CN212209547U - 一种柔性热电器件 - Google Patents

Abstract

一种柔性热电器件，包括：至少两个依照设计图案排布的发电单元；所述发电单元包括依次设置的第一电极组、热电腿组和第二电极组；所述热电腿组具有至少两个间隔设置的热电腿对，每个热电腿对包括一对尺寸相同的第一型热电腿和第二型热电腿；每对第一型热电腿和第二型热电腿的一端分别与对应的同一第一柔性电极电连接；所述第二电极组包括与热电腿对内的第一型热电腿一一对应的第二柔性电极以及与第二型热电腿一一对应的第三柔性电极，所述第一型热电腿的另一端与对应的第二柔性电极电连接，第二型热电腿的另一端与对应的第三柔性电极电连接；至少两个发电单元依次串联。上述柔性热电器件具备双面弯曲和拉伸的能力，与热源的结合较好。

Description

一种柔性热电器件

技术领域

本实用新型涉及热电技术领域，具体涉及一种柔性热电器件。

背景技术

随着物联网时代的出现，以及可以随时随地进行通信的电子设备的广泛使用，人们对可穿戴电子系统的兴趣也越来越浓厚，可穿戴电子系统在人体假肢、电子皮肤、机器人等领域有着重要的应用前景。但在可穿戴电子系统被广泛应用之前，必须克服其需要频繁充电的问题。解决这一问题最有效的方法是将能量收集设备与可穿戴电子设备相结合，使其成为一个自供电系统。

上述自供电系统中，热电器件(TEG)被认为是能量收集设备中优良的能源供应模块。热电器件可以通过赛贝克(Seebeck)效应的热电技术，将人体产生的热量转化为电能，该热电转换技术具有清洁无污染、无机械震动以及可靠性高等优点，被认为是实现自供电可穿戴系统的一种特别有吸引力的方式。

当热电器件用于自供电的可穿戴系统中时，要求热电器件具有较强的灵活性，以便在人体和热电器件之间提供适应人体表面的热接触，对于较大尺寸的热电器件尤其如此。当前的热电器件都使用刚性的陶瓷基板为基体，利用焊料将交替排列的P型和N型半导体集成在两块陶瓷板之间。虽然陶瓷等刚性材料具有高的导热性，但是刚性材料还具有不可拉伸性和脆性大等特性，这些缺陷使得当前热电器件不能与各种形状和复杂曲面进行严密的贴合，导致热电器件不能充分利用人体的产热，限制了热电器件的应用范围。

为了实现柔性热电器件结构，国内外技术人员开发了一些柔性热电器件，如已授权专利CN 106206923 B中提出一种将传统商业陶瓷硬基板换成导热硅胶以及利用纺织纱布增韧的热电器件，但是该热电器件在焊接过程中通常需要高温环境，而高温作用下，纺织棉通常会变性从而失去其支撑作用；已授权专利CN104410331B中提出一种在柔性PDMS模板打孔，并将N型和P型热电材料与粘结剂混合填充进孔内浇灌成热电腿，通过这种方法能够有效的获得器件的柔性，但是这样会损失热电器件的热电性能，导致输出功率较低；已授权专利CN107046092B提出一种镂空结构基底的柔性穿戴器件，通过将基板镂空设置能够使得整个器件具有一定的柔性，但是由于器件中所使用的热电材料十分脆弱，当热电器件在经受反复弯曲变形时会在电极与热电腿的界面处发生断裂。因此，本领域急需开发一种结构稳定、便于生产且具有优良性能的柔性热电器件。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种弯曲和拉伸能力强的柔性热电器件，该柔性热电器件能与不同弯曲条件的热源进行更好的贴合。

根据第一方面，一种实施例中提供一种柔性热电器件，包括：

至少两个按照设计图案排布的发电单元；

所述发电单元包括依次设置的第一电极组、热电腿组和第二电极组；

所述热电腿组具有至少两个间隔设置的热电腿对，每个热电腿对包括一对尺寸相同的一第一型热电腿和一第二型热电腿，其中，第一型热电腿为P型热电腿或N型热电腿，第二型热电腿为与第一型热电腿类型不同的N型热电腿或P型热电腿；

所述第一电极组包括与热电腿对一一对应的第一柔性电极，每个热电腿对的第一型热电腿和第二型热电腿的一端分别与对应的同一第一柔性电极电连接；

所述第二电极组包括与热电腿对内的第一型热电腿一一对应的第二柔性电极以及与第二型热电腿一一对应的第三柔性电极，所述第一型热电腿的另一端与对应的第二柔性电极电连接，第二型热电腿的另一端与对应的第三柔性电极电连接；

沿热电腿对的排列方向，上一热电腿对对应的第二柔性电极与下一热电腿对对应的第三柔性电极电连接；

相邻发电单元之间设有电连接件，使得至少两个发电单元依次串联；

沿发电单元的排布方向，该电连接件的一端与上一热电腿对对应的第二柔性电极相连，该电连接件的一端与下一热电腿对对应的第三柔性电极相连。

进一步的，所述电连接件为异型结构，该异型结构包含至少一个拉伸弯折部。

进一步的，所述拉伸弯折部的数目为至少两个，至少两个拉伸弯折部依次相连于两个发电单元之间，至少两个拉伸弯折部的凸起侧依次交替朝向电连接件的两侧。

进一步的，所述拉伸弯折部的数目为两个，两个拉伸弯折部对称且两端分别与两个发电单元相连。

进一步的，还包括柔性封装层，所述柔性封装层位于发电单元内，该柔性封装层内填充有柔性绝缘绝热介质，所述第一型热电腿和第二型热电腿分别包裹于柔性绝缘绝热介质内，且第一电极组内的空隙以及第二电极组内的空隙分别被所述柔性绝缘绝热介质所填充。

