[发明专利]基于厚胶光刻电铸工艺三维MEMS超级电容器制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于厚胶光刻电铸工艺的MEMS超级电容器制造方法。

背景技术

超级电容器（超电容）是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置，具有功率密度大、充放电时间短、循环寿命长、低温性能好等优点。超电容的军用和民用应用领域非常广泛，小到微米级别的无线传感器，大到火箭卫星的启动装置都离不开超电容。据Lux的最新研究表明，超电容器有巨大的市场潜力，整个超电容器市场收入有望从2008年的2.08亿美元突破到2014年的8.77亿美元。

小型的超电容可以与IC电路集成由于便携式电子设备等。与IC电流集成的超电容可以作为备用电源，当主电源突然停止供电或者电压骤降时，超级电容器可以启动给存储器，微型计算器，主板，时钟等这些关键部件供电；另外，与IC电路集成的超电容可以提供电池不能提供的脉冲电流以满足高功率需求，比如在照相机闪光系统中的超电容使得相机具有连续的闪光能力；此外，与IC电路集成的超电容可以作为能量收集系统的存贮装置，一只具有超电容的太阳能手表在白天充满电后可以工作上百个小时，并且该太阳能手表终生不用更换超电容。除了在消费电子方面，小型化的超电容由于其高功率密度，长寿命等优点，在军用或者民用无线通讯和无线传感器方面也具有相当高的应用价值。

超电容具有如此广泛的应用源于其功率密度大、充放电时间短、循环寿命长、低温性能好等优点。超电容的主要缺点是其能量密度仅为锂离子电池的5～7%。因此，如何提高超电容的性能，尤其是能量密度，成为超电容研究的一个主要课题。

通常来说，按照电荷存储机制，超电容器可以划分为双电层电容和电化学电容两种。双电层的电容来源于物理的静电吸引（类似传统电容器），而电化学电容的容量来自氧化还原反应（类似电池）。每种类型的超电容的容量密度都与电极材料的有效面积正相关，因此关于引入纳米技术来提高超电容的性能的研究非常广泛，尤其通过制备纳米电极材料来提高超电容的性能。其中碳纳米管作为双电层电容的电极材料研究最多，金属纳米颗粒也可以作为超电容的电极，电化学超电容的典型电极材料导电聚合物也被制作成纳米结构被研究，金属氧化物作为另一个电化学超电容的材料也通过纳米改性而改善了性能，此外研究者们还制备了碳纳米管/导电聚合物复合膜电极，试图发挥双电层电容和电化学电容的双重作用。

然而，电极材料仅仅是超电容体系的一个关键部分，如何根据电极材料选择合适超电容体系（包括超电容结构、电解质、集流体等）、制备加工方法及与电路的集成（包括小尺寸芯片级的集成和大尺寸混合能量系统的集成）也是研究超电容尤其是超电容应用的重要问题。日益成熟的MEMS（微机电系统）技术为超电容与其他功能器件的芯片级集成提供了良好的条件。然而现今针对硅片级技术的芯片一体化超电容、或集成于印刷电路板的超电容研究非常有限。韩国 Sung 基于硅基底制备了平面梳齿结构的全固态超电容，然而由于结构过于简单，没有有效的进行空间利用导致该超电容性能并不高。Y.Q.Jiang在硅片上制备了80μm高的碳纳米管森林作为超电容的电极，得到了428 μF cm^-2 比容量和0.28 mW cm^-2 比功率的双电层超电容，其能量密度仍然有限，另外液体电解质增加了其集成的难度和限制了其应用的场合。对于超电容和印刷版电路集成方面的问题，曾经有两个美国人研究了超电容器的电路板印刷一体化，但是没有任何的技术资料和科技文献出版。

发明内容

本发明提出一种新型的三维MEMS超电容，这种超电容利用MEMS加工方法制造而成。采用现有的成熟的MEMS加工工艺，在硅或者玻璃基底上，利用微纳米技术加工出比表面积非常大的三维结构，结合电化学导电高分子电极制备工艺来实现高功率密度，高能量密度和长的周期寿命。本发明所有加工工艺流程与印刷电路板或其他MEMS器件制造工艺兼容，因此既可以与能量收集器或者微电池组成混合能量系统，又可以嵌入电子电路系统应用于消费电子和无线设备。

本发明采用的技术方案是：

基于厚胶光刻电铸工艺三维MEMS超级电容器制造方法包括以下步骤：

（1）硅片清洗，清洗步骤为依次为有机除油，无机除油，去除氧化膜和去除金属离子。

（2）将步骤（1）中清洗好的硅片放进氧化炉进行热氧化，形成的氧化膜作为超级电容器两个电极的电气绝缘层。

（3）将步骤（2）中氧化好的硅片放进真空溅射系统溅射电铸种子层。

（4）在步骤（3）中具有电铸种子层的硅片上采用旋转匀胶的方法涂上一层厚光刻胶，曝光，显影，固化后形成三维梳齿模板。