柔性溫差發電微單元結構的製作方法

2023-04-23 10:40:41 2

柔性溫差發電微單元結構的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種柔性溫差發電微單元結構。在基底上開有多排和多偶數列的蜂窩型圓形腔，除了邊緣兩列圓形腔外，其它圓形腔底部開有一個微孔，向開有微孔的圓形腔內底部滴塗銀基納米粒子油墨，填充微孔並覆蓋住圓形腔底部。每排圓形腔中均相間填充有P型熱電臂和N型熱電臂，每對P型熱電臂和N型熱電臂的頂端分別用上層銅導線相連，每排開有微孔的N型熱電臂和P型熱電臂為一組，開有微孔的圓形腔外底面分別用下層銅導線相連構成柔性溫差發電微單元結構。本發明具有高度柔性，穩定性高，當溫差發電單元受衝擊時，包裹熱電臂的基底可避免延展性差的碲化鉍熱電材料發生斷裂、失效。它能針對體內植入式醫療微裝置的供能，具有推廣應用價值。
【專利說明】柔性溫差發電微單元結構
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種溫差發電裝置，尤其涉及一種柔性溫差發電微單元結構。
【背景技術】
[0002]體內植入式醫療裝置應用越來越廣泛，例如心臟起搏器、除顫器、藥物泵等，能夠代替或提高器官的功能或者治療某種疾病。為植入式醫療裝置提供持久穩定的供能是當今世界一個研究熱點和難題。目前幾種應用於植入式醫療裝置的電源主要有:鋰電池、生物燃料電池、核電池、無線能量傳輸等。微小型鋰電池往往壽命短，病人還需長期更換電池，帶來許多痛苦；核電池工作壽命可以超過十年，但一般體積較大，而且對人體具有毒性和輻射；生物燃料電池利用酶或者微生物作為催化劑，將葡萄糖等生物燃料的化學能轉換成電能，但是供電壽命一般只有幾天；無線能量傳輸則通過電磁波、電磁耦合、超聲波、光波等無線傳輸方式對體內植入式電源進行充電或直接供電，採用該方法往往需要病人長期配戴外部附加機構，給病人的日常生活和活動帶來不便。
[0003]溫差發電利用熱電半導體的塞貝克效應，可將熱能轉化為電能。由於溫差發電器件具有無移動部件、無汙染、結構簡單、易於小型化等優點，同時，由於正常人體的體溫恆定且體內與體表間具有較小的溫差，而溫差發電對溫差的下限沒有要求，因此，可以直接利用人體存在的溫差進行發電。
[0004]現有的微型柔性溫差發電構件通常是在基底上直接布置熱電臂或者在塊體的微型熱電材料間採用柔性連接，因為人體內環境有許多曲面而且人體活動具有靈活性，熱電臂經常會受到擠壓拉伸等衝擊，這類溫差發電器穩定性不夠，這樣就需要溫差發電構件具有更好的柔性；採用碲化鉍及其合金可以提高溫差發電裝置的發電功率，但是，碲化鉍(BiTe)材料力學性能較差，材料較脆，受壓力或衝擊時，直接加工在柔性基底上的碲化鉍及其合金材料容易斷裂，使溫差發電單元失效。因此，開發一種能夠減小衝擊，穩定可靠、柔性較好的溫差發電微單元結構是十分必要的。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於提供一種柔性溫差發電微單元結構，具有穩定可靠、熱電轉換效率高、適用曲面、可加工成多種形式的溫差發電器等特點。
[0006]本發明採用的技術方案是:
