一种三维微型传感器用微纳原电池的制备方法与流程

本发明涉及电池加工领域，更具体地说，涉及一种三维微型传感器用微纳原电池的制备方法。

背景技术：

随着5g技术的来临，探测传感器件应用越来越重要，生物微型传感器、微纳马达也展现出来巨大的应用价值，它们的需求量也在上升。一大批采用二维薄膜电极结构的微电池相继提出并进行了实践应用，用来驱动微传感器，但是薄膜容易老化，电流击穿，因此，对微型传感器驱动所需要的微型电源是一个亟待解决的问题。

二维微电池的一般构造可以简化为3层膜层结构，阳极层、电解质层、金属阳极层，可以使用胶粘方式制备成阳极层、电解质层、金属阳极层3个膜层。这样的结构造成以下几个缺陷：一是膜层厚，二是容易起皮，三是厚薄不均一，四是采用上述工艺制备原电池，很难控制，使用同一个工艺制备出的原电池，性能差别很大，需要逐一检测进行使用，且成品率在50%，因此存在人力资源耗费大、资源浪费、成本高的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种三维微型传感器用微纳原电池的制备方法，通过将二维边沿电池变成三维微纳原电池，并采用阳极孔倒置方式，使得雨水等杂物脱离了阳极孔，从而将电池的使用性能提高50%。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种三维微型传感器用微纳原电池的制备方法，所述微纳原电池包括金属阳极层、绝缘层、阴极层、电解质通孔和阳极孔，其制备方法是在硅基体上采用3靶共溅射方式镀膜制备金属阳极层、绝缘层、阴极层，再采用光刻、刻蚀工艺制备电解质通孔和阳极孔，具体包括以下步骤：

步骤一，对硅片进行清洗，选择含量99.99%各种金属靶材，采用直流偏压模式在硅体上生长制备出厚度为400~500μm的金属阳极层；

步骤二，采用射频模式在金属阳极上制备厚度为200~1000nm的绝缘层；

步骤三，生长石墨阴极层，石墨厚度为2~3μm；

步骤四，在高浓度等离子刻蚀机上，使用cl2气体为刻蚀气体，在金属阳极层上先刻蚀阳极孔，再刻蚀电解质通孔；

步骤五，划片，切割。

进一步的，步骤一中，金属阳极层为cu、sn或者zn中的一种，直流偏压模式镀膜参数为：腔体气压为0.5~1pa，功率为200~300w，偏压为50~100w。

进一步的，步骤二中，绝缘层采用sio2、sinx或者al2o3中的一种，射频模式镀膜参数为：腔体气压为0.5~1pa，功率为200~300w，氧气或者氮气与ar流量比为1：8~1：10。

进一步的，步骤三中，镀膜参数为：腔体气压为0.5~0.8pa，功率为300~350w。

进一步的，步骤四中，cl2流量为40~60sccm，气压为0.5~2pa，功率为50~100w，掩膜采用20μm厚度的不锈钢金属掩膜，掩膜板采用复合双模板。

进一步的，步骤五中，切割参数为：刀转速30000r/min，刀移动速度10mm/s，冲水流速2l/min。

本发明的有益效果是：

本发明采用微纳加工工艺，生产效率提高3倍：

一、采用磁控溅射方式制备薄膜，克服了胶粘膜性能不均匀的缺点，采用此法制备的原电池性能均匀，薄膜平整度小，厚度均一性提高45%，薄膜之间粘附性强提高50%，加工效率高；

二、采用cu、sn或者zn等金属作为金属阳极，金属膜层生长以后，对金属膜层进行表面处理，金属膜表面粗糙度大，膜层与绝缘层结合力达到150mp，提高50%；

三、绝缘层采用sio2、sinx或者al2o3等绝缘层，绝缘效果好，制备的原电池使得微纳器件与空气的接触面积提高了3倍，灵敏度提高一倍；

四、本发明设有电解质通孔和阳极孔，将二维边沿电池变成三维微纳原电池，电解质通孔暴露在大气中，在外界大气中的水蒸气、氧气以及其他小分子在电解质通孔之中发生电化学反应，这些物质可以作为电解质，使得电化学反应持续进行；并采用阳极孔倒置方式，使得雨水等杂物脱离了阳极孔，从而将电池的使用性能提高50%。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定。

