程度のバッテリが提供される。これらの寸法と幾何形状は、設置面積の削減で約１０分の１以下になり、その小さな設置面積で容積の増加が約３０倍以上になる、設置面積と容積の最小の組合せを含むバッテリセルのサイズおよびセル容積を生み出す。
【００１２】
本発明の一態様によれば、設置面積が約１平方センチメートルになる３次元バッテリが、約１ミリメートルの電解質の厚さを含み、このバッテリは、同じ表面積と約１０ミクロンの電解質の厚さを有する典型的な平坦型バッテリの貯蔵エネルギーの１００倍を超えるエネルギーを貯蔵することができる。
【００１３】
本発明の他の一態様によれば、作製プロセスで使用される材料が、シリコンなど従来の半導体材料に加えて、セラミックおよびプラスチックなど非従来型材料を含む。そのような追加材料の使用は、選択された電解質とより適合するように、電解質タンクの作製に使用される材料を最適化することを可能にする。材料を最適化することにより、動作寿命のより長い、より効率的で信頼性のある電源が提供される。
【００１４】
本発明の他の一態様によれば、バッテリを微小電子要素と直接一体化し、オンチップ電源を提供することができる。オンチップ電源を使用することにより、最小の設置面積または表面積要件で実施された完全な自蔵式システムオンチップが提供される。オンチップの埋込み接続部は、バッテリと電子回路の間で電気接続を提供する。
【００１５】
本発明の他の一態様によれば、３次元バッテリを作製するために実施される作製方法は、従来の電子構成部品に加えて、センサおよびアクチュエータを生産するためのＭＥＭＳ技法に互換性がある。作製方法に互換性があるため、センサと、電子回路と、アクチュエータと、本発明の一態様による埋込み電源とを含む完全な、チップ上の自己給電式システムを作製することができる。
【００１６】
本発明の他の一態様によれば、個々のバッテリセルが、ＭＥＭＳまたは他の電子タイプデバイス全体にわたって分散される。そのようなバッテリは、必要な場合にセンサ、電子回路、および／またはアクチュエータに局所電源を提供するために配置される。達成可能な小さなサイズと、単位面積当たりの高いエネルギー貯蔵量により、貯蔵エネルギーをデバイス全体にわたって効果的に分配することができる。デバイス全体にわたってエネルギー貯蔵量をこのように分配することにより、貯蔵エネルギーをより効率的に使用することができ、チップ外の、または中央に位置するオンチップの電源からエネルギーを分配することに関連する損失が最小限に抑えられる。
【００１７】
以下の説明および添付の図面は、本発明のある種の例示的な諸態様について詳細に述べている。しかし、これらの態様は、本発明の原理を使用することができる様々な方法をいくつか示すにすぎず、本発明は、そのような諸態様とその均等物すべてを含むものとする。本発明の他の利点および新規な特徴は、図面と共に考察したとき、以下の本発明の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明について図面および例を参照しながら説明する。以下の記述では、本発明を完全に理解するために、説明の目的で多数の詳細な具体例が説明されている。しかし、本発明をこれらの詳細な具体例なしに実施できることは自明である。他の例では、本発明について説明するのを容易にするために、周知の構造およびデバイスがブロック図の形態で示されている。本願では、「構成部品」および「システム」という用語は、電子デバイス、エネルギー貯蔵デバイス、またはＭＥＭＳ関連デバイスを指すものとする。
【００１９】
本発明は、ソフトリソグラフィ技法を使用して、実質的に容量の増大したボリュメトリックマイクロバッテリを生産することにより、従来技術における制限を克服する。本バッテリは、小設置面積、小容積、ならびに、宇宙、航空、地上における応用分野に、特にＭＥＭＳ応用分野を提供するのに適した電力出力能力を含む。本発明は、容積ＭＥＭＳバッテリと、それを作製する方法を提供する。
【００２０】
