CN102931337A - 柔性热电发生器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性热电发生器及其制造方法，其包括柔性连接体，柔性连接体内包括若干N型热电材料体及P型热电材料体；N型热电材料体的一端通过第一导电连接层与所述N型热电材料体一侧相邻P型热电材料体的一端电连接，N型热电材料体的另一端通过第二导电连接层与所述N型热电材料体另一侧相邻P型热电材料体的另一端电连接；N型热电材料体与P型热电材料体通过第一导电连接层及第二导电连接层串接成热电材料体，热电材料体内填充有柔性绝缘保护体；柔性连接体上覆盖有第一绝缘保护层及第二绝缘保护层。本发明结构紧凑，工艺简单方便，制造成本低，发电效率高，可进行适度的弯曲，大大扩展了热电发生器的适应范围，安全可靠。

Description

柔性热电发生器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热电发生器，尤其是一种柔性热电发生器及其制造方法，属于热电发生器的技术领域。

背景技术

由于便携式电子产品日益增长的微型化趋势，推动了小型化电源的研究和发展。热电发生器作为一种自给自足的能源，它根据Seebeck效应能将热能直接转换为电能，在适合的温度下能保持实际上的无限的有效寿命，这使其作为一种能源领域的高新技术成为国际研究的热点之一。

热电发生器一般由三部分组成：热源、热沉和热电堆。热电堆是由一系列串联的能够将热能转换成电能的热电对组成（图示2）。热电对由不同类型的N/P型热电材料组成，当其两端，即热源端和热沉端，出现温度梯度时，其两端可产生电势差,如图示1中所示。

热电器件的主要工作原理是基于Seebeck效应。Seebeck效应是德国物理学家Seebeck发现的一种热电现象。当在金属导体或者半导体结构上加上温度差ΔT时，会伴随产生电压ΔU。并且开路电压线性地正比于温差：

${\mathrm{\α}}_s=\frac{\mathrm{\ΔU}}{\mathrm{\ΔT}}$

其中，α_s称作Seebeck系数，也可称为热电功率。如果热电偶的两种构成材料的Seebeck系数分别为α_a和α_b，则热电偶的Seebeck系数定义为：

α_ab＝α_a+α_b

当n对热电偶串联时，总的开路输出电压可表示为△U_n：

△U_n=n·(α_ab·△T)

根据Seebeck效应而制作的热电发生器，其效率可由热电品质因数Z来表征：

$Z=\frac{{\mathrm{\α}}_s^2\·\mathrm{\σ}}{\mathrm{\κ}}$

其中，σ是电导率，κ是热导率，品质因数Z表示可用在热电发生器中的热电材料的热和电属性。

传统热电发生器，多采用热电材料的长方体状颗粒，然后按热电堆的形式，将N/P不同的颗粒黏贴到陶瓷导热板上，其采用的颗粒可以达到1mm²*2mm或者更小的截面，更高的纵横比。但其应用范围，受到陶瓷等材料特性的限制，无法应用到管道等，需要有一定弯曲的地方。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种柔性热电发生器及其制造方法，其结构紧凑，工艺简单方便，制造成本低，发电效率高，可进行适度的弯曲，大大扩展了热电发生器的适应范围，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述柔性热电发生器，包括柔性连接体，所述柔性连接体内包括若干N型热电材料体及P型热电材料体，所述N型热电材料体与P型热电材料体交替分布；N型热电材料体的一端通过第一导电连接层与所述N型热电材料体一侧相邻P型热电材料体的一端电连接，N型热电材料体的另一端通过第二导电连接层与所述N型热电材料体另一侧相邻P型热电材料体的另一端电连接；N型热电材料体与P型热电材料体通过第一导电连接层及第二导电连接层串接成包括若干热电对的热电材料体，所述热电材料体内填充有柔性绝缘保护体；柔性连接体上覆盖有第一绝缘保护层及第二绝缘保护层，所述第一绝缘保护层与第二绝缘保护层分别覆盖柔性连接体相对应的两个表面。

所述第一绝缘保护层覆盖柔性连接体对应设置第一导电连接层的表面，第一绝缘保护层与第一导电连接层相接触；第二绝缘保护层覆盖柔性连接体对应设置第二导电连接层的表面，第二绝缘保护层与第二导电连接层相接触。