在基底上開有多排和多偶數列的蜂窩型圓形腔，除了邊緣兩列圓形腔之外，其它圓形腔底部開有一個微孔，開有微孔的圓形腔內底部滴塗銀基納米粒子油墨填充所述的微孔，並覆蓋住圓形腔底部；每排圓形腔中均相間填充有P型熱電臂和N型熱電臂，每對P型熱電臂和N型熱電臂的頂端分別用上層銅導線相連，上層銅導線鋪設在上層柔性電路板下面，每排開有微孔的N型熱電臂和P型熱電臂為一組，開有微孔的圓形腔外底面分別用下層銅導線相連，然後，以相同連接方式依次構成柔性溫差發電微單元結構。
[0007]所述P型熱電臂和N型熱電臂的材料均為摻雜的碲化鉍。[0008]所述基底和上層柔性電路板的材料均為聚醯亞胺。
[0009]本發明具有的有益效果是:
本發明採用聚醯亞胺蜂窩型基底包裹熱電臂並且下層銅導線成彎曲結構使得溫差發電單元具有高度柔性，可在多個方向變形。當溫差發電單元發生結構變形時，圓形聚醯亞胺空腔包裹熱電臂可避免延展性差的碲化鉍熱電材料發生斷裂，避免溫差發電單元的失效。該發明主要針對體內植入式醫療微裝置的供能，具有推廣應用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發明結構正面等軸測視圖。
[0011]圖2是本發明結構背面等軸測視圖。
[0012]圖3是本發明結構背面正視圖。
[0013]圖4是圖3的D-D剖視圖。
[0014]圖5是P型與N型熱電臂分布示意圖。
[0015]圖6是上層柔性電路板示意圖。
[0016]圖7是下層柔性電路板背面正視圖。
[0017]圖8是圖7的H-H剖視圖。
[0018]圖9是蜂窩型聚醯亞胺基底的模具圖。
[0019]圖10是濺射下層銅導線所需的掩模板圖。
[0020]圖11是往圓形空腔中噴墨列印熱電材料不意圖。
[0021]圖中:1、基底，2、銀基納米粒子油墨，3、P型熱電臂，4、N型熱電臂，5、上層柔性電路板，6、上層銅導線，7、下層銅導線，8、聚醯亞胺基底模具的上模，9、聚醯亞胺基底模具的下膜，10、掩模板，11、針頭。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0023]如圖9所示，本發明在聚醯亞胺基底模具的下膜9內澆注聚醯亞胺，用聚醯亞胺基底模具的上模8擠壓，固化成蜂窩型圓形腔的基底I。如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示，本發明在基底I上開有多排和多偶數列的蜂窩型圓形腔(圖中開有四排四列圓形腔，只需如圖2中間兩列進行陣列即可增加列數)，除了邊緣兩列圓形腔之外，其它圓形腔底部開有一個微孔，如圖11所示，在開孔的圓形腔中開有微孔的圓形腔內底部滴塗銀基納米粒子油墨2填充所述的微孔並覆蓋住圓形腔底部。如圖5每排圓形腔中均相間填充有P型熱電臂3和N型熱電臂4，每對P型熱電臂3和N型熱電臂4的頂端分別用上層銅導線6相連，上層銅導線鋪設在上層柔性電路板5下面(如圖6所示)，每排開有微孔的P型熱電臂3和N型熱電臂4為一組，開有微孔的圓形腔外底面分別用下層銅導線7相連，然後，以相同連接方式依次構成柔性溫差發電微單元結構。
[0024]所述P型熱電臂3和N型熱電臂4的材料均為摻雜的碲化鉍。
[0025]所述基底I和上層柔性電路板5的材料均為聚醯亞胺。
[0026]滴塗銀基納米粒子油墨2填充所述的微孔並覆蓋住圓形腔底部，如圖5在每個圓型腔中相間用滴塗法填充P型熱電臂3和N型熱電臂4，每排每對P型熱電臂3和N型熱電臂4的頂端用濺射的上層銅導線6相連，每對帶微孔的P型熱電臂3和N型熱電臂4的背面，用如圖10所示的掩模板濺射的下層銅導線7連接，銀基納米粒子油墨2與下層銅導線7導通，使被包裹的N型熱電臂4的底端與相鄰的P型熱電臂3的底端導通，以相同連接方式依次構成柔性溫差發電微單元結構，上層柔性電路板5的伸出端跟外電路連接，該單元結構貼合在人體上即可利用人體溫差發電。
