專利名稱：具有增強的功率特性的電荷存儲器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及一種具有增強的功率特性的電荷存儲器件(ECSD，electrical charge storage device)。更具體地說，本發(fā)明涉及增加各種裝置(諸如電容器、電池、燃料電池和其它電荷存儲器件)的電流密度、額定電壓、功率轉移特性、頻率響應和電荷存儲密度。例如，本發(fā)明的一個方面就是固態(tài)和電解電容器，其中，用光滑的結構來增加導體的表面區(qū)域，由此縮短分隔各導體的距離，并且通過使用原子、分子和宏觀水平上的構建技術，來改善有效的電介質特性。
背景技術：
電容器是通常由被電介質材料分隔的一對導體組成的電荷存儲器件。電容器可以用于直流(DC)和交流(AC)應用中用于多種目的，包括能量存儲、信號耦合、馬達起動、馬達運行、功率因數(shù)校正、電壓調整、伏安效率、調諧、諧振、浪涌抑制和濾波。在交流或直流網(wǎng)絡中，可以按照串聯(lián)、并聯(lián)和混合配置來安排各電容器，以便提供在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)中的許多運用上的好處。例如，在交流和直流兩種應用中，并聯(lián)電容器可以用作電流源或電壓源，并且在交流應用中提供VAR支持和功率因數(shù)校正。
在瞬態(tài)交流網(wǎng)絡中，電容器可以被用來改善在瞬變條件下的功率因數(shù)，這導致提高效率或其它所希望的改進。串聯(lián)電容器的瞬態(tài)應用包括電壓浪涌保護、馬達起動、電流限制和切換操作等。例如，低功率因數(shù)瞬態(tài)電流與由于馬達起動和變壓器磁化的故障電流和起動電流有關。串聯(lián)電容器可以通過改善總的功率因數(shù)和瞬變條件下的網(wǎng)絡電壓調整來減輕這些效應。此外，作為電容器的串聯(lián)阻抗的結果，串聯(lián)電容器可以提供瞬變條件的一定程度的電流限制，由此減小故障電流的大小，從而降低對發(fā)電機、變壓器、開關齒輪、總線和傳輸線的要求。還有，由于串聯(lián)電容耦合的存在，與在線路上帶來附加生成容量相關的機械應力也得以減輕。盡管串聯(lián)電容器的這些和許多其它優(yōu)點已成為人所共知，單價、尺寸要求、電壓限制、電流限制、dv/dt限制、di/dt限制、絕緣限制、電介質限制、電機限制和熱動力學限制，已經妨礙了串聯(lián)電容器的推廣應用，尤其是在低頻應用中。
通過納入電容器也能改進穩(wěn)態(tài)交流網(wǎng)絡的特性。例如，大電容量的串聯(lián)應用在電容器上施加一個低的穩(wěn)態(tài)交流電壓，當結合串聯(lián)電容器組來使用電傳輸裝置時，這可能是有利的。類似地，通過改變電容量，可以減小電波畸變。通過串聯(lián)電容器的阻抗匹配或失諧，可以優(yōu)化某些電路參數(shù)。通過使用電容器來提供電流限制和/或分壓，就能改進其它電路。穩(wěn)態(tài)串聯(lián)電容器的應用包括馬達運行、濾波、功率因數(shù)校正、有效功率傳輸、電壓提升等。串聯(lián)、并聯(lián)和混合的電容器安排可以被用來提高馬達轉矩、速率、效率、功率、功率因數(shù)、伏安效率、耦合等。各種電容器組和馬達繞組配置還通過向二者提供所需的磁化電流，允許感應發(fā)電機向感應馬達供電。在這樣一種應用中，供電質量可以得到改善，同時降低電網(wǎng)交流電源、應急供電、移動設備和便攜式發(fā)電機的成本。再有，電容量和容抗在運行中的變化可以被用來增強電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)性能。
通過使用電容器，還可以改進直流網(wǎng)絡的特性。在直流網(wǎng)絡中，電容器可以被用來減緩直流網(wǎng)絡電壓的快速變化，為按需的突然增加存儲能量，以及當直流網(wǎng)絡經受電源電流的突然增加或負載電流的減小時，用于吸收能量。電容器被用來阻隔直流。在主要的直流應用和在諧振的直流鏈路中，電容器還被用來耦合信號。然而，瞬時的和穩(wěn)態(tài)的供電能力對總的存儲能量的低比率趨向于限制電容器在直流應用中的運行利用率。高的ESR和過熱通常限制了常規(guī)的電容器選擇的效用，諸如電解電容器在直流和信號耦合中的應用。
電容器典型地被分類為非極性的或極性的；并且每一類都有多種實現(xiàn)方式。非極化的電容器通?？捎糜谥绷骱徒涣鲬?。不幸的是，由于在尺寸、電容量、重量、效率、能量密度和成本等方面的限制，使得非極化的電容器—尤其是在串聯(lián)配置中—不適用于許多交流和直流應用。由于它們的單向、正向偏置要求，單極化的電容器已經被限制在直流和小交流信號耦合應用中使用。此外，反串聯(lián)的極化電容器可以用于瞬態(tài)應用，諸如馬達起動，并且正向偏置的反串聯(lián)極化電容器可以在交流應用中連續(xù)工作。在直流應用中，極化電容器被廣泛地用于濾波，諸如在直流電源的輸出級。極化電容器也被用于在放大器各級之間耦合信號。最后，從歷史上來看，極化電容器已被用作整流器。
非極化電容器通常被構建為由電介質或絕緣體分隔的兩個導體。導體典型地用導電性材料制成，諸如銅、鋁、其它金屬，或者摻雜的半導體。電介質或絕緣體可以由空氣、云母、油、紙、塑料或其它化合物構成。非極化電容器也可以被構成為金屬化的薄膜電容器，它們由具有金屬化表面的塑料薄層構成。非極化電容器的電容量通常受到分離的導體的表面區(qū)域、分隔導體的距離以及介電常數(shù)的限制。這樣的電容器的額定電壓受到介電常數(shù)、介電強度、材料和制造缺陷的限制。電流和電流的變化率(即di/dt)受到特定電容器材料和結構的ESR、機械強度和熱動力學特性的限制。金屬化的薄膜電容器在最小電介質厚度方面通常顯得不足。隨后的燒穿或故障清除有時被稱為自愈?；蛟S逐漸自毀可能是這種行為的更精確描述。短路然后燒穿的故障機制在諸如數(shù)字裝置的敏感電路中可以是破壞性的。還有，金屬化的薄膜電容器傾向于散熱不良。這將產生內部熱點，并且傾向于加速電容器故障。
平行板型電容器通常成為非極化電容器的最普通的商業(yè)實現(xiàn)方式。在這樣的實施方式中，這種電容器實施例的電介質擊穿和失效通常與電荷集中積累在導電板上的四角和尖點處以及材料缺陷和高電場條件下的厚度變化有關。雖然可以設計電容器并選擇電介質材料，使得所述電容器理論上應當承受這樣的條件，但是常規(guī)的宏觀制造方法通常不提供為保證生產出來的電容器能履行它的理論上的能力所需的精度和控制。例如，常規(guī)的技術不能保證避免導體上的尖角或毛刺，也不能保證電介質材料的厚度在它的整個面積上都是均勻的，也不能保證電介質將以共形的方式被安排在導體上。而且，平行板型電容器的表面區(qū)域通常已經被限制為扁平結構以及常規(guī)的增加技術，諸如板共享和螺線纏繞封裝。
與非極化電容器相比，極化電容器具有增強表面區(qū)域，不幸的是，引入了附加的電容器部件、電荷運送機制以及附加的損耗。例如，一種常用的極化電容器—電解電容器—的物理組成包括一個導體、陽極箔、陽極化層、液體浸潤紙層、絕緣紙層、陰極和導體。類似地，用于諸如超級電容器、特級電容器和雙層電容器的其它極化裝置(對稱的和不對稱的)的構成方法和損耗機制也是眾所周知的。然而，極化電容器(還有其它極化電荷存儲器件(PECS))與它們的非極化對立物相比，通常具有低的每單位電容量成本和較小的質量和尺寸。這些特性使得極化電容器的使用優(yōu)先于非極化電容器。
除了這些有利的特性以外，極化電容器通常也具有它們的缺點。由于電子隧道而產生的電氣方向性電容量與整流電路行為的關系通常是不利的。作為另一個實例，由于紙/電解質的電阻以及氧化(即，電介質)層中的功率損耗，與非極化電容器相比，極化電容器在電源頻率上呈現(xiàn)更高的等效串聯(lián)電阻(ESR，equivalent series resistance)。再有，電解電容器由于水的電解而除去氫氣，以及離子遷移限制和導體終接實踐趨向于提供陡峭的頻率響應曲線。再有，電解電容器所能耐受的最大交流紋波電流受到ESR、額定電壓以及電容器封裝的熱動力學、機械和通風特性的限制。上述封裝允許它能承受所產生的熱和壓力而不致?lián)p壞。還有，最常用的材料，鋁，通常為了精煉需要使用大量的能量。陽極刻蝕和成型工藝又需要大量的附加能量輸入、化學工藝和處理。用常規(guī)方法構成的其它極化電荷存儲器件也蒙受無數(shù)類似的缺點。
存在一些用于改善極化電容器的熱動力學特性的已知方法。這些方法包括通過增加箔的厚度、增加液體體積和使用較厚的外殼材料，來增加熱質量。還有可能通過降低對于熱流的熱阻來增加散熱。這通過下列方法來完成把陰極箔壓接到外殼上、從內部和外部增加外殼的表面區(qū)域以及生成附加熱結構，諸如冷凝管、冷鐓機塊和螺栓安裝。另外的已知方法包括風冷、循環(huán)水冷和其它外部熱控制方法，最后，通過增加電容器的允許工作溫度，就能獲得增加的熱輻射和熱傳導。這些方法雖然是有效的，但是實質上趨向于增加成本，并且在許多情況下實質上增加了部件的物理尺寸和重量。
典型地，對于極化的和非極化的分立電容器二者來說，由于材料的缺陷、不精確的制造工藝和邊界界面問題，無論是理論的介電強度，還是理論的介電常數(shù)，都未能有效地實現(xiàn)。反過來，這些因素又限制著一種給定的電容器實施方式可能達到的最大額定電壓和電容量。再有，導通電流和位移電流能力的不平衡連同不一致的材料特性，限制著一個給定電容器的瞬態(tài)和持續(xù)的電流能力。結構熱動力學限制還趨向于限制瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的電流能力以及電容器的工作壽命。因此，存在提供一種能增加電容量、額定電壓和電流以及功率傳遞的改進的電容器和制造電容器的方法的需求。
眾所周知，平板電容器的電容量由下面的方程式給出C＝E0ERA/d式中，E0為自由空間的介電常數(shù)，ER為電介質的相對介電常數(shù)，A為導體的公共表面區(qū)域，d表示介于導體之間的距離。從上面的方程式可以看出，通過增加導體的公共表面區(qū)域A，就能增加電容量。圖1示出在一個具有用于導電層的平坦表面的一般化電容器15的導電板10和11上的瞬時電荷積累。電介質中的微觀電荷位移允許電流流動。圖中示出了正和負電荷。電介質層13被安排在導電板10和11之間。
在圖2中可以看到用于增加表面區(qū)域的一種已知方法的實例，該圖表示一個具有導電箔22和24的極化電解電容器20的一個示例性實施例的放大了的截面圖。通過酸蝕刻導體以形成微通道26來增加箔22和24的表面區(qū)域。微通道26典型地處于40μm±1μm，并且具有尖銳的邊沿。用已知的大尺度制造方法氧化高純度鋁陽極22以生成處于單晶、多晶或非晶形態(tài)的氧化鋁薄膜，從而形成具有約為9的相對介電常數(shù)ER的電介質層28。對應于這樣一個介電常數(shù)的絕緣額定值通常約為1.1nM/V。
從圖2可以看出，作為采用掃帚—麥稈狀結構的結果，導電箔的有效表面區(qū)域實質上被增加。然而，由于掃帚—麥稈狀結構的末端之間的空間距離變化以及伴隨的位移電流限制，使得難以對電容器進行充電，特別是在高電壓情況下。為了克服這種固有的弱點，以被電解質溶液浸濕的紙的形式，引入附加的電荷傳送機制，以便在充電過程中，為電荷提供一條到達導體的擴大表面區(qū)域的路徑。
