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　　微型核电池的研究 郭航 (厦门大学萨本栋微机电研究中心，厦门福建361005) HuiLi，AmitLal (SonicMEMS 14850．USA) Laboratory，CornellUniversity．Ithaca．NY Blanchard James of of Wisconsin-Madison，Madison，WI (DepartmentEngineeringPhysics，University 53706，USA) 摘要t目前国内外正在研究的各种微型能源产生技术中，利用从放射性同位素中发射出的带电粒子的动能转 换成电能的微型核电池在许多领域具有应用前景。本文作者评述了以往开发的应用于微机电系统和纳 米器件的微型同位素电池。包括Beta型放射性同位素微型核电池与直接电流收集型同位素核电池两 种类型。这两种类型的核电池都使用镍-63放射性同位素：此外．本文还给出了使用钷．147同位素作 为Beta型放射性同位素微型核电池的最新结果． 关键字：微型核电池，微型Beta放射性同位素电池，镍-63，钷．147． L前言 微机电系统和纳米技术的研究在过去20年取得了巨大的进展，研究者们开发了各种类型的微米和纳米 尺度的器件。然而，能量供给装置很难微小型化到相应尺度。传统的电池或能量供给装置仍然用于微米和纳 米器件，这导致了整个系统体积增大、频繁充电或电池单元组布置的困难。因此，研究者们自20世纪90年 代起开始将目光转向开发各种微型电池的技术上。其中，基于涡轮燃烧的微型能量产生装置和微型燃料电池 的目标是将机械能、热能和化学能转化成电能。这些技术都需要外部的微流体结构和外部能源驱动发动机并 供给燃料到工作腔中，或者促成化学反应实现能量转换。微型锂电池也在研究当中，但是这类电池目前能量 密度低，寿命短。目前研究热点之一的还有微型太阳能电池阵列，其缺点在于需要光作为原始能源。 放射能可以在工业、农业和医疗服务等许多不同的领域可以得到应用．能量产生是其最重要的应用领域． 这是因为核能在许多场合都是比常规能量产生形式更高效的能量产生方法。1999年美国威斯康星大学麦迪逊 分校的包括笔者在内的研究者在美国能源部的资助下在国际上首先提出了结合微机电系统(MEMS)技术和孩 能科学与技术，开展微型核电池(或称放射性同位素电池)的研究，随后在美国国防部的资助下，继续在美 国康乃尔大学开展工作【1．2】。最近，包括厦门大学萨本栋微机电研究中心在内的国内外许多研究小组也开始 致力于这项研究当中。与其他技术相比，微型核电池在许多领域具有应用前景，特别是在需要长期时间功能 的应用场合，如植入式生物医疗微器件与用于环境监测的微型传感器或传感器网络。放射性同位素的能量密 度比化石或化学燃料的能量密度高102．104，并且若选择合适的放射性同位素，可以实现长寿命的微型核电池。 本文中，我们将评述以往开发的应用于微机电系统和纳米器件的微型核同位素电池并给出最新进展。 Ⅱ．用于微型电池的放射性同位素 放射性同位素的选择是实现微型核电池的最重要的方面，主要是基于辐射类型，安全性、能量、相对比放 射性、价格和半衰期。使用放射性同位素最重要的考虑因素始终是安全性。Gamma射线具有很强的穿透能 力，需要相当大的外部屏蔽装置以减小放射剂量比。Alpha粒子可以用于在半导体产生电子．空穴对，但是它 们会引起严重的晶格缺陷。纯的Beta射线发生器是微型核电池的最佳选择。表l给出了我们研究中考虑用 的200—250KeY阈值能量。另一方面，最高运动能量67keV的电子无法穿透人类皮肤的外层，这保证了操 作者的安全。 Ⅲ．Beta型微型电池 动．从而形成电势差。如图l所示，当EHPs扩散进入半导体pn结的耗尽区，在pn结内建电场的作用下， 实现对电子．空穴对的分离．即电子向n区，空穴向P区运动，产生电流输出。 虽然辐生伏打效应与光生伏打效应类似，微型核电池的开发比太阳能电池的开发要困难得多。主要r‘司 104倍。对于微电池而言．由于使用 在于核电池中的电子通量密度比太阳能电池亩的光子通量密度要低102 了非常低放射强度的同位素，电子通量密度i￡会降低。从Beta放射性同位素放射出米的电子的能量井布通 芦B有很宽的频谱范围。带有不同能量的电子会停留在半导体仃n结嚣件不同深度的位置。因此r产生的EHPs 。土间分布是不同的。为了获得更高的能量输出，需要对pn结器件进行优化设计，并采取微制造工艺选到 尽可能将EHPs收集到耗尽层的目的。 表l用于微型核电池的纯Beta放射源 每单位钉放射强度 平均能量 放射性同位素 半衰期f年) (亳居，微克) (KeV) 镶。63 17．4 氚．3 57 钷-147 铅一90 氪一85 钉一106 钙45 硫一35 图2基于平面硅基口n结器件的Beta型微型核电池a) 样品封装后的照片b)封装的微型电池的示意图 一个具有负载R1．的Beta型微型棱电池电路模型的I-V曲线可以表示为 一，咄Ied甜1] m 开路电压V。与短路电流Is和最大输出能量P一的关系表示为 k=等n【n鲁】 ㈣ 式中l。为放射性嘲位素牟生的电流L，为pn维器件的漏电流。实阿：帕八射电流受到当放射线^射到pn结器 忡表面产生的反射电子和二次电子引起损耗的蟛响。 由建立的电路模型，我们可以看出璺求电池的漏电流很小，从而使得v。较大。对F光伏电池和高能Beta 有最小能量输出。 我们己制作并测试了两种类型的Beta型微型棱电池。第一种类型是表面电镀镍-63的平面硅基肌结器 应用体硅微加工工艺增加pn结的表面积。利用体硅微加工工艺，我们制造了带有倒金字塔形阵列作为液志 。柏iCI／HCI溶液贮存池的pa结器件。以往相同的结构被用于光伏电池。面积放大的园数为I85。利用吸液 管将放射性溶液放入口n结器件的表面，燕柱后，只有”NiCI存留在器件的表面。图3给出了微器件的SEM 32nW。 度为lmCi的125山。短路电流为286hA．开路电压为128raV，最大输出能量为O 一 圈3基于体硅加工的倒金字塔硅基pn结器件的Beta型 微型核电池(a)完整器件(b)倾斜一定角度的倒金宇塔 结构(c)倒金字塔结构的俯视图(d)储存在倒金宇塔结 构中的液态％ICl／BCl溶液 Iv自主拄复式悬臂莱 传统棱电池的一种工作方式是利用电容器收集辐射电荷。在我们的研究中，弹性变形的铜悬臂粱放于距 离镍石3放射源一段间隔的位置，当悬臂粱憧集了来自放射源的带电荷粒子后．镍石3剩余负电荷。因此．产 生了静电力，将悬臂粱吸引向放射源：当悬臂粱接触到放射源，悬臂粱放电从而回到初始位置，再次进行下 一循环周期的电荷收集。因此．实现了自主往复式悬臂粱．或称直接收集型电荷运动转换装置。 图4给出了自主往复式悬臂粱的等效电路。使用一个电流源模拟放射性同位素源，悬臂粱与放射源之间 的间隙表示成时变电容器。寄生电阻用于表示收集电荷的泄漏通道。电荷转换导致 t， j，I，、 a／一{自÷l{lPG电子官方网=0 (3) 式中I为来自放射性同位素的全放射电流，A为电容器的面积．R为等效阻抗．v为放射源与悬臂集之间的电 压．t为时间．d为电极问的距离，D为表示被悬臂粱收集的部分全放射电流的经验系数。 ， 图4．自主往复式悬臂梁的等效电路 通过求解方程，我们可以得到悬臂梁往复的周期为 T=(√do—p)okA／a：／ (4) 式中d0为悬臂梁与放射性同位素源之间的初始距离，∥为综合常数。距离与往复时间的数据用于得出口和 ∥。参数K’AJ由材料特性和器件的尺寸决定。由此模型得到距离轮廓与数据相符。贮存在悬臂梁上的能量 和悬臂梁与辐射源之间的电压为：最大机械能量为0．15rd，最大的电子能量为37．5pJ。悬臂梁与辐射源之间 的最大电压为1．1V。 V．应用钷．147放射性同位素的Beta型微型电池 事实上，大多数微机电和纳米器件，与低耗能电子器件，所消耗的能量在毫瓦范围内。为了增加微型核 电池的能量输出，如果允许，应该选择高能量放射器具有更高的放射强度。虽然钷放射性同位素的半衰期只 们设计并制作了应用钷．147放射性同位素作为原始能源的Beta型微型电池。作为电池的平面pn结器件的面 出能量为5．7laW。下一步的工作是应用堆叠或芯片阵列连接的方法提高微型电池的输出电压。 0．00￡-00 町015 0． 0 O 5 O ’0 0：5／“ ．5．00E瑚 ．， ·：00E·仿 Pm．147 ／ S一：．50E05 ／ 一。 ， ；-2．00E嗡 S102 ／ ．三一：．疆嗡 ／ 一3．ooE—05 ^-．。 ·●一 —3．50￡嗡 ·．1．∞E—畸 v01．Me(V) 图5．应ffJ钷-147放射性同位素的Beta型微型核电池所测得的I—V线 Ⅵ．结论 本文介绍了两种应用于微机电系统和纳米器件的微型核电池．并给出了利用钷．147放射性同位素实现输 出能量达到毫瓦量级的Beta型微型核电池。 致谢z本论文得到了2007年教育部“新世纪优秀人才支持计划”的资助。 947 参考文献： 1．H．Guo．and A．Lai．Proc．ofTransducers’03．2003．p．36 2．H．Li．A．Lal．et 122 e1．J．App．Phys．Voi．93．2002．P．I 论文作者简介： 郭航，1967年生．厦门大学萨本栋微机电研究中心教授，研究创新部主任，主持多项国家863项目，国家自 领域的应用与制造以及纳米技术。 ResearchonNuclearMicrobatteries HangGUO Research 36 SahMEMS Center。XiamenUniversity，Xiamen，Fujian1005．P．R．China) (Pen-Tung HuiLi．AI／litLal (SonicMEMS 14850，USA) Laboratory．ComellUniversity，Ithaca，NY JamesBlanchard of of Wisconsin·Madison．Madison．WI53706．USA) EngineeringPhysics．University (Department thevarious formicro

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