所述第二绝缘保护层上设有第一连接电极及第二连接电极，所述第一连接电极及第二连接电极与第二导电连接层电连接，且第一连接电极、第二连接电极与第二导电连接层为同一制造层。

所述柔性绝缘保护体的材料包括聚氨酯胶或有机硅胶。

一种柔性热电发生器的制造方法，所述柔性热电发生器的制造方法包括如下步骤：

a、提供所需的导电基底，所述导电基底包括第一导电衬底及第二导电衬底，在第一导电衬底及第二导电衬底的表面上分别覆盖感光材料层；通过感光法对感光材料层进行曝光显影，得到位于第一导电衬底第一表面上的第一掩膜层及位于第二导电衬底第一表面上的第二掩膜层；

b、提供N型热电材料体及P型热电材料体，将所述N型热电材料体及P型热电材料体分别与第一导电衬底的第二表面及第二导电衬底的第二表面焊接固定；

c、对步骤b焊接后的结构进行高温退火；

d、对上述形成的结构利用柔性灌封材料进行灌封，常温固化后得到柔性绝缘保护体，所述柔性绝缘保护体填充在第一导电衬底及第二导电衬底间；

e、利用第一掩膜层对第一导电衬底进行刻蚀，得到位于N型热电材料体及P型热电材料体一端的第一导电连接层；同时，利用第二掩膜层对第二导电衬底进行刻蚀，得到位于N型热电材料体及P型热电材料体另一端的第二导电连接层及第一连接电极与第二连接电极；

f、去除上述第一导电连接层上的第一掩膜层，并去除第二导电连接层上的第二掩膜层，以形成柔性连接体；

g、在上述柔性连接体上通过喷涂或刷涂覆盖第一绝缘保护层及第二绝缘保护层，所述第一绝缘保护层及第二绝缘保护层分别覆盖柔性连接体相对应的两个表面。

所述步骤c中，退火温度为100℃~200℃。

所述柔性绝缘保护体的材料包括聚氨酯胶或有机硅胶。所述第一导电衬底、第二导电衬底的材料包括铜、铝或银。

本发明的优点：通过刻蚀法制作的热电发生器，N型热电材料体、P型热电材料体采用传统的长方体结构颗粒，通过柔性绝缘保护体连接在一起，形成分立布局的结构，可产生一定的弯曲而不损坏，增加了其应用范围。柔性连接体上覆盖了超薄的第一绝缘保护层及第二绝缘保护层，提高了热电传输能力，具有较高的热电转化效率，工艺步骤简单，制造成本低，结构简单紧凑，安全可靠。

