TW201344702A - 用於行動裝置應用之貝他伏特電源 - Google Patents

用於行動裝置應用之貝他伏特電源 Download PDF

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Abstract

一種用於行動裝置應用之貝他伏特電源，包含一疊合配置之多個同位素層以及多個能量轉換層。同位素層具有約0.5年至5年的半衰期，且產生能量約15 keV至200 keV範圍間的輻射。貝他伏特電源設置以提供足夠的電力給行動裝置，供其在其有效的壽期間工作之用。

Description

用於行動裝置應用之貝他伏特電源
本發明係關於一種電源，特別是關於一種應用於行動裝置之貝他伏特電源。
隨著人類社會變得更加倚賴行動裝置(例如行動電話及智慧電話、膝上型電腦、平板電腦、醫療裝置、以及類手持與可攜裝置)，高電能儲存裝置(例如電池)變得更加被需要。一個適用於此類裝置的理想電池將被設計地可以儲存足夠的能量以持續一特定裝置的使用時間，其中所述特定裝置的壽命取決於產品的本質可以是數月至數年(例如拋棄式行動電話、膝上型電腦等)。
例如，一具行動電話在操作時典型地會消耗100至500mW的功率，但是一顆電池平均僅能儲存可供該具行動電話運作一天的能量。一顆行動電話電池平均約可儲存1至5瓦特-小時的電力，其一般來說一天就會被耗盡。
類似地，平板電腦的電池儲存約40至50瓦特-小時的電力且可持續至大約10小時，也就是平均耗電量約5瓦。膝上型電腦的電池儲存約75瓦特-小時的能量且可持續約5小時，也就是平均耗電量約為15瓦。當到達上 述期間的終點，有必要對電池進行充電以繼續使用所述裝置。
一個行動(或智慧型)電話的平均壽命約兩年。醫療裝置的壽命則是一至數年不等。膝上型電腦(以及可想而知的平板電腦)的平均壽命大約三年。
同位素電源曾經被用來供應特定型式電子裝置的電源。例如，某些同位素電源產生器轉換放射性材料所輻射出之阿爾法粒子的能量成為熱能，所述熱能並隨之被轉換成有用的能量，例如電力。這是一種熱電轉換，且通常被用來供應執行深太空任務的電子裝置。一般而言，用在此種處理的阿爾法粒子的能量相當高(超過1 MeV)，且可能損害電晶體。因此，阿爾法粒子輻射物質最好是用來產生熱(藉由捕捉適當材料內部的粒子，例如陶瓷)，然後再將熱轉換為電力。
另一種形式的同位素電源係轉換幅射出的貝他粒子(電子)為電力。其有時被稱為貝他伏特電源。一貝他幅射電源的先前技術的範例被記載在公開於以下網址http：//www.raytheon.com/technology_today/2011_il/power.html的一篇文獻中，該篇文獻之名稱及卷目資料如下：“Technology Today,”issue #1,2011。
低功率(數十微瓦)多年(數十至數百年)來係有需要的，貝他伏特電源在歷史上一直是有用的。其具體上來說是一種”太陽能電池”裝置(通常被稱為光伏特，因為可和光子反應)，但並非用光子來產生電子電洞對，取 而代之的是藉由來自同位素輻射的”貝他粒子”(或高能電子)來產生電洞電子對。貝他伏特電源被用在深太空任務以產生數十微瓦的能量。在應用上，其需要數十年的壽命，同位素的半衰期通常為數十年，且半衰期為100年之鎳63係優選的。
另一種同位素電源係在醫療領域，其中低電源裝置(例如心律調整器)係設置在病人體內。心律調整器通常是無法進入的，且長效電源是有利的。因為這些裝置被植入病人體內，總輻射量必須非常低，因而所需產生的功率也低。在此種應用上，同位素熱電產生器已被證實是一個成功的產品。
一個可以產生足夠電力給行動裝置使用，使其在有用的壽命期間不需要再次充電之同位素電源將會是需要的。
本發明所揭露的內容係關於用以驅動行動裝置之貝他伏特電源。貝他伏特電源提供行動裝置在其有效壽期這一段期間連續操作所需的電力。
