專利名稱:一種釤同位素微型電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微型同位素電池領域，具體涉及一種釤同位素微型電池及其制備方法。
背景技術：
放射性同位素在衰變過程中，會自發(fā)地發(fā)射粒子(如α、β、Y粒子等)，這些粒子含有一定的能量，這就叫衰變能。同位素電池就是將這種衰變能直接或間接地轉變成電能的一種供能裝置。
同位素電池將衰變能轉換成電能的機制到目前為止已經(jīng)發(fā)展到10余種。但在制作微型電池方面，很多機制的同位素電池都無法兼顧到電池尺寸小、壽命長、免維護這三方面的要求。從上世紀90年代后期開始，在MEMS/NEMS等微/納系統(tǒng)機載電源需求的牽引下，同時伴隨著同位素應用技術以及微納加工技術的快速發(fā)展，放射性同位素微型電池的研究受到前所未有的關注，大量的研究集中在對同位素微型電池結構中的關鍵部件——換能單元的改進上，國內外越來越多的研究機構開始嘗試不同構型、不同半導體材料以及不同轉換機制的同位素微型電池的設計與制作。這些嘗試的目的無外乎是為了增大放射性同位素的有效加載量、射線的利用率以及增強半導體材料的抗輻射損傷能力，從而提升同位素微型電池的總體性能。在名稱為“三維大孔硅基結對輻伏效應和光伏效應的能量轉換” (J. P. Clarkson 等，Phys. Stat. Sol [a]，5，204，2007)的文獻、名稱為"4H 碳化硅輻伏電池解析”(Μ· V. S. Chandrasheklar 等，Applied physics letters, 88，033506，2006)的文獻中，普遍認可采用輻射伏特效應和肖特基效應制作的同位素電池能夠達到實用水平，換而言之，基于這兩種機制的同位素微型電池可以兼顧到電池外型微型化、使用壽命長期化、使用過程免維護這三方面優(yōu)點。特別是基于輻射伏特效應制作的同位素微型電池，已經(jīng)在美國有產(chǎn)品初步問世，在名稱為“微型氚化三維結型輻伏電池”(Larry L，IAEA Workshop Advanced Sensors for Safeguards, 23-27, April 2007)的報告中表明，其實施方式是將放射性同位素氚加載到三維微孔(孔徑不足2 μ m)硅基PN結上，實現(xiàn)了大約50 μ ff/cm3的輸出。但是，這種氚同位素微型電池在目前甚至近幾年都無法在國內成功制作，難點在于國內尚不具備制作三維微孔換能器件的微加工能力。換句話講，國內欲自主研制成功輻射伏特效應同位素微型電池，只能在立足平面換能單元的基礎上，重點從放射性同位素的選取和有效加載量上來予以解決。
目前，對于平面換能單元上輻射伏特效應同位素微型電池的研究主要集中在以低能放射性同位素3H和63M作為驅動源上，所得到的同位素微型電池普遍存在輸出功率太小 (小于10nW)、短路電流過低(幾ηΑ 1μΑ)，在應用前景上相對較渺茫。同樣屬于純Beta核素的釤-151，不僅也具有半衰期長(90年)、衰變時發(fā)射出的電子能量(其中，99. 12%的電子平均能量是19. 68keV)比3H和63Ni的高(3H是5. 69keV嚴Ni是17. UkeV)，這種電子能量不僅對硅基半導體材料是安全的(即，不會造成輻射損傷)，而且，在相同條件下可以在換能單元的PN結中激發(fā)出更多的電子-空穴對，從而產(chǎn)生更好的電輸出性能。
發(fā)明內容
為了克服已有技術中的3H或Wi同位素微型電池輸出功率太小、短路電流過低的不足，本發(fā)明提供一種釤同位素微型電池及其制備方法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種釤同位素微型電池，同時提供釤同位素微型電池其制備方法。