图1是微纳原电池构造的主视图；

图2是微纳原电池构造的剖视图；

附图标记：1、金属阳极层，2、绝缘层，3、阴极层，4、电解质通孔，5、阳极孔。

具体实施方式

下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种三维微型传感器用微纳原电池的制备方法，如图所示，所述微纳原电池包括金属阳极层1、绝缘层2、阴极层3、电解质通孔4和阳极孔5，其制备方法是在硅基体上采用3靶共溅射方式镀膜制备金属阳极层、绝缘层、阴极层，再采用光刻、刻蚀工艺制备电解质通孔和阳极孔；根据原电池原理，在外界水蒸气、硝酸物质、硫化物的的作用下，在三维微纳原电池的通孔内，有了液态电解质，那么，第一层与第三层的电极使用电流表探测，可以产生纳安级的微电流，从而用来探测空气质量；本发明步骤三中的电解质通孔，电解质通孔暴露在大气中，在外界大气中的水蒸气、氧气以及其他小分子在电解质通孔之中发生电化学反应，这些物质可以作为电解质，使得电化学反应持续进行；

具体包括以下步骤：

步骤一，对硅片进行清洗，选择含量99.99%各种金属靶材，采用直流偏压模式在硅体上生长制备出厚度为400μm的cu金属阳极层；直流偏压模式镀膜参数为：腔体气压为0.5~1pa，功率为300w，偏压为50~100w；

步骤二，绝缘层采用sio2，采用射频模式在金属阳极上制备厚度为300nm的绝缘层，射频模式镀膜参数为：腔体气压为0.5~1pa，si靶材加载功率为200w，氧气与ar流量比为1：9；

步骤三，生长石墨阴极层，石墨厚度为2~3μm，镀膜参数为：腔体气压为0.6pa，功率为300w；

步骤四，在高浓度等离子刻蚀机上，使用cl2气体为刻蚀气体，在金属阳极层上先刻蚀阳极孔，再刻蚀电解质通孔；cl2为流量40sccm，气压为0.5pa，功率为50w，掩膜采用20μm厚度的不锈钢金属掩膜，掩膜板采用复合双模板；

其中，cl2刻蚀原理：

cl2+e→cl+cl^-；

cl2+e→cl⁺2+e；

cl2+e→cl+cl+e；

cl2+e→cl⁺+cl^-+e；

cl、cl⁺与金属生成气态氯化物，从而刻蚀金属；

步骤五，划片，切割，切割参数为：刀转速30000r/min，刀移动速度10mm/s，冲水流速2l/min。

实施例2

一种三维微型传感器用微纳原电池的制备方法，所述微纳原电池包括金属阳极层1、绝缘层2、阴极层3、电解质通孔4和阳极孔5，其制备方法是在硅基体上采用3靶共溅射方式镀膜制备金属阳极层、绝缘层、阴极层，再采用光刻、刻蚀工艺制备电解质通孔和阳极孔；根据原电池原理，在外界水蒸气、硝酸物质、硫化物的的作用下，在三维微纳原电池的通孔内，有了液态电解质，那么，第一层与第三层的电极使用电流表探测，可以产生纳安级的微电流，从而用来探测空气质量；本发明步骤三中的电解质通孔，电解质通孔暴露在大气中，在外界大气中的水蒸气、氧气以及其他小分子在电解质通孔之中发生电化学反应，这些物质可以作为电解质，使得电化学反应持续进行；

具体包括以下步骤：

步骤一，对硅片进行清洗，选择含量99.99%各种金属靶材，采用直流偏压模式在硅体上生长制备出厚度为450μm的sn金属阳极层；直流偏压模式镀膜参数为：腔体气压为0.5pa，功率为200w，偏压为100w；