此處所揭露之貝他伏特電源係藉由與同位素有關的核反應來轉換所儲存的能量為電力。貝他伏特電源傳統作法是使用具有非常長壽命得同位素來轉換貝他粒子(電子)成為能量。其係用於低功率的應用領域，以及用於接近該裝置是不切實際的情況，例如太空梭及衛星。
此處所揭露之貝他伏特電源可被設置以提供 一選擇的總功率，適用於具有一有效壽期之一特定行動裝置。由選擇的同位素之同位素層以及能量轉換層所構成之層疊(多層)結構之整體，可以提供比先前技術之貝他伏特電源高數個量級的電力等級。貝他粒子(”貝他”)以及X光與伽瑪射線(”伽瑪”)被轉換為有用的電力來驅動行動裝置。
本發明之其中一概念係為適用於具有一有效壽期之一貝他伏特電源。所述貝他伏特電源包含複數同位素層，各同位素層包含一同位素材料，該同位素材料可發出具有總能量介於15 keV至200 keV之間之貝他粒子、X光、或伽瑪射線之輻射，且半衰期係大約在0.5年至5年之間。所述貝他伏特電源也包含複數能量轉換層，其係設置於部分或全部的同位素層之間，且接收與轉換來自所述輻射之能量，成為足以供行動裝置在其有效壽期內所需電力。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源之能量轉換層包含GaN(氮化鎵)。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源之各能量轉換層具有10微米至20微米之一厚度。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源之同位素材料係選自(3)H、(194)Os、(171)Tm、(179)Ta、(109)Cd、(68)Ge、(159)Ce及(181)W及其組合所構成之群組。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源更包 含一輻射吸收護罩，設置以避免貝他粒子、X光、及伽瑪射線外洩。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，彼此相鄰之同位素層與能量轉換層定義一層對，所述貝他伏特電源包含介於10至250個之間的層對。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，各同位素層係由相同之同位素材料所製成。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，電能之總能量為至少10毫瓦。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，電能之總能量為至少100毫瓦。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，更包含複數冷卻導管，冷卻導管係用來移除來自同位素層與能量轉換層的熱。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，更包含行動裝置係電性連接於貝他伏特電源。
本發明之另一概念係為適用於具有一有效壽期之一貝他伏特電源。所述貝他伏特電源包含複數同位素層，各同位素層包含一同位素材料，該同位素材料可發出具有總能量介於15 keV至200 keV之間之輻射，且半衰期係大約在0.5年至5年之間。所述貝他伏特電源也包含複數能量轉換層，其係設置於部分或全部的同位素層之間，且接收與轉換來自所述輻射之能量，成為足以供行動裝置在其有效壽期內所需電力。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，一個以上之能量轉換層具有一二極體結構。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，所述二極體結構包含GaN或Ge。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，所述Ge包含(68)Ge。