図１は、本発明によるソフトリソグラフィボリュメトリックバッテリ１００を示す。一定のバッテリ１００の構造は、アノード１０２、電解質セパレータ１０４、カソード１０６を備える。アノード１０２は、リチウム（Ｌｉ）を含み、カソード１０６は、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）からなり、電解質セパレータ１０４は、炭酸プロピレンと１，２−ジメトキシエタンの混合物など有機電解質セパレータである。バッテリ１００は、バッテリ１００の構造を形成するために使用される端部ブロック１０８と、バッテリ１００の頂部を封入するためのキャップ材料１１２とを含む。したがって、バッテリ１００は、封止デバイスとすることができる。作製は、一般にベース材料１１０で始まり、その上に、端部ブロック１０８、カソード１０６、タンク材料１０４、アノード材料１０２が堆積される。これはバッテリ１００の一部断面の等角図として示されているため、側部材料は示されていない。したがって、バッテリ１００はまた、バッテリ１００を封入するために、端部ブロック１０８およびキャップ１１２と共に使用される側部材料をも含むことがある。バッテリ１００は、矩形設置面積を有する矩形の形態で示されているが、設置面積は、正方形、円形などを含めて、対応する立方体、直立矩形の容積、円柱を容易にする事実上どの幾何形状とすることもできることを理解されたい。さらに、特定の応用分野向けに、アノード／カソード用それぞれの接点が球体の極部に設けられた球体形状のマイクロバッテリを開発することができる。
【００２１】
バッテリ１００は、サイズが平坦型（ｐｌａｎａｒ）バッテリのサイズと同様なｘ−ｙ設置面積を含むことができる。ただし、本発明の新規な態様においては、バッテリ容量が、同様の設置面積の平坦型バッテリの容量を数桁超えることができるようにｚ軸は実質的に延ばされる。たとえば、バッテリ１００は、１辺当たり約９００ミクロン程度の設置面積寸法と、約１ミリメートルのＺ軸方向の高さ（または厚さ）とを有することができ、一方、同様な設置面積の平坦型バッテリは、１０ミクロンの厚さとなる可能性がある。これは厚さで１００倍の増大となり、また、このようなマイクロバッテリ構成のため容量が著しく増大することを表している。
【００２２】
本発明は、例示されている寸法に制限されず、実際、リソグラフィプロセス、ＭＥＭＳプロセス、ソフトリソグラフィプロセス、および他の同様な作製プロセスによってサポート可能な、いずれの尺度で作製することもできることを理解されたい。本発明の一態様によれば、ＭＥＭＳプロセスとソフトリソグラフィ技法により、バッテリ１００をこれまで可能であったより小さい寸法で作製し、ミリメートル未満の寸法を達成することができる。これは、これまで達成できなかった約１０分の１（すなわち、１ミリメートル角未満）にバッテリセル面積を小さくしたものを、それに対応して、約３０倍（すなわち、１立方ミリメートル未満）にセル容積を増大して作製することを可能にする。
【００２３】
バッテリ１００は、ソフトリソグラフィプロセスを使用して作製される。ソフトリソグラフィは、１組の代替のフォトリソグラフィでない微細加工技法である。パターン形成されたレリーフ構造をその表面に有するエラストマーブロックがソフトリソグラフィの重要な要素である。パターン付きエラストマーは、剛性フォトマスクの代わりに、マイクロパターンおよびマイクロ構造を生成するために、スタンプ、型、またはマスクとして使用される。ソフトリソグラフィ技法は、露光のために光または他のどのタイプの放射も投射せず、したがって、フォトリソグラフィ固有の回折による制限を受けない。これは、現在、従来のフォトリソグラフィ技法の適用を制限している１００ナノメートル障壁未満の構造の作製を可能にする。エラストマーがスタンプまたは型として使用されるため、ソフトリソグラフィ技法により、３次元構造を作成することができ、また平坦でない表面上にパターンおよび構造を生成することができる。ソフトリソグラフィ技法は、従来、電子デバイスに使用できなかった多種多様な材料および表面化学反応をサポートする。
