一种孔径可控的超级电容器三维微电极制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电系统技术领域，具体为一种孔径可控的超级电容器三维微电极制备方法。
【背景技术】
[0002]MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，即微电子机械系统)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它具有成本低、体积小、自控性强、可靠性高等优点，是近年来最重要的技术创新之一。超级电容器是一种新型的储能装置，MEMS超级电容器具备传统超级电容器优势的同时也表现出存储能量大、体积微型化、循环寿命长、可多次循环充放电和批量生产等特点，减小了器件体积和设计成本，提高了器件设计系统的可靠性和稳定性，因此MEMS超级电容器受到国内外研宄者的高度关注。
[0003]超级电容器根据储能机理的不同，可分为双电层电容器和赝电容电容器，其中双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料，比如活性炭、碳气凝胶、碳纳米管。双电层电容器的容量大小与电极材料的孔隙有关。通常，孔隙率越高，电极材料的比表面积越大，双电层电容也越大。同时孔径大小会影响孔的利用率，由于孔径过小会导致电解液离子的运动速率降低或者电解液离子无法进入孔内，孔径太大会使孔内空间浪费。因此，如何有效提高孔隙率，控制孔径大小从而提高双电层电容器的容量成为超电容研宄的一个主要方向。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决双电层电容器容量小的问题，提供了一种孔径可控的超级电容器三维微电极制备方法。
[0005]本发明是采用如下的技术方案实现的:一种孔径可控的超级电容器三维微电极制备方法，包括如下步骤:
(1)选取硅片作为基底，将硅片基底清洗并烘干；
(2)将直径为2-50nm的FeCl3均匀掺入到SU-8光刻胶中，掺入时FeCl3和SU-8光刻胶的质量比为1:5?1:20 ;
(3)在清洗烘干后的硅片基底上均匀旋涂掺有FeClj^SU-8光刻胶；
(4)在掺杂有FeClj^SU-8光刻胶表面放置图形为正六边形孔形状的掩膜板；
(5)对SU-8光刻胶进行曝光、显影，得到三维正六面体柱状阵列结构；
(6)把得到的三维正六面体柱状阵列结构放进炭化炉中进行高温炭化得到介孔碳电极。
[0006]本发明提出一种孔径可控的超级电容器三维微电极制备方法。该方法利用高温易升华的FeCl3颗粒有效控制电极材料的孔径大小，实验中选取直径为2-50nm的FeCl 3作为掺杂物，并以1:5?1:20的质量比范围和SU-8光刻胶混合，在确保电极材料孔隙率的同时有效提高电极材料的比表面积，从而提高双电层电容器的比电容。本发明结合了 SU-8胶和FeClj^良好特性，相比于普通的电极材料，介空数目大大提高，减少了盲孔的数量，显著提高了电极材料的表面积利用率，最终达到提高比电容和比能量的目的。
[0007]上述的一种孔径可控的超级电容器三维微电极制备方法，炭化过程中温度、加热速率和冷却速率设置如下:首先，用时130min将温度从室温升高到450°C，稳定60min ;再用时10min将温度上升到700 °C，升温速率为2.5°C /minute，稳定90min ;之后再需要80min升温至900°C，升温速率为2.5°C /minute，继续稳定60min ;最终用时40min升温至1000°C，升温速率为2.50C /minute，持续稳定60min，逐步完成阵列结构的完全炭化；自然冷却360min降至室温。炭化温度呈多层次阶梯上升状态，一是为了在特定温度下充分炭化，有利于该温度下特定产物的排除，增加电极的介孔数量和质量；二是减缓升温速率和冷却速率可以降低膨胀系数不同导致电极从硅基底脱落的问题，利用增加介孔数量和质量增大电极的比表面积。
[0008]本发明实现了对多孔碳孔径的控制，提高了多孔表面积利用率。从而达到增大双电层电容器比电容和比功率的目的。本发明中的加工工艺简单易操作。尺寸小，质量轻，可以集成，广泛用于微机械系统的能量供给。
【附图说明】
[0009]图1为电极结构俯视图。
[0010]图2为炭化温度时间曲线图。
【具体实施方式】
[0011](I)选取2寸硅片作为基底，并将硅片基底依次在二甲苯、丙酮、酒精、硫酸/双氧水、氨水/双氧水、盐酸/双氧水溶液中清洗以去除油污、氧化膜和金属离子，然后烘干；
(2)将直径为2-50nm的FeCl3掺入到SU-8光刻胶中，掺入时FeCl3和SU-8光刻胶的质量比为1:5?1:20，使用磁力搅拌机搅动使其混合均匀；
(3)在清洗烘干后的硅片基底上通过两次甩胶法旋涂厚度为500μ m掺杂有FeClj9SU-8光刻胶，在甩胶前先将硅片基底加热到45°C，然后进行第一次甩胶，第一次甩胶完成后先对光刻胶进行一定时间的前烘固化，之后进行第二次甩胶；
(4)将光刻胶表面与掩膜版的紧密接触后曝光，曝光时间为120s，然后将硅片基底放入烘箱，升温至60°C，保持lmin，升温至90°C，保持30min，自然冷却至室温后取出；然后将光刻胶放在超声波环境下光刻胶显影60min，得到柱状正六面体结构；
(5)将三维正六面体柱状阵列结构放进炭化炉中，炭化时在95%氮气/5%氢气的环境中进行，炭化过程中温度、加热速率和冷却速率设置如下:首先，用时130min将温度从室温升高到450°C，稳定60min ;再用时10min将温度上升到700°C，升温速率为2.5°C /minute,稳定90min ;之后再需要80min升温至900°C，升温速率为2.5°C /minute,继续稳定60min ；最终用时40min升温至1000°C，升温速率为2.5°C /minute，持续稳定60min，逐步完成阵列结构的完全炭化；自然冷却360min降至室温，最终炭化得到介孔碳电极。
【主权项】
1.一种孔径可控的超级电容器三维微电极制备方法，其特征在于包括如下步骤: (1)选取硅片作为基底，将硅片基底清洗并烘干； (2)将直径为2-50nm的FeCl3均匀掺入到SU-8光刻胶中，掺入时FeCl3和SU-8光刻胶的质量比为1:5?1:20 ; (3)在清洗烘干后的硅片基底上均匀旋涂掺杂有FeClj^SU-8光刻胶； (4)在掺杂有FeClj^SU-8光刻胶表面放置图形为正六边形孔形状的掩膜板； (5)对SU-8光刻胶进行曝光、显影，得到三维正六面体柱状阵列结构； (6)把得到的三维正六面体柱状阵列结构放进炭化炉中进行高温炭化得到介孔碳电极。
2.根据权利要求1所述的一种孔径可控的超级电容器三维微电极制备方法，其特征在于炭化过程中温度、加热速率和冷却速率设置如下:首先，用时130min将温度从室温升高到450°C，稳定60min ;再用时10min将温度上升到700°C，升温速率为2.5°C /minute，稳定90min ;之后再需要80min升温至900°C，升温速率为2.5°C /minute,继续稳定60min ;最终用时40min升温至1000°C，升温速率为2.5°C /minute，持续稳定60min，逐步完成阵列结构的完全炭化；自然冷却360min降至室温。
【专利摘要】本发明涉及微机电系统技术领域，具体为一种孔径可控的超级电容器三维微电极制备方法，包括如下步骤：首先将直径在2-50nm范围内的FeCl3固体颗粒掺入SU-8光刻胶中；然后将掺杂后的SU-8光刻胶旋涂在硅片上，通过光刻工艺得到具有垂直侧壁和高深宽比的三维阵列结构；再将此结构放进高温炭化炉中炭化，制备得到介孔碳电极。本发明从设计工艺的角度出发，通过SU-8胶中掺杂FeCl3方式来提高三维电极的比表面积，FeCl3高温容易直接升华，在炭化的同时会挥发掉，形成多数孔径在2-50nm范围的介孔碳，减少了盲孔数量，极大地提高了多孔碳表面积的利用率，从而增大了电容器的电极面积，提高了电容器的比电容和比功率。
【IPC分类】H01G11-86, B81C1-00
【公开号】CN104681308
【申请号】CN201510122007
【发明人】李刚, 赵清华, 李朋伟, 张文栋, 胡杰, 淡富奎, 桑胜波, 段倩倩, 菅傲群
【申请人】太原理工大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月20日