專(zhuān)利名稱(chēng)：應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于MEMS技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微 電極及其制造方法。
背景技術(shù)：
電子產(chǎn)品小型化、微型化、集成化是當(dāng)今世界技術(shù)發(fā)展的大勢(shì)所趨。微電子機(jī)械 系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS)具有移動(dòng)性、自控性、集成化等特 點(diǎn)，是近年來(lái)最重要的技術(shù)創(chuàng)新之一。當(dāng)一個(gè)子系統(tǒng)可以集成在一塊芯片上時(shí)，電源也必 須完成小型化、微型化的革命。MEMS微能源系統(tǒng)是指基于MEMS技術(shù)，將一個(gè)或多個(gè)電能 供給裝置集成為一個(gè)特征尺寸為微米級(jí)、外形尺寸為厘米級(jí)的微系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、高 效能、多模式供電，特別適用于傳統(tǒng)電源無(wú)法應(yīng)用的某些特殊環(huán)境。性能優(yōu)異的微型能源 對(duì)MEMS系統(tǒng)的發(fā)展和完善就具有特殊的意義。目前國(guó)外該領(lǐng)域的專(zhuān)利主要集中在微型 鋰離子電池、微型鋅鎳電池等領(lǐng)域，如美國(guó)oak ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室有關(guān)微型鋰離子電池的 專(zhuān)利(US. 5567210)以及美國(guó)Bipolar technologies公司的有關(guān)微型鋅鎳電池的專(zhuān)利 (US. 6610440BS)。上述相關(guān)專(zhuān)利技術(shù)所涉及到的微能源器件中微電極的制備方法都是在二 維結(jié)構(gòu)平面電極上制備功能薄膜，受到二維結(jié)構(gòu)平面電極面積有效等因素的限制，所制備 微電極電荷存儲(chǔ)能力不能滿(mǎn)足器件需求，嚴(yán)重制約了微型能源器件的應(yīng)用。與微型電池相 比，微型超級(jí)電容器還應(yīng)具有較低的阻抗，這與其微電極面積更加密切相關(guān)，面積增大可有 效降低電極內(nèi)阻。提高微電極的面積可以有效改善微型超級(jí)電容器的儲(chǔ)能特性，而到目前 為止，針對(duì)如何提高微型超級(jí)電容器微電極的面積，尚未提出有效的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極及其制造 方法，是針對(duì)相關(guān)技術(shù)中微型超級(jí)電容器的二維結(jié)構(gòu)微電極面積有限，無(wú)法滿(mǎn)足器件儲(chǔ)能 要求而提出的基于MEMS技術(shù)的三維結(jié)構(gòu)微電極。一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極，其特征在于，該三維結(jié)構(gòu)微電極 是鎳基片的一側(cè)面上豎立鎳微柱陣列，在鎳微柱表面上涂覆功能薄膜，所述功能薄膜由金屬氧化釕、摻雜金屬氧化物及導(dǎo)電性材料構(gòu)成。所述摻雜金屬氧化物包含氧化錫或氧化鋯。所述導(dǎo)電材料包含導(dǎo)電碳納米管、導(dǎo)電乙炔黑。一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極的制造方法，其特征在于，在鎳基 片表面涂制一層環(huán)氧基負(fù)型化學(xué)放大的SU-8膠膜并進(jìn)行光刻工藝處理，進(jìn)而制備鎳微柱 陣列和進(jìn)行功能薄膜電沉積處理，然后得到三維結(jié)構(gòu)微電極，具體步驟如下1) SU-8膠膜涂制及光刻工藝各步驟包括選擇鎳作為基片，鎳基片一面與SU-8膠 膜相粘接，通過(guò)甩膠、前烘、曝光、后烘、顯影、漂洗及硬烘工藝，在基片表面形成具有凹結(jié)構(gòu) 圖形的SU-8膠膜；
