基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统

技术领域

本申请实施例涉及微系统技术领域，特别涉及一种基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统。

背景技术

自然界中广泛分布着多种形式的能量，例如太阳能、电磁能、振动能、热能等。若能通过多物理场能量俘能技术高效收集环境中的多模能量，将其转换为电能，并配合升/降压能量管理电路，将转换得到的电能存于储能电池中，即可实现对后端负载的自供能。这一技术可满足众多电子元器件及智能化装备的野外自供能需求，提升它们的续航时长及在极端环境下的工作能力。

目前，多模环境能量俘获芯片和能量管理电路的发展已较为较成熟，但两者间的发展却存在一定隔离与局限性，因此二者通常采用分立集成的方式配合使用，无法实现“俘能器件—能量管理电路—储能电池”的功能重构与集成。在IC 2.5D/3D集成与封装领域中，硅通孔转接板(Through Silicon Via，简称：TSV)能够实现芯粒与芯粒、芯粒与封装基板的水平和垂直互连，但2.5D/3D集成封装对芯粒直接与PCB板级封装的兼容性较低，耐受功率上限极小。同时，TSV的功能单一且固定，只能进行相似功能芯粒的集成，无法进行异种芯粒的整合与集成，不能实现片上/晶上异种芯粒间的功能重构。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统，可以实现“俘能芯片—能量管理电路—储能电池”链路上异种芯粒和元器件的功能重构与集成，有效提升了微系统的续航时长和极端环境下的工作能力。

为解决上述技术问题，本申请的实施例提供了一种基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统，包括：俘能器件层、硅转接板层和能量管理层，所述俘能器件层包括第一主体部、第一电连接部和第二电连接部，所述硅转接板层包括第二主体部和第三电连接部，所述能量管理层包括第三主体部和第四电连接部，所述第三主体部包括能量管理电路和储能模块；所述第一电连接部用于电连接所述第一主体部的顶电极与所述第二主体部的上表面的重布线层，所述第二电连接部用于电连接所述第一主体部的底电极与所述第二主体部的上表面的重布线层，所述第三电连接部用于电学导通所述第二主体部的上下表面的重布线层，所述第四电连接部用于电连接所述第二主体部的下表面的重布线层与所述第三主体部；所述第一主体部用于从外界环境中俘获不同形式的能量并转换为电能，通过所述第一电连接部和所述第二电连接部进入所述硅转接板层，并通过所述第三电连接部和所述第四电连接部传输至所述能量管理电路，由所述能量管理电路传输至所述储能模块进行电能存储；所述第二主体部的上表面的重布线层上设有若干个可编辑的功能重构区，各所述功能重构区的面积、材料和与所述第二电连接部的接触方式可编辑。

本申请的实施例提供的基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统，由俘能器件层从外界环境中俘获不同形式的能量并转换成电能，经硅转接板层传输至能量管理层，最终由能量管理层的储能模块进行电能存储。硅转接板层设有若干个可编辑的功能重构区，功能重构区的面积、材料和与俘能器件层的连接均可编辑，这使得硅转接板层适用于各种面对不同形式能量的俘能器件与能量管理电路的片上/晶上系统的互联集成，整个微系统体积比较小，重量比较轻，功能密度高。硅转接板层的设置使得俘能器件与能量管理电路、储能模块不再分体设计，很好地实现了“俘能器件—能量管理电路—储能电池”的功能重构与集成，即实现了多类分立器件的集成与多功能微系统的自供能，有效提升了微系统的续航时长和极端环境下的工作能力，使微系统适用于各种应用场景，提升了微系统的泛化能力和普适性。

在一些可选的实施例中，所述第一主体部由若干个不同能量形式的俘能芯片组成，所述俘能芯片包括压电俘能芯片、光电俘能芯片、振动俘能芯片和电磁俘能芯片，所述压电俘能芯片用于从外界环境中俘获机械能，并将俘获到的机械能转换为电能；所述光电俘能芯片用于从外界环境中俘获光能，并将俘获到的光能转换为电能；所述振动俘能芯片用于从外界环境中俘获振动能，并将俘获到的振动能转换为电能；所述电磁俘能芯片用于从外界环境中俘获电磁能，并将俘获到的电磁能转换为电能。第一主体部至少集成有压电俘能芯片、光电俘能芯片、振动俘能芯片和电磁俘能芯片，这样微系统至少可以俘获附近环境中的机械能、太阳光能、振动能和电磁能并转换电能，保证微系统拥有强大的自持能力。

