CN102800493B - 非对称三维结构微电容及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电容器及其制造技术，具体是一种非对称三维结构微电容及其制造方法。本发明解决了现有混合型超级电容器储能密度有限、容量低、抗过载能力弱、以及体积大的问题。非对称三维结构微电容包括阳极、阴极、以及玻璃基底；所述阳极包括阳极集流体、以及聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜；所述阳极集流体包括键合于玻璃基底上表面的阳极三维硅微结构、以及溅射于阳极三维硅微结构表面的阳极镍层；所述阴极包括阴极集流体、以及聚吡咯功能薄膜；所述阴极集流体包括键合于玻璃基底上表面的阴极三维硅微结构、以及溅射于阴极三维硅微结构表面的阴极镍层；阳极和阴极非对称设于玻璃基底上表面。本发明适用于节点电源、驱动电源等领域。
Description
技术领域
本发明涉及电容器及其制造技术，具体是一种非对称三维结构微电容及其制造方法。
背景技术
微型电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置，其具有功率密度大、充放电时间短、循环寿命长、低温性能好等优点，因而近年来受到科学研究人员的广泛重视。混合型超级电容器是微型电容器的一种，其将电解电容器的阳极和电化学电容器的阴极结合，具有了电解电容器和电化学电容器的共同优点。在充放电过程中，混合型超级电容器能保留两极各自的特点。在充电时，阳极中活性物质能发生法拉第准电容，而阴极则在电极/溶液界面上形成双电层电容。在放电时，阳极中活性物质产生逆反应，而溶液离子也离开阴极表面回到电解液中。因此，混合型超级电容器可以从本质上提高其工作电压，提高储能密度，显示出极好的发展前景。根据混合型超级电容器的工作原理可知，混合型超级电容器的总电容可以看成是阳极电容和阴极电容通过电解质串联组成，所以只有当阳极电容等于阴极电容时，总电容才能为最大。因此，设计混合型超级电容器的关键问题便在于如何选择其阴阳两极的材料，并优化其阴阳两极的容量比例。
目前，混合型超级电容器主要采用对称式结构设计。具体而言，现有混合型超级电容器的阴阳两极材料通常是相同的，并且其阴阳两极的结构和几何尺寸是相互对称的。然而实践表明，采用对称式结构设计的混合型超级电容器普遍存在储能密度有限、容量低、抗过载能力弱、以及体积大的问题。为此有必要发明一种全新的混合型超级电容器，以解决现有混合型超级电容器储能密度有限、容量低、抗过载能力弱、以及体积大的问题。
发明内容
本发明为了解决现有混合型超级电容器储能密度有限、容量低、抗过载能力弱、以及体积大的问题，提供了一种非对称三维结构微电容及其制造方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：非对称三维结构微电容，包括阳极、阴极、以及玻璃基底；所述阳极包括阳极集流体、以及聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜；所述阳极集流体包括键合于玻璃基底上表面的阳极三维硅微结构、以及溅射于阳极三维硅微结构表面的阳极镍层；聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜沉积于阳极镍层表面；所述阴极包括阴极集流体、以及聚吡咯功能薄膜；所述阴极集流体包括键合于玻璃基底上表面的阴极三维硅微结构、以及溅射于阴极三维硅微结构表面的阴极镍层；聚吡咯功能薄膜沉积于阴极镍层表面；玻璃基底上表面覆盖有凝胶电解质层；凝胶电解质层上表面覆盖有BCB介质膜；阳极和阴极非对称设于玻璃基底上表面，且阳极和阴极均内嵌于凝胶电解质层中。
阳极的数目为两个；阴极的数目为一个；两个阳极对称设于阴极两侧。
阳极三维硅微结构的深度、阴极三维硅微结构的深度均为200μm。
阳极的横截面为T形截面；阴极的横截面为S形截面。
阳极长度为120μm，阳极宽度为20μm；阴极内径为100μm。