圖2所示的配置具有多種特性，這些特性最終限定了電容器的性能和長壽性。例如，在充電過程中，從陰極箔通過浸濕的紙遷移到陽極箔的負離子增加了電容器的ESR，并且限制額定紋波電流。在充電過程中，由于水的電解而放出的氫氣必須被排出。結構的機械弱點以及所需的陽極化厚度限制電容器的額定電壓。并且，雖然微通道可用來增加電容器的表面區(qū)域，但是，隨著額定電壓的增加，這種改進的效果從兩個數(shù)量級降低到一個數(shù)量級。
鋁電解電容器的另一個缺點就是在生產時需要大量的能量。鋁已經被稱為凝固的電。高純度鋁所需的能量，例如陽極箔所需的能量仍然較大。常規(guī)的制造工藝典型地要求在一個施加電場的化學槽中首先用強堿然后用強酸進行處理。還需要幾次高純度水的洗滌。需要大量的電功率用于加熱、氧化、形成鋁箔和接頭材料。電解溶液通常是一種石油化工產品，諸如混有水和諸如酸、堿等其它化學品的乙二醇。跟隨在纏繞、加濕和填充等項操作之后的是最后的電形成步驟。這些步驟和輸入都是高度能量密集的。因此，常規(guī)的鋁電解電容器的制造技術需要大量的能量。
反串聯(lián)極化電容器對也蒙受若干缺點。首先，如果所述對是未經偏置的，則一個部件起電容器的作用，而另一個部件則起二極管的作用。這種工作狀態(tài)每半周期改變一次，并且大大地縮短了電容器組件的壽命，并且它又是諧波電流和地參考電壓干擾的一個來源。當相等大小的、反串聯(lián)的電容器被偏置時，組件的電容量被減少大約一半。由于它們?yōu)榇?lián)電氣疊加現(xiàn)象，所以所述組合的ESR和相關的高耗散因子增加。
制造電容器的小尺度制造技術也是人們所熟知的。例如，在固態(tài)集成電路器件中，使用半導體制造技術來生成電容器。由于集成電路存儲器設計的目的是生成低壓下的短半壽命電路，所以這樣的設計通常把注意力集中在減少電容量和有利于降低介電常數(shù)，而不是增加電容量和增強功率傳送特性。在那些以高介電常數(shù)和電流密度為優(yōu)先目標的場合，在這些應用中，其目的通常是尋求小型化和較低的電容量。去耦電容器用作局部化的低阻抗電壓源；由此向同步的集成電路提供無噪聲的電源。印制電路板的電氣的、熱的和機械的限制嚴格限制了集成電容器的材料和構建技術。使用常規(guī)的制造技術也不能容易地控制集成的電容量變化。
其它極化的電荷存儲器件研究已經涉及增加總的能量存儲，并且已經導致超級電容器、特級電容器或雙層電容器的開發(fā)。這些電容器旨在跨越電化學電池和極化電容器(諸如液態(tài)鉭和鋁電解電容器)之間的間隙，在超級、特級和雙層電容器中，通過使用大尺度制造技術(諸如在題為“Process of Manufacturing a Porous Carbon Materialand Capacitor Having the Same”的美國專利第5,876,787號中所公開的內容)來增加導體的表面區(qū)域和體電荷存儲能力，從而增加能量存儲能力。
然而，超級電容器、特級電容器或雙層電容器有許多阻止它們在功率應用中使用的限制特性。例如，這樣的電容器具有相對低的額定電壓(即，每個單元1V-3V)，并且趨向于具有相對高的ESR，在以功率傳送為目的的應用場合中，它們二者都不是積極的屬性。還有，所述裝置是極化的電荷存儲器件，由此限制了它們在交流電源應用場合中的使用。再有，這樣的裝置通常不能按需傳遞所存儲的全電荷。很多存儲的電荷可能保留不可用。此項被觀測的特性有一個時間依賴分量和一個時間不變分量。并不是可以被投入使用的所有存儲能量都能在瞬間被釋放，使得所述裝置不適用于快速充電和放電的應用場合。存儲電荷保留不可用于方便使用的第二種機理就是捕獲能量的現(xiàn)象。由不同大小和充電水平的電容器組成的串聯(lián)組件在放電結束時將在其內保留一個顯著的和可測量的捕獲電壓。超級、特級和雙層電容器的低單元電壓需要許多單元來實現(xiàn)共同的系統(tǒng)電壓。在電化學電池放電中也能觀察到這種現(xiàn)象，并且有時被稱為單元倒置。
電源傳遞和最終使用系統(tǒng)的改進可以對今天的經濟和環(huán)境產生顯著的影響。更具體地說，電動馬達目前消耗電表計費有效功率的大約65％。為了說明可以實現(xiàn)的改進，假定一個示例性的馬達具有50％的功率因數(shù)，同時假定剩余35％的計費負載是純電阻性的。因此，組合負載的總伏安數(shù)(VA)為有效功率的119.27％。并且35％的電阻性負載僅僅是總的伏安負載的29.24％。因此，在本例中，馬達負載大于系統(tǒng)總伏安負載的70.75％。按照串聯(lián)、并聯(lián)和混合配置方式排列的電容器有助于經濟地校正功率因數(shù)，并減小與此相伴隨的經濟和環(huán)境后果。而且，某些LC馬達設計已經被說明相對于純磁性設計，能提高馬達的效率、轉矩、功率因數(shù)、振動、相位支線損耗以及其它所希望的馬達特性，因此也改善了經濟和環(huán)境。
通過一種具有增加了的電容量、散熱和功率傳送能力的增強型分立非極化電容器，可實現(xiàn)在功率傳送和最終使用系統(tǒng)的改進以及伴隨而來的好處。也可以通過一種具有增加了的電容量、增加了的電壓和額定紋波電流、降低了的ESR，以及提高了的散熱和功率傳送特性的增強型分立非極化電容器，來實現(xiàn)這樣的改進。已改進的分立電容器特性和方法也可以有利地應用于集成電路、數(shù)字芯片和其它電氣裝置。

發(fā)明內容
如這里所使用的，術語“一個”可以指一個或多個。如在權利要求中所使用的那樣，當與字“包括”結合使用時，字“一個”可以指一個或者多于一個。如這里所使用的，“另一個”可以指至少第二個或者更多個。
術語“交流”和“交流源”在廣義上被使用。術語“交流”和“交流源”將包括但不限于固定頻率、可變頻率、固定振幅、可變振幅、調頻、調幅和/或脈沖寬度調制的交流。其它信號和通信技術，包括單邊帶和疊加技術以及其它線性、非線性、模擬或數(shù)字信號等都被明確地包括在內。交流源可以包括諧波分量。交流和交流源被認為指的是時變信號。這些信號可以包含數(shù)據(jù)和/或功率。類似地也包括以多種方法和/或方式改變的混合交流源。參照單個交流源將不被認為是消除多個交流源。
如這里所使用的，術語“粘合”、“粘附”、“已粘合的”和“粘結”將包括但不限于原子到原子、分子到分子和層到層的結合、膠合、膠粘、粘合、吸引、親和、共享所使用的方法、力、機制、技術和材料，以及用于穩(wěn)住、固定、結合、連接、互聯(lián)、編織、交織、鎖和鑰匙，或者把相似的和或不相似的材料結合在一起的其它方法、力和材料。這種工藝將包括但不限于毫微、微和宏連接與互聯(lián)。
如這里所使用的，術語“陽極化”指的是，使金屬在電解槽的陽極處經受電解作用，以便涂覆一層保護性的、絕緣的或裝飾性的薄膜。
如這里所使用的，術語“電容器”指一個基于與電場有關的現(xiàn)象的電路元件。電場的源是電荷或電壓的分離。如果電壓隨時間改變，則電場也隨時間改變。時變電場在該電場所占據(jù)的空間中產生位移電流。電容量的電路參數(shù)將位移電流與電壓相關聯(lián)，能量可以被存儲在電場中，因而也被存儲在電容器中。電容器的瞬時電壓和電流之間的關系以及對電容器的物理效應對于改進電容器來說是關鍵的。
如這里所使用的，術語“導體”指含有大量實質上自由的電荷載流子的材料，例如金屬。然而，術語“導體”不僅限于金屬。這些電荷載流子是自由的，可以在導電材料中漂移。它們響應于幾乎無限小的電場，并且只要它們經受電場，它們就趨向于繼續(xù)移動。當通過一個外部能量源在導體中保持穩(wěn)態(tài)電場時，這些自由載流子承載電流。在靜態(tài)條件下，導體中的電場消失。導體包括但不限于超導體、高溫超導體、摻雜半導體、金屬化薄膜等，當用于這些用途時，它們都被認為是導體。導電層是形成導體的電容器的一層或多層?？梢杂脤щ娋酆衔飦硇纬伤鰧щ妼印?br> 如這里所使用的，術語“共形”指的是，但不局限于，具有一致尺寸的相同的可操作形狀。
如這里所使用的，術語“共形涂覆”指的是，但不局限于，把一層接觸和/或粘合到另一層。在它們的界面或邊界處，這兩層的形狀將按照實際可能緊密地匹配。如果層“A”在一個區(qū)域中是凹的，則層“B”在這個區(qū)域中應當是凸的，以便實現(xiàn)此種效果。凸層“B”必須小于凹層“A”以便實現(xiàn)該效果。一般來說，共形涂覆的配合越緊密，共形涂覆的結合強度和一致性越大，并且這提供了邊界特性的優(yōu)勢。最好是，共形的涂覆厚度的均勻性是人們所希望的。
如這里所使用的，術語“直流”、“直流電”和“直流電流”可以是生成、引起、提供、支持、或者側重于包括但不限于電子、離子和孔的一個或多個電荷載流子的單方向或者主要單方向磁通量、位移、傳輸和/或流動的任何技術、設計、條件、物理條件或設備。
如這里所使用的，術語“直流源”、“直流電壓源”或“直流電源”在廣義上被使用。這個術語一般地覆蓋并包括用于或可用于產生、生產或者通過交流整流來生產直流電的任何方法和設備。直流電源明確地包括、但不局限于直流發(fā)電機、電化學電池、光伏器件、整流器、燃料電池、直流量子器件、某些管形器件等。它們將包括穩(wěn)壓的、不穩(wěn)壓的、濾波的和不濾波的等多種類型。直流源明確地包括、但不局限于由非電氣隔離源、自耦變壓器、隔離變壓器和鐵磁共振變壓器供電的整流器。類似地也包括直流到直流電源、開關式直流電源、脈沖充電器等。單數(shù)術語將不被認為是排除處于并聯(lián)、串聯(lián)和/或反串聯(lián)配置的多個和/或冗余直流源。也包括單相和多相整流的直流源和/或充電器。類似地也包括實時調節(jié)直流偏置水平的能力。使用“二極管降壓裝置”和精密調整的浮動直流電源電壓可以提供運行上和設計上的好處，尤其是在將電化學電池包括在冗余電源中，或者使用反串聯(lián)的PEC設備的場合。
如這里所使用的，術語“電介質”指一種物質，在其中，所有的帶電粒子被強有力地捆綁在一起以構成分子。響應于電場的作用，這些帶電粒子可以輕微移動它們的位置，但是它們不會離開它們的分子附近。實際的電介質呈現(xiàn)出微弱的導電性，但是通常可以被表征為不導電。電場產生一種被施加到每一個帶電粒子的力，正電荷沿著電場的方向被推動，負電荷則方向相反，因此，每一個分子的正負兩部分都從它們的平衡位置沿著相反的方向位移。電介質增加電容量，增加最大額定電壓，并且提供電容器的導電板之間的機械支持。具有可使用的特性的電介質有各種類別。電介質層是形成電容器的電介質的一層或多層。
如這里所使用的，術語“介電常數(shù)”指相對于真空的介電常數(shù)。
如這里所使用的，術語“介電強度”指電介質在不被擊穿的前提下所能承受的最大強度。如果電介質中的電場變得十分強，則它將開始激發(fā)大量的電子，使之具有處于導帶內的能量。這就把已激發(fā)的電子完全地逐出分子之外，并且所述材料在被稱為電介質擊穿的過程中將變?yōu)閷щ娦缘摹?br> 如這里所使用的，術語“電解質”指一種表現(xiàn)出介于導體和電介質之間的電氣特性的材料。在環(huán)境溫度條件下，電解質典型地處于液相。添加劑和雜質可以改變電解質和電解液的電氣特性。
如這里所使用的，術語“增強表面”指在導電層的全部或一部分上，或者在電介質層的全部或一部分上增強表面區(qū)域。當增強的表面區(qū)域相對于總面積的比例大于或等于所述表面或區(qū)域的標稱尺寸的2％時，這一部分將被認為被增強。例如，通常有一個環(huán)繞著已擴大的表面區(qū)域的邊界或邊界區(qū)域，其邊界區(qū)域不具有增強表面區(qū)域。例如，導電或電介質的增強表面區(qū)域是一個其表面區(qū)域大于由長度乘以寬度所決定的一個平面的面積的特定層(導電或電介質)的表面區(qū)域。
如這里所使用的，術語“互補性(moiety)”指兩個近似相等部分之一，或者整體的基本和補充部分。
如這里所使用的，術語“半導體”指具有導體和電介質之間的電氣特性的材料。在環(huán)境溫度條件下，半導體典型地處于固相。添加劑、雜質和摻雜物改變半導體的電氣特性。
如這里所使用的，術語“極化電容器”將包括但不限于其它極化的電荷存儲(PEC)裝置，例如電化學電池、燃料電池、液體鉭電容器、電解電容器、超級電容器、特級電容器、量子器件等。
如這里所使用的，術語“尖銳(sharpy)”指可以表征為具有尖銳點、角、快速的方向變化、傾角、走向、傾斜以及突然的分界等的表面。
如這里所使用的，術語“光滑的”指一個相對地沒有尖銳點、角、快速的方向變化、傾角、走向、傾斜以及最不明顯的分界等的表面。
如這里所使用的，術語“地形表面(topographical surface)”指一個具有三維形狀的表面。該三維表面可以包括從所述表面延伸的任何結構或突出物。
如這里所使用的，術語“起伏”指波浪式的上升和下降。起伏表面將呈現(xiàn)波浪形的外形、表面、邊界或邊緣。
如這里所使用的，術語“均勻”就一段距離而言，它表示導電層和電介質層的相對表面之間的距離是相等的距離，就電介質層的厚度而言，它指該層具有相對恒定的厚度。
以下的討論包括用于實施本發(fā)明的各優(yōu)選實施例。然而，沒有限制性的實例。在實施本發(fā)明的過程中，其它實例和方法也是可能的。
本發(fā)明涉及通過用光滑結構增加導體表面區(qū)域、縮短分隔導體的距離和通過使用原子和分子級的構建技術來改善有效電介質特性，來增強固態(tài)或電解電容器的電流密度、額定電壓、功率傳送特性和電荷存儲密度。
本發(fā)明一般地涉及具有增強的功率特性的電荷存儲器件(ECSD)。更具體地說，本發(fā)明涉及增強各種裝置(諸如電容器、電池、燃料電池和其它電荷存儲器件)的電流密度、額定電壓、功率傳送特性和電荷存儲密度。電荷存儲器件的電氣功能包括傳導電流和位移電流。它們還可以包括通過電化學方法的質量遷移、離子遷移和電荷產生。電荷存儲器件的熱功能包括熱產生、熱傳導和熱輻射。例如，本發(fā)明的一個方面就是固態(tài)和電解電容器，其中，用光滑結構來增加導體的表面區(qū)域，由此縮短分隔各導體的距離，并且通過使用原子、分子和宏觀級的構建技術來改善有效電介質特性。當使用電解質化學成分時，形成導體和電介質的原子和分子的大小，物理的、量子的和電氣的特性將大大地改變。類似地，溫度、壓力、機械力和體積限制的應用要求將在寬范圍內發(fā)生變化。電氣應用在電壓、電流、頻率、所需電容量、瞬態(tài)要求、穩(wěn)態(tài)要求、頻率響應、所希望的穩(wěn)定性以及運行變化的優(yōu)先選擇等方面也將類似地在寬范圍內發(fā)生變化。因此，在本發(fā)明的多種優(yōu)選的實施方式和實施例中，將使用許多特定的材料、材料特性、結構、拓撲、表面區(qū)域增強方法、溫度控制機制、強度、構建機制、尺度、大小和封裝方法。
本發(fā)明的一個方面是一個呈現(xiàn)出增強的功率特性的電荷存儲器件。
本發(fā)明的另一個方面是增加空間區(qū)域或體積內的表面區(qū)域。
本發(fā)明的又一個方面是與電荷分隔距離的縮短相結合的表面區(qū)域的增加。
本發(fā)明的再一個方面是呈現(xiàn)出增加的結構強度的電荷存儲器件。
諸如晶體的固態(tài)物質的基本物理特性取決于在一個特定空間尺度上(典型地處于納米體制)固體的周期性。這些物理特性包括介電常數(shù)、介電強度、電導率、能帶間隙、電離電位、熔點和磁飽和強度。精細地控制諸如毫微晶體、多晶體、晶體、填隙子、非晶材料、金屬和合金等固態(tài)物質的尺寸和表面，就能調節(jié)它們的特性。原子和分子的組合技術可以生成新的材料并且產生諸如基于填隙子、毫微晶體和毫微多晶體的材料。
在本發(fā)明的一種實施方式中，通過改變下層材料的各層和層的數(shù)目而改變分子構成，以實現(xiàn)用于建立電荷存儲機制的導電的和不導電的結構。
在一種實施方式中，本發(fā)明具有從力學上互相支持的導電層和電介質層，由此提供增加了的強度。當一個電位被施加到本發(fā)明之上時，將不具有在其上積累電荷的銳角轉角。在發(fā)生短路、馬達電源電路重新閉合、馬達起動、馬達鎖定轉子和變壓器激勵起動功率的過程中，設備的機械強度將有助于防止機械損壞。對電容能力的增加電流將允許更大的電流而不會發(fā)生熱損壞。在本發(fā)明中，通過減少空隙、雜質、增加一半，并結合逐個原子構建方法和量子力，將起到附加的作用以增加強度。
超過一個臨界的原子數(shù)時，一種特定的結合幾何形狀；一種擴展的固體的特性“鎖定”。隨著附加的原子被添加進來，表面原子的數(shù)目和空間體積改變，但是在該集群中的化學鍵的基本特性沒有改變。根據(jù)尺度定律和直觀推斷，毫微晶體特性緩慢地和平滑地外推到較大的尺度。
在一個實施例中，有一種宏觀地被視為平板電容器、同軸電容器/導體或其它電波導的電荷存儲器件，它們被這樣構建，以便增加電容器、導體或波導的表面區(qū)域。
在一個實施例中，有一種宏觀地被視為平板電容器、同軸電容器/導體或其它波導的電荷存儲器件，它們被這樣構建，以便增強電容器、導體或波導的電氣特性。
在一個實施例中，有一種宏觀地被視為平板電容器、同軸電容器/導體或其它波導的電荷存儲器件，它們被這樣構建，以便增強電容器、導體或波導的熱力學特性。
在一個實施例中，有一種宏觀地被視為平板電容器、同軸電容器/導體或其它波導的電荷存儲器件，它們被這樣構建，以便增強電容器、導體或波導的機械特性。
在一個實施例中，有一種電荷存儲器件，它包括至少一個光滑的、起伏的、導電的基板表面。一個由電介質構成的第二光滑層以和導電層密切接觸的方式被制造，所述電介質層共形地覆蓋基板?；旧显诿恳稽c，電介質的起伏表面與導電基板保持互補性。一個由導電的光滑的起伏材料構成的第三光滑層，以和電介質密切接觸的方式被制造。在整個表面上保持互補性，使得這3層以三維匹配方式起伏。一種簡單的結構可以從概念上被圖解為用一塊波紋狀的塑料片隔開的兩塊波紋狀的鐵片的重新組合。對給定的電介質相對介電常數(shù)來說，電介質厚度和強度的變化將改變電容器的額定電壓。大小和周期的變化將改變平板上的表面區(qū)域增大。對給定電壓來說，電介質的相對介電常數(shù)的變化將改變所需的分隔距離。電容量取決于相對介電常數(shù)、有效表面區(qū)域和分隔距離。容抗還取決于電源頻率、材料的結構和頻率響應。另一方面，如果這兩塊波紋狀的鐵片被一塊剛性的塑料平片所分隔，并且波紋狀鐵片的頂層和底層的相對峰彼此相鄰，則存在增強表面區(qū)域，但是不存在擴大了的有用表面區(qū)域。
在本發(fā)明的一個實施例中，存在電荷存儲器件，具有第一導電層，上述第一導電層含有第一導電表面；具有相對的第一和第二電介質表面的電介質層，第一電介質表面具有與第一導電表面基本上共形的表面；以及具有被安排與第二電介質表面相鄰的第二導電表面的第二導電層。第一和/或第二導電表面具有一個具有被構成為光滑的增加了的表面區(qū)域的導電基板。此外，一個共形光滑電介質層以與基板密切接觸的方式被安排。然后，以與共形電介質層的開放一側密切接觸(互補)的方式來制造一個共形的第二導電層或基板，以形成一個電容器單元。當電位被施加在所述電介質層兩端時，區(qū)域性地對稱的電介質層將產生位移電流。至少兩個導電基板可以被終接，以便電連接到其它電路元件。或者，在替代方案中，這一過程可以繼續(xù)，以建立一個附加的電容器層，用于串聯(lián)或并聯(lián)連接。
在本發(fā)明的另一個實施例中，存在電荷存儲器件，具有至少一個第一導電層，上述第一導電層具有一個導電曲線表面；具有導電曲線表面的至少一個第二導電層；以及至少一個電介質層被安排在第一導電曲線表面和第二導電曲線表面之間。
在本發(fā)明的又一個實施例中，存在電荷存儲器件，具有第一導電層，上述第一導電層具有第一導電曲線表面，具有相對的第一和第二電介質曲線表面的電介質層，第一電介質曲線表面被安排最接近第一導電曲線表面，并且跨越其區(qū)域基本上跟隨第一導電曲線表面，以及具有第二導電曲線表面的第二導電層，所述第二導電曲線表面被安排在相鄰第二電介質曲線表面并且跨越其區(qū)域基本上跟隨第二導電曲線表面。
在本發(fā)明的再一個實施例中，存在電荷存儲器件具有第一導電層，上述第一導電層具有第一導電光滑的、增強表面；具有相對的第一和第二電介質表面的電介質層，第一電介質的光滑的、增強表面被安排在最接近所述第一導電光滑的、增強表面并且基本上跟隨第一導電光滑的、增強表面，以及具有第二導電光滑的、增強表面的第二導電層，第二導電光滑的、增強表面被安排在相鄰所述第二電介質表面并且基本上跟隨第二導電光滑的、增強表面。
在本發(fā)明的再一個實施例中，存在電荷存儲器件，具有第一導電層，上述第一導電層具有第一導電表面；具有相對的第一和第二電介質表面的電介質層，第一電介質表面具有基本上與第一導電表面共形的表面；以及具有第二導電表面的第二導電層，第二導電表面被安排在相鄰所述第二電介質表面。
在所述電荷存儲器件的另一個實施例中，存在電荷存儲器件，具有第一導電層，上述第一導電層具有第一導電表面；電介質層，具有相對的第一和第二電介質表面，第一電介質表面基本上保持與第一導電表面的互補性；以及第二導電層，它具有被安排相鄰第二電介質表面的第二導電表面。
在所述電荷存儲器件的又一個實施例中，至少一個第一導電層具有一個成型的地形表面，至少一個第二導電層具有導電成形的拓撲表面；以及被安排在第一導電的成形的拓撲表面和第二導電曲線表面之間的至少一個電介質層。
在一個實施例中，電荷存儲器件具有基本上共形的第一導電表面以及第一電介質表面。
在一個實施例中，電荷存儲器件具有基本上共形的第二導電表面以及第二電介質表面。
在一個實施例中，電荷存儲器件具有基本上與第一電介質表面保持互補性的第一導電表面。
在一個實施例中，電荷存儲器件具有基本上與第二電介質表面保持互補性的第二導電表面。
在一個實施例中，電荷存儲器件具有至少2％的第一導電表面區(qū)域與相鄰的第一電介質表面區(qū)共形。由于這個特定百分比的區(qū)域共形，電荷存儲器件應當呈現(xiàn)出增強的功率特性。最好是，這兩個區(qū)域應當基本上共形。然而，在某些實例中，這些表面可以這樣來構成，使得它們精確地共形。例如，這兩個區(qū)域應當互為實質上精確的鏡像。然而，這些區(qū)域可以基本上共形，以便獲得所述裝置的增強了的功率特性。
在一個實施例中，電荷存儲器件具有至少2％的第一導電表面區(qū)域與相鄰的第一電介質表面區(qū)域保持互補性。此外，第二導電表面區(qū)域最好是與相鄰的第二電介質表面區(qū)域保持互補性。由于這個特定百分比的區(qū)域保持互補性，所以電荷存儲器件應當呈現(xiàn)出增強的功率特性。最好是，這兩個區(qū)域應當保持精確的互補性。然而，這些區(qū)域可以基本上保持互補性，以便獲得所述裝置的增強的功率特性。例如，通常有一個環(huán)繞所述界面區(qū)的邊界或邊界區(qū)，其中電介質表面區(qū)域、厚度、范圍、寬度和/或深度將超過相關的導電層。類似地，從電氣連接或者吸熱區(qū)的觀點來看，導電層通?？梢栽诔叽缟喜煌陔娊橘|層。
在一個實施例中，電荷存儲器件具有至少2％的第一導電表面區(qū)域被安排離開相鄰的第一電介質表面區(qū)域基本上均勻的距離。對于給定的區(qū)域，導電表面的每一個原子或分子與所述電介質表面的相對的原子或分子保持基本上均勻的距離。
在一個實施例中，電荷存儲器件具有至少2％的第一導電表面區(qū)域被安排在離開第一電介質表面區(qū)域從0.0001μm到2000μm的選定距離。此外，在另一個實施例中，最好是，第二導電表面區(qū)域被安排在離開第二電介質表面區(qū)域從0.0001μm到2000μm的選定距離。不同實施例的從0.0001μm到2000μm的選定距離可選擇用于特定的電荷存儲器件。對于給定的選定距離來說，所選定的距離可以改變特定的可選容限。
在一個實施例中，電荷存儲器件可以具有用于本創(chuàng)新性裝置的導電層或電介質層的光滑增強表面區(qū)域。最好是，鄰接的導電層和電介質層的表面具有相似的光滑表面區(qū)域結構。在本創(chuàng)新性裝置的不同的實施例中，光滑的增強表面區(qū)域結構可以是i)氣泡狀(像生物的肺)，ii)正弦曲線行狀，iii)以可垂直滲透方式嵌入(像一塊海綿)，iv)拋物面狀，v)倒置或外翻(即，它可能是凹的或凸的)，vi)螺線狀，vii)隨機旋渦狀，vii)類似隨機旋渦狀，viii)可以用數(shù)學方法定義(例如，sin(X)sin(Y)，(A)sin(bX)sin(bY)，拋物面，圓錐面等)，ix)管狀，x)環(huán)狀，xi)螺旋管。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置通過使用光滑結構來減少電介質發(fā)熱。
在電荷存儲器件的另一個實施例中，在一塊基板和相鄰的共形的電介質層之間構建一塊共形的過濾介質。所述共形的過濾介質用已知成分的電解液來濕潤相鄰的基板和電介質。共形的過濾介質將允許離子遷移，以便使位移電流穿過共形的電介質層發(fā)生，然后，以與所述結構密切接觸的方式來制造第二共形的導電基板，以完成電解電容器單元。至少兩塊導電基板可以被終接，以便電連接到其它電路元件。或者在替代方案中，這一過程可以繼續(xù)，以建立一個附加的電容器層。
在電荷存儲器件的一個實施例中，在構建或制造過程中，用于導電層和電介質層的材料被互相粘合在一起。
在電荷存儲器件的一個實施例中，粘附參數(shù)的變化被用來改變裝置的結構。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個導電層由一種合金和/或金屬構成，包括但不限于鋁、鐵、銅、銀、金或者它們的組合。
在電荷存儲器件的另一個實施例中，用一塊包括但不限于下列各項的基板來構建所述裝置鐵基板、鋁基板、陶瓷基板、硅基板和碳基板，或者它們的組合。
在電荷存儲器件的一個實施例中，用下列各項中的任何一項來構建電介質層一種結晶物質、一種多晶物質，或者一種非晶物質。
在本發(fā)明的一個實施例中，用處于結晶形式(例如藍寶石)、多晶形式、分層形式、非晶形式(類似于玻璃)或者處于混合形式的氧化鋁電介質層來構建所述裝置。
在本發(fā)明的一個實施例中，選擇導電表面材料的分子取向和結構以允許最大的電導。
在本發(fā)明的一個實施例中，選擇導電表面材料的分子取向和結構，以便提供最小的電導。
在電荷存儲器件的不同的實施例中，用由下列各項中任何一項構成的電介質層來構建所述裝置二氧化硅電介質、陶瓷電介質、鈦氧陶瓷電介質、含鈦的陶瓷電介質、鈦酸鋇電介質、鈦酸鍶電介質、鋯鈦酸鉛電介質、金剛石電介質、金剛石基質電介質、有機電介質、聚合物電介質或者有機物質。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置被形成為一個電容器。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置被形成為一個電池。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置被形成為一個燃料電池。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置被形成為一個分立的電容器。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置被形成為一個化學的雙層電容器。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個導電層由半導體構成。
在電荷存儲器件的一個實施例中，安排了多層電介質，以便同時增加介電常數(shù)和介電強度。
在電荷存儲器件的一個實施例中，安排了一種復合的電介質，以便同時增加介電常數(shù)和介電強度。
在一個實施例中，本發(fā)明的裝置含有或還包括一種過濾結構。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件含有或還包括一種離子遷移結構。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件含有或還包括一種電解質。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件支持離子遷移。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件支持電荷分隔。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件支持電傳導。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件支持位移電流。
在一個實施例中，電壓被施加到所述電荷存儲器件的兩側。
在一個實施例中，在所述電荷存儲器件中形成一個電場。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件的體積密度被增加超過傳統(tǒng)的平板電容器的體積密度。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件的額定電壓被增加超過傳統(tǒng)的電解電容器的額定電壓。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件含有或還包括處于25℃(二十五攝氏度)的固體或者處于25℃的液體。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件含有或還包括處于25℃(二十五攝氏度)的超冷卻液體。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件含有或還包括處于25℃(二十五攝氏度)的氣體。
在一個實施例中，所述電荷存儲器件的電介質層的充電過程受助于諸如酒精、水或聚合物的電解質。
在一個實施例中，電介質層的充電受助于含有或還包括下列各項中任何一項的電解質堿、溶劑、鹽、酸、氧化劑或還原劑。
在一個實施例中，所述電介質層由云母構成。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置通過與至少一個導電層密切接觸來降低電介質發(fā)熱。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置通過與至少一個散熱器密切接觸來降低電介質發(fā)熱。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置通過與至少一個熱交換器操作連接來降低電介質發(fā)熱。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置通過與至少一個致冷機構操作連接來降低電介質發(fā)熱。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置通過與至少一個低溫致冷機構操作連接來降低電介質發(fā)熱。
在電荷存儲器件的一個實施例中，通過與至少一個致冷機構操作連接來改變所述裝置的電氣特性。
在電荷存儲器件的一個實施例中，通過與至少一個致冷或低溫致冷機構操作連接來改變所述裝置的電氣特性。
在電荷存儲器件的一個實施例中，通過與至少一個致冷或低溫致冷機構操作連接來改變所述裝置的電介質電氣特性。
在電荷存儲器件的一個實施例中，通過與至少一個致冷或低溫致冷機構操作連接來改變第一和/或第二導電層的電氣特性。
在電荷存儲器件的一個實施例中，通過一個溫度變化機構來改變所述裝置的電氣特性。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置通過與至少一個散熱器密切接觸來降低電解質發(fā)熱。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置通過與至少一個熱交換器操作連接來降低電解質發(fā)熱。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置通過與至少一個致冷機構操作連接來降低電解質發(fā)熱。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置通過縮短離子遷移距離來降低電解質發(fā)熱。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置通過改進離子遷移路徑來降低電解質發(fā)熱。
在電荷存儲器件的一個實施例中，通過摻雜來改變至少一個導電層的電導率。
在電荷存儲器件的一個實施例中，通過摻雜來改變所述電介質層的電氣特性。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個原子被粘合到至少一個原子或分子。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個分子被粘合到至少一個原子或分子。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個導電的原子或分子被粘合到至少一個電介質原子或分子。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個原子被粘合到至少一塊基板。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述基板被粘合到所述電介質層。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一種粘合劑把至少一個導電層粘合到至少一個電介質層。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置還包括至少一個導電溝道，以便把電流傳送到第一導電層和第一電介質層的界面。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置還包括至少一個導電溝道，以便把電流傳送到第二導電層和第二電介質層的界面。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置還包括至少一個導電溝道，以便把至少一個離子傳送到導電層/電解質層界面。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置具有至少一個在其邊緣上絕緣的導電層，以減小邊緣效應。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個導電層在其邊緣上被絕緣，以防止起弧。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個導電層被連接到至少一根導線。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個導電層被絕緣，以防止電容器短路。
在電荷存儲器件的一個實施例中，包括至少一個減壓孔。
在電荷存儲器件的一個實施例中，包括一道密封(密封墊材料或橡膠等)。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個接頭被連接到至少一個導電層。接頭是一個薄的金屬帶，用于把極化電荷存儲器件(諸如一個電解電容器)的正端連接到陽極箔。其它接頭可以把陰極箔連接到負端。
本創(chuàng)新性裝置與其它裝置的組合本發(fā)明的電荷存儲器件可以和各種各樣的裝置和其它電子設備配合使用。這里所描述的各實施例并不意味著去限制所述電荷存儲器件的使用，而是指明本發(fā)明的電容器的某些關系密切的使用。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個導電層可操作地連接到至少一根導線。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個電荷存儲器件可操作地連接到至少一個附加電容器和/或至少一個其它電荷存儲器件。
在一個實施例中，所述裝置被配置為一個分立的電容器，并且可操作地連接到至少一個被配置為一個分立的電容器的附加創(chuàng)新性裝置。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個導電層可操作地連接到一個直流源。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個導電層可操作地連接到一個交流源。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個導電層可操作地連接到一個直流源和一個交流源。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一個導電層可操作地連接到一個直流偏置源和一個交流源。
在電荷存儲器件的一個實施例中，至少一對極化電容器以反串聯(lián)配置方式連接。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置的至少一個導電層可操作地連接到至少一個散熱器。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置可操作地連接到至少一個電氣部件。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置可操作地連接到至少一個電阻器。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置可操作地連接到至少一個半導體。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置可操作地連接到至少一個二極管。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置可操作地連接到至少一個整流器。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置可操作地連接到至少一個受控整流器。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置可操作地連接到至少一個電感器。
在電荷存儲器件的一個實施例中，通過外部方法來設置和保持所述裝置的工作溫度。
在電荷存儲器件的一個實施例中，通過外部方法來設置和保持所述裝置的工作壓力。
在電荷存儲器件的一個實施例中，通過外部方法來設置和保持所述裝置的工作方向。
本創(chuàng)新性裝置的構建方法與技術可以按照不同的大小，例如，按照毫微尺度、微尺度、分子尺度或者按照一個宏觀尺度器件來構建所述電荷存儲器件?？梢园凑者@樣一種方式來構建本創(chuàng)新性裝置，使得按照逐個原子、逐個分子或者它們的組合的方式來構建或制造本發(fā)明的裝置的各個部件?？梢园凑罩饘踊蛘咧饌€原子的方式來制造導電層和電介質層。最好是，利用毫微技術工藝和技術來生成本電荷存儲器件。然而，可以使用宏觀技術來獲得強化的能量存儲和功率特性、增強的表面區(qū)域互補性等等。毫微技術和宏觀技術應當被認為是說明性的，而不是限制性的?？梢园凑杖魏未涡騺硗瓿蓪щ妼雍碗娊橘|層的構建次序或順序，包括各層的同時構建。
可以按照宏觀方式，逐層地、或者逐個原子地制造本創(chuàng)新性裝置的導電層和電介質層，以復制增強表面區(qū)域、縮短的電荷分隔距離和提高的功率特性的結果。
在構建本創(chuàng)新性裝置的一種方法中，逐個分子地制造導電層和電介質層。在構建本創(chuàng)新性裝置的另一種方法中，逐個原子地制造導電層和電介質層。
在制造本電荷存儲器件的一種方法中，所述工藝包括下列各步驟構建具有一個導電曲線表面的至少一個第一導電層、構建具有一個導電曲線表面的至少一個第二導電層，以及構建被安排在第一導電曲線表面和第二導電曲線表面之間的至少一個電介質層。
在制造本電荷存儲器件的另一種方法中，所述工藝包括下列各步驟構建具有一個第一導電曲線表面的第一導電層，構建具有相對的第一和第二電介質曲線表面的電介質層，第一電介質曲線表面被安排緊接著第一導電曲線表面，并且跨越其區(qū)域基本上跟隨第一導電曲線表面；構建具有第二導電曲線表面的第二導電層，第二導電曲線表面被安排緊接著第二電介質曲線表面，并且跨越其區(qū)域基本上跟隨第二導電曲線表面。
在制造本電荷存儲器件的另一種方法中，所述工藝包括下列各步驟構建具有第一導電光滑增強表面的第一導電層；構建具有相對的第一和第二電介質表面的電介質層，第一電介質光滑增強表面被安排緊接著第一導電光滑增強表面，并且基本上跟隨第一導電光滑增強表面；構建具有第二導電光滑增強表面的第二導電層，第二導電光滑增強表面被安排相鄰第二電介質表面，并且基本上跟隨第二導電光滑增強表面。
在制造本電荷存儲器件的另一種方法中，所述工藝包括下列各步驟構建具有第一導電表面的第一導電層、構建具有相對的第一和第二電介質表面的電介質層，第一電介質表面具有與第一導電表面基本上共形的表面；構建具有第二導電表面的第二導電層，第二導電表面被安排與第二電介質表面相鄰。
在制造本電荷存儲器件的另一種方法中，所述工藝包括下列各步驟構建具有第一導電表面的第一導電層、構建具有相對的第一和第二電介質表面的電介質層，第一電介質表面與第一導電表面基本上保持互補性；構建具有第二導電表面的第二導電層，第二導電表面被安排與第二電介質表面相鄰。
在制造本電荷存儲器件的另一種方法中，所述工藝包括下列各步驟構建具有第一導電表面的第一導電層、構建具有相對的第一和第二電介質表面的電介質層，第一電介質表面具有與第一導電表面基本上共形的表面；構建具有第二導電表面的第二導電層，第二導電表面被安排與第二電介質表面相鄰。
在制造本電荷存儲器件的另一種方法中，所述工藝包括下列各步驟構建具有第一表面的第一導電層、構建具有相對的第一和第二電介質表面的電介質層，第一電介質表面被安排在緊接著第一表面，并且基本上跟隨第一表面；構建具有一個表面的第二導電層，第二導電表面被安排與第二電介質表面相鄰，并且基本上跟隨所述第二表面；其中，第一和/或第二電介質表面的至少一部分具有尖銳結構。
在構建或制造本電荷存儲器件的一種方法中，淀積電介質薄膜。
在構建或制造本電荷存儲器件的一種方法中，淀積多孔介質。在電解質型電荷存儲器件的充液部分內，所述多孔介質像一層紙那樣，允許離子遷移，并且可以被視為類似于海綿。它使各層潤濕并允許電流流動。在這些多孔介質中，可以使用各種電化學(如同在汽車電池、鉭電容器、電解電容器、超級電容器、特級電容器、燃料電池等，即，在所有的PECS裝置中那樣)。
在構建或制造本電荷存儲器件的一種方法中，淀積可滲透介質。在一種電解質類型的電荷存儲器件的充液部分內，所述可滲透介質像一層紙那樣，允許離子遷移，并且可以被視為類似于海綿。它使各層潤濕并允許電流流動。在這些可滲透介質中，可以使用各種電化學(如同在汽車電池、鉭電容器、電解電容器、超級電容器、特級電容器、燃料電池等，即，在所有的PECS裝置中那樣)。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，各項化學參數(shù)在時間和空間上可控制地發(fā)生改變，以便改變裝置的物理結構。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用化學汽相淀積(CVD)工藝。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用等離子體增強的化學汽相淀積(PECVD)工藝。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，進行固化/退火工藝。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用一種反應氧源。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用毫微處理技術、設備和工藝來構建引線、導體、電解質、潤濕機構或電介質中的任何一種。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用微尺度組裝技術、設備和工藝來構建引線、導體、電解質、潤濕機構或電介質中的任何一種。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用平版印刷術工具、設備和工藝來構建引線、導體、電解質、潤濕機構或電介質中的任何一種。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用蝕刻工具、設備和工藝來構建引線、導體、電解質、潤濕機構或電介質中的任何一種。
在構建本電荷存儲器件的一些實施例中，可以使用下列各項中的一項或多項微機電裝置、至少一個微傳感器、至少一個毫微傳感器、至少一個陣列探頭、至少一個陣列毫微管、至少一個電磁場、至少一個可控制電磁場和/或至少一個毫微機電裝置。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，采用表面涂覆。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用粘附。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用粘附參數(shù)的可控制的變化來改變裝置的物理結構。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用蝕刻工具、設備和工藝來構建引線、導體和電介質。
在構建本創(chuàng)新性裝置的過程中，可以使用下列設備和工藝i)大尺度設備和工藝，ii)小尺度設備和工藝，iii)微尺度設備和工藝，或iv)毫微尺度設備和工藝。
在本電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置還包括一個潤濕機構。在另一個實施例中，所述潤濕機構包括至少一個微流體通道網(wǎng)絡。
在本電荷存儲器件的一個實施例中，所述裝置還包括一個由至少一個毫微管組成的潤濕機構。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用一個光敏基板。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，淀積一個光敏層。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，淀積一個光敏區(qū)。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用一個掩模圖案。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，可操作地將一個電極連接到第一和/或第二導電層。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，可操作地將一個電極連接到一個導電基板。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，可操作地將一個電極連接到一個半導體。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，可操作地將一個電極連接到一個電介質。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用一個探頭。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，使用一種試劑。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，構建一個晶片。
在構建本電荷存儲器件的一種方法中，進行微流體分析。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，通過一根毫微管向所述裝置輸送材料。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，通過單層毫微管向所述裝置輸送材料。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，通過多層毫微管向所述裝置輸送材料。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，使用一個激光器。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，通過一個激光器把材料熔化到所述裝置。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，可以使用下列各項中的任何一項或多項顯微鏡、熱源或散熱器。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，通過一根毫微管來監(jiān)測所述各種材料。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，通過一根毫微管來利用所述材料。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，測量材料溫度。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，測量材料化學特性。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，測量材料的電氣特性。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，測量材料的物理特性。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，測量材料的量子特性。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，使用一種腐蝕工藝。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，使用一種蝕刻工藝。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，各導電層和電介質層被并入印制電路板內。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，各導電層和電介質層被并入集成電路內。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，各導電層和電介質層i)被裝入一個封裝，或ii)被密封。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，導電層和電解質被裝入一個封裝中。
在構建本電荷存儲器件的一種方式中，所述裝置被裝入一個金屬封裝中、一個塑料封裝中、一個基于硅的封裝中、一個基于碳的封裝中或者一個陶瓷封裝中。
在構建本電荷存儲器件的至少一種方法中，所述工藝包括生長各種微觀結構，諸如晶體、墊、過濾墊、底座、網(wǎng)和粒子云。
可以按照任何適當?shù)男螤顏順嫿ū景l(fā)明的裝置，諸如扁平形、圓柱形、球形或者扁平形以外的形狀。
可以按照這樣一種形狀來構建本發(fā)明的裝置，例如先是扁平形的、并且隨后卷繞或加工成任何其它適當?shù)男螤?，諸如扁平形、圓柱形、球形或者扁平形以外的形狀。
本發(fā)明裝置的封裝一旦本發(fā)明的裝置被構建或制造出來，本裝置就可以被卷繞，特別是，為了最后的封裝目的而采取扁平形的形狀。一個或多個發(fā)明的裝置可以被存儲或收藏在封裝容器之中。所述封裝容器可以是圓柱形的、環(huán)狀區(qū)域、正六面體的，以及其它容器形狀。所述容器可以是防水的，額定壓力的或者振動安裝的(沖擊安裝的)。
具有帶絨毛狀小結構的光滑電容器的電荷存儲器件在本發(fā)明的一種實施方式中，構建了一種具有絨毛狀微結構的光滑整體結構。保持了光滑整體結構的整體機械強度。在小區(qū)域內，引入尖的短粗纖維。這些為增加強度和表面區(qū)域而構建的短粗纖維用來分布和積累大的電荷濃度?？紤]一座光滑的大山。每一個緩和的斜率曲線輕微地蜿蜒著。這里有起伏、山谷、山脊、高原和絕頂。無論是從東西南北，都可以容易地走到山上的每一點。無論是登山、下山或者橫越，都要作出差不多相等的努力。但是等一下，讓我們更近地調查一下。用草鋪成的綠色地毯進入我們的視野。在更近的觀察中，明顯光滑的山體結構在最小層次中斷。草的莖和葉中斷了我們的高山草原的連續(xù)性和光滑性。為了攝取能量，這些草尋找最大的日照。草的小枝并沒有降低山體的強度，這些小枝已經大量地增加了山的表面區(qū)域。
在本發(fā)明的一種實施方式中，構建了一種具有絨毛狀毫微結構的光滑整體結構。在《飄》一書中，Scarlet O′Hare穿著從窗簾再加工的天鵝絨服裝來拜訪Rhett Butler。相愛的一對僅把注意力放在如上所述的最細小的層次上，他們只看見scarlet的形象的光滑線條被天鵝絨的絨毛粗暴破壞了。天鵝絨的極端長絨毛并沒有降低Leigh小姐對Gable先生的魅力。事實上，柔軟的天鵝絨絨毛發(fā)出它的全部力量。細小的但是可見的短粗纖維產生一種大多數(shù)其它紡織物無法匹配的深度。按照類似的方式，絨毛狀毫微結構為本發(fā)明的電容器提供了針對電荷積累、故障狀態(tài)和電壓強度的強有力的機械結構。
在電荷存儲器件的一種實施方式中，導電層和電介質層被構建成具有光滑的整體結構、具有絨毛狀微結構和具有絨毛狀毫微結構。保持了高的機械強度和有效介電強度。通過使用一種尖銳拓撲結構，就能得到大的表面區(qū)域，從而得到高的電荷濃度和積累。由此遇到以高電壓和大電流狀態(tài)為特征的各種力、力矩、應力和熱活動，而不發(fā)生電容器顯著降質。
具有尖銳結構的電荷存儲器件電荷存儲器件的另一方面就是具有尖銳結構的電荷存儲器件。在一個實施例中，有一種電荷存儲器件，在所述裝置的導電層和/或電介質層的至少一部分上具有尖銳結構。
在一個實施例中，一個電荷存儲器件有具有第一表面的第一導電層，具有相對的第一和第二電介質表面的電介質層，第一電介質表面被安排緊接著第一表面，并且基本上跟隨第一表面；具有一個表面的第二導電層，第二導電表面被安排與第二電介質表面相鄰，并且基本上跟隨第二表面；其中，第一和/或第二電介質表面的至少一部分具有尖銳結構。
在電荷存儲器件的一個實施例中，所述存儲裝置包括具有第一表面的第一導電層、具有相對面的第一和第二電介質表面的電介質層。導電層的第一表面被安排緊接著電介質層的第一表面，并且基本上跟隨所述電介質表面。本裝置還包括具有一個表面的第二導電層，第二導電表面被安排與第二電介質表面相鄰，并且基本上跟隨第二電介質表面。
本裝置的一個方面就是，第一和/或第二導電表面的至少一部分具有尖銳結構。此外，第一或第二電介質表面的至少一部分也可以具有尖銳結構。沒有限制地說，這些結構中的某一些包括枝狀晶體結構、諸如一種實質上樹和葉的結構、一種實質上神經狀結構、一種實質上突觸狀結構，或者一種實質上的血管和毛細管狀結構。
在電荷存儲器件的一種實施方式中，所述導電層和電介質層被構成為具有光滑的整體結構，具有枝狀晶體、菲涅爾、樹和葉以及其它尖角形結構。導體的交織的、絕緣的隨機糾纏(像一個裝滿蛇的袋子或者一個裝滿細面條的漏勺那樣)。這些不同的結構提供了增強的功率特性。
在電荷存儲器件的一種實施方式中，通過使用尖銳結構，擴大了所述電容器的表面區(qū)域。
在電荷存儲器件的一種實施方式中，通過使用尖銳結構，增加了電荷存儲密度。
在電荷存儲器件的一種實施方式中，通過使用尖銳結構，增加了所述電容器的總電荷密度。
在電荷存儲器件的一種實施方式中，通過使用尖銳結構，增加了所述電容器的瞬時電流容量。
在電荷存儲器件的一種實施方式中，通過使用尖銳結構，增加了所述電容器的電荷積累速率。
在電荷存儲器件的一種實施方式中，通過使用粘附來抵消排斥力。
在電荷存儲器件的一種實施方式中，通過使用粘附來抵消熵。
在本發(fā)明的一種實施方式中，通過使用粘附，使電容器材料保持在適當?shù)奈恢谩?br> 在本發(fā)明的一個實施方式中，通過使用粘附，使電容器材料集合在一起。
在本發(fā)明的一個方面中，電介質層和導電層之間的互補性促進了本發(fā)明電容器的冷卻。
應當注意的是，雖然以上說明了本發(fā)明的大多數(shù)實施例的概要，但是其它各實施例均在權利要求書中加以陳述。在發(fā)明內容一節(jié)中，這些實施例均通過參考而并入。
以上已經相當廣泛地列舉了本發(fā)明的特征和技術上的優(yōu)點，以便讀者能更好地理解隨后的本發(fā)明的詳細說明。構成本發(fā)明的權利要求書的主題的附加的特征和優(yōu)點將在下文中加以敘述。本領域的技術人員應當理解，所公開的概念和特定的實施例可以被容易地用來作為修改或設計用于實行本發(fā)明的相同目的的其它結構的基礎。本領域的技術人員還應當認識到，這樣的等效的結構并不離開在所附的權利要求書中所陳述的精神實質和范圍。從以下的結合附圖的說明中，將能更好地理解作為本發(fā)明的新穎的特征的它的組成和操作方法，連同進一步的目的和優(yōu)點。然而，有待于明確地理解的是，每一張圖都僅僅是為了圖解和說明的目的而提供的，作者不打算將其用于規(guī)定對本發(fā)明的限制。


為了更完整地理解本發(fā)明，現(xiàn)在參照下列結合附圖的說明，在附圖中圖1示出在一個具有平面用于導電層的通用電容器的導電板上的瞬時電荷積累；圖2表示一個現(xiàn)有技術的、具有導電金屬箔的極化電解電容器的一個示例性實施例的放大了的截面圖；圖3表示一個光滑的二維圖形；圖4表示一個光滑的三維結構；圖5圖解互補性的情況，表明頂部和底部結構是共形的；
圖6表示此項技術的電能存儲特性與功率轉移方面之間的相互關系；圖7表示在一個并聯(lián)的電容器組合中，能減少導電層的數(shù)目的一種構建方法；圖8表示在一個串聯(lián)的電容器組合中，能減少導電層和互連的數(shù)目的一種構建方法；圖9A-9B表示在一個反串聯(lián)的電容器組合中，能減少導電層和互連的數(shù)目的一種構建方法；圖10表示一個具有增加了的表面區(qū)域的任意尺度的電容器設計；圖11表示一種具有尖角的毫微結構；圖12表示一個具有正弦拓撲的增強表面區(qū)域；以及圖13表示一個增強表面區(qū)域區(qū)域，在其中，峰和谷在性質上是矩形平行六面體，展示一種單元鋸齒或金字塔拓撲。
具體實施例方式
本領域的技術人員通常用數(shù)學方法來描述電容器。通常使用的單位制和換算方法有好幾種。在各個系統(tǒng)中跳來跳去也并不少見?；镜奈锢砗蛿?shù)學定義和關系如下。在可應用的場合，使用無源符號電路約定Q＝8.9874×109Nm2Cou2(電荷單位，庫侖)E0＝8.854×1012Cou2/NM2(自由空間的介電常數(shù))C＝Q/Vv＝(1/C)∑idt+vt0(從t0到tf求和或積分)i＝C dv/dtp＝vi＝Cv dv/dtw＝Cv2/2C＝E0ER(A/d)(平行板電容器的幾何尺寸)電容器的特征在于某些定性的電路動作和反應。此種電路的行為歸納為下列直觀推斷i)電容器將允許端電流的瞬時變化，ii)電容器將反對端電壓的瞬時變化，以及iii)已充電的電容器對恒定(DC)電壓表現(xiàn)為開路。
圖3表示一個光滑的二維圖形?？梢杂靡粋€光滑表面來形成一個或多個導電層的表面。此外，可以用一個相似的光滑表面來形成電介質層。二維光滑圖形的一種數(shù)學模型就是正弦波。如同下面將要進一步地說明和圖4所示那樣，光滑的谷31和峰33可以物理地擴展為幾個光滑的三維表面。例如，該圖可以被認為是一個光滑的三維溝或山和谷結構的側視圖。
圖4表示一個可以用于本發(fā)明的光滑的三維結構。此種結構可以被認為是谷31和峰33結構，或者一個正弦波，或者在一個平面中線性延伸的類似起伏。只要梯度的變化是逐漸的，這種結構就可以被認為是光滑的?？梢赃M行所述表面斜率的逐漸變化。
圖5表示各層之間的互補性的概念。頂部和底部的結構是共形的。圖5所顯示的強調了頂部41和底部43這兩半部之間的距離分隔。如圖所示，在第一表面45和第二表面47之間，這兩個表面保持互補性。在本發(fā)明的某些實施例中，導電層與電介質層保持互補性。
圖6表示電荷存儲器件的許多目的其中之一，一個目的就是增強電荷存儲器件的功率特性。圖6意味著它是說明性的而不是限制性的。圖6示出本發(fā)明的電荷存儲器件的電能存儲特性與功率傳送方面之間的相互關系。該圖在y軸上表示能量61，并且在x軸上表示功率62。被稱為“感興趣的區(qū)域”的框通常表示與其它現(xiàn)成可用的技術相比，本發(fā)明的技術的一種實施方式所處的位置。據(jù)信，“感興趣的區(qū)域”的框67表示，與其它現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的電荷存儲器件在能量與功率圖中所處的區(qū)域。如圖所示，在每一種技術之間存在顯著的變化。例如，鉛鈣電池63可以是具有高能量存儲設計的深度循環(huán)類型。另一方面，一個相同安時的起動電池將不存儲全部能量，而是可以提供顯著地較大的瞬時功率。類似地，有各種各樣對稱的和非對稱的超級和特級的電容器設計64，它具有寬廣地發(fā)散的能量密度和功率密度分布。還有，鉭電容器65具有各種功率和能量特性。非極化的電容器66可能具有良好的功率特性，然而低的能量存儲。電荷存儲器件表現(xiàn)出相對于現(xiàn)有技術來說的功率與能量增加。
圖7表示在一個并聯(lián)的電容器組合中，減少導電層的數(shù)目的一種構建方法。減少導電層的數(shù)目是本發(fā)明的一個目的。
圖8表示在一個串聯(lián)的電容器組合中，減少導電層和互連的數(shù)目的一種構建方法。
圖9A和9B表示在一個反串聯(lián)的電容器組合中，減少導電層和互連的數(shù)目的一種構建方法。此種技術可以應用于在連續(xù)交流應用中使用正向偏置的極化電容器。
圖10表示一個增加了表面區(qū)域的任意尺度的電容器設計。這種類型的總體結構用于增加體電荷存儲。圖10展現(xiàn)了某些尖角，并且可以被認為是一種尖銳結構。
圖11表示一種具有尖角的結構。在某些實施例中，本發(fā)明的電荷存儲器件利用一種枝狀晶體結構，它趨向于使電荷積累和能量存儲最大化。枝狀晶體結構包括樹和葉、神經和突觸、血管和毛細管。這樣的尖銳結構適用于高能量密度的電容器。
圖12表示一個增強表面積，其中，Z＝A Sin(bX)Sin(bY)，一種正弦拓撲。在某些實施例中，導電層和電介質層利用曲線表面。對于諸如Z＝A[Sin(bX)Sin(bY)]的連續(xù)簡單數(shù)學表面的情形來說，可以精確地導出積分。上述表面的表面區(qū)域的增加是幅度A以及周期bX和bY的函數(shù)。在圖中，bX和bY的周期是相同的。具有類似這樣的光滑曲線表面的物體(其中，有一個共形的電介質層和第二共形的導電層)，相對于出現(xiàn)在電解電容器中的脆弱結構來說，可以被表示為具有高的物理強度。一個單位正弦對周期的線積分(長度)具有2π的長度。因此，正弦單位結構的面積分為4π2。如上面所示，Z的更一般的情形包括常數(shù)A和b。表面區(qū)域將與常數(shù)A的大小呈正比地增加，并由于面積分的數(shù)學特性，它將與常數(shù)b呈反比地增加。表面積的增加在物理上類似于能量隨著波幅度的增加而增加，以及隨著波長的減小(頻率的增加)而增加。Z＝A Sin(bX)Sin(bY)的正弦拓撲是光滑的，并且由于導體而呈現(xiàn)出高的物理強度。一種強力結合的、物理上強的共形的電介質將填充分隔空間，提供強有力的力學支持。一種具有良好熱傳導特性和耐熱性的電介質，諸如結晶形式的碳(金剛石)將允許大的位移電流。在曲線表面的每一點上，共形的層拓撲結構為電荷在電介質中的位移提供最短距離，成為從導體到導體的正交路徑。因此，材料強度、拓撲、熱動力學特性與介電常數(shù)和介電強度相結合，來確定一個電容器的可允許瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)電流密度。只有結構尺寸相對于所涉及的原子和分子是大的，就能保持對均勻的共形的涂覆的高度近似。
圖13表示一個增強表面區(qū)域區(qū)域，在其中，峰和谷在性質上是矩形平行六面體，呈現(xiàn)出一種單元鋸齒或金字塔拓撲。在本電荷存儲器件的某些實施例中，導電和電介質表面具有增強表面區(qū)域。鋸齒狀二維曲線的線積分為4，而三維表面的表面區(qū)域為6。因此，三維鋸齒拓撲表現(xiàn)為平坦表面的表面區(qū)域的6倍，但是其表面區(qū)域顯著地小于正弦拓撲。這種形狀可以被描述為多個輕微地位移的、傾斜的半個方形盒子。圖13的拓撲結構表現(xiàn)出高的物理強度與增加了的表面區(qū)域相結合。如同在上面的正弦拓撲的情形中那樣，金字塔型結構的表面區(qū)域將隨著幅度與頻率的增加而增加。同樣，位移電流矢量通常保持上面的正弦結構的正交的和最短路由特性。相對平直的可實現(xiàn)表面和邊緣符合晶體和多晶生長結構。
在本說明書中所說明的所有專利和公報對于與本發(fā)明有關的本領域的技術人員的水平來說是陳述性的。所有專利和公報在這里都在相同程度上通過參考而并入，就好像每一個單獨的公報都被專門地和個別地表明作為參考而并入。
美國專利文獻美國專利第5,362,526號，題為“Plasma-Enhanced CVD ProcessUsing TEOS for Depositing Silicon Oxide”，在這里通過參考而并入。
美國專利第5,876,787號，題為“process of manufacturing aporous carbon material and capacitor having the same”，Avarbz等人，1999。
美國專利第5,081,559號，題為“enclosed ferroelectric stackedcapacitor”，F(xiàn)azan等人，1992。
已公開的美國專利申請US PTO 20020017893 W.B.Duff，Jr.已公開于2002年2月14日Method and Circuit for Using Polarized Device In ACApplicationsUS PTO 20030006738 W.B.Duff，Jr.已公開于2003年1月9日Method and Circuit For Using Polarized Device In ACApplications非臨時的美國申請系列號第09/170,998號，題為“Method andCircuit For Using Polarized Device in AC Applications”，2000年11月9日提交，該申請書主張2000年1月4日提交的臨時申請書系列號第60/174,433號，題為“Method and Circuit For Using PolarizedDevice in AC Applications”的優(yōu)先權。
USPTO 20030010910 Colbert，Daniel T.，等人，已公開于2003年1月9日Continuous Fiber of Single Wall Carbon Nanotubes其它參考文獻Solid State Electronic Devices，第三版，Ben G.Streetman，Prentice-Hall，Englewood Cliffs，NJ，1990.
Economic AC Capacitors，W.B.Duff，Jr.，IEEE PowerEngineering Review，第22卷，第1期，2002年1月，The Institute ofElectrical and Electronic Engineers，NYNY雖然已經詳細地說明了本發(fā)明及其優(yōu)點，但是，應當理解，在不離開由所附的權利要求書所規(guī)定的本發(fā)明的精神實質和范圍的前提下，在這里可以作出各種各樣的變動、替換和更改。而且，作者不打算將本申請書的范圍局限于本申請書中所描述的工藝、機器、制造、事物的組成、裝置、方法和步驟的特定的實施例的范圍內。正如本領域的技術人員從本發(fā)明的公開中容易理解的那樣，根據(jù)本發(fā)明，可以利用現(xiàn)成的或者有待于以后開發(fā)的、基本上執(zhí)行相同功能或者基本上獲得相同于在這里所描述的相應的實施例的結果的工藝、機器、制造、事物的組成、裝置、方法和步驟。因此，作者打算在所附的權利要求書中，將這些工藝、機器、制造，事物的組成、裝置、方法和步驟都納入到本發(fā)明的范圍之中。
權利要求
1.一種電荷存儲器件，包括具有導電曲線表面的至少一個第一導電層；具有導電曲線表面的至少一個第二導電層；以及被安排在第一導電曲線表面和第二導電曲線表面之間的至少一個電介質層。
2.如權利要求1所述的電荷存儲器件，其中，所述電介質層具有相對的第一和第二電介質曲線表面，第一電介質曲線表面被安排緊接著所述第一導電曲線表面，并且跨過其區(qū)域基本上跟隨第一導電曲線表面。
3.如權利要求1或2中任何一項所述的電荷存儲器件，第二導電層具有第二導電曲線表面，所述第二導電曲線表面被安排與第二電介質曲線表面相鄰，并且跨過其區(qū)域基本上跟隨第二導電曲線表面。
4.如權利要求1或2中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面和第一電介質表面基本上是共形的。
5.如權利要求1或2中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面和第二電介質表面基本上是共形的。
6.如權利要求1或2中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面和第一電介質表面基本上保持互補性。
7.如權利要求1或2中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面和第二電介質表面基本上保持互補性。
8.如權利要求1或2中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域的至少2％和第一電介質表面的一個區(qū)域基本上共形。
9.如權利要求1或2中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域的至少2％和第一電介質表面的一個區(qū)域基本上保持互補性。
10.如權利要求8-9中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域被安排離開第一電介質表面區(qū)域一個基本上均勻的距離。
11.如權利要求8-10中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域被安排離開第一電介質表面區(qū)域從0.0001μm到2000μm范圍內的一個選定距離，所述選定距離在一個可選擇的容限內改變。
12.如權利要求1或2中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域的至少2％和第二電介質表面的一個區(qū)域基本上共形。
13.如權利要求1或2中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域的至少2％和第二電介質表面的一個區(qū)域基本上保持互補性。
14.如權利要求12-13中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域被安排離開第二電介質表面區(qū)域一個基本上均勻的距離。
15.如權利要求12-14中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域被安排離開第二電介質表面區(qū)域從0.0001μm到2000μm范圍內的一個選定距離，所述選定的距離在一個可選擇的容限內改變。
16.如權利要求1或2中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一和第二導電曲線表面和電介質曲線表面中的每一個具有基本上光滑的結構。
17.如權利要求16所述的電荷存儲器件，其中，第一和第二導電曲線表面和電介質曲線表面中的每一個包括形成在任何表面的至少一部分光滑結構上的絨毛狀結構，所述絨毛狀結構相對于所述光滑結構具有小尺度。
18.如權利要求16所述的電荷存儲器件，其中，第一和第二導電曲線表面和電介質曲線表面中的每一個包括形成在任何表面的至少一部分光滑結構上的枝狀結構，所述枝狀結構相對于所述光滑結構具有小尺度。
19.一種電荷存儲器件，包括具有第一導電光滑增強表面的第一導電層；具有相對的第一和第二電介質表面的電介質層，第一電介質光滑增強表面被安排緊接著第一導電光滑增強表面，并且基本上跟隨第一導電光滑增強表面；以及具有第二導電光滑增強表面的第二導電層，第二導電光滑增強表面被安排與第二電介質表面相鄰，并且基本上跟隨第二導電光滑增強表面。
20.如權利要求19所述的電荷存儲器件，其中，第一電介質光滑增強表面被安排緊接著第一導電光滑增強表面，并且基本上跟隨第一導電光滑增強表面。
21.如權利要求19和20中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面和第一電介質表面基本上是共形的。
22.如權利要求19和20中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面和第二電介質表面基本上是共形的。
23.如權利要求19和20中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面和第一電介質表面基本上保持互補性。
24.如權利要求19和20中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面和第二電介質表面基本上保持互補性。
25.如權利要求19和20中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域的至少2％基本上和第一電介質表面的一個區(qū)域共形。
26.如權利要求19和20中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域的至少2％基本上和第一電介質表面的一個區(qū)域保持互補性。
27.如權利要求25和26中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域被安排離開第一電介質表面區(qū)域一個基本上均勻的距離。
28.如權利要求25和26中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域被安排離開第一電介質表面區(qū)域從0.0001μm到2000μm范圍內的一個選定距離，所述選定的距離在一個可選擇的容限內改變。
29.如權利要求19和20中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域的至少2％和第二電介質表面的一個區(qū)域基本上共形。
30.如權利要求19和20中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域的至少2％和第二電介質表面的一個區(qū)域基本上保持互補性。
31.如權利要求29和30中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域被安排離開第二電介質表面區(qū)域一個基本上均勻的距離。
32.如權利要求19和20中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一和第二導電光滑增強表面和電介質光滑增強表面中的每一個具有基本上光滑的結構。
33.如權利要求32所述的電荷存儲器件，其中，第一和第二導電光滑增強表面和電介質光滑增強表面中的每一個包括形成在任何表面上的至少一部分所述光滑結構上的一個絨毛狀結構，所述絨毛狀結構相對于所述光滑結構具有小尺度。
34.如權利要求32所述的電荷存儲器件，其中，第一和第二導電光滑增強表面和電介質光滑增強表面中的每一個包括形成在任何表面上的至少一部分光滑結構上的一個枝狀結構，所述枝狀結構相對于所述光滑結構具有小尺度。
35.一種電荷存儲器件，包括具有成形的地形表面的至少一個第一導電層；具有導電成形的地形表面的至少一個第二導電層；以及被安排在第一導電成形的地形表面和第二導電成形的地形表面之間的至少一個電介質層。
36.如權利要求35所述的電荷存儲器件，其中，所述電介質層具有相對的第一和第二電介質地形表面，第一電介質地形表面被安排緊接著所述第一導電地形表面，并且跨越其區(qū)域基本上跟隨第一導電地形表面。
37.如權利要求35和36中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面和第一電介質表面基本上是共形的。
38.如權利要求35和36中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面和第二電介質表面基本上是共形的。
39.如權利要求35和36中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，所述第一導電表面和所述第一電介質表面基本上保持互補性。
40.如權利要求35和36中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，所述第二導電表面和所述第二電介質表面基本上保持互補性。
41.如權利要求35和36中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域的至少2％具有成形的地形表面，所述2％的區(qū)域定義一種光滑結構。
42.如權利要求35和36中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域的至少2％具有成形的地形表面，所述2％的區(qū)域定義一種光滑結構。
43.如權利要求41-42中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一電介質表面區(qū)域的至少2％具有成形的地形表面，所述2％的區(qū)域定義一種光滑結構。
44.如權利要求41-42中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二電介質表面區(qū)域的至少2％具有成形的地形表面，所述2％的區(qū)域定義一種光滑結構。
45.如權利要求41-42中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域的至少2％和第一電介質表面的一個區(qū)域基本上共形。
46.如權利要求41-42中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域的至少2％和第一電介質表面的一個區(qū)域基本上保持互補性。
47.如權利要求43-46中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域被安排離開第一電介質表面區(qū)域一個基本上均勻的距離。
48.如權利要求43-47中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一導電表面區(qū)域被安排離開第一電介質表面區(qū)域從0.0001μm到2000μm范圍內的一個選定距離，所述選定距離在一個可選擇的容限內改變。
49.如權利要求41和42中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域的至少2％和第二電介質表面的一個區(qū)域基本上共形。
50.如權利要求41和42中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域的至少2％和第二電介質表面的一個區(qū)域基本上保持互補性。
51.如權利要求49和50中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域被安排離開第二電介質表面區(qū)域一個基本上均勻的距離。
52.如權利要求49-51中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第二導電表面區(qū)域被安排離開第二電介質表面區(qū)域從0.0001μm到2000μm范圍內的一個選定距離，所述選定距離在一個可選擇的容限內改變。
53.如權利要求41和42中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一和第二導電表面和電介質表面中的每一個具有基本上光滑的結構。
54.如權利要求53所述的電荷存儲器件，其中，第一和第二導電表面和電介質表面中的每一個包括形成在任何表面的至少一部分所述光滑結構上的一個絨毛狀結構，所述絨毛狀結構相對于所述光滑結構具有小尺度。
55.如權利要求53所述的電荷存儲器件，其中，第一和第二導電表面和電介質表面中的每一個包括形成在任何表面的至少一部分光滑結構上的一個枝狀結構，所述枝狀結構相對于所述光滑結構具有小尺度。
56.如權利要求16-18，32-34，41-44和53-55中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，光滑結構的至少一部分具有重復的圖案。
57.如權利要求16-18，32-34，41-44和53-55中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一和/或第二導電層的光滑結構的至少一部分具有下列形狀的一個區(qū)域，即氣泡形、正弦行形、拋物面形、倒置形、外翻形、凹形、凸形、螺線形、隨機的旋渦形、準隨機的旋渦形、數(shù)學上定義為(A)Sin(bX)Sin(bY)的形狀、數(shù)學上定義為拋物面的形狀、數(shù)學上定義為圓錐面的形狀、管形、環(huán)形或螺旋管形，或者以一種可滲透垂直樣式被嵌入。
58.如權利要求16-18，32-34，41-44和53-55中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，電介質層的光滑結構的至少一部分具有采取下列形狀的一個區(qū)域，即氣泡形、成行的正弦波形、拋物面形、倒置形、外翻形、凹形、凸形、螺線形、隨機的旋渦形、準隨機的旋渦形、數(shù)學上定義為(A)Sin(bX)Sin(bY)的形狀、數(shù)學上定義為拋物面的形狀、數(shù)學上定義為圓錐面的形狀、管形、環(huán)形或螺旋管形，或者以一種可滲透垂直樣式被嵌入。
59.一種電荷存儲器件，包括具有第一表面的第一導電層；具有相對的第一和第二電介質表面的電介質層，所述第一電介質表面被安排緊接著第一表面并且基本上跟隨第一表面；具有一個表面的第二導電層，所述第二導電表面被安排與所述第二電介質表面相鄰，并且基本上跟隨第二表面；以及其中，第一和/或第二電介質表面的至少一部分具有尖銳結構。
60.如權利要求59所述的電荷存儲器件，其中，第一和/或第二電介質層的表面區(qū)域的至少2％具有尖銳結構。
61.如權利要求59-60中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，跨越所述至少2％的表面區(qū)域重復地圖形化相似形狀的尖銳結構。
62.如權利要求59-60中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，跨越所述至少2％的表面區(qū)域重復地圖形化不同形狀的尖銳結構。
63.如權利要求59-62中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，第一和/或第二導電表面的至少一部分具有尖銳結構。
64.如權利要求59-63中任何一項所述的電荷存儲器件，其中，所述尖銳結構是一種枝狀結構。
65.如權利要求64所述的電荷存儲器件，其中，所述枝狀結構是一種基本上樹和葉的結構、一種基本上類似于神經的結構、一種基本上類似于突觸的結構、一種基本上類似血管和毛細管的結構。
全文摘要
本發(fā)明一般地涉及具有增強的功率特性的電荷存儲器件(ECSD)。更具體地說，本發(fā)明涉及增強各種裝置，諸如電容器、電池、燃料電池和其它電荷存儲器件的電流密度、額定電壓、功率傳送特性、頻率響應和電荷存儲密度。例如，本發(fā)明的一個方面就是固態(tài)和電解電容器，其中，利用光滑結構來增加導體的表面區(qū)域，由此縮短分離導體的距離，并且通過使用基于原子、分子和宏觀水平的構建技術來改善有效電介質特性。
文檔編號H01G9/04GK1781201SQ200480006035
公開日2006年5月31日 申請日期2004年3月4日 優(yōu)先權日2003年3月5日
發(fā)明者威廉B·朵夫二世 申請人:威廉B·朵夫二世