CN112510143B - 纵向结构柔性热电器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纵向结构柔性热电器件及其制造方法，属于热电应用领域。所述器件包括：上基板，具有基板电极；下基板，具有基板电极；p型热电粒子和n型热电粒子，所述p型热电粒子和所述n型热电粒子交替排布在所述上基板与所述下基板之间并与所述基板电极焊接固定，每一个p型热电粒子首尾各串接一个n型热电粒子；所述上基板沿其基板电极图案呈分割状态，且分割裂痕与其基板电极无交叉。通过上基板的分割线，使得热电器件具有一定的弯曲能力，解决了目前纵向结构热电器不具备柔性可弯曲性能的问题。

Description

纵向结构柔性热电器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及热电应用领域，具体地涉及一种纵向结构柔性热电器件及一种纵向结构柔性热电器件制作方法。

背景技术

随着科学技术发展和生活水平提高，携带方便且功能实用的可穿戴电子产品越来越受到人们的青睐，例如智能手表和智能手环。这些可穿戴电子产品为人们的生活提供了很多便捷，但是受产品本身尺寸影响，这些产品的蓄电单元往往尺寸受限，也就导致产品的续航能力有限，用户往往不得不在使用便捷和充电麻烦两个极端感受进行抉择。

热电材料可以直接将热能转换为电能，若直接将电子手表表带替换为热电材料，通过表带足够的展开面积和人体源源不断散发的热量，可以实现电子产品自供电，明显减少电子产品充电次数，甚至不再需要电子产品单独充电，有效提高用户的使用满意度。纵向结构热电材料因为其受热面积利用率大的特性是制作此类表带的理想材料，但是目前研究的纵向结构热电器件均为刚性结构，不能耦合管道、人体手臂等曲面热源，导致热电器件的使用范围有限。针对目前纵向结构热电器件不具备柔性可弯曲性能的问题，本发明提供一种纵向结构柔性热电器件。

发明内容

本发明实施方式的目的是提供一种纵向结构柔性热电器件，以至少解决上述目前纵向结构热电器件不具备柔性可弯曲性能的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种纵向结构柔性热电器件，所述器件包括：上基板，具有基板电极；下基板，具有基板电极；p型热电粒子和n型热电粒子，所述p型热电粒子和所述n型热电粒子交替排布在所述上基板与所述下基板之间并与所述基板电极焊接固定，每一个p型热电粒子首尾各串接一个n型热电粒子；所述上基板沿其基板电极图案呈分割状态，且分割裂痕与其基板电极无交叉。

优选的，所述器件具有多个π型结构的分割单元，每一分割单元至少包括一个n型热电粒子、一个p型热电粒子以及该n型热电粒子和该p型热电粒子对应的上基板分割块。

优选的，所述下基板为柔性绝缘板。

优选的，所述p型热电粒子和所述n型热电粒子交替排布通过基板电极交替桥接形成热路并联电路串联模式。

本发明第二方面提供一种纵向结构柔性热电器件制作方法，所述方法包括：S1)制备p型热电粒子和n型热电粒子，以及制备对应的具有基板电极的上基板和具有基板电极的下基板；S2)在所述上基板与所述下基板之间沿基板电极位置对应交替排布p型热电粒子和n型热电粒子，将排布的p型热电粒子和n型热电粒子与所述基板电极焊接固定，每一个p型热电粒子首尾各串接一个n型热电粒子；S3)沿所述上基板的基板电极的轮廓线将上基板分割为多个π型结构的分割单元，每一分割单元至少包括一个n型热电粒子、一个p型热电粒子以及该n型热电粒子和该p型热电粒子对应的上基板分割块。

优选的，步骤S1)中，所述下基板为柔性绝缘板，所述下基板的基板材质为聚酰亚胺膜、聚二甲基硅氧烷和聚丙烯酸甲酯中的任意一种。

优选的，步骤S2中)，所述焊接固定包括：根据p型热电粒子和n型热电粒子与基板电极之间的界面结合强度和接触电阻确定焊料选择规则；按照所确定的焊料选择规则选择对应的焊料执行焊接固定操作。

优选的，步骤S2)中，所述p型热电粒子和所述n型热电粒子交替排布通过基板电极交替桥接形成热路并联电路串联模式。

优选的，步骤S3)中，所述上基板沿其基板电极图案呈分割状态，且分割裂痕与其基板电极无交叉。

优选的，步骤S3)中，根据所述热电器件所需的折叠方向选择所述上基板的分割方向。

通过上述技术方案，将纵向结构热电器件的下基板选择为柔性基板，并沿着上基板的基板电极轮廓线进行切割，使得在不破坏热电器件电路完整的情况下，各个相邻π型单元可以在一端固定的前提下保证另一端有一定的分离能力，从而实现热电器件的可弯曲性能，解决了目前纵向结构热电器件不具备柔性可弯曲性能的问题。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明一种实施方式提供的一种纵向结构柔性热电器件的结构图；

图2是本发明一种实施方式提供的一种纵向结构柔性热电器件热电粒子串联结构的结构图。

附图标记说明

10-上基板的基板电极；20-n型热电粒子；

30-下基板的基板电极；40-p型热电粒子。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明一种实施方式提供的纵向结构柔性热电器件结构图。如图1所示，本发明实施方式提供一种纵向结构柔性热电器件，所述器件包括：p型热电粒子40和n型热电粒子20，所述p型热电粒子40和所述n型热电粒子20交替焊接在上基板和下基板之间对应的上基板的基板电极10和下基板的基板电极30上；上基板沿其基板电极图案呈分割状态，分割裂痕与其基板电极无交叉。

优选的，所述器件具有多个π型结构的分割单元，每一分割单元至少包括一个n型热电粒子20、一个p型热电粒子40、以及该n型热电粒子和该p型热电粒子对应的上基板分割块。

在本发明实施例中，热电粒子可根据温差产生电流的原理为热电器件的两端施加温差，冷端会产生从p型电偶传到n型电偶的电动势，整个回路中会产生电流，实现温差发电。想要实现热电器件的弯曲折叠，仅选择柔性基板是无法实现的，因为上下基板之间的热电粒子的焊接密度非常大，且热电粒子是无法弯曲挤压的，若仅依靠热电粒子之间挤压和柔性基板本身的柔性性质进行热电器件弯曲，是极易造成热电粒子损坏的，导致最终的热电器件丧失受热发电的功能。所以，实现热电器件弯曲的前提是热电粒子不被损坏，整个热电器件的电路也不被损坏。

为了解决现有热电器件柔性弯曲容易造成热电粒子挤压损坏的问题，优选的，在柔性基板的基础上进行上基板区域性切割，对应单元的下基板区域保持连接，使得各个分割单元可以沿着切割线展开，而受固定于另一侧连接的基板区域保证所有单元可展开而不可分离。基板上有对应的电极区域，一个电极区域连接有至少一个p型热电粒子40和一个n型热电粒子20，受热导致冷端与热端的电势不同，从而产生电流，所以可以将每一个电极上的p型热电粒子40和n型热电粒子20组合看做一个发电单元，将所有的发电单元串接起来，就形成了最终的热电器件。根据实现热电器件完全不破坏热电粒子和电路原则，将每一个发电单元设定为一个分割单元。例如，一个电极区域上焊接有一个p型热电粒子40和一个n型热电粒子20，进行切割时，沿着电极区域的边框进行基板切割，保证不切割到电极区域，每一个分割单元上均包括一个电极区域、一个p型热电粒子40和一个n型热电粒子20，若每个分割单元下方的基板未被切割，则所有分割单元均可通过切割线进行展开，而因为下方基板未被切割使得所有单元均被固定在一个基板上不会发生分离，则该热电器件可以向下弯曲，上方基板因为切割线而展开，下方基板因为柔性发生弯曲。而如果沿着电极区域中心进行切割，将每一个热电粒子切割为独立的小单元，虽然同样可以实现热电器件弯曲，但因为电气区域是热电粒子的串联线路，破坏电极区域便是破坏了串联线路，造成热电器件损坏。

优选的，所述下基板为柔性绝缘板。

在本发明实施例中，如上述的热电器件弯曲规则，若仅进行上基板切割，保持下基板完整，想要实现基板向下弯曲，就必须保证下基板有一定的柔性，若上下基板均采用刚性极大的材料，即使存在切割缝隙，也无法实现热电器件弯曲，强行弯曲会导致基板断裂。基板包括衬底材质和电极区域，电极区域是各个热电粒子进行串接的串接线路，衬底是支撑电极区域各热电粒子的结构件，所以除了电极区域，需要保证衬底区域具有绝缘性质，避免电流损失的同时避免发生安全事故。所以需要保证基板材质为柔性绝缘材质，例如聚酰亚胺膜(PI膜)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚丙烯酸甲酯(PMMS)。但是，柔性绝缘材质的导热性能往往很差，若上下基板均选用柔性绝缘板，将会导致热电器件内的热量无法尽快散发，导致上基板的温度会逐渐升高。因为热电器件需要通过在上下基板形成一定的温度差才会产生电流，所以若上基板无法及时将热量散发出去，温度逐渐升高，将会渐渐缩小与下基板之间的温度差，从而导致上下基板之间的温度差值变小，产生的电流也更小。

而且本发明提出的柔性热电器件主要用作电子产品表带，所以热电器件是需要与人体皮肤直接接触的，若热电器件的热量无法及时散发，将会使得表带的温度逐渐升高，从而影响人体使用感官，造成体验感下降。所以，优选地，将上基板保留为刚性绝缘板，仅将下基板选为柔性绝缘板，在保证热电器件具有柔性的同时，不影响热电器件本身的散热性能，提高发电效率的同时增强用户的使用感受。

优选的，p型热电粒子40和n型热电粒子20交错排布，基板电极交替桥接热电粒子，形成热路并联电路串联模式。

在本发明实施例中，纵向结构热电器件是研究和应用最为广泛的一类热电器件，通过π型热电对组合实现热路并联，电路串联，达到热能的最充分利用和电能的最大积累。

本发明实施方式还提供一种纵向结构柔性热电器件制作方法，所述方法包括：S1)制备p型热电粒子40和n型热电粒子20，确定对应的基板材质，根据热电粒子和基板材质选择对应的焊料，制备对应的具有基板电极的上基板和具有基板电极的下基板；S2)在所述上基板与所述下基板之间沿基板电极位置对应交替排布p型热电粒子和n型热电粒子，将排布的p型热电粒子和n型热电粒子与所述基板电极焊接固定，每一个p型热电粒子首尾各串接一个n型热电粒子；

S3)沿所述上基板的基板电极的轮廓线将所述上基板分割为多个π型结构的分割单元，每一分割单元至少包括一个n型热电粒子、一个p型热电粒子以及该n型热电粒子和该p型热电粒子对应的上基板分割块。

优选的，步骤S1)中，所述制备p型热电粒子40和n型热电粒子20，确定对应的基板材质，所述下基板为柔性绝缘板，所述下基板的基板材料至少包括聚酰亚胺膜、聚二甲基硅氧烷和聚丙烯酸甲酯中任意一种。

优选的，步骤S1中)，所述根据热电粒子和基板材质选择对应的焊料，所述焊料选择规则为：根据p型热电粒子和n型热电粒子与基板电极之间的界面结合强度和接触电阻确定焊料选择规则；保证热电粒子与基板电极之间形成较大的界面结合强度，较小的接触电阻。

在本发明实施例中，热电粒子通过焊接固定在基板的电极区域上，同一个电极区域上焊接一个p型热电粒子40和一个n型热电粒子20，形成一个π型结构，通过增加基板缝隙和柔性基板后，热电器件可以发生一定量的弯曲，呈现一定的弯曲性能。在热电器件后续使用过程中，因为每一个π型结构都会在弯曲时与其他π型结构发生一定量的分离，使得每一个热电粒子都有可能暴露出来，持续多次弯折有可能造成热电粒子损坏或脱落的情况。也就要求柔性热电器件的热电粒子的固定性能要高于常规纵向结构热电器件的热电粒子固定性能，即需要更大的界面结合强度。焊接后界面结合强度受很多因素的影响，焊料材质是很重要的影响因素，一方面需要焊料与基材与焊接材料有很好的结合性能，另一方面还需要保证焊接位置的接触电阻很小，因为热电粒子与电极之间有电流通过，若焊接材料的接触电阻很大，则会极大影响热电器件最终的发电性能。所以，在进行焊料选择时，必须考虑热电粒子材质和电极材质，常规的热电材料有碲化铋及其合金、碲化铅及其合金和硅锗合金，因为碲化铅及其合金和硅锗合金实用温度很高，所以常用于工业余热发电，而碲化铋及其合金因为适用温度较低，是很理想利用人体皮肤散发热量进行发电的材料。所以在一种可能的实施方式中，选用碲化铋基合金镀镍镀金作为热电粒子材料，选用铜作为材料，为了保证热电粒子与电极焊接后足够的结合强度，选用接触电阻尽量小的金锡焊料作为最终固定用的焊料。根据不同的热电材料和电极材料选择适应性的焊料，保证热电材料与电极之间尽量结合牢固，形成较大的界面结合强度，较小的接触电阻，减少柔性热电器件还后期重复弯曲过程中造成器件损坏的概率。

