DE10313005B4 - Backup battery and method for its manufacture - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Reservebatteriemit einer Anode und einer Kathode als Elektroden von 5 bis 500 μm Dicke auf einemSubstrat sowie einem Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten, gekennzeichnetdurch einen Aufbau der Elektroden (10, 20) in Dünnschicht-Planartechnik aufdem Substrat (1), wobei eine interdigitale Anordnung von Anode (20)und Kathode (10) mit einzelnen Elektrodenfingern (11, 11', ...;21, 21', ...) gebildet ist.reserve batterywith an anode and a cathode as electrodes of 5 to 500 microns thickness on aSubstrate and a space for receiving an electrolyte, characterizedby a structure of the electrodes (10, 20) in thin-film planar technologythe substrate (1), wherein an interdigital array of anode (20)and cathode (10) with individual electrode fingers (11, 11 ', ...;21, 21 ', ...) is formed.

Description

Translated fromGerman

DieErfindung bezieht sich auf eine Reservebatterie aus Anode und Kathodeals Elektroden und einem Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten gemäß dem Oberbegriffdes Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auf einVerfahren zum Herstellen einer solchen Reservebatterie.TheThe invention relates to a reserve battery of anode and cathodeas electrodes and a space for receiving an electrolyte according to the preambleof claim 1. In addition, the invention relates to aMethod for producing such a reserve battery.

EineReservebatterie ist eine Batterie, die typischerweise nur einmalnutzbar ist und die sich selbst durch Benetzung mit einem Elektrolytenaktiviert. Füreine Anwendung im medizinischen Bereich kann der Elektrolyt beispielsweiseKörperflüssigkeit sein.ABackup battery is a battery that is typically only onceis useable and that itself by wetting with an electrolyteactivated. Foran application in the medical field, for example, the electrolyteBe body fluid.

Reservebatteriensind bereits bekannt. Sie sind analog zu bekannten Primärbatterienaus Anode, Elektrolytraum und Kathode aufgebaut. Anders als beisolchen Primärbatterienist allerdings bei Reservebatterien der Raum zwischen den Elektroden nichtmit Elektrolyt gefüllt.Erst bei Aktivierung wird der Zwischenraum mit ionisch leitfähigem Elektrolytengefüllt.extra batteriesare already known. They are analogous to known primary batteriescomposed of anode, electrolyte space and cathode. Unlikesuch primary batteriesHowever, with reserve batteries the space between the electrodes is notfilled with electrolyte.Only when activated is the gap with ionically conductive electrolytefilled.

Reservebatterienfinden unter anderem Anwendung in Signallampen, beispielsweise Rettungswestenoder dergleichen, oder beispielsweise auch als Torpedoantrieb. Inbeiden Fällenwerden sie durch eindringendes Seewasser aktiviert. Besonderer Vorteilvon Reservebatterien ist die nahezu unbegrenzte Lagerfähigkeit,da durch den fehlenden Elektrolyten eine Selbstentladung im üblichenSinne nicht möglichist.reserve batteriesfind application in signal lamps, such as lifejacketsor the like, or for example as a torpedo drive. Inboth casesthey are activated by penetrating seawater. Special advantageof backup batteries is the almost unlimited shelf life,because by the missing electrolyte a self-discharge in the usualSenses not possibleis.

Diebisher bekannten Systeme von Reservebatterien sind aus massivenElektroden aufgebaut. Dadurch sind sie nicht geeignet für einenflachen Aufbau und solche Anwendungen, für die ein miniaturisierterAufbau notwendig ist.ThePreviously known systems of backup batteries are made of solidElectrodes assembled. As a result, they are not suitable for oneflat design and such applications, for which a miniaturizedConstruction is necessary.

