RU2643151C1

RU2643151C1 - Radioisotope mechanoelectric generator

Info

Publication number: RU2643151C1
Application number: RU2016147340A
Authority: RU
Inventors: Михаил Давыдович Малинкович; Александр Сергеевич Быков; Роман Николаевич Жуков; Илья Викторович Кубасов; Юрий Николаевич Пархоменко; Дмитрий Александрович Киселев; Андрей Андреевич Полисан; Александр Анатольевич Темиров; Сергей Владимирович Ксенич
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2018-01-31

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: invention relates to radioisotope mechano-electric generators with a piezoelectric cantilever. Device includes a separately located radioisotope DC power source in the form of a plane-parallel capacitor, one plate of which, being fixed on the first metal board and containing a film of the radioactive isotope, is an emitter, and the second one is a collector. Also, there is a support made of a dielectric material and located outside the radioactive isotope zone, having an elastic cantilever beam protruding from it which is a piezoelectric transducer. Cantilever beam is made of a piezoelectric monocrystalline material with a bidomene structure and contains electrodes of a piezoelectric transducer on the surfaces made of a thin-film metal coating to which the output voltage terminals are connected. At the same time, one of the electrodes is electrically connected to the collector, the support of the cantilever beam contains a through hole providing the possibility of adjusting the beam reach, and metal locks of the beam position, which are also contacts for electrical leads.

EFFECT: technical result is the widening of the scope of application due to the possibility of selecting and adjusting the frequency of the output AC voltage by changing the length of the free part of the cantilever beam during the assembly process.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к радиоизотопным микромеханическим и микроэлектромеханическим устройствам и, в частности, к радиоизотопным механо-электрическим генераторам с пьезоэлектрическим кантилевером.The invention relates to radioisotope micromechanical and microelectromechanical devices and, in particular, to radioisotope mechanical-electric generators with a piezoelectric cantilever.

В настоящее время существуют все возрастающие потребности высокотехнологичных секторов экономики, таких как ядерная энергетика, авиакосмическая техника, нано- и микроэлектроника (в том числе МЭМС/НЭМС, МОЭМС/НОЭМС), биомедицина, специальная техника (в том числе системы безопасности и контроля), в необслуживаемых источниках энергообеспечения с длительным сроком эксплуатации. Вместе с тем наблюдается усиление тенденций по наращиванию присутствия в Арктике и освоения Сибири, для чего необходимо предусмотреть создание сети автономного навигационного оборудования, систем телеметрии и метеорологии, позволяющей производить онлайн-мониторинг широкого спектра параметров, а также позволяющей повысить точность позиционирования навигационной системы ГЛОНАСС в приполярных широтах. Разработка компактных необслуживаемых элементов питания повышенного срока службы способствует созданию существенного стратегического задела с возможностью занятия лидирующих мировых позиций в данной отрасли.Currently, there are ever-increasing needs of high-tech sectors of the economy, such as nuclear energy, aerospace technology, nano- and microelectronics (including MEMS / NEMS, MOEMS / NOEMS), biomedicine, special equipment (including safety and control systems), in maintenance-free sources of energy supply with a long service life. At the same time, there is an increasing tendency to increase the presence in the Arctic and the development of Siberia, for which it is necessary to provide for the creation of a network of autonomous navigation equipment, telemetry and meteorology systems, which allows online monitoring of a wide range of parameters, as well as improves the positioning accuracy of the GLONASS navigation system in the polar latitudes. The development of compact maintenance-free batteries with an extended service life contributes to the creation of a significant strategic reserve with the possibility of occupying a leading world position in this industry.

Известно устройство (US 6479920 B1, опубликован 12.11.2002), содержащее плату с закрепленным на ней пленочным источником β-излучения (эмиттер) и расположенный параллельно плате упругий кантилевер, один конец которого закреплен на опоре, причем на закрепленном конце кантилевера расположен пьезоэлектрический элемент с выводами выходного напряжения, а на свободном конце кантилевера расположен металлический абсорбер β-излучения (коллектор).A device is known (US 6479920 B1, published 12.11.2002), comprising a board with a fixed β-radiation source (emitter) mounted on it and an elastic cantilever parallel to the board, one end of which is fixed to a support, and a piezoelectric element with the output voltage terminals, and at the free end of the cantilever is a metal β-radiation absorber (collector).

В этом устройстве коллектор собирает электроны, излучаемые источником β-излучения, а положительные заряды остаются в радиоактивном источнике. Результирующая электростатическая сила перемещает кантилевер в сторону источника. Когда расположенный на кантилевере коллектор касается эмиттера, заряды нейтрализуются и из-за упругости кантилевера он возвращается обратно в исходное положение. Затем этот цикл повторяется и кантилевер в этом устройстве является самовозвратным.In this device, the collector collects the electrons emitted by the β-radiation source, and positive charges remain in the radioactive source. The resulting electrostatic force moves the cantilever toward the source. When the collector located on the cantilever touches the emitter, the charges are neutralized and, due to the elasticity of the cantilever, it returns to its original position. Then this cycle repeats and the cantilever in this device is self-returning.

К недостаткам этого устройства относится то, что при работе генератора происходит изгиб свободного конца кантилевера на всем пути через зазор между коллектором и эмиттером, обеспечивающий короткое замыкание пары эмиттер-коллектор, что требует последующей зарядки коллектора, начиная от нулевого потенциального уровня. Кроме того, в этом устройстве электроны эмиттируются на изгибающийся кантилевер и по мере сближения коллектора с эмиттером эффективное электрическое поле между ними резко возрастает, что приводит к увеличению скорости ионизации молекул газа в зазоре эмиттер-коллектор и может привести к большим токам утечки.The disadvantages of this device include the fact that during operation of the generator, the free end of the cantilever bends all the way through the gap between the collector and the emitter, which ensures a short circuit of the emitter-collector pair, which requires subsequent charging of the collector, starting from the zero potential level. In addition, in this device, electrons are emitted to a bending cantilever and, as the collector approaches the emitter, the effective electric field between them sharply increases, which leads to an increase in the ionization rate of gas molecules in the emitter-collector gap and can lead to large leakage currents.

Известно также устройство (US 0273244 A1, опубл. 29.11.2007) (прототип), в котором используется отдельно расположенный радиоизотопный источник постоянного напряжения в виде плоскопараллельного конденсатора, одна обкладка которого, содержащая пленку радиоактивного изотопа, является эмиттером, а вторая обкладка которого, являющаяся коллектором, выполнена из металла с высокой электропроводностью. Устройство содержит также расположенные вне зоны действия радиоактивного изотопа опору из диэлектрического материала с выступающей из нее упругой балкой-кантилевером, выполненной из металла или кремния, пьезоэлектрический преобразователь, электрически соединенный с коллектором и содержащий выводы выходного напряжения, металлическую плату, расположенную параллельно балке на некотором расстоянии от нее, электрически связанную с подложкой пленки радиоактивного изотопа и находящуюся под потенциалом эмиттера.A device is also known (US 0273244 A1, published on November 29, 2007) (prototype), which uses a separately located radioisotope constant voltage source in the form of a plane-parallel capacitor, one lining of which containing a film of a radioactive isotope is an emitter, and the second lining of which is a collector made of metal with high electrical conductivity. The device also contains a support made of a dielectric material with an elastic cantilever beam made of metal or silicon protruding from it, a piezoelectric transducer electrically connected to the collector and containing output voltage leads, a metal board located parallel to the beam at some distance from it, electrically connected to the substrate of the film of a radioactive isotope and located under the emitter potential.

Собранный на коллекторе заряд распределяется между плоскопараллельным конденсатором эмиттер-коллектор и отдельно расположенным конденсатором с изменяющейся емкостью, который формируется в зазоре между балкой-кантилевером и металлической платой, расположенной параллельно балке-кантилеверу и находящейся под потенциалом эмиттера.The charge collected on the collector is distributed between a plane-parallel emitter-collector capacitor and a separately located capacitor with a varying capacity, which is formed in the gap between the cantilever beam and the metal plate located parallel to the cantilever beam and located under the emitter potential.

Конденсатор эмиттер-коллектор теряет заряд через ток смещения и ионизационные утечки, но увеличение расстояния между эмиттером и коллектором позволяет снизить электрическое поле в плоскопараллельном конденсаторе и ток ионизации может быть сведен к минимуму. В отдельно расположенном конденсаторе кантилевер - металлическая плата ток ионизации отсутствует.The emitter-collector capacitor loses charge through the bias current and ionization leakage, but increasing the distance between the emitter and the collector can reduce the electric field in the plane-parallel capacitor and the ionization current can be minimized. In a separately located capacitor, the cantilever - metal board has no ionization current.

Расположенная вне зоны действия радиоактивного изотопа балка-кантилевер постоянно находится под потенциалом коллектора, а металлическая плата, расположенная параллельно балке-кантилеверу на некотором расстоянии от нее, находится под потенциалом эмиттера. При самовозбуждении упругой балки-кантилевера имеет место ее изгиб в небольшой части зазора и происходит непрерывная вибрация балки-кантилевера, а пьезоэлектрическая сборка непрерывно генерирует переменное напряжение.The cantilever beam located outside the radioactive isotope area is constantly under the collector potential, and the metal plate, parallel to the cantilever beam at a certain distance from it, is under the emitter potential. When the elastic cantilever beam is self-excited, it bends in a small part of the gap and the cantilever beam continuously vibrates, and the piezoelectric assembly continuously generates an alternating voltage.

Недостатком этого устройства является невозможность подбора и регулировки периода колебания балки-кантилевера в процессе сборки устройства, который зависит как от упругости и сечения балки, так и от длины свободной части балки.The disadvantage of this device is the inability to select and adjust the period of oscillation of the beam-cantilever in the assembly process of the device, which depends both on the elasticity and cross-section of the beam, and on the length of the free part of the beam.

Техническим результатом является расширение области применения путем создания возможности подбора и регулировки изменять частоту выходного переменного напряжения за счет изменения длины свободной части балки-кантилевера в процессе сборки.The technical result is to expand the scope by creating the possibility of selection and adjustment to change the frequency of the output alternating voltage by changing the length of the free part of the cantilever beam during assembly.

Это достигается тем, что в конструкции радиоизотопного механо-электрического генератора, включающей отдельно расположенный радиоизотопный источник постоянного напряжения в виде плоскопараллельного конденсатора, одна обкладка которого, закрепленная на металлической плате и содержащая пленку радиоактивного изотопа, является эмиттером, а вторая обкладка которого, являющаяся коллектором, выполнена из металла с высокой электропроводностью; включающей расположенные вне зоны действия радиоактивного изотопа опору из диэлектрического материала с выступающей из нее упругой балкой-кантилевером, пьезоэлектрический преобразователь, электрически соединенный с коллектором и содержащий выводы выходного напряжения, включающий металлическую плату, расположенную параллельно балке на некотором расстоянии от нее, электрически соединенную с металлической платой эмиттера и находящуюся под потенциалом эмиттера, в отличие от известного технического решения балка-кантилевер выполнена из пьезоэлектрического монокристаллического материала с бидоменной структурой, содержит на верхней поверхности тонкопленочное металлическое покрытие-электрод пьезоэлектрического преобразователя, а на нижней поверхности содержит трехслойное тонкопленочное покрытие, где первый слой, выполненный из металла, - электрод пьезоэлектрического преобразователя, второй слой - тонкопленочное диэлектрическое покрытие, третий слой, выполненный из металла, - потенциальный электрод балки-кантилевера, а опора балки-кантилевера, выполненная из диэлектрического материала, содержит сквозной проем, обеспечивающий возможность регулировки вылета балки, и содержит металлические фиксаторы положения балки, являющиеся также контактами для электровыводов и выводы выходного напряжения механо-электрического генератора от нижнего электрода кантилевера и верхнего электрода кантилевера через верхний металлический фиксатор.This is achieved by the fact that in the design of the radioisotope mechanoelectric generator, including a separately located radioisotope constant voltage source in the form of a plane-parallel capacitor, one lining of which, mounted on a metal plate and containing a film of a radioactive isotope, is an emitter, and the second lining of which, which is a collector, made of metal with high electrical conductivity; including a support made of a dielectric material with an elastic cantilever beam protruding from it, a piezoelectric transducer electrically connected to the collector and containing output voltage leads including a metal board located parallel to the beam at some distance from it, electrically connected to a metal by the emitter board and under the emitter potential, in contrast to the known technical solution, the cantilever beam is made of a piezoelectric monocrystalline material with a bidomenon structure, contains a thin-film metal coating-electrode of the piezoelectric transducer on the upper surface, and a three-layer thin-film coating on the lower surface, where the first layer made of metal is the piezoelectric transducer electrode, the second layer is a thin-film dielectric coating, the third the layer made of metal is the potential electrode of the cantilever beam, and the support of the cantilever beam made of di The electrical material comprises a through opening, is capable of adjusting the beam emission, and comprises metallic clips beam position, contacts are also to elektrovyvodov and output voltage terminals mechano-electrical generator from the lower electrode and the upper electrode cantilever cantilever through upper metal retainer.

