（机械制造及其自动化专业论文）mems同位素微电池能量转换建模及性能分析.pdf

两北1 ：业火学硕士学何论文摘要 摘要 随着m e m s 技术的不断发展和进步，人们希望将各种微器件与能源部件集 成在一起，形成一个具有独立工作能力、能长时间稳定工作的微系统，这就需要 研究与m e m s 工艺兼容、易于集成、工作稳定性好、使用寿命长的微能源。基 于b 辐生伏特效应的同位素微电池不需要外界为其提供燃料、能独立工作，结构 简单、使用寿命长，采用m e m s 工艺、易于集成，可以满足m e m s 对微能源的 要求。m e m s 同位素微电池不仅扩展了其在m e m s 领域发挥巨大作用，同时也 促进了其在便携式能源领域的广泛应用。因此，基于b 辐生伏特效应的同位素微 电池具有重要的研究意义。 本文针对m e m s 同位素微电池的能量转化结构进行了理论建模和理论分 析，并对它的结构优化设计、性能分析、版图设计及加工工艺等一系列关键技术 进行了研究。论文的主要研究内容包括： 1 建立了基于e 辐生伏特效应的同位素微电池能量转换结构的理论模型及 微电池的等效电路，推导出辐生电流、辐生电压、最大输出功率及能量转换效率 的理论公式，分析得出影响微电池能量输出的主要参数：掺杂浓度、耗尽区宽度 和结深。 2 研究了掺杂浓度、耗尽区宽度和结深对微电池能量输出性能的影响，并 通过优化设计确定同位素微电池设计的一些主要性能参数。 3 研究了m e m s 同位素微电沲的输出特性、辐照特性、温度特性等电学特 性，确定同位素微电池设计的一些主要性能参数。 4 采用m e m s 微加工工艺对几种不同的微电池单元结构进行了版图和工艺 设计，并在西北工业大学微，纳米系统实验室成功的制作了m e m s 同位素微电池 样件。 关键词： 微机电系统，同位素微电池，b 辐生伏特效应，理论模型，数值优化 两e 上业大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fm e m s ( m i c r 0e l e c t f om c c h a n i c a ls y s t e m ) i n v e s t i g a t i o n ， as e l f - p o w e r e da n d l o n g t i m es t a | b l e w o r k i n gm i c r o s y s t e mi se x p e c t e d ，w l l i c h i n t e g m t e sv a r i o u sm i c r oc o m p o n e n t sa l l di i i i c r o p o w e rc o m p o n e n t t h u s ，t h er e s e a r c h o fm i c r o p o w c rw i t ha d v 柚t a g ei nm i c r o f a b d c a t i o np f o c e s sc o m p a t i b i l i t y i n t c g r a t i o n ， s t a b i l i t y a n dl i f e t i m e i s n e e d e d c o m p a r e dw i mc h e r i l i c a lf u e l sa n ds o l a rc e l l s ， b e t a v 0 l t a i cm i c r o b a t t e r yu s i n gr a d i o i s o t o p et 1 1 i nf i l mh 蕊b nr e s e a r c h e dt o w a r da s o l u t i o no fr n i c r o p o w e rs u p p l yw i ma d v 卸t a g e si ns i z c ，w e i 曲ta n de n d u m n c e i n v i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i co f 例i i o i s o t o p cm i c f o b a t t e r yb a s e do nb e t a v o l 组i ce f ! i e c t ， b e t a v o l t a i ci i l i c r o b a t 伦r yt h a th a sl o n gl i f e t i m e ，n on e e df o rf u e ls t o m g e ，柚di se a s i l y i n t e g r a t e do n c h i pc a nr e a c ht h ep o w e rs u p p l yn e e d so fm e m s i nt h i st h e s i s ，m em o d e lo fab e t a v o l t a i ce n e 唱yc 伽v e n e rw a sd e s i g n e da n ds o m e n u m e r i c a ls i m u i a t i o n sw e r