VomStand der Technik ist es zwar bereits bekannt, Anordnungen in Dünnschichttechnikauszubilden. Dies gilt beispiels weise für ein pyroelektrisches Dünnschichtsensorelementgemäß derDE 195 13 499 A1 oderfür eineelektronische Karte mit IC-Chip und Batterie gemäß derDE 689 14 526 T2. Darüber hinausist aus der WO 01/18830 A1 ein Dünnschichtkondensatorvorbekannt, bei dem auf einem elektrisch isolierenden Substrat eineoxidkeramische Schicht und dazwischen eine Mehrzahl von funktionsgradiertenEinzelschichten vorhanden sind. Die darauf befindlichen Elektrodenkönnenbeispielsweise mäanderförmig nachArt von Interdigitalelektroden ausgebildet sein.Although it is already known from the prior art to form arrangements in thin-film technology. This applies, for example, for a pyroelectric thin-film sensor element according to the DE 195 13 499 A1 or for an electronic card with IC chip and battery according to the DE 689 14 526 T2 , In addition, from WO 01/18830 A1 a thin-film capacitor is previously known, in which an oxide-ceramic layer is present on an electrically insulating substrate and a plurality of function-graded individual layers are present therebetween. The electrodes located thereon may be formed, for example meander-shaped in the manner of interdigital electrodes.

Ausgehendvon obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eineReservebatterie zu schaffen, die kompakt aufgebaut und insbesondere auchpreiswert ist.outgoingFrom the above prior art, it is an object of the invention, aReserve battery to create, which is compact and, in particular, alsois inexpensive.

DieAufgabe ist erfindungsgemäß durchdie kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Herstellungsverfahrenfür einesolche Reservebatterie sind in den nebengeordneten Ansprüchen 9 bis11, 13 und 14 angegeben. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Reservebatterieund des zugehörigenHerstellungsverfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.TheTask is inventively bythe characterizing features of claim 1 solved. production methodfor oneSuch reserve battery are in the independent claims 9 to11, 13 and 14 indicated. Further developments of the reserve battery according to the inventionand the associatedManufacturing process are the subject of the dependent claims.

Dieerfindungsgemäße Reservebatterieist in Dünnschicht-Planartechnikmit Interdigitalstruktur und einzelnen Elektrodenfingern realisiert.Bei der bestimmungsgemäßen Anwendungschließendie Elektrodenfinger den Elektrolyten ein. Die somit gebildete Reservebatteriekann aufgrund ihres besonders einfachen Aufbaus auch sehr einfachhergestellt werden. Dadurch ist der Aufbau so preiswert, dass er insbesondereauch fürsog. Disposable-Anwendungen, z.B. in der Medizindiagnostik, in Fragekommt.TheInventive backup batteryis in thin-film planar technologyrealized with interdigital structure and individual electrode fingers.When used as intendedshut downthe electrode fingers enter the electrolyte. The thus formed backup batterycan also be very simple due to its very simple structuregetting produced. As a result, the structure is so cheap that he in particularalso forso-called disposable applications, e.g. in medical diagnostics, in questioncomes.

WeitereEinzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgendenFigurenbeschreibung von Ausführungsbeispielenanhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Eszeigen jeweils in schematischer SchnittdarstellungFurtherDetails and advantages of the invention will become apparent from the followingDescription of the figures of exemplary embodimentswith reference to the drawing in conjunction with the claims. Iteach show in a schematic sectional view

1 dasPrinzip einer Dünnschicht-Reservebatterie, 1 the principle of a thin-film backup battery,

2 eineReservebatterie in Interdigitalstruktur, 2 a backup battery in interdigital structure,

3 eineReservebatterie gemäß2 in Schnittdarstellungund 3 a backup battery according to 2 in sectional view and

4 dieVorgehensweise zur Aktivierung einer Reservebatterie. 4 the procedure for activating a backup battery.

GleichwirkendeEinheiten haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figurenwerden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.EquivalentUnits have the same reference numerals in the figures. The figuresare described below partially together.