附图说明

图1为现有热电发生器的原理示意图。

图2为形成热电对后的连接示意图。

图3为本发明的结构示意图。

图4为本发明的柔性热电发生器弯曲时的示意图。

图5为本发明第一绝缘保护层与第一导电连接层分布配合的结构示意图。

图6为本发明第二绝缘保护层与第二导电连接层分布配合的结构示意图。

图7为本发明柔性热电发生器的剖视图。

图8~图14为本发明制备柔性热电发生器的具体实施工艺剖视图，其中：

图8为在导电基底上通过感光法进行曝光显影得到掩膜层时的剖视图。

图9为本发明在第一导电衬底上得到第一掩膜层后的剖视图。

图10为本发明将N型热电材料体、P型热电材料体与第一导电衬底及第二导电衬底焊接固定后的剖视图。

图11为本发明灌封柔性绝缘材料得到柔性绝缘保护体后的剖视图。

图12为本发明得到第一导电连接层及第二导电连接层后的剖视图。

图13为本发明去除第一掩膜层及第二掩膜层后形成柔性连接体的剖视图。

图14为本发明在柔性连接体上覆盖第一绝缘保护层及第二绝缘保护层后的剖视图。

附图标记说明：1-热电对、101-第一绝缘保护层、102-第二绝缘保护层、200-导电基底、201-第一连接电极、202-第二连接电极、203-第一导电连接层、204-第二导电连接层、210-第一导电衬底、220-第二导电衬底、300-柔性连接体、310-柔性绝缘保护体、401-N型热电材料体、402-P型热电材料体、501-线路遮光部位、502-线路透光部位、600-感光材料层、601-第一掩膜层、602-第二掩膜层及700-曝光光线。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图3和图7所示：为了能够扩大柔性热电发生器的适用范围，降低制造成本，本发明包括柔性连接体300，所述柔性连接体300内包括若干N型热电材料体401及P型热电材料体402，所述N型热电材料体401与P型热电材料体402交替分布；N型热电材料体401的一端通过第一导电连接层203与所述N型热电材料体401一侧相邻P型热电材料体402的一端电连接，N型热电材料体401的另一端通过第二导电连接层204与所述N型热电材料体401另一侧相邻P型热电材料体402的另一端电连接；N型热电材料体401与P型热电材料体402通过第一导电连接层203及第二导电连接层204串接成包括若干热电对1的热电材料体，所述热电材料体内填充有柔性绝缘保护体310；柔性连接体300上覆盖有第一绝缘保护层101及第二绝缘保护层102，所述第一绝缘保护层101与第二绝缘保护层102分别覆盖柔性连接体300相对应的两个表面。

所述第一绝缘保护层101覆盖柔性连接体300对应设置第一导电连接层203的表面，第一绝缘保护层101与第一导电连接层203相接触；第二绝缘保护层102覆盖柔性连接体300对应设置第二导电连接层204的表面，第二绝缘保护层102与第二导电连接层204相接触。所述第一连接电极201及第二连接电极202，为第二导电连接层204的外露部位，同时也是柔性连接体300的外露部位。所述第一导电连接层203及第二导电连接层204的厚度为30μm，第一绝缘保护层101及第二绝缘保护层102的厚度为25~50μm。

如图4所示：由于柔性连接体300具有柔性，因此整个柔性热电发生器具备一定的弯曲角度，能够适应管道等环境，扩大了适应范围。第二绝缘保护层102上的第一连接电极201及第二连接电极202作为第二导电连接层204的外露部位，能够将整个热电材料体与外部连接，即能够将产生的电压输出。如图5所示：为第一绝缘保护层101覆盖在柔性连接体300上后，第一绝缘保护层101与第一导电连接层203之间连接示意图。图6中，为第二绝缘保护层102覆盖在柔性连接体300上后，第二绝缘保护层102与第二导电连接层204之间的连接示意图，同时，如图6所示，第一连接电极201及第二连接电极202对应第二导电连接层204的外露部位，和第二导电连接层204同时制成。

如图8~图14所示：上述结构的柔性热电发生器，可以通过下述工艺制备得到，具体地，包括：

a、提供所需的导电基底200，所述导电基底200包括第一导电衬底210及第二导电衬底220，在第一导电衬底210及第二导电衬底220的表面上分别覆盖感光材料层600；通过感光法对感光材料层600进行曝光显影，得到位于第一导电衬底210第一表面上的第一掩膜层601及位于第二导电衬底220第一表面上的第二掩膜层602；

如图8和图9所示：由于需要同时制备出第一导电连接层203及第二导电连接层204，因此本发明实施例中，导电基底200至少需要包括第一导电衬底210及第二导电衬底220，通过第一导电衬底210来形成第一导电连接层203；同时，通过第二导电衬底220来形成第二导电连接层204。

所述第一导电衬底210及第二导电衬底220的材料包括铜、铝或银等常用的金属材料，感光材料层600选用常用的感光材料，此处不再列举。在感光材料层600上根据需要设置线路遮光部位501及线路透光部位502，通过线路遮光部位501及线路透光部位502来选择性地对感光材料层600进行曝光。曝光光线700垂直照射在感光材料层600上，所述曝光光线700可以通过紫外灯、金属卤素曝光灯、毛细管超高压水银灯等产生，然后以碳酸钠、碳酸氢钠等溶液进行显影，从而在第一导电衬底210的第一表面上得到第一掩膜层601，并在第二导电衬底220的第一表面上得到第二掩膜层602。所述曝光显影的过程为本技术领域常规的过程。

b、提供N型热电材料体401及P型热电材料体402，将所述N型热电材料体401及P型热电材料体402分别与第一导电衬底210的第二表面及第二导电衬底220的第二表面焊接固定；

