[发明专利]微型超级电容器的三维叉梳微柱阵列电极结构制备方法

说明书

本发明公开了属于微能源器件制作技术领域的一种微型超级电容器的三维叉梳微柱阵列电极结构制备方法，所述微型超级电容器采用ICP刻蚀工艺，设计制备出叉梳式微柱阵列电极结构，在叉梳电极结构表面溅射一层金作为集流体，继而在金表面沉积活性电极薄膜，制备出对称式微型MEMS超级电容器。通过叉梳式微柱阵列电极结构，有效提升了电极比表面积，降低了电极间阻抗，有利于其他MEMS器件的集成，为MEMS微系统可靠供电，拓宽了微型超级电容器的应用场合。

技术领域

本发明属于微能源器件制作技术领域，特别涉及一种微型超级电容器的三维叉梳微柱阵列电极结构制备方法。

背景技术

随着MEMS技术的不断发展，微系统的体积不断降低，智能化程度不断提高。然而，器件的微型化对电源系统提出了极大的挑战。微能源技术作为MEMS系统的关键技术之一，近年来逐步受到高度重视。微小型超级电容器具有容量大、储能密度高、功率密度高、循环寿命长、环境适应能力强、免维护的优点，可应用于多种领域。

目前而言，微型超级电容器主要集中于进一步提升其储能密度与功率密度，往往从材料与结构方面开展研究。在CN201010260868.7中公开了一种基于MEMS技术的一种应用于微型超级电容器的三维结构微电极及其制造方法.，该三维结构微电极是镍基片的一侧面上竖立镍微柱阵列,在镍微柱表面上涂覆功能薄膜,三维结构微电极的制造是在镍基片表面涂制一层环氧基负型化学放大的SU-8胶膜并进行光刻工艺处理,进而制备镍微柱阵列和进行功能薄膜电沉积处理,然后得到三维结构微电极.本发明能够有效提高微电极面积,改善功能薄膜电学特性,进而提高微电极的电荷存储能力,降低微电极阻抗. 但是，仍然受限于复杂的结构加工工艺以及电极薄膜制备工艺，不能满足当前MEMS技术发展对微系统的体积、电容器的能量密度和功率密度的要求；目前微型超级电容器研究的难点在如何实现在有限的封装面积上提高电容器的能量密度和功率密度，三维结构的微型超级电容器能够充分利用高度空间进行储能能，但是，受限于复杂的结构加工工艺以及电极薄膜制备工艺，目前的结构仍然以梳齿电极为主，多为在平面结构内加工图形化的电极薄膜，其电极厚度依然较低，仍未实现真正的三维结构电极在材料上，通过不同电极材料的复合改性，仍未实现真正的三维结构电极。此外，薄膜制备工艺中，电极材料皲裂、脱落的问题，仍然是亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型超级电容器的三维叉梳微柱阵列电极结构制备方法；所述超级电容器采用ICP刻蚀工艺，制备出叉梳式微柱阵列电极结构，在微柱微电极结构表面溅射一层金作为集流体，继而在金表面沉积活性电极薄膜，制备出对称式微型MEMS超级电容器；其特征在于，所述微型超级电容器电极正极与负极为叉梳式交错结构，在单个梳齿上面排布微柱阵列，增加了电极比表面积，提升了超级电容器的能量密度与功率密度；具体三维叉梳式微柱阵列电极结构的制备工艺步骤如下：

（a）SOI备片：选取SOI片的厚度为80μm、2μm或400μm，使用UV灯、显微镜对SOI片进行镜检，清洗；

（b）旋涂光刻胶：光刻胶厚度5μm±0.5μm；

（c）第一次光刻：光刻出叉梳形状，梳齿宽度80μm±0.5μm，梳齿间距80μm±0.5μm；

（d）ICP刻蚀：刻蚀深度80μm±0.5μm，刻蚀出叉梳结构，去除光刻胶；

（e）喷胶：喷胶厚度5μm±0.5μm，

（f）第二次光刻：光刻出微柱阵列形状，微柱直径70μm±0.5μm；

（g）第二次刻蚀，刻蚀深度60μm±2μm，刻蚀出微柱结构，去除光刻胶；

（h）第三次喷胶：光刻胶厚度为5μm±0.5μm，目的是为了溅射时保护底部，防止短路；

（i）磁控溅射Au：厚度80nm±2nm，去除光刻胶；得到电极薄膜。

所述电极薄膜，选取氧化钌、氧化锰、氧化镍、硝酸镍和聚吡咯作为活性材料，