In1 isteine Struktur dargestellt, die eine Substratschicht1 miteiner darauf befindlichen Kathode10 und einer Anode20 enthält. Kathode10 und Anode20 bildenjeweils mehrere Elektrodenfinger11,11', ... und21,21', ..., die zueinanderparallel angeordnet sind. Die Elektrodenfinger11,11', ... und21,21', ... sind Teilvon Interdigitalelektroden. Dies bedeutet, dass die Kathode10 einerseitsund die Anode20 andererseits jeweils insgesamt kammartig ausgebildetist, wobei die einzelnen Kathodenfinger11,11', ... und dieeinzelnen Anodenfinger21,21', ... paarweise ineinander greifen.In 1 a structure is shown, which is a substrate layer 1 with a cathode thereon 10 and an anode 20 contains. cathode 10 and anode 20 each form a plurality of electrode fingers 11 . 11 ' , ... and 21 . 21 ' , ..., which are arranged parallel to each other. The electrode fingers 11 . 11 ' , ... and 21 . 21 ' , ... are part of interdigital electrodes. This means that the cathode 10 on the one hand and the on ode 20 on the other hand in each case a total comb-like design, wherein the individual cathode fingers 11 . 11 ' , ... and the individual anode fingers 21 . 21 ' , ... in pairs.

In2 isteine Struktur wie in1 vorhanden, bei der von derKathode10 einerseits und der Anode20 andererseitsmit jeweils nur einem einzigen Elektrodenfinger die Interdigitalelektrodegebildet wird. Der Elektrodenfinger11 bzw.21 bildetjeweils die komplette Elektrode10 bzw.20.In 2 is a structure like in 1 present at the from the cathode 10 on the one hand and the anode 20 on the other hand, the interdigital electrode is formed with only a single electrode finger. The electrode finger 11 respectively. 21 each forms the complete electrode 10 respectively. 20 ,

Ineiner Abwandlung zu1 und/oder2 können diebeiden oder mehrere Elektrodenfinger spiralförmig, mäanderförmig oder in anderer gewundenerAnordnung ausgebildet sein.In a modification to 1 and or 2 For example, the two or more electrode fingers may be formed in a spiral, meandering or other spiral arrangement.

Insgesamtwird in1 und/oder2 von denStrukturen aus Kathode10 und Anode20 auf demSubstrat1 eine sogenannte „in-plane"-Anordnung gebildet. Dabei kommt esdarauf an, den Abstand der nebeneinander angeordneten Elektroden bzw.Elektrodenfinger möglichstgering zu wählen, wobeiBreite b, Abstand a und Dicke der Elektrodenschicht jeweils in dergleichen Größenordnungliegen. Auf die Dimensionierung und die geeigneten Herstellungsverfahrenwird weiter unten eingegangen.Overall, in 1 and or 2 from the structures of cathode 10 and anode 20 on the substrate 1 It is important to choose the distance between the adjacent electrodes or electrode fingers as small as possible, wherein width b, distance a and thickness of the electrode layer are in each case of the same order of magnitude Dimensioning and the appropriate manufacturing processes will be discussed below.

Ausder Schnittdarstellung der3 ist das Substrat1 mitden darauf befindlichen Elektrodenfingern11,11', ... und21,21', ... ersichtlich.Es ist eine Abdeckung, z.B. eine Folie30, vorhanden, diesich im Abstand oberhalb der Elektrodenfinger befindet, so dassein Elektrolytraum40 gebildet wird. Der Elektrolytraum40 kanngegebenenfalls einen porösen Körper zurAufnahme eines Elektrolyten aufweisen.From the sectional view of 3 is the substrate 1 with the electrode fingers on it 11 . 11 ' , ... and 21 . 21 ' , ... visible. It is a cover, eg a foil 30 , which is located at a distance above the electrode fingers, so that an electrolyte space 40 is formed. The electrolyte space 40 may optionally have a porous body for receiving an electrolyte.

