CN112751507B - 基于电偶骨架及有机浇筑固化的可穿戴人体温差发电器 - Google Patents

基于电偶骨架及有机浇筑固化的可穿戴人体温差发电器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电偶骨架及有机浇筑固化的可穿戴人体温差发电器，属于电子器件领域。该发电器包括导铜片、P型电偶、N型电偶和镂空工艺隔条；所述导铜片与P型电偶、N型电偶的两端焊接，以形成π形电偶对长条；若干π形电偶对长条依次平铺至有机浇筑空腔中，相邻的π形电偶对长条通过导线焊接。镂空工艺隔条置于相邻的π形电偶对长条之间；相邻的π形电偶对长条之间的空隙浇筑有机填充液体，经常温固化后，取出镂空工艺隔条，形成可穿戴人体温差发电器件。实现人体TEG器件的高填充因子与柔性并存，有力地推动TEG器件在人体大弯曲表面余热回收及自供电传感器件的广泛应用。

Description

基于电偶骨架及有机浇筑固化的可穿戴人体温差发电器
技术领域
本发明属于电子器件领域，涉及基于电偶骨架及有机浇筑固化的可穿戴人体温差发电器。
背景技术
温差发电(Thermoelectric Generation，简称TEG)技术是一种利用热电转换材料直接将热能转化为电能的绿色环保技术。人体是一个相对恒定的理想热源，整个体表散失至环境的热功率大约为60-180W，若利用TEG技术将1％的人体散热转化为电能，则发电功率达到0.6-1.8W，可满足大多数可穿戴传感器的电能需求，实现battery-free(自供电)可穿戴传感器。目前人体温差发电器件的主要问题为：传统的块体TEG器件虽然发电功率密度大，但不具备柔性；薄膜TEG器件虽然具有良好的柔性，但发电功率密度过低。
为了同时实现TEG器件的高功率密度与柔性，研究人员开发了新的制造工艺，比如文献1：先在柔性基板(即聚二甲基硅氧烷，简称PDMS)上打孔，然后将块体电偶置于孔中，最后采用液态金属将电偶连接；文献2：先将块体电偶与薄铜片胶合，然后在一端打印并胶合一层Sn96.5Ag3.0Cu0.5，最后用低导热高分子固体材料填充空隙。尽管这两种新制造工艺使得TEG兼具较高功率密度和一定的柔性，但制造工艺复杂(包含打孔、印刷、高温胶合或焊接、以及填充等)、材料昂贵(如EGaIn液态金属)；并且由于采用传统的块体结构连接方式，使其只适用于人体较平坦表面。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电偶骨架及有机浇筑固化的可穿戴人体温差发电器。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于电偶骨架及有机浇筑固化的可穿戴人体温差发电器，包括导铜片、P型电偶、N型电偶和镂空工艺隔条；
所述导铜片与P型电偶、N型电偶的两端焊接，以形成π形电偶对长条；
若干π形电偶对长条依次平铺至有机浇筑空腔中，相邻的π形电偶对长条通过导线焊接；
镂空工艺隔条置于相邻的π形电偶对长条之间；
π形电偶对长条和镂空工艺隔条都平铺至有机浇筑空腔中；
相邻的π形电偶对长条之间的空隙浇筑有机填充液体，经常温固化后，取出镂空工艺隔条，形成柔性可穿戴人体温差发电器件。
可选的，所述有机浇筑空腔的截面与人体大弯曲表面展开后形成的平面一致；
所述人体大弯曲表面包括小臂表面、大臂表面、臀部表面、大腿表面和踝关节表面；
其中，小臂表面的母线近似为直斜线，小臂表面的横断面近似为椭圆，小臂表面展开近似为扇形；
提取不同人群小臂母线的斜率和手腕的维度，确定典型的小臂表面形貌及其特征长度范围。
可选的，所述有机浇筑空腔的截面为扇形或长方形。
可选的，所述导铜片的厚度≤0.1mm；P型电偶与N型电偶具有相同的几何尺寸，且为长方体，z方向高度为0.5～3mm，x方向宽度为0.5～4mm，y方向长度为0.5～4mm；相邻电偶的间隔为0.5～2mm。
可选的，所述镂空工艺隔条为长方体、正梯形体或倒梯形体，z方向隔条的高度大于扇形体空腔高度，x方向隔条宽度的范围为0.5～5mm，且每根隔条沿y方向分成间距不等或相等的若干段。
可选的，所述液体为聚二甲基硅氧烷。
本发明的有益效果在于：将液体有机材料浇筑于π形块体电偶对长条排列骨架之间，经常温固化后，一次成型柔性可穿戴人体温差发电器，易于实现器件的高填充因子(即高功率密度)及高结合强度。并结合镂空浇筑工艺使得固化后的有机材料兼具高柔韧性、穿戴舒适性、低热导率、以及电绝缘特性，实现人体TEG器件的高填充因子(即高功率密度)与柔性并存，有力地推动TEG器件在人体大弯曲表面余热回收及自供电传感器件的广泛应用。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为扇形体有机浇筑空腔；图2为π形电偶对长条骨架；图3为π形电偶对长条骨架的排列布置与连接；图4为具有镂空工艺隔条的三维浇筑结构。
附图标记：1-导铜片，2-P型电偶，3-N型电偶，4-镂空工艺隔条。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
首先，从人体大弯曲表面的具体特征出发，比如小臂表面形貌的母线近似为直斜线、小臂表面的横断面近似为椭圆。基于此，提取不同人群小臂母线的斜率、手腕的维度，从而确定典型的小臂表面形貌及其特征长度范围。
其次，将典型的人体大弯曲表面展开，比如小臂表面形貌展开成近似为扇形的平面，用于有机浇筑的扇形体空腔如图1所示。
再次，通过钎焊(锡焊)工艺将导铜片1与P型电偶2、N型电偶3的两端连接，以制作π形电偶对长条，如图2所示。采用极薄的柔性导铜片1使得π形电偶对长条具有一定的柔性，以适应小臂母线的曲率。
接着，将图2中的两种π形电偶对长条依次平铺至扇形体空腔中，相邻的π形电偶对长条通过导线焊接连接，如图3所示。
然后，将镂空工艺隔条4置于相邻的π形电偶对长条之间，如图4所示。
最后，将有机填充液体浇筑于空隙之中，经常温固化后，取出镂空隔条，形成完整的新型柔性可穿戴人体温差发电器件。
图1所示的有机浇筑空腔可以是扇形体，也可为长方体，或其他形状；
图2所示的π形电偶对长条骨架中，柔性导铜片1的厚度≤0.1mm；P型电偶2与N型电偶一般具有相同的几何尺寸，且通常为长方体，高度(z方向)范围为0.5-3mm，宽度(x方向)范围为0.5-4mm，长度(y方向)范围为0.5-4mm；相邻电偶的间隔为0.5-2mm；
图3所示π形电偶对长条骨架的排列布置与连接方式，可以实现新型人体温差发电器的“+”、“-”极相邻，便于新型人体温差发电器与人体医疗及健康监测传感器的连接；
图4所示镂空工艺隔条4可以为长方体、正梯形体或倒梯形体等，隔条的高度(z方向)大于扇形体空腔高度，隔条宽度(x方向)的范围为0.5-5mm，且每根隔条可以沿y方向分成间距不等或相等的若干段；
所述有机浇筑液体为聚二甲基硅氧烷。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.基于电偶骨架及有机浇筑固化的可穿戴人体温差发电器，其特征在于：包括导铜片、P型电偶、N型电偶和镂空工艺隔条；
所述导铜片与P型电偶、N型电偶的两端焊接，以形成π形电偶对长条；
若干π形电偶对长条依次平铺至有机浇筑空腔中，相邻的π形电偶对长条通过导线焊接；
镂空工艺隔条置于相邻的π形电偶对长条之间；
π形电偶对长条和镂空工艺隔条都平铺至有机浇筑空腔中；
相邻的π形电偶对长条之间的空隙浇筑有机填充液体，经常温固化后，取出镂空工艺隔条，形成柔性可穿戴人体温差发电器件；
所述有机浇筑空腔的截面与人体大弯曲表面展开后形成的平面一致；
所述人体大弯曲表面包括小臂表面、大臂表面、臀部表面、大腿表面和踝关节表面；
其中，小臂表面的母线近似为直斜线，小臂表面的横断面近似为椭圆，小臂表面展开近似为扇形；
提取不同人群小臂母线的斜率和手腕的维度，确定典型的小臂表面形貌及其特征长度范围；
所述有机浇筑空腔的截面为扇形或长方形；
所述导铜片的厚度≤0.1mm；P型电偶与N型电偶具有相同的几何尺寸，且为长方体，z方向高度为0.5～3mm，x方向宽度为0.5～4mm，y方向长度为0.5～4mm；相邻电偶的间隔为0.5～2mm；
所述镂空工艺隔条为长方体、正梯形体或倒梯形体，z方向隔条的高度大于扇形体空腔高度，x方向隔条宽度的范围为0.5～5mm，且每根隔条沿y方向分成间距不等或相等的若干段；
所述液体为聚二甲基硅氧烷。
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