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，彼此相鄰之同位素層與能量轉換層定義一層對，貝他伏特電源包含介於10至250個之間的層對。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，同位素層係形成自具有不同半衰期之第一同位素與第二同位素。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，所述輻射包含貝他粒子、X光、及伽瑪射線之其中一者。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，更包含所述行動裝置。
本發明之另一概念係上述貝他伏特電源中，更包含一傳統電池電性連接於貝他伏特電源。
10‧‧‧能量轉換層
100‧‧‧外部裝置
10P‧‧‧P型摻雜層
10N‧‧‧N型摻雜層
10J‧‧‧PN接面
102‧‧‧顯示器
104‧‧‧導線
12‧‧‧上部
120P‧‧‧正電極
120N‧‧‧負電極
14‧‧‧下部
20‧‧‧同位素層
20a‧‧‧同位素層
20b‧‧‧同位素層
30‧‧‧層對
40‧‧‧輻射吸收護罩
50‧‧‧冷卻導管
60‧‧‧熱
6‧‧‧貝他伏特電源
8‧‧‧傳統電池
+V‧‧‧正電壓
-V‧‧‧負電壓
第1、2、3、4A及4B圖係為本發明之貝他伏特電源之一實施例的示意圖。
第5圖係為具有本發明之貝他伏特電源之例示行動裝置(例如智慧型手機)的示意圖。
第6A圖與第6B圖係分別顯示形成一二極體之一例示的能量轉換層的側視圖與俯視圖。
第7A圖係為可操作地相對於同位素層設置之二個二極體基礎之能量轉換層的側視圖。
第7B圖係與第7A圖相同的裝置，但旋轉90度以顯示二極體基礎之能量轉換層之電極的例示配置。
第7C圖近似於第7B圖，其顯示電極電性連接於一外部行動裝置。
第8圖近似於第3圖，並繪示了使用(68)Ge作為貝他伏特電源中的能量轉換層。
茲以不同實施例與圖式詳細地說明本發明。各圖式中，相同或相似的標號係用以指相同或相似的元件。圖式並非必然按照真正比例繪製，所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易理解圖式僅在說明發明的關鍵概念。
以下所提出的申請專利範圍構成說明書的一部分。
此處所使用的縮寫”mw”係指”毫瓦”。
同位素係被標示為(x)y，其中x係為質量數，y係為元素符號。
此處使用“輻射”一詞作為內文中同位素的放射性，其包含放射的粒子及電磁波。
此處所使用之”貝他伏特”一次並非用以限定為貝他粒子，其包含非貝他的輻射，例如伽瑪射線以及X光。因此，此處所使用之”貝他伏特電源”一詞係與”同位素電源”等義，因為所述二次時常被等義地使用。
任何本申請案所引用的專利說明書以及公開文獻係與說明書合而為一的，所引用的文獻包含以下的美國專利、美國專利公開案、以及公開文獻：7,301,254；7,622,532；7,663,288；7,939,986；8,017,412；8,134,216；8,153,453；2011/0031572；Hornsberg et al.,“GaN betavoltaic energy converters,”0-7803-8707-4/05,2005 IEEE；Presentation by the Arlington Technology Association, entitled“The BetaBatteryTM-A long-life,self-recharging battery,”March 03,2010；The presentation by Larry L.Gadekan,“Tritiated 3D diode betavoltaic microbattery,”IAEA advanced Workshop,Advanced Sensors for Safeguards,23-27 April 2007。