In4 isteine Anordnung gemäß1 gezeigt,bei der das Substrat1 mit Kathode10 und Anode20 aufeinem diskreten Element, z.B. einen Sensorstreifen aufgebracht ist.Die Anordnung ist in einen Elektrolyten51 eintauchbar.Dafür istbeispielsweise ein Behälter50 zurAufnahme des Elektrolyten vorhanden.In 4 is an arrangement according to 1 shown at the substrate 1 with cathode 10 and anode 20 on a discrete element, eg a sensor strip is applied. The arrangement is in an electrolyte 51 submersible. For example, this is a container 50 for receiving the electrolyte present.

Beiden Anordnungen gemäß den1 bis4 sinddie Elektroden10 und20 bzw. Elektrodenfinger11,11', ... und21,21', ... als dünne Schichten, beispielsweisemit einer Dicke von 50 μm,ausgebildet. Im Allgemeinen sollte die Dicke der Elektroden zwischen10 und 100 μmbetragen. Als weitestgehender Bereich kommen Dicken von 5 bis 500 μm in Frage.Die Breite b und der Abstand a der Elektrodenfinger ist jeweilsim Einzelnen darauf abgestimmt.In the arrangements according to the 1 to 4 are the electrodes 10 and 20 or electrode fingers 11 . 11 ' , ... and 21 . 21 ' , ... as thin layers, for example, with a thickness of 50 microns, formed. In general, the thickness of the electrodes should be between 10 and 100 μm. As the widest possible range thicknesses of 5 to 500 microns in question. The width b and the distance a of the electrode fingers are each tuned in detail.

DieHerstellung von dünnenElektrodenschichten erfolgt vorteilhafterweise nach einem bekanntenSiebdruckverfahren. Möglichist es auch, die Elektroden mit einem Sprühverfahren auf ein Substrataufzubringen. Gegebenenfalls kann dabei auf die Zwischenschichtdes Kollektors verzichtet werden, sofern an die Elektroden direktdie Stromanschlüsse angebrachtwerden.TheProduction of thinElectrode layers are advantageously carried out according to a knownScreen printing process. Possibleit is also, the electrodes with a spray on a substrateapplied. Optionally, it can be applied to the intermediate layerof the collector, provided that the electrodes directlythe power connections attachedbecome.

Derartdünne Schichtenkönnenauch beispielsweise mit einem angepassten Ink-Jet-Drucker erzeugtwerden. Eine andere Möglichkeitfür dieHerstellung der Elektroden sind Druckverfahren, insbesondere dersogenannte Tampondruck oder dergleichen, weiterhin Tauchverfahrenoder auch das sogenannte Schlickergießen.sothin layerscanalso created for example with a customized ink-jet printerbecome. Another possibilityfor theProduction of the electrodes are printing processes, in particular theso-called pad printing or the like, further dipping methodor the so-called Schlickergießen.

Nachdem Prinzip der1 bis4 können Reservebatterienaufgebaut werden, die hinsichtlich der Spannung bzw. des zu lieferndenStromes den vorgegebenen Bedingungen genügen. Dabei kann die Anzahln der Zellen vorgegeben werden, wobei im allgemeinen gilt: n ≥ 2. Wesentlichist dabei, dass der Elektrolytraum 4 so gestaltet werden kann, dasser eine Kapillarwirkung zum Einsaugen des Elektrolyten aufweist.Dies kann beispielsweise durch die Dicke des Elektrolytraumes ansich oder durch einen porösenKörperin direktem Kontakt zu den Elektroden realisiert werden. Ein solcherKörper mitKapillarwirkung ist beispielsweise ein Vlies.According to the principle of 1 to 4 Reserve batteries can be constructed which satisfy the given conditions with regard to the voltage or the current to be supplied. In this case, the number n of cells can be predetermined, wherein in general: n ≥ 2. It is essential that the electrolyte space 4 can be designed so that it has a capillary action for sucking the electrolyte. This can be realized for example by the thickness of the electrolyte space per se or by a porous body in direct contact with the electrodes. Such a body with capillary action is for example a fleece.