非对称三维结构微电容的制造方法（该方法用于制造本发明所述的非对称三维结构微电容），该方法是采用如下步骤实现的：a.选择玻璃基底；b.在玻璃基底上表面键合硅基片，并通过MEMS（微机电系统）光刻工艺在硅基片表面刻蚀出阳极三维硅微结构和阴极三维硅微结构；c.在阳极三维硅微结构表面溅射阳极镍层，阳极三维硅微结构和阳极镍层共同构成阳极集流体；在阴极三维硅微结构表面溅射阴极镍层，阴极三维硅微结构和阴极镍层共同构成阴极集流体；d.在阳极镍层表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜，阳极集流体和聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜共同构成阳极；在阴极镍层表面沉积聚吡咯功能薄膜，阴极集流体和聚吡咯功能薄膜共同构成阴极；e.在玻璃基底上表面覆盖凝胶电解质层，并保证阳极和阴极均内嵌于凝胶电解质层中；f.在凝胶电解质层上表面覆盖BCB介质膜。
所述步骤b中，MEMS光刻工艺包括如下步骤：首先，在硅基片表面涂覆一层光刻胶；然后，依次通过甩胶、前烘、曝光、后烘、显影、漂洗、硬烘，在硅基片表面形成非对称的阳极集流体图形和阴极集流体图形；最后，按照阳极集流体图形和阴极集流体图形，采用RIE（反应离子刻蚀）工艺在硅基片表面刻蚀出阳极三维硅微结构和阴极三维硅微结构。
所述步骤d中，在阳极镍层表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜包括如下步骤：首先，采用吡咯、表面活性剂、氧化石墨烯配制形成电解液；然后，将阳极集流体作为工作阳极，选取铂板作为工作阴极，选取饱和甘汞电极作为参比电极；最后，将工作阳极、工作阴极、参比电极置于该电解液中，通过阳极氧化聚合方法在阳极镍层表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜；在阴极镍层表面沉积聚吡咯功能薄膜包括如下步骤：首先，采用吡咯、表面活性剂配制形成电解液；然后，将阴极集流体作为工作阳极，选取铂板作为工作阴极，选取饱和甘汞电极作为参比电极；最后，将工作阳极、工作阴极、参比电极置于该电解液中，通过阳极氧化聚合方法在阴极镍层表面沉积聚吡咯功能薄膜。
所述步骤e中，在玻璃基底上表面覆盖凝胶电解质层包括如下步骤：首先，将1g聚乙烯醇与1g氢氧化钾加入一定量的蒸馏水中，在70℃下搅拌4h形成均质溶液，待聚乙烯醇与氢氧化钾完全溶解后，向均质溶液中加入0.3g硫氰酸钾，在70℃下继续搅拌2h，得到凝胶电解质；然后，在玻璃基底上表面灌注该凝胶电解质，由此形成凝胶电解质层。
所述步骤f中，在凝胶电解质层上表面覆盖BCB介质膜包括如下步骤：首先，将凝胶电解质层置于托盘上，将托盘的转速设定为60r/min，并旋转托盘；然后，在凝胶电解质层上表面旋涂一层增粘剂，并向凝胶电解质层上表面中心滴涂BCB介质，直至BCB介质完全覆满凝胶电解质层上表面；随后，将托盘的转速提高至400 r/min，待托盘旋转20s后，再将托盘的转速提高至2000 r/min，待托盘旋转30s后，将托盘的转速降低至800r/min，待托盘旋转30s后，对BCB介质进行匀膜，由此形成BCB介质膜；随后，将烘片温度设定为80℃，对BCB介质膜进行烘片3min，使BCB介质膜中的部分溶剂挥发，以此减少BCB介质膜在移动过程中的流动，提高BCB介质膜在固化后的均匀性，并在烘片的同时通入氮气保护，以此防止在烘片过程中因氧气和硅基片发生反应而对BCB介质膜的强度产生影响；最后，采用阶梯状升温法升高烘片温度，对BCB介质膜进行烘片，并在烘片的同时通入氮气保护，待烘片温度升高至280℃后，对BCB介质膜依次进行加热、随炉降温，由此固化BCB介质膜。
与现有混合型超级电容器相比，本发明所述的非对称三维结构微电容及其制造方法具有以下优点：一、其阴阳两极分别采用两种不同类型的电极，且阴阳两极的结构和几何尺寸采用非对称结构设计，由此有效提升了电容的储能密度和容量。二、其在制造过程中采用了MEMS光刻工艺，由此有效增强了电容的抗过载能力，有效减小了电容的体积。综上所述，本发明所述的非对称三维结构微电容及其制造方法基于全新的结构和原理，有效解决了现有混合型超级电容器储能密度有限、容量低、抗过载能力弱、以及体积大的问题。
