CN107242648B - 基于多段热电模组构成的柔性供电表带及其制作方法 - Google Patents

基于多段热电模组构成的柔性供电表带及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多段热电模组构成的柔性供电表带及其制作方法。柔性供电表带中间至少由一段密度大且等距排布热电模组的供电表带，其两侧至少各由一段相同的密度小且等距排布热电模组的供电表带连接而成；热电模组的供电表带，从手腕穿戴面向外都具有依次为导热层，装有热电模组的柔性印刷电路板和多个散热层，柔性印刷电路板上表面热电模组中的每个热电对分别装在各自表带主体的长方形通孔中，每个热电对分别通过冷端铜导电片与各自的散热层连接，散热层均位于表带主体外。本发明在保证供电表带贴合手腕轮廓的前提下提高热电模组中热电对的对数，提高供电表带的输出驱动能力。表带主体采用聚二甲基硅氧烷，柔性较好，可以适合不同手臂表面。

Description

基于多段热电模组构成的柔性供电表带及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种手表带，具体涉及一种基于多段热电模组构成的柔性供电表带及其制作方法。
背景技术
穿戴式设备在健康监测、运动数据采集、物联网通信等方面有广泛的使用，这些设备的长期正常工作需要可靠、稳定、持久的电源。现有的穿戴式供电方式主要包括锂电池、太阳能电池、压电发电器和温差发电器等。传统的锂电池续航时间有限，且废旧电池回收容易对环境造成污染；太阳能电池工作需要光照，在暗处或衣物等覆盖面下无法应用；压电发电器需要收集人体运动或振动的能量并转化为电能，但在人体静止状态下无法收集能量，不适用于行动不便或卧床病患的使用。温差发电器基于塞贝克效应，可以收集热量并转换为电能，由于人体与周围环境存在持续的热量交换，因此，温差发电器可以利用人体与环境存在的温度差进行发电，为穿戴式电子器件持续供能。
目前，穿戴式温差发电结构多集中在穿戴的区域，且大多采用刚性结构，存在发电功率密度低、不适合变化的曲面等问题。
发明内容
为了克服传统穿戴式设备采用表带等结构仅提供固定的功能，本发明的目的在于提供一种基于多段热电模组构成的柔性供电表带及其制作方法，是在温差发电基础上，在柔性表带孔中嵌入多段热电模组，使表带了拥有供电功能，提高了表带结构本身的功能性；多段不同间距热电模组排布方式，可以针对手腕手臂轮廓线曲率半径的变化良好贴合，且表带结构极大的增加了热电器件的热电对对数，从而增加发电功率。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种基于多段热电模组构成的柔性供电表带：
所述柔性供电表带在长度方向上由中间至少一段密度大且等距排布热电模组的供电表带，其两侧至少各一段相同的密度小且等距排布热电模组的供电表带连接而成；密度大且等距排布热电模组的供电表带和密度小且等距排布热电模组的供电表带，从手腕穿戴面向外都具有依次为导热层，装有热电模组的柔性印刷电路板和多个散热层；柔性印刷电路板的上表面装有热电模组，热电模组中的每个热电对分别装在各自表带主体的长方形通孔中，每个热电对分别通过冷端铜导电片与各自的散热层连接，散热层均位于表带主体外。
所述柔性印刷电路板，沿该板长度方向的前部和后部上表面分别等距设有一排多个铜电极，头尾相接且等距排列的多个铜电极都与该板长度方向平行，该板中部上表面等距设有一排多个铜电极，该板中部上表面一排多个铜电极位于该板前部和后部上表面一排多个铜电极之间，中部上表面一排并列的多个铜电极与该板长度方向垂直；
柔性印刷电路板右侧开始的前部上表面的铜电极向柔性印刷电路板左侧前部上表面的铜电极上依次间隔设有P型和N型热电臂，与柔性印刷电路板前部上表面相邻的右侧开始的中部上表面的铜电极的一端向柔性印刷电路板左侧的中部上表面铜电极上依次间隔设有N型和P型热电臂；
柔性印刷电路板右侧开始的后部上表面的铜电极向柔性印刷电路板左侧后部上表面的铜电极上依次间隔设有N型和P型热电臂，与柔性印刷电路板后部上表面相邻的右侧开始的中部上表面的铜电极的另一端向柔性印刷电路板左侧的中部上表面铜电极上依次间隔设有P型和N型热电臂；
每个热电对均包含有一个P型热电臂和一个N型热电臂，P型和N型热电臂通过冷端铜导电片组成串联或串并联结构。
由于手腕穿戴面的不同曲率，供电表带内部填充的热电模组分为奇数段n，且n为3、5或7，密度大且等距排布热电模组中的热电对的排布密度是密度小且等距排布热电模组中的排布密度的k倍，且k为1.2～2。
二、一种基于多段热电模组构成的柔性供电表带的制作方法，包括以下步骤：
1)制作热电模组并串联连接
制作中间至少由一段密度大且等距排布热电模组，其两侧各由一段相同的密度小且等距排布热电模组串联连接成多段热电模组；
2)制作具有多个长方形通孔的表带主体
制作具有多个长方形通孔的表带主体浇注模具，所述模具的多个凸起结构与表带主体多个长方形通孔的结构形状相反，配置聚二甲基硅氧烷混合物在模具中浇注热固，揭下后得到具有多个长方形通孔的表带主体；
3)热电模组装配散热层后嵌入表带主体
将热电模组固定在定位元件上，在冷端面铜导电片上涂覆绝缘导热胶水，加装散热层结构；将热电模组中的热电对嵌入表带主体的多个长方形通孔中，热电对与表带主体的长方形通孔一一对应；
4)装配导热层
表带主体及各个热电模组热端面涂覆绝缘导热胶水后，贴装导热层，热固后完成内部结构封装，得到柔性供电表带。
本发明具有的有益效果是：
本发明在表带中集成了供电装置，提高了表带的功能性，提高了传统智能手环的空间利用率，并为其提供了一种环保连续的供电方式。本发明具有的非均布结构设计，在保证供电表带贴合手腕轮廓的前提下提高了热电模组中热电对的对数，提高了供电表带的输出电压和功率，通过引出电极可以连接驱动低功耗传感器等电子元件。表带结构采用聚二甲基硅氧烷材料，柔性较好，可以实现多次弯曲，适合于不同手臂表面。本发明的柔性供电表带可穿戴在人体表面，回收人体体表散发的余热并转换为电能，为穿戴式电子设备提供可靠、稳定、持久的电源，可广泛应用于人体健康监测、运动数据采集、物联网通信等方面。
附图说明
图1是柔性供电表带结构爆炸示意图。
图2是柔性供电表带剖面示意图。
图3是柔性印刷电路板示意图。
图4是密度大且等距排布热电模组结构示意图。
图5是密度小且等距排布热电模组结构示意图。
图6是串联连接后的多段热电模组结构示意图。
图7是密度大且等距排布热电模组对应的表带主体示意图。
图8是装配散热层后的串联连接的多段热电模组结构示意图。
图9是嵌入串联连接的热电模组的表带外部结构示意图。
图10是装配导热层后的柔性供电表带整体外观示意图。
图中：1、散热层，2、表带主体，3、密度大且等距排布热电模组，4、导热层，5、冷端铜导电片，6、P型热电臂，7、柔性印刷电路板，8、铜电极，9、孔，10、密度小且等距排布热电模组。11、N型热电臂
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图10所示，本发明所述柔性供电表带在长度方向上由中间至少一段密度大且等距排布热电模组3的供电表带，其两侧至少各一段相同的密度小且等距排布热电模组10的供电表带连接而成；如图1～2所示，密度大且等距排布热电模组3的供电表带和密度小且等距排布热电模组10的供电表带(两者结构相同，仅密度大小和热电模组的热电对数不同)，从手腕穿戴面向外都具有依次为导热层4，装有热电模组的柔性印刷电路板7和多个散热层1；柔性印刷电路板7的上表面装有热电模组，热电模组中的每个热电对分别装在各自表带主体2的长方形通孔中，每个热电对分别通过冷端铜导电片5与各自的散热层1连接，散热层1均位于表带主体2外。
如图3所示，所述柔性印刷电路板7，沿该板长度方向的前部和后部上表面分别等距设有一排多个铜电极8，头尾相接且等距排列的多个铜电极8都与该板长度方向平行，该板中部上表面等距设有一排多个铜电极8，该板中部上表面一排多个铜电极8位于该板前部和后部上表面一排多个铜电极8之间，中部上表面一排并列的多个铜电极8与该板长度方向垂直。
如图3～图5所示，柔性印刷电路板7右侧开始的前部上表面的铜电极8向柔性印刷电路板7左侧前部上表面的铜电极8上依次间隔设有P型热电臂6和N型热电臂11，与柔性印刷电路板7前部上表面相邻的右侧开始的中部上表面的铜电极8的一端向柔性印刷电路板7左侧的中部上表面铜电极8上依次间隔设有N型热电臂11和P型热电臂6。
如图4～图5所示，柔性印刷电路板7右侧开始的后部上表面的铜电极8向柔性印刷电路板7左侧后部上表面的铜电极8上依次间隔设有N型热电臂11和P型热电臂6，与柔性印刷电路板7后部上表面相邻的右侧开始的中部上表面的铜电极8的另一端向柔性印刷电路板7左侧的中部上表面铜电极8上依次间隔设有P型热电臂6和N型热电臂11。
如图4～图5所示，每个热电对均包含有一个P型热电臂6和一个N型热电臂11，P型热电臂6和N型热电臂11通过冷端铜导电片5组成串联或串并联结构。
由于手腕穿戴面的不同曲率，供电表带内部填充的热电模组分为奇数段n，且n为3、5或7，密度大且等距排布热电模组中的热电对的排布密度是密度小且等距排布热电模组中的排布密度的k倍，且k为1.2～2。
本发明的工作原理：
本发明的柔性供电表带穿戴在人体手腕时，可与手腕紧密贴合。柔性供电表带的导热层与皮肤接触，人体体表产生的热量通过导热层传递到热电模组的热端面，即柔性印刷电路板；散热层暴露在空气中并与空气进行对流换热，温度低于热电模组的热端面。因此，热电模组中的热电臂的冷端面和热端面之间存在温差，基于热电臂材料的塞贝克效应将温差转换为直流电压，产生的电压通过引出电极连接传感器等电子元件，并驱动其工作。
本发明的制作方法，包括以下几个步骤：
一、制作热电模组并串联连接
P型和N型热电臂材料为掺杂碲化铋基热电材料，P型热电臂6材料成分为Bi0.5Sb1.5Te3，N型热电臂11材料成分为Bi2Se0.5Te2.5。根据密度大且等距排布热电模组3及密度小且等距排布热电模组10设计，在表带手腕上面布置14对热电臂，表带手腕两侧处分别布置24对热电臂。热电臂为底面边长为1.5mm、高为1.6mm长方体。密度大且等距排布热电模组3及密度小且等距排布热电模组10的热电对间距分别为1.5mm和3mm。
以制作密度大且等距排布热电模组3为例：首先制作柔性印刷电路板7，聚酰亚胺基底的厚度选择25μm，基底表面加工孔9以提高柔性，铜电极8的厚度为17.5μm，如图3所示。制作厚度为0.3mm的冷端铜导电片5，与热电臂位置对应的定位后用50μm厚的聚酰亚胺胶带固定。制作0.12mm厚的焊料涂覆网版，焊料涂覆网版的开孔与柔性印刷电路板7的铜电极8位置以及冷端铜导电片5的位置对应。对无铅的中温焊料充分搅拌后，用金属刮刀将焊料通过网版涂覆在柔性印刷电路板7和冷端铜导电片5上。
将涂覆有焊料的柔性印刷电路板7固定在具有螺孔的底板上，并将14个N型热电臂11和14个P型热电臂6交替放置在柔性印刷电路板7上。热电臂放置完成后，将涂覆有焊料的冷端铜导电片5对应热电臂放置。在冷端铜导电片5上端加装盖板，用螺帽将盖板与底板压紧。将装配压紧后的结构放入真空加热炉中在260℃焊接3分钟。冷却至常温后，拆卸盖板与底板，将焊接好的部分在乙醇溶液中浸泡10分钟，揭下聚酰亚胺胶带，得到所需的密度大且等距排布热电模组3，如图4所示。采用相同的加工工艺制作密度小且等距排布热电模组10，如图5所示，并通过底部柔性印刷电路板7左、右两侧引出电极串联连接成多段热电模组，如图6所示。
二、制作具有多个长方形通孔的表带主体
根据热电模组的排布密度分别采用三维打印制作表带主体的浇注模具，模具对应热电模组中热电对的位置，加工对应的凸起块体，凸起为长宽高均为热电对的1.05倍。
将预聚体及固化剂配比为10:1的聚二甲基硅氧烷，在真空干燥箱中脱气后浇注到模具上。50℃下加热固化聚二甲基硅氧烷后，从模具上取下，得到具有具有多个长方形通孔的表带主体2，密度大且等距排布热电模组3对应的表带主体部分如图7所示。
三、热电模组装配散热层后嵌入表带主体
在冷端铜导电片5上涂覆导热硅胶，将散热层1和热电模组冷端粘结，完成散热层装配，如图8所示。
装配热电模组及具有多个长方形通孔的表带主体2。使用聚酰亚胺胶带固定表带主体2，将热电模组中热电对嵌入表带主体2的长方形通孔。在具有多个长方形通孔的表带主体2与密度大且等距排布热电模组3和密度小且等距排布热电模组10的接缝处涂覆配比为10:1的聚二甲基硅氧烷后热固封装，封装完毕后揭下聚酰亚胺胶带，嵌入串联连接的热电模组的表带外部结构如图9所示。
四、装配导热层
导热层4由硅胶和填充导热材料组成。将导热层4与热电模组热端面即柔性印刷电路板7底面粘结，并在导热层4与具有多个长方形通孔的表带主体2连接处涂覆绝缘导热胶水封装，加热固化后完成表带的整体装配，得到柔性供电表带，如图10所示。
本发明通过提出一种基于多段热电模组构成的柔性供电表带及其制作方法，通过采用具有多个长方形通孔的表带主体及多个热电模组为表带提供了热电供电功能。在加工表带主体上的长方形通孔结构为1.05倍热电对单元大小，保证了热电模组结构一定的装配和弯曲裕度。根据手腕轮廓不同曲率处采用非均布设计，保证了柔性供电表带和手腕手臂的良好贴合。

Claims (3)

1.一种基于多段热电模组构成的柔性供电表带，其特征在于：所述柔性供电表带在长度方向上由中间至少一段密度大且等距排布热电模组的供电表带，其两侧至少各一段相同的密度小且等距排布热电模组的供电表带连接而成；密度大且等距排布热电模组的供电表带和密度小且等距排布热电模组的供电表带，从手腕穿戴面向外都具有依次为导热层，装有热电模组的柔性印刷电路板和多个散热层；柔性印刷电路板的上表面装有热电模组，热电模组中的每个热电对分别装在各自表带主体的长方形通孔中，每个热电对分别通过冷端铜导电片与各自的散热层连接，散热层均位于表带主体外；
所述柔性印刷电路板，沿该板长度方向的前部和后部上表面分别等距设有一排多个铜电极，头尾相接且等距排列的多个铜电极都与该板长度方向平行，该板中部上表面等距设有一排多个铜电极，该板中部上表面一排多个铜电极位于该板前部和后部上表面一排多个铜电极之间，中部上表面一排并列的多个铜电极与该板长度方向垂直；
柔性印刷电路板右侧开始的前部上表面的铜电极向柔性印刷电路板左侧前部上表面的铜电极上依次间隔设有P型和N型热电臂，与柔性印刷电路板前部上表面相邻的右侧开始的中部上表面的铜电极的一端向柔性印刷电路板左侧的中部上表面铜电极上依次间隔设有N型和P型热电臂；
柔性印刷电路板右侧开始的后部上表面的铜电极向柔性印刷电路板左侧后部上表面的铜电极上依次间隔设有N型和P型热电臂，与柔性印刷电路板后部上表面相邻的右侧开始的中部上表面的铜电极的另一端向柔性印刷电路板左侧的中部上表面铜电极上依次间隔设有P型和N型热电臂；
每个热电对均包含有一个P型热电臂和一个N型热电臂，P型和N型热电臂通过冷端铜导电片组成串联或串并联结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于多段热电模组构成的柔性供电表带，其特征在于：由于手腕穿戴面的不同曲率，供电表带内部填充的热电模组分为奇数段n，且n为3、5或7，密度大且等距排布热电模组中的热电对的排布密度是密度小且等距排布热电模组中的排布密度的k倍，且k为1.2～2。
3.用于权利要求1所述的一种基于多段热电模组构成的柔性供电表带的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制作热电模组并串联连接
制作中间至少由一段密度大且等距排布热电模组，其两侧各由一段相同密度小且等距排布热电模组串联连接成多段热电模组；
2)制作具有多个长方形通孔的表带主体
制作具有多个长方形通孔的表带主体浇注模具，所述模具的多个凸起结构与表带主体多个长方形通孔的结构形状相反，配置聚二甲基硅氧烷混合物在模具中浇注热固，揭下后得到具有多个长方形通孔的表带主体；
3)热电模组装配散热层后嵌入表带主体
将热电模组固定在定位元件上，在冷端面铜导电片上涂覆绝缘导热胶水，加装散热层结构；将热电模组中的热电对嵌入表带主体的多个长方形通孔中，热电对与表带主体的长方形通孔一一对应；
4)装配导热层
表带主体及各个热电模组热端面涂覆绝缘导热胶水后，贴装导热层，热固后完成内部结构封装，得到柔性供电表带。
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