优选的，步骤S2)中，沿所述上基板的基板电极位置对应交替排布p型热电粒子40和n型热电粒子20，包括：每一个p型热电粒子40首尾各串接一个n型热电粒子20；所有热电粒子在电路上进行串联，在热路上并联。

在本发明实施例中，如图2，一个π型结构中包括一个p型热电粒子40和一个n型热电粒子20，这两个p热电粒子40和n型热电粒子20的一端焊接在一个电极区域内，另一端无连接。该π型结构内的n型热电粒子20和p型热电粒子40的另一端对应与相邻的另一个p型热电粒子40和另一个n型热电粒子20对应连接，各形成一个倒π型结构，使得每一个p型热电粒子40首尾各串接一个n型热电粒子20，同样的，每一个n型热电粒子20也首尾各串接一个p型热电粒子40。使得所有热电粒子在电路上为串联关系，整个热电器件仅一个负极端口和一个正极端口。为了增大热电器件与发热物体之间的贴合面，提高热量采集效率，使得每一个热电粒子的一端均与发热物体表面贴合，使得每一个热电粒子均存在热端和冷端，所用热电粒子在热路上为并联关系，产生的电流通过串联电路汇聚，提高热电器件热量采集效率和发电效率。

优选的，步骤S3)中，所述沿基板电极轮廓线将上基板分割，分割为多个π型分割单元，包括：保证一个π型单元的两个热电粒子至少有一端固定连接的基板未被切割；切割线与电极无交叉点，切割后电极无破坏，电路保持畅通。

在本发明实施例中，通过上述的热电粒子电路串联关系，可以得知上基板的电极区域与下基板的电极区域不是正对关系，是交错关系。所以在进行基板切割时，上下基板是不能正对位置切割的，因为上基板的电气边缘切割线与下基板的电极区域投影到一个平面后是存在交叉关系的，若沿着相同路径进行切割，势必会造成上下基板中一个基板的电极损坏，导致热电器件失效。即使不考虑电极损坏，沿着同样的路径进行上下基板切割，会使得每一个π型结构彻底分割，无法实现热电器件整体连接，在进行上下基板同时切割时，均沿着电极轮廓进行切割，保证热电粒子首尾串接，不损坏串联电路。

优选的，根据最终热电器件需要的折叠方向选择上基板的切割方向。

在本发明实施例中，热电器件的弯曲方向和弯曲程度由实际使用工况决定，例如，当热电器件作为表带适用时，需要热电器件沿表带长度方向弯曲，且弯曲程度很大，而热电器件沿弯曲管状发热构件布置时，需要热电器件沿两个方向进行弯曲，弯曲弧度受管状构件的截面半径和弯曲半径决定。因为基板沿电极区域切割开后，热电粒子在弯曲过程中会适当暴露，所以在达到适用条件的前提下，尽量减少基板切割不但能够提高柔性热电器件的使用寿命，还减少了切割工序。柔性热电器件的弯曲方向与切割线方向是垂直的，即想要实现热电器件长度方向弯曲，需要进行宽度方向的基板切割。例如，柔性热电器件需要沿长度方向向内弯曲，上基板的电极区域沿长度方向分布，即π型结构串联电路沿长度方向布置，宽度方向除了热电器材尽头存在横向布置的π型结构，其他π型结构均沿长度方向布置。因为需要沿长度方向向内弯曲，则沿着每一个π型结构上基板的基板电极10的横向边缘切割，每一横排的π型结构固定连接，行成一个个可分开的π型结构横排，使得热电器件可沿着热电器件长度方向进行向内的弯曲。以此类推，根据柔性热电器件的适用规则，确定柔性热电器件基板的切割规则，保证适用性能的同时减少切割工序和提高热电器件使用寿命。

在一种可能的实施方式中，需要制备一个16×2mm²可穿戴式纵向结构柔性热电器件，制作步骤为：使用PI膜双面覆铜，刻蚀电极图案制作柔性基板；将致密的p型和n型碲化铋热电材料切割成片，然后镀镍镀金对片材进行表面金属化处理，保证处理后的片材厚度一致(本例中控制厚度为0.5mm)；将所得金属化处理后的片材切割成粒子(本例中将粒子切割成0.43×0.43mm2大小)；将所得粒子按照p型和n型交替排布，排布图案与电极图案一致，粒子相对位置与电极焊点一一对应；将所得上基板与下基板的电极焊点处点上适量的AuSn焊料，将已摆好的热电粒子两端分别与上基板和下基板的基板电极30进行焊接；将步骤所得焊接良好的热电器件上基板按照电极图案切割开，不破坏电极。获得最终的柔性热电器件，器件最小弯曲曲率半径可达到9mm。然后将所得16×2mm²纵向结构柔性热电器件进行发电能力测试,器件在热端温度为33℃，分别测试温差为1℃、3℃、5℃、10℃、20℃时的发电性能，其中，20℃温差下器件开路电压可达到155.1mV，最大输出功率可达到0.81mW。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (9)

1.一种纵向结构柔性热电器件，其特征在于，所述器件包括：

上基板，具有基板电极；

下基板，具有基板电极；

p型热电粒子和n型热电粒子，所述p型热电粒子和所述n型热电粒子交替排布在所述上基板与所述下基板之间并与所述基板电极通过金锡焊料焊接固定，每一个p型热电粒子首尾各串接一个n型热电粒子；所述上基板沿其基板电极图案呈分割状态，且分割裂痕与其基板电极无交叉；

所述上基板为刚性绝缘板，所述下基板为柔性绝缘板；

所述p型热电粒子和n型热电粒子采用碲化铋基合金镀镍镀金作为热电粒子材料。

2.根据权利要求1所述的纵向结构柔性热电器件，其特征在于，所述器件具有多个π型结构的分割单元，每一分割单元至少包括一个n型热电粒子、一个p型热电粒子以及该n型热电粒子和该p型热电粒子对应的上基板分割块。

3.根据权利要求1所述的纵向结构柔性热电器件，其特征在于，所述p型热电粒子和所述n型热电粒子交替排布通过基板电极交替桥接形成热路并联电路串联模式。

4.一种纵向结构柔性热电器件制作方法，其特征在于，所述方法包括：

S1)制备p型热电粒子和n型热电粒子，以及制备对应的具有基板电极的上基板和具有基板电极的下基板，包括：

使用基板双面覆铜，刻蚀电极图案制作具有基板电极的上基板和具有基板电极的下基板；

将致密的p型和n型碲化铋热电材料切割成片，然后镀镍镀金对片材进行表面金属化处理，将所得金属化处理后的片材切割成粒子，得到p型热电粒子和n型热电粒子；

S2)在所述上基板与所述下基板之间沿基板电极位置对应交替排布p型热电粒子和n型热电粒子，将排布的p型热电粒子和n型热电粒子与所述基板电极通过金锡焊料焊接固定，每一个p型热电粒子首尾各串接一个n型热电粒子；

S3)沿所述上基板的基板电极的轮廓线将所述上基板分割为多个π型结构的分割单元，每一分割单元至少包括一个n型热电粒子、一个p型热电粒子以及该n型热电粒子和该p型热电粒子对应的上基板分割块；

所述上基板为刚性绝缘板，所述下基板为柔性绝缘板。

5.根据权利要求4所述的纵向结构柔性热电器件制作方法，其特征在于，步骤S1)中，所述下基板为柔性绝缘板，所述下基板的基板材质为聚酰亚胺膜、聚二甲基硅氧烷和聚丙烯酸甲酯中的任意一种。

6.根据权利要求4所述的纵向结构柔性热电器件制作方法，其特征在于，步骤S2)中，所述焊接固定包括：

根据p型热电粒子和n型热电粒子与基板电极之间的界面结合强度和接触电阻确定焊料选择规则；

按照所确定的焊料选择规则选择对应的焊料执行焊接固定操作。

7.根据权利要求4所述的纵向结构柔性热电器件制作方法，其特征在于，步骤S2)中，所述p型热电粒子和所述n型热电粒子交替排布通过基板电极交替桥接形成热路并联电路串联模式。

8.根据权利要求4所述的纵向结构柔性热电器件制作方法，其特征在于，步骤S3)中，所述上基板沿其基板电极图案呈分割状态，且分割裂痕与其基板电极无交叉。

9.根据权利要求8所述的纵向结构柔性热电器件制作方法，其特征在于，步骤S3)中，根据所述热电器件所需的折叠方向选择所述上基板的分割方向。

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