CN105741900B - 微机电系统核电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微机电系统核电池。所述微机电系统核电池包括：基底；悬臂梁结构，所述悬臂梁结构悬空设置，且通过固定端部固定于基底侧壁，所述悬臂梁结构包括放射部分和压电部分，放射部分位于所述悬臂梁结构的自由端部，所述压电部分位于所述悬臂梁结构的固定端部；放射单元，设置在所述基底上的与所述悬臂梁结构的放射部分相对应的位置，用于向所述放射部分发射电子，其中，所述放射部分的宽度大于所述压电部分的宽度。

Description

微机电系统核电池
技术领域
本发明涉及微机电系统领域，具体地涉及一种微机电系统核电池。
背景技术
随着科技的发展，各种设备的尺寸越来越小，微机电系统(MEMs，Micro-Electro-Mechanical System)在多个领域有着越来越广泛地应用。然而，MEMs的发展受到了两大因素的限制，一是MEMs缺乏能够远程操作的设备功率，二是MEMs的实现需要具有高功率密度和长寿命的电源。为了解决这些问题，尝试了多种类型的电源来为MEMs供电，比如化石燃料、太阳能等。但这些类型的电源都需要进行充电或补充燃料，这对于MEMs设备来讲是难以实现的。并且，这些电源还存在其他缺陷，比如，化石燃料对环境有着负面的影响。核电池能够克服上述两大限制并且无需进行充电，因此成为MEMs设备电源的候选。
悬臂梁是MEMs中最常用的部件之一，悬臂梁的一端固定，一端自由，因此而得名。MEMs核电池正是利用了悬臂梁的结构实现的。图1A示出了一种MEMs核电池的示意图，而图1B则示出了该MEMs核电池中的悬臂梁结构的形状示意图(从图1A的上方向下方看去的方向)。在图1A中，常规MEMs核电池100包括基底130、悬臂梁结构110和放射单元120。参见图1B，所述悬臂梁结构110为扁平矩形条状，其包括一个自由端部110a和一个固定端部110b。所述悬臂梁结构110悬空设置，且通过固定端部固定于基底130的侧壁。具有放射性材料的放射单元120在所述基底上，并位于所述悬臂梁结构的自由端部110a下方，用于向所述悬臂梁结构110的自由端部110a发射电子。
放射单元120向悬臂梁结构110发射电子，从而放射单元带有正电荷。由此，在放射单元120和悬臂梁结构110的自由端部110a之间形成静电场。悬臂梁110受在静电力的吸引作用下向放射单元120弯曲。当悬臂梁与放射性材料中和时，正负电荷中和，静电力消失，悬臂梁向上弹开，并开始振荡。随后，振荡逐渐减缓并最终停止。之后，放射单元120可以重新发射电子，以开始一个新的振荡周期。每个振荡周期中，悬臂梁结构110的振荡通过其固定端部的压电材料将机械能转换成逐渐变小的电流脉冲(如图4所示)。从而，通过以上工作原理，悬臂梁核电池将放射性材料的核能转换成机械能，并进一步将机械能转换成电能，从而实现了核电池。
然而，现有的悬臂梁式核电池所能转换的电能有限，需要一种能够更高效地为MEMs设备供电的电源。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种微机电系统核电池。
根据本发明的一个方面，提出了一种微机电系统核电池，包括：基底；悬臂梁结构，所述悬臂梁结构悬空设置，且通过固定端部固定于基底侧壁，所述悬臂梁结构包括放射部分和压电部分，放射部分位于所述悬臂梁结构的自由端部，所述压电部分位于所述悬臂梁结构的固定端部；放射单元，设置在所述基底上的与所述悬臂梁结构的放射部分相对应的位置，用于向所述放射部分发射电子，其中，所述放射部分的宽度大于所述压电部分的宽度。
优选地，所述放射单元包括：上放射源和下放射源，分别布置在所述放射部分的上方和下方。
优选地，所述微机电系统核电池还包括：放射源控制模块，用于控制所述放射单元发射电子。
优选地，所述放射源控制模块控制所述放射单元周期性地发射电子。
优选地，所述放射源控制模块控制所述上放射源和所述下放射源交替地发射电子。
优选地，所述悬臂梁结构与所述上放射源和所述下放射源之一的距离更近。