2)制備鎳微柱陣列工藝，在SU-8膠膜的圖形凹結(jié)構(gòu)中采用化學(xué)鍍或電鍍填充鎳， 然后采用N-甲基吡咯烷酮NMP漂洗，洗去SU-8膠膜，在基片表面形成鎳微柱陣列；3)功能薄膜電沉積工藝，采用電化學(xué)陰極沉積制備功能薄膜；配制含有一定比例 氯化釕RuCl3、氯化錫SnCl4或氯化鋯&C14、硝酸鈉NaNO3以及導(dǎo)電材料碳納米管或乙炔 黑的電解液，通過(guò)陰極電沉積的方法，將完成去膠工藝的鎳基片及鎳微柱陣列作為陰極，鉬 電極作為陽(yáng)極，電極浸漬在含有氯化釕、氯化錫或氯化鋯及硝酸鈉的電解液進(jìn)行電化學(xué)陰 極沉積工藝，在鎳基片及鎳微柱陣列表面附著一層功能薄膜層并完成三維結(jié)構(gòu)微電極的制 備。所述步驟1) SU-8膠膜涂制工藝中，先將SU-8膠在頻率為33KHz的超聲恒溫槽中， 保持溫度20 25°C，在較低功率50W條件下，超聲振動(dòng)20-35分鐘，以降低SU-8膠粘度并 去除膠中大部分氣體。所述步驟2)中化學(xué)鍍填充鎳的化學(xué)鍍液配方包含硫酸鎳Ni2SO4的濃度為25_27g/ L,次磷酸鈉NaH2PO2的濃度為25-28g/L，醋酸鈉NaAc的濃度為20_22g/L，醋酸CH3COOH的濃 度為15-18g/L，鍍液PH值范圍4 4. 5，施鍍溫度范圍80 90°C，施鍍過(guò)程中不斷攪拌。所述步驟2)中電鍍填充鎳的工藝為將完成圖形化SU-8膠工藝的鎳基片作為陰 極，將鎳板作為陽(yáng)極，電極浸泡在電鍍液中通以一定的電流完成膠膜圖形化凹結(jié)構(gòu)中鎳的 填充，電鍍鎳液配方包含濃度為300g/L-700g/L的氨基磺酸鎳Ni (SO3NH2) 2，濃度為7. 5g/ L-15g/L的氯化鎳NiCl2,濃度為22. 5-37. 5g/L的硼酸H3BO3 ；PH控制范圍3. 8-4. 2，電鍍溫 度范圍52-60°C，電流密度控制范圍5-300mA/cm2，施鍍過(guò)程中不斷攪拌。所述步驟3)功能薄膜電沉積工藝的電解液配方以濃度為0. 4-1. 2g/L的氯化釕 RuCl3、濃度為0. 4-0. 6g/L的氯化錫SnCl4或氯化鋯、濃度為10_20g/L的硝酸鈉NaNO3以及 濃度范圍是0. 05-0. 2g/L導(dǎo)電材料碳納米管或乙炔黑配置的電解液，通過(guò)陰極電沉積的方 法，在鎳基片及鎳微柱的表面形成一層功能薄膜，沉積電流密度范圍是3-lOmA/cm2，以降低 薄膜內(nèi)阻的同時(shí)提高電沉積反應(yīng)效率。本發(fā)明有益效果是采用三維結(jié)構(gòu)微電極解決了普通微型超級(jí)電容器二維平面結(jié) 構(gòu)微電極面積有限，電極無(wú)法儲(chǔ)存大量電荷且內(nèi)阻偏高等技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)而達(dá)到了提高微電 極電荷存儲(chǔ)能力，進(jìn)而達(dá)到了改善微型超級(jí)電容器儲(chǔ)能特性和大電流放電特性的效果。