em a d e i i la d d i t i o n ，s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sa _ b o u tt h e b e t a v o l t a i cm i c r o b a t t e r yd e s i g nw e 化e x p l o r e d f i r s n y t i l et t l e o 把t i c a lm o d e lo fm d i o i s o t o p ei i l i c r o b a t t c r ye n e r g yc o n v e 懈 b a s c do nb e t a v o l t a i ce 航c t 锄dt h ec i r c u i tm o d e lo fi i l i c r o b a t t e r yw e c o n s t m c t e d r e s p e c t i v e l y 柚dt h ec a l c u l a t i o nf b 锄u l a so fm i c r o b a t t e r yw e r cc c l u d e d i t 锄b e c o n c l u d e dt h a td o p i n gc o n c e n t m t i o n s 。w i d t ho fd e p l e t i o nr e g i o n 。j u n c t i o nd e p t ha c m c i a lp a 豫m e t e r st h a ta f f e c tp e r f b 咖a n c eo fm i c r o b a t t e r y s e c o n d l y t h ee 仃e c t s 伽t l l ei i l i r o b a t c e r yo u t p u tc h a m c t 嘶s t i c o fd o p i n g c o n c e n t r a t i o n s ，w i d t ho fd e p l e t i o nr e g i o n ，j u n c t i o nd e p t hw e a n a l y z e d h it i l e a n a l y s i s ，t l l eo p t i m a lv a l u e so ft h ea _ b o v ep a r a r n e t e 娼w e r cn u m e r i c a l l ys o l v e d t h i r d l y 山eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ，t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n dm d i o i s o t o p e 船d i a t i o nc h a r a c t e f i s t i cw e r e 姐a l y z e d i nt h ea n a l y s i s ，t h eo p t i m a lv a l u e so fs o m e c m c i a lp a m m e t e r sw e r en u m e r i c a l l ys o l v e d f i n a l l y t i ec o 盯e s p o n d i n gi i l i c r o f 曲r i c a t i o np r o c e s sa i i dl a y o u t so fs o m ek i n d s0 f n 西北工业大学硕士学位论文abs仃act r a d i o i s o t o p er n j c r o b a t t e r i e sw e d e s i g n e d 陀s p e c t i v e l y a n dt h 嚣er 玎j c r o b a t t e r i e sw e r c f a l ) f i c a b e ds u c c e s s f u l l yi nm i c r oa n dn a n 0e l e c t r o m e c h 锄i c a ls y s t e ml a b o r a t o r y0 f n w p u ( n h w e s t e mp o l y t e c h n i c a lu l l i v e r s i t y ) k e yw o r d s ： m i c r 争e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e 耐( m e m s ) ，r a d i o i s o t o p cl t l i c r o b a 哦b e t a v o l t a i c e f ! f & t ，1 1 1 e o r e t i c a lm o d e l ，n u m c r i c a lo p t i m i z a l i o n m 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属 r 两北叫e 人学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印什和l h 子版。