【００２４】
ＭＥＭＳ技術は、ソフトリソグラフィ技法と組み合わされて、前例のない３次元設計特性を有するデバイスを設計および作製することを可能にする。これらの特徴により、これに限らないが、ＲＦデバイス−すなわち高Ｑインダクタおよびコンデンサ、調整可能または固定の容量性または金属接点スイッチ、共振器、フィルタ、ならびにアンテナ、また、医用デバイス−すなわち最小限の侵襲性の外科用器具、プラスチック製マイクロフルイディク部品用の型、埋込み可能なデバイス、ポンプ、弁、並びに薬物送達デバイス；センサおよびアクチュエータ−力の強い静電アクチュエータ、インクジェットプリントヘッド、多軸加速度計、並びにジャイロスコープ；光学デバイス−すなわち走査鏡、光ファイバ位置合わせデバイス、および光モジュールパッケージを含め、広範な応用分野の潜在的な開発および生産が実現される。
【００２５】
上述のバッテリは、リチウムイオンバッテリに必要な要素からなるが、本システムおよび方法は、様々なバッテリ化学反応に基づくバッテリを含む他の要素に等しく当てはまることを理解されたい。たとえば、１つの代替の実施形態は、リチウムアノードと、ポリ−２−ビニルピリジンカソードと、リチウムイオン電解質セパレータとからなる固体電解質リチウムセルである。
【００２６】
図２は、従来の平坦型バッテリと本発明の一態様によるボリュメトリックバッテリの比較を示す図である。平坦型バッテリ２００の典型的な等角図が示されており、またこれは従来のプロセスを介して生産される。例示的な平坦型バッテリ２００は、上面図２０２に示されているように、１ｃｍ×１ｃｍの正方形寸法で示されている。同様に、側面図２０４は、平坦型バッテリ２００が約１０ミクロンの厚さを有することを示す。
【００２７】
リチウムイオンセル内に貯蔵することができるエネルギーの量は、その容積に直接比例し、１ジュール／ｍｍ３として近似することができる。したがって、平坦型バッテリ２００のエネルギー貯蔵容量は、約１ジュール（すなわち、１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．０１ｍｍ×１Ｊ／ｍｍ３）である。
【００２８】
比較のために、本発明のボリュメトリックバッテリ２０６が、ソフトリソグラフィプロセスを使用して生産されている。ＭＥＭＳ加工技法とソフトリソグラフィプロセスは、はるかに小さな寸法のバッテリの作製を可能にするが、この例で比較をする目的で、ボリュメトリックバッテリ２０６は、上面図２０８に示されているように、（Ｘ−Ｙ寸法で）１ｃｍ×１ｃｍの同様な設置面積寸法を含む。しかし、本発明のプロセスによれば、ボリュメトリックバッテリ２０６は、第３の空間的なＺ寸法を利用する。ボリュメトリックバッテリ２０６の側面図２１０は、約１ミリメートルの厚さを示す。したがって、この例のボリュメトリックバッテリ２０６のエネルギー貯蔵量は、約１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．０ｍｍ×１Ｊ／ｍｍ３＝１００ジュール、すなわち平坦型バッテリ２００のエネルギー貯蔵量の１００倍である。
【００２９】
ボリュメトリックバッテリ２０６を作製する際に使用されるマイクロマシニングおよびソフトリソグラフィプロセスは、１ミリメートル角未満の表面積寸法を有するボリュメトリックバッテリを生産することが可能であることを理解されたい。たとえば、一実施形態では、ボリュメトリックバッテリ２０６の寸法を９００ミクロン×９００ミクロン×１ｍｍとすることができる。
【００３０】
