专利名称：复合型微能源系统及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种微能源系统，尤其是涉及一种集成了将放射性同位素放射能转换电能并 同时将振动能量转换电能的微型能源收集系统和相应的制备方法，特别涉及利用放射性同位 素的P射线产生电能，以及利用金属不同功函数将振动能量转换为电能的方法。
背景技术：
现今电子技术的发展方向是高度集成化和高度小型化。为了与电子器件的发展趋势相兼 容，为系统提供动力的能源系统也必须向着小型化的方向发展。但是小型化就意味着能源系 统提供的能量将减少，那么就需要找到具有高能量密度的能源才能够满足系统小型化的需求。 放射性能源系统具有非常高的能量密度，完全符合这种小型化的需求。而且由于放射性同位素的半衰期都很长，通常在10年以上，因此放射性能源系统可以长 期稳定地提供有效动力。美国科学家日前宣布，他们已经研制成功一种新型的同位素电池， 应用在手机当中，可以连续工作10年以上。同位素电池因其超强的耐久力倍受人们关注，主 要是利用放射性元素衰变时放出的射线产生电能。20世纪60年代，有人提出利用PN结等结 构收集衰变产生的射线，在PN结中发生光伏效应产生电能。放射性能源的某些优点早已被认识到。然而，这种技术在不断改进，其中最主要的焦点 方向就是提高系统的能量搜集效率。在最近微放射性能源技术发展中，能量搜集效率在0.7 %到2%范围内。最新提出的同位素电池方法是利用氚作为工作物质，由于(3射线的能量较 低，穿透力较弱，金属外壳能够把放射性氚能源反应完全封闭，这为在日常生活中的存储和 应用带来了方便。由于辐射出的P射线并没有定向型，传统的PN结只能收集一个方向的辐 射，效率很低，造成电池的功率密度很小，因此提高同位素电池的功率密度是应用的关键。对此，人们想到了对PN结表面进行表面修饰。美国一个研究小组在热电收集的半导体 表面进行改造，直接在P型硅上采用阳极氧化进行深孔刻蚀，再利用扩散工艺形成PN结。 由于表面积的增加，且可吸收孔里的氚放射的P射线，因此使效率明显提高，达到使用水平。 另外，申请号为200610147533.8的中国发明专利申请对此工艺进行改进，它在硅表面刻蚀的 基础上进行图形化设计，使PN结上深孔规则性排布，这样能够减少PN结的击穿率。仔细研究发现，以上的设计都是直接收集同位素的(3射线直接转换的电能，实际上电能只是同位素在衰变过程中给环境带来能量的一小部分，利用结构设计，不仅可以将这部分电 能直接收集，还能够将同位素衰变产生的其他能量转换成电能进行收集，例如卩粒子本身的 带电性质产生的静电吸引效应。复合收集的结构能够尽可能的将同位素能量收集起来，提高 整个能源系统的效率。 发明内容本发明的目的在于提供一种可有效地提高能量搜集效率，特别适用于为微系统或微器件 提供"永久性"工作能源的复合型微能源系统及其制备方法。本发明的技术方案是在具有规则分布的具有三维结构(深孔阵列或柱型阵列)的PN结 收集同位素辐射能的基础上，在系统中集成利用金属不同功函数将P射线产生的静电感应振 动能量转换为电能，达到有效提高能量搜集效率的目的。本发明所述的复合型微能源系统设有3片基片、振动臂、第1金属层、第2金属层和接 触开关，3片基片叠积成三明治结构，从下至上依次为第l基片、第2基片和第3基片，第l 基片上用于放置同位素放射源并且作为系统的底部封装；第2基片置于第1基片上方，在第 2基片加工出振动质量块和振动臂，第1金属层沉积在第2基片的上表面，第1金属层是利 用功函数原理将振动能量转换为电能的电容的一极，在第2基片下表面加工出三维结构的半 导体PN结，用于收集同位素P射线的电子，并将辐射能转换为电能，由PN结电能收集电容 收集；第2金属层沉积在第3基片下表面，第2金属层是利用功函数原理将振动能量转换为 电能的电容的另外一极，并且作为系统的顶部封装；接触开关设于第1基片与第2基片之间， 接触开关用于保证由于静电相互吸引的第1基片和第2基片不会停止相互运动当收集P射 线电子到一定电量，第2基片与第1基片靠近使接触开关接通时，第1基片与第2基片之间 的异种电荷对卩电子电能收集电容进行充电，电荷减少使静电吸引力减小，第2基片将进入 下一个振动循环，接触开关断开。第1金属层和第2金属层分别外接振动能量收集电容两端， 三维PN结和振动臂分别外接PN结电能收集电容两端，接触开关的一端和同位素放射源分别 外接P电子电能收集电容两端。基片可为硅片或玻璃片。本发明所述的复合型微能源系统的制备方法包括以下步骤1) 取一片单面抛光的基片作为第1基片，在第1基片上腐蚀加工一个凹槽，在凹槽表面 沉积放射P射线的同位素层，放射卩射线的同位素层的厚度为几百纳米到几微米，并在凹槽 边缘与第1基片表面之间沉积良导体性金属，作为接触电极的一极；2) 取一片双面抛光的基片作为第2基片，将第2基片一表面制作成三维结构，将表面加 工成圆孔或圆柱阵列，第2基片的厚度大于400nm;3) 在三维结构表面形成PN结层在第2基片具有三维结构的一侧制作PN结，结深为 同位素在半导体中的平均穿透深度；4) 在第2基片具有三维结构的边缘部分沉积良导电性金属，作为接触电极的另一极；5) 在第2基片的三维PN结的背面沉积厚度大于200nm的铝层或铂层，作为利用功函数 原理将振动能量转换为电能的电容的一个极板；6) 将第2基片的边缘靠近键合的部分加工成悬臂形状，将第2基片的中间三维结构部分 作为振动质量块；7) 在第3基片上沉积铂层或铝层，作为利用功函数原理将振动能量转换为电能的电容的 另一极；8) 系统整体结构的封装第2基片与第3基片之间用键合硅支撑，在第3基片腐蚀出凹 槽，使振动结构的位移能够使第2基片和第3基片上的金属层的任何部分不能发生接触；9) 制备3对电极引线，3对电极引线接驳在收集电容上，第1对电极分别连接接触开关 和同位素放射源，利用接触放电引起的电流收集电能，通过卩电子电能收集电容收集；第2 对电极引线设在第2基片的PN结两侧，利用P射线的伏特效应产生电能，通过PN结电能收 集电容收集；第3对电极设在第2基片上的金属层与第3基片上的金属层之间，利用不同功 函数金属电容极板振动，通过振动能量收集电容收集振动能量；10) 振动臂上接触开关的设计在第1基片与第2基片的三维PN结面之间设接触开关。 在步骤l)中，腐蚀加工可采用化学湿法，凹槽的表面积最好大于lcmxlcm，凹槽的深度最好为1 50pm，良导电性金属可采用金、铝或铜等，放射卩射线的同位素可采用N严等。 在步骤2)中，三维结构的表面面积可为lcmxlcm，圆孔或圆柱的半径小于10pm，密度 大于1/1(Him2。在步骤3)中，制作PN结的方法可利用薄膜生长、表面扩散或离子注入等方法。 在步骤4)中，良导电性金属可采用金、铝或铜等。' 在步骤5)中，沉积可采用化学镀、溅射等方法沉积。在步骤6)中，将第2基片的边缘靠近键合的部分制作成悬臂的形状可采用刻蚀的方法。 在步骤7)中，沉积可采用化学镀、溅射等方法沉积，铂层或铝层的厚度大于200nm，利用不同金属具有不同功函数而使第2基片与第3基片间形成电压，当第3收集电容两极板间保持电压恒定的时候，第2基片振动使引起第2基片与第3基片间的电容变化，使得线路中产生电流，对振动能量收集电容充电，将振动机械能转化为电能。在步骤IO)中，由于p粒子本身就是高能电子，射线照射在硅片上使之带电，第l基片与第2基片之间产生的静电吸引力，当第1基片与第2基片间距离适中时，开关接通进行放电，静电吸引力消失，从而使第2基片弹回，引起振动，接触开关的两极可沉积lpm左右厚 度的良导电性金属(例如金或铜等)，利用第1基片使接触开关两端距离为第1基片与第2基 片之间距离的1/3左右。本发明具有以下突出优点利用同位素辐射能量作为收集对象，由于同位素超长的半衰 期(上百年)，使该系统具有"永久"能源的特征；对于同位素辐射能量的多途径收集，包括 P射线在PN结中的伏特效应产生的电量收集，由于P射线的带电性引起静电吸引产生的振动 能量，p射线本身的电量，这种复合收集系统能够更有效利用辐射能量，提高收集效率，在 整体上提高能源系统的功率密度；系统整体尺寸较小，完全可以集成在电子元件中，适应未 来无线网络、远程控制等领域的发展需求。
图1为本发明实施例所述的复合型微能源系统的侧面剖视结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的复合型微能源系统设有3片基片1 3、振动臂4、第1金属 层5、第2金属层6和接触开关10， 3片基片1 3叠积成三明治结构，从下至上依次为第l 基片1、第2基片2和第3基片3，第1基片1上用于放置同位素放射源12并且作为系统的 底部封装；第2基片2置于第1基片1上方，在第2基片2加工出振动质量块，第l金属层 5沉积在第2基片2的上表面，第1金属层5利用功函数原理将振动能量转换为电能的电容 的一极，在第2基片2下表面加工出三维结构的半导体PN结11，用于收集同位素P射线的 电子，并将辐射能转换为电能，由PN结ll电能收集电容8收集；第2金属层6沉积在第3 基片3下表面，第2金属层6是利用功函数原理将振动能量转换为电能的电容的另外一极， 并且作为系统的顶部封装；接触开关10设于第1基片1与第2基片2之间，接触开关10用 于保证由于静电相互吸引的第1基片1和第2基片2不会停止相互运动当收集p射线电子 到一定电量，第2基片2与第1基片1靠近使接触开关10接通时，第1基片1与第2基片2 之间的异种电荷对P电子电能收集电容进行充电，电荷减少使静电吸引力减小，第2基片2 将进入下一个振动循环，接触开关10断开。第1金属层5和第2金属层6分别外接振动能量 收集电容7两端，三维PN结11和振动臂4分别外接PN结电能收集电容8两端，接触开关 10的一端和同位素放射源12分别外接(3电子电能收集电容9两端。3片基片用硅片或玻璃片。以下给出制备复合型微能源系统的实施例。1) 取一片单面抛光的硅片，面积为lcmxlcm，利用化学镀的方法在抛光面沉积放射P 射线的同位素Ni63，厚度为lpm，此作为第l片硅片；2) 取一片双面抛光的硅片，厚度为450nm，面积为lcmxlcm，先将一面旋涂光刻胶SU8，涂胶机转速2500/min，胶厚为2nm，此作为第2片硅片；3) 用紫外光刻机对涂胶硅片进行图形曝光，图形为矩形排列的半径2nm的圆孔，相邻 圆孔中心距离5pm;4) 利用反应离子深刻蚀机刻蚀具有光刻胶图形的硅片，光刻胶作为刻蚀掩膜，刻蚀功率 100瓦，刻蚀时间30min，刻蚀深度lOpm;5) 然后将刻蚀过的硅片放在丙酮和酒精的混合溶液中进行超声波辅助清洗去胶；6) 在具有三维表面结构的一面利用离子注入磷形成PN结层，结深为lpm;7) 在第2片硅片三维PN结的背面一侧，利用磁控溅射方法沉积厚度大于200nm的铝， 作为利用功函数原理将振动能量转换为电能的一极；8) 用刻蚀的办法将第2片硅片的边缘靠近键合的部分制作成悬臂的形状，悬臂宽度5^m， 厚度10fim，长度50pm，四边每一边有两根悬臂；9) 取一片单面抛光的硅片，面积为lcmxlcm，第3片硅片上用化学镀、溅射等方法沉 积厚度200nm的铂，作为利用功函数原理将振动能量转换为电能的另一极，利用不同金属具 有不同功函数而使第2片硅片与第3片硅片间形成电压，当收集电容两极板间保持电压恒定 的时候，第2片硅片振动使引起第2片硅片与第3片硅片间的电容变化，使得线路中产生电 流，对收集电容充电，将振动机械能转化为电能；10) 电极引线的制作 一共需要三对电极引线接驳在收集电容上，电极用100nm厚的金 第一对分别连接接触开关和同位素源，利用接触放电引起的电流收集电能，通过收集电容收 集；第二对在第2片硅片的PN结两侧，利用P射线的伏特效应产生电能，通过收集电容收 集；第三对在第2片硅片上的铝金属层与第3片硅片上的铂金属层，利用不同功函数金属电 容极板振动收集电能；11) 系统封装先用键合机键合第1片硅片和第2片硅片，同位素层要对应三维PN结 层，三维PN结层与同位素层之间的间距通过在第1硅片上腐蚀出的凹槽的深度来调节，所 有的封装过程必需在一定真空条件下进行，可以有效的降低空气阻尼，减少能量损失，并要 预留电极引线；12) 第2基片与第3基片之间用键合硅支撑，具有不同功函数的金属电容的两极板之间 的间距通过在第3硅片上腐蚀出的凹槽的深度来调节，要求保证振动结构的位移不能够使第 2片硅片和第3片硅片上的金属层的任何部分发生接触，封装结束后，形成整体的微能源收 集系统。
权利要求
1.复合型微能源系统，其特征在于设有3片基片、振动臂、第1金属层、第2金属层和接触开关，3片基片叠积成三明治结构，从下至上依次为第1基片、第2基片和第3基片，第1基片上用于放置同位素放射源并且作为系统的底部封装；第2基片置于第1基片上方，在第2基片加工出振动质量块和振动臂，第1金属层沉积在第2基片的上表面，第1金属层是利用功函数原理将振动能量转换为电能的电容的一极，在第2基片下表面加工出三维结构的半导体PN结；第2金属层沉积在第3基片下表面，第2金属层是利用功函数原理将振动能量转换为电能的电容的另外一极；接触开关设于第1基片与第2基片之间，第1金属层和第2金属层分别外接振动能量收集电容两端，三维PN结和振动臂分别外接PN结电能收集电容两端，接触开关的一端和同位素放射源分别外接β电子电能收集电容两端。
2. 如权利要求1所述的复合型微能源系统，其特征在于基片为硅片或玻璃片。
3. 如权利要求1所述的复合型微能源系统的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1) 取一片单面抛光的基片作为第1基片，在第1基片上腐蚀加工一个凹槽，在凹槽表面 沉积放射P射线的同位素层，放射(3射线的同位素层的厚度为几百纳米到几微米，并在凹槽 边缘与第1基片表面之间沉积良导体性金属，作为接触电极的一极；(2) 取一片双面抛光的基片作为第2基片，将第2基片一表面制作成三维结构，将表面加 工成圆孔或圆柱阵列，第2基片的厚度大于40(Him;(3) 在三维结构表面形成PN结层在第2基片具有三维结构的一侧制作PN结，结深为 同位素在半导体中的平均穿透深度；(4) 在第2基片具有三维结构的边缘部分沉积良导电性金属，作为接触电极的另一极；(5) 在第2基片的三维PN结的背面沉积厚度大于200nm的铝层或铂层，作为利用功函数 原理将振动能量转换为电能的电容的一个极板；(6) 将第2基片的边缘靠近键合的部分加工成悬臂形状，将第2基片的中间三维结构部分 作为振动质量块；(7) 在第3基片上沉积铂层或铝层，作为利用功函数原理将振动能量转换为电能的电容的 另一极；(8) 系统整体结构的封装第2基片与第3基片之间用键合硅支撑，在第3基片腐蚀出凹 槽，使振动结构的位移能够使第2基片和第3基片上的金属层的任何部分不能发生接触；(9) 制备3对电极引线，3对电极引线接驳在收集电容上，第1对电极分别连接接触开关和同位素放射源，利用接触放电引起的电流收集电能，通过I3电子电能收集电容收集；第2 对电极引线设在第2基片的PN结两侧，利用P射线的伏特效应产生电能，通过PN结电能收 集电容收集；第3对电极设在第2基片上的金属层与第3基片上的金属层之间，利用不同功 函数金属电容极板振动，通过振动能量收集电容收集振动能量；(10)振动臂上接触开关的设计在第1基片与第2基片的三维PN结面之间设接触开关。
4. 如权利要求3所述的复合型微能源系统的制备方法，其特征在于在步骤l)中，凹槽 的表面积大于lcmxlcm，凹槽的深度为1 50pm。
5. 如权利要求3所述的复合型微能源系统的制备方法，其特征在于在步骤2)中，三维 结构的表面面积为lcmxlcm，圆孔或圆柱的半径小于10pm，密度大于1/1(Him2。
6. 如权利要求3所述的复合型微能源系统的制备方法，其特征在于在步骤7)中，铂层或铝层的厚度大于200nm。
7. 如权利要求3所述的复合型微能源系统的制备方法，其特征在于在步骤10)中，接触开关的两极沉积lpm厚度的良导电性金属。
8. 如权利要求3所述的复合型微能源系统的制备方法，其特征在于在步骤10)中，利 用第1基片使接触开关两端距离为第1基片与第2基片之间距离的1/3。
9. 如权利要求3或7所述的复合型微能源系统的制备方法，其特征在于所述良导电性金 属为金、铝或铜。
全文摘要
复合型微能源系统及其制备方法，涉及一种微能源系统。提供一种可有效提高能量搜集效率，特别适用于为微系统或微器件提供“永久性”工作能源的复合型微能源系统及其制备方法。设有3片基片、2层金属层和接触开关，3片基片成三明治结构，从下至上依次为第1、第2和第3基片，在第2基片下表面加工PN结，接触开关设于第1与第2基片之间。在具有规则分布的具有三维结构(深孔阵列或柱型阵列)的PN结收集同位素辐射能的基础上，在系统中集成利用金属不同功函数将β射线产生的静电感应振动能量转换为电能，达到有效提高能量搜集效率的目的。
文档编号H02N1/00GK101404464SQ200810072108
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者伞海生, 澜 姜, 鹏 徐, 朵英贤, 陈旭远 申请人:厦门大学