Micro-componente que comprende una fuente de almacenamiento electroquímico,

caracterizado porque comprende un primer substrato (1, 21, 41) que presenta una cara (3) de contacto y un segundo substrato (10, 20, 50) que presenta una cara (13) de contacto, formándose al menos una cavidad (5, 25, 55) en al menos uno de los substratos a partir de su cara de contacto, estando solidarizados los dos substratos (1, 10) según dichas caras (3, 13) de contacto mediante medios de estanqueidad, conteniendo dicha cavidad, estanca de este modo, la fuente de almacenamiento electroquímico, suministrando el micro-componente uniones eléctricas entre la fuente de almacenamiento electroquímico y el medio exterior

Microcomponente integrado que asocia las funciones de recuperación y almacenamiento de energía.

Campo técnico

La invención se refiere al campo de la fabricación de un componente que garantiza las funciones de almacenamiento electroquímico de la energía en un volumen reducido (microscópico) y que permite una integración optimizada con, por ejemplo, una fuente de recuperación de energía y un sistema de gestión de la energía (ASIC). Por tanto, el conjunto del sistema está perfectamente adaptado a la alimentación de MEMS (para "Microelectromechanical Systems").

El campo de aplicación principal previsto se refiere a "la inteligencia ambiental", es decir microsensores (inalámbricos, conectados eventualmente en red) en ocasiones designados bajo los términos de "smart dust", "e-grains", etc. Este tipo de producto requiere varias funciones asociadas en un volumen muy reducido (típicamente una superficie de varios mm² a 1 cm² con un espesor inferior a 1 mm): comunicación, sensor, energía, inteligencia embarcada. La invención se refiere a la parte energía de estos sistemas, eventualmente asociada a la inteligencia.

Estado de la técnica anterior

Los sistemas electroquímicos de almacenamiento de energía pueden clasificarse en dos categorías: las supercapacidades y las baterías.

Las supercapacidades presentan la posibilidad de liberar fuertes potencias pero en detrimento de la cantidad de energía almacenada con respecto a una batería. Los sistemas actuales de supercapacidades más competentes presentan una capacitancia de aproximadamente 7 mF (siendo del orden de 10 µAh para las tensiones consideradas). El problema principal reside en la dificultad de integración y de reducción del tamaño a una escala micrométrica.

Las baterías, cuyo tamaño puede reducirse con fines de integración, son esencialmente de dos tipos: baterías de estado sólido (denominadas en lo sucesivo microbaterías) fabricadas por técnicas de deposición en vacío, cuyo espesor es de varios micrómetros, y baterías obtenidas por recubrimiento con un espesor del orden de varios centenares de micrómetros (denominadas en lo sucesivo minibaterías). Sin embargo, se ha propuesto igualmente otra solución basada en un electrolito líquido que es integrable (véase la solicitud de patente US 2005/0110457).

Las microbaterías "totalmente sólidas" en forma de películas delgadas son objeto de numerosas publicaciones y patentes (véase la solicitud de patente FR-A-2874128). El principio de funcionamiento reside en la inserción y la desinserción (o intercalación - desintercalación) de un ión de metal alcalino o de un protón en el electrodo positivo. El sistema presentado utiliza como especie iónica Li⁺ emitido por ejemplo de un electrodo de litio metálico. Todas las capas que componen la microbatería (colectores de corriente, electrodos positivo y negativo, electrolito, encapsulación) se obtienen por depósito PVD (para "Physical Vapor Deposition") o CVD (para "Chemical Vapor Deposition"). El espesor total del apilamiento es del orden de 15 µm. Pueden utilizarse materiales diferentes:

- los colectores de corriente son metálicos y pueden ser por ejemplo a base de Pt, Cr, Au, Ti.

- El electrodo positivo puede estar constituido de LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn₂O₄, CuS, CuS₂, WO_yS_z, TiO_yS_z, V₂O₅, V₃O₈, así como formas de litio de estos óxidos de vanadio y de sulfuros metálicos. Según los materiales elegidos, puede ser necesario un recocido térmico para aumentar la cristalización de las películas y su propiedad de inserción. Sin embargo, ciertos materiales amorfos, particularmente oxisulfuros de titanio, no requieren un tratamiento tal, permitiendo una inserción elevada de iones litio.

- El electrolito debe ser un buen conductor iónico y aislante electrónico. En general, se trata de un material vítreo a base de óxido de boro, de óxidos de litio o de sales de litio.

- El electrodo negativo puede ser litio metálico depositado por evaporación térmica, una aleación metálica a base de litio o bien un compuesto de inserción (SiTON, SnN_x, InN_x, SnO₂,...).

- La encapsulación tiene por objeto proteger el apilamiento activo del entorno exterior y especialmente de la humedad. Puede estar hecho de cerámica, polímero (hexametildisiloxano, parileno) o metal así como por una superposición de capas de estos materiales diferentes.

Según los materiales utilizados, la tensión de funcionamiento de este tipo de objeto está comprendida entre 2 y 4 V. Las capacidades de superficie son del orden de 100 µAh/cm². Las técnicas utilizadas permiten la realización de objetos de todas las superficies y formas.

A superficie constante, la capacidad de estos sistemas puede aumentar principalmente de dos maneras:

- aumento del espesor de los electrodos,

- superposición de microbaterías conectadas en paralelo.

