[发明专利]基于MEMS技术的非对称微型超级电容及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微能源和MEMS加工技术领域，特别涉及基于MEMS技术的非对称微型超级电容及其制作方法。

背景技术

超级电容器(Supercapacitor)是一种电能存储器件，它基于以下两种电容进行能量存储：电极材料-电解液界面所发生的正负电荷分离而产生的双电层电容，或离子在电极材料表层晶格进行的快速嵌入-脱嵌/氧化-还原过程而产生的赝电容。与电池相比，超级电容器输出功率更高，循环寿命和效率均有优势，安全性更好。随着微小型电子器件以及微型电子机械系统(MEMS)的快速发展及应用，其对电能供给和存储的需求日益多样化，而微型超级电容无论是作为微电池的补充以实现微能源的管理，还是作为电源为微系统供电，其应用都极具潜力。由于微电子系统对微型化、集成化的需求，微型储能器件需要在单位芯片面积上获得尽可能高的性能，为此，可向垂直于芯片面积的第三维方向延伸的三维电极结构，以及可形成此类结构、并具有高容量的活性电极材料成为微型超级电容的探索方向。

有代表性的微型超级电容如，H.In以碳材料作为电极，形成的三明治结构超级电容(详见H.In，S.Kumar，Y.Shao-Horn，et al.，Origami fabrication of nanostructured，three-dimensional devices：Electrochemical capacitors with carbon electrodes.Applied Physics Letters，2006，88(8)，083104)、Y.Q.Jiang以垂直生长的碳纳米管阵列为电极材料，形成的插指结构电极(详见Y.Q.Jiang，Q.Zhou，L.Lin，Planar MEMS supercapacitor using carbon nanotube forests.IEEE 22nd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems，MEMS 2009，587-590.)、C.W.Shen利用以活性炭为主要材料的复合材料形成自支撑的电极(详见C.W.Shen，X.H.Wang，W.F.Zhang，et al.，A novel three-dimensional micro supercapacitor using self-support nano composite materials.IEEE 24nd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems，MEMS 2011，1285-1288.)、W.Sun以聚吡咯为电极材料制成插指电极的超级电容(详见W.Sun，X.Y.Chen，Fabrication and tests of a novel three dimensional micro supercapacitor.Microelectronic Engineering，2009，86(4-6)：1307-1310.)等。以上工作多采用具有三维可扩展性的插指结构，以在单位芯片面积上获得更好的性能，然而上述成果仅局限于对称微型超级电容，即电容正负极采用同样的材料。事实上，储能电极，如基于赝电容效应的过渡金属氧化物电极，其往往在非对称电极系统中具有更好的综合性能。采用金属氧化物/碳材料组成的非对称超级电容具有很好的储能特性，一方面，过渡金属氧化物具有极高的理论比容量，另一方面，这一电极系统可以有效地利用不同材料的工作电压范围，从而扩大器件整体的工作电压范围，提高储能密度。由二氧化锰/碳组成的非对称电容因其低成本，较好的性能得到广泛应用。M.S.Hong在2002年实现二氧化锰/碳组成的非对称超级电容(详见M.S.Hong，S.H.Lee，and S.W.Kim，Use of KCl aqueous electrolyte for 2V mangaese oxide/activated carbon hybrid capacitor.Electrochem.Solid-State Lett.，Volume 5，A227-A230，2002.)，工作电压范围为2V，能量密度上有所提高；T.Brousse在2004年实现的非对称超级电容(详见T.Brousse，M.Toupin，and D.Belanger，A hybrid activated carbon-manganese dioxide capacitor using a mild aqueous electrolyte.Journal of Electrochemical Society，151(4)A614-A622，2004.)，最大工作电压范围可达2.2V，且在1.5V电压范围下具有良好的循环使用寿命。然而，该非对称储能系统难以通过以往文献中的方法在微型器件上实现，在微米尺度下分离两个含有不同材料的电极的方法是关键和难点所在。