基于超薄聚合物基底的柔性微型超级电容器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微能源和微机械加工领域，具体地，涉及一种基于聚合物超薄膜的贴片式柔性微型超级电容。
【背景技术】
[0002]超级电容(Super-capacitor)是一种电化学储能器件，主要基于双电层效应及伪电容效应。由于超级电容具有快速充放电、功率密度高、循环寿命长等特点，其研究更是备受关注。随着微机电系统的发展，各种便携式设备尤其是可穿戴式元件如智能腕带、柔性电路成为当前的研究热点。兼具柔性的超级电容在作为该类设备的储能器件上具有广泛应用前景。
[0003]目前柔性超级电容相关工作主要集中于两个方面，分别是柔性基底和柔性电极材料，例如，通过使用喷墨打印的方式将石墨喷在柔性基底形成叉指状的电极结构以形成柔性超级电容；由于电极材料碳纳米管(CNT)的制备时需要高温无法直接在柔性基底沉积，从而先在娃衬底上生长碳纳米管森林，然后转移到Kapton胶带上，再粘上铜箔作为电极以形成柔性超级电容；通过两次转移将Si02/Si的基底上由光刻胶直接碳化成叉指结构的电极转移到柔性聚乙薄膜上形成柔性超级电容。以上制作柔性超级电容的方式分别为转移电极的方式或者喷墨打印的方式，转移电极的制作方式增加了器件制作工艺的复杂程度，而喷墨打印的模式对电极材料的厚度也有所限制，进而限制了微型超级电容器件的储能密度。
[0004]因此，微型柔性超级电容器有待于进一步研究。
【发明内容】
[0005]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于聚合物二氯对二甲苯二聚体(Parylene-C)超薄膜的柔性超级电容器，该柔性超级电容器还可以是柔性微型超级电容器，并且该电容器的电极能够直接在超薄膜衬底上制作，制备工艺简单。
[0006]根据本发明的一个方面，本发明提供了一种柔性超级电容器。根据本发明的实施例，该柔性超级电容器包括:衬底层，所述衬底层是由Parylene-C形成；集流层，所述集流层位于所述衬底层的上表面，并且所述集流层包括:电流收集区和电流导出区，其中，所述电流收集区和所述电流导出区之间形成电连接；电极层，所述电极层位于所述电流收集区的上表面；以及固态电解质层，所述固态电解质层覆盖所述衬底层、所述集流层和所述电极层的至少部分上表面。
[0007]发明人发现，由Parylene-C薄膜作为衬底层，该衬底层轻薄、柔性好，可在其上直接形成电极结构，从而超级电容器的厚度显著减小，实现柔性且贴片化的功能。
[0008]根据本发明的另一方面，本发明提供了一种制备前述柔性超级电容器的方法。该方法包括:利用Parylene-C形成衬底层；在所述衬底层的部分上表面形成集流层；在所述集流层的部分上表面形成电极层；以及形成固态电介质层，以便覆盖所述衬底层、所述集流层和所述电极层的至少部分上表面，获得所述柔性超级电容器。
[0009]根据本发明的实施例，利用本发明的方法，由Parylene-C形成的衬底层，该衬底层轻薄、柔性好，可在其上直接形成电极结构，从而超级电容器的厚度显著减小，实现柔性且贴片化的功能。
[0010]根据本发明的再一方面，本发明提供了一种电子设备。根据本发明的实施例，该电子设备包括:前述的柔性超级电容器。由此，由于本发明的超级电容器兼具柔性以及较好的电容性能，本发明的柔性超级电容器，在电子设备中，尤其是可穿戴电子设备中，作为电池的补充或者作为电源直接供给设备，为电子设备进行供电。
[0011]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0012]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0013]图1显示了根据本发明一个实施例的柔性超级电容器的纵剖面结构示意图；
[0014]图2显示了根据本发明一个实施例的柔性超级电容器的纵剖面结构示意图；
[0015]图3显示了根据本发明一个实施例的柔性超级电容器结构示意图，其中，固体电解质层未示出；