圖1為三維結(jié)構(gòu)微電極組成示意圖。圖2為三維結(jié)構(gòu)微電極制造工藝示意圖。圖3為三維結(jié)構(gòu)微電極外觀(guān)形貌示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極及其制造方法，是針對(duì) 相關(guān)技術(shù)中微型超級(jí)電容器的二維結(jié)構(gòu)微電極面積有限，無(wú)法滿(mǎn)足器件儲(chǔ)能要求而提出的 基于MEMS技術(shù)的三維結(jié)構(gòu)微電極。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。圖1是三維結(jié)構(gòu)微電極組成示意圖。該三維結(jié)構(gòu)微電極是在鎳基片1的一側(cè)面上 豎立鎳微柱陣列2，在鎳微柱2表面上涂覆功能薄膜3，在上述實(shí)施例中，通過(guò)在金屬基片1的一面制備金屬微柱陣列2，從而形成了具有較大面積的三維空間結(jié)構(gòu)，可以有效地提高所 制備功能薄膜3的面積，從而有效地改善微電極乃至微型超級(jí)電容器的儲(chǔ)能特性。圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微電極制造工藝示意圖根據(jù)本發(fā)明實(shí)例的微電極 制造工藝，其主要包括SU-8膠膜層涂制及其圖形化工藝，化學(xué)鍍或電鍍制備金屬微柱陣列 工藝，電化學(xué)陰極沉積制備功能薄膜工藝。通過(guò)甩膠、前烘等工藝過(guò)程，可以在金屬基片1的一面涂制出厚度均勻的SU-8膠 層4，如圖2a所示；通過(guò)曝光、后烘、顯影、漂洗、硬烘等工藝過(guò)程，可以制備出具有圖形結(jié)構(gòu) 分辨率高、與基體粘結(jié)力強(qiáng)等特點(diǎn)的，具有一定圖形化凹結(jié)構(gòu)5的SU-8膠層6，其工藝過(guò)程 如圖2(b)所示。通過(guò)采用化學(xué)鍍或電鍍等工藝過(guò)程，再以在上述SU-8膠層的圖形化凹結(jié) 構(gòu)5中填充具有較大深寬比、與基片結(jié)合牢固的鎳基金屬結(jié)構(gòu)7，如圖2(c)所示；通過(guò)采用 N-甲基吡咯烷酮漂洗等工藝過(guò)程，可以徹底的去除掉金屬填充結(jié)構(gòu)之間的圖形化SU-8膠 層6，形成呈陣列形狀的鎳微柱陣列2，工藝過(guò)程如圖2(d)所示。通過(guò)電化學(xué)陰極沉積工 藝過(guò)程，可以在金屬基片及金屬微柱陣列表面附著一層功能薄膜層3，工藝過(guò)程如圖2(e) 所示。功能薄膜層由氧化釕、氧化錫(或氧化鋯)以及導(dǎo)電性材料(碳納米管或乙炔黑) 構(gòu)成。制備過(guò)程為配制含有一定比例氯化釕(RuCl3)、氯化錫(SnCl4)或氯化鋯(ZrCl4)、硝 酸鈉(NaNO3)以及導(dǎo)電性碳材料(碳納米管或乙炔黑)的電解液，通過(guò)電沉積的方法在金屬 基體及金屬微柱的表面形成一層功能薄膜。在氧化釕中摻雜氧化錫(或氧化鋯)等金屬氧 化物可以有效提高氧化釕的電荷存儲(chǔ)特性，在功能薄膜中摻加一定比例的導(dǎo)電性碳材料則 可以降低薄膜內(nèi)阻的同時(shí)提高電沉積反應(yīng)效率。甩膠、前烘工藝過(guò)程可以如下選擇SU8環(huán) 氧基負(fù)型化學(xué)放大膠中的SU-8 10、SU-8 25、SU-8 50, SU-8 100等規(guī)格型號(hào)(美國(guó)Micro Chem Corp.公司產(chǎn)品)在鎳基片上進(jìn)行甩膠工藝過(guò)程以制備厚度均勻的SU-8膠膜層，優(yōu) 選其中的SU-8 100型號(hào)進(jìn)行甩膠工藝過(guò)程。先行將SU-8膠在超聲(頻率33KHz)恒溫槽 中，保持溫度20-25°C，優(yōu)選25 V，在較低功率50W條件下，超聲振動(dòng)20分鐘至35分鐘，優(yōu) 選30分鐘，以降低SU-8膠粘度并去除膠中大部分氣體。將鎳基片固定在甩膠機(jī)平臺(tái)上， 在鎳基片上滴加適量上述SU-8膠，將鎳基片轉(zhuǎn)速?gòu)撵o止均勻加速到一定較低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速范 圍500-700轉(zhuǎn)/分鐘，優(yōu)選600轉(zhuǎn)/分鐘，并維持5秒；然后均勻加速到較高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速范圍 1500 2000轉(zhuǎn)/分鐘，優(yōu)選1800轉(zhuǎn)，維持15秒，然后均勻減速至靜止。