核電池【光電檢測】課件

核電池

核電池

核電池核電池,又稱同位素電池,它是利用放射性同位素衰變放出載能粒子(如α粒子、β粒子和γ射線)并將其能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。2核電池核電池,又稱同位素電池,它是利用放射性同位素衰核電池的應(yīng)用核電池體積小、重量輕、壽命長、抗干擾性強(qiáng)、使用簡便可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在各個領(lǐng)域都有非常重要的作用。1、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

體積小重量輕的長壽命的核電池心臟起搏器保證患者不必冒著生命危險(xiǎn),忍受極大痛苦,反復(fù)進(jìn)行開胸手術(shù)，更換不能再工作的化學(xué)電池。3核電池的應(yīng)用核電池體積小、重量輕、壽命長、抗干擾性2、航天領(lǐng)域：

美國好奇號火星車抵達(dá)火星核電池壽命達(dá)14年阿波羅12,14,15,16及17號相繼安裝了核電池,設(shè)計(jì)輸出功率為63.5W,整個裝置重量為31kg,設(shè)計(jì)壽命為1年,但實(shí)際上,其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)時的1年,并能連續(xù)供70W以上的電力。42、航天領(lǐng)域：43、航海、航空導(dǎo)航等領(lǐng)域海底設(shè)施,如海下聲納、各種海下科學(xué)儀器與軍事設(shè)施、海底油井閥門的開關(guān)和海底電纜中繼器等,所用核電池既能耐5—6km深海的高壓,安全可靠地工作,花費(fèi)成本又少。地面上的氣象站和導(dǎo)航站若用核電池,可以建成自動氣象站或自動導(dǎo)航站,實(shí)現(xiàn)自動記錄和自動控制,常年無須更換和維修電源。4、手機(jī)等電子產(chǎn)品手機(jī)第一次使用后能夠連續(xù)提供1年以上待機(jī)時間的電量,從而使廠商節(jié)省了生產(chǎn)充電器的成本。53、航海、航空導(dǎo)航等領(lǐng)域55、電動汽車目前電動汽車所用的電池多為化學(xué)電池,體積龐大，充電后使用時間短、壽命短。核電池長期工作不需維修、高效大功率、小體積、低成本。65、電動汽車6核電池在MEMS的應(yīng)用

微機(jī)電系統(tǒng)和納米技術(shù)的研究在過去20年取得了巨大的進(jìn)展，研究者們開發(fā)了各種類型的微米和納米尺度的器件。然而，能量供給裝置很

難微小型化到相應(yīng)尺度，常規(guī)微型電池都有各自缺陷。傳統(tǒng)電池

整個系統(tǒng)體積增大、頻繁充電或電池單元組布置的困難微型燃料電池需要外部的微流體結(jié)構(gòu)和外部能源驅(qū)動發(fā)動機(jī)供給燃料到工作腔中，或者促成化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。7核電池在MEMS的應(yīng)用

微機(jī)電系統(tǒng)和納米技術(shù)的研微型鋰電池目前能量密度低,壽命短。微型太陽能電池陣列需要光作為原始能源。8微型鋰電池微型太陽能電池陣列8微型核電池由于具有能量密度大、壽命長、受環(huán)境影響小、與MEMS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，成為了為MEMS和微／納器件供電的重要選項(xiàng)。9微型核電池由于具有能量密度大、壽命長、受環(huán)境影響微型核電池按換能原理不同可分為間接式和直接式兩種。