本發(fā)明的釤同位素微型電池，其特點是，所述的微型電池含有換能單元和附屬部件，換能單元包括釤-151放射源片、Si3N4層、硅基PN結；附屬部件包括外封裝層、環(huán)電極、 正引線、正電極、金層、底座、負電極、負引線、陶瓷片、內封裝層；其連接關系是，Si3N4層位于硅基PN結上表面；環(huán)電極在Si3N4層的外延；釤-151放射源片由內封裝層固定在Si3N4 層上表面；硅基PN結的下表面是金層，負引線的一端連接在金層上，另一端連接在負電極上；正引線的一端連接在環(huán)電極上，另一端連接在正電極上；金層的下方是陶瓷片；陶瓷片位于底座正中央；外封裝層覆蓋在底座外部。
本發(fā)明的釤同位素微型電池的制備方法，包括如下步驟
a)選用摻雜濃度為1X IO15 1 X 1017cm_3、厚度為100 300 μ m的N型單晶硅為襯底， 在該襯底的上表面熱擴散一層摻雜濃度為1 X IO18 1 X 102°cm_3、厚度為0. 3 2. 0 μ m的P 型單晶硅層，然后在該襯底的下表面熱擴散一層摻雜濃度為1乂1019 1乂102°側_3、厚度為 0. 5 2. 0 μ m的N+型單晶硅層，由此制備成硅基PN結；
b)在硅基PN結的上表面用氣相沉積法淀積一層厚度為200 500A的Si3N4層；
c)在Si3N4層的外延蒸鍍一個材質為金、環(huán)寬200 500μ m、環(huán)高400 800A的環(huán)電
極；
d)在硅基PN結的下表面蒸鍍一層厚度為200 500A金層；
e)用絕緣膠將陶瓷片固定在底座上表面的正中間；
f )將金線作為負引線，一端用膠粘劑固定在硅基PN結下方的金層上，另一端用超聲波點焊法焊接在底座的負電極上；
g)用膠粘劑將載帶有金層和負引線的硅基PN結固定在陶瓷片的正中間；
h)將金線作為正引線，用超聲波電焊法將一端焊接在環(huán)電極上，另一端焊接在正電極
上；
i)上述步驟g和h中的焊點分別點一滴強力導電膠；
j)將釤-151放射源片的活性面朝向Si3N4層，并將Si3N4層完全覆蓋，然后采用模具灌注法將乙烯基聚二甲基硅氧烷復合材料澆灌到本電池的內空腔中，并于室溫下放置12小時以上固化成型，形成內封裝層；
k)將!^M可伐合金材質的外封裝層覆蓋在底座外部，在接口處用密封膠固定。
在以上制備過程中，硅基PN結是在N型摻雜單晶硅基底上生長P型單晶硅，并在該N型摻雜單晶硅基底背面重摻雜磷作為N+重摻雜層制作而成。為了獲取PN結與電極之間的歐姆接觸，在PN結的背面蒸鍍了一層金，然后將負引線的一端焊接在金面上，另一端焊接在底座的負電極上。硅基PN結的上表面沉積了一層Si3N4薄層，金絲材質的環(huán)電極被蒸鍍在Si3N4薄層外沿，從而形成歐姆接觸。正引線的一端焊接在環(huán)電極上，另一端焊接在底座的正電極上。其中，Si3N4層的作用是降低電子或空穴在表面的復合，以確保電子依次被環(huán)電極、正引線、正電極輸導到輸出回路中。此外，背面蒸鍍有金層的硅基PN結通過膠粘劑固定在陶瓷片上，該陶瓷片起到將PN結與底座絕緣的作用，避免電池的自短路。內封裝層采用耐輻射的復合材料，通過模具灌注法澆灌在換能單元與附屬部件之間的空隙中，一方面起到固定釤-151放射源片的作用，同時兼?zhèn)漭椛浞雷o的作用。外封裝層用!^M可伐合金制作，起著增強電池強度的作用。整個電池從外觀上看是帶有兩個電極的紐扣型。
本發(fā)明采用的技術方案所依據(jù)的原理是射線入射到換能單元中，激發(fā)半導體材料晶格原子的電子，促使電子從價帶躍遷到導帶，產(chǎn)生電子-空穴對，然后在此電離效應的基礎上，利用結區(qū)的內建電場實現(xiàn)電子與空穴的分離，并利用結區(qū)與兩端電極的歐姆接觸將電子引出，當接通外電路時即產(chǎn)生電流。同理，本發(fā)明所提到一種釤同位素微型電池實現(xiàn)電學輸出的過程可以依次描述成四個步驟——電池內部的PN結由于不同摻雜的結果具有內建電場；釤同位素發(fā)射的含能電子入射在PN結上并激發(fā)晶格原子的電子電離產(chǎn)生電子-空穴對；電子-空穴對在結區(qū)內建電場的作用下分別向結的兩端移動；PN結與兩端的電極歐姆接觸，在外接負載的情況下，電極將移動過來的電子傳導出來，從而在回路中形成電流和功率的輸出。300 K時，單晶硅開始產(chǎn)生原子位移效應所需的電子動能是 0. 155MeV 0. 221MeV,因此，采用釤-151作為本發(fā)明中換能單元的驅動源，其衰變放射出的電子不會使半導體材料硅中產(chǎn)生晶格原子位移效應。并且，釤-151的半衰期是90年，完全能滿足制作長壽命電池的要求。