本發明涉及適用於行動裝置或行動應用之貝他伏特電源。有某些形式的電源使用同位素，其中一或多同位素材料的薄層(同位素層)係被能量轉換材料(能量轉換層)所環繞。能量轉換層的作用係如同產生器。一般來說，其接收來自同位素的輻射，並且將輻射能轉換為有用的電力，亦即轉換為代表一對應電力量之一電流量。
本發明提出例示的貝他伏特電源可以產生至少10毫瓦，且在一較佳實施例中，可產生從數百毫瓦至數瓦的電力，其適用於如膝上型電腦及行動電話之行動裝置。此類裝置之例示的有效壽期係在3個月至10年或0.5年至5年之間。
第1圖係為一例示的貝他伏特電源6，其具有由能量轉換層(膜)10以及同位素層(膜)20所構成之一疊合結構。能量轉換層10係被設置在部分或全部之同位素層20之間。在如第1圖所示之一實施態樣中，疊合結構包含交替的能量轉換層10及同位素層20。
在一實施態樣中，構成能量轉換層10的材料包含或者是由GaN(氮化鎵)所組成，構成同位素層的材料包含或者是由(179)Ta所組成。因此，在一實施態樣中， 貝他伏特電源6具有一疊合結構，其係由GaN/(179)Ta/GaN/(179)Ta/GaN/(179)Ta/.../GaN所定義而成，各能量轉換層10係大約10微米至20微米厚。因此，在一實施態樣中，貝他伏特電源6的疊合結構係由一系列交替之層10與20之”層對(layer-pairs)”30所定義而成。
此處所揭露之貝他伏特電源6的設計係基於多個用以供應行動裝置電力的基本要求：1)壽期可與行動裝置的壽期相匹配(或者更長)；2)足夠平均的電力產生以符合消費者需求；3)環境友善以及消費者友善，亦即不會放出對人體、環境或相鄰電子產品有害的輻射。
同位素具有一已知的半衰期。此外，源自衰變過程的放射也是習知的。源自同位素衰變過程的放射一般分為以下幾類：
1)伽瑪輻射(伽瑪)：這是一種源自於原子之原子核的輻射。一般用來量測此種輻射的能量的單位是keV。
2)X光輻射：這是一種源自於環繞原子之電子的輻射。一般用來量測此種輻射的能量的單位是keV。
3)貝他伏特(貝他)：”貝他”是一個從原子射出的電子。一般用來量測此種輻射的能量的單位是keV。
4)阿爾法輻射(阿爾法)：”阿爾法”粒子係如同射出的氦原子核。一般用來量測此種輻射的能量的 單位是keV。
需注意的是，除了源頭不一樣外，伽瑪輻射以及X光輻射本質上是相同的輻射(均為電磁波)。伽瑪來自一原子的原子核，X光則是來自一原子之軌域上的電子。
此處所揭露之一例示的貝他伏特電源6轉換貝他、伽瑪及X光之至少一者而成為有用的能量，特別是轉換成為電能。在一實施態樣中，GaN形式或Ge形式之能量轉換層10係被使用。在一實施態樣中，具有不同材料之能量轉換層10係被使用。同樣地，在一實施態樣中，不同的材料之同位素層20係被使用。
一貝他伏特電源所產生的電力係正比於每單位時間從同位素所放射出的粒子數量，而每單位時間從同位素所放射出的粒子數量又取決於同位素原子的數量以及同位素的半衰期。當同位素層係”完全轉換”時(亦即沒有被其他材料的存在所稀釋)，儲存在同位素層的能量是最大化的。
增加貝他伏特電源產生電力的唯一方法係減少同位素的半衰期，藉而增加每單位時間所放射出的粒子數，因為同位素層中的源頭電子的數量是固定的。因此，對於高功率以及相對低壽期的裝置(例如十年、數年或者數月，而不是數十年)而言，具有相匹配之較短半衰期的同位素是必要的。
大多消費行動裝置具有介於數月至十年(大多數之最大壽期僅為數年)的壽期，具有相近半衰期之同位 素在此處是被考慮的，在一特例中，半衰期係在大約0.5年至5年之間。以具有短於(63)Ni之半衰期的同位素開始(且假設二同位素層係完全轉換)，每單位時間所放射的粒子數可隨著半衰期的比值而增加。
