CN102446572B - 一种氚同位素微型电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氚同位素微型电池及其制备方法，所述的微型电池含有换能单元和附属部件两部分。换能单元的Si₃N₄层位于硅基PN结上表面；附属部件中的环电极在Si₃N₄层的外延。氘化钛+氚化钛放射层是先后在Si₃N₄层上表面蒸镀金层、镍层，然后用氘氚混合气体制作而成。硅基PN结的下表面是金层，负引线的一端连接在金层上，另一端连接在负电极上；正引线的一端连接在环电极上，另一端连接在正电极上；金层的下方是陶瓷片；陶瓷片位于底座正中央；外封装层覆盖在底座外部。本发明的氚同位素微型电池体型微小、工作时不需要外界提供能量，能够实现电流40nA～1μＡ、功率6nW～0.1μW、6年以上不间断地输出。本发明的制备方法安全可靠。

Description

一种氚同位素微型电池及其制备方法

技术领域

本发明属于微型同位素电池领域，具体涉及一种氚同位素微型电池及其制备方法。

背景技术

放射性同位素在衰变过程中，会自发地发射粒子（如α、β、γ粒子等），这些粒子含有一定的能量，这就叫衰变能。同位素电池就是将这种衰变能直接或间接地转变成电能的一种供能装置。

同位素电池将衰变能转换成电能的机制到目前为止已经发展到10余种。但在制作微型电池方面，很多机制的同位素电池都无法兼顾到电池尺寸小、寿命长、免维护这三方面的要求。在名称为“三维大孔硅基结对辐伏效应和光伏效应的能量转换”（ J.P.Clarkson等，Phys.Stat.Sol[a]，5，204，2007）的文献、名称为“4H碳化硅辐伏电池解析”（ M.V.S.Chandrasheklar等，Applied physics letters, 88,033506,2006）的文献中，普遍认可采用辐射伏特效应和肖特基效应制作的同位素电池能够达到实用水平，换而言之，基于这两种机制的同位素微型电池可以兼顾到电池外型微型化、使用寿命长期化、使用过程免维护这三方面优点。特别是基于辐射伏特效应制作的同位素微型电池，已经在美国有产品初步问世，在名称为“微型氚化三维结型辐伏电池”（ Larry L，IAEA Workshop Advanced Sensors for Safeguards,23-27,April 2007）的报告中表明，其实施方式是将放射性同位素氚加载到三维微孔（孔径不足2μm）硅基PN结上，实现了大约50μW/cm³的输出。但是，这种氚同位素微型电池在目前甚至近几年内都无法在国内成功制作，难点在于国内尚不具备制作三维微孔换能器件的微加工能力。换句话讲，国内欲自主研制成功辐射伏特效应同位素微型电池，只能在立足平面换能单元的基础上，重点从放射性同位素的选取和加载方式上来予以解决。

在各种放射性同位素中，氚属于低能纯beta核素，具有半衰期较长（12.3年）、比活度高（约9650Ci/g）、价格相对较低，而且衰变过程中未伴随γ或x射线，是研制微（小）功率微型同位素电池的理想核素之一。但是，以气体的方式来完成氚在电池中的加载是不科学的，因为氚在几乎所有的金属材料中都有一定程度的溶解，假如以气体的方式将氚封装在电池中，这势必使氚以一定比例溶解在电池的金属材质结构组件中（例如金、FeNi可伐合金），如此一来，随着电池使用时间的延长、使用环境的变化，氚将在这些材料中发生渗透，最后可能对环境造成污染。与此同时，氚气这样一种加载方式对于电池内部使用到的有机胶也是一种严峻的考验：在整个氚电池的长寿命期内，有机胶将长期遭受氚的直接辐照，并极可能发生降解而失去粘接力，影响整个电池的可靠性。

