王瑩澈，李要民，李仁杰，李世文

（1.西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2.機電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

微電源沒有嚴格的定義，在20世紀90年代初提出微電池的概念，國外某些專家建議，把微電池定義為其底面積不大于10 mm2的電池，微電池的功率范圍應(yīng)在微瓦級，并具有與微電子芯片、MEMS集成的相容性、自控性和可移動性［1－5］。

國內(nèi)外已有多個研究機構(gòu)開展微電源研究，并不限于微電池，其研究也不僅限于民用領(lǐng)域，在軍工技術(shù)領(lǐng)域，也有報道［6－10］。目前研究較多的微電源有以下幾類：一類是基于目前已有的電源體系，通過新加工工藝達到較大幅度地縮小體積的微電源，如：微型渦輪電機、微型鋰電池、微燃料電池、微溫差電池等；一類是通過先進制造工藝達到高密度安裝單體電源的微電源體系，如：微太陽能電池、壓電膜電源；還有其他類型的微電源，如：核能電池、混合電池等。相對于傳統(tǒng)的電源，微電源是一個新的領(lǐng)域。

引信小型化是引信發(fā)展的方向之一，引信電源微小型化也受到了較大的關(guān)注，為了使引信微電源需求與未來引信微能源的可能技術(shù)方案相結(jié)合，本文對微電源技術(shù)及其在引信的應(yīng)用前景作一探討。

1 微電源應(yīng)用于引信需要解決的幾個問題

引信電源，有一定的電壓和功率要求，使用條件比較苛刻，如高過載、高轉(zhuǎn)速、比較寬的溫度范圍、小尺寸、復(fù)雜的動態(tài)使用環(huán)境、復(fù)雜的勤務(wù)處理環(huán)境、10～15年的存儲期等，因此，微電源在滿足以上條件下，應(yīng)能保證能量供給可靠性。

1）微電源作為供能元件，其電性能輸出需要滿足引信使用要求，要求有較高的體積比和功率比，經(jīng)過復(fù)雜的勤務(wù)處理和10～15年的長期的儲存后，電源是否具有原先設(shè)計的使用性能，直接關(guān)系引信系統(tǒng)正常作用的可靠性。

2）微電源必須滿足引信高過載、高轉(zhuǎn)速的要求。通過微組裝形成的微電源陣列群，其強度特性對于引信來說都至關(guān)重要，必須能承過載（幾萬個g和幾萬轉(zhuǎn)每分鐘）沖擊的要求。引信作用過程中，所承受的直線過載及離心過載都比較大，電源陣列不能在過載條件下發(fā)生散亂或者其他不希望的變化，這些變化對于引信系統(tǒng)來說都是致命的。

3）微電源必須滿足引信比較寬的溫度范圍的要求，還要經(jīng)受引信環(huán)境試驗中的溫度沖擊。微電壓因為體積小，溫度的變化有可能導(dǎo)致輸出性能有較大的變化，但變化范圍應(yīng)能滿足引信的使用。

4）電源與引信的接口方式需要更改。傳統(tǒng)引信用儲備電源，特別是儲備化學(xué)電源的接口方式與引信采用接插件連接或通過引線焊接，已經(jīng)不適用引信微電源與引信其他功能之間的連接。微電源的加工以微組裝工藝來實現(xiàn)，電池單元之間的聯(lián)接方式，以及相互之間的穩(wěn)定性都會對引信線路產(chǎn)生比較大的影響，需要有可靠的接口設(shè)計來保證電源的輸出特性，保障引信的可靠性。

5）引信微電源的設(shè)計、加工與制造工藝需要符合微組裝的要求。傳統(tǒng)的引信電源作為引信的一個部件獨立設(shè)計、加工、制造。而采用微電源，傳統(tǒng)的引信電源加工方式已經(jīng)不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，需要通過引信與電源集成設(shè)計，同步加工才能完成。