[0027]所述的熱電臂的材料為摻雜的碲化鉍及其合金，P型熱電臂3和N型熱電臂4交替排列，蜂窩型聚醯亞胺基底可以使裝置充分柔性化。
[0028]柔性溫差發電微單元結構，可以折彎成所需形狀，再通過封裝複合薄膜等導熱絕緣的柔性材料，形成能量密度高的溫差發電裝置。
[0029]填充微孔和熱電材料工藝是如圖11所示的滴塗法:點膠機的針頭11先將銀基納米粒子油墨滴入微孔中並覆蓋圓形腔底部，再在每排圓形腔中相間滴入P型熱電材料粉末與粘結劑和N型熱電材料粉末與粘結劑，在室溫下固化成型。上層柔性電路板的加工工藝:在上層柔性電路板基底上用絲網印刷方法鋪上層銅導線6，下層銅導線可用如圖10所示的掩膜板濺射得到:在基底背面塗正性光刻膠，用銅掩模板10曝光顯影，用銅靶材濺射導線圖案，去膠完成銅導線。每排P型熱電臂和N型熱電臂交替排列，相互平行組成熱電偶。柔性溫差發電裝置的材料和結構都具有高度柔性，可以貼合曲面。
[0030]本發明的工作原理是:
由塞貝克效應，P型及N型熱電臂的溫度差會在兩端產生電壓差，由於單個熱電偶產生的電壓很低，因此，可採用「熱路並聯，電路串聯」的方式，將P型和N型熱電臂組成的熱電偶設計並布置形成單排多對或多排陣列型的熱電模塊從而提高輸出電壓值。
[0031]實現在柔性聚醯亞胺基底圓形腔中填充熱電臂，聚醯亞胺物理、化學性能穩定，與玻璃或矽基底比較，能使結構柔性且輕便、增加了魯棒性，其靈活性可以適應不同曲面。
[0032]室溫下碲化鉍材料的熱電優值較高，採用碲化鉍及其合金可以提高溫差發電裝置的發電功率。但是，由於碲化鉍(BiTe)材料力學性能較差，容易斷裂。使得直接加工在柔性基底上的碲化鉍材料容易斷裂引起溫差發電單元失效。所以，將碲化鉍材料包裹在聚醯亞胺圓形腔裡面，基底本身具有的柔性減少碲化鉍材料上施加的壓力和衝擊，從而避免熱電材料斷裂弓I起溫差發電單元失效。
[0033]上述【具體實施方式】用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種柔性溫差發電微單元結構，其特徵在於:在基底(I)上開有多排和多偶數列的蜂窩型圓形腔，除了邊緣兩列圓形腔之外，其它圓形腔底部開有一個微孔，開有微孔的圓形腔內滴塗銀基納米粒子油墨(2)填充所述的微孔，並覆蓋圓形腔底部；每排圓形腔中均相間填充有P型熱電臂(3)和N型熱電臂(4)，每對P型熱電臂(3)和N型熱電臂(4)的頂端分別用上層銅導線相連，上層銅導線鋪設在上層柔性電路板(5)下面，每排開有微孔的P型熱電臂(3)和N型熱電臂(4)為一組，開有微孔的圓形腔外底面分別用下層銅導線相連，然後，以相同連接方式依次構成柔性溫差發電微單元結構。
2.根據權利要求1所述的一種柔性溫差發電微單元結構，其特徵在於:所述P型熱電臂(3)和N型熱電臂(4)的材料均為摻雜的碲化鉍。
3.根據權利要求1所述的一種柔性溫差發電微單元結構，其特徵在於:所述基底(I)和上層柔性電路板(5)的材料均為聚醯亞胺。
【文檔編號】H02N11/00GK103888026SQ201410054638
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年2月18日 優先權日:2014年2月18日
【發明者】梅德慶, 劉海燕, 姚喆赫, 陳子辰 申請人:浙江大學