CN102623184A - 基于光刻胶隔膜的微型超级电容及其制作方法 - Google Patents

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邢贺新
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Abstract

本发明公开了属于微能源和微机械加工领域的基于光刻胶隔膜的微型超级电容及其制作方法。基于光刻胶隔膜的微型超级电容的结构如下：在水平方向上呈间隔排列的复合层位于器件衬底上方，相邻的复合层之间存在光刻胶隔膜；复合层的结构如下：金属电流收集层和电极材料依次安装在器件衬底上；电极材料在水平方向上形成插指型电极结构。基于光刻胶隔膜的微型超级电容的制作方法中使用光刻胶隔膜作为相邻两个电极之间的绝缘材料。本发明的有益效果为：其一方面在于可向三维扩展尤其是向垂直于器件衬底方向的第三维方向扩展，另一方面相邻的电极材料之间的间距可通过微加工工艺缩小，进而减小微型超级电容的内阻。

Description

基于光刻胶隔膜的微型超级电容及其制作方法
技术领域
本发明属于微能源和微机械加工领域，特别涉及基于光刻胶隔膜的微型超级电容及其制作方法。
背景技术
电化学超级电容(Electrochemical Supercapacitor)是一类新型储能元件，相对于电池可提供更高的功率输出，且具有更好的充放电可循环性和更高的充放电的效率。
电化学超级电容根据电容的产生机制不同可分为两类：双电层电容(Electrochemical double layer capacitance)效应和伪电容(Pseudocapacitance)效应。在电极材料和溶液的交界面上，当电极表面聚集有一层电荷(比如负电)时，溶液中的属性相反的离子会被吸引到交界面附近，形成另一个电荷层金属表面电荷层和溶液离子电荷层即形成了“双电层”。双电层间的电压随电荷积累而增加，电容可表示为C＝Q/V。伪电容则不同，它源于法拉第过程。在法拉第过程中，电荷穿过电极和溶液的交界面，导致电极材料的化学态或氧化状态发生改变，某些情况下会出现等效电容，阴离子被交界面上的分子吸附，改变了分子层的氧化状态，同时也改变了其电势，此时交界面两端电势的变化与吸附的电荷量有关，出现等效电容C＝dQ/dV，即为伪电容。
在微电子机械系统(MEMS)中，微型超级电容无论是作为能量存储为微系统供能，还是作为备用电源为微型电子设备正常工作，其应用都极具潜力。MEMS的微型化和集成化要求微型储能器件尤其是微型超级电容在单位面积上获得尽可能高的性能，为此，通过改进微加工工艺实现向垂直于芯片面积方向延伸的三维结构，同时选用与电解质相匹配的高容量活性电极材料成为微型超级电容的研究方向。
近年来，国内外关于微型超级电容的研究已经逐步展开。Joo-Hwan Sung等人在2004年实现的微型超级电容采用了导电聚合物PPY作为薄层电极材料(参见J.H.Sung，S.J.Kim，“Fabrication ofall-solid-state electrochemical microcapacitors”，Journal of PowerSources，Vol.133，PP.312-319，2004.)，但其在垂直于芯片方向上不可延伸。此后叉指结构被广泛应用，W.Sun等人在2009年(参见W.Sun，X.Y.Chen，“Fabrication and tests of a novel three dimensional microsupercapacitor”，Microelectronic Engineering，Vol.86，PP.1307-1310，2009.)，D.Pech等人在2010年(参见D.Pech，M.Brunet，P.L.Taberna，et al.，“Elaboration of a microstructured inkjet-printed carbon electro-chemical capacitor”，Journal of Power Sources，Vol.195，PP.1266-1269，2010.)，采用微加工工艺实现了三维叉指电极结构，但是电极材料的厚度限制了微型超级电容的性能。此外，Y.Q.Jiang等人分别于2009年(参见Y.Q.Jiang，Q.Zhou，L.Lin，“Planar MEMS supercapacitorusing carbon nanotube forests”，IEEE 22nd International Conference onMicro Electro Mechanical Systems，MEMS 2009，587-590.)和2010年(参见Y.Q.Jiang，P.B.Wang，J.Zhang，et al.，“3D supercapacitor usingnickel electroplated vertical aligned carbon nanotube array electrode”，MEMS 2010，1171-1174.)用高温CVD技术做成了垂直生长的碳纳米管森林，实现了可向三维延伸的微型超级电容，缺点是电极材料本体密度很低，单位体积储能不高。C.W.Shen等人在2011年(参见C.W.Shen，X.H.Wang，et al.，“A high-performance three-dimensional microsupercapacitor based on self-supporting composite materials”，Journal ofPower Sources，Vol.196，PP.10465-10471，2011.)采用可自支撑纳米复合材料成功制作了三维叉指微型超级电容，但工艺流程复杂很难面向实际应用。上述问题都会限制微型超级电容性能的提升。
