CN116761491B - Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法 - Google Patents
Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116761491B CN116761491B CN202311046008.7A CN202311046008A CN116761491B CN 116761491 B CN116761491 B CN 116761491B CN 202311046008 A CN202311046008 A CN 202311046008A CN 116761491 B CN116761491 B CN 116761491B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- kirigami
- corner
- unit
- thermoelectric
- flexible pcb
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 73
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 68
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 21
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 14
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 11
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 11
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 4
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 claims description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 3
- 229910002665 PbTe Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 2
- OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N tellanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Te] OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 2
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 abstract description 4
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- FPWNLURCHDRMHC-UHFFFAOYSA-N 4-chlorobiphenyl Chemical compound C1=CC(Cl)=CC=C1C1=CC=CC=C1 FPWNLURCHDRMHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- JAYCNKDKIKZTAF-UHFFFAOYSA-N 1-chloro-2-(2-chlorophenyl)benzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1C1=CC=CC=C1Cl JAYCNKDKIKZTAF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 101100084627 Neurospora crassa (strain ATCC 24698 / 74-OR23-1A / CBS 708.71 / DSM 1257 / FGSC 987) pcb-4 gene Proteins 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 230000035807 sensation Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 230000003362 replicative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/0277—Bendability or stretchability details
- H05K1/0283—Stretchable printed circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
- H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
- H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/82—Connection of interconnections
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Thermotherapy And Cooling Therapy Devices (AREA)