Введение в конструкцию радиоизотопного механо-электрического генератора балки-кантилевера, выполненной из пьезоэлектрического монокристаллического материала с бидоменной структурой и содержащей на верхней и нижней поверхностях систему тонкопленочных электродов, позволило, в отличие от прототипа, использовать плоскую балку-кантилевер без жесткой фиксации на ее поверхности отдельной пьезоэлектрической сборки. Это в свою очередь позволяет при регулировке выходных характеристик радиоизотопного механо-электрического генератора осуществлять перемещение балки-кантилевера в направлении, перпендикулярном опоре через сквозной проем, изменяя тем самым колебания балки-кантилевера и соответственно частоту переменного выходного напряжения.Introduction to the design of the radioisotope mechanoelectric generator of a cantilever beam made of a piezoelectric monocrystalline material with a bi-domain structure and containing a system of thin-film electrodes on the upper and lower surfaces made it possible, in contrast to the prototype, to use a flat cantilever beam without rigid fixation on its surface separately piezoelectric assembly. This in turn allows for adjusting the output characteristics of the radioisotope mechanoelectric generator to move the cantilever beam in the direction perpendicular to the support through the through opening, thereby changing the oscillations of the cantilever beam and, accordingly, the frequency of the alternating output voltage.

Сущность изобретения поясняется чертежом радиоизотопного механо-электрического генератора.The invention is illustrated by a drawing of a radioisotope mechanoelectric generator.

Устройство содержит: основание 1, металлическую плату 2 эмиттера, эмиттер 3, содержащий пленку радиоактивного изотопа-источника β-излучения, диэлектрические опоры 4 коллектора, коллектор 5, электрическое соединение 6 коллектора с металлическим электродом балки-кантилевера через нижний металлический фиксатор, выводы 7 выходного напряжения механо-электрического генератора от электродов кантилевера через металлические фиксаторы, диэлектрическую опору 8 балки-кантилевера, верхний и нижний фиксаторы 9 балки-кантилевера в опоре, электроды 10 пьезоэлектрического элемента-кантилевера, пьезоэлектрическую балку-кантилевер 11, металлическую плату 12 кантилевера, электрическое соединение 13 металлической платы эмиттера с металлической платой кантилевера.The device comprises: a base 1, a metal board 2 emitters, an emitter 3 containing a film of a radioactive isotope source of β radiation, dielectric supports 4 collectors, a collector 5, an electrical connection 6 of the collector with a metal electrode of a cantilever beam through a lower metal retainer, outputs 7 output voltage of the mechanical-electric generator from the cantilever electrodes through metal clamps, dielectric support 8 of the cantilever beam, upper and lower clamps 9 of the cantilever beam in the support, electrodes 10 p ezoelektricheskogo element-cantilever, a piezoelectric cantilever beam 11, the metal board 12 of the cantilever, the electrical connection of the metal board 13 with emitter metal plate cantilever.

Реализация предлагаемой конструкции осуществляется следующим образом.The implementation of the proposed design is as follows.

