[发明专利]一种基于三维硅微结构的MEMS电容器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及电容器及其制造技术，具体是一种基于三维硅微结构的MEMS电容器及其制造方法。

背景技术

电容器是一种电子设备中最基础、最重要的的电子元器件，目前广泛地应用于计算机、通信、电力、交通、航空、航天、国防等重点领域。在点火、定时、滤波、耦合、执行机构电源、不间断电源等装置的电子设备中，电容器起到储存和强化电能的效果，其稳定性、安全性决定整个系统的可靠运行。因而，电容器作为可靠储能器件得到日益广泛关注，尤其微型电容器更是研究的热点。微型电容器属于新型高端电源器件，其发展势头迅猛，应用领域正在扩展，物联网、节能环保、信息技术、新能源等前瞻性新型产业为微型电容器带来了新的发展机遇，因此，微型电容器凭借其体积小、易集成、可靠性好、性能稳定等优势占有广阔的应用市场。

目前，常见的微型电容器有陶瓷电容器、有机薄膜介质电容器、钽电解电容器、铝电解电容器等。随着微能源应用领域越来越广泛，对储能器件在过载环境和恶劣环境方面提出了更为苛刻的要求。而现有微型电容器储能器件普遍面临抗过载能力低、环境适应性差、容量体积比小等技术瓶颈问题。其中，陶瓷电容器承受瞬态高压脉冲的能力较弱，易被脉冲电压击穿。有机薄膜介质电容器电容量小、损耗较大、耐高温能力差。钽电解电容器因其电容量与体积成正比，实现大容量的同时难以满足系统对微小型化的要求，并且在高过载环境下，器件容易出现“软击穿”及脱落现象。铝电解电容器对温度和使用频率要求敏感、容量误差大、泄露电流较大。因此，实现微小型、高可靠性的电容器已成为智能化微能源技术发展亟需解决的关键技术问题。

微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）是集成有微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路等部件的微型器件或系统，具有体积小、重量轻、可靠性高、能实现复杂功能、可集成等特点，适应现代储能系统的发展要求，可以促使微能源领域实现重大革新和升级换代，是提升微能源系统性能和实现电子器件微型化、智能化、集成化的重要技术途径。因此，MEMS技术应用为实现大容量体积比、高抗过载能力的高性能电容器提供了一种新的思路。

近年来，基于MEMS技术的微型电容器研究受到科研人员的广泛关注，其结构主要集中在基底表面多层电极叠加的三明治结构、以聚酰亚胺为支撑体的上下电极和电介质层卷绕型结构、纳米阵列孔结构、三维梳齿状电极对结构等，但针对硅片级技术的芯片一体化MEMS电容器研究则非常有限。其中，2008年韩国浦项大学研制出的MEMS柔性超级电容器是采用光刻技术，由聚合物为基底制作的多层电极阵列结构而形成，但由于缺乏电极周边密封结构，不能作为完整的器件获得应用。Y. Q. Jiang 等人在硅片上采用80μm高的碳纳米管森林作为超级电容器电极材料制作出428μF/cm2比容值的双电层超级电容器，因其比功率为0.28mW /cm2，在储能系统中能量密度有限，而且，流体电解液增加了其集成的难度和限制了其应用场合。S.B.Lee和G.W.Rubleff小组制备了比容值为100μF/cm2的氧化铝纳米孔结构MEMS电容器，这种静电式电容器在安全性、以加工性等方面有较大优势，但由于低比表面积使其电容器电容量没有达到最佳值。因此，为了适应更高过载能力下的储能电源供电要求，使用一种性能优越的MEMS新型电容器已经成为微能源领域中储能系统发展必须采取的措施。

综合上述分析，现有MEMS微型电容器由于自身结构所限，普遍存在抗过载能力低、容量体积比小、环境适应性差、以及可靠性差的问题。针对上述问题，有必要发明一种全新的MEMS微型电容器。

发明内容

本发明为了解决现有MEMS微型电容器抗过载能力低、容量体积比小、环境适应性差、以及可靠性差的问题，提供了一种基于三维硅微结构的MEMS电容器及其制造方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于三维硅微结构的MEMS电容器，包括硅基底；硅基底上表面加工有大比表面积三维深槽结构；硅基底上表面和大比表面积三维深槽结构内腔表面形成有电学绝缘层（此电学绝缘层用于制备过程中所需的下电极金属薄膜的电学绝缘，避免任何由于自然氧化层形成所带来的复杂化干扰因素）；电学绝缘层上表面形成有下电极层；下电极层上表面形成有电介质层；电介质层上表面形成有上电极层；下电极层部分曝露于上电极层外；大比表面积三维深槽结构的微孔隙中填充有填充层。