本人允许论文被奁阅利借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有芙数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业亓结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北二 业 人学。 保密论文待解密后适刚本声明。 学位论文作者签名：泰乏生 ”7 年月f 弓日 指导教师签名： w 7 年； 月7 2 日 ， 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所是交的学位论文，是本 人在导师的指导f 进行研究i ：作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引刚的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他己中请学位或其他t 1 j 途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人剐集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：盔盐 湖7 年弓月班 西北1 = 业人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 微视电系统( m i c r 0e i c c 拄o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，简称m e m s ) 是指运用微 电子加工技术和微机械加工技术，在较小的物理尺寸上，集成了微机械元件、微 传感器、微执行器、微电子元件、电路和能源部件的系统l 。随着m e m s 技术 的不断发展和进步，人们希望将各种微器件与能源部件集成在一起，形成一个具 有独立工作能力、能长时间稳定工作的微系统，这就需要研究与m e m s 工艺兼 容、易于集成、工作稳定性好、使用寿命长的微能源。由此便诞生了一个m e m s 相关的研究方向p o w e r - m e m s 。 1 2m e m s 对微能源的需求 微型器件对能源需求主要取决于其驱动方式。在微领域有几种驱动方式用于 各种不同类型微器件或微系统，最常用的驱动方式有静电驱动、电磁驱动、压电 驱动和电致热驱动州。每种驱动方式在诸如行程范围、作用力、能量需求、寿命 和响应时间等方面都有其优缺点。各种驱动方式的能源需求如表1 1 所示。 表1 1 微器件的能源需求 简而言之，静电驱动和压电驱动m e m s 需要几十伏至几百伏的驱动电压和 n a j a 的驱动电流。相反，磁力驱动m e m s 需要几百毫安的驱动电流和略低 l 晴北：业人学硕+ 学位论文第一章绪论 于一伏的驱动电压。电致热驱动m e m s 需要几十伏的驱动电压和毫安级的驱动 电流。 在上述驱动方式中，静电驱动方式在微机械加工中是最常用的驱动方式。下 面以静电驱动方式为例，给出m e m s 微电池的设计要求。 作为m e m s 微电池，在满足能量要求的前提下，其设计和加工工艺须与 m e m s 兼容，m e m s 微电池的设计要求来自微加工工艺基本设计准则。首先， 微电池单元体积应尽可能小。其次，微电池单元之间应满足电气隔离。第三，微 电池加工工艺应尽可能的与微加工工艺兼容。最后_ 个设计要求是m e m s 静电 驱动的能量要求，这就要求微电池单元须可以串并联以满足m e m s 对不同驱动 方式的电压电流要求。为了实现微电池单元间的串并联，有必要实现微电池单元 间的横纵向连接。由于薄膜结构微电池相对于体硅结构微电池来说较容易实现电 气隔离，因此薄膜微电池单元就显得较为适合。 1 3m e m s 核电池相对于常规电池的优势 目前，备类军用、民用m e m s 功能器件，微系统通常依靠常规电源提供电力， 主要包括：酱通化学电池( 镍氢电池、锂电池等) 、燃料电池和太阳能( 光伏) 电池。这些常规电源由于各自本身的结构和工作原理的限制，均难以很好的满足 m e m s 功能器件的实际工作需要： ( 1 ) 普通化学电池因为体积大，寿命短，难以满足m e m s 器件连续工作的 需要，需要不定期更换或充电；尤其不适用于移动性、长寿命要求高的工作场合， 或远程、野外的工作场合。 ( 2 ) 燃料电池相对于功耗相对较低的微系统而言，耗费过于昂贵，且需要一 定的燃料贮存容积，极大的制约了电源系统的微型化。例如：德国s m a r t f u e l c e l l 公司开发的甲醇直接燃料电池模块，其外形尺寸为4 0 0 1 2 0 2 0 0 m m ，包含一 个2 5 升的甲醇容器，重达2 9 k g ：w b o 等人将甲醇直接燃料电池小型化之后， 其整体规模尺寸为1 6 1 6 1 2 m m ，仍不可能集成到m e m s 器件中。 ( 3 ) 太阳能光伏电池的使用场合必须要有阳光因而应用范围有限。