基于SU-8光刻胶的三维微电极制备方法

摘要

本发明涉及微机电系统（Micro Electro Mechanical System MEMS）技术领域，具体为基于SU-8光刻胶的三维微电极制备方法，具体为：首先运用掺杂法在SU-8光刻胶中掺杂纳米级的氯化铁颗粒，然后在硅基底刻蚀“口窄内宽”的凹槽结构，将已掺杂的SU-8光刻胶均匀旋涂在刻有凹槽结构的硅片基底上，通过斜光刻微加工技术制备SU-8光刻胶三维微电极阵列，将此电极阵列放入炭化装置中炭化，形成SU-8碳纳米管，然后在SU-8碳纳米管上沉积石墨烯，形成SU-8碳纳米管电极，最后在所制备的SU-8碳纳米管电极间填充液体或胶体电解质。本发明利用掺杂法控制调节SU-8碳纳米管的孔径大小，并结合斜光刻技术有效的增大了三维碳纳米管电极的比表面积，相比传统的电容器电极结构大大提高了超电容的能量密度和功率密度。

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统（Micro Electro Mechanical System, MEMS）技术领域，具体为基于SU-8光刻胶的三维微电极制备方法。

背景技术

随着信息技术的进步，高端电子设备朝小型化、便携式、长寿命方向发展，要求电子设备中的电容器容量大、功率密度高、体积小，然而目前为设备供能的微型发电机存在不能持续供能且功率较低的缺陷，而传统的微型电池则存在充放电效率低、循环次数有限、不具备大功率充放电能力且安全性较差等缺点。因此，迫切需要发展一种体积小、效率高、能量密度和功率密度大、使用寿命长的超级电容器。

作为一种新型储能装置，超级电容器具有输出功率高、充电时间短、使用寿命长、工作温度范围宽、安全且无污染等优点，有望成为本世纪新型的绿色电源。传统的超级电容器体积较大，不能适应微型设备对于储能器件体积较小的要求。利用MEMS技术制备的微型超级电容器可实现器件的微型化、智能化和集成化，大大提高了器件储能密度，可广泛应用于消费电子、工业电子和电子通信等领域，应用领域广泛，市场前景乐观。

电极材料是超级电容器的关键所在，它直接决定了电容器的主要性能指标，如能量密度、功率密度和循环稳定性等。因此，制备高性能微电极是研制微型超级电容器的关键，对于设备微型化具有十分重要的意义。对超级电容而言，其主要技术瓶颈为电极能量密度低，比表面积小。

发明内容

本发明为了解决现有超级电容器电极比表面积小的问题，提供了基于SU-8光刻胶的三维微电极制备方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：基于SU-8光刻胶的三维微电极制备方法，包括以下步骤：

在SU-8光刻胶中掺杂纳米级的氯化铁颗粒；

选取硅片作为基底，并将硅片基底进行标准清洗，然后在硅片基底上刻蚀“口窄内宽”的凹槽结构；

将掺杂后的SU-8光刻胶均匀旋涂在刻有凹槽结构的硅片基底上，然后将涂有SU-8光刻胶的硅片基底倾斜固定，对固定好的硅片基底上的光刻胶先进行第一次曝光，然后将硅片基底在其所在平面内旋转180°，进行第二次曝光，再显影、去胶形成“X”型SU-8三维微电极阵列；

SU-8三维微电极阵列放入炭化装置中炭化形成SU-8碳纳米管；

在SU-8碳纳米管上沉积石墨烯或炭黑，形成SU-8碳纳米管电极；

在SU-8碳纳米管电极间填充电解质，形成基于SU-8光刻胶孔径可调的三维微电极。

上述的基于SU-8光刻胶的三维微电极制备方法，用于掺杂的氯化铁颗粒粒径大于2nm小于50nm，通过控制氯化铁颗粒直径来控制多孔碳的孔径大小，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比电容和比功率。

上述的基于SU-8光刻胶的三维微电极制备方法，光刻胶旋涂时采用分次甩胶，最终胶层厚度为500μm，目的是能制备出具有深宽比更高的结构，但由于SU-8胶比较粘稠，在低转速下难以实现很厚的胶层，所以采用多次甩胶工艺达到较高厚度。

上述的基于SU-8光刻胶的三维微电极制备方法，炭化时温度随时间逐渐增加，最高炭化温度为1000℃，炭化气流环境为95%N₂和5%H₂。升温到1000℃时，SU-8胶才能被完全碳化，逐步升温是因为在不同温度下SU-8炭化产物不同，也是为了充分炭化，通入气体是为了保护在炭化过程中氧化影响，为了使炭化更稳定。

上述的基于SU-8光刻胶的三维微电极制备方法，填充电解质可以是液体电解质，也可以为胶体电解质。电解质为超级电容器充放电提供带正负电荷的离子，是超级电容器的重要组成部分之一，电解质的形态和成分直接决定超级电容器封装的难易程度。从电解质形态来分，电解质有固体电解质、液态电解质和胶体电解质之分。固体电解质具有封装简便，可靠性好，无电解液漏液等优点，但目前固体电解质的离子电导率太小，在超级电容器中不适用；液态电解质具有容易制备、成本较低，电导率较高，性能较好等特点，是目前使用最广泛的电解质；胶体电解质具有固体电解质的优点的同时，其电导率较高。对于微型超级电容器，使用胶体电解质和液体电解质是一个较好的选择。

本发明首先采用掺杂法来有效控制孔径大小，SU-8光刻胶炭化后孔径能够达到超级电容器可以充分利用的介孔孔径大小，从而提高了微电极的比表面积，其次电极采用斜光刻加工技术，制备出深宽比大的三维微电极阵列，相比传统的二维电极结构进一步提高了电极的比表面积，基于此电极的超级电容器的性能得到很好的改善，且本三维微电极制备方法简单，便于大量生产。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为SU-8光刻胶斜光刻示意图。

图3为硅片基底上凹槽结构的加工流程图。

图中：1-掩膜板，2-SU-8光刻胶，3-硅片基底。

具体实施方式

本发明基于SU-8光刻胶的三维微电极制备方法流程如图1所示，制造步骤如下：

将氯化铁研磨成粒径大于2nm小于50nm的颗粒，然后与SU-8光刻胶混合搅拌均匀，之后对于氯化铁在炭化步骤中用高温升华的方式去除，有效控制孔径；

选取2寸硅片为基底，硅片基底依次在丙酮、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，将硅片基底标准清洗后，如图3所示，在硅片基底刻蚀“口窄内宽”的凹槽结构，防止炭化后得到的SU-8碳纳米管从硅片基底脱落；

将掺杂的SU-8光刻胶分次低速甩胶到刻有凹槽结构的硅片基底上，得到厚度为500um的胶层，然后将硅片基底固定在底座托盘上，底座角度为15°，对固定好的硅片基底上的SU-8光刻胶先进行第一次曝光，然后将硅片基底在其所在平面内旋转180°，进行第二次曝光，再显影、去胶形成“X”型SU-8三维微电极阵列；

将SU-8三维微电极阵列在95%N₂和5%H₂气流环境下，合理控制流速（炭化炉中气流的速率控制为2L/min），在炭化炉中进行高温炭化，得到具有大量介孔的SU-8碳纳米管，最高炭化温度为1000℃；

在形成的SU-8碳纳米管上沉积石墨烯或炭黑，形成SU-8碳纳米管电极；

在形成的SU-8碳纳米管电极间填充液体或胶体电解质，形成基于SU-8光刻胶孔径可调的三维微电极。