專利名稱：柔性熱電發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種熱電發(fā)生器，尤其是一種柔性熱電發(fā)生器，屬于熱電發(fā)生器的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于便攜式電子產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的微型化趨勢(shì)，推動(dòng)了小型化電源的研究和發(fā)展。熱電發(fā)生器作為一種自給自足的能源，它根據(jù)Seebeck效應(yīng)能將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能,在適合的溫度下能保持實(shí)際上的無限的有效壽命，這使其作為一種能源領(lǐng)域的高新技術(shù)成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一。熱電發(fā)生器一般由三部分組成熱源、熱沉和熱電堆。熱電堆是由一系列串聯(lián)的能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)換成電能的熱電對(duì)組成(圖示2)。熱電對(duì)由不同類型的N/P型熱電材料組成，當(dāng)其兩端，即熱源端和熱沉端，出現(xiàn)溫度梯度時(shí)，其兩端可產(chǎn)生電勢(shì)差，如圖示I中所示。熱電器件的主要工作原理是基于Seebeck效應(yīng)。Seebeck效應(yīng)是德國(guó)物理學(xué)家Seebeck發(fā)現(xiàn)的一種熱電現(xiàn)象。當(dāng)在金屬導(dǎo)體或者半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上加上溫度差Λ T時(shí)，會(huì)伴隨產(chǎn)生電壓AU。并且開路電壓線性地正比于溫差
「 IAt/a, =^7其中，as稱作Seebeck系數(shù)，也可稱為熱電功率。如果熱電偶的兩種構(gòu)成材料的Seebeck系數(shù)分別為a b，則熱電偶的Seebeck系數(shù)定義為a ab = a a+ab當(dāng)η對(duì)熱電偶串聯(lián)時(shí)，總的開路輸出電壓可表示為AUn:Δ Un=n · ( a ab · Δ T)根據(jù)Seebeck效應(yīng)而制作的熱電發(fā)生器,其效率可由熱電品質(zhì)因數(shù)Z來表征
(V1-CTZ=-^-
K其中，σ是電導(dǎo)率，K是熱導(dǎo)率，品質(zhì)因數(shù)Z表示可用在熱電發(fā)生器中的熱電材料的熱和電屬性。傳統(tǒng)熱電發(fā)生器，多采用熱電材料的長(zhǎng)方體狀顆粒，然后按熱電堆的形式，將Ν/Ρ不同的顆粒黏貼到陶瓷導(dǎo)熱板上，其采用的顆?？梢赃_(dá)到lmm2*2mm或者更小的截面，更高的縱橫比。但其應(yīng)用范圍，受到陶瓷等材料特性的限制，無法應(yīng)用到管道等，需要有一定彎曲的地方。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種柔性熱電發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡(jiǎn)單方便，制造成本低，發(fā)電效率高，可進(jìn)行適度的彎曲，大大擴(kuò)展了熱電發(fā)生器的適應(yīng)范圍，安全可靠。按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，所述柔性熱電發(fā)生器，包括柔性連接體，所述柔性連接體內(nèi)包括若干N型熱電材料體及P型熱電材料體，所述N型熱電材料體與P型熱電材料體交替分布；N型熱電材料體的一端通過第一導(dǎo)電連接層與所述N型熱電材料體一側(cè)相鄰P型熱電材料體的一端電連接，N型熱電材料體的另一端通過第二導(dǎo)電連接層與所述N型熱電材料體另一側(cè)相鄰P型熱電材料體的另一端電連接；N型熱電材料體與P型熱電材料體通過第一導(dǎo)電連接層及第二導(dǎo)電連接層串接成包括若干熱電對(duì)的熱電材料體，所述熱電材料體內(nèi)填充有柔性絕緣保護(hù)體；柔性連接體上覆蓋有第一絕緣保護(hù)層及第二絕緣保護(hù)層，所述第一絕緣保護(hù)層與第二絕緣保護(hù)層分別覆蓋柔性連接體相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)表面。