此岁 ， 太阳能光伏电池的输出功率强烈依赖于光照条件，在高亮度的阳光照耀条件下功 2 趟北r 业人学硕十学位论文第一章绪论 率密度约为l c m 2 ，而在通常的室内照明条件下其功率密度仅为1 0 0 u w ，c m 2 。若要提高太阳能光伏电池的输出功率，只能通过增加光照表面来实现； 若设置专门的能量存储装置，不仅增加了系统的复杂程度，同时使电池的体积增 大数倍。这两方面的因素制约了太阳能光伏电池的微型化。 一个典型的例子是，以常规电源供电的微飞行器仅能持续飞行5 1 8 秒；若 以m e m s 微型核电池代替常规电源，则能使续航时间延长几百倍甚至几千倍。 由此可见，m e m s 器件适配微电源的缺乏，已成为制约各类m e m s 功能器 件实用化的“瓶颈”问题，也是发展m e m s 功能器件的基础和公共性问题。因 此，亟需研究探索长寿命、微体积、与m e m s 功能器件，微系统相匹配的微电源。 与各种常规电源相比，采用微加工工艺制造的m e m s 核电池具有明显的优 势： ( 1 ) 寿命超长。m e m s 核电池的理论寿命取决于其内放射性同位素的半衰 期，如；放射性同位素氚( 3 h ) 的半衰期为1 2 年，采用氚自然衰变的m e m s 核 电池可持续工作l o 年以上；采用6 3 n i 作为辐射源的m e m s 核电池，则可工作长 达l o o 年。因此，m e m s 核电池具有常规电池无可比拟的长寿命优势。 ( 2 ) 能量密度高。表1 2 显示了核电池与常规电池能量密度的比较，表明 m e m s 核电池的能量密度是常规锂粒子电池的数千倍以上。这也是核电池在微 型化之后，仍可满足为m e m s 器件提供电源的原因。 表1 2 核电池与常规电池能量密度对比 ( 3 ) 体积微小。m e m s 核电池采用硅微加工工艺，其特征尺度可小于l 毫米， 乃至数个微米，可有效的减少m e m s 器件，微系统中电源所占的重量和体积份额， 使系统的移动性和便携性得到显著提高。 ( 4 ) 便于集成在微系统内作为超欧效微电源。现有的m e m s 器件绝大多数 曲北i 业人学硕士学位论文第一章绪论 为硅基材料或半导体微加工工艺制造；在各类微系统或微电子集成电路的设计、 加工过程中，m e m s 核电池可方便的集成在其内部，从而可省掉各类微、小功 能系统所需的笨重的常规电源与所需的外接电源线和转换电路，进而可实现真正 “无线”的、自供能的m e m s 。 ( 5 ) 输出特性稳定。由于放射性元素的衰变过程，不受物质形态和环境因素 ( 温度、湿度、酸碱度) 的影响，因而m e m s 核电池在设计服役期限内，具有 稳定的输出特性，不受环境条件的干扰，对工作环境适应性强。 ( 6 ) 高安全性。这种基于d 辐生伏特效应的m e m s 核电池对人体不具有伤 害性。放射性元素释放的b 射线( 即电子射线) ，只需一张白纸或数十微米的硅 片即可屏蔽，不会对人体，生物体等造成伤害，这与a 射线、1 r 射线等高能射线 有着本质的差别。因此d 辐生伏特效应m e m s 核电池的安全性是绝对可靠的。 1 4m e m s 核电池发展现状及趋势 本文所述的m e m s 核电池虽与已较为成熟的常规核电池有一定的联系，但 并不是常规核电池的简单微小化。相对常规核电池而言，m e m s 核电池具有如 下特点： 主要以给m e m s 功能件、微，纳系统、微电子电路供电为应用方向。 能量转换方式是基于p 辐生伏特效应机制，利用放射源释放的p 粒子。 单个微单元的输出功率可做的很低，即通过集成多个微单元构成的 m e m s 核电池的功率分辨率很高：可达m w 、w 、n w 量级。 外形特征尺寸多在m m 级甚至肛m 量级，可以直接与m e m s 微功能器件 集成在一起，作为微电源。 采用半导体微加工工艺实现。 上个世纪9 0 年代末，美国国防部的电子工程师d i v e r s 嘲报告了一种微胶囊b 辐射核电池，将氚( t r i t i u m ) 和磷光物质封装在微胶囊中以提供5 v 电压、5 0 a 的电流，可持续供电1 2 年以上，用于低功率安全监控传感器，或给二次电池进 行绢流式充电。这种采用微胶囊结构设计的核电池，可以说是m e m s 核电池发 展的雏形。 4 西北1 ：业人学硕十学位论文第一章绪论 2 0 0 2 年，美国w i s c 伽s i n 大学m a d i s o n 分校的b l a l l c h a r d 领导的研究小组l 硒l ， 在美国能源部( d o e ) 的支持下，对m e m s 微型核电池进行了具有开创性意义 的工作，证明利用放射性元素衰变释放的能量为m e m s 器件供电的可行性，并 且证实由放射性同位素源激发的自振荡悬臂梁系统具有射频输出特性。图1 1 为 利用放射性粒子能量的自振荡悬臂梁系统结构图。 羯予一 d 释鹱的露m 转挚 l 股财投列貔囊秘瓣蠢= = = = 图1 1 “等人【8 1 设计的自振荡悬臂梁系统 2 0 0 3 年，美国c o m e u 大学l a l 研究小组啦! 0 1 在美国国防部高级研究计划署 ( d a r p a ) 和美国国家科学基金( n s f ) 的支持下，对纳功率m e m s 核电池的 开展探索研究：以随c l 溶液为放射源，将p n 结表面设计成倒金字塔形( 如图 l 一2 所示) 。