本专利针对传统核能利用效率低、废热难以回收的问题，提出一种模块化微型核电源结构。通过将核电换能模块与热电换能模块集成，实现衰变能与废热的多级能量转换，提升整体能源利用率。模块化设计支持大规模生产与灵活装配，采用夹层结构优化热电转换路径，结合电源管理模块实现稳定供能，解决了核能利用效率与装置可扩展性之间的矛盾。

　　1.本发明属于核能及热能利用技术领域，涉及一种模块化微型核电源及其应用。

　　2.核电池是一种可以将储存在放射性同位素中的能量转化为电能的装置。核电池具有能量密度高，使用寿命长，抗干扰能力强，体积小，质量轻，易于微型化和集成化等优点，在极地，深海，荒漠，深空等领域有着巨大的应用前景。

　　3.按照核能的利用方式，核电池可分为以下两类：第一类是热电转换机制，即将放射性同位素衰变时释放的热量转换成电能；第二类是辐射粒子转换机制，即将放射性同位素的辐射粒子直接或间接地转换成电能。辐射伏特效应核电池利用放射性同位素衰变时放出的粒子轰击半导体材料，在材料内部产生大量电子空穴对，这些电子空穴对在半导体器件内建电场作用下定向移动，形成电流。

　　4.目前已经有了大量对辐射伏特效应核电池的研究，主要集中在换能单元的改进上，探索新结构，新材料对核电池输出性能的影响。但是对于核电池器件模块化设计以及核能的多级利用上，仍然存在巨大挑战。

　　5.本发明的目的就是为了提供一种模块化微型核电源、以及微型核电源装置。

　　7.本发明的技术方案之一提供了一种模块化微型核电源，包括放射性同位素层、对称布置在放射性同位素层两侧的两个核电换能模块、以及对称布置在两个核电换能模块外侧的两个热电换能模块。

　　8.进一步的，放射性同位素层的放射性源可以为镍-63，氪-85，锶-90或钷-147。另外，其厚度为2～50μm。

　　9.进一步的，所述的核电换能模块由依次设置的高阻衬底、下电极、核电换能单元和上电极组成，所述的上电极贴附所述放射性同位素层。

　　10.更进一步的，所述的核电换能单元为pn结、pin结或肖特基二极管。其材料可以为硅，砷化镓，碳化硅，氮化镓或金刚石，厚度为1～20μm。核电换能单元本身不涉及本发明的创新改进点。上电极和下电极的材料可以为金，银，铜或铂，厚度为50～500nm。

　　12.更进一步的，高阻衬底的材质可以为硅，锗，碳化硅，氮化镓或砷化镓，厚度为100～10000μm。

　　13.进一步的，所述的热电换能模块由基底、底电极、热电堆和顶电极组成，所述的热电堆由p型热电柱和n型热电柱构成，所述p型热电柱和n型热电柱的两端均分别连接所述底电极和顶电极，所述底电极和顶电极还分段设置，并将所有热电堆连接组成串联结构。

　　14.更进一步的，所述的热电堆的对数为m，m≥1，具体可为1～100000对。

　　16.更进一步的，基底为硅片，玻璃片，陶瓷片或者柔性聚合物薄膜，厚度为100～10000μm。

　　18.进一步的，所述的放射性同位素层，核电换能模块和热电换能模块通过吸附、粘结或键合连接在一起。

　　19.进一步的，模块化微型核电源还包括将其封装起来的隔离防护层。具体的，隔离防护层是能屏蔽β粒子辐射的金属中的一种或几种的组合制备而成。

　　20.本发明的技术方案之二提供了一种微型核电源装置，其包括如上任一所述的模块化微型核电源，以及电源管理模块，所述的模块化微型核电源中还设有内部电路，以将核电换能模块和热电换能模块产生的电能传导至电源管理模块进行存储和按需释放。电源管理模块为本领域常规具有电能储存和释放功能的控制模块，其能够为集成电路提供可靠稳定的电能供给。

　　21.进一步的，所述的模块化微型核电源设有一个或若干个，当模块化微型核电源设有若干个时，所有模块化微型核电源通过串联形成核电源组。

　　22.当模块化微型核电源设有一个时，两个热电换能模块的底电极分别通过内部电路连接同侧的核电换能模块中的下电极和上电极，而两个核电环能模块中的另外的上电极和下电极也通过内部电路相连通，同时，两个热电换能模块的底电极还分别连接电源管理模块。

