專利名稱：一種柔性熱電發生器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種熱電發生器，尤其是一種柔性熱電發生器及其制造方法，屬于熱電發生器的技術領域。
背景技術：
由于便攜式電子產品日益增長的微型化趨勢，推動了小型化電源的研究和發展。熱電發生器作為一種自給自足的能源，它根據Seebeck效應能將熱能直接轉換為電能,在適合的溫度下能保持實際上的無限的有效壽命，這使其作為一種能源領域的高新技術成為國際研究的熱點之一。熱電發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的能夠將熱能轉換成電能的熱電對組成(圖示2)。熱電對由不同類型的N/P型熱電材料組成，當 其兩端，即熱源端和熱沉端，出現溫度梯度時，其兩端可產生電勢差，如圖示I中所示。熱電器件的主要工作原理是基于Seebeck效應。Seebeck效應是德國物理學家Seebeck發現的一種熱電現象。當在金屬導體或者半導體結構上加上溫度差Λ T時，會伴隨產生電壓AU。并且開路電壓線性地正比于溫差
「IAUciK —-
'Δ7其中，as稱作Seebeck系數，也可稱為熱電功率。如果熱電偶的兩種構成材料的Seebeck系數分別為a b，則熱電偶的Seebeck系數定義為a db = a a+ab當n對熱電偶串聯時，總的開路輸出電壓可表示為AUn:Δ Un=n · ( a ab · Δ T)根據Seebeck效應而制作的熱電發生器,其效率可由熱電品質因數Z來表征
K其中，σ是電導率，K是熱導率，品質因數Z表示可用在熱電發生器中的熱電材料的熱和電屬性。傳統熱電發生器，多采用熱電材料的長方體狀顆粒，然后按熱電堆的形式，將Ν/Ρ不同的顆粒黏貼到陶瓷導熱板上，其采用的顆粒可以達到lmm2*2mm或者更小的截面，更高的縱橫比。但其應用范圍，受到陶瓷等材料特性的限制，無法應用到管道等，需要有一定彎曲的地方。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種柔性熱電發生器及其制造方法，其工藝簡單方便，制造成本低，發電效率高、能進行適度的彎曲，擴張了應用范圍，安
全可靠。按照本發明提供的技術方案，所述柔性熱電發生器，包括第一柔性襯底及位于第一柔性襯底下方的第二柔性襯底，所述第一柔性襯底與第二柔性襯底間設置若干交替分布的N型熱電材料顆粒體及P型熱電材料顆粒體,所述N型熱電材料顆粒體通過第一柔性襯底上的第一導電連接層及第二柔性襯底上的第二導電連接層與P型熱電材料顆粒體串聯后電連接，以在第一柔性襯底與第二柔性襯底間形成包括若干熱電對的熱電材料體，所述熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體封裝在第一柔性襯底及第二柔性襯底間。所述第二柔性襯底上設有與熱電材料體電連接的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位于第一柔性襯底及柔性絕緣絕熱灌封材料體的外側。所述第一柔性襯底上設有若干貫通所述第一柔性襯底的通孔，所述通孔位于N型熱電材料顆粒體和/或P型熱電材料顆粒體的正上方。所述第二柔性襯底上設有若干貫通所述第二柔性襯底的通孔，所述通孔位于N型熱電材料顆粒體和/或P型熱電材料顆粒體的正下方。
所述通孔內填充有絕緣導熱灌封材料體。一種柔性熱電發生器的制造方法，所述柔性熱電發生器的制造方法包括如下步驟a、提供所需的第一柔性襯底及第二柔性襯底；b、在第一柔性襯底所需的表面上設置導電材料，選擇性地掩蔽和刻蝕所述導電材料，以在第一柔性襯底上得到所需的第一導電連接層；C、在第二柔性襯底所需的表面上設置導電材料，選擇性地掩蔽和刻蝕所述導電材料，以在第二柔性襯底上得到所需的第二導電連接層；d、將所需的N型熱電材料顆粒體及P型熱電材料顆粒體對應的兩端部分別焊接在第一柔性襯底及第二柔性襯底上，所述N型熱電材料顆粒體通過第一柔性襯底上的第一導電連接層及第二柔性襯底上的第二導電連接層與P型熱電材料顆粒體串聯后電連接，以在第一柔性襯底與第二柔性襯底間形成包括若干熱電對的熱電材料體；e、將上述第一柔性襯底、第二柔性襯底及焊接形成的熱電材料體進行退火；f、利用柔性灌封材料對上述退火后的結構進行灌封，熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體封裝在第一柔性襯底與第二柔性襯底間。所述步驟e中，退火溫度為140°C 160°C。