CN102903839A - 一种柔性热电发生器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性热电发生器及其制造方法，按照本发明提供的技术方案，所述柔性热电发生器，包括第一柔性衬底及位于第一柔性衬底下方的第二柔性衬底，所述第一柔性衬底与第二柔性衬底间设置若干交替分布的N型热电材料颗粒体及P型热电材料颗粒体，所述N型热电材料颗粒体通过第一柔性衬底上的第一导电连接层及第二柔性衬底上的第二导电连接层与P型热电材料颗粒体串联后电连接，以在第一柔性衬底与第二柔性衬底间形成包括若干热电对的热电材料体，所述热电材料体通过柔性绝缘绝热灌封材料体封装在第一柔性衬底及第二柔性衬底间。本发明工艺简单方便，制造成本低，发电效率高、能进行适度的弯曲，扩张了应用范围，安全可靠。

Description

一种柔性热电发生器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热电发生器，尤其是一种柔性热电发生器及其制造方法，属于热电发生器的技术领域。

背景技术

由于便携式电子产品日益增长的微型化趋势，推动了小型化电源的研究和发展。热电发生器作为一种自给自足的能源，它根据Seebeck效应能将热能直接转换为电能，在适合的温度下能保持实际上的无限的有效寿命，这使其作为一种能源领域的高新技术成为国际研究的热点之一。

热电发生器一般由三部分组成：热源、热沉和热电堆。热电堆是由一系列串联的能够将热能转换成电能的热电对组成（图示2）。热电对由不同类型的N/P型热电材料组成，当其两端，即热源端和热沉端，出现温度梯度时，其两端可产生电势差,如图示1中所示。

热电器件的主要工作原理是基于Seebeck效应。Seebeck效应是德国物理学家Seebeck发现的一种热电现象。当在金属导体或者半导体结构上加上温度差ΔT时，会伴随产生电压ΔU。并且开路电压线性地正比于温差：

${\mathrm{\α}}_s=\frac{\mathrm{\ΔU}}{\mathrm{\ΔT}}$

其中，α_s称作Seebeck系数，也可称为热电功率。如果热电偶的两种构成材料的Seebeck系数分别为α_a和α_b，则热电偶的Seebeck系数定义为：

α_db＝α_a+α_b

当n对热电偶串联时，总的开路输出电压可表示为ΔU_n：

ΔU_n=n·(α_ab·ΔT)

根据Seebeck效应而制作的热电发生器，其效率可由热电品质因数Z来表征：

$Z=\frac{{\mathrm{\α}}_s^2\·\mathrm{\σ}}{\mathrm{\κ}}$

其中，σ是电导率，κ是热导率，品质因数Z表示可用在热电发生器中的热电材料的热和电属性。

传统热电发生器，多采用热电材料的长方体状颗粒，然后按热电堆的形式，将N/P不同的颗粒黏贴到陶瓷导热板上，其采用的颗粒可以达到1mm²*2mm或者更小的截面，更高的纵横比。但其应用范围，受到陶瓷等材料特性的限制，无法应用到管道等，需要有一定弯曲的地方。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种柔性热电发生器及其制造方法，其工艺简单方便，制造成本低，发电效率高、能进行适度的弯曲，扩张了应用范围，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述柔性热电发生器，包括第一柔性衬底及位于第一柔性衬底下方的第二柔性衬底，所述第一柔性衬底与第二柔性衬底间设置若干交替分布的N型热电材料颗粒体及P型热电材料颗粒体，所述N型热电材料颗粒体通过第一柔性衬底上的第一导电连接层及第二柔性衬底上的第二导电连接层与P型热电材料颗粒体串联后电连接，以在第一柔性衬底与第二柔性衬底间形成包括若干热电对的热电材料体，所述热电材料体通过柔性绝缘绝热灌封材料体封装在第一柔性衬底及第二柔性衬底间。

所述第二柔性衬底上设有与热电材料体电连接的第一连接电极及第二连接电极，所述第一连接电极及第二连接电极位于第一柔性衬底及柔性绝缘绝热灌封材料体的外侧。

所述第一柔性衬底上设有若干贯通所述第一柔性衬底的通孔，所述通孔位于N型热电材料颗粒体和/或P型热电材料颗粒体的正上方。

所述第二柔性衬底上设有若干贯通所述第二柔性衬底的通孔，所述通孔位于N型热电材料颗粒体和/或P型热电材料颗粒体的正下方。

所述通孔内填充有绝缘导热灌封材料体。

一种柔性热电发生器的制造方法，所述柔性热电发生器的制造方法包括如下步骤：

a、提供所需的第一柔性衬底及第二柔性衬底；

b、在第一柔性衬底所需的表面上设置导电材料，选择性地掩蔽和刻蚀所述导电材料，以在第一柔性衬底上得到所需的第一导电连接层；

c、在第二柔性衬底所需的表面上设置导电材料，选择性地掩蔽和刻蚀所述导电材料，以在第二柔性衬底上得到所需的第二导电连接层；

d、将所需的N型热电材料颗粒体及P型热电材料颗粒体对应的两端部分别焊接在第一柔性衬底及第二柔性衬底上，所述N型热电材料颗粒体通过第一柔性衬底上的第一导电连接层及第二柔性衬底上的第二导电连接层与P型热电材料颗粒体串联后电连接，以在第一柔性衬底与第二柔性衬底间形成包括若干热电对的热电材料体；

e、将上述第一柔性衬底、第二柔性衬底及焊接形成的热电材料体进行退火；

f、利用柔性灌封材料对上述退火后的结构进行灌封，热电材料体通过柔性绝缘绝热灌封材料体封装在第一柔性衬底与第二柔性衬底间。

所述步骤e中，退火温度为140℃~160℃。

还包括步骤g、在第一柔性衬底和/或第二柔性衬底上设置通孔，第一柔性衬底上的通孔位于N型热电材料颗粒体和/或P型热电材料颗粒体的正上方；第二柔性衬底上的通孔位于N型热电材料颗粒体和/或P型热电材料颗粒体的正下方。

所述通孔内填充有绝缘导热灌封材料体。所述第一柔性衬底及第二柔性衬底的材料包括PI膜。

本发明的优点：N型热电材料颗粒体、P型热电材料颗粒体形成热电材料体后通过柔性绝缘绝热灌封材料体封装在第一柔性衬底与第二柔性衬底间，从而使得得到的热电发生器通过第一柔性衬底、第二柔性衬底及柔性绝缘绝热灌封材料体可产生一定的弯曲而不损坏，增加了其应用范围，N型热电材料、P型热电材料采用传统的长方体结构颗粒，具有较高的热电效率，工艺步骤简单，降低制造成本，结构简单紧凑，安全可靠。

附图说明

图1为现有热电发生器的原理示意图。

图2为形成热电对后的连接示意图。

图3为本发明实施例1的结构示意图。

图4为图3中柔性热电发生器弯曲时的状态示意图。

图5为本发明第一柔性衬底上形成第一导电连接层后的示意图。

图6为本发明第二柔性衬底上形成第二导电连接层后的示意图。

图7为图3中形成柔性热电发生器的剖视图。

图8为本发明实施例2的结构示意图。

图9为图8中柔性热电发生器的剖视图。

图10为本发明实施例3的结构示意图。

图11为图10中柔性热电发生器的剖视图。

附图标记说明：1-热电对、10-第一柔性热电发生器、20-第二柔性热电发生器、30-第三柔性热电发生器、100-第一柔性衬底、101-第二柔性衬底、102-第一连接电极、103-第二连接电极、104-柔性绝缘绝热灌封材料体、201-第一导电连接层、202-第二导电连接层、301-N型热电材料颗粒体、302-P型热电材料颗粒体、401-通孔及501-绝缘导热灌封材料体。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图3和图7所示：为本发明实施例中第一柔性热电发生器10的结构示意图，所述第一柔性热电发生器10包括第一柔性衬底100及位于第一柔性衬底100下方的第二柔性衬底101，所述第一柔性衬底100与第二柔性衬底101间设置若干交替分布的N型热电材料颗粒体301及P型热电材料颗粒体302，所述N型热电材料颗粒体301通过第一柔性衬底100上的第一导电连接层201及第二柔性衬底101上的第二导电连接层202与P型热电材料颗粒体302串联后电连接，以在第一柔性衬底100与第二柔性衬底101间形成包括若干热电对1的热电材料体，所述热电材料体通过柔性绝缘绝热灌封材料体104封装在第一柔性衬底100及第二柔性衬底101间。

上述第一柔性衬底100及第二柔性衬底101的材料包括PI（Polyimide Film）膜。热电材料体通过柔性绝缘绝热灌封材料体104封装在第一柔性衬底100与第二柔性衬底101间后，所形成的柔性热电发生器具有一定角度的柔性，能够用于需要弯曲的环境中，如废气管道、排气管道等场合中，如图4所示。柔性绝缘绝热灌封材料体104采用现有常规的柔性绝缘绝热灌封材料，为本技术领域人员所熟知；同时，N型热电材料颗粒体301及P型热电材料颗粒体302的制备过程也为本技术领域人员所熟知。形成的热电材料体中，第一导电连接层201与第二导电连接层202分别位于N型热电材料颗粒体301及P型热电材料颗粒体302的两端，且第一导电连接层201与第二导电连接层202上的连接结构交错分布。

上述结构的柔性热电发生器可以通过下述工艺步骤制备，具体地包括

a、提供所需的第一柔性衬底100及第二柔性衬底101；

如上所述，第一柔性衬底100及第二柔性衬底101的材料选用PI膜，也可以选用其他的柔性材料；

b、在第一柔性衬底100所需的表面上设置导电材料，选择性地掩蔽和刻蚀所述导电材料，以在第一柔性衬底100上得到所需的第一导电连接层201；

c、在第二柔性衬底101所需的表面上设置导电材料，选择性地掩蔽和刻蚀所述导电材料，以在第二柔性衬底101上得到所需的第二导电连接层202；

上述第一导电连接层201及第二导电连接层202的材料包括铜、铝、银等金属材料，在第二柔性衬底101上形成第二导电连接层202的同时也形成了第一连接电极102及第二连接电极103，所述第一连接电极102及第二连接电极103与对应的第二导电连接层201电连接，通过第一连接电极102及第二连接电极103能够将后续形成热电材料体向外引出，即将热电材料体输出的电压向外输出。本发明实施例中，第二柔性衬底101的长度要大于第一柔性衬底100的长度，如图5和图6所示。

d、将所需的N型热电材料颗粒体301及P型热电材料颗粒体302对应的两端部分别焊接在第一柔性衬底100及第二柔性衬底101上，所述N型热电材料颗粒体301通过第一柔性衬底100上的第一导电连接层201及第二柔性衬底101上的第二导电连接层202与P型热电材料颗粒体302串联后电连接，以在第一柔性衬底100与第二柔性衬底101间形成包括若干热电对的热电材料体；

e、将上述第一柔性衬底100、第二柔性衬底101及焊接形成的热电材料体进行退火；

所述退火温度为140℃~160℃，一般地，进行退火温度为150℃。进行退火后，使热电材料体与第一柔性衬底100上的第一导电连接层201及第二柔性衬底101上的第二导电连接层202紧密连接。

f、利用柔性灌封材料对上述退火后的结构进行灌封，热电材料体通过柔性绝缘绝热灌封材料体104封装在第一柔性衬底100与第二柔性衬底101间。

利用柔性绝缘绝热灌封材料体104封装后，使得热电材料体的结构稳定在第一柔性衬底100及第二柔性衬底101上。

实施例2

如图8和图9所示：为本发第二柔性热电发生器20的结构示意图，本实施例中，为了能够实现与外界的良好热传导，第二柔性热电发生器20的第一柔性衬底100上设有贯通所述第一柔性衬底100上的通孔401，所述通孔401位于N型热电材料颗粒体301或P型热电材料颗粒体302的正上方，同时，通孔401也可以同时位于N型热电材料颗粒体301和P型热电材料颗粒体302的正上方。

进一步，所述第二柔性衬底101上也可以设有贯通第二柔性衬底101的通孔401，通孔401位于N型热电材料颗粒体301或P型热电材料颗粒体302的正上方，同时，通孔401也可以同时位于N型热电材料颗粒体301和P型热电材料颗粒体302的正上方。本实施例中，第一柔性衬底100及第二柔性衬底101上均设置了通孔401。

为了得到本实施例的结构，在实施例1中的制备工艺基础上，还包括步骤g，选择性地掩蔽和刻蚀第一柔性衬底100和/或第二柔性衬底101，以在第一柔性衬底100和/或第二柔性衬底101形成所需的通孔401，通孔401的位置设置如上所述。本实施例中其余的工艺步骤及条件与实施例1相同，此处不再赘述。

实施例3

如图10和图11所示：为本发明实施例中第三柔性热电发生器30的结构示意图，本实施例中，第三柔性热电发生器30中在第一柔性衬底100及第二柔性衬底101上同时设置通孔401，所述第一柔性衬底100上的通孔401位于N型热电材料颗粒体301和/或P型热电材料颗粒体302的正上方；第二柔性衬底101上的通孔401位于N型热电材料颗粒体301和/或P型热电材料颗粒体302的正下方。然后在通孔401内填充有柔性绝缘导热灌封材料体501，通过柔性绝缘导热灌封材料体501既达到了良好的导热目的，同时也对内部结构起到了保护作用。

为了得到本实施例的结构，在实施例2的制备工艺基础上，通过在通孔401内灌封绝缘导热的灌封材料，以形成柔性绝缘导热灌封材料体501。

如图3~图11所示：使用时，根据柔性热电发生器的使用场合，将第一柔性衬底100及第二柔性从很低101进行所需角度的弯曲，以便将柔性热电发生器与连接结构贴合，提高整个转换系统的安装及检测精度，安装方便；柔性热电发生器连接后，通过第一连接电极102及第二连接电极103将整个柔性热电发生器与外部电路相连。工作时，柔性热电发生器吸收热量并转换为电能，所述转换的电能输出到外部的电路中。

本发明N型热电材料颗粒体301、P型热电材料颗粒体302形成热电材料体后通过柔性绝缘绝热灌封材料体104封装在第一柔性衬底100与第二柔性衬底10１间，从而使得得到的热电发生器通过第一柔性衬底100、第二柔性衬底101及柔性绝缘绝热灌封材料体104可产生一定的弯曲而不损坏，增加了其应用范围，N型热电材料、P型热电材料采用传统的长方体结构颗粒，具有较高的热电效率，工艺步骤简单，降低制造成本，结构简单紧凑，安全可靠。

Claims (10)

1.一种柔性热电发生器，其特征是：包括第一柔性衬底（100）及位于第一柔性衬底（100）下方的第二柔性衬底（101），所述第一柔性衬底（100）与第二柔性衬底（101）间设置若干交替分布的N型热电材料颗粒体（301）及P型热电材料颗粒体（302），所述N型热电材料颗粒体（301）通过第一柔性衬底（100）上的第一导电连接层（201）及第二柔性衬底（101）上的第二导电连接层（202）与P型热电材料颗粒体（302）串联后电连接，以在第一柔性衬底（100）与第二柔性衬底（101）间形成包括若干热电对的热电材料体，所述热电材料体通过柔性绝缘绝热灌封材料体（104）封装在第一柔性衬底（100）及第二柔性衬底（101）间。

2.根据权利要求1所述的柔性热电发生器，其特征是：所述第二柔性衬底（101）上设有与热电材料体电连接的第一连接电极（102）及第二连接电极（103），所述第一连接电极（102）及第二连接电极（103）位于第一柔性衬底（100）及柔性绝缘绝热灌封材料体（104）的外侧。

3.根据权利要求1所述的柔性热电发生器，其特征是：所述第一柔性衬底（100）上设有若干贯通所述第一柔性衬底（100）的通孔（401），所述通孔（401）位于N型热电材料颗粒体（301）和/或P型热电材料颗粒体（302）的正上方。

4.根据权利要求1所述的柔性热电发生器，其特征是：所述第二柔性衬底（101）上设有若干贯通所述第二柔性衬底（101）的通孔（401），所述通孔（401）位于N型热电材料颗粒体（301）和/或P型热电材料颗粒体（302）的正下方。

5.根据权利要求3或4所述的柔性热电发生器，其特征是：所述通孔（401）内填充有绝缘导热灌封材料体（501）。

6.一种柔性热电发生器的制造方法，其特征是，所述柔性热电发生器的制造方法包括如下步骤：

（a）、提供所需的第一柔性衬底（100）及第二柔性衬底（101）；

（b）、在第一柔性衬底（100）所需的表面上设置导电材料，选择性地掩蔽和刻蚀所述导电材料，以在第一柔性衬底（100）上得到所需的第一导电连接层（201）；

（c）、在第二柔性衬底（101）所需的表面上设置导电材料，选择性地掩蔽和刻蚀所述导电材料，以在第二柔性衬底（101）上得到所需的第二导电连接层（202）；

（d）、将所需的N型热电材料颗粒体（301）及P型热电材料颗粒体（302）对应的两端部分别焊接在第一柔性衬底（100）及第二柔性衬底（101）上，所述N型热电材料颗粒体（301）通过第一柔性衬底（100）上的第一导电连接层（201）及第二柔性衬底（101）上的第二导电连接层（202）与P型热电材料颗粒体（302）串联后电连接，以在第一柔性衬底（100）与第二柔性衬底（101）间形成包括若干热电对的热电材料体；

（e）、将上述第一柔性衬底（100）、第二柔性衬底（101）及焊接形成的热电材料体进行退火；

（f）、利用柔性灌封材料对上述退火后的结构进行灌封，热电材料体通过柔性绝缘绝热灌封材料体（104）封装在第一柔性衬底（100）与第二柔性衬底（101）间。

7.根据权利要求6所述柔性热电发生器的制造方法，其特征是：所述步骤（e）中，退火温度为140℃~160℃。

8.根据权利要求6所述柔性热电发生器的制造方法，其特征是，还包括步骤（g）、在第一柔性衬底（100）和/或第二柔性衬底（101）上设置通孔（401），第一柔性衬底（100）上的通孔（401）位于N型热电材料颗粒体（301）和/或P型热电材料颗粒体（302）的正上方；第二柔性衬底（101）上的通孔（401）位于N型热电材料颗粒体（301）和/或P型热电材料颗粒体（302）的正下方。

9.根据权利要求8所述柔性热电发生器的制造方法，其特征是：所述通孔（401）内填充有绝缘导热灌封材料体（501）。

10.根据权利要求6所述柔性热电发生器的制造方法，其特征是：所述第一柔性衬底（100）及第二柔性衬底（101）的材料包括PI膜。

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