MEMS用新型微型超级电容器的制造及性能分析

采用微加工工艺为MEMS制作了一种基于电化学赝电容原理储能的微型能量存储器件——新型微型超级电容器.通过光刻、感应耦合等离子体刻蚀和溅射等MEMS微加工工艺制作了硅基3D微电极阵列,并在其表面用阴极电沉积法制备了氧化钌功能薄膜.采用循环伏安法和交流阻抗法研究了3D微电极的性能,系统比较了3D微电极与平面微电极的电化学性能,测试结果表明3D微电极的比电容达1.57F· cm-2.基于三维微电极阵列阳极和钌钛金属氧化物阴极组装了微型超级电容器,恒流充放电测试结果表明该电容器的比容量达0.73F·cm-2,比功率达0.50mW·cm-2,比能量达0.36J·cm-2.     

基于MEMS技术的三维氧化钌微电极准电容特性

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.     

基于聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容的性能研究

MEMS微电容具有高比容量、高储能密度和抗高过载等特点,在微电源系统、引信系统以及物联网等技术领域具有广泛的应用前景。设计制作了一种三维结构的聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容。该微电容由三维结构集流体、功能薄膜、凝胶电解质和BCB封装构成,其三维结构集流体是基于RIE刻蚀等微加工工艺加工实现的,而功能薄膜是通过电化学沉积工艺在集流体表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯制备而成的,具有阻抗低、容量高、循环性能好的优点。电极的结构表征表明,聚吡咯中充分掺杂了氧化石墨烯,功能材料微观结构规整。器件电化学测试结果表明,放电电流为3mA时,MEMS微电容具有30μF的电容值,比容量达到7mF/cm2,在4000次充放电循环后,器件比容量仍保持在90%,电容量无明显衰减,具有稳定的电容性能和良好的循环性能。     

基于聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容的性能研究

MEMS微电容具有高比容量、高储能密度和抗高过载等特点,在微电源系统、引信系统以及物联网等技术领域具有广泛的应用前景。设计制作了一种三维结构的聚吡咯/氧化石墨烯电极的MEMS微电容。该微电容由三维结构集流体、功能薄膜、凝胶电解质和BCB封装构成,其三维结构集流体是基于RIE刻蚀等微加工工艺加工实现的,而功能薄膜是通过电化学沉积工艺在集流体表面沉积聚吡咯/氧化石墨烯制备而成的,具有阻抗低、容量高、循环性能好的优点。电极的结构表征表明,聚吡咯中充分掺杂了氧化石墨烯,功能材料微观结构规整。器件电化学测试结果表明,放电电流为3mA时,MEMS微电容具有30μF的电容值,比容量达到7mF/cm2,在4000次充放电循环后,器件比容量仍保持在90%,电容量无明显衰减,具有稳定的电容性能和良好的循环性能。     

三维微柱阵列电极的电化学性能(英文)

随着MEMS技术的发展,对微纳尺寸器件的需求日益凸显,微能源的研究变得尤为重要,而微型超级电容器则是其中一种基于电化学电容实现储能的微型能量存储器件.设计了一种基于氧化钌功能薄膜的三维微柱阵列电极,并进行了相关的扫描电镜(SEM)、循环伏安(CV)和交流阻抗谱(EIS)测试.测试表明在2 mm×2 mm的硅片上,直径为50μm、高为100μm的三维微柱阵列电极的比电容为2.43 F/cm2,具有良好的电化学性能.与同容量的二维平面电极相比,基于三维结构的微型超级电容器具有明显的小尺寸优势.     

MEMS超级电容器用聚吡咯/炭材料复合膜电极的制备及其性能

采用电化学沉积工艺,在MEMS超级电容器的三维结构集流体上制备出聚吡咯(PPy)、聚吡咯/碳纳米管(PPy/CNT)、聚吡咯/石墨烯(PPy/GR)三种类型的膜电极。采用SEM对三种膜电极进行形貌观察,采用循环伏安、交流阻抗、恒电流充放电和循环充放电研究三种膜电极的电化学电容性能。结果表明,复合电极的微观结构稳定,复合薄膜和集流体之间的结合力大;基于三种膜电极的MEMS超级电容器电容量依次增大,阻抗依次减小,放电电流为1 mA时,比电容分别达到7.0、8.0、8.3 mF/cm2,经过5 000次恒流充放电循环后,电容器的比电容分别保持了原来的72.9%、85.0%和89.2%。在PPy电极中引入CNT或GR后,MEMS超级电容器的电化学和膜电极结构稳定性可得到明显改善。     

Design and fabrication of a RuO2 microelectrode-based micro-supercapacitor

基于感应耦合等离子刻蚀等工艺设计制作了一种具有双腔室结构的微型氧化钌超级电容器,在其腔室微结构中基于电化学沉积方法制备了氧化钌微电极功能薄膜.直流充放电测试结果表明,该微型超级电容器的比容量达到0.012F·cm-2,储能密度达到0.006J·cm-2.进行了氧化钌/碳纳米管复合功能,薄膜微电极的性能研究,阻抗谱测试与伏安测试曲线表明,与氧化钌微电极功能薄膜相比,氧化钌/碳纳米管复合功能薄膜阻抗显著降低,容量明显提高,基于该复合功能薄膜的微型超级电容器的储能密度等关键性能指标可得到显著提高.     