還包括步驟g、在第一柔性襯底和/或第二柔性襯底上設置通孔，第一柔性襯底上的通孔位于N型熱電材料顆粒體和/或P型熱電材料顆粒體的正上方；第二柔性襯底上的通孔位于N型熱電材料顆粒體和/或P型熱電材料顆粒體的正下方。所述通孔內填充有絕緣導熱灌封材料體。所述第一柔性襯底及第二柔性襯底的材料包括PI膜。本發明的優點N型熱電材料顆粒體、P型熱電材料顆粒體形成熱電材料體后通過柔性絕緣絕熱灌封材料體封裝在第一柔性襯底與第二柔性襯底間，從而使得得到的熱電發生器通過第一柔性襯底、第二柔性襯底及柔性絕緣絕熱灌封材料體可產生一定的彎曲而不損壞，增加了其應用范圍，N型熱電材料、P型熱電材料采用傳統的長方體結構顆粒，具有較高的熱電效率，工藝步驟簡單，降低制造成本，結構簡單緊湊，安全可靠。
圖I為現有熱電發生器的原理示意圖。圖2為形成熱電對后的連接示意圖。圖3為本發明實施例I的結構示意圖。圖4為圖3中柔性熱電發生器彎曲時的狀態示意圖。圖5為本發明第一柔性襯底上形成第一導電連接層后的示意圖。圖6為本發明第二柔性襯底上形成第二導電連接層后的示意圖。圖7為圖3中形成柔性熱電發生器的剖視圖。
圖8為本發明實施例2的結構示意圖。圖9為圖8中柔性熱電發生器的剖視圖。圖10為本發明實施例3的結構示意圖。圖11為圖10中柔性熱電發生器的剖視圖。附圖標記說明I-熱電對、10-第一柔性熱電發生器、20-第二柔性熱電發生器、30-第三柔性熱電發生器、100-第一柔性襯底、101-第二柔性襯底、102-第一連接電極、103-第二連接電極、104-柔性絕緣絕熱灌封材料體、201-第一導電連接層、202-第二導電連接層、301-N型熱電材料顆粒體、302-P型熱電材料顆粒體、401-通孔及501-絕緣導熱灌封材料體。
具體實施例方式下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。實施例I如圖3和圖7所示為本發明實施例中第一柔性熱電發生器10的結構示意圖，所述第一柔性熱電發生器10包括第一柔性襯底100及位于第一柔性襯底100下方的第二柔性襯底101,所述第一柔性襯底100與第二柔性襯底101間設置若干交替分布的N型熱電材料顆粒體301及P型熱電材料顆粒體302，所述N型熱電材料顆粒體301通過第一柔性襯底100上的第一導電連接層201及第二柔性襯底101上的第二導電連接層202與P型熱電材料顆粒體302串聯后電連接，以在第一柔性襯底100與第二柔性襯底101間形成包括若干熱電對I的熱電材料體，所述熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體104封裝在第一柔性襯底100及第二柔性襯底101間。上述第一柔性襯底100及第二柔性襯底101的材料包括PI(Polyimide Film)膜。熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體104封裝在第一柔性襯底100與第二柔性襯底101間后，所形成的柔性熱電發生器具有一定角度的柔性，能夠用于需要彎曲的環境中，如廢氣管道、排氣管道等場合中，如圖4所示。柔性絕緣絕熱灌封材料體104采用現有常規的柔性絕緣絕熱灌封材料，為本技術領域人員所熟知；同時，N型熱電材料顆粒體301及P型熱電材料顆粒體302的制備過程也為本技術領域人員所熟知。形成的熱電材料體中，第一導電連接層201與第二導電連接層202分別位于N型熱電材料顆粒體301及P型熱電材料顆粒體302的兩端，且第一導電連接層201與第二導電連接層202上的連接結構交錯分布。上述結構的柔性熱電發生器可以通過下述工藝步驟制備，具體地包括a、提供所需的第一柔性襯底100及第二柔性襯底101 ；如上所述，第一柔性襯底100及第二柔性襯底101的材料選用PI膜，也可以選用其他的柔性材料；b、在第一柔性襯底100所需的表面上設置導電材料，選擇性地掩蔽和刻蝕所述導電材料，以在第一柔性襯底100上得到所需的第一導電連接層201 ；C、在第二柔性襯底101所需的表面上設置導電材料，選擇性地掩蔽和刻蝕所述導電材料，以在第二柔性襯底101上得到所需的第二導電連接層202 ；上述第一導電連接層201及第二導電連接層202的材料包括銅、鋁、銀等金屬材料，在第二柔性襯底101上形成第二導電連接層202的同時也形成了第一連接電極102及第二連接電極103，所述第一連接電極102及第二連接電極103與對應的第二導電連接層201電連接，通過第一連接電極102及第二連接電極103能夠將后續形成熱電材料體向外引出，即將熱電材料體輸出的電壓向外輸出。本發明實施例中，第二柔性襯底101的長度要大于第一柔性襯底100的長度,如圖5和圖6所不。·