优选地，所述压电部分包括压电材料。
优选地，所述微机电系统核电池还包括：直流转换模块，连接到所述悬臂梁结构的压电部分。
优选地，所述直流转换模块包括用于实现以下功能中的至少一项的功能模块：变压、整流、滤波、稳压。
优选地，所述放射单元包括β放射源。
优选地，所述放射部分与所述压电部分通过位于其间的连接部分连接。
通过使用本发明所提出的微机电系统核电池，能够提供更高效地为微机电设备供电的电源。
附图说明
图1A示出了根据现有技术的MEMs核电池的结构的示意图；
图1B示出了根据现有技术的MEMs核电池中的悬臂梁结构的形状示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的MEMs核电池中的悬臂梁结构的形状示意图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的MEMs核电池的结构示意图；
图4示出了根据本发明的一种实施例的MEMs核电池产生的脉冲电流的示例波形图样；
图5示出了根据一示例性实施例的变压模块和整流模块的示例电路图；以及
图6示出了根据一示例性实施例的滤波模块和稳压模块的示例电路图。
具体实施方式
以下参考附图对本发明进行具体描述。
图2示出了根据本发明的一个实施例的MEMs核电池200中的悬臂梁结构210的形状示意图。根据所述实施例的MEMs核电池200的其他部分可参见图1中所示的结构。
具体来讲，根据所述实施例的微机电系统核电池200包括基底230(只示出了基底的侧壁)、悬臂梁结构210和放射单元(图2中未示出)。所述悬臂梁结构210悬空设置，且通过固定端部固定于所述基底侧壁。所述悬臂梁结构210包括放射部分210a和压电部分210b。所述放射部分210a位于所述悬臂梁结构210的自由端部，所述压电部分210b位于所述悬臂梁结构210的固定端部。所述放射单元设置在所述基底上的与所述悬臂梁结构210的放射部分210a相对应的位置，用于向所述放射部分210a发射电子。
从图2中可见，所述放射部分210a的宽度大于所述压电部分210b的宽度。通过对所述放射部分210a的宽度与所述压电部分210b的宽度的比进行选择来实现合适的性能。宽度比过大，悬臂梁易折损；宽度比过小，则悬臂梁刚性太大。优选地，所述宽度比在2.5至6之间。
所述放射部分210a与所述压电部分210b通过位于其间的连接部分连接，并一起构成悬臂梁结构210。在图2中示出了具有特定长度的放射部分210a、压电部分210b和连接部分。但是应当理解的是，放射部分210a、压电部分210b和连接部分的长度并不限于此。举例来讲，在一种特定实施例中，所述悬臂梁结构可将压电部分210b和放射部分210a直接接合，而不具有位于其间的连接部分。
此外，在图2中示出了压电部分210b与连接部分具有相同的宽度(均小于放射部分210a)。但是应当理解的是，放射部分210a、压电部分210b和连接部分的宽度并不限于此。举例来讲，在一种特定实施例中，所述压电部分210b可与所述连接部分具有不同的宽度。
此外，在图2中示出了放射部分210a、压电部分210b和连接部分均为矩形。但是应当理解的是，放射部分210a、压电部分210b和连接部分的形状不限于此。举例来讲，在一种特定实施例中，放射部分210a、压电部分210b和连接部分中的至少一个可以为锥形板、圆形板或梯形板等。在这种情况下，所述悬臂梁结构210中的任一部分的宽度为该部分在与悬臂梁结构的长度方向垂直的方向的最大宽度。
接下来参见图3，图3示出了根据本发明的一个实施例的MEMs核电池300的结构示意图。从图3中可见，MEMs核电池300的放射单元320包括上放射源320b和下放射源320a。所述上放射源320b和下放射源320a分别布置在所述悬臂梁结构310的放射部分310a的上方和下方。所述放射单元包括的放射源可以是β放射源。所述放射源的材料可为P35。