其实质是增加p n 结的收集面积，从而提高p n 结对p 粒子的收集效 率。 图1 2l a l 等人设计的倒金字塔p n 结表面结构加工照片【1 0 】 2 0 0 5 年5 月，在美国国家科学基金( n s f ) 的资助下，美国r o c h c s t e r 大学 f a u c h e t 教授联合b e t a b e t t 公司的g a d e k 朗以及r o c h e s t e r 理工学院，加拿大 t 0 r o n t o 大学的研究人员【l u 采用标准的微加工工艺，加工出用于p 辐射核电池和 光电池的三维多孔硅p n 结材料，有望大幅提高p 辐射电池的转换效率，可使 m e m s 微型核电池的输出功率增加1 0 倍。当时国内外多家新闻媒体均报道了这 一令人振奋的成果埘。 i ! ! i 北f 业人学硕士学位论文第一章绪论 2 0 0 6 年1 月，受到美国国防部高级研究计划署( d a r e a ) 的资助，c 咖e n 大学的c o m c l l 大学的c h a n d r a s h e k h a r 等人1 氐1 7 1 报道了4 h s i c ( 碳化硅) p n 结 的b 辐生伏特效应电池样件，结果表明s i c 核电池比s i 具有更高的能量转化效 率。 此外；z i l l m e r 等人提出将m e m s 微型核电池与场致发射推进( f e e p ) 技术结合的思路，把多个m e m s 核电池排列在一起。有望获得足够高的电压 ( 1 0 k v ) ，可为卫星精确定位和推进提供了解决方案。 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。西北工业大学微，纳米系统实验室于2 0 0 3 年与中国原子 能科学研究院签署了合作备忘录，筹建了相应的研究小组，以亚毫瓦级输出功率 为目标，在国内率先开展了p n 结式微型放射侄同位素电池的研究、开发工作： 大连理工大学也于2 0 0 4 年开始展开了此方面的研究；北京理工大学采用3 h 作为 放射源，利用射线轰击荧光物质发光，借助p n 结的光生伏特效应发电，属于间 接换能式，输出功率为纳瓦级：厦门大学于2 0 0 6 年开始与美国w i s c o n s i n - m a d i s o n 大学和康奈尔大学展开学术交流涉足此方面的研究。 从当前国际上m e m s 核电池研究的发展水平来看：主要是在美国军方机构 ( d a r p a ，d o e ) 的支持下，一些大学，研究机构正在对基于辐生伏特效应的 m e m s 微型核电池开展研究，已经取得了一定的进展，但尚未研制出较成功样 件，还未达到实用化的程度。 可以预测，在未来3 5 年内，实用化的m e m s 微型核电池最有可能在美国 获得成功应用。但是这一项技术具有很强的军事应用背景，势必受到美国军方的 严密技术封锁。而国内这方面的研究工作尚处于空白。因此，有必要加快研制具 有自主知识产权的m e m s 核电池技术，并实现产业化。 1 5 本文研究目的与研究内容 本论文针对m e m s 对微能源的需求和m e m s 核电池的研究现状。研究基于 p 辐生伏特效应的m e m s 同位素微电池的一系列关键技术，建立一个放射性同 位素微电池的理论模型，为m e m s 同位素微电池的研究提供理论依据；同时对 6 两北工业大学硕士学位论文第一章绪论 同位素微电池进行能量转化结构优化设计、性能分析、版图及工艺设计，为m e m s 同位素微电池应用性开发提供基础。这些研究可以促进p o w e 卜m e m s 及m e m s 技术在微能源领域的应用。 本文主要的研究内容包括： i m e m s 微电池能量转化结构的模型建立； m e m s 微电池能量转化结构的优化设计： i m e m s 同位素微电池的性能分析； i v m e m s 微电池的版图及工艺设计。 7 矾北】：业大学硕+ 学位论文第二章同位素微电池的结构及工作原理 2 1 引言 第二章同位素微电池的结构及工作原理 同位素微电池对放射源的选择具有独特的要求，因此本章首先介绍了放射性 同位素的特点、放射性强度及其度量单位、同位素衰变方式，选择合适的同位素 作为放射源。接着阐述同位素微电池的工作原理p 辐生伏特效应，最后对同 位素微电池的结构进行了论述。 2 2 同位素源 2 2 1 放射性同位素的特点 众所周知，放射性同位素( r a d i o i s o t o p e ) 是不稳定的，它会“变。放射性同位 素的原予核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同 位素，这就是所谓“核衰变”。放射性同位素在进行核衰变的时候，可放射出a 射 线、p 射线、7 射线和电子俘获等，但是放射性同位素在进行核衰变的时候并不 一定能同时放射出这几种射线。核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条 件的影响，也不受元素所处状态的影响，只和时间有关。放射性同位素衰变的快 慢，通常用“半衰期”来表示。半衰期( h a l f - l i f e ) 1 2 2 2 3 1 即一定数量放射性同位素原予 数目减少到其初始值一半时所需要的时间。