間接式:自震蕩懸臂梁輻射-熒光-電輻射-熱-電

直接式:PN結(jié)式肖特基結(jié)式10微型核電池按換能原理不同可分為間接式和直接式兩種。

間接式用于微型電池的放射性同位素

11用于微型電池的放射性同位素

11自震蕩懸臂梁式核電池

12自震蕩懸臂梁式核電池

12彈性變形的懸臂粱放于距離放射源一段間隔的位置，當(dāng)懸臂粱收集了來自放射源的帶電荷粒子后．放射源剩余負(fù)電荷。因此．產(chǎn)生了靜電力，將懸臂粱吸引向放射源：當(dāng)懸臂粱接觸到放射源，懸臂粱放電從而回到初始位置，再次進(jìn)行下一循環(huán)周期的電荷收集。因此．實(shí)現(xiàn)了自主往復(fù)式懸臂粱．或稱直接收集型電荷運(yùn)動轉(zhuǎn)換裝置。13彈性變形的懸臂粱放于距離放射源一段間隔的位置，當(dāng)核電池原理大多數(shù)核電池是基于β輻射伏特效應(yīng)，將入射到半導(dǎo)體內(nèi)的粒子的動能轉(zhuǎn)換成電能。1、PN結(jié)式14核電池原理大多數(shù)核電池是基于β輻射伏特效應(yīng)，將入射到半導(dǎo)體內(nèi)（1）半導(dǎo)體兩面經(jīng)過摻雜形成PN結(jié)時，結(jié)內(nèi)就存在了內(nèi)建電場，放射性同位素輻射出β粒子，其中動能大于半導(dǎo)體材料電離能的β粒子能使半導(dǎo)體原子電離產(chǎn)生電子-空穴對；（2）當(dāng)電子或空穴運(yùn)動到PN結(jié)時，在這個內(nèi)建電場作用下，可實(shí)現(xiàn)對電子空穴對的分離，即電子向N區(qū)、空穴向P區(qū)運(yùn)動；（3）半導(dǎo)體p-n結(jié)的兩側(cè)分別聚集了大量的電子和空穴，形成電勢差，連接上外部負(fù)載就能形成電流對外輸出能量。15（1）半導(dǎo)體兩面經(jīng)過摻雜形成PN結(jié)時，結(jié)內(nèi)就存在了內(nèi)建電場，PN結(jié)式同位素微電池結(jié)構(gòu)倒三角直槽型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是在表面呈倒三角直槽的N型硅上摻雜形成一層厚度均勻的倒三角直槽型的p型硅。16PN結(jié)式同位素微電池結(jié)構(gòu)倒三角直槽型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是在形成倒金字塔型能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)：1717為了增加輸出功率,可以在p-n結(jié)上加工出垂直側(cè)壁方孔陣列,以增大接觸面積。1818PN結(jié)式同位素微電池的工藝流程19PN結(jié)式同位素微電池的工藝流程19(a):采用摻雜濃度為1017/cm3晶向?yàn)?lt;100>的n型硅片為襯底;(b):在n型硅片表面熱氧化生成2μmSiO2掩膜層,在SiO2表面用LPCVD淀積2μmSi3N4掩膜層；(c):用掩模版光刻。RIE干法刻蝕掉多余的Si3N4與SiO2形成濕法刻蝕的窗口；20(a):采用摻雜濃度為1017/cm3晶向?yàn)?lt;10(d):用KOH濕法腐蝕出深度為200μm,側(cè)壁均為<100>晶向的垂直側(cè)壁的方孔陣列；(e):RIE除去Si3N4掩模層,用掩模版光刻,RIE除去多余SiO2掩膜層,形成摻雜p型區(qū)的窗口,此摻雜窗口避開了n型區(qū)的金屬電極區(qū),并為其留出了電極面積5倍以上的間隙。(f):濃硼擴(kuò)散形成結(jié)深為1μm,p型區(qū)濃度為1020/cm3的p-n結(jié)；21(d):用KOH濕法腐蝕出深度為200μm,側(cè)壁均為(g):HF緩沖液除去SiO2掩膜層。濺射金屬銅(h):用掩模版光刻出n型區(qū)的金屬電極區(qū),p型區(qū)的金屬電極區(qū)與電鍍區(qū),FeCl3的酸溶液刻蝕掉多余的金屬銅。2222對加工好的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行放射源電鍍,采用含有次磷酸根的鎳鹽水溶液通過化學(xué)鍍層的方式形成63Ni。電鍍后,在微電池表面進(jìn)行密封處理,避免放射源在工作時受到外界影響。23對加工好的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行放射源電鍍,采用含現(xiàn)有的硅基PN結(jié)式微型核電池輸出功率已達(dá)到納瓦級，但其結(jié)構(gòu)的局限性導(dǎo)致電荷收集區(qū)域狹小，少子壽命短，能量轉(zhuǎn)換效率低下。西北工業(yè)大學(xué)微/納米系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)出一種具有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的PIN復(fù)合結(jié)換能結(jié)構(gòu)(其中I代表高阻N－型硅)：24現(xiàn)有的硅基PN結(jié)式微型核電池輸出功率已達(dá)到納