Abstract
本发明属于热电转换技术领域，具体公开了一种Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法。将柔性PCB板设计成Kirigami结构，使得柔性PCB板具有柔性和可拉伸性，并在每个像素单元中间隔焊接P型和N型半导体热电颗粒，形成独立的像素单元。每个像素单元中P型和N型半导体热电颗粒交替布置，通过上、下电极形成电串联、热并联结构。本发明采用柔性PCB板、Kirigami结构和热电颗粒的有效结合，实现柔性、可拉伸的热电器件，并通过热电器件的帕尔贴效应，可以使热电器件制冷或制热，以此达到对人体的冷热刺激，进一步增加人们在VR应用中的体验。
Description
技术领域
本发明涉及热电转换技术领域，尤其涉及一种基于Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法。
背景技术
虚拟现实（VR）的传统技术通过视觉和听觉刺激创造人类体验，复制与物理世界相关的感觉。VR的一个重要未来在于开发一种完整的沉浸式体验，不仅包括交互式图像和声音，还包括触觉（冷热的刺激和感知）。这种具有多感官能力的技术的影响将影响到社交媒体、通信、游戏和娱乐、临床医学、康复等各个领域。
目前，现有的VR设备均是通过视觉和听觉来给人类创造体验，但是，很少有设备可以给人类带来冷热的感官刺激，这大大降低了人们在VR设备使用中的体验感。同时，也很少有能够穿戴在人体上的柔性VR设备。因此，急需开发一种柔性VR设备，为人体提供冷热感知，增加人类在VR设备上的使用体验。
发明内容
为克服现有技术中存在的不足，本发明的发明目的是提供一种Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法和在VR设备中的应用，该热电器件通过Kirigami结构的构建，具有柔性和可拉伸性，可穿戴在人体上；同时，通过热电材料的帕尔贴效应，使得该热电器件具有制冷、制热的功能，使人感受到冷热。包含该热电器件的VR设备增加了人的体验感，在社交媒体互动、假肢反馈和视频游戏等领域具有广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明提供一种Kirigami结构的柔性热电器件，所述柔性热电器件包括P型半导体热电颗粒、N型半导体热电颗粒、作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板、作为上电极的独立的柔性PCB板，其特征在于，以N型/P型无机半导体热电材料为原料制得N型/P型半导体热电颗粒；将柔性PCB板构建为Kirigami结构，并在所述柔性PCB板上形成独立的模块电路，作为所述热电器件的下电极，通过低温导电粘结剂将所述N型/P型半导体热电颗粒的一端焊接在所述柔性PCB板的所述模块电路上；通过低温导电粘结剂将所述N型/P型半导体热电颗粒的另一端与作为上电极的独立的柔性PCB板焊接，使得每个所述模块电路中的N型半导体热电颗粒和P型半导体热电颗粒构成热并联和电串联结构；其中，Kirigami结构的柔性PCB板中每个几何单元包括至少一个独立的模块电路，一个所述几何单元及其上焊接的N型和P型半导体热电颗粒、与N型和P型半导体热电颗粒焊接的作为上电极的独立的柔性PCB板构成一个独立的热电模块。
进一步地，所述P型半导体热电颗粒和N型半导体热电颗粒均由Bi2Te3、Sb2Te3、PbTe或SiGe材料制成。所述N型/P型半导体热电颗粒的尺寸通过仿真软件计算得出，具体为：长为1-2mm，宽为1-2mm，高为0.8-5mm。
进一步地，P型和N型半导体热电颗粒通过锡浆、银浆等低温导电粘结剂连接在上电极和下电极之间，形成热并联和电串联结构。
进一步地，所述P型和/或N型半导体热电颗粒之间的间距通过仿真软件计算得出，所述间距为1-3mm。
进一步地，P型和N型半导体热电颗粒的尺寸为1.4mm×1.4mm×2.5mm且各热电颗粒的间距为1mm。
如图1所示，每个像素单元（即热电模块单元）的尺寸为10mm×10mm，相邻的像素单元的间距为1-5mm，四个像素单元构成一个kirigami几何结构，可根据实际所需以一个kirigami几何结构为单位进行无限扩展。每个像素单元的3D放大图如图2所示。Kirigami结构的柔性热电器件如图3所示，以作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板包括的8×8个几何单元计算，所示柔性热电器件包括8×8个像素单元，其中，一个几何单元对应图1中的一个像素单元，每个像素单元包括至少一个P型-N型半导体热电颗粒对、作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元、作为上电极的独立的柔性PCB板。
如图4所示，本发明的Kirigami结构的柔性热电器件具有优异的拉伸性，其包括8×8个像素单元；如图5所示，本发明的Kirigami结构的柔性热电器件可以适配地与半球体的球形外表面相贴合；如图6所示，本发明的Kirigami结构的柔性热电器件被穿戴后，完好地与人体皮肤相贴合，体现出本发明可应用于可穿戴设备。