本發(fā)明的釤同位素微型電池用釤-151放射源作為電池換能單元的驅動源，可以比M^Ni產(chǎn)生更多的電子-空穴對，從而具有更好的電輸出性能。本發(fā)明的釤同位素微型電池體型微小、工作時不需要外界提供能量，能夠實現(xiàn)電流IOOnA μ Α、功率0. IyW 1 μ W、45年以上不間斷地輸出。本發(fā)明的制備方法安全可靠。


圖1是本發(fā)明一種釤同位素微型電池的結構示意圖。
圖1中，1.外封裝層 2.環(huán)電極 3.正引線 4.正電極 5.金層 6.底座 7.放射源片 8. Si3N4層 9.硅基PN結 10.負電極 11.負引線 12.陶瓷片 13.內封裝層。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的內容進一步說明。
圖1是本發(fā)明一種釤同位素微型電池結構示意圖。圖1中，本發(fā)明的釤同位素微型電池含有換能單元和附屬部件，所述換能單元包括釤-151放射源片7、Si3N4層8、硅基PN 結9 ；附屬部件包括外封裝層1、環(huán)電極2、正引線3、正電極4、金層5、底座6、負電極10、負引線11、陶瓷片12、內封裝層13 ；其連接關系是，Si3N4層8位于硅基PN結9上表面；環(huán)電極2在Si3N4層8的外延；釤-151放射源片7由內封裝層13固定在Si3N4層8上表面；硅基 PN結9的下表面是金層5，負引線11的一端連接在金層5上，另一端連接在負電極10上； 正引線3的一端連接在環(huán)電極2上，另一端連接在正電極4上；金層5的下方是陶瓷片12 ； 陶瓷片12位于底座6正中央；外封裝層1覆蓋在底座6外部。
本發(fā)明的釤同位素微型電池其制備步驟如下
a)選用摻雜濃度為1 X IO15 1 X 1017cm_3、厚度為100 300 μ m的N型單晶硅為襯底，在該襯底的上表面熱擴散一層摻雜濃度為ι χ IO18 1 X 102°cm_3、厚度為0. 3 2. 0 μ m的P 型單晶硅層，然后在該襯底的下表面熱擴散一層摻雜濃度為1乂1019 1乂102°側_3、厚度為 0. 5 2. 0 μ m的N+型單晶硅層，由此制備成硅基PN結9 ；
b)在硅基PN結9的上表面用氣相沉積法淀積一層厚度為200 500A的Si3N4層8；
c)在Si3N4層8的外延蒸鍍一個材質為金、環(huán)寬200 500μ m、環(huán)高400 800A的環(huán)電極2 ；
d)在硅基PN結9的下表面蒸鍍一層厚度為200 500A金層5；
e)用絕緣膠將陶瓷片12固定在底座6上表面的正中間；
f)將金線作為負引線11，一端用膠粘劑固定在金層5上，另一端用超聲波點焊法焊接在底座6的負電極10上；
g)用膠粘劑將載帶有金層5和負引線10的硅基PN結9固定在陶瓷片12的正中間；
h)將金線作為正引線3，用超聲波電焊法將一端焊接在環(huán)電極2上，另一端焊接在正電極4上；
i)上述步驟g和h中的焊點分別點一滴強力導電膠；
j)將釤-151放射源片7的活性面朝向Si3N4層8，并將Si3N4層8完全覆蓋，然后采用模具灌注法將乙烯基聚二甲基硅氧烷復合材料澆灌到本電池的內空腔中，并于室溫下放置 12小時以上固化成型，形成內封裝層13 ；
k)將!^M可伐合金材質的外封裝層1覆蓋在底座6外部，在接口處用密封膠固定。
權利要求