刷膠完成的鎳基 片在25°C室溫環(huán)境中水平放置10-30分鐘，優(yōu)選30分鐘，以使SU-8膠自我整平并排出膠 中氣體，甩膠工藝完成。對(duì)完成SU-8甩膠的鎳基片進(jìn)行前烘工藝處理以去除膠中絕大部分 水分，烘烤方式可選擇精密控溫?zé)岚鍫t烤膠、真空爐烤膠、對(duì)流恒溫箱烤膠以及紅外線(xiàn)輻射 烤膠等四種，優(yōu)選其中的對(duì)流恒溫箱烤膠工藝。采用階梯式升溫平緩式降溫烘烤方式，具體 為將膠膜在40 60°C較低溫度，優(yōu)選為50°C預(yù)烘烤10分鐘后，以每分鐘3°C速率升溫至 85 95°C較高溫度，優(yōu)選為95°C，恒溫30分鐘，然后閉箱自然冷卻15分鐘，然后再開(kāi)箱自 然冷卻至室溫，減少溫度驟變引發(fā)高應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)，前烘工藝完成。理想的前烘效果是快速均 勻的去除掉SU-8膠中95%左右水分，膠膜光滑平整，與基體結(jié)合力強(qiáng)。曝光、后烘、顯影、漂洗、硬烘等工藝過(guò)程如下，曝光過(guò)程中SU-8膠吸收紫外光，產(chǎn) 生光化學(xué)反應(yīng)，生成一種強(qiáng)酸物質(zhì)。該強(qiáng)酸在后烘時(shí)作為催化劑，在曝光區(qū)域產(chǎn)生熱交聯(lián)反 應(yīng)，未吸收紫外光區(qū)域不發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，可以在后續(xù)顯影工藝過(guò)程中去除，為進(jìn)一步的化學(xué) 鍍或電鍍工藝制備鎳微柱陣列提供一種具有凹形結(jié)構(gòu)的“模具”。選擇波長(zhǎng)范圍350-400納米紫外光，優(yōu)選365納米波長(zhǎng)對(duì)SU-8膜進(jìn)行接近式曝光處理，曝光功率范圍10-20W，優(yōu)選 15W。曝光時(shí)間100-130秒，優(yōu)選120秒。曝光量決定于曝光功率與曝光時(shí)間的乘積，曝光 量太小，圖形分辨率差，顯影時(shí)容易出現(xiàn)膠膜脫落和粘連現(xiàn)象。曝光量太大，則膠膜內(nèi)應(yīng)力 大，膠膜容易發(fā)生變形翹裂，去膠困難。只有曝光量適當(dāng)選擇，才能制備出圖形分辨率、側(cè)壁 陡直、與鎳基片結(jié)合強(qiáng)度適中的膠膜。完成曝光后進(jìn)行后烘處理，后烘處理使曝光區(qū)域發(fā)生 充分交聯(lián)反應(yīng)，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)區(qū)域分子鏈增長(zhǎng)，分子量增大，分子密度增大。后烘采用階梯 式升溫平緩式降溫方法，即先在較低溫度(50-65°C，優(yōu)選60°C)烘烤10分鐘，接著升溫至 較高溫度(90-100°C，優(yōu)選95°C )維持30分鐘，然后關(guān)閉烘箱自然冷卻10分鐘，然后打開(kāi) 烘箱自然冷卻至室溫，以充分釋放膠膜中的應(yīng)力。后烘過(guò)度，膠膜中分子密度過(guò)度增大引起 局部區(qū)域內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)膠膜裂紋、基片彎曲等現(xiàn)象。后烘不足，膠膜與基底粘結(jié)性差， 圖形容易在顯影過(guò)程中損壞，圖形質(zhì)量較差。完成后烘工藝過(guò)程后進(jìn)行顯影及漂洗處理，采 用乙酸丙二醇甲脂(PGMEA)為顯影劑，未發(fā)生交聯(lián)的SU-8膠溶解于PGMEA顯影劑中。