用金属氚化物的方式加载氚却具有充氚速度快、安全性好、并且可以重复使用的优点。可以载氚的金属有多种，如钛、锆、钪、铒、镧、镁、钯等过渡金属或碱金属，在国内专著“氚和氚的工程技术”（见蒋国强编著，国防工业出版社，2007，407）中指出，金属钛作为其中优良的吸氚材料，它具有如下优点：储氚密度高（理论值可达9.2×10²²at./cm³）；室温下载氚稳定性高、离解压低；氚钛物空气中稳定性好；钛的载氚工艺在国内较成熟。因此，可以采用氚钛膜的方式加载在换能单元上以形成氚同位素电池。但是，先制作片状氚钛源，然后覆盖在换能单元活性区上形成间接加载（以下简称间接加载法），这样制作的氚电池存在两个不足：1）接触不够紧密，影响射线利用率；2）钛膜吸附氚之后源片表面不能承受摩擦等机械外力，否则易损坏。同时，在氚源的制作上，如果采用纯氚气氛充至钛膜饱和的充氚方式，还存在使用过程中释氦量过大而严重影响电池寿命和安全性的问题。

发明内容

为了克服已有技术中的氚同位素微型电池寿命短、安全性差的不足，本发明提供一种氚同位素微型电池及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种氚同位素微型电池，同时提供氚同位素微型电池的制备方法。

本发明的氚同位素微型电池，其特点是,所述的微型电池含有换能单元和附属部件，换能单元包括氘化钛+氚化钛放射层、Si₃N₄层、硅基PN结。附属部件包括外封装层、环电极、正引线、正电极、金层、底座、负电极、负引线、陶瓷片；其连接关系是，Si₃N₄层位于硅基PN结上表面；环电极在Si₃N₄层的外延；硅基PN结的下表面是金层，负引线的一端连接在金层上，另一端连接在负电极上；正引线的一端连接在环电极上，另一端连接在正电极上；金层的下方装配有陶瓷片；陶瓷片位于底座正中央；外封装层覆盖在底座外部。

本发明的氚同位素微型电池的制备方法，包括如下步骤：

a）选用掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3、厚度为100～300μm的N型单晶硅为衬底，在该衬底的上表面热扩散一层掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3、厚度为0.3～2.0μm的P型单晶硅层，然后在该衬底的下表面热扩散一层掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3、厚度为0.5～2.0μm的N⁺型单晶硅层，由此制备成硅基PN结；