同樣在一實施態樣中，此處所揭露之貝他伏特電源6係使用具有對使用者無害之放射性之同位素。對於伽瑪及X光輻射，例示的可用於同位素層20的同位素係具有小於約250 keV或甚至小於200 keV之能量。
在此處所揭露之貝他伏特電源，同位素可以放射出貝他、X光或伽瑪。X光及伽瑪二者可在GaN材料中產生電洞電子對，且幫助能量產生。在一實施態樣中，超過一種同位素係被使用。在一實施態樣中，電子(貝他)、X光及伽瑪之至少其中一者係被採用。
用於同位素層20之材料的例示的準則如下所示：1)匹配於行動裝置之或其他應用之有效壽期的短半衰期；2)在有效壽期中，為了提供必要的電能所需之總放射量；3)放射能量小於250 keV之貝他、伽瑪、或X光；4)放射能量大於15 keV之貝他、伽瑪、或X光；5)不會放射出阿爾法粒子。
上述準則1需要在約略等同於行動裝置之有效壽期的期間中，從同位素層20中擷取出所有能量。其可確 保獲致貝他伏特電源的最大功率。準則2確保行動裝置將具有足夠的電力。準則3確保來自同位素層20的放射性可以有效地被利用，而不會對人體或行動裝置產生有害的副作用。準則4係用來確保放射過程產生有用之最小功率。準則5避免了前述具有能量之阿爾法粒子的問題。
另一個準則係能量轉換層10係由III-IV族形式的化合物所製成，以使貝他伏特電源6耐輻射(radiation-hardened)。眾所皆知具有較小能隙之矽裝置容易被高能輻射或貝他所損害，而GaN或AlGaN裝置則遠較矽裝置更能抵抗輻射所造成的損害。
在一實施態樣中，較佳地係同位素材料可以是人工製造。
下表提出例示的多個同位素以及其半衰期、放射能與產生模式。需注意的是，放射種類的欄位也列舉了該種類的最大能量。典型地，放射是連續的。例如，對於(179)Ta而言，最大之X光放射係為65 keV。然而，其具有介於6至65 keV之連續放射。較低能量的X光對於產生電力特別有用。
從上列同位素以及前述準則，表中以下引線與粗體字標示的同位素係潛在最適合用來作為同位素層20。
上表中的其他同位素可能被用在特定環境。例如，那些放射出較高能量之貝他的同位素仍可以用，但是會對GaN型的能量轉換層10產生較多的損傷。
對於具有預期壽期10年左右的行動裝置，可能較喜歡使用(3)H作為同位素層20。因為(3)H(氚)並非固體，在一實施例中，氚同位素層20係包含與另一材料結合之氚來製作出同位素層固體。
對於具有有效壽期5年左右的行動裝置，(194)O係較佳的同位素選擇。
對於具有有效壽期2年左右的行動裝置，(179)Ta係較佳的同位素選擇。
對於具有有效壽期少於1年的行動裝置，(68)Ge係較佳的同位素選擇。
因此，所有上列的同位素係潛在地可用於同位素層20，雖然其中部分係較容易處理且成本較低。
電流及功率計算
為了評估有多少電流以及電功率可以被貝他伏特電源6產生，假設一同位素層20係為10微米厚之具有1.82年半衰期的(179)Ta層。此外進一步假設100%之該層係轉變為同位素。(179)Ta同位素層20放射出65 keV伽瑪以及111 keV貝他。所述貝他將有效率地被10到20微米厚的GaN所吸收。GaN中，65 keV伽瑪的吸收長度係超過100微米，因此大多數的伽瑪不會被10到20微米厚的GaN所吸收。被吸收的伽瑪將增加電力的產生。
估計每秒鐘源自10微米厚(179)Ta層(面積為1平方公分)之衰變大約為1x1012每秒。這是根據所算出之膜所含的原子數量，其中的一半在半衰期中會衰變，再除以半衰期(秒)所計算而得。在轉換材料中所產生的電子電洞對可藉由下式計算：G=(N．E)/Eehp其中G為所產生之電子電洞對的數量，N為每秒之核分裂數量，E為貝他粒子能量，Eehp為產生一電子電洞對所需的平均能量。
對於每秒1x1012核分裂而言，1平方公分之同位素層20可以產生大約1毫安培之電流。假設一GaN能量轉換層10係為10微米厚，開路電壓大約為2.3伏特，其可得到約2 mw/cm2之功率。
真正的功率產出可能略高於此量，因為來自同位素層20之部分的伽瑪會被GaN能量轉換層10所捕捉，因而幫助能量轉換。大約15%的伽瑪係小於10 keV，其可 能會在GaN層中被吸收。如果同位素層20係2cm x 3 cm，可被產生的總能量大約為12 mw。這太小以至於無法適用於行動電話之用。
一例示的貝他伏特電源6包含介於10至250個層對30。結合層對30可以建構出可供應適當電功率予特定行動裝置使用的貝他伏特電源6。
真實的能量轉換層厚度取決於其捕獲來自同位素層20的粒子的效率。典型地，10微米厚且由GaN所製成的能量轉換層10將足以補獲大多數來自由(179)Ta所製成之同位素層20所放射出的111 keV貝他。
在一例示的貝他伏特電源6中，各同位素層係10微米厚，各能量轉換層10係10微米厚，且疊合結構具有50個層對30，其總厚度為1 mm。一典型的行動電話可以具有一個約2 cm x 3 cm x 1 mm大小的電池。因此，假如尺寸為2 cm x 3 cm，則單一層對30可以產生大約10 mw的電力，因此50個GaN/(179)Ta的層對30可以產生大約60 mw的電力。其已經足以供應大多行動電話以及智慧型手機。一直到二年後，裝置將仍能夠產生約300 mw的電力。
需注意的是，貝他伏特電源6可以被製造成可設置在特定型式之行動裝置內。例如，一典型的平板裝置的大小約為9吋x 7吋。假設貝他伏特電源6必須具有10 cm x 10 cm以具有10cm2的面積，一單一層對可以產生200 mw(2 mw/cm2 x 100 cm2)的電力。藉由50個層對30的堆 疊來定義出1mm的總厚度，可以產生10瓦的電力。其足以供應一平板裝置使用數年所需的電力。而一個由100個層對30所形成之2 mm厚的貝他伏特電源6則足以供應一典型的膝上型電腦之用。
輻射吸收護罩
根據同位素層20所使用之特定的同位素，其可能有需要將貝他伏特電源6的至少一部分封裝於一輻射吸收材料中。第2圖顯示第1圖知貝他伏特電源6被封裝於一輻射吸收護罩40中。一例示的輻射吸收材料係為不銹鋼。
輻射吸收護罩40的壁厚取決於所使用的輻射吸收材料以及同位素層20所放射出的輻射能量。例如，對於以(179)Ta製成的同位素層20來說，伽瑪輻射的峰值為65 keV。在如第1圖與第2圖中的貝他伏特電源6之疊合配置中，接近疊層中心處之伽瑪在離開疊層結構前，會被能量轉換層10以及同位素層20所吸收。然而，消費者或電子裝置需要實質地保護，以防止來自疊層結構外緣處的伽瑪。因此，在一實施態樣中，輻射吸收護罩40具有1 mm的壁厚，且由不銹鋼所製成，其足以阻擋由(179)Ta所製成之同位素層20所產生的65 keV的伽瑪射線。
在一實施態樣中，貝他伏特電源6主要係由(3)H(氚)所製成之同位素層20來產生電力，其不會放射出伽瑪或X光，且貝他具有的能量上限為18.6 keV。在此 範例中，位於(3)H同位素層20任一側之10微米厚的GaN能量轉換層10足以充作為貝他伏特電源6之輻射吸收護罩之用。因為(3)H同位素的半衰期為12.6年，相較於(179)Ta每單位時間所放射出的粒子數量係顯著的減少(大約7倍慢)，且貝他的平均能量大約3倍低。其隱含此種電源的平均電力，相較於(179)Ta型的電源，將可能大約為20倍低。然而，對於某些需要低功率的行動電源應用，此種貝他伏特電源可能是有用的。
發熱及冷卻
能量轉換層10之能量轉換材料(例如GaN或AlGaN)的轉換效率典型地係在25至35%。因此，同位素層20所放出之一珍貴的能量係被轉換成熱。對於高功率裝置(例如膝上型電腦)，恐有必要提供冷卻導管。GaN(或AlGaN)能量轉換層10以及(179)Ta同位素層20二者均具有良好的熱傳導率。第3圖係類似於第1圖，且顯示出增添非必須的冷卻導管50，其穿過疊層以使疊層內所產生的熱60可以藉由冷卻導管50而自疊層中擷取出來然後被散去。在一實施態樣中，冷卻導管50可以由具有高導熱率之固體材質製成，例如銅。