本发明还提供所述Kirigami结构的柔性热电器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）、作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的制备：先通过软件KiCAD设计确定所述柔性PCB板的尺寸、形状和Kirigami结构的形状，然后以聚酰亚胺薄膜为基底，采用激光切割，制备出符合所设计条件的Kirigami结构，其中，每个几何单元的尺寸为10mm×10mm，相邻的几何单元的间距为1-5mm，所述柔性PCB板的电极如图9所示，每个几何单元的电极电路是独立的；
步骤（2）、作为上电极的独立的柔性PCB板的制备：以步骤（1）的作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的电极尺寸为基准，通过软件KiCAD设计确定所述柔性PCB板的尺寸、电极电路，使得上电极与下电极相适配，所述作为上电极的独立的柔性PCB板的尺寸与作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元相匹配，所述作为上电极的独立的柔性PCB板的电极如图10所示；
步骤（3）、将P型和N型半导体热电颗粒交替放置在步骤（1）的作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板上，以低温导电粘结剂作为焊接剂，在200℃的加热板上焊接；
步骤（4）、将低温导电粘结剂涂覆在步骤（3）完成后的P型和N型半导体热电颗粒的顶端上，接着将步骤（2）的作为上电极的独立的柔性PCB板放置其上，在200℃的加热板上焊接，焊接完成后，N型和P型半导体热电颗粒形成热并联、电串联结构；其中，一个步骤（2）的作为上电极的独立的柔性PCB板与步骤（1）的作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元相对布置；
所制备得到的所述Kirigami结构的柔性热电器件中的热电模块单元是相互独立的，每个热电模块单元可以单独控制，每个热电模块单元包括作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元、至少一个P型-N型半导体热电颗粒对、作为上电极的独立的柔性PCB板的制备。
与现有技术相比，本发明的有益效果和优点：
1、本发明的Kirigami结构的柔性热电器件以一个独立的热电模块单元作为一个像素单元，每个像素单元都由底部电极、P型半导体热电颗粒、N型半导体热电颗粒以及顶部电极组成，每个像素单元都是通过单独的导线与控制电源相连接，相邻的像素单元是相互独立的，互不干涉；通过上、下电极，P型和N型半导体热电颗粒形成电串联、热并联结构。
2、本发明通过将P型、N型半导体热电颗粒焊接在柔性PCB电路板上，每个像素单元至少由8对热电腿组成，通过可编程直流稳压电源，控制像素单元的电流输入方向及大小，以调节像素单元的制冷或发热，给予人体冷热刺激。同时，本发明中的像素单元是相互独立且单独控制的，使得本发明的Kirigami结构的柔性热电器件在应用时，可以在该柔性热电器件所涉及的区域范围内适配不同表面形状的物体，通过控制像素单元的制冷或发热显示出具有不同表面形状的物体的不同表面形状，如图8所示，显示出心形物体的表面形状。
3、本发明通过Kirigami结构，给予本发明的柔性热电器件极高的柔性和可拉伸性，使其具有优异的可穿戴性能。同时，本发明的像素单元集成度高，像素单元可根据需求调整大小，整个制备工艺简单，成本低，电性能稳定。
4、测试了单个像素单元在不同电流条件下的制冷和发热量，测试结果表明可通过调节电流大小来控制像素单元的制冷和发热量，以给人体冷感和热感，将其应用于VR设备，可增加在VR设备使用中人的体验感，给VR设备的发展提供了极大的应用前景。
附图说明
图1是像素单元及其间距的示意图。
图2是单个像素单元的示意图，图中上、下电极和P/N型半导体热电颗粒的分布排列情况。
图3是制备的8×8规格Kirigami结构的柔性热电器件的实物图。
图4是制备的8×8规格Kirigami结构的柔性热电器件在拉伸状态下的状态图。
图5是制备的4×5规格Kirigami结构的柔性热电器件与半球体的半球形表面贴合的示意图。
图6是制备的8×8规格Kirigami结构的柔性热电器件可穿戴性的示意图。
图7是单个像素单元在不同电流大小下制冷、制热的温度-时间关系图。
图8是8×8规格Kirigami结构的柔性热电器件中像素单元在独立控制下冷热不同状态显示出心形的示意图。
图9是Kirigami结构的柔性PCB板下电极的示意图。
图10是PCB板上电极的示意图。
图中：1—P型半导体热电颗粒，2—N型半导体热电颗粒，3—Kirigami结构的柔性PCB板（下电极），4—独立的柔性PCB板（上电极），5—一个几何单元。
具体实施方式
下面结合说明书附图与实施例对本发明作进一步说明。本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体实施方式。
如图1-3所示，一种Kirigami结构的柔性热电器件包括作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板3、N型半导体热电颗粒2、P型半导体热电颗粒1、作为上电极的独立的柔性PCB板4，所述P型半导体热电颗粒1和N型半导体热电颗粒2通过焊接的方式连接在Kirigami结构的柔性PCB板3和独立的柔性PCB板4之间。通过所述Kirigami结构的柔性PCB板3和独立的柔性PCB板4上的电极电路，P型和N型半导体热电颗粒形成热并联、电串联结构，所述Kirigami结构的柔性PCB板3为Kirigami结构的柔性热电器件的基底，每个独立的像素单元包括一个所述独立的柔性PCB板4。每个像素单元被独立控制，各像素单元的结构和尺寸是一样的。
