基于MEMS技术的三维氧化钌微电极准电容特性_文春明

1实验
1.1 三维微电极结构的制备 三维微电极结构的制备过程如图2所示. ①将单
面 抛 光 硅 片N （100 ） 进 行 标 准 清 洗 ， 以 清 除 硅 片 表 面 黏 附的杂质； 将硅片进行热氧化形成二氧化硅绝缘层 （图2（a））；②将已氧化的硅片 放 置 于 涂 胶 台 上 ，设 定 转 速 和 时 间 ，滴SU-8 光 刻 胶 于 硅 片 上 ， 旋 涂 SU-8 胶 （ 图 2（b））；③将 已 涂 胶 的 硅 片 转 移 到 烘 胶 台 上 进 行 前 烘 ， 加热至65 ℃， 保持12 min； 再升温至95 ℃， 保持35 min，去 除 胶 中 溶 剂 ，使 胶 不 再 具 有 流 动 性 ， 关 闭 电 源 ， 冷却至室温取出； ④将已进行 前 烘 的SU-8胶 转 移 到 MA6曝光机，仔细 调 整SU-8胶 与 掩 模 版 的 距 离 ，使 之 紧密接触后曝光，曝光时间为65 s（图2（c））；⑤用烘胶 台进行后烘，促使已曝光的SU-8胶产生交联 ，加 热 至 65 ℃，保持8 min；再升温至95 ℃，保持25 min，关闭电 源，冷却至室温取出；⑥将硅片置于SU-8胶 专 用 显 影 液 中 ， 轻 轻 晃 动 ， 使 显 影 液 与 SU-8 胶 充 分 接 触 ， 溶 解 并 带 走 未 曝 光 的SU-8 光 刻 胶 ，显 影 时 间 为 25 min （ 图 2 （d））；⑦最后用烘箱对SU-8胶 进 行 坚 膜 ，去 除 胶 中 残 余的溶剂和水分子等；⑧在溅射厚度120 nm作为集流 体的金（图2（f））之前，先溅射一层厚度为40 nm钛钨合 金 作 为 中 间 层 （ 图 2 （e））， 以 增 强 集 流 体 与 SU-8 胶 结 构 的结合力. 1.2 电极功能膜的制备
（1. Key Laboratory of Fundamental Science on Micro/Nano-Device and System Technology， Chongqing University， Chongqing 400030， China； 2. National Center for International Research of Micro/Nano-System and New Material
图 1 三维微电极结构示意 Fig. 1 Schematic of 3D microelectrode structure
Pech等 ［10］研 究 了 用 喷 墨 打 印 的 方 法 制 作 碳 电 极 微型超级电容器，制作的电极长度为400 μm，宽为40 μm，间距为40 μm，但高度不足2 μm，深宽比很小，其 电 极 比 容 量 在1 mV/s的 扫 描 速 率 下 为2.1 mF/cm2. 其 后Pech等 ［11］又 以 硅 为 基 底 ，用1 800 ℃退 火 后 的 纳 米 金刚石粉末进行电沉积制备电容器，在100 V/s的扫描 速率下得到0.9 mF/cm2的比容量. Miller等 研 ［12］ 究了用 MEMS技术制作超级电容器， 但电容器的电极为二维 结构，面积较小，容量较低，在1 mA/cm2的放电密度下 其 比 容 量 为 53 mF/cm2. 2010 年 Jiang 等 ［13］在 高 约 150 μm 的 碳 电 极 上 电 沉 积 电 活 性 物 质 Ni 形 成 Ni （OH）2， 利 用 真 空 助 压 和 去 离 子 水 帮 助 Ni 进 入 碳 电 极 内 部 ， 提 高 电极活性物质的搭载量，从而使电容器性能有了较大 的提高，得到26.7 mF/cm2的比容量. Sun等 进 ［14］ 行了电
Abstract： To enhance the charge storage capacity of the electrode in unit floor area， high aspect ratio three-dimensional microelectrode structures were prepared by MEMS technology to increase the electrode surface area， and functional membranes were fabricated on the structures. The three-dimensional microelectrode structures were made by SU-8 photoresist on the silicon wafer， and gold was sputtered on the structure as a current collector. Ruthenium oxide as electroactive material was electroplated on the three-dimensional microelectrode structure surface with the square pulse electro-deposition method in two-electrode system. The microelectrode surface morphology and composition were characterized by scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy. Electrochemical properties of microelectrode were tested by cyclic voltammetry. It is found that the specific capacitance of the three-dimensional microelectrode is 0.79 F/cm2. Keywords： MEMS； three-dimensional microelectrode； ruthenium oxide； SU-8 photoresist； super capacitor
收稿日期： 2012-05-02. 作者简介： 文春明（1969— ），男，副教授. 通讯作者： 文春明，cquwcm@.