依次包括上電極金屬層、SiO2鈍化層、P+硅區(qū)、N－(I)硅區(qū)、N+硅區(qū)和下電極金屬層.P+硅區(qū)和N－硅區(qū)中間形成寬度為W的耗盡層。2525(a)注入雜質(zhì)P和B(b)使用40%HF溶液去除二氧化硅層，快速熱退火激活注入雜質(zhì).低壓化學(xué)沉積二氧化硅并濕法腐蝕形成鈍化層。(c)制作正面電極和背面電極26(a)注入雜質(zhì)P和B262、碳化硅(4H-SiC)肖特基結(jié)式微型核電池肖特基結(jié)是一種簡單的金屬與半導(dǎo)體的交界面。硅加工工藝發(fā)展的相當(dāng)成熟，以硅為基底的p-n結(jié)式、p-i-n結(jié)式和肖特基結(jié)式這三種放射性同位素微電池的發(fā)展已經(jīng)具有一定的應(yīng)用前景，但硅屬于窄禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度相對較小，而禁帶寬度是器件性能的關(guān)鍵指標(biāo)，制約了以硅為基底的放射性同位素微電池在某領(lǐng)域的應(yīng)用。以GaN、金剛石、SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料被引入到放射性同位素微電池的研究當(dāng)中。272、碳化硅(4H-SiC)肖特基結(jié)式微型核電池肖特基結(jié)是一種碳化硅(4H-SiC)肖特基結(jié)式微型核電池是一種利用輻生伏特效應(yīng)，直接將輻射能轉(zhuǎn)化為電能的供能裝置。2828結(jié)語微型核電池具有壽命長、能量密度高、輸出特性穩(wěn)定等特點(diǎn)而成為未來能源發(fā)展的重要分支。國內(nèi)的西北工業(yè)大學(xué)，大連理工大學(xué)，北京理工大學(xué)和廈門大學(xué)都相繼開展了相關(guān)的研究。與國外相比，國內(nèi)在微型同位素電池研究方面還有較大差距，在采用新材料提高能量轉(zhuǎn)換效率、采用新型結(jié)構(gòu)提高結(jié)對入射粒子的收集效率、以及中高能放射源技術(shù)方面都是空白。隨著研究的深入和制造成本的降低，微型放射性同位素電池必將在國防、電子、通訊等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，從而帶動國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。29結(jié)語微型核電池具有壽命長、能量密度高、輸出特性穩(wěn)核電池

核電池

核電池核電池,又稱同位素電池,它是利用放射性同位素衰變放出載能粒子(如α粒子、β粒子和γ射線)并將其能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。2核電池核電池,又稱同位素電池,它是利用放射性同位素衰核電池的應(yīng)用核電池體積小、重量輕、壽命長、抗干擾性強(qiáng)、使用簡便可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在各個領(lǐng)域都有非常重要的作用。1、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

體積小重量輕的長壽命的核電池心臟起搏器保證患者不必冒著生命危險(xiǎn),忍受極大痛苦,反復(fù)進(jìn)行開胸手術(shù)，更換不能再工作的化學(xué)電池。3核電池的應(yīng)用核電池體積小、重量輕、壽命長、抗干擾性2、航天領(lǐng)域：

