柔性微型熱電發生器及其製造方法

2023-10-27 15:11:07 1

專利名稱：柔性微型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，尤其是一種柔性微型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A T時，會伴隨產生電壓AU。並且開路電壓線性地正比於溫差
「 n =—— s AT其中，a s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n對熱電偶串聯時，總的開路輸出電壓可表示為AUn:AUn=n ( a ab AT)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
Ct ' Gz=^-^-
K其中，O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。L/A也是影響熱電器件產生電壓大小的關鍵參數，L和A分別是單個熱電導電體的長度和橫截面積，高的L/A比值對應著高的熱電產生電壓。傳統的塊狀熱電材料製備的熱電器件，L/A 一般不超過20CHT1，但薄膜熱電材料製備的熱電單元可以達到lOOOcnT1甚至10000cm 1O對於熱電器件來說，高品質因數Z的熱電材料是最佳選擇，但在一定的熱電器件中，人們更關心，在一定電壓下器件的輸出功率以及該器件的集成程度。對於很多高品質因數的熱電材料來說，難於製備成薄膜，這也限制了它們在微型器件製備中的應用。就薄膜熱電材料的製備而言，國內外也有很多研究和報導。有報導稱製備的Bi-Te/Sb-Te超晶格熱電器件的品質因數超過了 2. 0，但這種材料需要以GaAs單晶做基底進行生長，而且很難將幾百或者幾千對這樣的單元進行集成並封裝。而現今比較有效的方式是採用濺射/蒸鍍沉積的方法，此方法可以適用於多種襯底，如陶瓷，矽片，柔性薄膜等。但此方法技術和成本都要求較高。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種柔性微型熱電發生器及其製造方法，其エ藝簡單方便，製造成本低，集成度高，發電效率高，安全可靠。按照本發明提供的技術方案，所述柔性微型熱電發生器，包括柔性襯底，所述柔性襯底上設置若干交替分布的N型熱電材料層及P型熱電材料層，所述N型熱電材料層通過導電連接層與P型熱電材料層串聯後電連接，以在柔性襯底上形成若干串接的熱電對。所述導電連接層包括導電連接體、N型熱電材料連接層或P型熱電材料連接層。所述柔性襯底上設有下絕緣絕熱層，所述串接的熱電對位於下絕緣絕熱層上，熱電對上覆蓋有上絕緣絕熱層。 所述N型熱電材料層、P型熱電材料層及導電連接層均通過絲網印版印製於柔性襯底上。一種柔性微型熱電發生器的製造方法，所述熱電發生器的製造方法包括如下步驟a、提供所需柔性襯底；b、在上述柔性襯底通過絲網印刷印製若干N型熱電材料層、P型熱電材料層及導電連接層，所述N型熱電材料層通過導電連接層與P型熱電材料層串聯後電連接；C、對上述N型熱電材料層、P型熱電材料層進行熱退火。所述步驟b中，在柔性襯底上印製下絕緣絕熱層，所述N型熱電材料層、P型熱電材料層及導電連接層均印製在下絕緣絕熱層上。還包括步驟d、在上述柔性襯底上印製上絕緣絕熱層，並對所述上絕緣絕熱層進行乾燥；所述上絕緣絕熱層覆蓋於所述N型熱電材料層、P型熱電材料層及導電連接層上。所述柔性襯底包括PI薄膜。所述導電連接層包括導電連接體、N型熱電材料連接層及P型熱電材料連接層。所述導電連接層為導電連接體時，所述導電連接體的材料包括Ag ;所述導電連接層為N型熱電材料連接層時，所述N型熱電材料連接層與N型熱電材料層為同一製造層；所述導電連接層為P型熱電材料連接層時，所述P型熱電材料連接層與P型熱電材料層為同
一製造層。本發明的優點通過柔性襯底，提高熱電發生器的集成度，N型熱電材料層、P型熱電材料層及導電連接層均採用絲網印刷工藝製備得到，エ藝步驟簡単，與現有エ藝技術相兼容，降低製造成本，結構簡單緊湊，提高發電效率，安全可靠。


圖I為熱電發生器的原理示意圖。圖2為熱電對中的連接示意圖。圖3為本發明的結構示意圖。
圖4為圖3的C-C向剖視圖。圖5為單個熱電對的示意圖。圖6為本發明導電連接層採用N型熱電材料連接層的示意圖。圖7為本發明導電連接成採用P型熱電材料連接層的示意圖。圖8為本發明設置上絕緣絕緣材料層的結構示意圖。附圖標記說明100-第一熱電發生器、101-第二熱電發生器、102-第三熱電發生器、110-柔性襯底、120-下絕緣絕熱層、130-導電連接層、131-N型熱電材料層、132-P型熱電材料層、133-N型熱電材料連接層、134-P型熱電材料連接層及140-上絕緣絕熱層。
具體實施方式