2013 年 1 月
文春明等：基于 MEMS 技术的三维氧化钌微电极准电容特性
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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，要求电子器件中的电容器 容量大、 功率密度高、 体积小. 传统的电容器因体积 大、容量小等原因，不能满足高端电子设备的要求.超 级电容器具有充放电速度快、效率高、功率密度高等 优点 ， ［1-4］ 但其体积较大，因而研制体积 较 小 的 微 型 超 级电容器， 特别是用MEMS技术制备微型超级电容器 逐渐受到重视 . 5-7］ 超级电容器的电荷储存能力主要取 决于电极上搭载的活性物质的量和电极结构表面积 的 大 小 ［8］，因 此 在 制 作 电 容 器 过 程 中 ，如 能 增 大 电 极 结 构表面积， 将会有效增加电容器的电容量. 将电极结 构 制 作 成 如 图 1 所 示 的 形 状 ， 则 其 表 面 积 增 加 1+a 倍 （a 为微结构深宽比）［9］， 因此增加电极结构的深宽比，将 直接增加电极结构的表面积. 法拉弟赝电容的电荷储 存量与电极活性物质的量成正比， 活性物质越多，则 电容量越大. 活性物质呈薄膜状态时其电容性能最 佳，因薄膜的厚度有限，所以单位底面积上的活性物 质数量有限，若将电极结构制备成三维形状，则在相 同的底面积上增大了电极结构表面积，能在结构表面 搭载更多的活性物质，从而增大单位底面积的比电容. 同时表面积的增大也有助于增大双电层电容的容量.
第 11 卷 第 1 期 2013 年 1 月
纳米技术与精密工程 Nanotechnology and Precision Engineering
Vol. 11 No. 1 Jan. 2013
基于MEMS技术的三维氧化钌微电极准电容特性
文春明1，2，3， 温志渝1，2，3， 尤 政4， 王晓峰4
（1．重庆大学新型微纳器件与系统技术国家重点学科实验室，重庆 400030； 2．重庆大学国家级微纳系统与新材料技术国际研发中心，重庆 400030； 3．重庆大学微系统中心，重庆 400030； 4．清华大学精密仪器与机械学系，北京 100084）
镀PPY制备三维电极工作，电容器在20 mV/s扫描速度 下得到的比容量为0.128 F/cm2. 氧化钌具有优良的赝 电容性能，Zheng和Jow［15］制备的氧化钌具有760 F/g的 比容量，是一种较好的超级电容器电极材料，而且可 以用电化学的方法沉积在不同的基体上. 目前对氧化 钌的研究多集中在材料特性上 ， ［16］ 直接将其制备成电 极的研究较少.
摘 要：为增强电极在单位底面积上的电荷储存能力，设计利用MEMS技术制作高深宽比三维微电极结构，以增大电
极结构表面积，并在结构表面制作功能膜形成电极.以硅为基底，SU-8光刻胶为材 料 制 作 了 三 维 微 电 极 结 构 ，在 结 构
表面溅射金作为集流体，用两电极体系进行方波脉冲电沉积，在三维微电极结构表面沉积氧化钌作为活性物质，制
文 章 编 号 ：1672-6030（2013）01-0074-05
Pseudo-Capacitive Behavior of Three-Dimensional Ruthenium Oxide Microelectrode Prepared by MEMS Technology
Wen Chunming1，2，3， Wen Zhiyu1，2，3， You Zheng4， Wang Xiaofeng4
备了三维微电极.用扫描电镜和能谱对微电极表面形貌和物质组成进行表征，用循环伏安法等对微电极的电化学特
性进行测试，三维微电极的比容量达0.79 F/cm2.
关 键 词 ：MEMS；三 维 微 电 极 ；氧 化 钌 ；SU-8光 刻 胶 ；超 级 电 容 器