應用
在貝他伏特電源6的壽期中，同位素層20的放射性會緩慢地衰減。當接近同位素材料的半衰期時，貝他伏特電源6所產生的電力將減少至剩初始狀態的一半。 基於此，有必要調配貝他伏特電源6以使其可以產生足夠的電力(亦即，足夠區域以及足夠數量的層對)，以滿足在未來某一選擇時點時的性能需求。舉例而言，若一個具有二年有效壽期之行動電話的需要100 mw的電力，那麼一開始就能提供大約200 mw的貝他伏特電源6是比較符合需要的，如此一來貝他伏特電源6方能在二年後仍能提供足夠的電力100 mw。
多同位素
並非貝他伏特電源6內所有的同位素層20都必須由相同的同位素材料所製成。在如第4A圖所示之一貝他伏特電源6的實施態樣中，其具有超過一種的同位素層20，且這些不同的同位素層係被標號為20a及20b。如第4A圖所示之不同的同位素層20a及20可視為構成一個相結合的同位素層20。
此同位素層20之實施例可以是有需要的，假如行動裝置在其生命的早期需要較多的電力。舉例來說，假如貝他伏特電源包含50個層對30，我們可將半數的同位素層20(此處為同位素層20a)以(179)Ta作成，然後另一半的同位素層20(此處為同位素層20b)以(68)Ge作成。(68)Ge同位素衰變更快，因而提供更多的初期電力。於此，我們可以對特定貝他伏特電源6量身定作出能量產生vs.時間的曲線。在部分如第4A圖所示之實施態樣中，不同的同位素層20a以及20b可以設置在彼此緊鄰的位置，亦 即其中間沒有被能量轉換層10所隔開。在如第4B圖所示之另一實施例中，同位素層20a以及20b構成交替的疊合配置。在一實施例中，如第4A圖與第4B圖所示之組合配置可已被使用。
固定電力產生
此處所揭露之貝他伏特電源6之一特徵係可以全時間產生電力，即使行動裝置沒有在運作中。因此，在行動裝置沒有運作時，將持續產生的電力儲存起來以供日後使用變成可行的。第5圖揭示具有顯示器102之一行動裝置100，其藉由此處所揭露之貝他伏特電源6供應其電力。行動裝置100可以包含電性連接於貝他伏特電源6且被其所充電之一傳統電池8。
因此，在一實施態樣中，貝他伏特電源6係與一傳統電源(亦即一電池)結合以創造出一複合電源。當行動裝置沒有在運作時(例如行動裝置的擁有者在睡眠時)，複合電源允許儲存電力以供日後需要時使用。其可允許貝他伏特電源6以較少的層數或者是較小的面積做成。
例示的能量轉換層
第6A圖及第6B圖係分別顯示貝他伏特電源6之二極體型式之能量轉換層10的示意圖(分別為側視圖與俯視圖)。能量轉換層10具有一上部12以及一底部14。第6A圖及第6B圖繪示正電極120P與負電極120N之一例示方位。能量轉換層10包含P型摻雜層10P以及N型摻 雜層10N，其被P/N接面10J所隔開。
正電極120P以及負電極120N可以被設置以允許容易地與同位素層20整合(例如：在能量轉換層10的上部與底部，以及在同一邊但是相互錯位，如圖所示)。第7A圖以及第7B圖係分別繪示一例示之具有多層疊配置之貝他伏特電源6之側視圖。第7C圖係為藉由導線104電性連接於外部裝置100之貝他伏特電源6之側視圖，例如電池或行動裝置。正電壓”+V”以及負電壓”-V”也相對於導線104標示出來。
包含Ge之能量轉換層
同樣必須注意地，能量轉換層10可以包含或由Ge所組成。有效率的Ge太陽能電池已被製造出來，且具有類似於貝他伏特電源6所需的結構。在一實施態樣中，作為能量轉換層10的Ge材料可以是(68)Ge，藉以使能量轉換層自己本身成為貝他電子以及X光的來源。於此，空間可以節省，且更多的電力可以產生。
第8圖繪示一例示的貝他伏特電源6，其由交替的(68)Ge層所製成。此種配置可被用在壽期與(68)Ge接近的應用上。需注意的是，Ge可以被用來製造成二極體型式之能量轉換層10，其非常相似於GaN被用來製造成二極體型式之能量轉換層。