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、圖4和圖5所示本發明包括柔性襯底110，所述柔性襯底110上設置若干交替分布的N型熱電材料層131及P型熱電材料層132，所述N型熱電材料層131通過導電連接層130與P型熱電材料層132串聯後電連接，以在柔性襯底110上形成若干串接的熱電對；通過多個熱電對串接後能夠得到較多的電能，N型熱電材料層131與相鄰的P型熱電材料層132通過導電連接層130電連接後能夠形成一個熱電對。一般地，N型熱電材料層131與P型熱電材料層132在柔性襯底110上平行分布。如圖5所示圖中的L是指熱電對中N型熱電材料層131、P型熱電材料層132的長度，A為N型熱電材料層131、P型熱電材料層132的截面，根據背景技術的描述可知，L/A是影響熱電發生器產生電壓大小的關鍵參數，本發明實施例中可以根據需要設置L/A的比值，一般地可使L/A達到1000甚至更高。N型熱電材料層131、P型熱電材料層132中採用的熱電材料包括具有熱電特性的單質或單質的化合物。為了增強熱電材料與柔性襯底110間的粘附性，本發明實施例中在柔性襯底110上印製下絕緣絕熱層120，熱電對印製於下絕緣絕熱層120上。同時，為了保護熱電材料，降低外界幹擾，本發明實施例中還包括上絕緣絕熱層140，所述上絕緣絕熱層140覆蓋於熱電對上，如圖8所示。在柔性襯底110上的下絕緣絕熱層120、上絕緣絕熱層140可以根據需要進行設置。所述導電連接層130可以採用導電連接體、N型熱電材料連接層133或P型熱電材料連接層134。所述導電連接層130為導電連接體時，所述導電連接體的材料包括Ag、鎳、銅或金；導電連接層130採用導電連接體時，形成本發明實施例中的第一熱電發生器100，如圖3所示。所述導電連接層130為N型熱電材料連接層133時，所述N型熱電材料連接層133與N型熱電材料層131為同一製造層，導電連接層130採用N型熱電材料連接層133時，形成本發明實施例中的第二熱電發生器101，如圖6所示。所述導電連接層130為P型熱電材料連接層134時，所述P型熱電材料連接層134與P型熱電材料層132為同一製造層，導電連接層130採用P型熱電材料連接層134時，形成本發明實施例中的第三熱電發生器102，如圖7所示。上述結構的熱電發生器可以通過下述工藝步驟製備得到，具體包括a、提供所需柔性襯底110 ;所述柔性襯底110的材料包括PI (Polyimide Film)薄膜，PI薄膜柔性度高，耐溫性好，耐溫溫度可達到-270° (T500° C ;同時，也可以採用本技術領域人員所熟知的其他柔性襯底材料,此處不再--列舉詳述；b、在上述柔性襯底110通過絲網印刷印製若干N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導電連接層130，所述N型熱電材料層131通過導電連接層130與P型熱電材料層132串聯後電連接；為了能夠提高粘附性，在柔性襯底110上印製下絕緣絕熱層120，所述N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導電連接層130均印製在下絕緣絕熱層120上。在柔性襯底110或下絕緣絕熱層120上印製N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導電連接層130時，可以根據按照所需的順序進行，只要能達到相應串聯後電連接的目的即可。可以通過預先設置訂製好的絲網印刷，所述導電連接層130為導電連接體時，所述導電連接體的材料包括Ag、鎳、銅或金；導電連接層130採用導電連接體時，形成本發明實施例中的第一熱電發生器100，如圖3所示。所述導電連接層130為N型熱電材料連接層133時，所述N型熱電材料連接層133與N型熱電材料層131為同一製造層，導電連接層 130採用N型熱電材料連接層133時，形成本發明實施例中的第二熱電發生器101，如圖6所示。所述導電連接層130為P型熱電材料連接層134時，所述P型熱電材料連接層134與P型熱電材料層132為同一製造層，導電連接層130採用P型熱電材料連接層134時，形成本發明實施例中的第三熱電發生器102，如圖7所示。N型熱電材料層131、P型熱電材料層132在印刷時需要熱電漿料，此處以Sb金屬單質眾料的配置為例，其選用4wt. %こ基纖維素(ethyl-cellulose)與96wt. % α -松油醇(alpha-terpineol)混合調配成粘結劑,再將Sb粉末與粘結劑以80wt. %與20wt. %的重量百分濃度均勻混合調配成Sb漿料。熱電漿料可以通過外購獲得，根據需要製備相應材料的熱電漿料，熱電漿料的獲得也為本技術領域人員所熟知，此處不再詳述。C、對上述N型熱電材料層131、P型熱電材料層132進行熱退火。熱退火的條件要與熱電漿料和柔性襯底110的選擇相對應，同樣以PI薄膜襯底和Sb漿料為例，熱退火在密閉的管式爐中，通入H27%與Ar 93%之混合氣，退火8小時並在氣體氛圍中冷卻；熱退火溫度與熱電漿料及柔性襯底110相匹配；通過熱退火エ藝能使得熱電漿料中的有機物蒸發掉，提高N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導電連接層130間的電連接效果。