P型半导体热电颗粒和N型半导体热电颗粒分别采用Sb2Te3、Bi2Te3基热电材料制成。
如图1-3所示，一种Kirigami结构的柔性热电器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）、作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板3的制备：先通过软件KiCAD设计确定所述柔性PCB板的尺寸、形状和Kirigami结构的形状，然后以聚酰亚胺薄膜为基底，在聚酰亚胺薄膜上制备出所需电极，电极如图9所示；接着，通过激光切割，制备出符合设计条件的Kirigami结构；其中，每个几何单元的尺寸为10mm×10mm，相邻的几何单元的间距为3 mm，每个几何单元的电极电路是独立的。
步骤（2）、作为上电极的独立的柔性PCB板4的制备：以步骤（1）的作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的电极尺寸为基准，先通过软件KiCAD设计确定所述柔性PCB板的尺寸、电极电路，使得上电极与下电极相适配，然后以聚酰亚胺薄膜为基底，在聚酰亚胺薄膜上制备出所需电极，电极如图10所示；所述作为上电极的独立的柔性PCB板的尺寸与作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元相匹配。
步骤（3）、制备P型半导体热电颗粒和N型半导体热电颗粒：以Sb2Te3作为P型半导体热电颗粒的原料、Bi2Te3作为N型半导体热电颗粒的原料，Sb2Te3、Bi2Te3都被成形为块体，其尺寸都为长1.4mm×宽1.4mm×高2.5mm。
步骤（4）、热电颗粒与步骤（1）的作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板3的连接：将Kirigami结构的柔性PCB板3平铺在加热板上，在所述柔性PCB板3的金属电极表面涂覆一层锡浆，随后，将P型和N型半导体热电颗粒交替放于对应的电极的表面涂覆的锡浆上，各热电颗粒的间距为1 mm；摆放完成后，在热电颗粒上压一块玻璃板，防止P型和N型半导体热电颗粒在加热过程中移动；将加热板的加热温度调节为200℃，在200℃下完成焊接。焊接完成后，取下所述玻璃板。
步骤（5）、热电颗粒与步骤（2）的作为上电极的独立的柔性PCB板4的连接：完成步骤（4）后，在P型和N型半导体热电颗粒的顶端涂覆一层锡浆，接着，将独立的柔性PCB板4与一个所述几何单元对应、放置在顶端涂覆有锡浆的P型和N型半导体热电颗粒上，使得P型和N型半导体热电颗粒形成电串联、热并联结构；将加热板的加热温度调节为200℃，在200℃的加热温度下完成焊接。
制备得到的所述Kirigami结构的柔性热电器件中的像素单元是相互独立的，每个像素单元可以单独控制。通过上述制备方法得到8×8规格的柔性热电器件，如图3所示。
测试：由于上述Kirigami结构的柔性热电器件中像素单元的结构是一样的，选取其中一个像素单元作为测试对象，测试其在不同电流大小下制冷、制热性能，测试结果如图7所示。通过热电材料的帕尔贴效应，施加不同大小和方向的电流，改变电流方向使得该像素单元制冷或制热，同时，调节电流大小还能控制冷量和制热量。
体现Kirigami式结构的柔性热电器件的柔性、可拉伸性和可穿戴性，如图4、5、6所示：本发明的Kirigami式结构的柔性热电器件具有可拉伸性，完美地贴附在半球体的半球形表面上表明其具有良好的柔性、可拉伸性，而将其穿戴在手臂上，与手臂的皮肤紧密地贴合，体现出每个像素单元均能与人体皮肤较好地相贴合。
根据设计要求，本发明的Kirigami式结构的柔性热电器件中的像素单元是相互独立的，且相互之间被独立控制，由此，可以根据热源的不同形状，控制不同的像素单元呈现不同的冷热状态，给予人体不同的感受，例如，手的抚摸，玻璃杯的触碰等。
图8体现了对应一个心形热源的心形形状，上述制得的8×8规格的Kirigami式结构的柔性热电器件呈现的形状。值得注意的是，该Kirigami式结构的柔性热电器件可以根据不同形状、温度的热源，给人体不同的冷热刺激。
本发明的Kirigami式结构的柔性热电器件可以设计为任意的所需外观形状，可以是圆形、三角形、方形、多边形、扇形；所用基底的颜色也可以根据需求而配置成任意颜色；基底可以是透明的、也可以是不透明的绝缘材料。可以与布料相结合，将本发明的Kirigami式结构的柔性热电器件集成在衣服、手套、护腕上，以提高穿戴舒适性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种Kirigami结构的柔性热电器件，所述柔性热电器件包括P型半导体热电颗粒、N型半导体热电颗粒、作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板、作为上电极的独立的柔性PCB板，其特征在于，以N型/P型无机半导体热电材料为原料制得N型/P型半导体热电颗粒；采用激光切割，将作为所述柔性热电器件的基底的柔性PCB板构建为Kirigami结构，并在所述柔性PCB板上形成独立的模块电路，作为所述热电器件的下电极，通过低温导电粘结剂将所述N型/P型半导体热电颗粒的一端焊接在所述柔性PCB板的所述模块电路上；通过低温导电粘结剂将所述N型/P型半导体热电颗粒的另一端与作为上电极的独立的柔性PCB板焊接，使得每个所述模块电路中的N型半导体热电颗粒和P型半导体热电颗粒构成热并联、电串联结构；其中，Kirigami结构的柔性PCB板包括若干个几何单元，每个几何单元包括至少一个独立的模块电路，一个所述几何单元及其上焊接的N型和P型半导体热电颗粒、与N型和P型半导体热电颗粒焊接的作为上电极的独立的柔性PCB板构成一个独立的热电模块单元；
