[发明专利]一种基于MEMS技术的3D体硅微型电容器、其制作及应用

说明书

本发明公开了一种3D体硅微型电容器的制作方法，包括3D体硅衬底结构的制作、适用于该3D结构活性材料的引入和电容器的三种封装与集成。首先，深硅刻蚀得到镂空的3D硅基梳齿衬底，再对梳齿的上下表面和侧壁包覆碳基导电层和活性材料，最后在表面涂敷胶状电解质，并进行封装与集成，得到所述3D体硅微型电容器。相对于传统的梳齿型平面结构，本发明提供的微型电容器电极的纵向高度得到延伸，可利用的电极表面积从二维平面扩展至三维的表面与纵向侧壁，3D电极能负载更多的活性材料，从而使比电容和比能量密度提升；且3D梳齿结构的活性材料引入方法对3D电容器的研究有重要意义，提出的封装和集成方法保证了电容器的稳定和寿命。

技术领域

本发明属于微型储能器件的制造方法，特别的涉及微纳加工工艺和纳米材料制备与应用技术领域，更具体地，涉及一种基于MEMS技术的3D 体硅微型电容器、其制作及应用。

背景技术

便携式电子器件的快速发展，使小型化、便于集成的供电电源成为研究热点，这种能量存储器件能够在增加器件的密度，实现供电功能的同时，还能与芯片集成，简化系统整体结构。超级电容器由于其相对于电池具有高能量密度、循环效率和充放电比率而成为引人瞩目的能量存储器。传统的超级电容器对于微型器件来说体积太大，而且传统的制作方法与微电子制作工艺不兼容。考虑到微型化和降低系统复杂度等因素，设计一种能和微器件集成的能量存储器件成为一个重点研究方向。

微型电容器近年发展迅速，在尺寸持续微缩化的同时，功率密度和能量密度都有显著的提升。微型电容器可制作成传统三明治结构的薄膜电极、核壳结构的纤维状电极或者平面叉指电极结构。将这种新的能量存储器件作为独立的供电电源与微机械系统集成具有广阔应用前景。

其中，平面电极阵列的设计，比传统三明治结构和纤维状结构，性能更为优越。首先，由于电极叉指阵列之间的微小的间隙，且去除了隔膜，在电极内部，电解液中离子传输阻力会显著降低，且会获得高频响应，从而提升其功率密度，这对于未来的微型化便携式电子器件来说至关重要。其次，平面电极可通过光刻工艺制作微米级电极结构，微缩化电极阵列，且控制精度高，再通过活性材料的引入，电极表面积和电容性能可进一步提升；最后，平面电极结构使微型电容器更易与IC芯片集成。

为了提升微型电容器的整体储能特性，3D结构目前是一种有效的手段，基于平面电极的优势，3D结构利用纵向高度的延伸，在同一占比面积内可以在结构侧壁负载更多活性材料，增加微型电容器的能量存储能力。当前文献报道的3D梳齿结构，材料堆叠生长后，厚度在几百纳米至几微米，活性材料的表面积和负载质量有限，导致电容存储和比能量密度不足以满足需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于MEMS 技术的3D体硅微型电容器、其制作及应用，其通过在硅基衬底表面通过深刻蚀获得具有水平表面和纵向侧壁的电极衬底，在该电极结构衬底的水平表面和纵向侧壁的表面依次包覆碳基导电材料和活性材料，涂覆电解质后封装，获得3D体硅微型电容器，由此解决现有的3D体微型电容器器件的整体储能容量有限的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种3D体硅微型电容器的制作方法，包括如下步骤：

(1)在硅基衬底表面通过光刻工艺制作阵列图形，根据该阵列图形进行刻蚀，刻蚀穿透衬底，得到镂空的3D体硅电极；

(2)对步骤(1)获得的3D体硅电极进行亲水处理，使得所述电极表面具有亲水性，得到具有亲水性的3D体硅电极；

(3)对步骤(2)得到的3D体硅电极中用于电气连接的框架部分进行掩膜，对非掩膜部分的电极表面进行碳基导电层的包覆，得到包覆有碳基导电层的3D碳硅复合电极；

(4)在步骤(3)获得的包覆有碳基导电层的3D碳硅复合电极的电极表面包覆活性材料，得到包覆有活性材料的3D碳硅复合电极；