步骤二，绝缘层采用sinx，采用射频模式在金属阳极上制备厚度为500nm的绝缘层，射频模式镀膜参数为：腔体气压为1pa，si靶材加载功率为300w，氮气与ar流量比为1：8；

步骤三，生长石墨阴极层，石墨厚度为2~3μm，镀膜参数为：腔体气压为0.8pa，功率为350w；

步骤四，在高浓度等离子刻蚀机上，使用cl2气体为刻蚀气体，在金属阳极层上先刻蚀阳极孔，再刻蚀电解质通孔；cl2为流量60sccm，气压为2pa，功率为100w，掩膜采用20μm厚度的不锈钢金属掩膜，掩膜板采用复合双模板；

其中，cl2刻蚀原理：

cl2+e→cl+cl^-；

cl2+e→cl⁺2+e；

cl2+e→cl+cl+e；

cl2+e→cl⁺+cl^-+e；

cl、cl⁺与金属生成气态氯化物，从而刻蚀金属；

步骤五，划片，切割，切割参数为：刀转速30000r/min，刀移动速度10mm/s，冲水流速2l/min。

实施例3

一种三维微型传感器用微纳原电池的制备方法，所述微纳原电池包括金属阳极层1、绝缘层2、阴极层3、电解质通孔4和阳极孔5，其制备方法是在硅基体上采用3靶共溅射方式镀膜制备金属阳极层、绝缘层、阴极层，再采用光刻、刻蚀工艺制备电解质通孔和阳极孔；根据原电池原理，在外界水蒸气、硝酸物质、硫化物的的作用下，在三维微纳原电池的通孔内，有了液态电解质，那么，第一层与第三层的电极使用电流表探测，可以产生纳安级的微电流，从而用来探测空气质量；本发明步骤三中的电解质通孔，电解质通孔暴露在大气中，在外界大气中的水蒸气、氧气以及其他小分子在电解质通孔之中发生电化学反应，这些物质可以作为电解质，使得电化学反应持续进行；

具体包括以下步骤：

步骤一，对硅片进行清洗，选择含量99.99%各种金属靶材，采用直流偏压模式在硅体上生长制备出厚度为500μm的zn金属阳极层；直流偏压模式镀膜参数为：腔体气压为0.8pa，功率为260w，偏压为80w；

步骤二，绝缘层采用al2o3，采用射频模式在金属阳极上制备厚度为300nm的绝缘层，射频模式镀膜参数为：腔体气压为0.5~1pa，al靶材加载功率为200w，氧气与ar流量比为1：10；

步骤三，生长石墨阴极层，石墨厚度为2~3μm，镀膜参数为：腔体气压为0.8pa，功率为300w；

步骤四，在高浓度等离子刻蚀机上，使用cl2气体为刻蚀气体，在金属阳极层上先刻蚀阳极孔，再刻蚀电解质通孔；cl2流量为60sccm，气压为0.5pa，功率为80w，掩膜采用20μm厚度的不锈钢金属掩膜，掩膜板采用复合双模板；

其中，cl2刻蚀原理：

cl2+e→cl+cl^-；

cl2+e→cl⁺2+e；

cl2+e→cl+cl+e；

cl2+e→cl⁺+cl^-+e；

cl、cl⁺与金属生成气态氯化物，从而刻蚀金属；

步骤五，划片，切割，切割参数为：刀转速30000r/min，刀移动速度10mm/s，冲水流速2l/min。

本发明采用台阶仪器测定膜层厚均匀性，金属阳极层、绝缘层、石墨层均匀性如下表1所示，绝缘层电阻如表2所示，原电池性能测试如表3所示：

表1均一性测试表

表2绝缘层电阻测试表

表3原电池性能测试表

本发明采用磁控溅射方式制备薄膜，克服了胶粘膜性能不均匀的缺点，采用此法制备的微纳原电池性能均匀，薄膜平整度小，厚度均一，薄膜之间粘附性强，加工效率提高3倍。

以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。