在一些可选的实施例中，所述第一电连接部具体用于电连接各所述俘能芯片的顶电极与所述第二主体部的上表面的重布线层，所述第二电连接部具体用于电连接各所述俘能芯片的底电极与所述第二主体部的上表面的重布线层；所述第一电连接部采用细导线焊接形式或金丝打线形式；所述第二电连接部采用双组份导电银胶形式、键合工艺形式或倒装回流焊接形式。第一电连接部和第二电连接部可以根据实际使用场景选择合适的电连接形式制备，进一步提升了微系统的泛化能力和普适性。

在一些可选的实施例中，所述第二电连接部采用所述双组份导电银胶形式，在制备所述第二电连接部时，将所述双组份导电银胶中的A胶和B胶按预设比例配比并混合均匀形成胶体，将所述胶体平整均匀地涂覆在所述第二主体部的上表面的重布线层上，并将各所述俘能芯片的底电极贴附在所述胶体上，对所述胶体进行升温固化，形成所述第二电连接部。导电银胶制备工艺简单，易于布置，不存在类似于焊接的热损伤和内应力，还可以对第二主体部起到一定程度的保护。

在一些可选的实施例中，所述第二主体部为硅转接板，所述硅转接板的面积大于所述第一主体部的面积，所述第三电连接部采用在所述硅转接板内设置TSV通孔的形式；在制备所述第三连接部时，选取不同尺寸和厚度的硅晶圆作为衬底，对所述衬底采用深反应离子刻蚀与Bosch工艺制备得到TSV通孔，从所述TSV通孔的孔内壁到孔内中心依次制备绝缘层、阻挡层和种子层，并在所述TSV通孔的孔内壁电镀导电金属，形成所述第三电连接部。TSV通孔可以大幅度地缩短电互连的长度，提高电性能，并且非常适合用于半导体器件高密度集成。

在一些可选的实施例中，所述硅转接板的上表面和下表面均沉积有绝缘层，在所述硅转接板的上表面的绝缘层外侧电镀金属重布线层，形成所述第二主体部的上表面的重布线层，在所述硅转接板的下表面的绝缘层外侧电镀金属重布线层，形成所述第二主体部的下表面的重布线层。

在一些可选的实施例中，所述TSV通孔的孔径范围为25μm至70μm，所述TSV通孔的深度范围为250μm至350μm，所述TSV通孔的深宽比小于或等于10：1。

在一些可选的实施例中，所述第四电连接部采用Bump工艺+环氧树脂胶形式、焊锡球形式或双组份导电银胶形式。第四电连接部可以根据实际使用场景选择合适的电连接形式制备，进一步提升了微系统的泛化能力和普适性。

在一些可选的实施例中，每个功能重构区均对应至少一个俘能芯片，所述功能重构区作为对应的俘能芯片的物理载体，同一个所述功能重构区对应的各俘能芯片的能量形式相同。

在一些可选的实施例中，所述能量管理电路的数量与俘能芯片的数量相同且一一对应，所述能量管理电路包括用于接收所述压电俘能芯片输出的电能的压电俘能管理电路、用于接收所述光电俘能芯片输出的电能的光电俘能管理电路、用于接收所述振动俘能芯片输出的电能的振动俘能管理电路和用于接收所述电磁俘能芯片输出的电能的电磁俘能管理电路，所述第三主体部还包括能量整合电路；所述能量管理电路包含升降压转换器、电路板内经走线和过孔，传输至所述能量管理电路的电能通过所述升降压转换器转换后，经所述电路板内经走线和所述过孔传输至所述能量整合电路；其中，所述升降压转换器为AC-DC升降压转换器或DC-DC升降压转换器；所述能量整合电路将各所述能量管理电路的输出进行整合后，传输至所述储能模块进行电能存储。能量整合电路可以起到防倒灌的作用，保证电能单向输入至储能模块中进行电能存储。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定。

图1是本申请的一个实施例中提供的一种基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统的结构示意图；

图2是本申请的一个实施例中提供的一种基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统的实物图；

图3是本申请的一个实施例中提供的一种硅转接板层的部分结构示意图；

图4是本申请的一个实施例中提供的一种第三主体部的结构示意图；

图5是本申请的一个实施例中提供的一种第一主体部的结构示意图；

图6是本申请的一个实施例中提供的另一种第三主体部的结构示意图；

图7是本申请的一个实施例中提供一种基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统的能量流动示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本申请的一个实施例涉及一种基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统。下面对本实施例的基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