Kirigami结构的柔性PCB板包括的所述几何单元之间的连接方式：横向相邻的2个几何单元、纵向相邻的2个几何单元构成2×2阵列的一个kirigami几何结构，以所述一个kirigami几何结构为单位在横向、纵向两个方向上无限扩展，形成所述的Kirigami结构；其中，每个kirigami几何结构内4个几何单元之间的连接关系是，左上角几何单元的左下角、左下角几何单元的左上角相连接，左上角几何单元的右下角、右上角几何单元的左下角相连接，右上角几何单元的右下角、右下角几何单元的右上角相连接，右下角几何单元的左上角、左下角几何单元的右上角相连接；每个kirigami几何结构与其上方、下方、左边、右边四个位置的kirigami几何结构的连接关系是，处于中心的kirigami几何结构内左上角几何单元的右上角、处于上方位置的kirigami几何结构内左下角几何单元的右下角相连接，处于中心的kirigami几何结构内左上角几何单元的左上角、处于左边位置的kirigami几何结构内右上角几何单元的右上角相连接，处于中心的kirigami几何结构内右上角几何单元的左上角、处于上方位置的kirigami几何结构内右下角几何单元的左下角相连接，处于中心的kirigami几何结构内右上角几何单元的右上角、处于右边位置的kirigami几何结构内左上角几何单元的左上角相连接，处于中心的kirigami几何结构内右下角几何单元的右下角、处于右边位置的kirigami几何结构内左下角几何单元的左下角相连接，处于中心的kirigami几何结构内右下角几何单元的左下角、处于下方位置的kirigami几何结构内右上角几何单元的左上角相连接，处于中心的kirigami几何结构内左下角几何单元的右下角、处于下方位置的kirigami几何结构内左上角几何单元的右上角相连接，处于中心的kirigami几何结构内左下角几何单元的左下角、处于左边位置的kirigami几何结构内右下角几何单元的右下角相连接；
所述P型、N型半导体热电颗粒的尺寸都为长1-2mm、宽1-2mm、高0.8-5mm，所述P型、N型半导体热电颗粒之间的间距为1-3mm；所述的热电模块单元是独立的，每个热电模块单元通过控制电路单独控制，使得将所述Kirigami结构的柔性热电器件应用于VR设备时，通过调节电流大小来控制热电模块单元的制冷量或发热量，以给人体冷感或热感，增加在VR设备使用中人的体验感。
2.根据权利要求1所述的Kirigami结构的柔性热电器件，其特征在于，所述P型半导体热电颗粒和或N型半导体热电颗粒采用Bi2Te3、Sb2Te3、PbTe或SiGe材料制成。
3.根据权利要求1所述的Kirigami结构的柔性热电器件，其特征在于，所述P型和N型半导体热电颗粒的尺寸：长为1.4mm、宽为1.4mm、高为2.5mm；所述P型和N型半导体热电颗粒之间的间距为1mm。
4.根据权利要求1所述的Kirigami结构的柔性热电器件，其特征在于，每个热电模块单元的尺寸为10mm×10mm，相邻的热电模块单元的间距为1-5mm。
5.根据权利要求1所述的Kirigami结构的柔性热电器件，其特征在于，所述的P型和N型热电颗粒通过低温导电粘结剂焊接在Kirigami结构的柔性PCB板、独立的柔性PCB板之间，低温导电粘结剂为锡浆、银浆。
6.根据权利要求1所述的Kirigami结构的柔性热电器件，其特征在于，所述的热电模块单元的结构和尺寸是一样的。
7.根据权利要求4所述的Kirigami结构的柔性热电器件，其特征在于，相邻的热电模块单元的间距为3mm。
8.权利要求1-7中任一项所述的Kirigami结构的柔性热电器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）、作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的制备：先通过软件KiCAD设计确定所述柔性PCB板的尺寸、形状和Kirigami结构的形状，然后以聚酰亚胺薄膜为基底，采用激光切割，制备出符合所设计条件的Kirigami结构，其中，所述的Kirigami结构的柔性PCB板包括若干个几何单元，每个几何单元的尺寸为10mm×10mm，相邻的几何单元的间距为1-5mm，每个几何单元的电极电路是独立的；
步骤（2）、作为上电极的独立的柔性PCB板的制备：以步骤（1）的作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的电极尺寸为基准，通过软件KiCAD设计确定所述柔性PCB板的尺寸、电极电路，使得上电极与下电极相适配，所述作为上电极的独立的柔性PCB板的尺寸与作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元相匹配；
步骤（3）、将P型和N型半导体热电颗粒交替放置在步骤（1）的作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板上，以低温导电粘结剂作为焊接剂，在200℃的加热板上焊接；