美國好奇號火星車抵達(dá)火星核電池壽命達(dá)14年阿波羅12,14,15,16及17號相繼安裝了核電池,設(shè)計(jì)輸出功率為63.5W,整個裝置重量為31kg,設(shè)計(jì)壽命為1年,但實(shí)際上,其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)時的1年,并能連續(xù)供70W以上的電力。42、航天領(lǐng)域：43、航海、航空導(dǎo)航等領(lǐng)域海底設(shè)施,如海下聲納、各種海下科學(xué)儀器與軍事設(shè)施、海底油井閥門的開關(guān)和海底電纜中繼器等,所用核電池既能耐5—6km深海的高壓,安全可靠地工作,花費(fèi)成本又少。地面上的氣象站和導(dǎo)航站若用核電池,可以建成自動氣象站或自動導(dǎo)航站,實(shí)現(xiàn)自動記錄和自動控制,常年無須更換和維修電源。4、手機(jī)等電子產(chǎn)品手機(jī)第一次使用后能夠連續(xù)提供1年以上待機(jī)時間的電量,從而使廠商節(jié)省了生產(chǎn)充電器的成本。53、航海、航空導(dǎo)航等領(lǐng)域55、電動汽車目前電動汽車所用的電池多為化學(xué)電池,體積龐大，充電后使用時間短、壽命短。核電池長期工作不需維修、高效大功率、小體積、低成本。65、電動汽車6核電池在MEMS的應(yīng)用

微機(jī)電系統(tǒng)和納米技術(shù)的研究在過去20年取得了巨大的進(jìn)展，研究者們開發(fā)了各種類型的微米和納米尺度的器件。然而，能量供給裝置很

難微小型化到相應(yīng)尺度，常規(guī)微型電池都有各自缺陷。傳統(tǒng)電池

整個系統(tǒng)體積增大、頻繁充電或電池單元組布置的困難微型燃料電池需要外部的微流體結(jié)構(gòu)和外部能源驅(qū)動發(fā)動機(jī)供給燃料到工作腔中，或者促成化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。7核電池在MEMS的應(yīng)用

微機(jī)電系統(tǒng)和納米技術(shù)的研微型鋰電池目前能量密度低,壽命短。微型太陽能電池陣列需要光作為原始能源。8微型鋰電池微型太陽能電池陣列8微型核電池由于具有能量密度大、壽命長、受環(huán)境影響小、與MEMS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，成為了為MEMS和微／納器件供電的重要選項(xiàng)。9微型核電池由于具有能量密度大、壽命長、受環(huán)境影響微型核電池按換能原理不同可分為間接式和直接式兩種。