因此，一例示的貝他伏特電源6可以包含一同位素層20(例(179)Ta同位素層)作為長壽期使用，以及 Ge型式二極體作為能量轉換層10以轉換同位素層20的能量成為電力。然而需注意的是，構成例示的二極體型式能量轉換層10之Ge型式的材料也可以是產生電力的同位素(例(68)Ge)。此種配置允許多達二倍的層可以產生能量，因而相較於GaN二極體型式的配置，可以產生多達二倍的電力。此種配置最大化可使用的範疇。
本發明的技術內容已經以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧能量轉換層
20‧‧‧同位素層
30‧‧‧層對
6‧‧‧貝他伏特電源

Claims (20)

  1. 一種貝他伏特電源，適用於具有一有效壽期之一行動裝置，該貝他伏特電源包含：複數同位素層，各該同位素層包含一同位素材料，該同位素材料發出具有總能量大於實質上15 keV且小於實質上200 keV之貝他粒子、X光、或伽瑪射線之一輻射，且該同位素材料具有實質上0.5年至5年之間之一半衰期；及複數能量轉換層，設置於部分或全部之該些同位素層之間，接收與轉換來自該輻射之能量而成為足以供該行動裝置在該有效壽期內使用之一電能。
  2. 如請求項1所述之貝他伏特電源，其中該能量轉換層包含GaN。
  3. 如請求項1所述之貝他伏特電源，其中各該能量轉換層具有實質上10微米至20微米之一厚度。
  4. 如請求項1所述之貝他伏特電源，其中該同位素材料係選自(3)H、(194)Os、(171)Tm、(179)Ta、(109)Cd、(68)Ge、(159)Ce及(181)W及其組合所構成之群組。
  5. 如請求項1所述之貝他伏特電源，更包含一輻射吸收護罩，設置以避免該貝他粒子、X光、及伽瑪射線外洩。
  6. 如請求項1所述之貝他伏特電源，其中彼此相鄰之該同位素層與該能量轉換層定義一層對，該貝他伏特電源包含介於10至250個之間的該層對。
  7. 如請求項1所述之貝他伏特電源，其中該些同位素層係 由相同之該同位素材料所製成。
  8. 如請求項1所述之貝他伏特電源，其中該電能之總能量為至少10毫瓦。
  9. 如請求項1所述之貝他伏特電源，其中該電能之總能量為至少100毫瓦。
  10. 如請求項1所述之貝他伏特電源，更包含複數冷卻導管，該些冷卻導管移除來自該同位素層與該能量轉換層的熱。
  11. 如請求項1所述之貝他伏特電源，更包含該行動裝置電性連接於該貝他伏特電源。
  12. 一種貝他伏特電源，適用於具有一有效壽期之一行動裝置，該貝他伏特電源包含：複數同位素層，各該同位素層包含一同位素材料，該同位素材料發出具有總能量大於實質上15 keV且小於實質上200 keV之一輻射，且該同位素材料具有實質上介於0.5年至5年之間之一半衰期；及複數能量轉換層，設置於部分或全部之該些同位素層之間，接收與轉換來自該輻射之能量而成為足以供該行動裝置在該有效壽期內使用之一電能。
  13. 如請求項12所述之貝他伏特電源，其中一個以上之該能量轉換層具有一二極體結構。
  14. 如請求項13所述之貝他伏特電源，其中該二極體結構包含GaN或Ge。
  15. 如請求項14所述之貝他伏特電源，其中該Ge包含 (68)Ge。
  16. 如請求項12所述之貝他伏特電源，其中彼此相鄰之該同位素層與該能量轉換層定義一層對，該貝他伏特電源包含介於10至250個之間的該層對。
  17. 如請求項12所述之貝他伏特電源，其中該些同位素層係由相同之該同位素材料所製成。
  18. 如請求項12所述之貝他伏特電源，其中該輻射包含貝他粒子、X光、及伽瑪射線之至少其中一者。
  19. 如請求項12所述之貝他伏特電源，更包含該行動裝置電性連接於該貝他伏特電源。
  20. 如請求項12所述之貝他伏特電源，更包含一傳統電池，電性連接於該貝他伏特電源。
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