在图3中，所述上放射源320b和下放射源320a被示为从所述核电池300的基底的内表面突出。但是应当理解的是，上放射源320b和下放射源320a的结构并不限于此。举例来讲，在一种特定实施例中，上放射源320b和下放射源320a是嵌入到所述内表面中的特定组块。在另一种特定实施例中，上放射源320b和下放射源320a被形成为与所述放射部分310a相对应的基底的上内表面和下内表面处的放射性涂层。
根据本发明任一实施例，所述MEMs核电池还可包括放射源控制模块。所述放射源控制模块用于控制放射单元(如图3中的上放射源320b和下放射源320a)发射电子。优选地，所述放射源控制模块可以控制所述放射单元周期性地发射电子。
在根据图3的实施例中，所述放射源控制模块可以控制所述上放射源320b和所述下放射源320a交替地发射电子。优选地，所述下放射源320a的电子发射模式与图1所示的MEMs核电池中相同，所述上放射源320b则在悬臂梁结构310从下方向上反弹到最高点时开始发射电子，所述时间的选择可以根据通过悬梁臂结构310的物理参数所确定的振子振动周期进行估计。然而，本发明并不限于此，还可以在实践中采用任意合适地时间间隔来使所述上放射源320b和所述下放射源320a交替地发射电子。
从图3中可以看出，所述悬臂梁结构310与所述上放射源320b之间的距离小于其与所述下放射源320a之间的距离，这样能够防止发生悬臂梁无法起震的情况。但应当理解的是，所述距离关系不限于此。在其他实施例中，所述悬臂梁结构310与所述上放射源320b之间的距离可以大于或等于其与所述下放射源320a之间的距离。
根据本发明的任一实施例，所述MEMs核电池还可包括直流转换模块。所述直流转换模块连接到所述悬臂梁结构的压电部分，用于将通过悬臂梁结构的振荡转换成的电流脉冲转换成直流电流。
优选地，所述直流转换模块还包括用于实现以下功能中的至少一项的功能模块：变压、整流、滤波、稳压。具体地，在图5中示出了根据一示例性实施例的变压模块和整流模块的示例电路图，并且在图6中示出了根据一示例性实施例的滤波模块和稳压模块的示例电路图。
根据本发明的任一实施例，所述压电部分包括压电材料,如PIZ材料。
尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。

Claims (10)

1.一种微机电系统核电池，其特征在于，包括：
基底；
悬臂梁结构，所述悬臂梁结构悬空设置，且通过固定端部固定于基底侧壁，所述悬臂梁结构包括放射部分和压电部分，所述放射部分位于所述悬臂梁结构的自由端部，所述压电部分位于所述悬臂梁结构的固定端部；
放射单元，位于所述基底上且与所述悬臂梁结构的放射部分相对地设置，用于向所述放射部分发射电子，
其中，所述放射部分的宽度大于所述压电部分的宽度，
其中，所述放射单元包括上放射源和下放射源，所述上放射源和所述下放射源分别在所述放射部分的上方和下方与所述放射部分相对地设置。
2.根据权利要求1所述的微机电系统核电池，还包括：放射源控制模块，用于控制所述放射单元发射电子。
3.根据权利要求2所述的微机电系统核电池，其中，所述放射源控制模块控制所述放射单元周期性地发射电子。
4.根据权利要求1所述的微机电系统核电池，还包括：放射源控制模块，用于控制所述上放射源和所述下放射源交替地发射电子。
5.根据权利要求1所述的微机电系统核电池，其中，所述悬臂梁结构与所述上放射源和所述下放射源之一的距离更近。
6.根据权利要求1所述的微机电系统核电池，所述压电部分包括压电材料。
7.根据权利要求1所述的微机电系统核电池，还包括：
直流转换模块，电连接到所述悬臂梁结构的压电部分。
8.根据权利要求7所述的微机电系统核电池，所述直流转换模块还包括用于实现以下功能中的至少一项的功能模块：变压、整流、滤波、稳压。
9.根据权利要求1所述的微机电系统核电池，其中，所述放射单元包括β放射源。
10.根据权利要求1所述的微机电系统核电池，其中，所述放射部分与所述压电部分通过位于其间的连接部分连接。
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