所述第一絕緣保護(hù)層覆蓋柔性連接體對(duì)應(yīng)設(shè)置第一導(dǎo)電連接層的表面，第一絕緣保護(hù)層與第一導(dǎo)電連接層相接觸；第二絕緣保護(hù)層覆蓋柔性連接體對(duì)應(yīng)設(shè)置第二導(dǎo)電連接層的表面，第二絕緣保護(hù)層與第二導(dǎo)電連接層相接觸。所述第二絕緣保護(hù)層上設(shè)有第一連接電極及第二連接電極，所述第一連接電極及第二連接電極與第二導(dǎo)電連接層電連接，且第一連接電極、第二連接電極與第二導(dǎo)電連接層為同一制造層。 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)通過刻蝕法制作的熱電發(fā)生器，N型熱電材料體、P型熱電材料體采用傳統(tǒng)的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)顆粒，通過柔性絕緣保護(hù)體連接在一起，形成分立布局的結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生一定的彎曲而不損壞，增加了其應(yīng)用范圍。柔性連接體上覆蓋了超薄的第一絕緣保護(hù)層及第二絕緣保護(hù)層，提高了熱電傳輸能力，具有較高的熱電轉(zhuǎn)化效率，工藝步驟簡(jiǎn)單，制造成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安全可靠。

圖1為現(xiàn)有熱電發(fā)生器的原理示意圖。圖2為形成熱電對(duì)后的連接示意圖。圖3為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實(shí)用新型的柔性熱電發(fā)生器彎曲時(shí)的示意圖。圖5為本實(shí)用新型第一絕緣保護(hù)層與第一導(dǎo)電連接層分布配合的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本實(shí)用新型第二絕緣保護(hù)層與第二導(dǎo)電連接層分布配合的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本實(shí)用新型柔性熱電發(fā)生器的剖視圖。圖8 圖14為本實(shí)用新型制備柔性熱電發(fā)生器的具體實(shí)施工藝剖視圖，其中圖8為在導(dǎo)電基底上通過感光法進(jìn)行曝光顯影得到掩膜層時(shí)的剖視圖。圖9為本實(shí)用新型在第一導(dǎo)電襯底上得到第一掩膜層后的剖視圖。圖10為本實(shí)用新型將N型熱電材料體、P型熱電材料體與第一導(dǎo)電襯底及第二導(dǎo)電襯底焊接固定后的剖視圖。圖11為本實(shí)用新型灌封柔性絕緣材料得到柔性絕緣保護(hù)體后的剖視圖。圖12為本實(shí)用新型得到第一導(dǎo)電連接層及第二導(dǎo)電連接層后的剖視圖。圖13為本實(shí)用新型去除第一掩膜層及第二掩膜層后形成柔性連接體的剖視圖。圖14為本實(shí)用新型在柔性連接體上覆蓋第一絕緣保護(hù)層及第二絕緣保護(hù)層后的首1J視圖。附圖標(biāo)記說明1_熱電對(duì)、101-第一絕緣保護(hù)層、102-第二絕緣保護(hù)層、200-導(dǎo)電基底、201-第一連接電極、202-第二連接電極、203-第一導(dǎo)電連接層、204-第二導(dǎo)電連接層、210-第一導(dǎo)電襯底、220-第二導(dǎo)電襯底、300-柔性連接體、310-柔性絕緣保護(hù)體、401-N型熱電材料體、402-P型熱電材料體、501-線路遮光部位、502-線路透光部位、600-感光材料層、601-第一掩膜層、602-第二掩膜層及700-曝光光線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。如圖3和圖7所示為了能夠擴(kuò)大柔性熱電發(fā)生器的適用范圍，降低制造成本，本實(shí)用新型包括柔性連接體300，所述柔性連接體300內(nèi)包括若干N型熱電材料體401及P型熱電材料體402，所述N型熱電材料體401與P型熱電材料體402交替分布；N型熱電材料體401的一端通過第一導(dǎo)電連接層203與所述N型熱電材料體401 —側(cè)相鄰P型熱電材料體402的一端電連接，N型熱電材料體401的另一端通過第二導(dǎo)電連接層204與所述N型熱電材料體401另一側(cè)相鄰P型熱電材料體402的另一端電連接；N型熱電材料體401與P型熱電材料體402通過第一導(dǎo)電連接層203及第二導(dǎo)電連接層204串接成包括若干熱電對(duì)I的熱電材料體，所述熱電材料體內(nèi)填充有柔性絕緣保護(hù)體310 ;柔性連接體300上覆蓋有第一絕緣保護(hù)層101及第二絕緣保護(hù)層102，所述第一絕緣保護(hù)層101與第二絕緣保護(hù)層102分別覆蓋柔性連接體300相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)表面。所述第一絕緣保護(hù) 層101覆蓋柔性連接體300對(duì)應(yīng)設(shè)置第一導(dǎo)電連接層203的表面，第一絕緣保護(hù)層101與第一導(dǎo)電連接層203相接觸；第二絕緣保護(hù)層102覆蓋柔性連接體300對(duì)應(yīng)設(shè)置第二導(dǎo)電連接層204的表面，第二絕緣保護(hù)層102與第二導(dǎo)電連接層204相接觸。所述第一連接電極201及第二連接電極202，為第二導(dǎo)電連接層204的外露部位，同時(shí)也是柔性連接體300的外露部位。所述第一導(dǎo)電連接層203及第二導(dǎo)電連接層204的厚度為30 μ m，第一絕緣保護(hù)層101及第二絕緣保護(hù)層102的厚度為25 50 μ m。如圖4所示由于柔性連接體300具有柔性，因此整個(gè)柔性熱電發(fā)生器具備一定的彎曲角度，能夠適應(yīng)管道等環(huán)境，擴(kuò)大了適應(yīng)范圍。第二絕緣保護(hù)層102上的第一連接電極201及第二連接電極202作為第二導(dǎo)電連接層204的外露部位，能夠?qū)⒄麄€(gè)熱電材料體與外部連接，即能夠?qū)a(chǎn)生的電壓輸出。如圖5所示為第一絕緣保護(hù)層101覆蓋在柔性連接體300上后，第一絕緣保護(hù)層101與第一導(dǎo)電連接層203之間連接示意圖。圖6中，為第二絕緣保護(hù)層102覆蓋在柔性連接體300上后，第二絕緣保護(hù)層102與第二導(dǎo)電連接層204之間的連接示意圖，同時(shí)，如圖6所示，第一連接電極201及第二連接電極202對(duì)應(yīng)第二導(dǎo)電連接層204的外露部位，和第二導(dǎo)電連接層204同時(shí)制成。如圖圖14所示上述結(jié)構(gòu)的柔性熱電發(fā)生器，可以通過下述工藝制備得到，具體地,包括a、提供所需的導(dǎo)電基底200，所述導(dǎo)電基底200包括第一導(dǎo)電襯底210及第二導(dǎo)電襯底220，在第一導(dǎo)電襯底210及第二導(dǎo)電襯底220的表面上分別覆蓋感光材料層600 ;通過感光法對(duì)感光材料層600進(jìn)行曝光顯影,得到位于第一導(dǎo)電襯底210第一表面上的第一掩膜層601及位于第二導(dǎo)電襯底220第一表面上的第二掩膜層602 ；如圖8和圖9所示由于需要同時(shí)制備出第一導(dǎo)電連接層203及第二導(dǎo)電連接層204，因此本實(shí)用新型實(shí)施例中，導(dǎo)電基底200至少需要包括第一導(dǎo)電襯底210及第二導(dǎo)電襯底220,通過第一導(dǎo)電襯底210來形成第一導(dǎo)電連接層203 ;同時(shí),通過第二導(dǎo)電襯底220來形成第二導(dǎo)電連接層204。[0042]所述第一導(dǎo)電襯底210及第二導(dǎo)電襯底220的材料包括銅、鋁或銀等常用的金屬材料，感光材料層600選用常用的感光材料，此處不再列舉。在感光材料層600上根據(jù)需要設(shè)置線路遮光部位501及線路透光部位502，通過線路遮光部位501及線路透光部位502來選擇性地對(duì)感光材料層600進(jìn)行曝光。曝光光線700垂直照射在感光材料層600上，所述曝光光線700可以通過紫外燈、金屬鹵素曝光燈、毛細(xì)管超高壓水銀燈等產(chǎn)生，然后以碳酸鈉、碳酸氫鈉等溶液進(jìn)行顯影，從而在第一導(dǎo)電襯底210的第一表面上得到第一掩膜層601，并在第二導(dǎo)電襯底220的第一表面上得到第二掩膜層602。所述曝光顯影的過程為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)的過程。