Устройство смонтировано на основании 1. Отдельно расположенный радиоизотопный источник постоянного напряжения в виде плоскопараллельного конденсатора, одна обкладка которого, закрепленная на медной плате 2 и содержащая пленку радиоактивного изотопа Ni-63 размером 5×5 мм, является эмиттером 3, а вторая обкладка которого размером 7×7 мм, являющаяся коллектором 5, выполнена из металла. Плата 2 и коллектор 5 имеют контактный зажим для подсоединения провода. Фторопластовые опоры коллектора 4 винтового типа позволяют регулировать зазор эмиттер-коллектор в интервале 0-1 мм для установки необходимого постоянного напряжения. Коллектор 5 собирает электроны, излучаемые радиоактивным изотопом Ni-63, а положительные заряды остаются на эмиттере. Конденсатор эмиттер-коллектор теряет заряд через ток смещения и ионизационные утечки, но увеличение расстояния между эмиттером и коллектором позволяет снизить электрическое поле в плоскопараллельном конденсаторе и ток ионизации может быть сведен к минимуму (в соответствии с методикой, описанной в прототипе US 0273244 A1).The device is mounted on the base 1. A separately located radioisotope constant voltage source in the form of a plane-parallel capacitor, one lining of which is fixed on a copper board 2 and containing a 5 × 5 mm Ni-63 radioactive isotope film, is an emitter 3, and the second lining of which is 7 in size × 7 mm, which is the collector 5, is made of metal. The board 2 and collector 5 have a contact clip for connecting the wire. The fluoroplastic supports of the collector 4 screw type allow you to adjust the emitter-collector clearance in the range of 0-1 mm to set the required constant voltage. The collector 5 collects the electrons emitted by the radioactive isotope Ni-63, and positive charges remain on the emitter. The emitter-collector capacitor loses charge through the bias current and ionization leakage, but increasing the distance between the emitter and the collector can reduce the electric field in the plane-parallel capacitor and the ionization current can be minimized (in accordance with the method described in the prototype US 0273244 A1).

Отдельно расположенный блок кантилевера содержит опору балки-кантилевера 8, выполненную из фторопласта и закрепленную вертикально на основании 1. Балка-кантилевер 8 содержит сквозной проем, обеспечивающий возможность регулировки вылета балки, и содержит металлические фиксаторы 9 положения балки, являющиеся также контактами для электровыводов, и выводы выходного напряжения механо-электрического генератора от нижнего электрода кантилевера и верхнего электрода кантилевера через верхний металлический фиксатор. Верхний и нижний фиксаторы балки выполнены из металла, причем нижний фиксатор жестко закреплен в проеме опоры, а верхний подпружиненный фиксатор поджимается к балке винтом с верхнего торца опоры. Фиксаторы имеют контактный зажим для подсоединения провода.A separately located cantilever unit contains a cantilever beam support 8 made of fluoroplastic and mounted vertically on the base 1. The cantilever beam 8 contains a through opening providing the possibility of adjusting the beam ejection, and contains metal clamps 9 of the beam position, which are also contacts for electrical outputs, and conclusions of the output voltage of the mechanoelectric generator from the lower cantilever electrode and the upper cantilever electrode through the upper metal retainer. The upper and lower clamps of the beam are made of metal, with the lower clamp rigidly fixed in the opening of the support, and the upper spring-loaded clamp is pushed to the beam with a screw from the upper end of the support. The clips have a contact clip for connecting the wire.

Балка-кантилевер 11 выполнена из монокристаллического ниобата лития со сформированной бидоменной структурой, имеет размеры 25×5×0,2 мм, задаваемые требованием наличия заданной частоты собственных колебаний консоли после релаксации заряда и имеет 2 плоскопараллельные грани. Предварительно глубина залегания и морфология доменной структуры изучается методом селективного травления. Тонкопленочные электроды пьезоэлектрического элемента-кантилевера 10 сформированы по всей площади верхней и нижней поверхностей балки методом магнетронного распыления.The cantilever beam 11 is made of monocrystalline lithium niobate with a bi-domain structure formed, has dimensions 25 × 5 × 0.2 mm, specified by the requirement of having a given cantilever natural vibration frequency after charge relaxation, and has 2 plane-parallel faces. Previously, the depth and morphology of the domain structure are studied by selective etching. Thin film electrodes of the piezoelectric cantilever element 10 are formed over the entire area of the upper and lower surfaces of the beam by magnetron sputtering.