d、將所需的N型熱電材料顆粒體301及P型熱電材料顆粒體302對應的兩端部分別焊接在第一柔性襯底100及第二柔性襯底101上，所述N型熱電材料顆粒體301通過第一柔性襯底100上的第一導電連接層201及第二柔性襯底101上的第二導電連接層202與P型熱電材料顆粒體302串聯后電連接，以在第一柔性襯底100與第二柔性襯底101間形成包括若干熱電對的熱電材料體；e、將上述第一柔性襯底100、第二柔性襯底101及焊接形成的熱電材料體進行退火；所述退火溫度為140°C 160°C，一般地，進行退火溫度為150°C。進行退火后，使熱電材料體與第一柔性襯底100上的第一導電連接層201及第二柔性襯底101上的第二導電連接層202緊密連接。f、利用柔性灌封材料對上述退火后的結構進行灌封，熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體104封裝在第一柔性襯底100與第二柔性襯底101間。利用柔性絕緣絕熱灌封材料體104封裝后，使得熱電材料體的結構穩定在第一柔性襯底100及第二柔性襯底101上。實施例2如圖8和圖9所示為本發第二柔性熱電發生器20的結構示意圖，本實施例中，為了能夠實現與外界的良好熱傳導，第二柔性熱電發生器20的第一柔性襯底100上設有貫通所述第一柔性襯底100上的通孔401，所述通孔401位于N型熱電材料顆粒體301或P型熱電材料顆粒體302的正上方，同時，通孔401也可以同時位于N型熱電材料顆粒體301和P型熱電材料顆粒體302的正上方。進一步，所述第二柔性襯底101上也可以設有貫通第二柔性襯底101的通孔401，通孔401位于N型熱電材料顆粒體301或P型熱電材料顆粒體302的正上方，同時，通孔401也可以同時位于N型熱電材料顆粒體301和P型熱電材料顆粒體302的正上方。本實施例中，第一柔性襯底100及第二柔性襯底101上均設置了通孔401。為了得到本實施例的結構，在實施例I中的制備工藝基礎上，還包括步驟g，選擇性地掩蔽和刻蝕第一柔性襯底100和/或第二柔性襯底101，以在第一柔性襯底100和/或第二柔性襯底101形成所需的通孔401，通孔401的位置設置如上所述。本實施例中其余的工藝步驟及條件與實施例I相同，此處不再贅述。
實施例3如圖10和圖11所示為本發明實施例中第三柔性熱電發生器30的結構示意圖，本實施例中，第三柔性熱電發生器30中在第一柔性襯底100及第二柔性襯底101上同時設置通孔401，所述第一柔性襯底100上的通孔401位于N型熱電材料顆粒體301和/或P型熱電材料顆粒體302的正上方；第二柔性襯底101上的通孔401位于N型熱電材料顆粒體301和/或P型熱電材料顆粒體302的正下方。然后在通孔401內填充有柔性絕緣導熱灌封材料體501，通過柔性絕緣導熱灌封材料體501既達到了良好的導熱目的，同時也對內部結構起到了保護作用。為了得到本實施例的結構，在實施例2的制備工藝基礎上，通過在通孔401內灌封絕緣導熱的灌封材料，以形成柔性絕緣導熱灌封材料體501。如圖3 圖11所示使用時，根據柔性熱電發生器的使用場合，將第一柔性襯底100及第二柔性從很低101進行所需角度的彎曲，以便將柔性熱電發生器與連接結構貼合，提高整個轉換系統的安裝及檢測精度，安裝方便；柔性熱電發生器連接后，通過第一連接電 極102及第二連接電極103將整個柔性熱電發生器與外部電路相連。工作時，柔性熱電發生器吸收熱量并轉換為電能，所述轉換的電能輸出到外部的電路中。本發明N型熱電材料顆粒體301、P型熱電材料顆粒體302形成熱電材料體后通過柔性絕緣絕熱灌封材料體104封裝在第一柔性襯底100與第二柔性襯底10 I間，從而使得得到的熱電發生器通過第一柔性襯底100、第二柔性襯底101及柔性絕緣絕熱灌封材料體104可產生一定的彎曲而不損壞,增加了其應用范圍,N型熱電材料、P型熱電材料采用傳統的長方體結構顆粒，具有較高的熱電效率，工藝步驟簡單，降低制造成本，結構簡單緊湊，安全可靠。
權利要求
1.一種柔性熱電發生器，其特征是包括第一柔性襯底(100)及位于第一柔性襯底(100)下方的第二柔性襯底(101)，所述第一柔性襯底(100)與第二柔性襯底(101)間設置若干交替分布的N型熱電材料顆粒體(301)及P型熱電材料顆粒體(302)，所述N型熱電材料顆粒體(301)通過第一柔性襯底(100 )上的第一導電連接層(201)及第二柔性襯底(101)上的第二導電連接層(202)與P型熱電材料顆粒體(302)串聯后電連接，以在第一柔性襯底(100)與第二柔性襯底(101)間形成包括若干熱電對的熱電材料體,所述熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體(104)封裝在第一柔性襯底(100)及第二柔性襯底(101)間。
