核电池【光电检测】.pptx

1、核电池,核电池,核电池,又称同位素电池,它是利用放射性同位素衰变放出 载能粒子(如粒子、粒子和射线)并将其能量转换为电能的 装置。,2,核电池的应用,核电池体积小、重量轻、寿命长、抗干扰性强、使用简便 可靠性高等优点，在各个领域都有非常重要的作用。1、医学领域,体积小重量轻的长寿命的核电池心脏起搏器保证患者不必冒着生命危 险,忍受极大痛苦,反复进行开胸手术，更换不能再工作的化学电池。,3,2、航天领域：,美国好奇号火星车抵达火星 核电池寿命达14年阿波罗12,14,15,16及17号相继安装了核电池,设计输出功率为63.5W,整个装置重量为31 kg,设计寿命为1年,但实际上,其寿命远远超过

2、设计时的1年,并能连续供70W以上的电力。,4,3、航海、航空导航等领域,海底设施,如海下声纳、各种海下科学仪器与军事设施、海底油井阀 门的开关和海底电缆中继器等,所用核电池既能耐56km深海的高压,安 全可靠地工作,花费成本又少。地面上的气象站和导航站若用核电池,可以建成自动气象站或自动导 航站,实现自动记录和自动控制,常年无须更换和维修电源。4、手机等电子产品手机第一次使用后能够连续提 供1 年以上待机时间的电量,从而 使厂商节省了生产充电器的成本。,5,5、电动汽车目前电动汽车所用的电池多为化学电池,体积庞大，充电后使用时间 短、寿命短。,核电池长期工作不需维修、高效大功率、小体积、低成

3、本。,6,核电池在MEMS的应用,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，常规微型电池都有各自缺陷。传统电池微型燃料电池,整个系统体积增大、频繁充电 或电池单元组布置的困难,需要外部的微流体结构和外部能源 驱动发动机供给燃料到工作腔中，或者促成化学反应实现能量转换。,7,微型锂电池,目前能量密度低,寿命短。,微型太阳能电池阵列,需要光作为原始能源。,8,微型核电池由于具有能量密度大、寿命长、受环境影响小、与MEMS 工艺兼容等优点，成为了为MEMS和微纳器件供电的重要选项。,9,微型核电

4、池按换能原理不同可分为间接式和直接式两种。,10,间 接 式:自震荡悬臂梁 辐射-荧光-电 辐射-热-电,直接式:PN 结式 肖特基结式,用于微型电池的放射性同位素,11,自震荡悬臂梁式核电池,12,弹性变形的悬臂粱放于距离放射源一段间隔的位置，当悬臂粱收集 了来自放射源的带电荷粒子后放射源剩余负电荷。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。,13,核电池原理,大多数核电池是基于辐射伏特效应，将入射到半导体内的粒子的动能转 换成电能。1、PN结式,1

5、4,半导体两面经过掺杂形成PN结时，结内就存在了内建电场，放射 性同位素辐射出粒子，其中动能大于半导体材料电离能的粒子能使半 导体原子电离产生电子-空穴对；当电子或空穴运动到PN结时，在这个内建电场作用下，可实现对 电子空穴对的分离，即电子向N区、空穴向P区运动；半导体p-n结的两侧分别聚集了大量的电子和空穴，形成电势差，连接上外部负载就能形成电流对外输出能量。,15,PN结式同位素微电池结构,倒三角直槽型转换结构是在表面呈倒三角直槽的N 型硅上掺杂形成 一层厚度均匀的倒三角直槽型的p型硅。,16,形成倒金字塔型能量转换结构：,17,为了增加输出功率,可以在p-n结上加工出垂直侧壁方孔阵列,以

6、增大 接触面积。,18,PN结式同位素微电池的工艺流程,19,(a):采用掺杂浓度为1017/cm3 晶向为的n型硅片为衬底;(b):在n型硅片表面热氧化生成2m SiO2 掩膜层,在SiO2 表面用LPCVD淀积2mSi3N4掩膜层；(c):用掩模版光刻。RIE干法刻蚀掉多余的Si3N4与SiO2 形成湿法刻蚀 的窗口；,20,(d):用KOH湿法腐蚀出深度为200m,侧壁均为 晶向的垂直侧壁 的方孔阵列；(e):RIE除去Si3N4 掩模层,用掩模版光刻,RIE除去多余S iO2 掩膜层,形 成掺杂p型区的窗口,此掺杂窗口避开了n型区的金属电极区,并为其留出 了电极面积5倍以上的间隙。(f

7、):浓硼扩散形成结深为1m,p型区浓度为1020/cm3的p-n结；,21,:HF缓冲液除去SiO2 掩膜层。溅射金属铜:用掩模版光刻出n型区的金属电极区,p型区的金属电极区与电镀区,FeCl3 的酸溶液刻蚀掉多余的金属铜。,22,对加工好的能量转换结构进行放射源电镀,采用含有次磷酸根的镍盐 水溶液通过化学镀层的方式形成63Ni。电镀后,在微电池表面进行密封处 理,避免放射源在工作时受到外界影响。,23,现有的硅基PN 结式微型核电池输出功率已达到纳瓦级，但其结构的 局限性导致电荷收集区域狭小，少子寿命短，能量转换效率低下。西北 工业大学微/纳米系统实验室，设计出一种具有保护环结构的PIN 复

8、合结 换能结构(其中I 代表高阻N 型硅)：,24,依次包括上电极金属层、SiO2钝化层、P+硅区、N(I)硅区、N+硅区和下电极金属层.P+硅区和N 硅区中间形成宽度为W 的耗尽层。,25,(a)注入杂质P 和B(b)使用40%HF 溶液去除二氧化硅层，快速热退火激活注入杂质.低压 化学沉积二氧化硅并湿法腐蚀形成钝化层。(c)制作正面电极和背面电极,26,2、碳化硅(4H-SiC)肖特基结式微型核电池,肖特基结是一种简单的金属与半导体的交界面。硅加工工艺发展的相当成熟，以硅为基底的p-n结式、p-i-n结式和肖 特基结式这三种放射性同位素微电池的发展已经具有一定的应用前景，但硅属于窄禁带半导

9、体材料，禁带宽度相对较小，而禁带宽度是器件性 能的关键指标，制约了以硅为基底的放射性同位素微电池在某领域的应 用。以GaN、金刚石、SiC为代表的宽禁带半导体材料被引入到放射性同 位素微电池的研究当中。,27,碳化硅(4H-SiC)肖特基结式微型 核电池是一种利用辐生伏特效 应，直接将辐射能转化为电能 的供能装置。,28,结语,29,微型核电池具有寿命长、能量密度高、输出特性稳定等特点而成为 未来能源发展的重要分支。国内的西北工业大学，大连理工大学，北京 理工大学和厦门大学都相继开展了相关的研究。与国外相比，国内在微 型同位素电池研究方面还有较大差距，在采用新材料提高能量转换效率、采用新型结构提高结对入射粒子的收集效率、以及中高能放射源技术 方面都是空白。随着研究的深入和制造成本的降低，微型放射性同位素 电池必将在国防、电子、通讯等领域获得广泛的应用，从而带动国民经 济的高速发展。,