CN108807564A - 一种辐射光伏同位素电池封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辐射光伏同位素电池封装结构，该辐射光伏同位素电池由金属封装外壳、光伏换能器件、辐射发光器件以及电路板和压紧弹簧等组件构成。金属封装下壳包含由玻璃子烧结形成的密封电极，绝缘电极与下电路板上的电路相连，下电路板上焊接光电换能器件和弹簧顶针，下电路板与金属封装下壳烧结一体化；上电路板中间焊接光电换能器件，边缘设置压接台沿，上电路板通过其触点与下电路板上的弹簧顶针压接实现上下电路板电互联；该辐射光伏同位素电池将电池组件模块化设计，可在箱室内通过简易的装配实现压紧、焊封和电互联等制备。
Description
技术领域
本发明涉及同位素电池封装技术领域，尤其涉及一种以辐射光伏同位素电池的立体封装结构。
背景技术
同位素电池是利用同位素的衰变能转换成电能的一种特殊电池，具有结构紧凑、小尺寸、长寿命、可靠性高和免维护等优特点，是植入式微系统、无线传感器节点网络以及深海、深空长期供电的理想电源。目前，同位素电池按转换机制主要分为直接转换和间接转换。其中，辐射光伏间接转换同位素电池因其可靠性高，在微型同位素素电池中具有实际的应用价值。
辐射光伏同位素电池是指利用放射性衰变射线与荧光物质作用产生荧光后再通过光伏转换方式将衰变能转换成电能的装置。虽然辐射光伏同位素电池通过射线致光-光电二次转换，理论转换效率不如直接转换，但辐射光伏同位素电池在衰变致光能量转换过程中通过放射源与发光材料混合等方式提高了射线利用率（最高能达到22~25%），同时光伏转换技术成熟，光电转换效率最高达14%，其实际总转换效率并不比直接转换方式低，实际效率到达2%，并且辐射光伏同位素电池还具有射线不直接与半导体换能器件直接作用而避免半导体器件的辐射损伤，辐射光源技术成熟，形式多样，可满足各种场合需求，因此辐射光伏同位素电池从上世纪50年代就开始了相关的研究。Bower, K. E.等人在《Polymersphosphors and voltaics for radioisotope microbatteries》中总结了基于氚加载的辐射光伏同位素电池提高转换效率的几种方法，包括发为提高光利用率采用发光材料两面覆盖光伏换能器件以及为提高光伏转换效率采用光导聚光等措施。李宣成专利“一种同位素电池”授权号CN204440917U提出了光电转换板贴于导光盒外壁；刘建国专利“同位素β射线辐射荧光发光光伏电池”申请公布号CN106297936A，提出了采用三明治结构的辐射光伏同位素电池，采用薄膜放射源发光材料和光伏转化一体化的方式；赵一英等“一种高效的基于气态放射源的同位素电池” 申请公布号CN105788692A，提出了利用曲面反射发光和透镜聚光等措施提高光电转换效率。上述专利基本是对Bower, K. E.等总结的提高转换效率的具体化。
但是，上述所有的专利除CN105788692A给出了封装结构，其它的均只给出了芯体的原理性描述，对屏蔽壳或保护壳即封装没有具体化。上述电池均由多个组件构成，这些组件在装配制备同位素电池制备过程中，由于涉及放射性操作，在辐射场所许多作业自动化较难以实现，同时采用机械手也无法实现精细化操作（包括组件之间的固定、换能器件之间的电互联等），实际制备过程较难实现。
在电子元件金属封装结构中，下凹式是较为常用。但一般是将芯片固定在底座上，通过单面飞线实现电互联，最后再加盖保护盖。三维立体封装一直是电子元件金属封装的难点。对于金属封装壳内实现非焊接或粘接组件的固定以及电互联，难以实现。
发明内容
为解决同位素电池装配中对非焊接组件的固定，以及实现方便的电互联，本发明提供了一种辐射光伏同位素电池封装结构。通过电池组件的模块化，经简易装配实现电池封装的辐射光伏同位素电池封装结构。
本发明的辐射光伏同位素电池封装结构，由下至上分别由金属封装下壳、下电路板、辐射发光材料层、薄层放射源、上电路板、金属封装上壳、以及压紧弹簧片构成。其中金属封装下壳包含由玻璃子烧结形成的密封电极，绝缘电极与下电路板上的电路相连，下电路板上焊接光电换能器件和弹簧顶针，下电路板与金属封装下壳烧结一体化；上电路板中间焊接光电换能器件，边缘设置压接台沿以实现对发光材料层的压紧，上电路板通过其触点与下电路板上的弹簧顶针压接实现上下电路板电互联；金属封装上壳上焊接压紧弹簧片；金属封装下壳与金属封装上壳通过焊接实现封装密封。光伏换能器件与电路板的焊接、金属封装下壳上的绝缘密封电极与下电路板上的电互联以及压紧弹簧片与金属封装上壳之间的焊接均在装配前进行，形成模块化，以减少涉及放射性操作的装配步骤和操作难度。
所述金属封装壳材料为可阀合金；所述辐射发光材料为发光陶瓷或石英玻璃支撑涂覆发光粉材；所述光伏换能器件为硅基、砷化镓、锑化镉、镓铟粼等半导体材料的PN结二极管。
作为优选方案，所述发光陶瓷为Eu掺杂Y2O3或YAG或LuAG。所述石英玻璃支撑涂覆发光粉材为掺杂ZnS。
本发明的有益效果是：通过组件模块化设计，对需要精细操作进行预制，使模块之间的组装连接简单易行；在屏蔽箱室内，模块之间的组装连接可以通过机械手粗放操作实现，同时缩短涉及放射性作业时间，组件模块组装完成后经焊接制备辐射光伏同位素电池。同时本封装结构也可应用于三明治式辐伏同位素电池。
附图说明
图1为本发明的辐射光伏同位素电池封装结构的剖视图；
图2 为本发明中的上/下电路板及光伏环能器件一体剖视图；
图3 为本发明中的金属封装下壳一体俯视图；
图中，1.金属封装下壳 2.下电路板 3.辐射发光材料 4.薄层放射源 5.上电路板 6.金属封装上壳 7.压紧弹簧 8.弹簧顶针 9.玻璃绝缘子 10.密封电极 11.电路板支撑金属衬底 12.绝缘陶瓷层 13.光伏换能器件 14.电路层（含触点） 15.发光材料支撑台沿 16.定位分隔隔墙。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的辐射光伏同位素电池封装结构作进一步说明。
图1为本发明的辐射光伏同位素电池封装结构的剖视图；图2 为本发明中的上/下电路板及光伏环能器件一体剖视图；图3 为本发明中的金属封装下壳一体俯视图。
在图1~3中，金属封装下壳1为包含绝缘密封电极10的可阀合金材质的非标腔体，腔体壁厚1.5mm，腔体中间设定位分隔隔墙16，实现对发光材料体3和薄层放射源4的定位，同时将芯体与电互联实现分区；下电路板2为中间含陶瓷绝缘上下敷金的电路板，电路板上焊接弹簧顶针8，下电路板上焊接光电换能器件13；下电路板2与金属封装下壳1烧结一体化；下电路板2上电路与绝缘密封电极10通过飞线进行电互联，最终形成含光电换能器件及电互联的金属封装下壳模块。辐射发光材料3为厚度为2.5mm铕掺杂Y2O3，发光材料侧面度金反射层，形成发光模块。薄层放射源4为1mm厚双面金属密封90Sr/90Y源。上电路板5为1.5mm厚的可阀合金支撑层，四周设1.5mm厚的压紧台沿，支撑可阀合金层上敷设1mm厚陶瓷绝缘层，绝缘层上制备电路且设置触点；电路板与支撑可阀合金烧结实现一体化；电路层上焊接光伏换能器件13，最终形成上电路板模块。金属封装上壳6为带1.5mm厚导向台沿的厚1.5mm的可阀合金；压紧弹簧片7为厚0.1mm铍青铜悬臂式弹簧片，未压缩时最大高度2.5mm，弹簧片焊接在金属封装上壳6上，最终形成金属封装上壳模块。光伏换能器件13为单晶硅外延制备的PN结二级管。
电池装配过程为：将金属封装下壳模块固定，并将绝缘密封电极10与外接测试电路连接，然后依次装入发光陶瓷模块、薄层放射源4、发光陶瓷模块、上电路板模块以及金属封装上壳模块，并将上下金属封装壳模块压紧，测试电池输出性能，满足要求后，采用激光焊封方式，将金属封装下壳1与金属封装上壳6之间的接缝进行焊接密封，形成电池。
Claims (5)
1.一种辐射光伏同位素电池封装结构，其特征在于：所述的辐射光伏同位素电池封装结构由下至上分别由金属封装下壳（1）、下电路板（2）、辐射发光材料层（3）、薄层放射源（4）、上电路板（5）、金属封装上壳（6）以及压紧弹簧片（7）构成；其中金属封装下壳（1）包含由玻璃子（9）烧结形成的密封电极（10），绝缘电极（10）与下电路板（2）上的电路相连，下电路板（2）上焊接光电换能器件（13）和弹簧顶针（8），下电路板（2）与金属封装下壳（1）烧结一体化；上电路板（5）中间焊接光电换能器件（13），边缘设置压接台沿，上电路板（5）通过其触点与下电路板（2）上的弹簧顶针（8）压接实现上下电路板电互联；金属封装上壳（6）上焊接压紧弹簧片（7）；金属封装下壳（1）与金属封装上壳（6）通过焊接密封；光伏换能器件（13）与电路板的焊接、金属封装下壳（1）上的绝缘密封电极（10）与下电路板（2）上的电互联以及压紧弹簧片（7）与金属封装上壳（6）之间的焊接均在装配前进行，形成模块化。
2.根据权利要求1所述的辐射光伏同位素电池封装结构，其特征在于：所述的金属封装壳体材质为可发合金，金属腔体内部分隔，实现芯体定位和芯体与连接电路分区。
3.根据权利要求1所述的辐射光伏同位素电池封装结构，其特征在于：所述的电路板采用金属衬底上敷设陶瓷绝缘的电路板。
4.根据权利要求1所述的辐射光伏同位素电池封装结构，其特征在于：所述的上下电路板之间的电互联采用镀金弹簧顶针压接实现。
5.根据权利要求1所述的辐射光伏同位素电池封装结构，其特征在于：所述的金属封装下壳（1）与金属封装上壳（6）通过焊接实现封装密封和封装内部组件压实固定以及上下电路板电互联。
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