　　23.本发明将多个核电换能模块2和热电换能模块1组装在放射性同位素层的两侧，通过多级利用提高了对放射性同位素衰变能量的利用效率。对于核电换能模块，由于受到了放射性同位素层7的β粒子轰击，导致其内部形成电子空穴对，并在内建电场作用下定向移动形成电流。核电换能模块的内部电流方向由远离放射性同位素层的方向流向靠近放射性同位素层的方向，即由下电极4流向上电极6。对于热电换能模块，其纵向热流方向始终是由靠近放射性同位素层的方向流向基底12一侧，即由顶电极11流向底电极8。在以空穴为载流子的p型热电柱(9)中，其电流与热流方向相同，在以电子为载流子的n型热电柱10中，其电流与热流方向相反。通过内部电路将上述电流按照同一方向串联起来并通过电源管理模块13进行存储和按需释放，实现为集成电路17供电。

　　本发明的核电源装置由放射性同位素层，核电换能模块和热电换能模块组成，核电换能模块可以将放射性同位素的衰变能转换成电能，热电换能模块可以将放射性同位素层和核电换能模块释放的低品位废热转变成电能。

　　本发明的夹层形式的结构实现了对核能的多级高效利用，并且减少了同位素辐射对环境的影响，同时减少了对集成电路信号的干扰。

　　本发明的热电换能模块外围的散热片不仅有利于降低集成电路温度，还有利于提高热电换能模块两端温差，从而提高输出电压。

　　34.1、热电换能模块；2、核电换能模块；3、高阻衬底；4、下电极；5、核电换能单元；6、上电极；7、放射性同位素层；8、底电极；9、p型热电柱；10、n型热电柱；11、顶电极；12、基底；13、电源管理模块；14、隔离防护层；15、散热片；16、内部电路；17、集成电路。

　　35.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。需要值得指出的是，本发明可以以不同形式实现，并且应根据实际情况做出相应调整。提出的实施例旨在达成充分的完整公开，使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围，不应解释为受此提出之实施例的限制。

　　36.在后面的参考附图中，为了方便说明，放大或者缩小了不同层和区域的尺寸，所以所示大小并不一定代表实际尺寸，也不反映尺寸的比例关系。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。本发明实施例中，各部分均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。

　　37.本发明的技术方案之一提供了一种模块化微型核电源，请参见图1所示，包括放射性同位素层7、对称布置在放射性同位素层7两侧的两个核电换能模块2、以及对称布置在两个核电换能模块2外侧的两个热电换能模块1。微型核电源整体在厘米级或以下。

　　38.在一些具体的实施方式中，放射性同位素层7的放射性源可以为镍-63，氪-85，锶-90或钷-147。另外，其厚度为2～50μm。

　　39.在一些具体的实施方式中，所述的核电换能模块2由依次设置的高阻衬底3、下电极4、核电换能单元5和上电极6组成，所述的上电极6贴附所述放射性同位素层7。

　　40.更具体的实施方式中，所述的核电换能单元5为pn结、pin结或肖特基二极管。其材料可以为硅，砷化镓，碳化硅，氮化镓或金刚石，厚度为1～20μm。核电换能单元5本身不涉及本发明的创新改进点。上电极6和下电极4的材料可以为金，银，铜或铂，厚度为50～500nm。

　　42.更具体的实施方式中，高阻衬底3的材质可以为硅，锗，碳化硅，氮化镓或砷化镓，厚度为100～10000μm。

　　43.在一些具体的实施方式中，所述的热电换能模块1由基底12、底电极8、热电堆和顶电极11组成，所述的热电堆由p型热电柱9和n型热电柱10构成，所述p型热电柱9和n型热电柱10的两端均分别连接所述底电极8和顶电极11，所述底电极8和顶电极11还分段设置，并将所有热电堆连接组成串联结构。