如磷3 2 ( 3 2 p ) 的半衰期是1 4 3 天，就 是说，假使原来有1 0 0 万个3 2 p 原子，经过1 4 3 天后，只剩下5 0 万个了。半衰 期越长，说明衰变得越慢，半衰期越短，说明衰变得越快。半衰期是放射性同位 素的一个特征常数，不同的放射性同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射 线的种类和数量也不同。 8 两北 ：业人学硕士学位论文第二章同位素微电池的结构及工作原理 2 2 2 放射性强度及其度量单位 放射性同位素原子数目的减少服从指数规律。随着时间的增加，放射性原子 的数目按几何级数减少，用公式表示为：n = n 0 e m ，这里：n 为经过t 时间衰变 后，剩下的放射性原子数目，n 0 为初始的放射性原予数目，九为衰变常数，是与 该种放射性同位素性质有关的常数，脚6 9 3 厅，其中f 指半衰期。放射性同位索 不断地衰变，它在单位时间内发生衰变的原子数目叫做放射性强度 ( r a d i o a c t i v i t y ) 【2 4 1 ，放射性强度的常用单位是居里( c 砸e ) ，表示在1 秒钟内发生 3 7 1 0 1 0 次核衰变，符号为 c i 1 c i = 3 7 1 0 1 0 d p s - 2 2 2 1 0 1 2 d p m ； 1 m c i - 3 7 1 0 7 d p s = 2 2 2 l d 9 d p m ；1 心i = 3 7 1 0 4 d p s - 2 2 2 1 0 6 d p m 。1 9 7 7 年国际放 射防护委员会( i c r p ) 发表的第2 6 号出版物中，根据国际辐射单位与测量委员会 ( i c r u ) 的建议，对放射性强度等计算单位采用了国际单位制( s d ，我国于1 9 8 6 年正式执行。在s i 中，放射性强度单位用贝柯勒尔( b e c q u e r c l ) 表示，简称贝可， 为1 秒钟内发生一次核衰变，符号为b q ，1 b q = l d p s = 2 7 0 3 1 0 。1 c i ，该单位在实 际应用中减少了换算步骤，方便了使用。 2 2 3 同位素衰变方式 ( 1 ) 阿尔发衰变( a l f a ( 一d e c a y ) 质量数大于1 4 0 的不稳定原子核，大多数衰变的方法均是将过剩的质量，以 a 粒子的形态放射出来，而此种衰变的方法被称为阿尔发衰变( a l f 矾) 一d e c a y ) 。a 粒子相当于两个质子和中子所构成的氦核，因此衰变后原子核的质量数较原子少 4 个单位，原子序数则少2 个单位，中予的个数同样也少2 个单位。 ( 2 ) 贝他衰变( b e t a ( p ) d e c a ”2 8 1 中子数较质子数为多的原子核，其原子核内的中子转变成质子。伴随着电子 及中微子( n e u m n o ，v ) 经由衰变而放射出核外，而趋于稳定，此种衰变方式被称 为b e t a ( p ) d e c a y ，而所放射出的电子则称为p 粒子，而中微子是一种不具电荷 和质量的粒子，因此一般均加以忽略。参考图2 1 为6 3 n i 衰变产生b 粒子的连续 能量分布图。 9 曲北一f ：业人学硕十学位论文第二章同位素微电池的结构及j ：作原理 日_ 魍o | 9 爿姻d 弭 图2 1 n i 衰变产生的b 粒子连续能量分布图 ( 3 ) 伽玛衰变( g a m r n e “) 一d e c a y ) a d e c a y 或是p d e c a y 而变成紊乱的原子核，往往处于激发态( e x c i t e ds 眦) ， 原子核内的状态相当不稳定，因此在此状态下原子核由快速的将过剩的能量释放 出，使原子核内部转移至基态( g r o u n ds t a t e ) 以趋于稳定状态。在此现象通常是以 伽玛射线“一r a y ) 的形式释放过剩能量。因此，在小d e c a y 或是p d e c a y 时往往伴 随y 射线的产生。 2 2 4 同位素源的选择 放射性同位素的选择是b 辐生伏特能量转换中至关重要的因素。同位素选择 要求考虑安全、寿命、活性和成本等各方面因素。表2 1 给出了6 3 n i 、1 4 7 p m 、9 0 s r 和1 3 7 c s 四种放射性同位索的基本参数。 表2 1 几种同位素源 6 3 n i 辐射离子的最大动能为6 6 7 k e v ，远小于2 0 0 2 5 0k e v 。这是对硅晶格 造成无法恢复性结构损伤的阈值。n i 辐射离子的动能范围为o 6 6 7k e v ，平 t琴置吐，o譬董掌崔巷-il 两北工业人学硕士学位论文第二章同位素微电池的结构及工作原理 均动能为1 7 1k e v ，最大动能为6 6 7k e v 的辐射离子根本穿透不了人的真皮。 因此，n i 辐射离子不会对硅晶格带来无法恢复性损伤，不会伤害到人，适合做 放射源。放射性同位素1 47 p m ，平均粒子动能e a ，= 6 2k e v ，最大粒子动能e 。 = 2 2 0k e v ，半衰期为2 6 年。因此，1 4 7 p m 辐射离子基本上不会对硅晶格带来无 法恢复性损伤。也适合做放射源。 