[0016]图4显示了根据本发明一个实施例的制备柔性超级电容器的方法示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0018]在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0019]根据本发明的一个方面，本发明提供了一种电容器。下面参考图1-3，对电容器的结构进行描述，其中，图1-3中电容器各部件的尺寸仅为体现各部件的结构关系，不作为电容器实际部件的尺寸比例参考。
[0020]根据本发明的实施例，该电容器1000包括:衬底层100、集流层200、电极层300和固态电解质层400，其中，衬底层100是由二氯对二甲苯二聚体形成的；集流层200位于所述衬底层100的上表面，并且该集流层200包括:电流收集区210和电流导出区220，其中，电流收集区210和电流导出区220之间形成电连接；电极层300位于电流收集区210的上表面；固态电解质层400覆盖衬底层100、集流层200和电极层300的至少部分上表面。[0021 ] 其中，需要说明的是，固态电解质层400覆盖在具有衬底层100、集流层200和电极层300的电容器半成品的上表面，可以根据需要，确定固态电解质层400面积，优选覆盖该半成品的全部上表面。
[0022]发明人发现，由二氯对二甲苯二聚体形成的衬底层，该衬底层的薄膜厚度易于控制，具有绝缘和屏障特性，对其上的部件具有良好的支撑作用，同时衬底层的轮廓均衡且表面粗糙度小于30nm，可以在其上进行薄层结构的加工，从而采用二氯对二甲苯二聚体为超级电容器的衬底层，超级电容器的厚度显著减小，可以实现良好的柔性且贴片化的功能，并且，本发明的超级电容器的储能密度较大。
[0023]参考图2，根据本发明的一些实施例，电容器1000进一步包括:隔膜层500，该隔膜层500形成在衬底层100的上表面，并且与集流层200交叉设置，其中，隔膜层500的厚度不小于集流层200的厚度和电极层300的厚度的总和。由此，隔膜层500和集流层200共同形成的沟槽中，电极层300的厚度大，储能密度大。
[0024]根据本发明的一些实施例，衬底层100的厚度为8-15 μ m，隔膜层500的厚度为6-100 μ m0由此，衬底层的轻薄，柔性好，易于实现柔性且贴片化的功能，并且，隔膜层的厚度大，便于填充大量电极材料，从而，电极层的厚度大，储能密度大。
[0025]根据本发明的一些实施例，集流层200是由金和钛形成的。由此，超级电容器的串联电阻小，柔性超级电容器的充放电性能好，电容性能更好。
[0026]参考图3，为了示出电容器的内部结构，图中未示出固态电解质层，根据本发明的一些实施例，电极层300包括:第一电极310和第二电极320，其中，第一电极310和第二电极320共同形成叉指结构。由此，叉指型的电极结构能够使得两电极间的正对接触面积增大，两电极间的离子通道距离缩短，从而超级电容器的储能密度显著增大，电容量也显著增加。
[0027]根据本发明的另一方面，本发明提供了一种制备前述柔性超级电容器的方法。该方法包括:利用二氯对二甲苯二聚体形成衬底层；在所述衬底层的部分上表面形成集流层；在所述集流层的部分上表面形成电极层；以及形成固态电介质层，以便覆盖所述衬底层、所述集流层和所述电极层的至少部分上表面，获得所述柔性超级电容器。
[0028]根据本发明的实施例，利用本发明的方法，由二氯对二甲苯二聚体形成衬底层，该衬底层的薄膜厚度易于控制，具有绝缘和屏障特性，对其上的部件具有良好的支撑作用，同时衬底层的轮廓均衡且表面粗糙度小于30nm，易于在其上进行薄层结构的加工，从而，利用本发明的方法，采用二氯对二甲苯二聚体为衬底层，制备得到的电容器，电容器的厚度显著减小，可以实现良好的柔性且贴片化的功能，并且，电容器单位面积的储能密度大。
[0029]参考图4，根据本发明的一些实施例，对制备前述柔性超级电容器的方法进行说明，该方法包括:
[0030]a)采用气相沉积法，在硅片上形成二氯对二甲苯二聚体(Parylene-C)薄膜，以便获得衬底层。由此，利用该方法进行沉积，沉积过程无其他副产品产生，在硅片上形成轻薄、厚度均匀，柔性好的衬底层，并且，该衬底层具有绝缘和屏障特性，同时，该衬底层轮廓均衡且表面粗糙度小于30nm。根据本发明的一些实施例，衬底层的厚度为8-15 μπι。由此，衬底层的轻薄，柔性好，易于实现柔性且贴片化的功能。
[0031]b)在衬底层的上表面形成金属层，对金属层进行光刻处理，以便获得具有第一预定图案的集流层，所该集流层包括:电流收集区和电流导出