[發明專利]一種三維微型傳感器用微納原電池的制備方法

有效

• 申請號: 202011042603.X
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112133884B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 倪增磊;高志廷;王艷紅
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: H01M4/08
• 分類號: H01M4/08;H01M4/04;H01M4/38;H01M4/42;H01M6/04;H01M6/00;H01M50/403;H01M50/431;C23C14/06;C23C14/35;C23C14/16
• 代理公司: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙) 41120
• 代理人: 李現艷

一種三維微型傳感器用微納原電池的制備方法，所述微納原電池包括金屬陽極層、絕緣層、陰極層、電解質通孔和陽極孔，其制備方法包括以下步驟：采用直流偏壓模式在硅體上生長制備出厚度為400~500μm的金屬陽極層；采用射頻模式在金屬陽極上制備厚度為200~1000nm的絕緣層；生長石墨陰極層，石墨厚度為2~3μm；在高濃度等離子刻蝕機上，使用Cl₂氣體為刻蝕氣體，在金屬陽極層上先刻蝕陽極孔，再刻蝕電解質通孔；劃片，切割；本發明通過將二維邊沿電池變成三維微納原電池，并采用陽極孔倒置方式，使得雨水等雜物脫離了陽極孔，從而將電池的使用性能提高50%。

技術領域

本發明涉及電池加工領域，更具體地說，涉及一種三維微型傳感器用微納原電池的制備方法。

背景技術

隨著5G技術的來臨，探測傳感器件應用越來越重要，生物微型傳感器、微納馬達也展現出來巨大的應用價值，它們的需求量也在上升。一大批采用二維薄膜電極結構的微電池相繼提出并進行了實踐應用，用來驅動微傳感器，但是薄膜容易老化，電流擊穿，因此，對微型傳感器驅動所需要的微型電源是一個亟待解決的問題。

二維微電池的一般構造可以簡化為3層膜層結構，陽極層、電解質層、金屬陽極層，可以使用膠粘方式制備成陽極層、電解質層、金屬陽極層3個膜層。這樣的結構造成以下幾個缺陷：一是膜層厚，二是容易起皮，三是厚薄不均一，四是采用上述工藝制備原電池，很難控制，使用同一個工藝制備出的原電池，性能差別很大，需要逐一檢測進行使用，且成品率在50%，因此存在人力資源耗費大、資源浪費、成本高的問題。

發明內容

有鑒于此，為解決上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種三維微型傳感器用微納原電池的制備方法，通過將二維邊沿電池變成三維微納原電池，并采用陽極孔倒置方式，使得雨水等雜物脫離了陽極孔，從而將電池的使用性能提高50%。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種三維微型傳感器用微納原電池的制備方法，所述微納原電池包括金屬陽極層、絕緣層、陰極層、電解質通孔和陽極孔，其制備方法是在硅基體上采用3靶共濺射方式鍍膜制備金屬陽極層、絕緣層、陰極層，再采用光刻、刻蝕工藝制備電解質通孔和陽極孔，具體包括以下步驟：

步驟一，對硅片進行清洗，選擇含量99.99%各種金屬靶材，采用直流偏壓模式在硅體上生長制備出厚度為400~500μm的金屬陽極層；

步驟二，采用射頻模式在金屬陽極上制備厚度為200~1000nm的絕緣層；

步驟三，生長石墨陰極層，石墨厚度為2~3μm；

步驟四，在高濃度等離子刻蝕機上，使用Cl₂氣體為刻蝕氣體，在金屬陽極層上先刻蝕陽極孔，再刻蝕電解質通孔；

步驟五，劃片，切割。

進一步的，步驟一中，金屬陽極層為Cu、Sn或者Zn中的一種，直流偏壓模式鍍膜參數為：腔體氣壓為0.5~1Pa，功率為200~300W，偏壓為50~100W。

進一步的，步驟二中，絕緣層采用SiO₂、SiN_X或者Al₂O₃中的一種，射頻模式鍍膜參數為：腔體氣壓為0.5~1Pa，功率為200~300W，氧氣或者氮氣與Ar流量比為1：8~1：10。

進一步的，步驟三中，鍍膜參數為：腔體氣壓為0.5~0.8Pa，功率為300~350W。

進一步的，步驟四中，Cl₂流量為40~60sccm，氣壓為0.5~2Pa，功率為50~100W，掩膜采用20μm厚度的不銹鋼金屬掩膜，掩膜板采用復合雙模板。

進一步的，步驟五中，切割參數為：刀轉速30000r/min，刀移動速度10mm/s，沖水流速2L/min。