Beiden beschriebenen Reservebatterien kann einer der beiden Elektroden,dem Elektrolytraum oder den darin enthaltenen porösen Körper, derden Separator darstellt, ein löslichesSalz zugesetzt werden. Dies kann entweder ein wasserlösliches,elektrisch leitendes Salz sein zur Befüllung mit Wasser oder wässrigenLösungenoder aber auch ein Leitsalz fürorganische Flüssigkeiten.atThe described reserve batteries can be one of the two electrodes,the electrolyte space or the porous body contained therein, therepresents the separator, a solubleSalt are added. This can either be a water-soluble,be electrically conductive salt for filling with water or aqueoussolutionsor also a conductive salt fororganic liquids.

ZurAktivierung anhand der1 bis4 beschriebenenReservebatterien wird die Anordnung mit einem Elektrolytreservoirverbunden. Durch mechanischen Druck auf das Elektrolytreservoirwird der Elektrolyt in den Elektrolytraum gedrückt und damit die Batteriebetriebsbereit gemacht.To activate using the 1 to 4 described reserve batteries, the arrangement is connected to an electrolyte reservoir. By mechanical pressure on the electrolyte reservoir of the electrolyte is pressed into the electrolyte space and thus made the battery ready for use.

AlsElektrolyt sind alle Flüssigkeitengeeignet, die zumindest eine geringfügige ionische Leitfähigkeitaufweisen. Bei einer medizinischen Anwendung kann dies eine Körperflüssigkeit,wie Blut, Urin oder Speichel, sein.WhenElectrolyte are all liquidssuitable, the at least a slight ionic conductivityexhibit. In a medical application, this may be a body fluid,like blood, urine or saliva.

DerElektrolyt kann auch direkt die zu analysierende Flüssigkeitsein. Dies ist vorteilhaft fürden Einsatz von sogenannten Disposable-Anwendungen in der Medizintechnik.Für solcheDisposable-Anwendungen ist ein ultradünner Aufbau mit geringem Materialeinsatzund die einfache Fertigung vorteilhaft.Of theElectrolyte can also directly the liquid to be analyzedbe. This is beneficial forthe use of so-called disposable applications in medical technology.For suchDisposable applications is an ultra-thin design with low material usageand the ease of manufacture advantageous.

BeiKontakt mit einer Flüssigkeitaktiviert sich die Batterie und die damit verbundene elektronische Schaltungselbstständig.Die Aktivierung durch die Analyseflüssigkeit wirkt also wie einintelligenter Schalter.When in contact with a liquid, the battery and the electronic circuit connected to it activates automatically. Activation by the analysis fluid thus acts as a smart one Switch.

Claims (14)