1.一種釤同位素微型電池，其特征是所述的微型電池含有換能單元和附屬部件，換能單元包括釤-151放射源片(7)、Si3N4層(8)、硅基PN結(9);附屬部件包括外封裝層(1)、 環(huán)電極(2)、正引線(3)、正電極(4)、金層(5)、底座(6)、負電極(10)、負引線(11)、陶瓷片 (12)、內封裝層(13);其連接關系是，Si3N4層(8)位于硅基PN結(9)上表面；環(huán)電極(2)在 Si3N4層(8)的外延；釤-151放射源片(7)由內封裝層(13)固定在Si3N4層(8)上表面；硅基PN結(9 )的下表面是金層(5 )，負引線(11)的一端連接在金層(5 )上，另一端連接在負電極(10)上；正引線(3)的一端連接在環(huán)電極(2)上，另一端連接在正電極(4)上；金層(5) 的下方是陶瓷片(12)；陶瓷片(12)位于底座(6)正中央；外封裝層(1)覆蓋在底座(6)外部。
2.一種釤同位素微型電池的制備方法，包括如下步驟a)選用摻雜濃度為1X IO15 1 X 1017cm_3、厚度為100 300 μ m的N型單晶硅為襯底， 在該襯底的上表面熱擴散一層摻雜濃度為1 X IO18 1 X 102°cm_3、厚度為0. 3 2. 0 μ m的P 型單晶硅層，然后在該襯底的下表面熱擴散一層摻雜濃度為1乂1019 1乂102°側_3、厚度為 0. 5 2. 0 μ m的N+型單晶硅層，由此制備成硅基PN結(9)；b)在硅基PN結(9)的上表面用氣相沉積法淀積一層厚度為200 500A的Si3N4層(8)；c)在Si3N4層(8)的外延蒸鍍一個材質為金、環(huán)寬200 500μ m、環(huán)高400 800A的環(huán)電極(2)；d)在硅基PN結(9)的下表面蒸鍍一層厚度為200 500A金層(5)；e)用絕緣膠將陶瓷片(12)固定在底座(6)上表面的正中間；f)將金線作為負引線(11)，一端用膠粘劑固定在硅基PN結(9)下方的金層(5)上，另一端用超聲波點焊法焊接在底座(6)的負電極(10)上；g)用膠粘劑將載帶有金層(5)和負引線(10)的硅基PN結(9)固定在陶瓷片(12)的正中間；h)將金線作為正引線(3)，用超聲波電焊法將一端焊接在環(huán)電極(2)上，另一端焊接在正電極(4)上；i)上述步驟g和h中的焊點分別點一滴強力導電膠；j)將釤-151放射源片(7)的活性面朝向Si3N4層(8)，并將Si3N4層(8)完全覆蓋，然后采用模具灌注法將乙烯基聚二甲基硅氧烷復合材料澆灌到本電池的內空腔中，并于室溫下放置12小時以上固化成型，形成內封裝層(13)；k )將!^eNi可伐合金材質的外封裝層(1)覆蓋在底座(6 )外部，在接口處用密封膠固定。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種釤同位素微型電池及其制備方法，該電池由換能單元和附屬部件兩部分組成。換能單元包括釤-151放射源片、Si3N4層、硅基PN結；附屬部件包括外封裝層、環(huán)電極、正引線、正電極、金層、底座、負電極、負引線、陶瓷片、內封裝層。Si3N4層位于硅基PN結上表面；環(huán)電極在Si3N4層的外延；釤-151放射源片由內封裝層固定在Si3N4層上表面；硅基PN結的下表面是金層，負引線的一端連接在金層上，另一端連接在負電極上；正引線的一端連接在環(huán)電極上，另一端連接在正電極上；金層的下方是陶瓷片；陶瓷片位于底座正中央；外封裝層覆蓋在底座外部。本發(fā)明的釤同位素微型電池體型微小、工作時不需要外界提供能量，能夠實現(xiàn)電流100nA～μＡ、功率0.1μW～1μW、45年以上不間斷地輸出。本發(fā)明的制備方法安全可靠。
文檔編號G21H1/06GKCN102496399SQ201110426036
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月19日
發(fā)明者劉業(yè)兵, 張華明, 楊玉青, 王關全, 羅順忠, 胡睿, 鐘正坤, 魏洪源 申請人:中國工程物理研究院核物理與化學研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan