柔性熱電發生器及其製造方法

2023-06-07 20:14:01 2

專利名稱：柔性熱電發生器及其製造方法
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製造方法，屬於熱電發生器的技術領域。
背景技術：
由於可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於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。並且開路電壓線性地正比於溫差
「IAUciK —-
'Δ7其中，as稱作Seebeck係數，也可稱為熱電功率。如果熱電偶的兩種構成材料的Seebeck係數分別為a b，則熱電偶的Seebeck係數定義為a ab = a a+ab當η對熱電偶串聯時，總的開路輸出電壓可表示為Λ Un Δ Un=n · ( a ab . Δ Τ)根據Seebeck效應而製作的熱電發生器,其效率可由熱電品質因數Z來表徵
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，多採用熱電材料的長方體狀顆粒，然後按熱電堆的形式，將Ν/Ρ不同的顆粒黏貼到陶瓷導熱板上，其採用的顆粒可以達到lmm2*2mm或者更小的截面，更高的縱橫比。但其應用範圍，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製造方法，其結構緊湊，工藝簡單方便，製造成本低，發電效率高，可進行適度的彎曲，大大擴展了熱電發生器的適應範圍，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，包括柔性連接體，所述柔性連接體內包括若干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電連接層與所述N型熱電材料體一側相鄰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電連接層與所述N型熱電材料體另一側相鄰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電連接層及第二導電連接層串接成包括若干熱電對的熱電材料體，所述熱電材料體內填充有柔性絕緣保護體；柔性連接體上覆蓋有第一絕緣保護層及第二絕緣保護層，所述第一絕緣保護層與第二絕緣保護層分別覆蓋柔性連接體相對應的兩個表面。所述第一絕緣保護層覆蓋柔性連接體對應設置第一導電連接層的表面，第一絕緣保護層與第一導電連接層相接觸；第二絕緣保護層覆蓋柔性連接體對應設置第二導電連接層的表面，第二絕緣保護層與第二導電連接層相接觸。所述第二絕緣保護層上設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電連接層電連接，且第一連接電極、第二連接電極與第二導電連接層為同一製造層。所述柔性絕緣保護體的材料包括聚氨酯膠或有機矽膠。一種柔性熱電發生器的製造方法，所述柔性熱電發生器的製造方法包括如下步驟a、提供所需的導電基底，所述導電基底包括第一導電襯底及第二導電襯底，在第一導電襯底及第二導電襯底的表面上分別覆蓋感光材料層；通過感光法對感光材料層進行曝光顯影，得到位於第一導電襯底第一表面上的第一掩膜層及位於第二導電襯底第一表面上的第二掩膜層；b、提供N型熱電材料體及P型熱電材料體，將所述N型熱電材料體及P型熱電材料體分別與第一導電襯底的第二表面及第二導電襯底的第二表面焊接固定；C、對步驟b焊接後的結構進行高溫退火；d、對上述形成的結構利用柔性灌封材料進行灌封，常溫固化後得到柔性絕緣保護體，所述柔性絕緣保護體填充在第一導電襯底及第二導電襯底間；e、利用第一掩膜層對第一導電襯底進行刻蝕，得到位於N型熱電材料體及P型熱電材料體一端的第一導電連接層；同時，利用第二掩膜層對第二導電襯底進行刻蝕，得到位於N型熱電材料體及P型熱電材料體另一端的第二導電連接層及第一連接電極與第二連接電極；f、去除上述第一導電連接層上的第一掩膜層，並去除第二導電連接層上的第二掩膜層，以形成柔性連接體；g、在上述柔性連接體上通過噴塗或刷塗覆蓋第一絕緣保護層及第二絕緣保護層，所述第一絕緣保護層及第二絕緣保護層分別覆蓋柔性連接體相對應的兩個表面。·
