[发明专利]基于MEMS技术的聚吡咯微型超级电容器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于微型电容器的制造技术范围，特别涉及应用于微系统的一种基于MEMS技术的聚吡咯微型超级电容器及其制造方法。

背景技术

电子产品小型化、微型化、集成化是当今世界技术发展的大势所趋。微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems简称MEMS)具有移动性、自控性、集成化等特点，是近年来最重要的技术创新之一。当一个子系统可以集成在一块芯片上时，电源也必须完成小型化、微型化的革命。MEMS微能源系统是指基于MEMS技术，将一个或多个电能供给装置集成为一个特征尺寸为微米级、外形尺寸为厘米级的微系统，能实现长时间、高效能、多模式供电，特别适用于传统电源无法应用的某些特殊环境。性能优异的微型能源，对MEMS系统的发展和完善就具有特殊的意义。首先，集成化的独立微型能源可有效解决目前困扰微系统技术领域的严重依赖外部供电的技术难题。第二，高度集成化的微型能源可大大提高系统的能量转换效率，最大程度的减少了系统的能量损失。第三，集成化的微型能源可大大简化系统外部电路，有效降低整个微系统成本。目前国外该领域的专利主要集中在微型锂离子电池、微型镍锌电池等领域，如美国oak ridge国家实验室有关微型锂离子电池的专利(US.5567210)以及美国Bipolar technologies公司的有关微型镍锌电池的专利(US.6610440BS)。目前已报道的基于MEMS技术的微型电化学储能器件制备都采用多层电极叠加的三明治结构，基本制作过程都是将光刻技术和牺牲层技术相结合，在硅基体上制备由阴极集流体、阴极层、隔膜(或空腔)、阳极、阳极集流体、密封层等组成的多层结构单元。随着层数的增加，制备工艺越发复杂，加工难度明显增加，所制备微能源器件的可靠性也随之降低。

电化学超级电容器是一种新型储能装置，集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身，此外它还具有免维护、高可靠性等优点，是一种兼备电容和电池特性的新型电子元件。根据储能机理的不同，其主要分为建立在界面双电层基础上的双层电容器以及建立在“法拉第准电容”基础上的超级电容器。“准电容”的原理是电极材料利用锂离子或质子在材料的三维或准二维晶格立体结构中的储留达到储存能量的目的，虽然其充放电特性与双电层电容极其相似，但其储能机理与碳材料表面的二维吸附有较大的差别，该类电极材料包括金属氧化物、高分子聚合物等等。法拉第准电容与双电层电容相比，前者的比电容是后者的10-100倍。聚吡咯等聚合物因其极高的电容量以及相对较低的电阻而具有良好的电化学特性，因此基于该电极材料组装的超级电容器在电子、汽车、航天和军用领域中作为高功率储能器件具有重要的应用。基于MEMS技术的微型超级电容器，是在超级电容器制备过程中引入MEMS技术完成的微小型电子元器件，具有体积小、储能密度大、结构强度高、可批量制造等特点，已成为微电子技术、传感器网络等领域急需突破的瓶颈技术，将推动MEMS技术和新一代能源技术的创新发展，对人类生活产生深远影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于MEMS技术的聚吡咯微型超级电容器及其制造方法，所述聚吡咯微型超级电容器的结构为：在硅基体的表面采用微加工技术制备出梳齿状的阳极金集流体和阴极金集流体，阳极金集流体和阴极金集流体依次交叉，阳极金集流体、阴极金集流体的全部梳齿各自汇集后同向引出形成二维平面电极对的梳齿状金集流体，阳极金集流体引出为正电极，阴极金集流体引出为负电极；在梳齿状集流体表面通过电沉积方法覆盖聚吡咯活性物质，制备成为梳齿状聚吡咯活性电极，在梳齿状聚吡咯活性电极的表面及梳齿电极间覆盖一层凝胶状固态电解质，在上述结构表面再覆盖一层聚酰亚胺材料完成微型超级电容器封装。

所述二维平面电极对的梳齿状金集流体、阳极金集流体引出的正电极和阴极金集流体引出的负电极上的活性物质相同。

所述二维平面电极对的梳齿状集流体用光刻牺牲层方法制备。

所述阳极金集流体、阴极金集流体的全部梳齿的梳齿厚度为10微米～30微米。

所述阳极金集流体、阴极金集流体的全部梳齿的梳齿宽度为50微米～100微米。

所述阳极金集流体、阴极金集流体的全部梳齿的梳齿间隙为50微米～100微米。

所述聚吡咯电极活性物质层厚度小于20微米。

所述电解质为水性胶状固态电解质，电解质由聚乙烯醇∶羧甲基纤维素钠∶蒸馏水∶氢氧化钾或氯化钾的重量比13.8∶3.5∶48.∶34.7组成。