b）在硅基PN结的上表面用气相沉积法淀积一层厚度为200～500?的Si₃N₄层；

c）在Si₃N₄层的外延蒸镀一个材质为金、环宽200～500μm、环高400～800?的环电极；

d）在Si₃N₄层的上表面蒸镀一层厚度为0.5～3μm的钛，然后在该钛层的上表面蒸镀一层厚度为20～50nm的镍；

e）用氘氚混合气体制备氘化钛+氚化钛放射层；

f）在硅基PN结的下表面蒸镀一层厚度为200～500?金层；

g）用绝缘胶将陶瓷片固定在底座上表面的正中间；

h）将金线作为负引线，一端用胶粘剂固定在硅基PN下方的金层上，另一端用超声波点焊法焊接在底座的负电极上；

i）用胶粘剂将载带有金层和负引线的硅基PN结固定在陶瓷片的正中间；

j）将金线作为正引线，用超声波电焊法将一端焊接在环电极上，另一端焊接在正电极上；

k）上述步骤i和j中的焊点分别点一滴强力导电胶；

l）将FeNi可伐合金材质的外封装层覆盖在底座外部，在接口处用密封胶固定。

在以上制备过程中，PN结是在N型掺杂单晶硅基底上生长P型单晶硅，并在该N型掺杂单晶硅基底背面重掺杂磷作为N⁺重掺杂层制作而成。为了获取PN结与电极之间的欧姆接触，在PN结的背面蒸镀了一层金，然后将负引线的一端焊接在金面上，另一端焊接在底座的负电极上。硅基PN结的上表面沉积了一层Si₃N₄薄层，金丝材质的环电极被蒸镀在Si₃N₄薄层外沿，从而形成欧姆接触。正引线的一端焊接在环电极上，另一端焊接在底座的正电极上。其中，Si₃N₄层的作用是降低电子或空穴在表面的复合，以确保电子依次被环电极、正引线、正电极输导到输出回路中。为了避免氘化钛+氚化钛放射层在电池使用或组装过程中掉膜，在该放射层上面制备一层金属镍，一方面起着保护放射层的作用，另一方面起到辐射防护的效果。此外，背面蒸镀有金层的硅基PN结通过胶粘剂固定在陶瓷片上，该陶瓷片起到将PN结与底座绝缘的作用，避免电池的自短路。外封装层起着增强电池强度的作用。整个电池从外观上看是带有两个电极的纽扣型。

本发明采用的技术方案所依据的原理是：射线入射到换能单元中，激发半导体材料晶格原子的电子，促使电子从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对，然后在此电离效应的基础上，利用结区的内建电场实现电子与空穴的分离，并利用结区与两端电极的欧姆接触将电子引出，当接通外电路时即产生电流。同理，本发明所提到一种氚同位素微型电池实现电学输出的过程可以依次描述成四个步骤——电池内部的PN结由于不同掺杂的结果具有内建电场；氚发射的含能电子入射在PN结上并激发晶格原子的电子电离产生电子-空穴对；电子-空穴对在结区内建电场的作用下分别向结的两端移动；PN结与两端的电极欧姆接触，在外接负载的情况下，电极将移动过来的电子传导出来，从而在回路中形成电流和功率的输出。并且，300 K时，单晶硅开始产生原子位移效应所需的电子动能是0.155MeV～0.221MeV，因此，用氚作为微型同位素电池的驱动源时，其衰变放射出的电子不会使半导体材料硅中产生晶格原子位移效应，它的半衰期约为12.33年，能满足制作较长寿命电池的要求。

本发明的氚同位素微型电池用氘氚混合气制备氚钛源，并将氚钛源直接制作在换能单元活性区的直接加载方式，然后对放射源区施加保护层。本发明的氚同位素微型电池其输出电流和输出功率要高于间接加载法，并能在对源区表面起到保护作用的同时，将氚衰变过程中产生的氦量控制在安全范畴。本发明的氚同位素微型电池体型微小、工作时不需要外界提供能量，能够实现电流40nA～1μＡ、功率6nW～0.1μW、6年以上不间断地输出。本发明的制备方法安全可靠。

附图说明    

图1是本发明的一种氚同位素微型电池的结构示意图；

图中，1.外封装    2.环电极     3.正引线     4.正电极     5.金层     6.底座     7.氘化钛+氚化钛放射层     8.Si₃N₄层     9.硅基PN结     10.负电极     11.负引线     12.陶瓷片。  

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容进一步说明。

图1是本发明一种氚同位素微型电池的结构示意图。图1中，本发明的氚同位素微型电池含有换能单元和附属部件，所述换能单元包括氘化钛+氚化钛放射层7、Si₃N₄层8、硅基PN结9；附属部件包括外封装层1、环电极2、正引线3、正电极4、金层5、底座6、负电极10、负引线11、陶瓷片12；其连接关系是，Si₃N₄层8位于硅基PN结9上表面；环电极2在Si₃N₄层8的外延；硅基PN结9的下表面是金层5，负引线11的一端连接在金层5上，另一端连接在负电极10上；正引线3的一端连接在环电极2上，另一端连接在正电极4上；金层5的下方装配有陶瓷片12；陶瓷片12位于底座6正中央；外封装层1覆盖在底座6外部。