図３は、本発明による、平坦型バッテリに対するボリュメトリックバッテリのエネルギー貯蔵容量の比較のグラフ３００を示す。示されているように、ＭＥＭＳ技術とソフトリソグラフィプロセスによって可能にされた３次元設計により、典型的な平坦型バッテリの１００倍程度のエネルギーを貯蔵することが可能なボリュメトリックバッテリが生産される。一例に提供されているように、このボリュメトリックバッテリは、平坦型バッテリの厚さの約１０倍の厚さを有する。図３の比較では、平坦型バッテリとボリュメトリックバッテリは共に共通の設置面積を有するが、ボリュメトリックバッテリは、平坦型バッテリの厚さの約１０倍の厚さを有する。ｘ軸３０２は、平坦型バッテリまたはボリュメトリックバッテリによって占有された表面積を表し、ｙ軸３０４は、両バッテリの相対エネルギー貯蔵容量を表す。線分３０６は、設置面積に対する平坦型バッテリのエネルギー貯蔵容量を表し、線分３０８は、設置面積に対するボリュメトリックバッテリのエネルギー貯蔵容量を表す。
【００３１】
２本の線分（３０６および３０８）の比較により、任意の所与の表面積の値について、ボリュメトリックバッテリは、平坦型バッテリの貯蔵容量の約１０倍になることがわかる。この倍数は、平坦型バッテリセルの厚さに対するボリュメトリックバッテリセルの厚さの比によって決まる。図３では、例示をする目的で比較的小さい比が使用された。しかし、この比を容易に１００以上程度にすることができることを理解されたい。本発明の一態様によれば、ボリュメトリックバッテリが平坦型バッテリの１００倍の厚さであるならば、ボリュメトリックバッテリのエネルギー貯蔵容量は、平坦型バッテリのエネルギー貯蔵容量の約１００倍となるはずである。
【００３２】
図４は、本発明のボリュメトリックバッテリのサイズおよび貯蔵容量における重要な利点を表すグラフ４００を示す。グラフ４００は、立方体幾何形状のボリュメトリックバッテリに対する正方形平坦型バッテリのエネルギー貯蔵容量をプロットする。たとえば、平坦型バッテリとボリュメトリックバッテリは共に、同じ設置面積寸法、すなわち正方形を共有する。このグラフは、平坦型バッテリの厚さが１単位になるように、厚さを平坦型バッテリに対して正規化する。線分４０２は、平坦型バッテリまたはボリュメトリックバッテリによって占有されたｘ軸およびｙ軸の直線寸法を表す。線分４０４は、両バッテリセルの相対エネルギー貯蔵容量を表す。線分４０６は、表面積に対する平坦型バッテリのエネルギー貯蔵容量を表し、線分４０８は、表面積に対するボリュメトリックバッテリのエネルギー貯蔵容量を表す。
【００３３】
２本の線分（４０６および４０８）の比較は、任意の所与の設置面積の表面積の値について、ボリュメトリックバッテリが平坦型バッテリの何倍もの貯蔵容量を有する事実を反映している。この倍数は、平坦型バッテリセルの容積に対するボリュメトリックバッテリセルの総容積の比によって決まる。明確に示されているように、ボリュメトリックバッテリの貯蔵の利点は、バッテリセルの寸法が増大するにつれて劇的に大きくなる。
【００３４】
図５は、平坦型バッテリに優るボリュメトリックバッテリの利点を表すためのグラフ５００を示す。グラフ５００は、２０ミクロン厚の正方形平坦型バッテリに対して、立方体形状で構成されたボリュメトリックバッテリのエネルギー貯蔵容量を示す。グラフ５００のｘ軸５０２は、平坦型バッテリの設置面積の２辺、および立方体ボリュメトリックバッテリセルの３辺の直線寸法をミリメートルで表す。ｙ軸５０４は、本明細書では平坦型バッテリのエネルギー貯蔵容量に対するボリュメトリックバッテリのエネルギー貯蔵容量の比と定義されたエネルギー貯蔵倍数を表す。線分５０６は、平坦型バッテリの直線寸法の関数としてエネルギー貯蔵倍数を表す。
【００３５】
グラフ５００の多少の検討によると、任意の所望の直線寸法について、ボリュメトリックバッテリが平坦型バッテリの何倍ものエネルギーを貯蔵することが例示されている。たとえば、直線寸法１ミリメートル（１ｍｍ）で、エネルギー貯蔵倍数は、約５０になる。たとえば、倍数５００では、直線寸法が約１０ミリメートル（１０ｍｍ）になる。逆に、任意の所望のエネルギー貯蔵値について、ボリュメトリックバッテリに必要とされる表面積が、平坦型バッテリのものより著しく少ないことも指摘することができる。実際、ボリュメトリックバッテリは、平坦型バッテリの必要とされる設置面積表面積の１／１００で、同じエネルギー貯蔵量を提供することができることは容易に示される。