Блок кантилевера содержит металлическую плату 12, расположенную параллельно балке на некотором расстоянии от нее. Металлическая плата расположена перпендикулярно опоре 8 между балкой кантилевера 11 и основанием 1, содержит на торце выемку с размером, равным сечению опоры 8 для перемещения по высоте опоры при регулировке зазора между потенциальным электродом балки кантилевера и металлической платой, и содержит фиксатор положения платы на опоре.The cantilever block contains a metal plate 12 located parallel to the beam at a certain distance from it. The metal board is located perpendicular to the support 8 between the cantilever beam 11 and the base 1, contains a recess at the end face with a size equal to the cross section of the support 8 for moving along the height of the support when adjusting the gap between the potential electrode of the cantilever beam and the metal board, and contains a plate position lock on the support.

За счет электрического соединения 6 электрод балки-кантилевера 10 постоянно находится под потенциалом коллектора 5. За счет электрического соединения 13 металлическая плата кантилевера 12 постоянно находится под потенциалом эмиттера 2. Электростатическое притяжение вызывает изгиб упругой балки-кантилевера в небольшой части зазора, а затем из-за упругости кантилевера он возвращается в исходное положение. Этот цикл повторяется и пьезоэлектрическая сборка 10, 11, 12 непрерывно генерирует переменное синусоидальное напряжение, частота которого зависит от свойств балки (упругость, размеры) и от зазора между потенциальным электродом балки кантилевера и металлической платой и длины вылета балки кантилевера. В заявляемом устройстве, в отличие от прототипа, существует возможность регулировки независимых от свойств балки параметров и, как следствие, возможность устанавливать требуемую частоту выходного напряжения.Due to the electrical connection 6, the electrode of the cantilever beam 10 is constantly under the potential of the collector 5. Due to the electrical connection 13, the metal board of the cantilever 12 is constantly under the potential of the emitter 2. Electrostatic attraction causes the elastic cantilever beam to bend in a small part of the gap, and then due to the elasticity of the cantilever, it returns to its original position. This cycle is repeated and the piezoelectric assembly 10, 11, 12 continuously generates an alternating sinusoidal voltage, the frequency of which depends on the properties of the beam (elasticity, size) and on the gap between the potential electrode of the cantilever beam and the metal plate and the length of the cantilever beam. In the claimed device, in contrast to the prototype, there is the possibility of adjusting the parameters independent of the beam properties and, as a result, the ability to set the desired frequency of the output voltage.

Было экспериментально установлено, что при используемых для реализация предлагаемой конструкции комплектующих регулировка позволяет изменять частоту выходного переменного напряжения в интервале 100-10000 Гц.It was experimentally established that when used for the implementation of the proposed design of components, the adjustment allows you to change the frequency of the output alternating voltage in the range of 100-10000 Hz.

Claims

A radioisotope mechanoelectric generator, including a separately located radioisotope constant voltage source in the form of a plane-parallel capacitor, one lining of which is mounted on the first metal plate and containing a film of a radioactive isotope, is an emitter, and the second is a collector, and also a support outside the radioactive isotope of a dielectric material with an elastic cantilever beam protruding from it, which is a piezoelectric transducer, the length of freedom the end of which provides a given resonant frequency of the generator, while the piezoelectric transducer is electrically connected to the collector and contains the output voltage terminals, while the metal board located on the dielectric support parallel to the beam at a certain distance from it is electrically connected to the emitter, characterized in that the beam -cantilever is made of a piezoelectric single-crystal material with a bidomain structure, contains electrodes of a piezoelectric a former made of a thin-film metal coating to which the output voltage leads are connected, one of the electrodes being electrically connected to the collector, the support of the cantilever beam made of dielectric material contains a through hole providing the possibility of adjusting the beam ejection, and contains metal position fixers beams, which are also contacts for electrical outputs.