所述步驟c中，退火溫度為100°C ^200°C。所述柔性絕緣保護體的材料包括聚氨酯膠或有機矽膠。所述第一導電襯底、第二導電襯底的材料包括銅、鋁或銀。本發明的優點通過刻蝕法製作的熱電發生器，N型熱電材料體、P型熱電材料體採用傳統的長方體結構顆粒，通過柔性絕緣保護體連接在一起，形成分立布局的結構，可產生一定的彎曲而不損壞，增加了其應用範圍。柔性連接體上覆蓋了超薄的第一絕緣保護層及第二絕緣保護層，提高了熱電傳輸能力，具有較高的熱電轉化效率，工藝步驟簡單，製造成本低，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為形成熱電對後的連接示意圖。圖3為本發明的結構示意圖。圖4為本發明的柔性熱電發生器彎曲時的示意圖。圖5為本發明第一絕緣保護層與第一導電連接層分布配合的結構示意圖。 圖6為本發明第二絕緣保護層與第二導電連接層分布配合的結構示意圖。圖7為本發明柔性熱電發生器的剖視圖。圖8 圖14為本發明製備柔性熱電發生器的具體實施工藝剖視圖，其中圖8為在導電基底上通過感光法進行曝光顯影得到掩膜層時的剖視圖。圖9為本發明在第一導電襯底上得到第一掩膜層後的剖視圖。圖10為本發明將N型熱電材料體、P型熱電材料體與第一導電襯底及第二導電襯底焊接固定後的剖視圖。圖11為本發明灌封柔性絕緣材料得到柔性絕緣保護體後的剖視圖。圖12為本發明得到第一導電連接層及第二導電連接層後的剖視圖。圖13為本發明去除第一掩膜層及第二掩膜層後形成柔性連接體的剖視圖。圖14為本發明在柔性連接體上覆蓋第一絕緣保護層及第二絕緣保護層後的剖視圖。附圖標記說明1-熱電對、101-第一絕緣保護層、102-第二絕緣保護層、200-導電基底、201-第一連接電極、202-第二連接電極、203-第一導電連接層、204-第二導電連接層、210-第一導電襯底、220-第二導電襯底、300-柔性連接體、310-柔性絕緣保護體、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。如圖3和圖7所示為了能夠擴大柔性熱電發生器的適用範圍，降低製造成本，本發明包括柔性連接體300，所述柔性連接體300內包括若干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的一端通過第一導電連接層203與所述N型熱電材料體401 —側相鄰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電連接層204與所述N型熱電材料體401另一側相鄰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通過第一導電連接層203及第二導電連接層204串接成包括若干熱電對I的熱電材料體，所述熱電材料體內填充有柔性絕緣保護體310 ;柔性連接體300上覆蓋有第一絕緣保護層101及第二絕緣保護層102，所述第一絕緣保護層101與第二絕緣保護層102分別覆蓋柔性連接體300相對應的兩個表面。
所述第一絕緣保護層101覆蓋柔性連接體300對應設置第一導電連接層203的表面，第一絕緣保護層101與第一導電連接層203相接觸；第二絕緣保護層102覆蓋柔性連接體300對應設置第二導電連接層204的表面，第二絕緣保護層102與第二導電連接層204相接觸。所述第一連接電極201及第二連接電極202，為第二導電連接層204的外露部位，同時也是柔性連接體300的外露部位。所述第一導電連接層203及第二導電連接層204的厚度為30 μ m，第一絕緣保護層101及第二絕緣保護層102的厚度為25 50 μ m。
如圖4所示由於柔性連接體300具有柔性，因此整個柔性熱電發生器具備一定的彎曲角度，能夠適應管道等環境，擴大了適應範圍。第二絕緣保護層102上的第一連接電極201及第二連接電極202作為第二導電連接層204的外露部位，能夠將整個熱電材料體與外部連接，即能夠將產生的電壓輸出。如圖5所示為第一絕緣保護層101覆蓋在柔性連接體300上後，第一絕緣保護層101與第一導電連接層203之間連接示意圖。圖6中，為第二絕緣保護層102覆蓋在柔性連接體300上後，第二絕緣保護層102與第二導電連接層204之間的連接示意圖，同時，如圖6所示，第一連接電極201及第二連接電極202對應第二導電連接層204的外露部位，和第二導電連接層204同時製成。如14所示上述結構的柔性熱電發生器，可以通過下述工藝製備得到，具體地,包括 a、提供所需的導電基底200，所述導電基底200包括第一導電襯底210及第二導電襯底220，在第一導電襯底210及第二導電襯底220的表面上分別覆蓋感光材料層600 ;通過感光法對感光材料層600進行曝光顯影,得到位於第一導電襯底210第一表面上的第一掩膜層601及位於第二導電襯底220第一表面上的第二掩膜層602 ；如圖8和圖9所示由於需要同時製備出第一導電連接層203及第二導電連接層204，因此本發明實施例中，導電基底200至少需要包括第一導電襯底210及第二導電襯底220,通過第一導電襯底210來形成第一導電連接層203 ;同時,通過第二導電襯底220來形成第二導電連接層204。所述第一導電襯底210及第二導電襯底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上根據需要設置線路遮光部位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來選擇性地對感光材料層600進行曝光。