C-MEMS制备硅基超级电容器三维微电极阵列关键问题研究

For the energy storage requirement of WSN, the aim of this project is to fabricate three-dimensional microelectrodes with C-MEMS technology and study the critical issues during fabricating processes for MEMS supercapacitors. Firstly, we will establish a finite element model of the micro arrays to determine the best structural parameters, and then we will built a strain change model to determine the best parameters during inclined UV photolithograph to fabricate the three-dimensional SU-8 microstructures, which will be used to fabricate the three- dimensional micro arrays by the technology of carbonization, meanwhile, doping and activation processes will be performed to optimize the aperture for increasing the specific surface area of the micro electrodes. Furthermore, silicon substrate will etched to increase the adhesion between the substrate and microarrays. Finally, the gel polymer electrolytic will be used to form a all solid-sate MEMS supercapacitor with the help of anodic bonding and vacuum priming technology.

针对无线传感网络节点对储能单元的要求，本项目拟从C-MEMS制备硅基超级电容器三维微电极出发，通过建立三维微电极阵列的电场有限元模型，确定最佳三维微电极阵列结构参数；建立应力演变模型，确定最佳斜光刻条件制备高深宽比三维微结构阵列；探究碳化过程中孔隙产生机理和孔径分布规律，确定最佳碳化条件制备三维微电极；探究掺杂和活化对孔径的调控机理，确定最佳掺杂和活化条件增加微电极有效比表面积，最终实现高性能MEMS超级电容器。

针对无线传感网络节点对储能单元的要求，本项目本论文从碳化SU-8光刻胶薄膜制备多孔碳材料出发，探究合适的碳化温度和时间，同时通过掺杂、活化的方式对电极材料的电化学性能进行改进，并设计了一种具有高比表面积的三维结构。重点研究内容如下：.（1）采用一种新型的方法制备薄膜多孔碳，利用SU-8光刻胶为前驱体，当最高温度不同时，碳化制备出多孔碳材料，通过电容量、各项阻抗、循环性能等各种电化学因素综合考虑选定相对适宜的碳化温度及时间。为后续SU-8光刻胶作为前驱体制备芯片级超级电容器的工作奠定基础。.（2）借鉴上述所得结论及基本制备方法，在此基础上改善电极材料自身特性，碳化掺杂柠檬酸镁的SU-8光刻胶制备微电极。该材料同样选取SU-8胶为前驱体，在SU-8光刻胶中物理掺入不同量的柠檬酸镁粉末，利用热解柠檬酸镁产生的气体以及销碳反应在电极材料表面产生更加丰富的孔隙结构，增大电极材料比表面积，从而提高其电容量，同时网状孔隙结构能易于电解液离子传输，减小了电荷转移电阻。随后，对于掺有柠檬酸镁的光刻胶进行基本的光刻处理，发现对于制备较大尺寸的电极结构而言，这种改进工艺对光刻基本不会产生影响。.（3）为了进一步提高碳化基于SU-8胶电极材料的电容特性，依照上述方法制备的电极材料存在一些不能被利用的微孔，我们通过氢氧化钾( KOH )作为活化物质，在氮气氛围中高温碳化，探究KOH掺入的最佳比例，将自制碳的孔径大小调控至最适宜带电离子的传输。最后采用掺杂30mg/ml柠檬酸镁的SU-8光刻胶为前驱体，质量比为1:2的KOH活化，在不同层面提升了该材料的电化学活性。.（4）上述实验探究制备出了高性能的电极材料，我们又从电极结构着手，目标通过提升比表面积增加电极的能量密度。文中提出采用改进的光刻工艺，180°对该光刻胶进行曝光，形成累积式的叉状阵列，为了制备稳定的“X”型片上结构，首先通过建模计算研究最为适宜的结构形态，并通过不断探索找到理想的工艺参数，解决在光刻工艺中遇到图案倒塌扭转变形、叉型结构孔洞堵塞等问题。