发明内容
本发明针对上述曲线公开了基于光刻胶隔膜的微型超级电容及其制作方法。
基于光刻胶隔膜的微型超级电容的结构如下：在水平方向上呈间隔排列的复合层位于器件衬底上方，相邻的复合层之间存在光刻胶隔膜；
复合层的结构如下：金属电流收集层和电极材料依次安装在器件衬底上；
电极材料在水平方向上形成插指型电极结构。
所述金属电流收集层和电极材料在竖直方向上重叠；
所述金属电流收集层的横截面积小于器件衬底的横截面积。
所述器件衬底为硅衬底或玻璃衬底。
所述光刻胶隔膜为负胶SU-8或能够通过微加工工艺实现且能满足高深宽比要求的绝缘材料。
基于光刻胶隔膜的微型超级电容的制作方法包括以下步骤：
1)在器件衬底上镀上厚度为50-200nm的金属电流收集层；
2)对金属电流收集层进行光刻和刻蚀，经过刻蚀后的金属电流收集层形成了插指型结构；
3)在器件衬底和金属电流收集层的上方旋涂一层光刻胶隔膜，光刻胶隔膜的厚度为50-100μm；
4)对光刻胶隔膜进行刻蚀，经过刻蚀后的光刻胶隔膜作为电极材料之间的隔膜，在光刻胶隔膜和金属电流收集层之间形成了高深宽比沟道；
5)首先制作电极材料粉末，将去离子水溶剂和制作好的电极材料粉末混合，将混合的得到的溶液填入步骤4)的高深宽比沟道中，然后将器件衬底、金属电流收集层、光刻胶隔膜和混合的得到的溶液作为一个整体放入烘箱中干燥10-20分钟；上述溶液就变成了固态材料，向该固态材料添加电解质就能够得到微型超级电容。
所述电极材料粉末的制作过程如下：向活性炭材料中加入导电增强剂乙炔黑，然后通过有机粘结剂CMC进行粘结。
所述高深宽比沟道的高深宽比为2∶1。
所述光刻胶隔膜的电阻率为109～1022Ω·cm。
本发明的有益效果为：其一方面在于可向三维扩展尤其是向垂直于器件衬底方向的第三维方向扩展，另一方面相邻的电极材料之间的间距可通过微加工工艺缩小，进而减小微型超级电容的内阻。
附图说明
图1a为微型超级电容结构俯视图；
图1b为微型超级电容结构B-B’剖视图；
图2a为微型超级电容制作工艺第一步示意图；
图2b为微型超级电容制作工艺第二步示意图；
图2c为微型超级电容制作工艺第三步示意图；
图2d为微型超级电容制作工艺第四步示意图；
图2e为微型超级电容制作工艺第五步示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1a和图1b所示，基于光刻胶隔膜的微型超级电容的结构如下：在水平方向上呈间隔排列的复合层5位于器件衬底1上方，相邻的复合层5之间存在光刻胶隔膜4；
复合层5的结构如下：金属电流收集层3和电极材料2依次安装在器件衬底1上；
电极材料2在水平方向上形成插指型电极结构。
金属电流收集层3和电极材料2在竖直方向上重叠；
金属电流收集层3的横截面积小于器件衬底1的横截面积。
器件衬底1为硅衬底或玻璃衬底。
光刻胶隔膜4为负胶SU-8或能够通过微加工工艺实现且能满足高深宽比要求的绝缘材料。
基于光刻胶隔膜的微型超级电容
基于光刻胶隔膜的微型超级电容的制作方法包括以下步骤：
1)如图2a所示，在器件衬底1上镀上厚度为50-200nm的金属电流收集层3；
2)如图2b所示，对金属电流收集层3进行光刻和刻蚀，经过刻蚀后的金属电流收集层3形成了插指型结构；
3)如图2c所示，在器件衬底1和金属电流收集层3的上方旋涂一层光刻胶隔膜4，光刻胶隔膜4的厚度为50-100μm；
4)如图2d所示，对光刻胶隔膜4进行刻蚀，经过刻蚀后的光刻胶隔膜4作为电极材料之间的隔膜，在光刻胶隔膜4和金属电流收集层3之间形成了高深宽比沟道；
5)如图2e所示，首先制作电极材料粉末，将去离子水溶剂和制作好的电极材料粉末混合，将混合的得到的溶液填入步骤4)的高深宽比沟道中，然后将器件衬底1、金属电流收集层3、光刻胶隔膜4和混合的得到的溶液作为一个整体放入烘箱中干燥10-20分钟；上述溶液就变成了固态材料，向该固态材料添加电解质就能够得到微型超级电容。
电极材料粉末的制作过程如下：向活性炭材料中加入导电增强剂乙炔黑，然后通过有机粘结剂CMC进行粘结，保证电极支撑性。
高深宽比沟道的高深宽比为2∶1。
光刻胶隔膜4的电阻率为109～1022Ω·cm。
下面基于光刻胶隔膜的微型超级电容的制作方法的一个实施例。
在玻璃衬底上磁控溅射厚度为50～200nm的Ti/Au金属层，经过光刻后形成电流收集和引出层；相对于硅衬底，玻璃衬底避免了还需增加绝缘层工艺的复杂性
对Ti/Au金属层进行光刻和刻蚀；
在玻璃衬底和Ti/Au金属层的上方旋涂一层负胶SU-8(厚度为50～100μm)；
对负胶SU-8进行刻蚀，经过刻蚀后的负胶SU-8作为电极材料之间的隔膜，在负胶SU-8和Ti/Au金属层之间形成了高深宽比沟道；
首先制作电极材料粉末，将去离子水溶剂和制作好的电极材料粉末混合，将混合的得到的溶液填入高深宽比沟道中，然后将玻璃衬底、Ti/Au金属层、负胶SU-8和混合的得到的溶液作为一个整体放入烘箱中干燥10-20分钟；上述溶液就变成了固态材料，最后向该固态材料添加电解质。