b、提供N型熱電材料體401及P型熱電材料體402，將所述N型熱電材料體401及P型熱電材料體402分別與第一導(dǎo)電襯底210的第二表面及第二導(dǎo)電襯底220的第二表面焊接固定；如圖10所示焊接后，第一掩膜層601位于N型熱電材料體401與P型熱電材料體402的上方，且第二掩膜層601位于N型熱電材料體401與P型熱電材料體402的下方，N型熱電材料體401及P型熱電材料體402與第一掩膜層601及第二掩膜層602的端部，第一掩膜層601與第二掩膜層602形成上下錯(cuò)位的間隔分布。N型熱電材料體401及P型熱電材料體402均為切割得到的小長(zhǎng)方體顆粒。C、對(duì)步驟b焊接后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行高溫退火；所述高溫退火的溫度為100°C 200°C，退火后確保N型熱電材料體401、P型熱電材料體402與第一導(dǎo)電襯底210及第二導(dǎo)電襯底220的緊密連接可靠性。d、對(duì)上述形成的結(jié)構(gòu)利用柔性灌封材料進(jìn)行灌封，常溫固化后得到柔性絕緣保護(hù)體310，所述柔性絕緣保護(hù)體310填充在第一導(dǎo)電襯底210及第二導(dǎo)電襯底220間；如圖11所示所述柔性絕緣保護(hù)體310的材料包括聚氨酯膠或有機(jī)硅膠等柔性灌封材料；經(jīng)過常溫固化后，柔性絕緣保護(hù)層310提高N型熱電材料體401、P型熱電材料體402與第一導(dǎo)電襯底210及第二導(dǎo)電襯底220的連接可靠性，同時(shí)能夠提供實(shí)現(xiàn)所需的柔性彎曲度。e、利用第一掩膜層601對(duì)第一導(dǎo)電襯底210進(jìn)行刻蝕,得到位于N型熱電材料體401及P型熱電材料體402 —端的第一導(dǎo)電連接層203 ;同時(shí),利用第二掩膜層602對(duì)第二導(dǎo)電襯底220進(jìn)行刻蝕，得到位于N型熱電材料體401及P型熱電材料體402另一端的第二導(dǎo)電連接層204 ；如圖12所示利用三氯化鐵、過硫酸鈉、鹽酸+雙氧水等腐蝕劑進(jìn)行刻蝕，去除相應(yīng)的材料，即通過第一導(dǎo)電襯底210進(jìn)行腐蝕得到第一導(dǎo)電連接層203;通過第二導(dǎo)電襯底220進(jìn)行腐蝕得到第二導(dǎo)電連接層204 ;第一導(dǎo)電連接層203及第二導(dǎo)電連接層204分別通過第一掩膜層601、第二掩膜層601遮擋未被腐蝕。f、去除上述第一導(dǎo)電連接層203上的第一掩膜層601，并去除第二導(dǎo)電連接層204上的第二掩膜層602，以形成柔性連接體300 ；如圖13所示利用氫氧化鈉溶液去除上述第一掩膜層601及第二掩膜層602，從而能夠形成本實(shí)用新型實(shí)施例中的柔性連接體300。g、在上述柔性連接體300上通過噴涂、刷涂等方式覆蓋第一絕緣保護(hù)層101及第二絕緣保護(hù)層102，所述第一絕緣保護(hù)層101及第二絕緣保護(hù)層102分別覆蓋柔性連接體300相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)表面。如圖14所示為了能夠在使用中對(duì)柔性連接體300的有效保護(hù)，在柔性連接體300的兩個(gè)相對(duì)表面上覆蓋第一絕緣保護(hù)層101及第二絕緣保護(hù)層102，噴涂或刷涂后的絕緣保護(hù)材料在常溫下可逐漸固化，形成極薄的絕緣保護(hù)層與柔性連接體300緊密連接，對(duì)柔性連接體300起到絕緣和保護(hù)的作用，且極薄的厚度保證了在熱電發(fā)生器的冷、熱兩端的溫度分別通過第一絕緣保護(hù)層101及第二絕緣保護(hù)層102傳遞給第一導(dǎo)電連接體203及第二導(dǎo)電連接體204，最終在N、P型熱電對(duì)兩端形成溫度差，通過熱電效應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)差。同時(shí)，通過第二導(dǎo)電連接層204外露的第一連接電極201及第二連接電極202與外部連接。如圖3 圖14所示使用時(shí)，根據(jù)柔性熱電發(fā)生器的使用場(chǎng)合，通過柔性連接體300將柔性熱電發(fā)生器彎曲所需角度，以便將柔性熱電發(fā)生器與連接結(jié)構(gòu)貼合，提高整個(gè)熱電發(fā)生器的安裝精度，安裝方便；柔性熱電發(fā)生器連接后，通過第一連接電極201及第二連接電極202將整個(gè)柔性熱電發(fā)生器與外部電路相連。工作時(shí)，柔性熱電發(fā)生器吸收熱量并轉(zhuǎn)換為電能，并將所述電能輸出。本實(shí)用新型通過刻蝕法制作的熱電發(fā)生器，N型熱電材料體401、P型熱電材料體402采用傳統(tǒng)的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)顆粒，通過柔性絕緣保護(hù)體310連接在一起，形成分立布局的結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生一定的彎曲而不損壞，增加了其應(yīng)用范圍。柔性連接體300上覆蓋了超薄的第一絕緣保護(hù)層101及第二絕緣保護(hù)層102，提高了熱電傳輸能力，具有較高的熱電轉(zhuǎn)化效率，工藝步驟簡(jiǎn)單，制造成本 低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安全可靠。
權(quán)利要求1.一種柔性熱電發(fā)生器，其特征是包括柔性連接體(300)，所述柔性連接體(300)內(nèi)包括若干N型熱電材料體(401)及P型熱電材料體(402)，所述N型熱電材料體(401)與P 型熱電材料體(402)交替分布；N型熱電材料體(401)的一端通過第一導(dǎo)電連接層(203)與所述N型熱電材料體(401) —側(cè)相鄰P型熱電材料體(402)的一端電連接，N型熱電材料體 (401)的另一端通過第二導(dǎo)電連接層(204)與所述N型熱電材料體(401)另一側(cè)相鄰P型熱電材料體(402)的另一端電連接；N型熱電材料體(401)與P型熱電材料體(402)通過第一導(dǎo)電連接層(203 )及第二導(dǎo)電連接層(204)串接成包括若干熱電對(duì)(I)的熱電材料體，所述熱電材料體內(nèi)填充有柔性絕緣保護(hù)體(310);柔性連接體(300 )上覆蓋有第一絕緣保護(hù)層 (101)及第二絕緣保護(hù)層(102)，所述第一絕緣保護(hù)層(101)與第二絕緣保護(hù)層(102)分別覆蓋柔性連接體(300)相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性熱電發(fā)生器，其特征是所述第一絕緣保護(hù)層(101)覆蓋柔性連接體(300 )對(duì)應(yīng)設(shè)置第一導(dǎo)電連接層(203 )的表面，第一絕緣保護(hù)層(101)與第一導(dǎo)電連接層(203)相接觸；第二絕緣保護(hù)層(102)覆蓋柔性連接體(300)對(duì)應(yīng)設(shè)置第二導(dǎo)電連接層(204)的表面，第二絕緣保護(hù)層(102)與第二導(dǎo)電連接層(204)相接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的柔性熱電發(fā)生器，其特征是所述第二絕緣保護(hù)層(102) 上設(shè)有第一連接電極(201)及第二連接電極(202 )，所述第一連接電極(201)及第二連接電極(202)與第二導(dǎo)電連接層(204)電連接，且第一連接電極(201)、第二連接電極(202)與第二導(dǎo)電連接層(204)為同一制造層。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種柔性熱電發(fā)生器，其包括柔性連接體，柔性連接體內(nèi)包括若干N型熱電材料體及P型熱電材料體；N型熱電材料體的一端通過第一導(dǎo)電連接層與所述N型熱電材料體一側(cè)相鄰P型熱電材料體的一端電連接，N型熱電材料體的另一端通過第二導(dǎo)電連接層與所述N型熱電材料體另一側(cè)相鄰P型熱電材料體的另一端電連接；N型熱電材料體與P型熱電材料體通過第一導(dǎo)電連接層及第二導(dǎo)電連接層串接成熱電材料體，熱電材料體內(nèi)填充有柔性絕緣保護(hù)體；柔性連接體上覆蓋有第一絕緣保護(hù)層及第二絕緣保護(hù)層。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡(jiǎn)單方便，制造成本低，發(fā)電效率高，可進(jìn)行適度的彎曲，大大擴(kuò)展了熱電發(fā)生器的適應(yīng)范圍，安全可靠。
文檔編號(hào)H01L35/28GK202888246SQ20122060008
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者王潤(rùn)蘭, 吳慶, 曹二林, 陳嵐 申請(qǐng)人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心