本发明有效解决了现有混合型超级电容器储能密度有限、容量低、抗过载能力弱、以及体积大的问题，其具有储能密度高、容量大、抗过载能力强、体积小等一系列优点，适用于节点电源、驱动电源等领域。
附图说明
图1是本发明的非对称三维结构微电容的结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图中：1-阳极，2-阴极，3-玻璃基底，4-阳极三维硅微结构，5-阳极镍层，6-聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜，7-阴极三维硅微结构，8-阴极镍层，9-聚吡咯功能薄膜，10-凝胶电解质层。
具体实施方式
非对称三维结构微电容，包括阳极1、阴极2、以及玻璃基底3；
所述阳极1包括阳极集流体、以及聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜6；所述阳极集流体包括键合于玻璃基底3上表面的阳极三维硅微结构4、以及溅射于阳极三维硅微结构4表面的阳极镍层5；聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜6沉积于阳极镍层5表面；
所述阴极2包括阴极集流体、以及聚吡咯功能薄膜9；所述阴极集流体包括键合于玻璃基底3上表面的阴极三维硅微结构7、以及溅射于阴极三维硅微结构7表面的阴极镍层8；聚吡咯功能薄膜9沉积于阴极镍层8表面；
玻璃基底3上表面覆盖有凝胶电解质层10；凝胶电解质层10上表面覆盖有BCB介质膜；阳极1和阴极2非对称设于玻璃基底3上表面，且阳极1和阴极2均内嵌于凝胶电解质层10中；
阳极1的数目为两个；阴极2的数目为一个；两个阳极1对称设于阴极2两侧；
阳极三维硅微结构4的深度、阴极三维硅微结构7的深度均为200μm；
阳极1的横截面为T形截面；阴极2的横截面为S形截面；
阳极1长度为120μm，阳极1宽度为20μm；阴极2内径为100μm。
非对称三维结构微电容的制造方法（该方法用于制造本发明所述的非对称三维结构微电容），该方法是采用如下步骤实现的：
a.选择玻璃基底3；
b.在玻璃基底3上表面键合硅基片，并通过MEMS光刻工艺在硅基片表面刻蚀出阳极三维硅微结构4和阴极三维硅微结构7；
c.在阳极三维硅微结构4表面溅射阳极镍层5，阳极三维硅微结构4和阳极镍层5共同构成阳极集流体；在阴极三维硅微结构7表面溅射阴极镍层8，阴极三维硅微结构7和阴极镍层8共同构成阴极集流体；
d.在阳极镍层5表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜6，阳极集流体和聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜6共同构成阳极1；在阴极镍层8表面沉积聚吡咯功能薄膜9，阴极集流体和聚吡咯功能薄膜9共同构成阴极2；
e.在玻璃基底3上表面覆盖凝胶电解质层10，并保证阳极1和阴极2均内嵌于凝胶电解质层10中；
f.在凝胶电解质层10上表面覆盖BCB介质膜；
所述步骤b中，MEMS光刻工艺包括如下步骤：首先，在硅基片表面涂覆一层光刻胶；然后，依次通过甩胶、前烘、曝光、后烘、显影、漂洗、硬烘，在硅基片表面形成非对称的阳极集流体图形和阴极集流体图形；最后，按照阳极集流体图形和阴极集流体图形，采用RIE工艺在硅基片表面刻蚀出阳极三维硅微结构4和阴极三维硅微结构7；
所述步骤d中，在阳极镍层5表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜6包括如下步骤：首先，采用吡咯、表面活性剂、氧化石墨烯配制形成电解液；然后，将阳极集流体作为工作阳极，选取铂板作为工作阴极，选取饱和甘汞电极作为参比电极；最后，将工作阳极、工作阴极、参比电极置于该电解液中，通过阳极氧化聚合方法在阳极镍层5表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜6；在阴极镍层8表面沉积聚吡咯功能薄膜9包括如下步骤：首先，采用吡咯、表面活性剂配制形成电解液；然后，将阴极集流体作为工作阳极，选取铂板作为工作阴极，选取饱和甘汞电极作为参比电极；最后，将工作阳极、工作阴极、参比电极置于该电解液中，通过阳极氧化聚合方法在阴极镍层8表面沉积聚吡咯功能薄膜9；