間接式:自震蕩懸臂梁輻射-熒光-電輻射-熱-電

直接式:PN結(jié)式肖特基結(jié)式10微型核電池按換能原理不同可分為間接式和直接式兩種。

間接式用于微型電池的放射性同位素

11用于微型電池的放射性同位素

11自震蕩懸臂梁式核電池

12自震蕩懸臂梁式核電池

12彈性變形的懸臂粱放于距離放射源一段間隔的位置，當(dāng)懸臂粱收集了來自放射源的帶電荷粒子后．放射源剩余負(fù)電荷。因此．產(chǎn)生了靜電力，將懸臂粱吸引向放射源：當(dāng)懸臂粱接觸到放射源，懸臂粱放電從而回到初始位置，再次進(jìn)行下一循環(huán)周期的電荷收集。因此．實(shí)現(xiàn)了自主往復(fù)式懸臂粱．或稱直接收集型電荷運(yùn)動轉(zhuǎn)換裝置。13彈性變形的懸臂粱放于距離放射源一段間隔的位置，當(dāng)核電池原理大多數(shù)核電池是基于β輻射伏特效應(yīng)，將入射到半導(dǎo)體內(nèi)的粒子的動能轉(zhuǎn)換成電能。1、PN結(jié)式14核電池原理大多數(shù)核電池是基于β輻射伏特效應(yīng)，將入射到半導(dǎo)體內(nèi)（1）半導(dǎo)體兩面經(jīng)過摻雜形成PN結(jié)時，結(jié)內(nèi)就存在了內(nèi)建電場，放射性同位素輻射出β粒子，其中動能大于半導(dǎo)體材料電離能的β粒子能使半導(dǎo)體原子電離產(chǎn)生電子-空穴對；（2）當(dāng)電子或空穴運(yùn)動到PN結(jié)時，在這個內(nèi)建電場作用下，可實(shí)現(xiàn)對電子空穴對的分離，即電子向N區(qū)、空穴向P區(qū)運(yùn)動；（3）半導(dǎo)體p-n結(jié)的兩側(cè)分別聚集了大量的電子和空穴，形成電勢差，連接上外部負(fù)載就能形成電流對外輸出能量。15（1）半導(dǎo)體兩面經(jīng)過摻雜形成PN結(jié)時，結(jié)內(nèi)就存在了內(nèi)建電場，PN結(jié)式同位素微電池結(jié)構(gòu)倒三角直槽型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是在表面呈倒三角直槽的N型硅上摻雜形成一層厚度均勻的倒三角直槽型的p型硅。16PN結(jié)式同位素微電池結(jié)構(gòu)倒三角直槽型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是在形成倒金字塔型能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)：1717為了增加輸出功率,可以在p-n結(jié)上加工出垂直側(cè)壁方孔陣列,以增大接觸面積。1818PN結(jié)式同位素微電池的工藝流程19PN結(jié)式同位素微電池的工藝流程19(a):采用摻雜濃度為1017/cm3晶向?yàn)?lt;100>的n型硅片為襯底;(b):在n型硅片表面熱氧化生成2μmSiO2掩膜層,在SiO2表面用LPCVD淀積2μmSi3N4掩膜層；(c):用掩模版光刻。RIE干法刻蝕掉多余的Si3N4與SiO2形成濕法刻蝕的窗口；20(a):采用摻雜濃度為1017/cm3晶向?yàn)?lt;10(d):用KOH濕法腐蝕出深度為200μm,側(cè)壁均為<100>晶向的垂直側(cè)壁的方孔陣列；(e):RIE除去Si3N4掩模層,用掩模版光刻,RIE除去多余SiO2掩膜層,形成摻雜p型區(qū)的窗口,此摻雜窗口避開了n型區(qū)的金屬電極區(qū),并為其留出了電極面積5倍以上的間隙。(f):濃硼擴(kuò)散形成結(jié)深為1μm,p型區(qū)濃度為1020/cm3的p-n結(jié)；21(d):用KOH濕法腐蝕出深度為200μm,側(cè)壁均為(g):HF緩沖液除去SiO2掩膜層。濺射金屬銅(h):用掩模版光刻出n型區(qū)的金屬電極區(qū),p型區(qū)的金屬電極區(qū)與電鍍區(qū),FeCl3的酸溶液刻蝕掉多余的金屬銅。2222對加工好的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行放射源電鍍,采用含有次磷酸根的鎳鹽水溶液通過化學(xué)鍍層的方式形成63Ni。電鍍后,在微電池表面進(jìn)行密封處理,避免放射源在工作時受到外界影響。23對加工好的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行放射源電鍍,采用含現(xiàn)有的硅基PN結(jié)式微型核電池輸出功率已達(dá)到納瓦級，但其結(jié)構(gòu)的局限性導(dǎo)致電荷收集區(qū)域狹小，少子壽命短，能量轉(zhuǎn)換效率低下。西北工業(yè)大學(xué)微/納米系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)出一種具有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的PIN復(fù)合結(jié)換能結(jié)構(gòu)(其中I代表高阻N－型硅)：24現(xiàn)有的硅基PN結(jié)式微型核電池輸出功率已達(dá)到納

依次包括上電極金屬層、SiO2鈍