如图10所示：焊接后，第一掩膜层601位于N型热电材料体401与P型热电材料体402的上方，且第二掩膜层601位于N型热电材料体401与P型热电材料体402的下方，N型热电材料体401及P型热电材料体402与第一掩膜层601及第二掩膜层602的端部，第一掩膜层601与第二掩膜层602形成上下错位的间隔分布。N型热电材料体401及P型热电材料体402均为切割得到的小长方体颗粒。

c、对步骤b焊接后的结构进行高温退火；

所述高温退火的温度为100℃~200℃，退火后确保N型热电材料体401、P型热电材料体402与第一导电衬底210及第二导电衬底220的紧密连接可靠性。

d、对上述形成的结构利用柔性灌封材料进行灌封，常温固化后得到柔性绝缘保护体310，所述柔性绝缘保护体310填充在第一导电衬底210及第二导电衬底220间；

如图11所示：所述柔性绝缘保护体310的材料包括聚氨酯胶或有机硅胶等柔性灌封材料；经过常温固化后，柔性绝缘保护层310提高N型热电材料体401、P型热电材料体402与第一导电衬底210及第二导电衬底220的连接可靠性，同时能够提供实现所需的柔性弯曲度。

e、利用第一掩膜层601对第一导电衬底210进行刻蚀，得到位于N型热电材料体401及P型热电材料体402一端的第一导电连接层203；同时，利用第二掩膜层602对第二导电衬底220进行刻蚀，得到位于N型热电材料体401及P型热电材料体402另一端的第二导电连接层204；

如图12所示：利用三氯化铁、过硫酸钠、盐酸+双氧水等腐蚀剂进行刻蚀，去除相应的材料，即通过第一导电衬底210进行腐蚀得到第一导电连接层203；通过第二导电衬底220进行腐蚀得到第二导电连接层204；第一导电连接层203及第二导电连接层204分别通过第一掩膜层601、第二掩膜层601遮挡未被腐蚀。

f、去除上述第一导电连接层203上的第一掩膜层601，并去除第二导电连接层204上的第二掩膜层602，以形成柔性连接体300；

如图13所示：利用氢氧化钠溶液去除上述第一掩膜层601及第二掩膜层602，从而能够形成本发明实施例中的柔性连接体300。

g、在上述柔性连接体300上通过喷涂、刷涂等方式覆盖第一绝缘保护层101及第二绝缘保护层102，所述第一绝缘保护层101及第二绝缘保护层102分别覆盖柔性连接体300相对应的两个表面。

如图14所示：为了能够在使用中对柔性连接体300的有效保护，在柔性连接体300的两个相对表面上覆盖第一绝缘保护层101及第二绝缘保护层102，喷涂或刷涂后的绝缘保护材料在常温下可逐渐固化，形成极薄的绝缘保护层与柔性连接体300紧密连接，对柔性连接体300起到绝缘和保护的作用，且极薄的厚度保证了在热电发生器的冷、热两端的温度分别通过第一绝缘保护层101及第二绝缘保护层102传递给第一导电连接体203及第二导电连接体204，最终在N、P型热电对两端形成温度差，通过热电效应产生电势差。同时，通过第二导电连接层204外露的第一连接电极201及第二连接电极202与外部连接。

如图3~图14所示：使用时，根据柔性热电发生器的使用场合，通过柔性连接体300将柔性热电发生器弯曲所需角度，以便将柔性热电发生器与连接结构贴合，提高整个热电发生器的安装精度，安装方便；柔性热电发生器连接后，通过第一连接电极201及第二连接电极202将整个柔性热电发生器与外部电路相连。工作时，柔性热电发生器吸收热量并转换为电能，并将所述电能输出。

本发明通过刻蚀法制作的热电发生器，N型热电材料体401、P型热电材料体402采用传统的长方体结构颗粒，通过柔性绝缘保护体310连接在一起，形成分立布局的结构，可产生一定的弯曲而不损坏，增加了其应用范围。柔性连接体300上覆盖了超薄的第一绝缘保护层101及第二绝缘保护层102，提高了热电传输能力，具有较高的热电转化效率，工艺步骤简单，制造成本低，结构简单紧凑，安全可靠。

Claims (8)