采用 超聲高頻振動(dòng)輔助顯影，超聲振動(dòng)頻率33kHz，振動(dòng)功率15-35W，優(yōu)選25W，顯影時(shí)間8_15分 鐘，優(yōu)選12分鐘。超聲振動(dòng)功率太小時(shí)，顯影不徹底，超聲功率過(guò)大時(shí)，膠膜發(fā)生脫落現(xiàn)象。 顯影適中時(shí)圖形才清晰并無(wú)明顯缺陷。顯影完成后用去離子水進(jìn)行漂洗，將附著于膠膜之 上的PGMEA及溶解于其中的未交聯(lián)SU-8膠一并去除，之后在弱空氣流或氮?dú)饬髦写蹈伞Ｍ?成顯影后進(jìn)行硬烘工藝過(guò)程，硬烘溫度為150-200°C，優(yōu)選為180°C，硬烘時(shí)間為20分鐘，硬 烘工藝主要是為了提高膠膜的機(jī)械性能及與基底的結(jié)合力，增強(qiáng)膠膜在化學(xué)鍍液及電鍍液 中的耐受能力?；瘜W(xué)鍍或電鍍，去膠等工藝過(guò)程可以如下化學(xué)鍍工藝為將上述附著有完成硬 烘工藝并附有圖形化SU-8膠的鎳基片放置在化學(xué)鍍鎳鍍液一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)膠膜圖形化 凹結(jié)構(gòu)中鎳的填充?；瘜W(xué)鍍液配方包含硫酸鎳Ni2S04(濃度為25-27g/L，優(yōu)選27g/L)， 次磷酸鈉 NaH2PO2 (25-28g/L，優(yōu)選 28g/L)，醋酸鈉 NaAc (20_22g/L，優(yōu)選 21g/L)，醋酸 CH3COOH(15-18g/L，優(yōu)選16g/L).鍍液PH值范圍4-4. 5，優(yōu)選4. 5，施鍍溫度范圍80-90°C, 優(yōu)選85°C，施鍍過(guò)程中不斷攪拌。電鍍工藝為將完成圖形化SU-8膠工藝的金屬基片作為陰極，將鎳板作為陽(yáng)極，電 極浸泡在電鍍液中通以一定的電流完成膠膜圖形化凹結(jié)構(gòu)中鎳的填充。電鍍鎳液配方包 含氨基磺酸鎳Ni (S03NH2)2(濃度為300g/L-700g/L，優(yōu)選500g/L)，氯化鎳NiCl2(濃度為 7. 5g/L-15g/L，優(yōu)選 10g/L)，硼酸 H3BO3 (濃度為 22. 5-37. 5g/L，優(yōu)選 30g/L)，PH 控制范圍 3. 8-4. 2，優(yōu)選4. 2，電鍍溫度范圍52-60°C，優(yōu)選54°C，電流密度控制范圍5-300mA/cm2，優(yōu) 選lOOmA/cm2，施鍍過(guò)程中不斷攪拌。去膠工藝過(guò)程采用物理去膠法，將帶有SU-8膠膜(膜 層中包含化學(xué)鍍或電鍍鎳微柱陣列結(jié)構(gòu))的鎳基片放入能溶解交聯(lián)SU-8的去膠液中24小 時(shí)以上，SU-8膠溶脹分層，此時(shí)將鎳基片放在恒溫50°C顯影槽內(nèi)超聲振動(dòng)3-5小時(shí)，振動(dòng)功 率30W-80W，優(yōu)選50W。去膠液可選丙酮、甲苯、N-甲基吡咯烷酮等，優(yōu)選N-甲基吡咯烷酮。 去膠完成后將鎳基片在弱空氣流或氮?dú)饬髦写蹈?。功能薄膜電沉積工藝過(guò)程可以如下將 完成去膠工藝的鎳基片及鎳微柱陣列作為陰極，鉬電極作為陽(yáng)極，電極浸漬在含有氯化釕、 氯化錫(或氯化鋯)及硝酸鈉等鹽的電解液進(jìn)行電化學(xué)陰極沉積工藝過(guò)程，可以在鎳基片 及鎳微柱表面附著一層功能薄膜層。電解液配方為氯化釕RuCl3 (濃度為0. 4-1. 2g/L，優(yōu)選 lg/L)、氯化錫(SnCl4,濃度為 0. 4-0. 6g/L，優(yōu)選 0. 55g/L)或氯化鋯(ZrCl4,0. 4-0. 6g/L，優(yōu)選0.5g/L)、硝酸鈉NaN03(10-20g/L，優(yōu)選17g/L)以及導(dǎo)電性碳材料(碳納米管或乙炔黑， 濃度范圍是0.05-0. 