　　44.更具体的实施方式中，所述的热电堆的对数为m，m≥1，具体可为1～100000对。

　　46.更具体的实施方式中，基底12为硅片，玻璃片，陶瓷片或者柔性聚合物薄膜，厚度为100～10000μm。

　　48.在一些具体的实施方式中，所述的放射性同位素层7，核电换能模块2和热电换能模块1通过吸附、粘结或键合连接在一起。

　　49.在一些具体的实施方式中，模块化微型核电源还包括将其封装起来的隔离防护层14。具体的，隔离防护层14是能屏蔽β粒子辐射的金属中的一种或几种的组合制备而成。

　　50.另外，本发明的还提供了一种微型核电源装置，请参考图1至图3所示，其包括如上所述的模块化微型核电源，以及电源管理模块13，所述的模块化微型核电源中还设有内部电路16，以将核电换能模块2和热电换能模块1产生的电能传导至电源管理模块13进行存储和按需释放，从而为集成电路17供电。电源管理模块13为本领域常规具有电能储存和释放功能的控制模块。

　　51.在一些具体的实施方式中，所述的模块化微型核电源设有一个或若干个，当模块化微型核电源设有若干个时，所有模块化微型核电源通过串联形成核电源组。

　　52.当模块化微型核电源设有一个时，两个热电换能模块1的底电极8分别通过内部电路16连接同侧的核电换能模块2中的下电极4和上电极6，而两个核电环能模块中的另外的上电极6和下电极4也通过内部电路16相连通，同时，两个热电换能模块1的底电极8还分别连接电源管理模块13。

　　53.以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

　　56.本发明实施例以标准mems加工工艺为基础，利用曝光，显影，薄膜沉积和剥离工艺，提供了制备模块化微型核电源的技术方案及制备方法。

　　58.(1)采用机械抛光减薄工艺使2*2cm的单面抛光碳化硅衬底厚度为300μm；采用丙酮，甲醇，异丙醇和去离子水清洗碳化硅衬底表面的杂质后热板烘干衬底，即得到高阻衬底3。

　　59.(2)利用磁控溅射技术在碳化硅衬底沉积100nm金作为下电极4。

　　60.(3)利用微波等离子体化学气相沉积和离子注入技术在碳化硅衬底上制备n型高掺杂碳化硅层和p型低掺杂碳化硅层，形成一个碳化硅pn结。碳化硅pn结的厚度为2μm，即得到核电换能单元5。

　　64.(1)采用丙酮，甲醇，异丙醇和去离子水清洗2*2cm大小500μm厚的氧化硅衬底表面的杂质并用热板烘干衬底，即得到基底12。

　　66.(3)利用磁控溅射技术沉积200nm金，并放入丙酮中进行剥离，留下底电极8部分。

　　67.(4)在底电极8上沉积bi2te3作为n型热电柱10，sb2te3作为p型热电柱9。热电柱高

　　度为3μm，热电柱的对数为512对，即n型热电柱10和p型热电柱9各512个。

　　72.(1)用两个核电换能模块2夹住一个2*2cm大小厚度2μm的镍-63放射性同位素层7，并且核电换能模块2的衬底朝外。

　　73.(2)用两个热电换能模块1夹住上述两个核电换能模块2，并且热电换能模块1的顶电极11与核电换能模块2的衬底连接。

　　74.(3)用两个散热片15夹住上述两个热电换能模块1，并且与热电换能模块1的底电极8连接。

　　75.(4)用内部电路16将两个热电换能模块1和两个核电换能模块2的电极连接起来，并接入电源管理模块13。

　　77.具体的，放射性同位素层7向两侧的核电换能单元5产生粒子轰击，在核电换能单元5内部，电流方式始终是由远离放射性同位素层7的一侧流向靠近放射性同位素层7的一侧，所以上方的核电换能器件的下电极需连接下方的核电换能单元的上电极形成串联结构。在热电换能器件中，靠近放射性同位素层7的一侧是高温端，对于p型热PG中国电子技术有限公司电柱9，电流方向始终是由高温端流向低温端，n型热电柱10相反。所以将这些局部的电流按相同的方向串联起来就可以为外部电路供电。

　　79.与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，热电柱的对数为46000。

　　81.与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，碳化硅pn结的结数为4。

　　83.与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，供能装置由两个微型核电源串联而成，参见图2。

　　84.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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