2 2 5 放射源源制备技术 ( 1 ) 三维表面结构液态填充技术 将液态放射性同位素盐溶液或悬浊液填充入表面微结构中后加热蒸发，使得 溶液挥发后得到含有放射性同位素化合物的薄膜。这种方法适合上述选定的同位 素，方法简单，缺点是薄膜的粘附力差，自吸收严重。 ( 2 ) 金属特性放射性同位素化学镀技术 以结式换能结构的金层作为为种子层，用含有对应放射性同位素的盐类化合 物配置电解液，控制镀液温度，镀液p h 值和工艺时间得到需要活度的放射源金 属镀层。这种适合于6 3 n i 和1 3 7 c s 等具有金属特性的放射性同位素，方法简单， 无需通电，易于控制，缺点是薄膜粘附力稍差。 ( 3 ) 金属特性放射性同位素电镀技术 将结式换能结构作为阴极，用白金丝网作为阳极，在电镀槽中放入镀液，加 入对应放射性同位素的盐类化合物，调节p h 值，采用合适的电压电流条件，在 结式换能结构表面的金层上沉积出均匀的放射性同位素金属镀层，通过控制电镀 时间就可以得到需要活度的放射源。这种适合于6 3 n i 和1 3 7 c s 等具有金属特性的 放射性同位素，薄膜粘附力好，缺点是设备和工艺稍为复杂； ( 4 ) 非金属特性放射性同位素分子镀技术 将放射性同位素的氧化物粉末在有机溶剂中配成悬浊液作为镀液，将结式换 能结构作为阴极，用白金丝网作为阳极，采用合适的电压电流条件，在结式换能 结构表面的金层上沉积出均匀的放射性同位素氧化物镀层。这种方法适合于 1 4 7 p m 等以氧化物存在，无法进行电镀和化学镀的放射性同位素。 两北： 业人学硕十学位论文第二章同位素微电池的结构及工作原理 2 3 同位素微电池工作原理 2 3 1 b 辐生伏特效应 如图2 2 所示，9 辐生伏特效应：利用带一定能量的粒子柬照射到半导体材 料上，通过电离效应，产生电子一空穴对；当电子一空穴对扩散至半导体p n 结 的耗尽区( 阻挡层) 时，在p n 结内建电场的作用下，实现对电子一空穴对的分 离，即电子向n 区，空穴向p 区运动，产生电流输出。 图2 2 辐生伏特原理图 2 3 2 同位素微电池工作原理 硅同位索电池外形和基本结构如图2 3 所示。基体材料为一薄片n 型单晶硅 i 厚度在o 4 m m 以下) ，上表面为一层p + 型的顶区，并构成一个p + n 结。顶区 表面有金属电极，背表面为金属底电极。上、下电极分别和p + 区和n 区形成欧 姆接触，在上表面均匀覆盖同位素源。 图2 3 常规电池结构示意图 当b 离子辐照在电池p + 区时，在p + 区、耗尽区和n 区激发出辐生电子一空 1 2 西北工业人学硕七学位论文第二章同位素微电池的结构及工作原理 穴对。辐生电子一空穴对在耗尽区产生后，立即被内建电场分离，辐生空穴被送 进p + 区，辐生电子则被推进到n 区。根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流 子浓度近似为0 ，即p = n = o 。在p + 区中，辐生电子一空穴对产生以后，辐生电子 便向p + n 结边界扩散，一旦到达p + n 结边界，便立即受到内建电场作用，被电 场力牵引作漂移运动，越过耗尽区进入n 区，辐生空穴( 多子) 则被留在p + 区。n 区中的辐生空穴( 少子) 同样的先因为扩散、后因为漂移而进入p + 区，辐生电子( 多 子) 留在n 区。如此便在p + n 结两侧形成了正、负电荷的积累，产生了辐生电压， 这就是“b 辐生伏特效应”。当电池接上- 二负载后，辐生电流就从矿区经负载流 至n 区，负载中即得到功率输出。 图2 4 为不同状态下硅同位素微电池的能带图。图2 - 4 ( a ) 为无辐照、处于热 平衡状态时的p + n 结能带图，有统一的费米能级，势垒高度为q u 。= e ，一b 。 ， 图2 4 ( b ) 为稳定辐照时，p + n 结处于非平衡状态，辐生载流子积累出现辐生电压， 使p + n 结处于正偏，费米能级发生分裂。因为电池处于开路状态( 没有接负载) ， 故费米能级分裂的宽度等于q u 。，剩余的结势垒高度为q ( u 。一【k ) 。图2 4 ( c ) 为有稳定辐照，电池处于短路状态( 负载为o ) ，原来在p + n 结两端积累的辐生载 流子通过外电路复合，辐生电压消失，势垒高度为q u d ，各区中的辐生载流子被 内建电场分离，源源不断地流进外电路，形成短路电路i l c 。图2 - 4 ( d ) 为有辐照时， 一部分辐生电流在负载上建立电压u ，另一部分辐生电流和p + n 结在电压u 的 正向偏压下形成的正向电流抵消。费米能级分裂的宽度正好等于q u ，而这时剩 余的结势垒高度为目( u 。一u ) 。 幽2 _ 4 ( a ) j h 图2 4 ( b ) 西北t 业人学硕十学何论文 第二章同位素微电池的结构及一 作原理 图2 - 4 ( c )图2 - 4 ( d )， 图2 4 不同状态下硅同位素微电池的能带图 2 4 同位素微电池的结构 2 4 1 电池基本结构 对于单体同位素微电池，其表面形状可做成平板式捌、沟槽式和倒金字 塔式。3 ”结构，分别如图2 5 、2 6 和2 7 所示，其中倒金字塔表面结构微电池的比 表面积最大，平板式微电池结构的比表面积最小。 