【００３６】
作製プロセスで使用される材料は、シリコンのような従来の半導体材料に加えて、セラミックおよびプラスチックなど非従来型フォトリソグラフィ材料を含むことができる。そのような追加材料の使用は、選択された電解質とより適合するように、電解質タンクの作製に使用される材料を最適化することを可能にする。再充電可能なバッテリの故障の著しい一因となる原因は、電解質故障である。リチウムバッテリでは、リチウム電解質に対するリチウムアノードの侵食により、何回かの充放電サイクルの後でバッテリ故障が助長される。電解質故障はまた、非使用期間中に電荷の損失を引き起こす。
【００３７】
図６は、電解質界面部で非従来型材料を使用する本発明のＭＥＭＳボリュメトリックバッテリ６００の図である。ボリュメトリックバッテリ６００は、アノード６０２と、カソード６０４と、アノード６０２とカソード６０４の隙間にある電解質タンク６０６とを備える。アノード６０２と電解質タンク６０６の第１の界面部には、上部層６０８がある。同様に、カソード６０４と電解質タンク６０６の第２の界面部には、下部層６１０がある。上部層６０８および下部層６１０は、セラミック、プラスチックなど非従来型材料を含むことができる。ＭＥＭＳ技術とソフトリソグラフィ技法の組合せは、そのような非従来型材料の使用を促進し、非従来型材料の使用は、バッテリセルの様々な内部および外部の材料界面部で材料選択を最適化することを可能にする。そのような材料最適化により、電解質故障に起因する問題を最小限に抑え、それによってバッテリセルの寿命と効率を向上させる材料を使用することができる。
【００３８】
図７は、本発明に従って実施されるバッテリセル内で起こると考えられる化学反応のブロック図７００である。アノード７０２はリチウム（Ｌｉ）を含み、カソード７０４は、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）を含む。電解質タンク７０６は、炭酸プロピレンと１，２−ジメトキシエタンの混合物など有機電解質セパレータを含む。バッテリ端子７０８は、アノード７０２に物理的に接続され、および／または実際にアノード７０２の一部とすることができ、バッテリ端子７１０は、カソード７１０に物理的に接続され、および／または実際にカソード７０４の一部とすることができる。端子（７０８および７１０）は、ビア、金属ワイヤ、または、負荷７１２に電力を伝導するために電子デバイスもしくはＭＥＭＳタイプデバイス内で構成された他のタイプの金属接続とすることができる。負荷７１２は、回路、センサ、アクチュエータ、またはバッテリによって供給された電力を受ける他のどの負荷デバイスを表すこともできる。アノード７０２は、電解質タンク７０６と接触しており、カソード７０４は、電解質タンク７０６の反対側と接続している。
【００３９】
負荷７１２がバッテリ端子（７０８および７１０）の両端間に配置されているとき、電子は、アノード７０２から負荷７１２を介してカソード７０４に流れることになる。アノード、カソード部で起こる化学反応と全体的な化学反応は、以下のように表される。
【００４０】
アノード            Ｌｉ→Ｌｉ＋＋ｅ
カソード            ＭｎＩＶＯ２＋Ｌｉ＋ｅ→ＭｎＩＩＩＯ２（Ｌｉ＋）
全体の反応    Ｌｉ＋ＭｎＩＶＯ２→ＭｎＩＩＩＯ２（Ｌｉ＋）
【００４１】
酸化はアノード７０２部で起こり、電解質タンク７０６は、還元のためにリチウムイオン（ＬＩ＋）をカソード７０４に移送するのを容易にする。再充電が行われる実施形態においては、この化学反応が繰り返される。ボリュメトリックリチウムバッテリは、可動部品もタンクも、ラインもバルブも必要とせず、および廃熱や排気ガスも生成しない。このバッテリセルは、再充電可能なものとすることができ、比較的長い貯蔵寿命を有する。このバッテリセルは、航空、宇宙、地上における応用分野での使用に対して安全であることが実証されている。
【００４２】
本発明の他の一態様によれば、ボリュメトリックバッテリは微小電子要素と直接一体化してオンチップ電源を提供することができる。オンチップ電源を使用することにより、最小の設置面積で実施されたチップ上の完全な自蔵式システムが提供される。ビアおよび金属ラインを含むオンチップの埋込み接続部は、ボリュメトリックバッテリと電子回路の残部との間で電気接続を提供する。
【００４３】
図８は、本発明に従って構築された１つまたは複数のボリュメトリックバッテリを備える電子デバイス８００を示す。この図は原寸に比例していないが、本発明のいくつかの新規な態様を概念的な説明をするのを容易にすることに気づかれたい。上面図では、デバイス８００は、電子回路チップ８０４と（バッテリ１００と同様な）外部の第１のボリュメトリックバッテリ８０６とが位置する回路板８０２を含む。当然ながら、デバイス８００は、デバイスの動作を容易にするために複数のそのようなチップを含むことができるが、本発明の新規な態様について説明するために、チップ１つだけの場合を示す。第１のバッテリ８０６は、１つまたは複数のオンボード回路接続８０８を介してチップ回路８０４とインターフェースし、接続８０８は、第１のバッテリ８０６とエネルギー消費デバイスの間で伝達される電力を送るのに適した従来のどの回路板相互接続とすることもできる。
【００４４】
１つまたは複数の他のボリュメトリックバッテリを、外部の第１のバッテリ８０６に代えて、またはそれとの組合せで設けることができる。すなわち、本発明の構成に従って設計されたオンチップ表面実装ボリュメトリックバッテリ、すなわち全てのバッテリ１００と同様な第２のボリュメトリックバッテリ８１０、第３のボリュメトリックバッテリ８１２、第４のボリュメトリックバッテリ８１４を設けることができる。そのようなバッテリ構成によって、チップ、すなわちチップ８０４上で、そこに電力を供給するために、またはその中に含まれる選択された回路用に、開示されているマイクロバッテリデバイスを作製することが容易になるということを理解されたい。
【００４５】
さらに、そのようなバッテリは、チップ８０４上でどの向きに取り付けることもできることを理解されたい。さらに、第２のバッテリ８１０は、チップ８０４のなかの上部に取り付けられて示されているが、別法として、あるいは第２のバッテリ８１０のサポートに加えて、チップ８０４の下部に第３のバッテリ８１２が取り付けられことを示している。さらに、第４のバッテリ８１４は、図では、チップ８０４の側部に取り付けられている（上述のように、チップに対するバッテリ（８０６、８１０、８１２、８１４）のサイズは、図より著しく小さくすることができる）。第３のバッテリ８１２は、チップ８０４を表面実装チップとして作製することができるように、予め作製された凹部領域８１６内に取り付けることができる。この場合、第３のバッテリ８１２は、チップ８０４のフォームファクタ内に埋め込むことができ、その結果チップ８０４の底部は、回路板８０２の上面と面一で取り付けられる。
【００４６】
オンボードバッテリ（８１０、８１２、８１４）は、ビア８１８および金属ライン８２０の組合せによって、チップ８０４の回路に接続することができる。ビア８１８および金属ライン８２０は、チップ８０４が自蔵式ユニットとして機能するように、電力を伝導し、チップ８０４が部分的に、または完全に自己給電することを可能にする。バッテリのバンク群は、たとえばビア８１８および金属ライン８２０を使用して第２のバッテリ８１０を第３のバッテリ８１２に相互接続することによってバッテリ源の能力を高めるために、直列および／または並列で実施することができることを理解されたい。
【００４７】
ボリュメトリックバッテリの単位表面積当たりの高いエネルギー密度により、使用可能なエネルギー貯蔵量を著しく増大させることができる。本発明の一態様によれば、ボリュメトリックバッテリが、高速回路と共にチップ上に直接配置される。その結果、チップ外の電源から供給される同様な回路より高速かつ効率的に動作する回路が得られる。