所述步骤e中，在玻璃基底3上表面覆盖凝胶电解质层10包括如下步骤：首先，将1g聚乙烯醇与1g氢氧化钾加入一定量的蒸馏水中，在70℃下搅拌4h形成均质溶液，待聚乙烯醇与氢氧化钾完全溶解后，向均质溶液中加入0.3g硫氰酸钾，在70℃下继续搅拌2h，得到凝胶电解质；然后，在玻璃基底3上表面灌注该凝胶电解质，由此形成凝胶电解质层10；
所述步骤f中，在凝胶电解质层10上表面覆盖BCB介质膜包括如下步骤：首先，将凝胶电解质层10置于托盘上，将托盘的转速设定为60r/min，并旋转托盘；然后，在凝胶电解质层10上表面旋涂一层增粘剂，并向凝胶电解质层10上表面中心滴涂BCB介质，直至BCB介质完全覆满凝胶电解质层10上表面；随后，将托盘的转速提高至400 r/min，待托盘旋转20s后，再将托盘的转速提高至2000 r/min，待托盘旋转30s后，将托盘的转速降低至800r/min，待托盘旋转30s后，对BCB介质进行匀膜，由此形成BCB介质膜；随后，将烘片温度设定为80℃，对BCB介质膜进行烘片3min，使BCB介质膜中的部分溶剂挥发，以此减少BCB介质膜在移动过程中的流动，提高BCB介质膜在固化后的均匀性，并在烘片的同时通入氮气保护，以此防止在烘片过程中因氧气和硅基片发生反应而对BCB介质膜的强度产生影响；最后，采用阶梯状升温法升高烘片温度，对BCB介质膜进行烘片，并在烘片的同时通入氮气保护，待烘片温度升高至280℃后，对BCB介质膜依次进行加热、随炉降温，由此固化BCB介质膜。
具体实施时，玻璃基底3采用LAS微晶玻璃制成。玻璃基底3的厚度为0.5 mm。玻璃基底3的面积为15mm×15mm。硅基片的厚度为0.2mm。硅基片的面积为12×12 mm。光刻胶的厚度为10~30μm。阳极镍层5的厚度和阴极镍层8的厚度均为0.2~0.3μm。聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜6的厚度和聚吡咯功能薄膜9的厚度均为2~5μm。BCB介质膜的厚度为30μm~50μm。硅基片采用单面抛光的P型裸硅片制成。
Claims (8)
1.一种非对称三维结构微电容，其特征在于：包括阳极（1）、阴极（2）、以及玻璃基底（3）；
所述阳极（1）包括阳极集流体、以及聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜（6）；所述阳极集流体包括键合于玻璃基底（3）上表面的阳极三维硅微结构（4）、以及溅射于阳极三维硅微结构（4）表面的阳极镍层（5）；聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜（6）沉积于阳极镍层（5）表面；
所述阴极（2）包括阴极集流体、以及聚吡咯功能薄膜（9）；所述阴极集流体包括键合于玻璃基底（3）上表面的阴极三维硅微结构（7）、以及溅射于阴极三维硅微结构（7）表面的阴极镍层（8）；聚吡咯功能薄膜（9）沉积于阴极镍层（8）表面；
玻璃基底（3）上表面覆盖有凝胶电解质层（10）；凝胶电解质层（10）上表面覆盖有BCB介质膜；阳极（1）和阴极（2）非对称设于玻璃基底（3）上表面，且阳极（1）和阴极（2）均内嵌于凝胶电解质层（10）中；
阳极（1）的数目为两个；阴极（2）的数目为一个；两个阳极（1）对称设于阴极（2）两侧；
阳极（1）的横截面为T形截面；阴极（2）的横截面为S形截面。
2.根据权利要求1所述的非对称三维结构微电容，其特征在于：阳极三维硅微结构（4）的深度、阴极三维硅微结构（7）的深度均为200μm。
3.根据权利要求1所述的非对称三维结构微电容，其特征在于：阳极（1）长度为120μm，阳极（1）宽度为20μm；阴极（2）内径为100μm。
4.一种非对称三维结构微电容的制造方法，该方法用于制造如权利要求1所述的一种非对称三维结构微电容，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
a.选择玻璃基底（3）；
b.在玻璃基底（3）上表面键合硅基片，并通过MEMS光刻工艺在硅基片表面刻蚀出阳极三维硅微结构（4）和阴极三维硅微结构（7）；