2 幾種微電源的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 微渦輪發(fā)電機

微渦輪發(fā)電機基本組成包括微型燃燒室、微型壓縮機葉輪、微型渦輪等。其工作原理是：液態(tài)的碳氫化合物燃料在微燃燒室中被點燃、燃燒，燃氣推動微渦輪系統(tǒng)的葉輪帶動微發(fā)電機輸出電能；微渦輪系統(tǒng)的葉輪同時驅(qū)動壓縮機，壓縮機吸入空氣或是助燃劑，保證燃料繼續(xù)燃燒。

麻省理工學(xué)院（MIT）氣體渦輪實驗室研制的微型渦輪發(fā)動機，如圖1所示。微型的渦輪葉片只有襯衫的紐扣大小，直徑為4 mm，見圖2。他們還制造了2 mm長的微型燃燒室，材料都是硅，制造工藝與IC工藝相似［11］。他們希望在硅片上制造質(zhì)量僅為1 g的渦輪發(fā)電機，能夠輸出10～20 W的電能。

圖1 麻省理工學(xué)院研制的微型渦輪發(fā)電機Fig.1 Micro-t ur bine generators of MIT

圖2 麻省理工學(xué)院研制的微型渦輪圖片F(xiàn)ig.2 Micro-tur bine of MIT

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，研究人員在考慮使用碳化硅，以減少熱量的損失。采用整體設(shè)計，減少活動部件，可以減少摩擦損失。用MEMS工藝制造高效的催化劑，設(shè)計帶有微通道的燃燒室，選擇燃燒穩(wěn)定的燃料可以改善燃燒穩(wěn)定性，提高微型內(nèi)燃機轉(zhuǎn)化效率。如采用碳氫燃料的能量密度約為40～50 MJ／kg，即使轉(zhuǎn)化效率為5%，其能量密度也能達到2～2.5 MJ／kg（555～700 Wh／kg），要比普通化學(xué)電池高數(shù)倍，非常可觀［12］。

圖3是美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的第一代MEMS回轉(zhuǎn)式內(nèi)燃式發(fā)動機，其目的之一是替代電池組，體積77.8 mm3，最大轉(zhuǎn)速為30 000 r／min，輸出功率29 W，為微－旋轉(zhuǎn)發(fā)動機提供了技術(shù)儲備［13］。

下一步的工作包括使用氣體燃料如氫、甲烷、丙烷，用電動機驅(qū)動發(fā)電機，測試密封性能。微型發(fā)動機的尺寸將是：半徑0.5 mm、深0.1 mm、體積0.013 mm3，將用硅或是碳化硅制造。

Honey well技術(shù)中心［14］正研究設(shè)計一種微型的自點火內(nèi)燃發(fā)動機和發(fā)電機系統(tǒng)。它以丙烷、丁烷或柴油為燃料，目標是可輸出功率5～10 W／c m3。預(yù)計這種發(fā)電機的功率密度為5～10 W／c m3，體積為0.005 c m3，機電轉(zhuǎn)化效率最高可達80%，質(zhì)量為（主要是電磁鐵）10～20 g，比能量大于3 500 Wh／kg。

圖3 微型內(nèi)燃發(fā)動機Fig.3 Micro-inter nal co mbustion engine

2.2 微太陽能電池

美國Sandia國家實驗室在1999年研制了微太陽能電池，提供75 V電壓，驅(qū)動兩種具有武器保險性能的MEMS組件，其光源來自光纖。日本三洋公司1997年研制出了高電壓、高輸出功率的微型太陽能電池，電壓達207 V，輸出功率為4.65 m W。日本三菱公司也有微光伏器件的報道。伯克利大學(xué)、路易斯安那大學(xué)研制了用于靜電MEMS器件的高壓太陽能電池：采用三層非晶硅結(jié)構(gòu)，電壓可達1.8～2.3 V，在1 c m2面積上串聯(lián)了100個單元，電壓為150 V。1999年，Stanford大學(xué)和Hughes公司合作的研究項目中用微太陽電池驅(qū)動射頻MEMS開關(guān)。麻省理工學(xué)院1999年報道研究用于MEMS的微太陽電池，采用V型槽多結(jié)結(jié)構(gòu)串聯(lián)了7個電池單元。1999年日本豐田公司做的砷化鎵太陽能電池，在0.8 mm×1.0 mm面積上串聯(lián)24個單元，電壓達22.5 V［15］。