【００４８】
図９は、例示的なＭＥＭＳタイプのシステムオンチップ９００を示す。システム９００は、上面図、側面図共に概念的に示されている。システム９００は、少なくともオンチップ回路９０６と、（バッテリ１００と同様な）第１のボリュメトリックバッテリ９０８と、第１のバッテリ９０８とオンチップ回路９０６の間の埋込み接続部９１０とをさらに含むチップ９０２を備える。しかし、システム９００は、システムオンチップとして、１つまたは複数のセンサ９１２と、１つまたは複数のアクチュエータ９１４と、対応するセンサ９１２および９１４に電力を供給するための（バッテリ１００と同様な）１つまたは複数の個々のＭＥＭＳバッテリセル９１６とをさらに備えることができる。ボリュメトリックバッテリセル９１６は、いくつかの埋込み接続部９１８によってセンサ９１２およびアクチュエータ９１４に接続する。この図ではセンサとアクチュエータが使用されているが、適切などの電子タイプ、ＭＥＭＳタイプ、または他のタイプの電力消費デバイスをチップ上で使用し、ボリュメトリックバッテリ（９０８および９１６）によってそこに電力を供給することもできる。
【００４９】
本発明の他の一態様によれば、ボリュメトリックバッテリセル（９０８および９１６）が、チップ９０２全体にわたって分散される。ボリュメトリックバッテリを分散することにより、個々のボリュメトリックバッテリセル９１６は電力を必要とする箇所に近接して配置されるため、エネルギーのより効率的な使用を可能にする。この例では、各センサ９１２および各アクチュエータ９１４が、隣接して位置する個々のボリュメトリックバッテリセル９１６を有する。一実施形態では、個々の容積セル９１６それぞれが、電力を平行して供給するように、互いに接続して動作可能である。他の一実施形態では、個々のボリュメトリックバッテリセル９１６が別個の電力ユニットとして動作し、個々の回路、センサ、および／またはアクチュエータの必要性が異なるところに配置すべき様々な電圧の電源を使用することが容易となる。このようにして、エネルギーが必要とされるところに近接してエネルギーを貯蔵することができ、チップ外の電源、さらには中央に位置するオンチップの電源から得られるものより効率的にエネルギーを供給することができる。
【００５０】
再び図９を参照すると、側面図は、個々のアクチュエータ９１４と、アクチュエータ９１４を使用するために必要なエネルギーを供給するように働く、対応するボリュメトリックバッテリセル９１６の部分側面図である。側面図で示されているが、アクチュエータ９１４、センサ９１２、他のオンチップ回路、または、電源を必要とする他のどのタイプのデバイスを使用し、この方法で電力を供給することもできることを理解されたい。埋込み接続部９１８は、バッテリ９１６を少なくともアクチュエータ９１４に接続する一連のビア９２０および金属ライン９２２を備える。
【００５１】
本明細書に説明されているボリュメトリックバッテリは、過去に可能であったものよりはるかに高い単位面積当たりの、また単位体積当たりのエネルギー密度を有する。したがって、このボリュメトリックバッテリは、空間、体積、重量が決定的な要素となる多数の応用分野にとって理想的なエネルギー源である。そのような応用分野は、それだけには限らないが、オンカード／オンチップの高速電子回路、体積が数立方ミリメートルのマイクロセンサ、精密軍需品、ＭＥＭＳａｔインターセプタ（ＭＥＭＳａｔ  ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｏｒｓ）（すなわち、長さ約１０センチメートルの小型シリコン衛星）を含む。
【００５２】
開示されているボリュメトリックバッテリについて、空間および重量の制限要件に関連して述べたが、このバッテリは、空間、体積、重量が重要でない応用分野に等しく当てはまることを理解されたい。
【００５３】
