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3D打印微电池可直接植入微芯片

来源:e键打印   发布时间:2015-06-04 09:13:58   浏览次数:1292
  我们生活在一个日益缩小的世界里--每一年,微芯片的尺寸都变得越来越小,但是他们的功能却不断提升。但是在一个关键的领域,研究人员们一直在试图创新,却没有获得太大的进展,那就是电池的生产。电池的尺寸减小速度始终没有跟上其它电子装置,从而成为拖累电子产品设计的一个限制条件。


  如今这一切即将改变,美国伊利诺伊大学Urbana-Champaign分校的研究人员发现了一种 3D打印锂离子微型电池的方法,这种微型电池是如此之小,以至于可以直接放置在微芯片里。

  研究人们将3D全息光刻(3Dholographiclithography)技术与更为常规的2D光刻(一种与常见的印刷电路板相似的技术)结合起来制造出介孔结构电极。所有这些研究的细节已经被发表在一片题为《高性能芯片内3D锂离子微电池的全息结构(HolographicPatterningofHighPerformanceon-chip3DLithium-ionMicrobatteries)》的论文中,这篇论文被收录于美国国家科学院的论文集中。


  "由于3D电极的复杂性,这样的电池很难实现,更不要说将其缩小并集成在芯片上了。"该论文的第一作者、MatSE研究生HailongNing说,"在这个项目中,我们开发了一种有效的方法来制造高性能的3D锂离子微电池,而且使用的工艺与现有的微电子制造高度兼容。我们利用3D全息光刻确定电极的内部结构,并用2D光刻创建出所期望的电极形状。这项工作融汇了制造、界定和建模的重要概念,展示出微电池的能量和功率与电极的大小、形状、表面积、孔隙率和弯曲度等结构参数的相关性。"


  对于传统的微型装置来说,由于能量存储装置的小型化极端困难,只能在芯片外为其供电。因此,研究人员们的这一发现将对众多微电子应用,如微型无线传感器、便携式和可植入医疗装置、基于自主微机电系统(MEMS)的执行装置和分布式显示器等将起到巨大的推动作用。


  该制造工艺,如上文所述,主要使用3D全息光刻和传统的光刻法来创建出电池的模板,然后然通过一种电沉积工艺层积活性材料薄层生成3D集电体,从而可以提供卓越的能量密度和大量的潜在应用。据了解,这些电池具有非常大的可扩展性,并与MEMS和CMOS等工艺高度兼容。

  为了证明他们的研究成果,研究人员将一块这样的微电池链接到了LED上。这块微电池的体积只有0.04立方毫米,容量仅为0.83μAh,但它很容易地就能为LED供电200次,对于如此之小的电池相当让人印象深刻。

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