本实施例的基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统的具体结构可以如图1所示，其实物图如图2所述，该基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统包括俘能器件层、硅转接板层和能量管理层，俘能器件层包括第一主体部1、第一电连接部2和第二电连接部3，硅转接板层包括第二主体部4和第三电连接部5，硅转接板层的部分结构可以如图3所示，能量管理层包括第三主体部7和第四电连接部6，第三主体部7的结构可以如图4所示，包括能量管理电路71和储能模块73。

第一电连接部2用于电连接第一主体部1的顶电极与第二主体部4的上表面的重布线层41，第二电连接部3用于电连接第一主体部1的底电极与第二主体部4的上表面的重布线层41，第二主体部4的面积大于第一主体部1。第三电连接部5设置在第二主体部4的内部，贯穿第二主体部4，用于电学导通第二主体部4的上表面的重布线层41和下表面的重布线层42，第四电连接部6用于电连接第二主体部4的下表面的重布线层42与第三主体部7。第一电连接部2、第二电连接部3、第三电连接部5和第四电连接部6形成了第一主体部1到第三主体部7之间的通路。

第一主体部1用于从外界环境中俘获不同形式的能量并转换为电能，第一主体部1转换得到的电能通过第一电连接部2和第二电连接部3进入硅转接板层，之后通过第三电连接部5和所述第四电连接部6跨层传输至第三主体部7的能量管理电路71，由能量管理电路71传输至储能模块73进行电能存储。

第二主体部4的上表面的重布线层41上设有若干个可编辑的功能重构区，功能重构区与第二电连接部3接触，各功能重构区的面积、材料和与第二电连接部3的接触方式可编辑。

本实施例，由俘能器件层从外界环境中俘获不同形式的能量并转换成电能，经硅转接板层传输至能量管理层，最终由能量管理层的储能模块进行电能存储。硅转接板层设有若干个可编辑的功能重构区，功能重构区的面积、材料和与俘能器件层的连接均可编辑，这使得硅转接板层适用于各种不同形式能量的俘能器件与能量管理电路的片上/晶上系统的互联集成，整个微系统体积比较小，重量比较轻，功能密度高。硅转接板层的设置使得俘能器件与能量管理电路、储能模块不再分体设计，很好地实现了“俘能器件—能量管理电路—储能电池”的功能重构与集成，即实现了多类分立器件的集成与多功能微系统的自供能，有效提升了微系统的续航时长和极端环境下的工作能力，使微系统适用于各种应用场景，提升了微系统的泛化能力和普适性。

在一个实施例中，第一主体部的结构可以如图5所示，第一主体部1由若干个不同能量形式的俘能芯片组成，不同能量形式的俘能芯片包括但不限于压电俘能芯片11、光电俘能芯片12、振动俘能芯片13和电磁俘能芯片14。压电俘能芯片11用于从外界环境中俘获机械能，并将俘获到的机械能转换为电能。光电俘能芯片12用于从外界环境中俘获光能，并将俘获到的光能转换为电能。振动俘能芯片13用于从外界环境中俘获振动能，并将俘获到的振动能转换为电能。电磁俘能芯片14用于从外界环境中俘获电磁能，并将俘获到的电磁能转换为电能。不同能量形式的俘能芯片不仅以上四种，还可以根据实际需要设置风电俘能芯片、水电俘能芯片等，第一主体部中一种能量形式的俘能芯片也可以根据实际需要设置多个，本申请的实施例对此不做具体限定。

可以理解的是，第一主体部至少集成有压电俘能芯片、光电俘能芯片、振动俘能芯片和电磁俘能芯片，这样微系统至少可以俘获附近环境中的机械能、太阳光能、振动能和电磁能并转换电能，保证微系统拥有强大的自供电能力。