1.一种柔性热电发生器，其特征是：包括柔性连接体（300），所述柔性连接体（300）内包括若干N型热电材料体（401）及P型热电材料体（402），所述N型热电材料体（401）与P型热电材料体（402）交替分布；N型热电材料体（401）的一端通过第一导电连接层（203）与所述N型热电材料体（401）一侧相邻P型热电材料体（402）的一端电连接，N型热电材料体（401）的另一端通过第二导电连接层（204）与所述N型热电材料体（401）另一侧相邻P型热电材料体（402）的另一端电连接；N型热电材料体（401）与P型热电材料体（402）通过第一导电连接层（203）及第二导电连接层（204）串接成包括若干热电对（1）的热电材料体，所述热电材料体内填充有柔性绝缘保护体（310）；柔性连接体（300）上覆盖有第一绝缘保护层（101）及第二绝缘保护层（102），所述第一绝缘保护层（101）与第二绝缘保护层（102）分别覆盖柔性连接体（300）相对应的两个表面。

2.根据权利要求1所述的柔性热电发生器，其特征是：所述第一绝缘保护层（101）覆盖柔性连接体（300）对应设置第一导电连接层（203）的表面，第一绝缘保护层（101）与第一导电连接层（203）相接触；第二绝缘保护层（102）覆盖柔性连接体（300）对应设置第二导电连接层（204）的表面，第二绝缘保护层（102）与第二导电连接层（204）相接触。

3.根据权利要求1或2所述的柔性热电发生器，其特征是：所述第二绝缘保护层（102）上设有第一连接电极（201）及第二连接电极（202），所述第一连接电极（201）及第二连接电极（202）与第二导电连接层（204）电连接，且第一连接电极（201）、第二连接电极（202）与第二导电连接层（204）为同一制造层。

4.根据权利要求1所述的柔性热电发生器，其特征是：所述柔性绝缘保护体（310）的材料包括聚氨酯胶或有机硅胶。

5.一种柔性热电发生器的制造方法，其特征是，所述柔性热电发生器的制造方法包括如下步骤：

（a）、提供所需的导电基底（200），所述导电基底（200）包括第一导电衬底（210）及第二导电衬底（220），在第一导电衬底（210）及第二导电衬底（220）的表面上分别覆盖感光材料层（600）；通过感光法对感光材料层（600）进行曝光显影，得到位于第一导电衬底（210）第一表面上的第一掩膜层（601）及位于第二导电衬底（220）第一表面上的第二掩膜层（602）；

（b）、提供N型热电材料体（401）及P型热电材料体（402），将所述N型热电材料体（401）及P型热电材料体（402）分别与第一导电衬底（210）的第二表面及第二导电衬底（220）的第二表面焊接固定；

（c）、对步骤（b）焊接后的结构进行高温退火；

（d）、对上述形成的结构利用柔性灌封材料进行灌封，常温固化后得到柔性绝缘保护体（310），所述柔性绝缘保护体（310）填充在第一导电衬底（210）及第二导电衬底（220）间；

（e）、利用第一掩膜层（601）对第一导电衬底（210）进行刻蚀，得到位于N型热电材料体（401）及P型热电材料体（402）一端的第一导电连接层（203）；同时，利用第二掩膜层（602）对第二导电衬底（220）进行刻蚀，得到位于N型热电材料体（401）及P型热电材料体（402）另一端的第二导电连接层（204）及第一连接电极（201）与第二连接电极（202）；

（f）、去除上述第一导电连接层（203）上的第一掩膜层（601），并去除第二导电连接层（204）上的第二掩膜层（602），以形成柔性连接体（300）；

（g）、在上述柔性连接体（300）上通过喷涂或刷涂覆盖第一绝缘保护层（101）及第二绝缘保护层（102），所述第一绝缘保护层（101）及第二绝缘保护层（102）分别覆盖柔性连接体（300）相对应的两个表面。

6.根据权利要求5所述柔性热电发生器的制造方法，其特征是：所述步骤（c）中，退火温度为100℃~200℃。

7.根据权利要求5所述柔性热电发生器的制造方法，其特征是：所述柔性绝缘保护体（310）的材料包括聚氨酯胶或有机硅胶。

8.根据权利要求5所述柔性热电发生器的制造方法，其特征是：所述第一导电衬底（210）、第二导电衬底（220）的材料包括铜、铝或银。

Images