聚酰亚胺基活性炭的制备及其电化学性能的研究

通过炭化和进一步KOH化学活化的方法制备了聚酰亚胺基炭材料, 并将其用作双电层电容器电极材料. 采用DFT、XPS方法对其孔结构和表面化学性质进行了研究, 并通过恒流充放电等方法探讨了其电化学特性. 结果表明: 样品CPI的质量比电容是双电层电容和表面氮原子(尤其是N-5)所提供的赝电容共同作用的结果. 经活化后, 样品API比表面积达到1941m²/g, 主要形成0.7～2.0nm之间的微孔, 氮原子的影响可以忽略, 在50mA/g的放电电流密度下质量比电容达300F/g, 且电流密度达到1000mA/g时, 电容保持率仍为86.1%; 交流阻抗测试也表明样品API具有良好的双电层电容特性, 是一种新型的双电层电容器电极材料.     

基于碳纳米管-Fe_xO_y复合材料电极的电化学性能

本文主要研究以碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)-FexOy复合材料作为电极分别在水溶液和凝胶电解质中的电化学性能。采用化学气相沉积法制备CNTs薄膜,并利用超声雾化热解法于不同的沉积时间下制备FexOy与其复合制作成电极。对复合电极进行形貌表征及电化学性能检测,包括循环伏安、恒流充放电及交流阻抗测试。结果分析表明,电极的比电容随着沉积时间的增加而增加,且均高于纯CNTs电极,同时界面电荷传递电阻随之减小;然而随着沉积时间的继续增大,样品比电容和能量密度明显下降。沉积10min样品在凝胶电解质的循环伏安测试中比电容达到最大值102.8 F·g-1。     

炭载MnO2复合电极材料的制备与电容性能研究

采用真空浸溃、化学沉淀法制备活性炭(AC)载MnO2复合电极材料(MAC),利用XRD、SEM、EDS、恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等方法对所制备的复合材料进行物性表征和电化学电容性能测试.实验结果表明在AC颗粒表面沉积了γ-MnO2颗粒,所得MAC以200mA/g的电流密度充放电,首次放电比电容高达417F/g,循...     

基于MEMS技术的植入式柔性多触点平面电极阵列

为提高植入式电极阵列的分辨率,降低生物组织损伤,保证其在生物体内稳定工作,本文提出了一种基于聚对二甲苯(Parylene C)的柔性多触点平面电极阵列.该电极为Parylene C/Au/Parylene C 3层结构,共24个通道.电极采用标准MEMS工艺加工,触点分布精确,轮廓清晰,表面平整,粗糙度为23.8 nm.为评估电极的工作性能,采用磷酸缓冲液(PBS溶液)模拟生物组织液,对电极阵列进行了电化学阻抗测试及循环伏安测试.测试表明,电极在100 Hz与1 000 Hz的阻抗值约为400 kΩ与50 kΩ,满足记录电极对阻抗的要求,同时,不同通道之间具有良好的一致性.此外,对随机选取的一个通道进行的循环伏安法测试表明,电极在刺激模式下具有良好的可逆性,对组织无影响,该通道的电荷储存能力约为650μC/cm2,与文献报道电极相当.     

High‐Performance Graphene‐Fiber‐Based Neural Recording Microelectrodes

Fabrication of flexible and free‐standing graphene‐fiber‐ (GF‐) based microelectrode arrays with a thin platinum coating, acting as a current collector, results in a structure with low impedance, high surface area, and excellent electrochemical properties. This modification results in a strong synergistic effect between these two constituents leading to a robust and superior hybrid material with better performance than either graphene electrodes or Pt electrodes. The low impedance and porous structure of the GF results in an unrivalled charge injection capacity of 10.34 mC cm^?2 with the ability to record and detect neuronal activity. Furthermore, the thin Pt layer transfers the collected signals along the microelectrode efficiently. In vivo studies show that microelectrodes implanted in the rat cerebral cortex can detect neuronal activity with remarkably high signal‐to‐noise ratio (SNR) of 9.2 dB in an area as small as an individual neuron.     

超声辐照条件下HCl掺杂聚苯胺纳米棒的结构和性能

在超声辐照条件下,以HCl为掺杂剂、(NH4)2S2O8为氧化剂,通过溶液聚合得到了HCl掺杂聚苯胺(PA-NI)纳米棒.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、四电极电导率仪、热重分析(TGA)和电化学工作站对材料的结构与性能进行研究.研究结果表明,超声辐照条件下HCl掺杂PANI具有较高的掺杂程度和结构规整度,形成直径为50～65 nm左右的纳米棒状结构.与传统方法相比,超声辐照法所得材料的热稳定性在270～500℃有明显上升,室温电导率升至0.25 s/cm,并具有较好的电容行为和较高的电化学活性.     