在一个例子中，第二主体部上的每个功能重构区均对应至少一个俘能芯片，功能重构区作为对应的俘能芯片的物理载体，同一个功能重构区对应的各俘能芯片的能量形式相同。

在一个例子中，能量管理电路的数量与俘能芯片的数量相同且一一对应，图5所示的第一主体部对应的第三主体部可以如图6所示，能量管理电路包括用于接收压电俘能芯片11输出的电能的压电俘能管理电路711、用于接收光电俘能芯片12输出的电能的光电俘能管理电路712、用于接收振动俘能芯片13输出的电能的振动俘能管理电路713和用于接收电磁俘能芯片14输出的电能的电磁俘能管理电路714，第三主体部7中还设置有能量整合电路72，能量整合电路72的输入端与各能量管理电路的输出端连接，能量整合电路72的输出端与储能模块73的输入端连接。

每一个能量管理电路均包含升降压转换器(AC-DC升降压转换器或DC-DC升降压转换器)、电路板内经走线和过孔，传输至能量管理电路的电能通过升降压转换器进行转换后，经电路板内经走线和过孔传输至能量整合电路。能量整合电路将各能量管理电路的输出进行整合后，传输至储能模块进行电能存储。能量整合电路也可以起到防倒灌的作用，保证电能单向输入至储能模块中进行电能存储，防止因前后电压差导致储能模块反向放电。

整个基于多模环境能量的功能可重构的片上自供能微系统的能量流动可以如图7所示，环境能量由俘能芯片俘获并转换成电能，经硅转接板层、能量管理电路、能量整合电路最终流入储能模块。

在一个例子中，光伏俘能芯片选用GaAs太阳能电池，第二主体部具体为硅转接板，第三主体部具体为能量管理电路板，GaAs太阳能电池叠放在硅转接板的上表面，硅转接板则叠放在能量管理电路板的上表面。

在一个实施例中，第一主体部由若干个不同能量形式的俘能芯片组成，第一电连接部具体用于电连接各俘能芯片的顶电极与第二主体部的上表面的重布线层，第二电连接部具体用于电连接各俘能芯片的底电极与第二主体部的上表面的重布线层。

第一电连接部可以采用细导线焊接形式或金丝打线形式。

第二电连接部可以采用双组份导电银胶形式、键合工艺形式或倒装回流焊接形式。

在具体实现中，第一电连接部和第二电连接部可以根据实际使用场景选择合适的电连接形式制备，进一步提升了微系统的泛化能力和普适性。

在一个例子中，第一电连接部采用金丝打线形式，金丝打线的焊点位于俘能芯片的顶电极与第二主体部的上表面的重布线层。

在一个例子中，第二电连接部采用双组份导电银胶形式，在制备第二电连接部时，将双组份导电银胶中的A胶和B胶按预设比例配比并混合均匀形成胶体，将胶体平整均匀地涂覆在第二主体部的上表面的重布线层上，并将各俘能芯片的底电极贴附在所述胶体上，对所述胶体进行升温固化，形成第二电连接部。导电银胶制备工艺简单，易于布置，不存在类似于焊接的热损伤和内应力，还可以对第二主体部起到一定程度的保护。

在一个实施例中，第二主体部为硅转接板，硅转接板的面积大于第一主体部的面积，也远大于任何一个俘能芯片的面积，第三电连接部采用如图3所示的在硅转接板内设置TSV通孔的形式。在制备第三连接部时，选取不同尺寸和厚度的硅晶圆作为衬底，对所述衬底采用深反应离子刻蚀与Bosch工艺制备得到TSV通孔，从TSV通孔的孔内壁到孔内中心依次制备绝缘层、阻挡层和种子层，并在TSV通孔的孔内壁电镀导电金属，形成第三电连接部。TSV通孔可以大幅度地缩短电互连的长度，提高电性能，并且非常适合用于高密度集成。

在一个例子中，TSV通孔的孔径范围为25μm至70μm，TSV通孔的深度范围为250μm至350μm，TSV通孔的深宽比小于或等于10：1。

在一个例子中，硅转接板的上表面和下表面均沉积有绝缘层，在硅转接板的上表面的绝缘层外侧电镀金属重布线层，形成第二主体部的上表面的重布线层，在硅转接板的下表面的绝缘层外侧电镀金属重布线层，形成第二主体部的下表面的重布线层。

在一个实施例中，第四电连接部可以采用“Bump工艺+环氧树脂胶(Epoxy MoldingCompound，简称：EMC)”形式、焊锡球形式或双组份导电银胶形式。第四电连接部可以根据实际使用场景选择合适的电连接形式制备，进一步提升了微系统的泛化能力和普适性。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。