2.3 微壓電電源

國內(nèi)外壓電電源的文獻較多，由于引信上具有較好的沖擊和振動環(huán)境條件，壓電電源在引信上使用較多。近年來，微壓電電源在國內(nèi)外研究也多，不僅可以作為供電能源，也可以作為傳感器件。壓電微電源的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以“三明治”懸臂梁和雙層壓電懸臂梁為主?！叭髦巍睉冶哿航Y(jié)構(gòu)如圖4所示，壓電材料選擇壓電系數(shù)和機電轉(zhuǎn)換效率較高的鋯鈦酸鉛（Pb（Zrx Ti-1-x）O3，簡稱PZT）。兩層壓電材料夾著一層彈性金屬層，利用MEMS工藝加工微型壓電懸臂梁多為在硅或多晶硅上作單層或多層PZT薄膜。

圖5是一種微壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)［16］。

圖4 壓電懸臂梁Fig.4 Piezoelectricity cantilever

圖5 微壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)Fig.5 Configuration of micro-piezoelectricity cantilever

2008年，韓國電力研究協(xié)會的S.J.Jeong研究小組制作出了基于雙層PMNZT壓電片的微能量采集器，在120 Hz、0.1 g加速度下器件的峰值電壓為2 V，功率為0.5 m W［17］；美國 Aubur n大學(xué)材料學(xué)院的D.Shen等人制作的微壓電電源，質(zhì)量塊為Si材料，用刻蝕的工藝實現(xiàn)，完全集成在MEMS工藝中，懸臂梁4 800μm×400μm×36μm，在461.15 Hz、2 g加速度下，器件峰值電壓為0.16 V，功率為2.15μW［18］；上海交通大學(xué)與美國 Honey well公司合作開發(fā)的微壓電振動能量采集器樣品，通過MEMS技術(shù)制造Si懸臂梁，然后采用Sol-Gel工藝在懸臂梁上表面制作了PZT壓電層和電極層，最后在懸臂梁末端粘結(jié)上Ni質(zhì)量塊，基本參數(shù)是：懸臂梁3 000μm×1 000μm×15μm，在229 Hz、2 g加速度作用下，器件的峰值電壓為3.93 V，功率為2.25μW［19］。

2.4 微型鋅鎳電池

微型鋅鎳電池的密封是研制這種微電池的一大難題。由于封裝不良，在這種微電池充放電循環(huán)過程中造成電解液損失，會影響電池壽命。國外開展用于MEMS和其它微集成電路的微型鋅鎳電池，采用MEMS和其它集成電路相同的低成本、高效率生產(chǎn)工藝制造，可以以任何形狀及尺寸，以不同的組合方式應(yīng)用不同的場合。微型鋅鎳電池可以獨立于MEMS器件或集成電路單獨制造，然后再從外部與已經(jīng)做好的器件相聯(lián)，也可以作為MEMS和其它微集成電路的一個部件，作為內(nèi)置式的電源時用，可以減少集成電路的功耗。美國Brigham Youngh大學(xué)和Bipolar Techno-logies公司正在聯(lián)合開展用于MEMS和其他微電路的微型鋅鎳電池的研究工作。最新研制的微型鋅鎳電池，電池面積小于0.1 c m2，厚度為100μm，能量輸出密度大于150 m W／c m2，具有高的體面積容量，約為1 mAh／c m2，如圖6所示［20］。

圖6 微型鋅鎳電池Fig.6 Micro-zinc-nickel cell

2.5 微型鋰電池

目前微型鋰電池一般都制成薄膜電池的形式，利用各種沉積技術(shù)制成各種二維形狀的電池就能夠方便地與MEMS集成在一起；或者利用集成電路的制造工藝，大批量單獨制造或是與集成電路同時制造微型鋰電池，有關(guān)這方面研究工作還在進行中。整個電池的厚度大約幾十微米，面積可以設(shè)計成平方厘米的范圍。電池是傳統(tǒng)的積堆回路形式。由鋰錳氧化物（或者鋰鈷氧化物）、鋰磷酸鹽氧氮化物和鋰金屬交互層組成。對于Li Co O2－Li基電池最大額定電壓為4.2 V，連續(xù)和最大電流約為1 mA／c m2和5 mA／c m2［20］，電池的組成示意圖如圖7。

圖7 一種薄膜鋰電池的剖面示意圖Fig.7 Cutaway view of fil my-lithiu m cell

二維鋰微型電池存在脫嵌鋰困難、電解質(zhì)膜和電極膜有效面積接觸面太小的問題，為此人們論證了三維電池結(jié)構(gòu)，如圖8所示，該結(jié)構(gòu)可以有效增大電極和電解質(zhì)接觸面積并有利于鋰離子的移動［21］。

圖8 一種三維電池結(jié)構(gòu)剖面示意圖Fig.8 Cutaway view of 3D configuration cell

國內(nèi)在已有電池的技術(shù)基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)微型化設(shè)計，目前在微鋰二氧化錳電池研究上開展了相應(yīng)工作，單體電池尺寸為Φ6 mm×6 mm，通過密集排列焊接，可形成高度不超過7 mm的電池組。單體電池輸出2 V以上電壓。電池1 kΩ放電數(shù)據(jù)如表1所示，在200Ω條件下的快速放電試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 微鋰二氧化錳電池負載1 kΩ放電數(shù)據(jù)Tab.1 Discharge of micro-Li-Mn O2 cell（1 kΩ）

表2 微鋰二氧化錳電池負載200Ω放電數(shù)據(jù)Tab.2 Discharge of micro-Li-Mn O2 cell（200Ω）

2.6 微燃料電池

燃料電池有高的比能量，有較高的熱機效率，沒有污染，可以安靜和連續(xù)地工作。如果能夠?qū)崿F(xiàn)微型化，將是一種非常有前景的MEMS能源。制造高效、微型燃料轉(zhuǎn)化器、微型反應(yīng)器、催化劑、隔膜，是實現(xiàn)微燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵［12］。

德國的夫瑯和費實驗室已進行了相關(guān)的研究。實驗中以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為原型，以氫氣為燃料，以氧氣為氧化劑，制作了一個微燃料電池。所用的材料為經(jīng)過特殊處理的不銹鋼，在制造中采用了機械打磨和切割加工技術(shù)。五個單電池組成的電池堆（不包含附加設(shè)備：燃料儲存、輸送及冷卻系統(tǒng)等）的輸出功率為250 m W，體功率密度為1 W／c m3，電池堆的總高度約為2.25 mm。單電池的結(jié)構(gòu)如圖9所示［22］。

圖9 單電池的結(jié)構(gòu)Fig.9 Configuration of unit cell

清華大學(xué)研制的微型直接甲醇燃料電池的實物圖如圖10所示，整個電池的尺寸為14 mm×12 mm×1.5 mm。室溫常壓下，陽極通入甲醇溶液濃度4 mol／L，陰極通入空氣時，單電池的開路輸出電壓為0.4 V，但輸出電流較低，在100μA以內(nèi)。當輸出電壓為0.21 V時，最大輸出功率為15.6μW（2.11 μW／c m2）［4］。

圖10 微型燃料電池實物圖Fig.10 Micr o-f uel cell

美國新澤西州立大學(xué)正在研發(fā)一種帶有自控裝置的有集成燃料存儲系統(tǒng)的微空氣燃料電池，如圖11所示，該微電池和傳感器、電子器件組裝在一塊線路板上，形成一個無線傳感器。經(jīng)測試，基于NaBH4的集成表面存儲微燃料電池已達到67%的氫氣利用率，具有2 m W／c m2的持續(xù)穩(wěn)態(tài)輸出和10 m W／c m2的脈沖輸出，總能量約為50 m Wh。美國新澤西州立大學(xué)正在研發(fā)的另一種集成式微處理器和燃料電池，如圖12所示，利用成熟的催化技術(shù)和現(xiàn)成的燃料電池將燃料和水轉(zhuǎn)化成H2和CO2，然后燃料電池再將H2轉(zhuǎn)化成H2O和電能，體積小于5 mm3，輸出功率10～500 m W［23］。

2.7 微溫差電池

近年來，國外已投入大量資金及精力研制微型溫差電組件。美國國防部高技術(shù)預(yù)研局（DARPA）投入大量資金用于低維高性能溫差電材料的研究。目前，科學(xué)家正在考慮將納米溫差電材料制成微溫差電池［15］。

圖11 微空氣燃料電池及系統(tǒng)圖片F(xiàn)ig.11 Micro-air-f uel cell system

圖12 集成式微處理器和燃料電池圖片F(xiàn)ig.12 Micro integration pr ocessor and f uel cell

溫差發(fā)電機的原理是將兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料N和P構(gòu)成環(huán)路，在其一個接點處加熱，保持另一個接點的溫度低于這個接點，由于高溫端的熱激發(fā)作用較強，此端的空穴和電子濃度比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動下空穴和電子向低溫端擴散，從而在低溫開路端形成電勢差。將許多對P和N型熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來組成模塊，就可得到足夠高的電壓，形成一個溫差發(fā)電機。這種發(fā)電機在有微小溫差存在的條件下就能將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，且轉(zhuǎn)換過程中不需要機械運功部件，也無氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)存在，因此適應(yīng)范圍廣、體積小、重量輕、安全可靠［21］。

德國薄膜溫差電系統(tǒng)公司，將Bi Te基溫差電材料磁控濺射到聚酰亞胺薄膜上，然后利用標準薄膜技術(shù)制作微型溫差電池。微電池體積0.22 c m3，包含2 250對膜厚度為2.5μm的溫差電偶。該微電池在溫差20 K、負載電壓4 V時，可以產(chǎn)生20μW電功率，比功率接近90μW／c m3。據(jù)說，用類似工藝制作的微型溫差電池的極限輸出功率可達到60μW［15］。

2.8 微核電池

核能電池是指從放射性元素衰變轉(zhuǎn)換電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。目前主要是α和β粒子與P-N結(jié)一起構(gòu)成的微核電池。它是將β粒子的能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽@種電池體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、獨立操作性好。在結(jié)構(gòu)形式上，通過倒三角槽或者倒金字塔陣列，以及垂直側(cè)壁方孔陣列型表面結(jié)構(gòu)擴大接觸，并通過在表面上蝕刻或者金屬沉積更進一步地擴大接觸面積，達到工作狀態(tài)穩(wěn)定的目的。能量結(jié)構(gòu)的摻雜濃度，以及結(jié)構(gòu)表面溝、槽的最佳深度都不得影響到電池的工作穩(wěn)定性。目前普遍使用摻雜63Ni同位素來設(shè)計核能電池［24］。美國Wisconsin大學(xué)的科學(xué)家研究P-N結(jié)型微電池，硅作為襯底，2.368×106 Bq的液態(tài)放射性同位素63 Ni（半衰期100 a）作為輻射源。已經(jīng)報道的測試結(jié)果，0.05 V電壓時電流為1.3 n A，輸出功率達0.07 n W［25］。

2.9 混合電池

混合電池由能量轉(zhuǎn)換器件（如太陽能電池、壓電式電池）、能量儲存用微電池、控制／接口電路組成?；旌想姵氐年P(guān)鍵部分是能量轉(zhuǎn)換器件與微電池。能量轉(zhuǎn)換器件有太陽能電池與壓電式電池兩種。此類電池可從外界環(huán)境獲取能量，維持系統(tǒng)的運行，并為微電池充電，能量獲取器件的尺寸應(yīng)滿足平均功耗的需求。當系統(tǒng)運行的某些特定時刻出現(xiàn)對能量的峰值需求時，微電池儲存電能對系統(tǒng)供電，另外在能量轉(zhuǎn)換器件無法正常工作時，還可以為系統(tǒng)提供能量，目前混合電池還處于研究階段［26］。

3 不同微電源在引信中的應(yīng)用展望

微渦輪發(fā)電機可作為引信的一種表面安裝能源，利用引信彈道環(huán)境中的空氣或內(nèi)置阻燃劑，可以提供較高的能量，可以通過陣列來滿足引信所需的電能量，不存在存儲過程中的能量損失問題，解決好在引信應(yīng)用中強度問題、耐熱問題、防雨、防塵等問題，具有很好的應(yīng)用前景。

采用太陽能作為能源供給，在常規(guī)引信上的應(yīng)用有一定的技術(shù)困難，雨天、夜晚都對太陽能微電池的發(fā)電產(chǎn)生影響，但在特種引信，如地雷引信或干擾彈引信，與超級電容器聯(lián)合使用，可作為輔助能源或補充能源。第53屆美國引信年會報道了超音速彈基于熱光電轉(zhuǎn)換材料的發(fā)電機，無初始能量、安全、存儲性好、體積小、可減少彈上電池或電容器的體積［27］、可利用光能量，因此，太陽能微電池，在特種引信上應(yīng)有一定的應(yīng)用空間［27］。

微壓電電源，可以較好地利用引信發(fā)射的后坐過載和振動發(fā)電，配合集成在線路中的電容器可實現(xiàn)對引信線路的供電，也可作為引信中的傳感器件，有廣闊的應(yīng)用前景。

微鋅鎳電池，具有高的體面積容量，在引信中配合MEMS過載開關(guān)和其他微集成電路的部件，作為內(nèi)置式的電源使用，有一定的應(yīng)用前景。

三維鋰微型電池可較好地解決嵌鋰困難、電解質(zhì)膜和電極膜有效面積接觸面小的問題，解決好儲存期間的密封和鈍化問題，在引信中配合MEMS過載開關(guān)，在引信中應(yīng)用是可行的。其他類型的微鋰電池也可以作為引信中的查詢電源。

美國專利 W022008143707A2I.2008年11月27日報道了一種用于陸軍火炮或其他軍種彈丸的彈道修正引信。該引信用的電源是新型的燃料電池，在內(nèi)部設(shè)計了兩個激活桿，分別激活氫氣室和氧氣室，電池激活后氣體通過氣體流散器到達催化劑薄膜發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，給引信體供電［28］。微型燃料電池集成在引信線路中，通過控制裝置，在引信中的應(yīng)用研究有較大可能。

利用引信在外彈道上的摩擦產(chǎn)生的熱量，微溫差發(fā)電機也有作為引信電源的可能。

其他類型的微電源，混合微電池也有作為引信電源的可能，但微核電池由于存在存儲性問題，在引信上的應(yīng)用可行性較小。

4 結(jié)論

本文分析了微電源用于引信需要解決的問題，對國內(nèi)外目前正在研制的主要微電源進行了介紹，并分析了微電源應(yīng)用于引信的技術(shù)可行性，認為：微渦輪發(fā)電機、微壓電電源、微燃料電池具有較好的應(yīng)用前景，微鋅鎳電池、微鋰電池、微太陽能電池等也有一定的應(yīng)用可能。微電源作為引信微小型化的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以參考和借鑒微電源研究的技術(shù)途徑，但還要考慮作為引信電源的特殊要求，解決實際應(yīng)用問題。從長遠發(fā)展來看，引信用微電源應(yīng)與引信其他微機構(gòu)、微系統(tǒng)同步開展研究工作，并引起重視。

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