2g/L，優(yōu)選0. 12g/L)的電解液，通過(guò)陰極電沉積的方法在鎳基片及鎳 微柱的表面形成一層功能薄膜，沉積電流密度范圍是3-lOmA/cm2，優(yōu)選5mA/cm2。所制備功 能薄膜層由氧化釕、氧化錫(或氧化鋯)以及導(dǎo)電性材料(碳納米管或乙炔黑)構(gòu)成。在氧 化釕中摻雜氧化錫(或氧化鋯)等金屬氧化物可以有效提高氧化釕的電荷存儲(chǔ)特性，在功 能薄膜中摻加一定比例的導(dǎo)電性碳材料則可以降低薄膜內(nèi)阻的同時(shí)提高電沉積反應(yīng)效率。上述工藝完成了基于MEMS技術(shù)的具有三維微柱陣列結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器微電極制 備，得到如圖3所示的三維結(jié)構(gòu)微電極外觀(guān)形貌示意圖；微柱直徑范圍20-100微米，優(yōu)選 50微米。微柱高度范圍50-250微米，優(yōu)選200微米。微柱間距(柱體中心之間距離)范圍 150-400微米，優(yōu)選200微米。微柱橫截面形狀優(yōu)選為圓型，基于此工藝還可以制造橫截面 積為正方形、三角形等其他形狀的微柱陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明有效地提高了微電極表面積，進(jìn)而 提高了微電極表面功能薄膜的反應(yīng)活性。基于三維結(jié)構(gòu)微電極電極的超級(jí)電容器具有良好 的電學(xué)儲(chǔ)能特性，應(yīng)用本發(fā)明中描述微電極的微型超級(jí)電容器在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源、引 信電源等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極，其特征在于，該三維結(jié)構(gòu)微電極是鎳基片的一側(cè)面上豎立鎳微柱陣列，在鎳微柱表面上涂覆功能薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極，其特征在于， 所述功能薄膜由金屬氧化釕、摻雜金屬氧化物及導(dǎo)電性材料構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極，其特征在于， 所述摻雜金屬氧化物包含氧化錫或氧化鋯。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極，其特征在于， 所述導(dǎo)電材料包含導(dǎo)電碳納米管、導(dǎo)電乙炔黑。
5.一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極的制造方法，其特征在于，在鎳基片 表面涂制一層環(huán)氧基負(fù)型化學(xué)放大的SU-8膠膜并進(jìn)行光刻工藝處理，進(jìn)而制備鎳微柱陣 列和進(jìn)行功能薄膜電沉積處理，然后得到三維結(jié)構(gòu)微電極，具體步驟如下1)SU-8膠膜涂制及光刻工藝各步驟包括選擇鎳作為基片，鎳基片一面與SU-8膠膜相 粘接，通過(guò)甩膠、前烘、曝光、后烘、顯影、漂洗及硬烘工藝，在基片表面形成具有凹結(jié)構(gòu)圖形 的SU-8膠膜；2)制備鎳微柱陣列工藝，在SU-8膠膜的圖形凹結(jié)構(gòu)中采用化學(xué)鍍或電鍍填充鎳，然后 采用N-甲基吡咯烷酮NMP漂洗，洗去SU-8膠膜，在基片表面形成鎳微柱陣列；3)功能薄膜電沉積工藝，采用電化學(xué)陰極沉積制備功能薄膜；配制含有一定比例氯化釕RuCl3、氯化錫SnCl4或氯化鋯&C14、硝酸鈉NaNO3以及導(dǎo)電 材料碳納米管或乙炔黑的電解液，通過(guò)陰極電沉積的方法，將完成去膠工藝的鎳基片及鎳 微柱陣列作為陰極，鉬電極作為陽(yáng)極，電極浸漬在含有氯化釕、氯化錫或氯化鋯及硝酸鈉的 電解液進(jìn)行電化學(xué)陰極沉積工藝，在鎳基片及鎳微柱陣列表面附著一層功能薄膜層并完成 三維結(jié)構(gòu)微電極的制備。