一种芯片级微型核电源制造技术

本发明专利技术涉及一种芯片级微型核电源，包括防护层以及封装于所述防护层内的内部连接电路、核电输出电路、放射性同位素薄膜和两个能量转换器，两个所述能量转换器镜像对称设置于放射性同位素薄膜两侧，且分别连接所述内部连接电路和核电输出电路，所述核电源的尺寸为厘米级别。与现有技术相比，本发明专利技术将放射性同位素微尺度化，制备成薄膜，降低熔堆等危险，将薄膜集成在微型化的能量转换器件上，通过功能材料层、三明治结构与模块化灵活组装，最大限度同时利用放射性同位素中的衰变热能与电离辐射能，能够满足未来小型轻量化、长寿命安全能源系统需求，解决当前能源供给系统能量密度过低、使用寿命不足以及应用范围受限的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种芯片级微型核电源
本专利技术涉及新能源
，尤其是涉及一种芯片级微型核电源。
技术介绍
随着社会的进步发展，人类对能源的消耗需求不断增长。在复杂环境条件下以及在同类源的竞争中，核电源的长寿命和高功率密度仍然是所有电源应用的首选。针对目前最为关注的核系统安全问题，从国际上近年来在核部件遭遇燃烧或爆炸情况下所研发的保护措施看，已可实现对核部件的安全封装和可靠使用，使核装置的核放射水平接近自然放射性本底水平。通过离子-电转换以及热-电转换，人们已能够利用放射性辐射源，从而实现长寿命的能源，尤其是电源的供给。但综合起来看，对能源利用率低，器件体积和重量很大(30公斤以上)，严重制约了以放射性同位素为源的能源供给系统的应用。核电源小型化能极大地降低熔堆等危险，近年来虽有所发展，但其能量密度低，且现有的核电源集中在单独利用热电效应或者辐射伏特效应，能量利用率有限。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种芯片级微型核电源，最大限度利用核能，结合微加工手段将放射性同位素微型化，将放射性同位素衰变所释放的辐射能及热能最大化程度转换为电能。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种芯片级微型核电源，包括防护层以及封装于所述防护层内的内部连接电路、核电输出电路、放射性同位素薄膜和两个能量转换器，两个所述能量转换器镜像对称设置于放射性同位素薄膜两侧，且分别连接所述内部连接电路和核电输出电路，所述核电源的尺寸为厘米级别。进一步地，所述能量转换器包括至少一个层叠设置的能量转换单元。进一步地，其中一个能量转换器键合于另一个已沉积放射性同位素薄膜的能量转换器的表面，放射性同位素薄膜和两个能量转换器组合为三明治结构。进一步地，所述能量转换单元包括依次设置的基底、底电极、能量转换层、顶电极和功能材料层。进一步地，所述底电极、能量转换层、顶电极和功能材料层均分段设置，多段底电极分布于基底上，所述能量转换层包括左腿和右腿，所述左腿和右腿间隔分布于多段底电极上，每一底电极上至多设有一个左腿和一个右腿，每一顶电极上至多设有一个左腿和一个右腿，且所述顶电极与底电极错位设置，每一顶电极上设有一段功能材料层。进一步地，所述基底为绝缘体，所述底电极和顶电极均为金属电极。进一步地，所述左腿和右腿由均一材料制成，或者，所述左腿和右腿均由多种材料层层组装而成。进一步地，所述功能材料层具有择一或同时吸收电子或热量的功能。进一步地，所述功能材料层由半导体、氧化物、有机物、半金属、金属中的一种或多种层层组装而成。进一步地，所述放射性同位素薄膜包括释放α粒子、释放β粒子或同时释放α粒子和β粒子的放射性同位素薄膜。进一步地，所述放射性同位素薄膜和能量转换器的制备方法包括磁控溅射、电子束蒸发、分子束外延法、化学气相沉积法、激光脉冲沉积、原子层沉积、电化学沉积或3D打印。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术将放射性同位素微尺度化，制备成薄膜，降低熔堆等危险，易于防护。2.、本专利技术采用三明治结构，将放射性同位素薄膜置于能量转换器之间，能极大增大放射性同位素的比表面积，最大化利用能量。3、本专利技术中放射性同位素与能量转换器之间增加了功能材料层，能实现择一或同时吸收电子或热量的功能。4、本专利技术中的能量转换器使用多个转换单元，可根据选择的放射性同位素择一或同时实现热电转换和辐射伏特转换，最大限度同时利用放射性同位素中的衰变热能与电离辐射能。5、本专利技术中的能量转换器可灵活叠加多个，实现能量的梯级利用。6、本专利技术的厘米级微型核电源尺寸小，可实现多个模块化灵活组装。7、本专利技术芯片级的微型核电源，可以满足未来小型轻量化、长寿命安全能源系统需求，解决当前能源供给系统能量密度过低、使用寿命不足以及应用范围受限的问题，极大提高核电源在无人值守系统、外太空探测等方面的能力，具有其他类型能源供给系统无可比拟的优势。附图说明图1为本专利技术的一种结构示意图；图2为本专利技术的一种层层组装的能量转换单元示意图；图3为本专利技术的微型核电源中一种多个能量转换单元叠加示意图；图中标号：1、防护层，2、内部连接电路，3(11)、能量转换器，4、基底，5、底电极，6、左腿，7、右腿，8、顶电极，9、功能材料层，10、放射性同位素薄膜，12、核电输出电路。具体实施方式以下通过附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。需要指出的是，本专利技术可以以不同形式实现，并且应该根据实际情况做出相应调整。提出这些实例旨在达成充分的完整公开，使本
的技术人员完全了解本专利技术的范围，不应解释为受此提出之实施例的限制。如图1所示，本专利技术提供一种芯片级微型核电源，包括防护层1以及封装于所述防护层1内的内部连接电路2、核电输出电路12、放射性同位素薄膜10和两个能量转换器3、11，两个所述能量转换器3、11镜像对称设置于放射性同位素薄膜10两侧，且分别连接所述内部连接电路2和核电输出电路12。整个核电源尺寸在厘米级。两个能量转换器中，其中一个能量转换器键合于另一个已沉积放射性同位素薄膜的能量转换器的表面，放射性同位素薄膜和两个能量转换器组合为三明治结构，放射性同位素薄膜10的厚度小于5mm，能量转换器的厚度小于50mm。能量转换器包括至少一个层叠设置的能量转换单元，可灵活叠加，实现能量的梯级利用，如图3所示。如图2所示，各能量转换单元包括依次设置的基底4、底电极5、能量转换层、顶电极8和功能材料层9。基底4为绝缘体，底电极5和顶电极8均为金属电极，如Au、Pt等。所述底电极5、能量转换层、顶电极8和功能材料层9均分段设置，多段底电极5分布于基底4上，所述能量转换层包括左腿(L)6和右腿(R)7，所述左腿6和右腿7间隔分布于多段底电极5上，每一底电极5上至多设有一个左腿6和一个右腿7，每一顶电极8上至多设有一个左腿6和一个右腿7，且所述顶电极8与底电极5错位设置，每一顶电极8上设有一段功能材料层9。左腿6和右腿7可择一或同时实现热电转换和辐射伏特转换。左腿6和右腿7可由均一材料制成，或者，左腿6和右腿7均由多种材料层层组装而成。一组左腿6和右腿7组成一个转换单元，多个转换单元可进行串联和并联连接。功能材料层9具有择一或同时吸收电子或热量的功能，可由半导体、氧化物、有机物、半金属、金属等材料中的一种或多种层层组装而成。放射性同位素薄膜10包括释放α粒子、释放β粒子或同时释放α粒子和β粒子的放射性同位素薄膜。放射性同位素薄膜10和能量转换器的制备方法包括磁控溅射、电子束蒸发、分子束外延法、化学气相沉积法、激光脉冲沉积、原子层沉积、电化学沉积或3D打印等。实施例1如图1所示，本实施例提供的芯片级微型核电源中，基底4为绝缘基底，如SiO2、Si3N4等，本实施例以厚400μm、晶向为<100>的Si片上湿法氧化生长100nm的SiO2作为基片。沉积500nm的Au作为电极，具有低电阻率和良好的抗氧化性，能降低器件内阻，提高器件输出功率。选择厚度为5μm、横截面积0.01mm2的P型Sb2Te3和N型Bi2Te3作为能量转换层的材料，使用572对进行串联提高电压。使用电化学沉积法在表面有功能层的能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种芯片级微型核电源，其特征在于，包括防护层(1)以及封装于所述防护层(1)内的内部连接电路(2)、核电输出电路(12)、放射性同位素薄膜(10)和两个能量转换器(3、11)，两个所述能量转换器(3、11)镜像对称设置于放射性同位素薄膜(10)两侧，且分别连接所述内部连接电路(2)和核电输出电路(12)，所述核电源的尺寸为厘米级别。

【技术特征摘要】
1.一种芯片级微型核电源，其特征在于，包括防护层(1)以及封装于所述防护层(1)内的内部连接电路(2)、核电输出电路(12)、放射性同位素薄膜(10)和两个能量转换器(3、11)，两个所述能量转换器(3、11)镜像对称设置于放射性同位素薄膜(10)两侧，且分别连接所述内部连接电路(2)和核电输出电路(12)，所述核电源的尺寸为厘米级别。2.根据权利要求1所述的芯片级微型核电源，其特征在于，所述能量转换器(3、11)包括至少一个层叠设置的能量转换单元。3.根据权利要求2所述的芯片级微型核电源，其特征在于，所述能量转换单元包括依次设置的基底(4)、底电极(5)、能量转换层、顶电极(8)和功能材料层(9)。4.根据权利要求3所述的芯片级微型核电源，其特征在于，所述底电极(5)、能量转换层、顶电极(8)和功能材料层(9)均分段设置，多段底电极(5)分布于基底(4)上，所述能量转换层包括左腿(6)和右腿(7)，所述左腿(6)和右腿(7)间隔分布于多段底电极(5)上，每一底电极(5)上至多设有一个左腿(6)和一个右腿(7)，每一顶电极(8)上至多设有一个左腿(6)和一个右腿(7)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志宇，吴振华，木二珍，陈祥，吴之茂，刘洋，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31