用于电刺激的植入式铂黑微电极

传统的植入式电刺激微电极表面积小,电极／组织界面阻抗高,并且电荷存储容量（CSC）小,这些都会增加植入式系统的功耗并影响电刺激效果．提出了一种在电极点电镀铂黑的方法来增加微电极的有效面积（ESA）．通过在超声波浴下使用脉冲电流电镀的方法,可以极大地增加微电极的ESA,降低界面阻抗并增加CSC和电荷注入容量．铂黑微电极的几何特性和电学特性分别由扫描电子显微镜（SEM）和电化学分析仪测定,并与未镀铂黑的电极特性进行了对比,对铂黑镀层的机械稳定性也做了相应的测试．实验结果表明,铂黑镀层的纳米结构使铂黑电极相比普通铂电极界面阻抗降低了1／16,CSC扩大13倍．在5min的室温超声波衰减实验中,阴极电荷存储容量（CSCc）仅减小20％．     

09Cr2AlMoRE钢和N80油套管钢的CO2腐蚀电化学行为

利用交流阻抗技术对比研究了N80油套管钢和09Cr2AlMoRE钢（称新型合金）在饱和CO2的地层水中的腐蚀电化学行为,同时利用SEM观察了两种材料在1MPa,120℃腐蚀7d（天）所成膜的形貌。结果表明,N80钢的阳极电化学阻抗谱出现了高频的容抗弧、中低频的感抗弧和低频的容抗弧;而新型合金的阳极电化学阻抗谱只出现了高、低频容抗弧,感抗弧已很少了。对于阴极电化学阻抗谱,N80钢的阻抗谱只由一容抗弧组成,而新型合金则由高频容抗弧、中频Warburg阻抗和低频容抗弧共同组成。对两种材料阴、阳极过程中极化电阻的计算表明,新型合金阴、阳极过程中的极化电阻大于N80钢相应过程的极化电阻,表明新型合金能有效地抑制了CO2腐蚀。     

基于碳膜的柔性神经微电极阵列加工

为了实现长期安全有效的神经电刺激,避免电极腐蚀情况,提出了一种基于热解光刻胶形成碳膜作为导电材料的柔性视网膜神经微电极阵列．首先,通过高温热解图形化的光刻胶形成导电碳膜,然后利用光敏性聚酰亚胺（Durimide 7510）作为基底材料,通过光刻结合转膜、键合和牺牲层腐蚀技术,实现了具有柔性特征的碳膜神经微电极阵列．实验结果显示这种碳膜电极的电荷存储能力达到6．625mC／cm2．是金电极的12．4倍,显示了良好的电化学稳定性和电荷注入能力,有利于其长期植入和安全有效地工作,可应用于新一代人工视网膜系统的构建．     

基于Parylene的柔性生物微电极阵列的制作

在神经工程中,微电极阵列是神经系统与外界电子电路的接口,其性能决定了整个神经系统的信号采集和刺激的效果.提出了一种基于Parylene的半球形柔性生物微电极阵列.在微电极的制备过程中,使用了光刻胶热熔技术和MEMS技术.半球形形貌的微电极有利于形成和神经组织的良好接触,并且相比同底面积的平板电极,表面积增加为2倍,这有利于降低界面阻抗,降低系统功耗.使用化学气相沉积法沉积Parylene C薄膜作为微电极的封装材料,它具有良好的生物相容性和柔性,可以降低对神经组织的损害.实验结果表明,与此半球形微电极底面积大1.3倍的平板电极相比,半球形微电极的界面阻抗下降了55%,并且界面阻抗随着微电极顶部开口直径的变化而变化.使用Comsol有限元软件进行了电极/组织液液面流出电流密度仿真,仿真结果也表明,微电极的流出电流密度也随着微电极顶部开口直径的变化而变化,因此可以通过调整微电极顶部开口直径来调节电流密度,从而满足不同部位需要不同电流密度刺激的要求.     

Electrochemical characterization of parylene-embedded carbon nanotube nanoelectrode arrays

A novel parylene-embedded carbon nanotube nanoelectrode array is presented for use as an electrochemical detector working electrode material. The fabrication process is compatible with standard microfluidic and other MEMS processing without requiring chemical mechanical polishing. Electrochemical studies of the nanoelectrodes showed that they perform comparably to platinum. Electrochemical pretreatment for short periods of time was found to further improve performance as measured by cathodic and anodic peak separation of K(3)Fe(CN)(6). A lower detection limit below 0.1?μM was measured and with further fabrication improvements detection limits between 100?pM and 10?nM are possible. This makes the nanoelectrode arrays particularly suitable for trace electrochemical analysis.