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、金屬滷素曝光燈、毛細管超高壓水銀燈等產生，然後以碳酸鈉、碳酸氫鈉等溶液進行顯影，從而在第一導電襯底210的第一表面上得到第一掩膜層601，並在第二導電襯底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領域常規的過程。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分別與第一導電襯底210的第二表面及第二導電襯底220的第二表面焊接固定；如圖10所示焊接後，第一掩膜層601位於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位於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方體顆粒。C、對步驟b焊接後的結構進行高溫退火；所述高溫退火的溫度為100°C 200°C，退火後確保N型熱電材料體401、P型熱電材料體402與第一導電襯底210及第二導電襯底220的緊密連接可靠性。d、對上述形成的結構利用柔性灌封材料進行灌封，常溫固化後得到柔性絕緣保護體310，所述柔性絕緣保護體310填充在第一導電襯底210及第二導電襯底220間；如圖11所示所述柔性絕緣保護體310的材料包括聚氨酯膠或有機矽膠等柔性灌封材料；經過常溫固化後，柔性絕緣保護層310提高N型熱電材料體401、P型熱電材料體402與第一導電襯底210及第二導電襯底220的連接可靠性，同時能夠提供實現所需的柔性彎曲度。e、利用第一掩膜層601對第一導電襯底210進行刻蝕,得到位於N型熱電材料體 401及P型熱電材料體402 —端的第一導電連接層203 ;同時,利用第二掩膜層602對第二導電襯底220進行刻蝕，得到位於N型熱電材料體401及P型熱電材料體402另一端的第二導電連接層204 ；如圖12所示利用三氯化鐵、過硫酸鈉、鹽酸+雙氧水等腐蝕劑進行刻蝕，去除相應的材料，即通過第一導電襯底210進行腐蝕得到第一導電連接層203;通過第二導電襯底220進行腐蝕得到第二導電連接層204 ;第一導電連接層203及第二導電連接層204分別通過第一掩膜層601、第二掩膜層601遮擋未被腐蝕。f、去除上述第一導電連接層203上的第一掩膜層601，並去除第二導電連接層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，從而能夠形成本發明實施例中的柔性連接體300。g、在上述柔性連接體300上通過噴塗、刷塗等方式覆蓋第一絕緣保護層101及第二絕緣保護層102，所述第一絕緣保護層101及第二絕緣保護層102分別覆蓋柔性連接體300相對應的兩個表面。如圖14所示為了能夠在使用中對柔性連接體300的有效保護，在柔性連接體300的兩個相對表面上覆蓋第一絕緣保護層101及第二絕緣保護層102，噴塗或刷塗後的絕緣保護材料在常溫下可逐漸固化，形成極薄的絕緣保護層與柔性連接體300緊密連接，對柔性連接體300起到絕緣和保護的作用，且極薄的厚度保證了在熱電發生器的冷、熱兩端的溫度分別通過第一絕緣保護層101及第二絕緣保護層102傳遞給第一導電連接體203及第二導電連接體204，最終在N、P型熱電對兩端形成溫度差，通過熱電效應產生電勢差。同時，通過第二導電連接層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，根據柔性熱電發生器的使用場合，通過柔性連接體300將柔性熱電發生器彎曲所需角度，以便將柔性熱電發生器與連接結構貼合，提高整個熱電發生器的安裝精度，安裝方便；柔性熱電發生器連接後，通過第一連接電極201及第二連接電極202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並轉換為電能，並將所述電能輸出。本發明通過刻蝕法製作的熱電發生器，N型熱電材料體401、P型熱電材料體402採用傳統的長方體結構顆粒，通過柔性絕緣保護體310連接在一起，形成分立布局的結構，可產生一定的彎曲而不損壞，增加了其應用範圍。柔性連接體300上覆蓋了超薄的第一絕 緣保護層101及第二絕緣保護層102，提高了熱電傳輸能力，具有較高的熱電轉化效率，工藝步驟簡單，製造成本低，結構簡單緊湊，安全可靠。
權利要求
1.一種柔性熱電發生器，其特徵是包括柔性連接體(300)，所述柔性連接體(300)內包括若干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)的一端通過第一導電連接層(203)與所述N型熱電材料體(401) —側相鄰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電連接層(204)與所述N型熱電材料體(401)另一側相鄰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)通過第一導電連接層(203 )及第二導電連接層(204)串接成包括若干熱電對(I)的熱電材料體，所述熱電材料體內填充有柔性絕緣保護體(310);柔性連接體(300 )上覆蓋有第一絕緣保護層(101)及第二絕緣保護層(102)，所述第一絕緣保護層(101)與第二絕緣保護層(102)分別覆蓋柔性連接體(300)相對應的兩個表面。
2.根據權利要求I所述的柔性熱電發生器，其特徵是所述第一絕緣保護層(101)覆蓋柔性連接體(300 )對應設置第一導電連接層(203 )的表面，第一絕緣保護層(101)與第一導電連接層(203)相接觸；第二絕緣保護層(102)覆蓋柔性連接體(300)對應設置第二導電連接層(204)的表面，第二絕緣保護層(102)與第二導電連接層(204)相接觸。
3.根據權利要求I或2所述的柔性熱電發生器，其特徵是所述第二絕緣保護層(102) 上設有第一連接電極(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)與第二導電連接層(204)為同一製造層。
4.根據權利要求I所述的柔性熱電發生器，其特徵是所述柔性絕緣保護體(310)的材料包括聚氨酯膠或有機矽膠。
5.一種柔性熱電發生器的製造方法，其特徵是，所述柔性熱電發生器的製造方法包括如下步驟(a)、提供所需的導電基底(200)，所述導電基底(200)包括第一導電襯底(210)及第二導電襯底(220 )，在第一導電襯底(210 )及第二導電襯底(220 )的表面上分別覆蓋感光材料層(600);通過感光法對感光材料層(600)進行曝光顯影，得到位於第一導電襯底(210)第一表面上的第一掩膜層(601)及位於第二導電襯底(220)第一表面上的第二掩膜層(602);(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)分別與第一導電襯底(210)的第二表面及第二導電襯底(220)的第二表面焊接固定；(C)、對步驟(b)焊接後的結構進行高溫退火；(d)、對上述形成的結構利用柔性灌封材料進行灌封，常溫固化後得到柔性絕緣保護體 (310)，所述柔性絕緣保護體(310)填充在第一導電襯底(210)及第二導電襯底(220)間；(e)、利用第一掩膜層(601)對第一導電襯底(210)進行刻蝕,得到位於N型熱電材料體 (401)及P型熱電材料體(402) —端的第一導電連接層(203);同時，利用第二掩膜層(602) 對第二導電襯底(220 )進行刻蝕，得到位於N型熱電材料體(401)及P型熱電材料體(402 ) 另一端的第二導電連接層(204)及第一連接電極(201)與第二連接電極(202)；(f)、去除上述第一導電連接層(203)上的第一掩膜層(601)，並去除第二導電連接層 (204 )上的第二掩膜層(602 )，以形成柔性連接體(300 );(g)、在上述柔性連接體(300)上通過噴塗或刷塗覆蓋第一絕緣保護層(101)及第二絕緣保護層(102)，所述第一絕緣保護層(101)及第二絕緣保護層(102)分別覆蓋柔性連接體 (300)相對應的兩個表面。
6.根據權利要求5所述柔性熱電發生器的製造方法，其特徵是所述步驟(c)中，退火溫度為100°C 200°C。
7.根據權利要求5所述柔性熱電發生器的製造方法，其特徵是所述柔性絕緣保護體 (310)的材料包括聚氨酯膠或有機矽膠。
8.根據權利要求5所述柔性熱電發生器的製造方法，其特徵是所述第一導電襯底 (210)、第二導電襯底(220)的材料包括銅、鋁或銀。
全文摘要
本發明涉及一種柔性熱電發生器及其製造方法，其包括柔性連接體，柔性連接體內包括若干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電連接層與所述N型熱電材料體一側相鄰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電連接層與所述N型熱電材料體另一側相鄰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電連接層及第二導電連接層串接成熱電材料體，熱電材料體內填充有柔性絕緣保護體；柔性連接體上覆蓋有第一絕緣保護層及第二絕緣保護層。本發明結構緊湊，工藝簡單方便，製造成本低，發電效率高，可進行適度的彎曲，大大擴展了熱電發生器的適應範圍，安全可靠。
文檔編號H01L35/32GK102931337SQ20121045673
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月14日 優先權日2012年11月14日
發明者王潤蘭, 吳慶, 曹二林, 陳嵐 申請人:江蘇物聯網研究發展中心