図１０は、本発明のボリュメトリックバッテリを加工するためのプロセスの流れ図を示す。説明を簡潔にするために、この方法は一連の動作として示され、説明されているが、本発明によれば、いくつかの動作は、本明細書に示され、説明されているものと異なる順序で、および／または他の動作と同時に行うことができるため、本発明が動作の順序によって制限されないことを理解されたい。たとえば、これに代えて、状態図の場合など、一連の相関状態または相関イベントとして方法を表すことができることを当業者なら理解するであろう。さらに、本発明による方法を実施するために、例示されている動作すべてを必要とするわけではない可能性がある。
【００５４】
プロセスは、マスターの型（またはスタンプ）が創り出される１０００で始まる。この型は、バッテリのフォームファクタを画定し、ベース、側部、端部を含む。ベース材料は、ガラスまたはセラミックを含めて、多数の材料の１つまたは組合せを含むことができる。１００２で、バッテリの第１の層としてベース上でカソード材料が形成され、その後に、１００４で電解質材料が続く。次いで、１００６で、アノード材料が電解質材料の上で形成され、その後に、１００８で、バッテリを封入するためのキャップ材料が続く。当然ながら、アノード、カソード、電解質を形成する順序は、アノードをカソードより先に形成することができる限り、逆にすることができる。
【００５５】
上述したものは、本発明の諸例を含む。もちろん、本発明について説明するために構成部品または方法の考え得るあらゆる組合せについて説明することはできないが、当業者であれば本発明の他の多数の組合せおよび並べ替えが可能であることを理解することができる。したがって、本発明は、特許請求の範囲の精神および範囲内に入るそのようなすべての改変形態、修正形態、および変形形態を包含するものである。さらに、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という用語が詳細な説明または特許請求の範囲で使用されていれば、そのような用語は、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語が請求項内で使用されたとき解釈される「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同様に包括的であるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明によるＭＥＭＳボリュメトリックバッテリを示す図である。
【図２】従来の平坦型バッテリと本発明のＭＥＭＳボリュメトリックバッテリの間の比較を示す図である。
【図３】本発明による、平坦型バッテリに対するボリュメトリックバッテリのエネルギー貯蔵容量の比較のグラフである。
【図４】本発明のボリュメトリックバッテリのサイズおよび貯蔵容量における有意な利点を表すグラフである。
【図５】任意の所与のエネルギー量に必要とされる表面積が、立方体のＭＥＭＳボリュメトリックバッテリでは、典型的な正方形平坦型バッテリより著しく小さいことを示すグラフである。
【図６】電解質界面部で非従来型材料を使用する本発明のＭＥＭＳボリュメトリックバッテリの図である。
【図７】本発明に従って実施されたバッテリセル内で起こる可能性のある化学反応のブロック図である。
【図８】本発明に従って構築された１つまたは複数のボリュメトリックバッテリを備える電子デバイスの図である。
【図９】例示的なＭＥＭＳタイプのシステムオンチップを示す図である。
【図１０】本発明のバッテリを作製するためのプロセスの流れ図である。
【符号の説明】
【００５７】
１００  ソフトリソグラフィボリュメトリックバッテリ
１０２  アノード
１０４  電解質セパレータ
１０６  カソード
１０８  端部ブロック
１１０  ベース材料
１１２  キャップ材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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