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極的制造方法，其 特征在于，所述步驟l)SU-8膠膜涂制工藝中，先將SU-8膠在頻率為33KHz的超聲恒溫槽 中，保持溫度20 25°C，在較低功率50W條件下，超聲振動(dòng)20-35分鐘，以降低SU-8膠粘度 并去除膠中大部分氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極的制造方法，其 特征在于，所述步驟2)中化學(xué)鍍填充鎳的化學(xué)鍍液配方包含硫酸鎳Ni2SO4的濃度為25 27g/L，次磷酸鈉NaH2PO2的濃度為25 28g/L，醋酸鈉NaAc的濃度為20 22g/L，醋酸 CH3COOH的濃度為15 18g/L，鍍液PH值范圍4 4. 5，施鍍溫度范圍80 90°C，施鍍過(guò) 程中不斷攪拌。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極的制造方法，其 特征在于，所述步驟2)中電鍍填充鎳的工藝為將完成圖形化SU-8膠工藝的鎳基片作為陰 極，將鎳板作為陽(yáng)極，電極浸泡在電鍍液中通以一定的電流完成膠膜圖形化凹結(jié)構(gòu)中鎳的 填充，電鍍鎳液配方包含濃度為300g/L 700g/L的氨基磺酸鎳Ni (SO3NH2) 2，濃度為7. 5g/ L 15g/L的氯化鎳NiCl2,濃度為22. 5 37. 5g/L的硼酸H3BO3 ；PH控制范圍3. 8 4. 2， 電鍍溫度范圍52 60°C，電流密度控制范圍5 300mA/cm2，施鍍過(guò)程中不斷攪拌。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極的制造方法，其 特征在于，所述步驟3)功能薄膜電沉積工藝的電解液配方以濃度為0. 4-1. 2g/L的氯化釕RuCl3、濃度為0. 4-0. 6g/L的氯化錫SnCl4或氯化鋯、濃度為10_20g/L的硝酸鈉NaNO3以及 濃度范圍是0. 05-0. 2g/L導(dǎo)電材料碳納米管或乙炔黑配置的電解液，通過(guò)陰極電沉積的方 法，在鎳基片及鎳微柱的表面形成一層功能薄膜，沉積電流密度范圍是3-lOmA/cm2，以降低 薄膜內(nèi)阻的同時(shí)提高電沉積反應(yīng)效率。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于MEMS技術(shù)的一種應(yīng)用于微型超級(jí)電容器的三維結(jié)構(gòu)微電極及其制造方法。該三維結(jié)構(gòu)微電極是鎳基片的一側(cè)面上豎立鎳微柱陣列，在鎳微柱表面上涂覆功能薄膜，三維結(jié)構(gòu)微電極的制造是在鎳基片表面涂制一層環(huán)氧基負(fù)型化學(xué)放大的SU-8膠膜并進(jìn)行光刻工藝處理，進(jìn)而制備鎳微柱陣列和進(jìn)行功能薄膜電沉積處理，然后得到三維結(jié)構(gòu)微電極。本發(fā)明能夠有效提高微電極面積，改善功能薄膜電學(xué)特性，進(jìn)而提高微電極的電荷存儲(chǔ)能力，降低微電極阻抗?；诒景l(fā)明中所描述微電極的微型超級(jí)電容器在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源、引信電源等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01G9/048GK101950686SQ201010260868
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月23日
發(fā)明者尤政, 王曉峰 申請(qǐng)人:清華大學(xué)