還包括步驟d、在上述柔性襯底110上印製上絕緣絕熱層140,並對所述上絕緣絕熱層140進行乾燥；所述上絕緣絕熱層140覆蓋於所述N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導電連接層130上。如圖f圖8所示由於N型熱電材料層131、P型熱電材料層132在柔性襯底110上交替分布，當通過導電連接層130串聯後電連接，N型熱電材料層131與相鄰的P型熱電材料層132間均能形成ー個熱電對；並能在柔性襯底110上形成若干串接的熱電對，以得到熱電堆。當熱電對的兩端出現溫度梯度時，N型熱電材料層131與P型熱電材料層132的端部出現電勢差，從而熱電堆能夠輸出相應的電能。本發明通過柔性襯底110，提高熱電發生器的集成度，N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導電連接層130均採用絲網印刷工藝製備得到，エ藝步驟簡單，與現有エ藝技術相兼容，降低製造成本，結構簡單緊湊，提高發電效率，安全可靠。
權利要求
1.一種柔性微型熱電發生器，其特徵是包括柔性襯底(110)，所述柔性襯底(110)上設置若干交替分布的N型熱電材料層(131)及P型熱電材料層(132 )，所述N型熱電材料層(131)通過導電連接層(130 )與P型熱電材料層(132 )串聯後電連接，以在柔性襯底(110)上形成若干串接的熱電對。
2.根據權利要求I所述的柔性微型熱電發生器，其特徵是所述導電連接層(130)包括導電連接體、N型熱電材料連接層(133)或P型熱電材料連接層(134)。
3.根據權利要求I所述的柔性微型熱電發生器，其特徵是所述柔性襯底(110)上設有下絕緣絕熱層(120)，所述串接的熱電對位於下絕緣絕熱層(120)上，熱電對上覆蓋有上絕緣絕熱層(140)。
4.根據權利要求I所述的柔性微型熱電發生器，其特徵是所述N型熱電材料層(131)、P型熱電材料層(132)及導電連接層(130)均通過絲網印版印製於柔性襯底(110)上。
5.一種柔性微型熱電發生器的製造方法，其特徵是，所述熱電發生器的製造方法包括如下步驟(a)、提供所需柔性襯底(110)；(b)、在上述柔性襯底(110)通過絲網印刷印製若干N型熱電材料層(131)、P型熱電材料層(132)及導電連接層(130)，所述N型熱電材料層(131)通過導電連接層(130)與P型熱電材料層(132)串聯後電連接；(c )、對上述N型熱電材料層(131)、P型熱電材料層(132)進行熱退火。
6.根據權利要求5所述柔性微型熱電發生器的製造方法，其特徵是所述步驟(b)中，在柔性襯底(110)上印製下絕緣絕熱層(120)，所述N型熱電材料層(131)、P型熱電材料層(132)及導電連接層(130)均印製在下絕緣絕熱層(120)上。
7.根據權利要求5所述柔性微型熱電發生器的製造方法，其特徵是還包括步驟(d)、在上述柔性襯底(110)上印製上絕緣絕熱層(140)，並對所述上絕緣絕熱層(140)進行乾燥；所述上絕緣絕熱層(140)覆蓋於所述N型熱電材料層(131 )、P型熱電材料層(132)及導電連接層(130)上。
8.根據權利要求5所述柔性微型熱電發生器的製造方法，其特徵是所述柔性襯底(110)包括PI薄膜。
9.根據權利要求5所述柔性微型熱電發生器的製造方法，其特徵是所述導電連接層(130)包括導電連接體、N型熱電材料連接層(133)及P型熱電材料連接層(134)。
10.根據權利要求9所述柔性微型熱電發生器的製造方法，其特徵是所述導電連接層(130)為導電連接體時，所述導電連接體的材料包括Ag ;所述導電連接層(130)為N型熱電材料連接層(133)時，所述N型熱電材料連接層(133)與N型熱電材料層(131)為同一製造層；所述導電連接層(130)為P型熱電材料連接層(134)時，所述P型熱電材料連接層(134)與P型熱電材料層(132)為同一製造層。
全文摘要
本發明涉及一種熱電發生器，尤其是一種柔性微型熱電發生器及其製造方法，屬於熱電發生器的技術領域。按照本發明提供的技術方案，所述柔性微型熱電發生器，包括柔性襯底，所述柔性襯底上設置若干交替分布的N型熱電材料層及P型熱電材料層，所述N型熱電材料層通過導電連接層與P型熱電材料層串聯後電連接，以在柔性襯底上形成若干串接的熱電對。本發明通過柔性襯底，提高熱電發生器的集成度，N型熱電材料層、P型熱電材料層及導電連接層均採用絲網印刷工藝製備得到，工藝步驟簡單，與現有工藝技術相兼容，降低製造成本，結構簡單緊湊，提高發電效率，安全可靠。
文檔編號H01L35/34GK102832332SQ20121019883
公開日2012年12月19日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15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