本发明的氚同位素微型电池其制备步骤如下：

a）选用掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3、厚度为100～300μm的N型单晶硅为衬底，在该衬底的上表面热扩散一层掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3、厚度为0.3～2.0μm的P型单晶硅层，然后在该衬底的下表面热扩散一层掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3、厚度为0.5～2.0μm的N⁺型单晶硅层，由此制备成硅基PN结9；

b）在硅基PN结9的上表面用气相沉积法淀积一层厚度为200～500?的Si₃N₄层8；

c）在Si₃N₄层8的外延蒸镀一个材质为金、环宽200～500μm、环高400～800?的环电极2；

d）在Si₃N₄层8的上表面蒸镀一层厚度为0.5～3μm的钛，然后在该金层上表面蒸镀一层厚度为20～50nm的镍；

e）用氘氚混合气体制备氘化钛+氚化钛放射层7；

f）在硅基PN结9的下表面蒸镀一层厚度为200～500?金层5；

g）用绝缘胶将陶瓷片12固定在底座6上表面的正中间；

h）将金线作为负引线11，一端用胶粘剂固定在硅基PN结9下方的金层5上，另一端用超声波点焊法焊接在底座6的负电极10上；

i）用胶粘剂将载带有金层5和负引线10的硅基PN结9固定在陶瓷片12的正中间；

j）将金线作为正引线3，用超声波电焊法将一端焊接在环电极2上，另一端焊接在正电极4上；

k）上述步骤i和j中的焊点分别点一滴强力导电胶；

l）将FeNi可伐合金材质的外封装层1覆盖在底座6外部，在接口处用密封胶固定。

Claims (2)

1.一种氚同位素微型电池，其特征是：所述的微型电池含有换能单元和附属部件，换能单元包括氘化钛+氚化钛放射层（7）、Si₃N₄层（8）、硅基PN结（9）；附属部件包括外封装层（1）、环电极（2）、正引线（3）、正电极（4）、金层（5）、底座（6）、负电极（10）、负引线（11）、陶瓷片（12）；其连接关系是，Si₃N₄层（8）位于硅基PN结（9）上表面；环电极（2）在Si₃N₄层（8）的外延；硅基PN结（9）的下表面是金层（5），负引线（11）的一端连接在金层（5）上，另一端连接在负电极（10）上；正引线（3）的一端连接在环电极（2）上，另一端连接在正电极（4）上；金层（5）的下方装配有陶瓷片（12）；陶瓷片（12）位于底座（6）正中央；外封装层（1）覆盖在底座（6）外部。

2.一种氚同位素微型电池的制备方法，包括如下步骤：

a）选用掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3、厚度为100～300μm的N型单晶硅为衬底，在该衬底的上表面热扩散一层掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3、厚度为0.3～2.0μm的P型单晶硅层，然后在该衬底的下表面热扩散一层掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3、厚度为0.5～2.0μm的N⁺型单晶硅层，由此制备成硅基PN结（9）；

b）在硅基PN结（9）的上表面用气相沉积法淀积一层厚度为200～500?的Si₃N₄层（8）；

c）在Si₃N₄层（8）的外延蒸镀一个材质为金、环宽200～500μm、环高400～800?的环电极（2）；

d）在Si₃N₄层（8）的上表面蒸镀一层厚度为0.5～3μm的钛，然后在该钛层上表面蒸镀一层厚度为20～50nm的镍；

e）用氘氚混合气体制备氘化钛+氚化钛放射层（7）；

f）在硅基PN结（9）的下表面蒸镀一层厚度为200～500?金层（5）；

g）用绝缘胶将陶瓷片（12）固定在底座（6）上表面的正中间；

h）将金线作为负引线（11），一端用胶粘剂固定在硅基PN（9）下方的金层（5）上，另一端用超声波点焊法焊接在底座（6）的负电极（10）上；

i）用胶粘剂将载带有金层（5）和负引线（10）的硅基PN结（9）固定在陶瓷片（12）的正中间；

j）将金线作为正引线（3），用超声波电焊法将一端焊接在环电极（2）上，另一端焊接在正电极（4）上；

k）上述步骤i和j中的焊点分别点一滴强力导电胶；

l）将FeNi可伐合金材质的外封装层（1）覆盖在底座（6）外部，在接口处用密封胶固定。