Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка элементов питания нового поколения на основе бета-изотопов с использованием нанотехнологий для кардиостимуляторов и медицинской электроники

Номер контракта: 14.577.21.0008

Руководитель: Чекмарев Александр Михайлович

Должность руководителя: Заведующий кафедрой

Докладчик: Магомедбеков Эльдар Парпачевич, Заведующий кафедрой, директор ИМСЭН-ИФХ

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
микроисточник изотопный, никель-63, бета-гальванический источник, бета-вольтаический эффект, ядерная батарейка, бета-преобразователи энергии.

Цель проекта:
В мировой и отечественной практике проявляется тенденция к созданию элементов питания (батареек) на основе бетавольтажного эффекта с использованием радиоактивных изотопов с многолетним сроком службы. Вместе с тем, недостатком подобных систем являются низкие показатели мощности батарейки (микроВатты), обусловленные низкими значениями тока (200-350 наноАмпер). Основной причиной является отсутствие технологий, позволяющих осуществить эффективное преобразование потока испускаемых при распаде бета-частиц в электрический ток, неэффективный p-n переход, потери на электродной системе, трудности с нанесением и выводом контактных клемм. Целью реализуемого проекта является разработка технологии и создание экспериментальных образцов новых микроисточников тока на основе долгоживущих бета-изотопов и электронных микроструктур нового поколения со сроком службы не менее 20 лет и высокими электрофизическими параметрами и показателями надежности, обеспечивающие возможность долгосрочного автономного функционирования имплантируемых биотехнических систем.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате проведенных в 2015 году исследований и расчетов смоделировано и разработано конструктивное решение по исполнению составного элемента источника питания – микроисточника тока на основе бетавольтаического эффекта. На основании расчетов и моделирования разработаны технические предложения, изготовлены макеты микроисточников тока и проведены стендовые испытания. Полученные результаты моделирования и экспериментальные результаты сравнимы с наилучшими мировыми результатами. В ходе экспериментальных измерений параметров микроисточника тока были достигнуты следующие максимальные выходные параметры для одного микроисточника:
- ток короткого замыкания 0,38 мкА (380 нА)
- напряжение холостого хода 180 мВт (0,18 В).
Соединяя последовательно ~ 75 микроисточников, имеющих указанные выше параметры, с толщиной пластин 150 мкм и степенью обогащения по изотопу никеля ~ 85%, можно получить элемент питания мощностью ~ 1,5 мВт.
Полученные научно-технические результаты позволят создать новую линейку элементов питания, направленных на повышение качества жизни людей, использующих биотехнические системы.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Впервые в мире будут разработаны:
технология изготовления сборки «радиоизотоп – полупроводник», позволяющая получить максимально
возможные значения токов и емкости;
технология изготовления микроисточников тока (на основе нанотехнологий), в которых для повышения
КПД используются особые формы кремниевых диодов – наномембранного или трехмерного
наноструктурного объема, что увеличивает поверхность соприкосновения;
технология изготовления элемента питания (батарейки).
Применение новых технологий позволит достичь следующих параметров:
мощность элемента питания (оценочная) не менее 1-2 мВт;
емкость – не менее 1-2 мА/час;
срок службы – не менее 20 лет;
габариты элемента питания: диаметр не более 20 мм, высота не более 15 мм;
корпус элемента питания должен быть одновременно защитным корпусом от бета-излучения изотопа 63Ni.
Микроисточник тока с максимально возможными характеристиками по емкости и току на основе долгоживущего бета-изотопа - уникального по своим свойствам радиоизотопа 63Ni – будет получен впервые в мире и может являться объектом правовой охраны.
Предлагаемый проект соответствует современным тенденциям развития науки и техники, а заявленное исследование входит в научно-технологические российские и мировые приоритеты.
Для достижения указанных целей в процессе разработки технологии изготовления микроисточника тока (составной части элемента питания) планируется использовать особые формы кремниевых диодов – наномембранного (или трехмерного наноструктурного) объема, – которые
позволят увеличить поверхность соприкосновения, а, следовательно, смогут обеспечить равномерность нанесения слоя радиоизотопа на кремниевую подложку.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты работы должны системно способствовать развитию и миниатюризации медицинской техники, в частности, расширить область имплантируемых устройств типа кардиостимуляторов, способствовать созданию долговременных сенсоров и датчиков, используемых в медицине и технике, а также в микроэлектронике.
Возможными потребителями ожидаемых результатов являются предприятия:
•производители биомеханических систем (в частности кардиостимуляторов);
•производители изделий для робототехники (в частности экзоскелетов для инвалидов, где элементы питания могут быть применены для движителей - искусственных мышц).
Также предполагаемыми потребителями элементов питания могут быть предприятия, входящие в «Русскую Ассоциацию микроэлектромеханических систем (МЭМС)», работающие над перспективами применения современных МЭМС на наземных подвижных и неподвижных объектах (проводные и беспроводные решения), а также при разработке бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС): Национальный исследовательский Университет «МИЭТ» (г. Зеленоград), «3 Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны», ОАО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики» (г. Москва), ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро» (г. Раменское).

Текущие результаты проекта:
1. В результате проведенных исследований и расчетов смоделировано и разработано конструктивное решение по исполнению составного элемента источника питания – микроисточника тока на основе бетавольтаического эффекта.
2. На основании расчетов и моделирования разработаны технические предложения, изготовлены макеты микроисточников тока и проведены стендовые испытания.
3. Полученные результаты моделирования и экспериментальные результаты сравнимы с наилучшими мировыми результатами. В ходе экспериментальных измерений параметров макетов микроисточника тока были достигнуты следующие максимальные выходные параметры для одного микроисточника:
- ток короткого замыкания 0,38 мкА (380 нА);
- напряжение холостого хода 180 мВ (0,18 В).
Соединяя последовательно ~ 75 микроисточников, имеющих указанные выше параметры, с толщиной пластин 150 мкм и степенью обогащения по изотопу никеля ~ 85%, получим элемент питания мощностью ~ 1,5 мВт.