2.根據權利要求I所述的柔性熱電發生器，其特征是所述第二柔性襯底(101)上設有與熱電材料體電連接的第一連接電極(102)及第二連接電極(103)，所述第一連接電極(102)及第二連接電極(103)位于第一柔性襯底(100)及柔性絕緣絕熱灌封材料體(104)的外側。
3.根據權利要求I所述的柔性熱電發生器，其特征是所述第一柔性襯底(100)上設有若干貫通所述第一柔性襯底(100 )的通孔(401)，所述通孔(401)位于N型熱電材料顆粒體(301)和/或P型熱電材料顆粒體(302)的正上方。
4.根據權利要求I所述的柔性熱電發生器，其特征是所述第二柔性襯底(101)上設有若干貫通所述第二柔性襯底(101)的通孔(401)，所述通孔(401)位于N型熱電材料顆粒體(301)和/或P型熱電材料顆粒體(302)的正下方。
5.根據權利要求3或4所述的柔性熱電發生器，其特征是所述通孔(401)內填充有絕緣導熱灌封材料體(501)。
6.一種柔性熱電發生器的制造方法，其特征是，所述柔性熱電發生器的制造方法包括如下步驟 (a)、提供所需的第一柔性襯底(100)及第二柔性襯底(101); (b)、在第一柔性襯底(100)所需的表面上設置導電材料，選擇性地掩蔽和刻蝕所述導電材料，以在第一柔性襯底(100)上得到所需的第一導電連接層(201); (C)、在第二柔性襯底(101)所需的表面上設置導電材料，選擇性地掩蔽和刻蝕所述導電材料，以在第二柔性襯底(101)上得到所需的第二導電連接層(202); (d)、將所需的N型熱電材料顆粒體(301)及P型熱電材料顆粒體(302)對應的兩端部分別焊接在第一柔性襯底(100 )及第二柔性襯底(101)上，所述N型熱電材料顆粒體(301)通過第一柔性襯底(100)上的第一導電連接層(201)及第二柔性襯底(101)上的第二導電連接層(202)與P型熱電材料顆粒體(302)串聯后電連接，以在第一柔性襯底(100)與第二柔性襯底(101)間形成包括若干熱電對的熱電材料體； (e)、將上述第一柔性襯底(100)、第二柔性襯底(101)及焊接形成的熱電材料體進行退火； (f)、利用柔性灌封材料對上述退火后的結構進行灌封，熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體(104)封裝在第一柔性襯底(100)與第二柔性襯底(101)間。
7.根據權利要求6所述柔性熱電發生器的制造方法，其特征是所述步驟(e)中，退火溫度為140。。 160。。。
8.根據權利要求6所述柔性熱電發生器的制造方法，其特征是，還包括步驟(g)、在第一柔性襯底(100)和/或第二柔性襯底(101)上設置通孔(401)，第一柔性襯底(100)上的通孔(401)位于N型熱電材料顆粒體(301)和/或P型熱電材料顆粒體(302)的正上方；第二柔性襯底(101)上的通孔(401)位于N型熱電材料顆粒體(301)和/或P型熱電材料顆粒體(302)的正下方。
9.根據權利要求8所述柔性熱電發生器的制造方法，其特征是所述通孔(401)內填充有絕緣導熱灌封材料體(501)。
10.根據權利要求6所述柔性熱電發生器的制造方法，其特征是所述第一柔性襯底(100)及第二柔性襯底(101)的材料包括PI膜。
全文摘要
本發明涉及一種柔性熱電發生器及其制造方法，按照本發明提供的技術方案，所述柔性熱電發生器，包括第一柔性襯底及位于第一柔性襯底下方的第二柔性襯底，所述第一柔性襯底與第二柔性襯底間設置若干交替分布的N型熱電材料顆粒體及P型熱電材料顆粒體，所述N型熱電材料顆粒體通過第一柔性襯底上的第一導電連接層及第二柔性襯底上的第二導電連接層與P型熱電材料顆粒體串聯后電連接，以在第一柔性襯底與第二柔性襯底間形成包括若干熱電對的熱電材料體，所述熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體封裝在第一柔性襯底及第二柔性襯底間。本發明工藝簡單方便，制造成本低，發電效率高、能進行適度的彎曲，擴張了應用范圍，安全可靠。
文檔編號H01L35/32GK102903839SQ201210395620
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月17日 優先權日2012年10月17日
發明者吳慶, 曹二林, 陳嵐 申請人:江蘇物聯網研究發展中心