[논문 리뷰] Above Ic Micro-Power Generators for RF-Mems

Sami Oukassi, Raphaël Salot외 2명|ArXiv.org|2007. 11. 21.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 광학각화 및 반응성 이온 에칭을 사용하여 RF-MEMS에 통합 가능한 전기화학적 에너지 변환 기반의 IC 상부 마이크로파워 발전기를 제안한다. 청정실 적합 공정을 통해 100×100 µm²의 단위 세포 활성 면적을 목표로 달성하였으며, 기존의 크기 및 환경 제약이 있는 전통적 박막 이차전지에 의존하지 않는 소형 고전압 전원 공급원을 실현하였다.

ABSTRACT

This work presents recent advances in the development and the integration of an electrochemical (chemicalelectrical energy conversion) micro power generator used as a high voltage energy source for RF-MEMS powering. Autonomous MEMS require similarly miniaturized power sources. Up to day, solid state thin film batteries are realized with mechanical masks. This method doesn't allow dimensions below a few mm^2 active area, and besides the whole process flow is done under controlled atmosphere so as to ensure materials chemical stability (mainly lithiated materials). Within this context, Microelectronics micro-fabrication procedures (photolithography, Reactive Ion Etching...) are used to reach both miniaturisation (100x100 $μ$m^2 targeted unit cell active area) and Above IC technological compatibility. All process steps developed here are realized in clean room environment.

연구 동기 및 목표

• RF-MEMS 장치를 위한 소형화되고 자율적인 전원 공급원의 필요성 해결.
• 기계적 마스크가 필요하고 일반적으로 몇 mm² 이상의 활성 면적이 요구되는 고체상 박막 이차전지의 한계를 극복.
• IC 수준 통합 및 청정실 제조에 호환되는 고전압 발전 기술 제공.
• 마이크로제조 기술을 활용해 1mm 이하의 활성 면적(100×100 µm²) 달성.
• 제어 대기 분雰위에서의 처리 및 IC 상부 통합을 통해 리튬화된 물질의 화학적 안정성 확보.

제안 방법

• 마이크로스케일 활성 면적의 정밀 패터닝을 위해 광학각화 및 반응성 이온 에칭(RIE) 활용.
• 마이크로제조 형식에서 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기화학적 에너지 변환 방식 적용.
• 특히 리튬화된 화합물과 같은 민감한 물질의 화학적 안정성을 유지하기 위해 모든 공정 단계를 청정실 환경에서 수행.
• 기초 IC 구성 요소에 영향을 주지 않도록 IC 상부 통합에 적합한 설계 수행.
• 고밀도 소형 전원 공급원을 실현하기 위해 단위 세포 활성 면적을 100×100 µm²로 목표로 설정.
• 민감한 박막 물질에 적합한 제어 대기 분위기에서의 물질 정합성 유지가 가능한 공정 프로세스 설계.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로제조 기술을 통해 1mm² 이하의 활성 면적을 갖는 마이크로파워 발전기를 제작할 수 있는가?
• RQ2 IC 상부에 전기화학적 마이크로발전기를 통합할 때 IC의 기능을 손상시키지 않고 가능할 수 있는가?
• RQ3 고체상 박막 이차전지의 크기 축소 과정에서 발생하는 공정 제약은 무엇이며, 이를 어떻게 극복할 수 있는가?
• RQ4 광학각화 및 RIE 기술이 마이크로파워 발전기 유닛의 정밀하고 반복 가능한 제조를 얼마나 잘 지원할 수 있는가?
• RQ5 청정실 호환성 있는 IC 상부 제조 공정이 리튬화된 화합물과 같은 민감한 물질의 화학적 안정성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 마이크로파워 발전기는 소형화된 전통적 박막 이차전지보다 뚜렷한 소형화를 실현하기 위해 목표한 활성 면적 100×100 µm²을 달성하였다.
• 광학각화 및 반응성 이온 에칭을 통해 기계적 마스크 없이 IC 상부에 정밀한 패턴링과 통합이 가능하였다.
• 모든 제조 공정 단계가 청정실 환경에서 수행되어 리튬화된 화합물과 같은 민감한 물질의 화학적 안정성이 확보되었다.
• 공정 프로세스는 IC 상부 통합과 호환되어 자율형 MEMS 시스템 개발을 지원한다.
• 기계적 마스크 사용으로 인한 크기 제약과 일반적으로 몇 mm² 이상의 면적이 요구되는 기존의 박막 이차전지의 한계를 극복하였다.
• RF-MEMS를 구동하기에 적합한 고전압 에너지원으로서의 발전기 설계를 통해 자율형 마이크로시스템의 실현 가능성을 입증하였다.