MEMS同位素微电池能量转换建模及性能分析

论文摘要

随着MEMS技术的不断发展和进步，人们希望将各种微器件与能源部件集成在一起，形成一个具有独立工作能力、能长时间稳定工作的微系统，这就需要研究与MEMS工艺兼容、易于集成、工作稳定性好、使用寿命长的微能源。基于β辐生伏特效应的同位素微电池不需要外界为其提供燃料、能独立工作，结构简单、使用寿命长，采用MEMS工艺、易于集成，可以满足MEMS对微能源的要求。MEMS同位素微电池不仅扩展了其在MEMS领域发挥巨大作用，同时也促进了其在便携式能源领域的广泛应用。因此，基于β辐生伏特效应的同位素微电池具有重要的研究意义。 本文针对MEMS同位素微电池的能量转化结构进行了理论建模和理论分析，并对它的结构优化设计、性能分析、版图设计及加工工艺等一系列关键技术进行了研究。论文的主要研究内容包括： 1．建立了基于β辐生伏特效应的同位素微电池能量转换结构的理论模型及微电池的等效电路，推导出辐生电流、辐生电压、最大输出功率及能量转换效率的理论公式，分析得出影响微电池能量输出的主要参数：掺杂浓度、耗尽区宽度和结深。 2．研究了掺杂浓度、耗尽区宽度和结深对微电池能量输出性能的影响，并通过优化设计确定同位素微电池设计的一些主要性能参数。 3．研究了MEMS同位素微电池的输出特性、辐照特性、温度特性等电学特性，确定同位素微电池设计的一些主要性能参数。 4．采用MEMS微加工工艺对几种不同的微电池单元结构进行了版图和工艺设计，并在西北工业大学微／纳米系统实验室成功的制作了MEMS同位素微电池样件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 MEMS对微能源的需求
• 1.3 MEMS核电池相对于常规电池的优势
• 1.4 MEMS核电池发展现状及趋势
• 1.5 本文研究目的与研究内容
• 第二章 同位素微电池的结构及工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 同位素源
• 2.2.1 放射性同位素的特点
• 2.2.2 放射性强度及其度量单位
• 2.2.3 同位素衰变方式
• 2.2.4 同位素源的选择
• 2.2.5 放射源源制备技术
• 2.3 同位素微电池工作原理
• 2.3.1 β辐生伏特效应
• 2.3.2 同位素微电池工作原理
• 2.4 同位素微电池的结构
• 2.4.1 电池基本结构
• 2.4.2 选择性发射极结构
• 2.5 本章小结
• 第三章 同位素微电池能量转化结构模型建立
• 3.1 引言
• 3.2 辐生电流
• 3.2.1 理论最大辐生电流
• 3.2.2 辐生电流理论基础
• +区电流密度'>3.2.3 N⁺区电流密度
• 3.2.4 P区电流密度
• 3.2.5 耗尽区电流密度
• +N型微电池辐生电流'>3.2.6 P⁺N型微电池辐生电流
• 3.3 辐生电压
• 3.4 等效电路、输出功率、填充因数和效率
• 3.4.1 等效电路
• 3.4.2 输出功率
• 3.4.3 填充因数
• 3.4.4 转换效率
• 3.5 本章小结
• 第四章 微电池能量转化结构优化设计及性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 能量转化结构设计参数优化
• 4.2.1 少子扩散长度
• 4.2.2 约束条件
• 4.2.3 能量转化结构设计参数数值优化
• +P型和P⁺N型能量转化结构比较'>4.2.4 N⁺P型和P⁺N型能量转化结构比较
• 4.3 微电池性能分析
• 4.3.1 微电池能量输出特性
• 4.3.2 微电池工作曲线
• 4.3.3 微能源辐照特性
• 4.3.4 微电池的温度特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 微电池工艺及版图设计
• 5.1 引言
• 5.1 微电池的工艺设计
• 5.2 微电池的版图设计
• 5.3 微电池的加工及测试
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 总结
• 展望
• 参考文献
• 研究生期间发表的论文
• 致谢