图2 5 平板式结构示意图 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章同位素微电池的结构及工作原理 图2 6 沟槽式结构示意图 图2 - 7 表面倒金字塔结构 图2 3 为单体常规电池基本结构，图2 8 为单体背电场电池( b s f ) 基本结 构【3 2 1 ，图2 9 为单体选择性发射极电池基本结构【3 3 1 。对于单体常规电池主要包括 以下几个部分： 图2 8 背电场结构示意图 西北工业大学硕士学位论文 第二章同位紊微电池的结构及工作原理 图2 9 选择性发射极结构示意图 ( 1 ) 上电极 通常是一定形状的薄层金属，厚度一般大予珈m ，因为当厚度小于耻m 时， 它与半导体形不成欧姆接触，导致金属与半导体间的电阻很大，且金属会形成薄 膜电阻，这个比体电阻也大。它负责把电池上面部分中的有效载流子引出。 ( 2 ) 扩散区 用高浓度杂质掺杂的电池区域，用来形成p n 结和降低其与表面金属的接触 所形成的电阻。 ( 3 ) 耗尽区 n 区和p 区都可以掺杂施主杂质( 磷等，价电子多，提供电子) 和受主杂质 ( 硼等，价电子少，提供空穴) ，这里以n 区掺杂施主杂质，p 区掺杂受主杂质 来说明。n 型区的多数载流子是电子，p 型区的多数载流子是空穴在二区接触 后，由于两区多数载流予浓度的差异，使n 区的电子向p 区扩散，这种电荷转 移的结果使在n 区出现了正空间电荷，在p 区出现负空间电荷，在空间电荷区 就形成了从n 区指向p 区的内建电场，而内建电场又使n 区的空穴漂移向p 区 及p 区的电子漂移向n 区，当扩散和漂移达到动态平衡后，最终的内建电场大 小就定了，而内建电场的作用空间就是耗尽层，作用空间大小就是耗尽层厚度。 而浅扩散或低能粒子注入掺杂形成突变结，深扩散或高能粒子注入掺杂形成 缓变结。通常电池两区浓度差别很大，即可把它当作单边突变结近似。若p n 结 掺杂均匀，那么除了势垒区有电场外，在p 区和n 区内就没有电场，近似适合 于扩散结。半导体中的杂质浓度由受主杂质突变地改变到施主杂质时，我们得到 一个突变结特别是如果n a n d 时，我们就得到一个单边突变结或p + n 结。 舶北丁业大学硕士学位论文第二章同位素微电池的结构及工作原理 ( 4 ) 基区 具有初始掺杂浓度的区域，用来产生p n 结和产生电子空穴对。 ( 5 ) 下电极 也是一层金属，性质同上电极，功能是负责把电池下面部分的载流子引出。 ( 6 ) 背电极 而背电场电池除了有上述五部分以外，还有一背面重掺杂区小r ( 一个背电 极) ，它的能带图2 - 1 0 与常规电池结构能带图2 - l l 相比，在电池背表面多一个 n + n 结，在这个结中也有内建电场存在，从而有利于n + 区的空穴向n 区汇集， n 区的电子向村汇集，从而提高载流子收集率，现在的电池一般做成有背电场 的结构，即b s f 结构。 图2 1 0b s f 电池结构的能带图 堂三 覃锄 里一一 - - - ，- - - 一- 一e - 扫一弋 f一 空穴o 图2 - l l 常规电池结构的能带图 ( 7 ) 选择性发射极 同样，也可以在b s f 结构电池的表面有选择的再重掺杂一部分区域，称为 选择性发射极结构，它的能带图2 ，1 2 ，又多了一个p 结，同样也有内建电场， 也是有利于载流子的收集，下面将详细分析选择性发射极单体电池的性能。 图中，q 匕，：p + p 高低结构的接触势垒高度；口：p n 结的接触势垒高度； 叮k ：为n + n 结的接触势垒高度；q ：电子的电荷量；廓：本征费米能级；e c ： 暇北1 ：业人学硕士学位论文 第二章同付素微屯池的结构及工作原理 导带底；目：价带顶。 图2 1 2 选择性发射极电池结构的能带图 2 4 2 选择性发射极结构 常规的单晶硅电池结构，一般都采用高掺杂浅扩散制作p n 结的工艺，其各 处的结深和表面掺杂浓度几乎是一致的，如图2 3 和2 8 。 而在选择性发射结电池的不同区域，掺杂浓度、表面浓度n s 和扩散深度是 不同的，如图2 9 。 这种结构相对于常规结构有以下优点： ( 1 ) 提高电离载流予的收集率 与b s f 电池结构相比，选择性发射极电池电极处多一个横向p + p 高低结和 一个横向p + n 结。在这些扩散结中，也有内建电场的存在。这些内建电场有利 于p + 区和p 区的电子往n 区汇集，而区和n 区的空穴往p 区和p + 区汇集。 ( 2 ) 提高电池的输出电压 常规电池接触势垒口。为： 批= q = 等 b s f 电池接触势垒口为： 批叫p q 圳n 等 选择性发射极电池的接触势垒q ：可以如下表示： 西北工业大学硕士学位论文第二章同位素微电池的结构及工作原理 w 一棚 w 1 ，一 1 ：端 g 2 = q 匕+ ，+ 口十日o 。= 灯l “之尹 其中，k ：波耳兹曼常数：t ：热力学温度；：、 、j 。、；分别为p + 、 p 、n 、n + 区的掺杂浓度。所以有：口2 q l g o ，也就是说，与b s f 电池 相比，选择性发射极电池可以提高电池的输出电压。 ( 3 ) 降低电池的串联电阻 电池的串联电阻由电极金属的体电阻、金属与半导体的接触电阻、扩散层的 薄层电阻、基区的体电阻组成。其中，要求金属与半导体之间形成良好的欧姆接 触。金属和半导体的接触电阻与半导体的掺杂浓度有密切的关系。掺杂浓度越商， 接触电阻越小。