Claims (8)

1.基于光刻胶隔膜的微型超级电容，其特征在于，它的结构如下：在水平方向上呈间隔排列的复合层(5)位于器件衬底(1)上方，相邻的复合层(5)之间存在光刻胶隔膜(4)；
复合层(5)的结构如下：金属电流收集层(3)和电极材料(2)依次安装在器件衬底(1)上；
电极材料(2)在水平方向上形成插指型电极结构。
2.根据权利要求1所述的基于光刻胶隔膜的微型超级电容，其特征在于，所述金属电流收集层(3)和电极材料(2)在竖直方向上重叠；
所述金属电流收集层(3)的横截面积小于器件衬底(1)的横截面积。
3.根据权利要求1所述的基于光刻胶隔膜的微型超级电容，其特征在于，所述器件衬底(1)为硅衬底或玻璃衬底。
4.根据权利要求1所述的基于光刻胶隔膜的微型超级电容，其特征在于，所述光刻胶隔膜(4)为负胶SU-8或能够通过微加工工艺实现且能满足高深宽比要求的绝缘材料。
5.基于光刻胶隔膜的微型超级电容的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在器件衬底(1)上镀上厚度为50-200nm的金属电流收集层(3)；
2)对金属电流收集层(3)进行光刻和刻蚀，经过刻蚀后的金属电流收集层(3)形成了插指型结构；
3)在器件衬底(1)和金属电流收集层(3)的上方旋涂一层光刻胶隔膜(4)，光刻胶隔膜(4)的厚度为50-100μm；
4)对光刻胶隔膜(4)进行刻蚀，经过刻蚀后的光刻胶隔膜(4)作为电极材料之间的隔膜，在光刻胶隔膜(4)和金属电流收集层(3)之间形成了高深宽比沟道；
5)首先制作电极材料粉末，将去离子水溶剂和制作好的电极材料粉末混合，将混合的得到的溶液填入步骤4)的高深宽比沟道中，然后将器件衬底(1)、金属电流收集层(3)、光刻胶隔膜(4)和混合的得到的溶液作为一个整体放入烘箱中干燥10-20分钟；上述溶液就变成了固态材料，向该固态材料添加电解质就能够得到微型超级电容。
6.根据权利要求5所述的基于光刻胶隔膜的微型超级电容的制作方法，其特征在于，所述电极材料粉末的制作过程如下：向活性炭材料中加入导电增强剂乙炔黑，然后通过有机粘结剂CMC进行粘结。
7.根据权利要求5所述的基于光刻胶隔膜的微型超级电容的制作方法，其特征在于，所述高深宽比沟道的高深宽比为2∶1。
8.根据权利要求5所述的基于光刻胶隔膜的微型超级电容的制作方法，其特征在于，所述光刻胶隔膜(4)的电阻率为109～1022Ω·cm。
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