Translated fromGerman

Reservebatterie mit einer Anode und einer Kathodeals Elektroden von 5 bis 500 μmDicke auf einem Substrat sowie einem Freiraum zur Aufnahme einesElektrolyten, gekennzeichnet durch einen Aufbau der Elektroden (10,20)in Dünnschicht-Planartechnikauf dem Substrat (1), wobei eine interdigitale Anordnungvon Anode (20) und Kathode (10) mit einzelnenElektrodenfingern (11,11', ...;21,21', ...) gebildetist.Reserve battery having an anode and a cathode as electrodes of 5 to 500 μm thickness on a substrate and a free space for receiving an electrolyte, characterized by a structure of the electrodes ( 10 . 20 ) in thin-film planar technology on the substrate ( 1 ), wherein an interdigital array of anode ( 20 ) and cathode ( 10 ) with individual electrode fingers ( 11 . 11 ' , ...; 21 . 21 ' , ...) is formed.Reservebatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass Anode (20) und Kathode (30) durch jeweilszwei nebeneinander liegende Elektrodenfinger (11,11', ...20,20', ...) gebildetsind.Reserve battery according to claim 1, characterized in that the anode ( 20 ) and cathode ( 30 ) by two adjacent electrode fingers ( 11 . 11 ' , ... 20 . 20 ' , ...) are formed.Reservebatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass der Abstand zweier benachbarter Elektrodenfinger (11,11', ...21,21', ...) entsprechend derjeweiligen Elektrodendicke gewähltist.Reserve battery according to claim 2, characterized in that the distance between two adjacent electrode fingers ( 11 . 11 ' , ... 21 . 21 ' , ...) is selected according to the respective electrode thickness.Reservebatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Dicke der Elektroden zwischen 10 und 100 μm beträgt.Backup battery according to claim 1, characterizedthe thickness of the electrodes is between 10 and 100 μm.Reservebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenfinger (11,11', ...21,21', ...) in gewundenerAnordnung, beispielsweise spiralförmig oder mäanderförmig, ausgebildet sind.Reserve battery according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrode fingers ( 11 . 11 ' , ... 21 . 21 ' , ...) are formed in a spiral arrangement, for example spirally or meandering.Reservebatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass eine Abdeckung (30) zur Bildung einesElektrolytraumes (40) mit Kapillarwirkung für einenElektrolyten (51) vorhanden ist.Reserve battery according to one of the preceding claims, characterized in that a cover ( 30 ) for forming an electrolyte space ( 40 ) with capillary action for an electrolyte ( 51 ) is available.Reservebatterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,dass zur Ausbildung der Kapillarwirkung der Elektrolytraum (40)mit Abdeckung (30) eine geringe Dicke aufweist.Reserve battery according to Claim 6, characterized in that, to form the capillary action, the electrolyte space ( 40 ) with cover ( 30 ) has a small thickness.Reservebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Substrat (1)aufgebrachten Elektroden (10,20) eine freie Oberfläche aufweisen,wobei das Substrat (1) mit den Elektroden (10,20)zur Benetzung der Elektrodenoberflächen in den Elektrolyten (51)tauchbar ist.Reserve battery according to one of claims 1 to 5, characterized in that the on the substrate ( 1 ) applied electrodes ( 10 . 20 ) have a free surface, wherein the substrate ( 1 ) with the electrodes ( 10 . 20 ) for wetting the electrode surfaces in the electrolyte ( 51 ) is submersible.Reservebatterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass das Substrat (1) mit den Elektroden (10,20)einen Streifen bildet, der zum Benetzen der Elektrodenoberflächen ineinen Behälter(50) mit Elektrolyt (51) eintauchbar ist.Reserve battery according to claim 8, characterized in that the substrate ( 1 ) with the electrodes ( 10 . 20 ) forms a strip for wetting the electrode surfaces into a container ( 50 ) with electrolyte ( 51 ) is submersible.Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterienach den Ansprüchen1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Siebdruckenauf das Substrat aufgebracht werden.Method for producing a reserve batteryaccording to the claims1 to 9, characterized in that the electrodes by screen printingbe applied to the substrate.Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterienach einem der Ansprüche1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Sprühen aufdas Substrat aufgebracht werden.Method for producing a reserve batteryaccording to one of the claims1 to 9, characterized in that the electrodes by sprayingthe substrate are applied.Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass fürdas Sprühverfahrenein so genannter Ink-Jet-Drucker verwendet wird.Method according to claim 11, characterized in thatthat forthe spray processa so-called ink-jet printer is used.Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterienach einem der Ansprüche1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Drucken, vorzugsweiseeinem Tampondruck, auf das Substrat aufgebracht werden.Method for producing a reserve batteryaccording to one of the claims1 to 9, characterized in that the electrodes by printing, preferablya pad printing, are applied to the substrate.Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterienach einem der Ansprüche1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Tauchen oderSchlickergießenauf das Substrat aufgebracht werden.Method for producing a reserve batteryaccording to one of the claims1 to 9, characterized in that the electrodes by dipping orslipbe applied to the substrate.