Sin embargo, estas técnicas son delicadas de poner en práctica. En efecto, es difícil obtener capas de espesor superior a 10 µm por PVD conservando las propiedades iniciales. Por otro lado, los cambios volumétricos ocasionados en las diferentes capas por la difusión del litio causan fuertes problemas de limitaciones en los sistemas que comprenden microbaterías apiladas.

La mayor parte del tiempo las minibaterías están elaboradas a partir de técnicas de recubrimiento. La realización de estos objetos es de hecho una reducción de escala de sistemas existentes, obtenida por un desarrollo del procedimiento de fabricación. El espesor total es del orden de algunos centenares de µm (de 300 a 650 µm). Estas minibaterías las realizan los actuales fabricantes de baterías y comienzan a estar disponibles en el mercado. Su comercialización se efectuará por aplicaciones dedicadas (por ejemplo, desarrollo para alimentación de pantallas para tarjetas inteligentes).

Las capacidades superficiales de estos sistemas son superiores a las de las microbaterías (algunos mAh/cm² frente a 100 µAh/cm²). En cambio, su espesor es tal que son incompatibles con un posicionamiento sobre un circuito integrado de tarjetas inteligentes (espesor máximo del conjunto 0,76 mm) y son difícilmente integrables en pequeños volúmenes (inferiores a 1 mm³). Las capas se fabrican actualmente sobre soportes metálicos que, a continuación, se ensamblan por presión. No es posible realizar pequeñas superficies (inferiores a 1 mm²). Además, estos dispositivos no están encapsulados.

En la solicitud de patente US 2005/0110457, se propone una solución mixta utilizando a la vez capas de electrodos depositados mediante técnicas de capas delgadas (CVD, PVD, electrodeposición) y un electrolito líquido. Sin embargo, el procedimiento de fabricación reside en un apilamiento de capas sobre un mismo substrato. Se crea una cavidad entre las dos capas de electrodo por eliminación de una parte de un electrodo y de un separador de poliimida. Tal configuración impone fuertes limitaciones mecánicas a la capa de electrodo superior que es la única que soporta el encapsulante. Por otro lado, este último no puede ser en ningún caso un elemento activo (es decir, contener un circuito integrado o un componente de recuperación de energía por ejemplo).

Las tareas que se refieren a la hibridación de microsistemas de recuperación por una parte y de almacenamiento de la energía por otra parte son mucho menos importantes que las que se refieren a los sistemas individuales. La relativa escasez de la producción actual reside en los problemas de integración.

Los mayores esfuerzos de integración para integrar micro-recuperación y micro-almacenamiento de la energía los ha realizado Bipolar Technologies Corp. Se trata de una sociedad americana que, en colaboración con Brigham Young University, desarrolla un microsistema de suministro de energía que se basa en microbaterías Ni-Zn (con electrolito líquido) conectadas a células solares. Este microsistema está concebido según una arquitectura planar donde todos los elementos están dispuestos adyacentes, lo que consume mucha superficie y volumen, reduciendo la energía volumétrica (y másica) disponible.

Exposición de la invención

El objetivo de la invención es la obtención de un componente integrado que pueda asociar recuperación, almacenamiento y eventualmente...

1. Micro-componente que comprende una fuente de almacenamiento electroquímico, caracterizado porque comprende un primer substrato (1, 21, 41) que presenta una cara (3) de contacto y un segundo substrato (10, 20, 50) que presenta una cara (13) de contacto, formándose al menos una cavidad (5, 25, 55) en al menos uno de los substratos a partir de su cara de contacto, estando solidarizados los dos substratos (1, 10) según dichas caras (3, 13) de contacto mediante medios de estanqueidad, conteniendo dicha cavidad, estanca de este modo, la fuente de almacenamiento electroquímico, suministrando el micro-componente uniones eléctricas entre la fuente de almacenamiento electroquímico y el medio exterior.

2. Micro-componente según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un dispositivo (14, 24, 54) de recuperación de energía y medios de conexión eléctrica del dispositivo de recuperación de energía con la fuente de almacenamiento electroquímico.

3. Micro-componente según la reivindicación 2, caracterizado porque comprende además un circuito (2, 22, 42) integrado que permite gestionar los medios de conexión eléctrica entre la fuente de almacenamiento electroquímico y el medio exterior.

4. Micro-componente según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque las uniones eléctricas comprenden conexiones (4, 11, 31, 34, 44, 51) eléctricas que atraviesan al menos uno de los substratos.

5. Micro-componente según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las uniones eléctricas comprenden conexiones (32, 33, 53, 62) por cable exteriores a los substratos.

6. Micro-componente según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los medios de estanqueidad comprenden una película (18) anisótropa conductora dispuesta entre los dos substratos (1, 10) y que permiten una unión eléctrica entre los dos substratos.

7. Micro-componente según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la fuente de almacenamiento electroquímico comprende un primer electrodo (8, 28, 48) solidario del primer substrato (1, 21, 41) y un segundo electrodo (16, 26, 56) solidario del segundo substrato (10, 20, 50).

8. Micro-componente según la reivindicación 7, caracterizado porque medios (7, 15) de protección química están dispuestos entre un electrodo y el substrato al que es solidario.

9. Micro-componente según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque al menos uno de los substratos es de material semiconductor.

10. Micro-componente según la reivindicación 9, caracterizado porque el material semiconductor es silicio.