專利名稱：基于光刻膠隔膜的微型超級電容及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微能源和微機械加工領(lǐng)域，特別涉及基于光刻膠隔膜的微型超級電容及其制作方法。
背景技術(shù)：
電化學(xué)超級電容(Electrochemical Supercapacitor)是一類新型儲能元件,相對于電池可提供更高的功率輸出，且具有更好的充放電可循環(huán)性和更高的充放電的效率。電化學(xué)超級電容根據(jù)電容的產(chǎn)生機制不同可分為兩類雙電層電容(Electrochemical double layer capacitance)效/Si矛ロ彳為電(Pseudo capacitance；,奴應(yīng)。在電極材料和溶液的交界面上，當(dāng)電極表面聚集有一層電荷(比如負(fù)電)時，溶液中的屬性相反的離子會被吸引到交界面附近，形成另ー個電荷層金屬表面電荷層和溶液離子電荷層即形成了“雙電層”。雙電層間的電壓隨電荷積累而增加，電容可表示為C = Q/V。偽電容則不同，它源于法拉第過程。在法拉第過程中，電荷穿過電極和溶液的交界面，導(dǎo)致電極材料的化學(xué)態(tài)或氧化狀態(tài)發(fā)生改變，某些情況下會出現(xiàn)等效電容，陰離子被交界面上的分子吸附，改變了分子層的氧化狀態(tài)，同時也改變了其電勢，此時交界面兩端電勢的變化與吸附的電荷量有關(guān)，出現(xiàn)等效電容C = dQ/dV，即為偽電容。在微電子機械系統(tǒng)(MEMS)中，微型超級電容無論是作為能量存儲為微系統(tǒng)供能，還是作為備用電源為微型電子設(shè)備正常工作，其應(yīng)用都極具潛力。MEMS的微型化和集成化要求微型儲能器件尤其是微型超級電容在単位面積上獲得盡可能高的性能，為此，通過改進微加工エ藝實現(xiàn)向垂直于芯片面積方向延伸的三維結(jié)構(gòu)，同時選用與電解質(zhì)相匹配的高容量活性電極材料成為微型超級電容的研究方向。近年來，國內(nèi)外關(guān)于微型超級電容的研究已經(jīng)逐步展開。Joo-Hwan Sung等人在2004年實現(xiàn)的微型超級電容采用了導(dǎo)電聚合物PPY作為薄層電極材料(參見J. H. Sung,b. J. Kim, “Faorication of all-solid-state electrochemical microcapacitors，，，Journal of Power Sources，Vol. 133，PP. 312-319，2004.)，但其在垂直于芯片方向上不可延伸。此后叉指結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，W. Sun等人在2009年(參見W. Sun，X. Y. Chen,“Fabrication and tests of a novel tnree dimensional micro supercapacitor，，，Microelectronic Engineering, Vol. 86，PP.1307-1310，2009.)，D.Pech 等人在 2010 年(參見 D. Pech, M. Brunet, P. L. Taberna, et al. , “Elaboration of a microstructuredmkjet-printed carbon electro-chemical capacitor，，，Journal of Power Sources,Vol. 195，PP. 1266-1269，2010·)，采用微加工エ藝實現(xiàn)了三維叉指電極結(jié)構(gòu)，但是電極材料的厚度限制了微型超級電容的性能。此外，Y. Q. Jiang等人分別于2009年(參見 Y.Q.Jiang, Q.Zhou, L. Lin, “Planar MEMS supercapacitor using carbon nanotubeforests，，，IEEE 22nd International Conference on Micro Electro MechanicalSystems, MEMS 2009，587-590.)和 2010 年(參見 Y. Q. Jiang, P. B. Wang, J. Zhang, et al.，“3D supercapacitor using nickel electroplated vertical aligned carbon nanotubearray electrode”，MEMS 2010,1171-1174.)用高溫CVD技術(shù)做成了垂直生長的碳納米管森林，實現(xiàn)了可向三維延伸的微型超級電容，缺點是電極材料本體密度很低，單位體積儲能不高。C. W. Shen 等人在 2011 年(參見 C. W. Shen, X. H. Wang, et al. ,“A high-performancethree-dimensional micro supercapacitor based on self-supporting compositematerials”，Journal of Power Sources, Vol. 196, PP. 10465-10471, 2011.)米用可自支撐納米復(fù)合材料成功制作了三維叉指微型超級電容，但工藝流程復(fù)雜很難面向?qū)嶋H應(yīng)用。上述問題都會限制微型超級電容性能的提升
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述曲線公開了基于光刻膠隔膜的微型超級電容及其制作方法?；诠饪棠z隔膜的微型超級電容的結(jié)構(gòu)如下在水平方向上呈間隔排列的復(fù)合層位于器件襯底上方，相鄰的復(fù)合層之間存在光刻膠隔膜；復(fù)合層的結(jié)構(gòu)如下金屬電流收集層和電極材料依次安裝在器件襯底上；電極材料在水平方向上形成插指型電極結(jié)構(gòu)。所述金屬電流收集層和電極材料在豎直方向上重疊；所述金屬電流收集層的橫截面積小于器件襯底的橫截面積。所述器件襯底為硅襯底或玻璃襯底。所述光刻膠隔膜為負(fù)膠SU-8或能夠通過微加工工藝實現(xiàn)且能滿足高深寬比要求的絕緣材料?；诠饪棠z隔膜的微型超級電容的制作方法包括以下步驟I)在器件襯底上鍍上厚度為50_200nm的金屬電流收集層；2)對金屬電流收集層進行光刻和刻蝕，經(jīng)過刻蝕后的金屬電流收集層形成了插指型結(jié)構(gòu)；3)在器件襯底和金屬電流收集層的上方旋涂一層光刻膠隔膜，光刻膠隔膜的厚度為 50-100 μ m ；4)對光刻膠隔膜進行刻蝕，經(jīng)過刻蝕后的光刻膠隔膜作為電極材料之間的隔膜，在光刻膠隔膜和金屬電流收集層之間形成了高深寬比溝道；5)首先制作電極材料粉末，將去離子水溶劑和制作好的電極材料粉末混合，將混合的得到的溶液填入步驟4)的高深寬比溝道中，然后將器件襯底、金屬電流收集層、光刻膠隔膜和混合的得到的溶液作為一個整體放入烘箱中干燥10-20分鐘；上述溶液就變成了固態(tài)材料，向該固態(tài)材料添加電解質(zhì)就能夠得到微型超級電容。所述電極材料粉末的制作過程如下向活性炭材料中加入導(dǎo)電增強劑乙炔黑，然后通過有機粘結(jié)劑CMC進行粘結(jié)。所述高深寬比溝道的高深寬比為2 I。所述光刻膠隔膜的電阻率為109 1022 Ω · cm。本發(fā)明的有益效果為其一方面在于可向三維擴展尤其是向垂直于器件襯底方向的第三維方向擴展，另一方面相鄰的電極材料之間的間距可通過微加工工藝縮小，進而減小微型超級電容的內(nèi)阻。


圖Ia為微型超級電容結(jié)構(gòu)俯視圖；圖Ib為微型超級電容結(jié)構(gòu)B-B’剖視圖；圖2a為微型超級電容制作エ藝第一歩示意圖；圖2b為微型超級電容制作エ藝第二步示意圖；
圖2c為微型超級電容制作エ藝第三步示意圖；圖2d為微型超級電容制作エ藝第四步示意圖；圖2e為微型超級電容制作エ藝第五步示意具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步說明如圖Ia和圖Ib所示，基于光刻膠隔膜的微型超級電容的結(jié)構(gòu)如下在水平方向上呈間隔排列的復(fù)合層5位于器件襯底I上方，相鄰的復(fù)合層5之間存在光刻膠隔膜4 ；復(fù)合層5的結(jié)構(gòu)如下金屬電流收集層3和電極材料2依次安裝在器件襯底I上；電極材料2在水平方向上形成插指型電極結(jié)構(gòu)。金屬電流收集層3和電極材料2在豎直方向上重疊；金屬電流收集層3的橫截面積小于器件襯底I的橫截面積。器件襯底I為硅襯底或玻璃襯底。光刻膠隔膜4為負(fù)膠SU-8或能夠通過微加工エ藝實現(xiàn)且能滿足高深寬比要求的絕緣材料?；诠饪棠z隔膜的微型超級電容基于光刻膠隔膜的微型超級電容的制作方法包括以下步驟I)如圖2a所示，在器件襯底I上鍍上厚度為50_200nm的金屬電流收集層3 ；2)如圖2b所示，對金屬電流收集層3進行光刻和刻蝕，經(jīng)過刻蝕后的金屬電流收集層3形成了插指型結(jié)構(gòu)；3)如圖2c所示，在器件襯底I和金屬電流收集層3的上方旋涂ー層光刻膠隔膜4，光刻膠隔膜4的厚度為50-100 μ m ；4)如圖2d所示，對光刻膠隔膜4進行刻蝕，經(jīng)過刻蝕后的光刻膠隔膜4作為電極材料之間的隔膜，在光刻膠隔膜4和金屬電流收集層3之間形成了高深寬比溝道；5)如圖2e所示，首先制作電極材料粉末，將去離子水溶劑和制作好的電極材料粉末混合，將混合的得到的溶液填入步驟4)的高深寬比溝道中，然后將器件襯底I、金屬電流收集層3、光刻膠隔膜4和混合的得到的溶液作為ー個整體放入烘箱中干燥10-20分鐘；上述溶液就變成了固態(tài)材料，向該固態(tài)材料添加電解質(zhì)就能夠得到微型超級電容。電極材料粉末的制作過程如下向活性炭材料中加入導(dǎo)電增強劑こ炔黑，然后通過有機粘結(jié)劑CMC進行粘結(jié)，保證電極支撐性。高深寬比溝道的高深寬比為2 I。光刻膠隔膜4的電阻率為109 1022 Ω · cm。下面基于光刻膠隔膜的微型超級電容的制作方法的一個實施例。在玻璃襯底上磁控濺射厚度為50 200nm的Ti/Au金屬層，經(jīng)過光刻后形成電流收集和引出層；相對于硅襯底，玻璃襯底避免了還需增加絕緣層工藝的復(fù)雜性
對Ti/Au金屬層進行光刻和刻蝕；在玻璃襯底和Ti/Au金屬層的上方旋涂一層負(fù)膠SU-8 (厚度為50 100 μ m)；對負(fù)膠SU-8進行刻蝕，經(jīng)過刻蝕后的負(fù)膠SU-8作為電極材料之間的隔膜，在負(fù)膠SU-8和Ti/Au金屬層之間形成了高深寬比溝道； 首先制作電極材料粉末，將去離子水溶劑和制作好的電極材料粉末混合，將混合的得到的溶液填入高深寬比溝道中，然后將玻璃襯底、Ti/Au金屬層、負(fù)膠SU-8和混合的得到的溶液作為一個整體放入烘箱中干燥10-20分鐘；上述溶液就變成了固態(tài)材料，最后向該固態(tài)材料添加電解質(zhì)。
權(quán)利要求
1.基于光刻膠隔膜的微型超級電容，其特征在于，它的結(jié)構(gòu)如下在水平方向上呈間隔排列的復(fù)合層(5)位于器件襯底(I)上方，相鄰的復(fù)合層(5)之間存在光刻膠隔膜(4)； 復(fù)合層(5)的結(jié)構(gòu)如下金屬電流收集層(3)和電極材料(2)依次安裝在器件襯底(I)上； 電極材料(2)在水平方向上形成插指型電極結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光刻膠隔膜的微型超級電容，其特征在于，所述金屬電流收集層(3)和電極材料(2)在豎直方向上重疊； 所述金屬電流收集層(3)的橫截面積小于器件襯底(I)的橫截面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光刻膠隔膜的微型超級電容，其特征在于，所述器件襯底(I)為硅襯底或玻璃襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光刻膠隔膜的微型超級電容，其特征在于，所述光刻膠隔膜(4)為負(fù)膠SU-8或能夠通過微加工工藝實現(xiàn)且能滿足高深寬比要求的絕緣材料。
5.基于光刻膠隔膜的微型超級電容的制作方法，其特征在于，包括以下步驟 1)在器件襯底(I)上鍍上厚度為50-200nm的金屬電流收集層(3)； 2)對金屬電流收集層(3)進行光刻和刻蝕，經(jīng)過刻蝕后的金屬電流收集層(3)形成了插指型結(jié)構(gòu)； 3)在器件襯底(I)和金屬電流收集層(3)的上方旋涂一層光刻膠隔膜(4)，光刻膠隔膜(4)的厚度為50-100 μ m ； 4)對光刻膠隔膜(4)進行刻蝕，經(jīng)過刻蝕后的光刻膠隔膜(4)作為電極材料之間的隔膜，在光刻膠隔膜⑷和金屬電流收集層⑶之間形成了高深寬比溝道； 5)首先制作電極材料粉末，將去離子水溶劑和制作好的電極材料粉末混合，將混合的得到的溶液填入步驟4)的高深寬比溝道中，然后將器件襯底(I)、金屬電流收集層(3)、光刻膠隔膜(4)和混合的得到的溶液作為一個整體放入烘箱中干燥10-20分鐘；上述溶液就變成了固態(tài)材料，向該固態(tài)材料添加電解質(zhì)就能夠得到微型超級電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光刻膠隔膜的微型超級電容的制作方法，其特征在于，所述電極材料粉末的制作過程如下向活性炭材料中加入導(dǎo)電增強劑乙炔黑，然后通過有機粘結(jié)劑CMC進行粘結(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光刻膠隔膜的微型超級電容的制作方法，其特征在于，所述高深寬比溝道的高深寬比為2 I。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光刻膠隔膜的微型超級電容的制作方法，其特征在于，所述光刻膠隔膜⑷的電阻率為109 1022 Ω · cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于微能源和微機械加工領(lǐng)域的基于光刻膠隔膜的微型超級電容及其制作方法?；诠饪棠z隔膜的微型超級電容的結(jié)構(gòu)如下在水平方向上呈間隔排列的復(fù)合層位于器件襯底上方，相鄰的復(fù)合層之間存在光刻膠隔膜；復(fù)合層的結(jié)構(gòu)如下金屬電流收集層和電極材料依次安裝在器件襯底上；電極材料在水平方向上形成插指型電極結(jié)構(gòu)?；诠饪棠z隔膜的微型超級電容的制作方法中使用光刻膠隔膜作為相鄰兩個電極之間的絕緣材料。本發(fā)明的有益效果為其一方面在于可向三維擴展尤其是向垂直于器件襯底方向的第三維方向擴展，另一方面相鄰的電極材料之間的間距可通過微加工工藝縮小，進而減小微型超級電容的內(nèi)阻。
文檔編號H01G9/004GK102623184SQ201210098119
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者王曉紅, 邢賀新 申請人:清華大學(xué)