步骤（4）、将低温导电粘结剂涂覆在步骤（3）完成后的P型和N型半导体热电颗粒的顶端上，接着将步骤（2）的作为上电极的独立的柔性PCB板放置其上，在200℃的加热板上焊接，焊接完成后，N型和P型半导体热电颗粒形成热并联、电串联结构；其中，一个步骤（2）的作为上电极的独立的柔性PCB板与步骤（1）的作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元相对布置；
所制备得到的所述Kirigami结构的柔性热电器件中的热电模块单元是相互独立的，每个热电模块单元可以单独控制，每个热电模块单元包括作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元、至少一个P型-N型半导体热电颗粒对、作为上电极的独立的柔性PCB板的制备。
9.权利要求1-7中任一项所述的Kirigami结构的柔性热电器件在制备VR设备中的应用。
10.权利要求8所述的制备方法制得的Kirigami结构的柔性热电器件在制备VR设备中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311046008.7A CN116761491B (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311046008.7A CN116761491B (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116761491A CN116761491A (zh) | 2023-09-15 |
| CN116761491B true CN116761491B (zh) | 2023-12-12 |
Family
ID=87951932
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311046008.7A Active CN116761491B (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116761491B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117835791A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-04-05 | 武汉大学 | 指环状柔性可穿戴热电制冷器件及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190093839A (ko) * | 2018-02-02 | 2019-08-12 | 주식회사 에스랩 | 셀 단위 매트릭스 타입의 열전모듈 구동방법 |
| CN114038988A (zh) * | 2021-11-09 | 2022-02-11 | 北京航空航天大学 | 基于高性能薄膜材料的可拉伸可赋形热电器件的设计及制法 |
| EP4071839A1 (en) * | 2019-12-30 | 2022-10-12 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Thermoelectric cooler, manufacturing method for thermoelectric cooler, and electronic device |
| CN116033816A (zh) * | 2022-11-30 | 2023-04-28 | 东华大学 | 一种柔性可拉伸热电制冷器及其制备方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11439567B2 (en) * | 2019-03-15 | 2022-09-13 | The Aerospace Corporation | Wearable thermoelectric array as a graphical user interface |
| US12010916B2 (en) * | 2019-12-04 | 2024-06-11 | The Board Of Regents Of The Nevada System Of Higher Education On Behalf Of The University Of Nevada | Compliant three-dimensional thermoelectrics |
-
2023
- 2023-08-18 CN CN202311046008.7A patent/CN116761491B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190093839A (ko) * | 2018-02-02 | 2019-08-12 | 주식회사 에스랩 | 셀 단위 매트릭스 타입의 열전모듈 구동방법 |
| EP4071839A1 (en) * | 2019-12-30 | 2022-10-12 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Thermoelectric cooler, manufacturing method for thermoelectric cooler, and electronic device |
| CN114038988A (zh) * | 2021-11-09 | 2022-02-11 | 北京航空航天大学 | 基于高性能薄膜材料的可拉伸可赋形热电器件的设计及制法 |
| CN116033816A (zh) * | 2022-11-30 | 2023-04-28 | 东华大学 | 一种柔性可拉伸热电制冷器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Annular flexible thermoelectric devices with integrated-module architecture;Dawei Qu等;《npj Flexible Electronics》;第1-7页 * |
| Kirigami-Based Stretchable, Deformable, Ultralight Thin-Film Thermoelectric Generator for BodyNET Application;Zhanpeng Guo;《Advanced Energy Materials》;第12卷;第1-9页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116761491A (zh) | 2023-09-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN116761491B (zh) | Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法 | |
| Huang et al. | Flexible electronics: stretchable electrodes and their future | |
| US11209906B2 (en) | Method and wearable apparatus for synchronizing a user with a virtual environment | |
| JP2015198101A (ja) | 伸縮性フレキシブル基板およびその製造方法 | |
| Wijethunge et al. | Simplified human thermoregulatory model for designing wearable thermoelectric devices | |
| US11813089B2 (en) | Feedback device and method for providing thermal feedback using the same | |
| Fan et al. | High‐performance stretchable thermoelectric generator for self‐powered wearable electronics | |
| JP2000088670A (ja) | 温度検出用装置及び圧力検出用装置 | |
| WO2022158196A1 (ja) | 温冷触覚提示装置、ウェアラブル端末、かゆみ抑制装置、アイシング装置、マッサージ装置、口内保持具、及び食器 | |
| KR101308364B1 (ko) | 인체 미세전류의 조절이 가능한 장신구 | |
| US20130175151A1 (en) | Touch-activated device based on dielectric elastomers and method of manufacture | |
| CN114176534B (zh) | 一种用于元宇宙的智能穿戴系统 | |
| US20210399186A1 (en) | Low power thermoelectric systems | |
| Tat et al. | Leveraging fluidic programming for pneumatic haptic textiles | |
| Wilde et al. | Light Arrays: a system for extended engagement | |
| Asada et al. | Electrical muscle stimulation to develop and implement menstrual simulator system | |
| CN102727993B (zh) | 射频热疗装置 | |
| CN204600862U (zh) | 电极热敷贴片 | |
| CN219940975U (zh) | 一种热疗腕带 | |
| TWM596618U (zh) | 第三醫學之電性親膚片及接電裝置 | |
| JP2019003470A (ja) | 触覚温冷デバイス及び触覚温冷デバイスの製造方法 | |
| 이진우 | Stretchable Skin-like Thermo-haptic Device for Artificial Thermal Sensation in Virtual Reality | |
| CN203981801U (zh) | 人工耳蜗植入装置上刺激电极电气性能的测试装置 | |
| Jiang et al. | Wireless liquid-alloy-based induction heating for soft devices by alternating magnetic field: From characterization to application | |
| CN117835791A (zh) | 指环状柔性可穿戴热电制冷器件及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |