一種柔性熱電轉換系統的製作方法

2023-07-06 22:46:36

專利名稱：一種柔性熱電轉換系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種熱電轉換系統，尤其是一種柔性熱電轉換系統，屬於熱電轉換的技術領域。
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AUn:Δ Un=n · ( a ab · Δ T)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以及配套的升壓電路PCB板的限制，無法應用到管道等需要有一定彎曲的地方。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種柔性熱電轉換系統，其工藝簡單方便，製造成本低，發電效率高，安全可靠，擴張了熱電發生器的適用範圍。按照本實用新型提供的技術方案，所述柔性熱電轉換系統，包括柔性熱電發生器及用於將所述柔性熱電發生器輸出的電能轉換輸出的柔性轉換電路；所述柔性熱電發生器包括第一柔性襯底及位於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後電連接，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；所述柔性轉換電路位於第二柔性襯底上，柔性轉換電路位於第一柔性襯底的外側，且柔性轉換電路與熱電材料體電連接。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於第一柔性襯底及柔性絕緣絕熱灌封材料體的外側；柔性轉換電路通過第一連接電極及第二連接電極與熱電材料體電連接。所述柔性轉換電路包括柔性電路連接層，所述柔性電路連接層與第二導電連接層為同一製造層。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，所述通孔位於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，所述通孔位於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。本實用新型的優點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後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，同時，在第二柔性襯底上設置柔性轉換電路，得到柔性轉換電路與柔性熱電發生器一體化的轉換系統，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，增加了其應用範圍，N型熱電材料、P型熱電材料採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，降低製造成本，結構簡單緊湊，安全可
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圖1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為本實用新型實施例1的結構示意圖。圖4為圖3中柔性熱電轉換系統彎曲時的狀態示意圖。圖5為本實用新型第一柔性襯底上形成第一導電連接層後的示意圖。圖6為本實用新型第二柔性襯底上形成第二導電連接層後的示意圖。圖7為圖3中形成柔性熱電發生器的剖視圖。圖8為本實用新型實施例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為本實用新型實施例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1-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、105-柔性電路導電連接層、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。
具體實施方式
下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。實施例1如圖3和圖7所示為柔性熱電轉換系統的結構示意圖，本實施例中柔性熱電轉換系統包括第一柔性發電發生器10及用於將第一柔性熱電發生器10輸出的電能轉換輸出的柔性轉換電路，其中所述第一柔性熱電發生器10包括第一柔性襯底100及位於第一柔性襯底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串聯後電連接，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。所述柔性轉換電路位於第二柔性襯底101上，柔性轉換電路位於第一柔性襯底100的外側，且柔性轉換電路與熱電材料體電連接。具體地，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位於第一柔性襯底100及柔性絕緣絕熱灌封材料體104的外側；柔性轉換電路通過第一連接電極102及第二連接電極103與熱電材料體電連接。所述柔性轉換電路包括柔性電路連接層105，所述柔性電路連接層105與第二導電連接層202為同一製造層。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間後，所形成的第一柔性熱電發生器具有一定彎曲角度的柔性，能夠用於需要彎曲的環境中，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採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的製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分別位於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製備，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及柔性電路導電連接層105 ；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能夠將後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。本實用新型實施例中，第二柔性襯底101的長度要大於第一柔性襯底100的長度,如圖5和圖6所不。為了能夠得到一體化的柔性熱電轉換系統，本實用新型實施例中，將柔性電路也製備在第二柔性襯底101上，由於第二柔性襯底101的長度要大於第一柔性襯底100的長度，因此能夠方便將第一連接電極102及第二連接電極103與柔性電路導電連接層105製備在第二柔性襯底101上；柔性電路導電連接層105與第一連接電極102及第二連接電極103對應電連接。通過在柔性電路導電連接層105上設置所需的電阻、電容、邏輯電路等所 需的電器元件，就能夠在第二柔性襯底101上形成所需的柔性電路；同時，形成的柔性電路能與第一連接電極102及第二連接電極103電連接。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串聯後電連接，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。進行退火後，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後的結構進行灌封，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封裝後，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。g、在上述柔性電路導電連接層105上焊接所需的電器元件，以形成所需的柔性電路。經過步驟f的封裝後，能夠形成所需的第一柔性熱電發生器10 ;為了形成所需的柔性電路，只需要將相應的電器元件焊接在柔性電路導電連接層105上相應的位置即可。在製備柔性電路導電連接層105時，在第二柔性襯底101上設置了相應電器元件的放置位置圖形；電器元件可以通過常規的錫焊等工藝焊接在柔性電路導電連接層105上，得到的柔性電路與第一柔性熱電發生器10為一體化，能夠同時進行一定角度的彎曲，擴展了柔性熱電轉換系統的適用範圍。實施例2如圖8所示為本實施例柔性熱電轉換系統的結構示意圖，圖9為本實施例中柔性熱電轉換系統包含的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位於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也可以同時位於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位於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也可以同時位於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1中的製備工藝基礎上，還包括步驟h，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。本實施例中其餘的工藝步驟及條件與實施例1相同，此處不再贅述。 實施例3如圖10所示為本實施例柔性熱電轉換系統的結構示意圖，圖11為本實用新型實施例中柔性熱電轉換系統中包含的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位於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位於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。然後在通孔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的製備工藝基礎上，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，根據柔性熱電轉換系統的使用場合，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，以便將柔性熱電轉換系統與連接結構貼合，提高整個轉換系統的安裝及檢測精度，避免了現有柔性熱電發生器安裝後還需要通過非柔性電路部分與第一連接電極102及第二連接電極103的連接操作，安裝方便。工作時，柔性熱電轉換系統內的柔性熱電發生器吸收熱量並轉換為電能，所述轉換的電能通過柔性電路再次處理轉換後輸出。本實用新型N型熱電材料顆粒體301、P型熱電材料顆粒體302形成熱電材料體後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，同時，在第二柔性襯底101上設置柔性轉換電路，得到柔性轉換電路與柔性熱電發生器一體化的轉換系統，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，增加了其應用範圍，N型熱電材料、P型熱電材料採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，降低製造成本，結構簡單緊湊，安全可靠。
權利要求1.一種柔性熱電轉換系統，其特徵是包括柔性熱電發生器及用於將所述柔性熱電發生器輸出的電能轉換輸出的柔性轉換電路；所述柔性熱電發生器包括第一柔性襯底(100) 及位於第一柔性襯底(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)串聯後電連接，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；所述柔性轉換電路位於第二柔性襯底(101)上，柔性轉換電路位於第一柔性襯底(100 )的外側，且柔性轉換電路與熱電材料體電連接。
2.根據權利要求1所述的柔性熱電轉換系統，其特徵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)位於第一柔性襯底(100)及柔性絕緣絕熱灌封材料體(104)的外側；柔性轉換電路通過第一連接電極(102 )及第二連接電極(103 )與熱電材料體電連接。
3.根據權利要求1所述的柔性熱電轉換系統，其特徵是所述柔性轉換電路包括柔性電路連接層(105)，所述柔性電路連接層(105)與第二導電連接層(202)為同一製造層。
4.根據權利要求1所述的柔性熱電轉換系統，其特徵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)位於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。
5.根據權利要求1所述的柔性熱電轉換系統，其特徵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)位於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。
6.根據權利要求4或5所述的柔性熱電轉換系統，其特徵是所述通孔(401)內填充有絕緣導熱灌封材料體(501)。
專利摘要本實用新型涉及一種柔性熱電轉換系統，其包括柔性熱電發生器及柔性轉換電路；柔性熱電發生器包括第一柔性襯底及第二柔性襯底，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，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後電連接，以在第一柔性襯底與第二柔性襯底間形成熱電材料體，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；且柔性轉換電路與熱電材料體電連接。本實用新型工藝簡單方便，製造成本低，發電效率高，安全可靠，擴張了熱電發生器的適用範圍。
文檔編號H01L35/02GK202855804SQ20122053246
公開日2013年4月3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, 王潤蘭, 陳嵐 申請人:江蘇物聯網研究發展中心