c.在阳极三维硅微结构（4）表面溅射阳极镍层（5），阳极三维硅微结构（4）和阳极镍层（5）共同构成阳极集流体；在阴极三维硅微结构（7）表面溅射阴极镍层（8），阴极三维硅微结构（7）和阴极镍层（8）共同构成阴极集流体；
d.在阳极镍层（5）表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜（6），阳极集流体和聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜（6）共同构成阳极（1）；在阴极镍层（8）表面沉积聚吡咯功能薄膜（9），阴极集流体和聚吡咯功能薄膜（9）共同构成阴极（2）；
e.在玻璃基底（3）上表面覆盖凝胶电解质层（10），并保证阳极（1）和阴极（2）均内嵌于凝胶电解质层（10）中；
f.在凝胶电解质层（10）上表面覆盖BCB介质膜。
5.根据权利要求4所述的非对称三维结构微电容的制造方法，其特征在于：所述步骤b中，MEMS光刻工艺包括如下步骤：首先，在硅基片表面涂覆一层光刻胶；然后，依次通过甩胶、前烘、曝光、后烘、显影、漂洗、硬烘，在硅基片表面形成非对称的阳极集流体图形和阴极集流体图形；最后，按照阳极集流体图形和阴极集流体图形，采用RIE工艺在硅基片表面刻蚀出阳极三维硅微结构（4）和阴极三维硅微结构（7）。
6.根据权利要求4所述的非对称三维结构微电容的制造方法，其特征在于：所述步骤d中，在阳极镍层（5）表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜（6）包括如下步骤：首先，采用吡咯、表面活性剂、氧化石墨烯配制形成电解液；然后，将阳极集流体作为工作阳极，选取铂板作为工作阴极，选取饱和甘汞电极作为参比电极；最后，将工作阳极、工作阴极、参比电极置于该电解液中，通过阳极氧化聚合方法在阳极镍层（5）表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯二元复合功能薄膜（6）；在阴极镍层（8）表面沉积聚吡咯功能薄膜（9）包括如下步骤：首先，采用吡咯、表面活性剂配制形成电解液；然后，将阴极集流体作为工作阳极，选取铂板作为工作阴极，选取饱和甘汞电极作为参比电极；最后，将工作阳极、工作阴极、参比电极置于该电解液中，通过阳极氧化聚合方法在阴极镍层（8）表面沉积聚吡咯功能薄膜（9）。
7.根据权利要求4所述的非对称三维结构微电容的制造方法，其特征在于：所述步骤e中，在玻璃基底（3）上表面覆盖凝胶电解质层（10）包括如下步骤：首先，将1g聚乙烯醇与1g氢氧化钾加入一定量的蒸馏水中，在70℃下搅拌4h形成均质溶液，待聚乙烯醇与氢氧化钾完全溶解后，向均质溶液中加入0.3g硫氰酸钾，在70℃下继续搅拌2h，得到凝胶电解质；然后，在玻璃基底（3）上表面灌注该凝胶电解质，由此形成凝胶电解质层（10）。
8.根据权利要求4所述的非对称三维结构微电容的制造方法，其特征在于：所述步骤f中，在凝胶电解质层（10）上表面覆盖BCB介质膜包括如下步骤：首先，将凝胶电解质层（10）置于托盘上，将托盘的转速设定为60r/min，并旋转托盘；然后，在凝胶电解质层（10）上表面旋涂一层增粘剂，并向凝胶电解质层（10）上表面中心滴涂BCB介质，直至BCB介质完全覆满凝胶电解质层（10）上表面；随后，将托盘的转速提高至400 r/min，待托盘旋转20s后，再将托盘的转速提高至2000 r/min，待托盘旋转30s后，将托盘的转速降低至800r/min，待托盘旋转30s后，对BCB介质进行匀膜，由此形成BCB介质膜；随后，将烘片温度设定为80℃，对BCB介质膜进行烘片3min，使BCB介质膜中的部分溶剂挥发，以此减少BCB介质膜在移动过程中的流动，提高BCB介质膜在固化后的均匀性，并在烘片的同时通入氮气保护，以此防止在烘片过程中因氧气和硅基片发生反应而对BCB介质膜的强度产生影响；最后，采用阶梯状升温法升高烘片温度，对BCB介质膜进行烘片，并在烘片的同时通入氮气保护，待烘片温度升高至280℃后，对BCB介质膜依次进行加热、随炉降温，由此固化BCB介质膜。
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