进一步的，还包括绝缘层，所述绝缘层分别附着于第一柔性电极、第二柔性电极、第三柔性电极以及电连接件的外表面上。

进一步的，采用聚二甲基硅氧烷作为柔性绝缘绝热介质。

上述柔性热电器件，设计了若干热电腿组成的发电单元，发电单元的上下两侧分别与柔性电极电连接，与传统器件相比去除了位于热电器件表面陶瓷基板，使得其成本更低，使用寿命更长，佩戴者佩戴该器件也更为舒适。并且，解除陶瓷基板约束的发电单元通过电连接件实现串联，为柔性热电器件的形变预留了足够的空间，使得整个柔性热电器件具备双面弯曲和拉伸的能力，从而可以应用于不同弯曲条件的热源。

附图说明

图1为本申请实施例的柔性热电器件的结构示意图；

图2为本申请实施例的发电单元的结构示意图；

图3为本申请实施例的第一柔性电极层的结构示意图；

图4为本申请实施例的第二柔性电极层的结构示意图；

图5为本申请实施例的一种异型电连接件的结构示意图；

图6为本申请实施例的另一种异型电连接件的结构示意图；

图7为本申请实施例的保护套的结构示意图；

图8为本申请实施例的柔性热电器件的制备流程图；

图9本申请实施例的柔性热电器件在20℃环境温度条件下，人体穿戴发电的电流-电压曲线以及输出功率曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

本申请中所述的第一型热电腿和第二型热电腿，可以分别是P型热电腿和N型热电腿，也可以分别是N型热电腿和P型热电腿。P型热电腿和N型热电腿可以采用Bi2Te3、MgSi2、Mg3Sb2、GeSi、PbTe或CoSb3制成；或者是采用half-hesuler或有机热电材料制成。

在本实用新型实施例中，设计了上下为柔性电极的发电单元，且发电单元通过电连接件依次串联，从而为柔性热电器件的形变预留了足够的空间。

请参考图1-4，本实施例提供的柔性热电器件，包括至少两个依照设计图案排布的发电单元100以及柔性封装层200和绝缘层300，至少两个发电单元100通过电连接件40依次串联，相邻发电单元100之间保持合理的距离，可以为整个柔性热电器件提供足够的形变空间。

所述发电单元100包括依次设置的第一电极组10、热电腿组和第二电极组20，所述热电腿组具有至少两个间隔设置的热电腿对，每个热电腿对包括一对尺寸相同的一个第一型热电腿31和一个第二型热电腿32，热电腿对的数目优选为2到4个，本实施例中，热电腿组具有两个热电腿对，也就具有两对第一型热电腿31和第二型热电腿32，两个热电腿对平行，使得发电单元100内的热电腿呈阵列分布。

如图3所示，所述第一电极组10包括与热电腿对一一对应的第一柔性电极11，每个热电腿对的第一型热电腿31和第二型热电腿32的一端分别与对应的同一第一柔性电极11焊接，例如，第一型热电腿31和第二型热电腿32的上表面与第一柔性电极11焊接，且第一柔性电极11的面积与对应的两个热电腿的上表面适配，这样的第一柔性电极11的面积最小，也可减小发电单元100所占空间，为柔性热电器件的形变提供更大的空间。

通过与第一柔性电极11的焊接，可以实现同一热电腿对内的第一型热电腿31和第二型热电腿32之间的电连接。本实施例中，每个发电单元100包含两个第一柔性电极11。

如图4所示，所述第二电极组20包括与热电腿对内的第一型热电腿31一一对应的第二柔性电极21以及与第二型热电腿32一一对应的第三柔性电极22，所述第一型热电腿31的另一端与对应的第二柔性电极21焊接，第二型热电腿32的另一端与对应的第三柔性电极22焊接，例如，第一型热电腿31的下表面与第二柔性电极21焊接，第二型热电腿32的下表面与第三柔性电极22焊接。本实施例中，每个发电单元100包括两个第二柔性电极21和两个第三柔性电极22。

沿热电腿对的排列方向，上一热电腿对对应的第二柔性电极21与下一热电腿对对应的第三柔性电极22电连接，这样，上一热电腿对内的第一型热电腿31与下一热电腿对内的第二型热电腿32电连接，从而实现发电单元100内热电腿对的依次串联。

上述第一电极组10和第二电极组20除了串联整个热电器件导电回路的作用外，还承担热电器件在拉伸压缩弯曲和剪切等外部作用力导致的变形。

沿发电单元100的排布方向，所述电连接件40的一端与上一热电腿对对应的第二柔性电极21相连，该电连接件40的另一端与下一热电腿对对应的第三柔性电极22相连，这样，相邻的发电单元100之间，上一热电腿对内的第一型热电腿31与下一热电腿对内的第二型热电腿32电连接，从而发电单元100的依次串联。为了增强电连接件40的抗弯曲能力，电连接件40的表面可以采用聚酰亚胺薄膜包覆。

采用发电单元100依次连接的目的是为了增强热电器件的柔性，同时保证热电器件不损失过多的功率，发电单元100内部的热电腿填充密度与传统热电器件相当。

柔性封装层200内填充有柔性绝缘绝热介质，使得第一型热电腿31和第二型热电腿32分别包裹于柔性绝缘绝热介质内，且第一电极组10内的空隙以及第二电极组20内的空隙分别被所述柔性绝缘绝热介质所填充。第一电极组10内的空隙，指的是相邻第一柔性电极11之间的空隙，第二电极组20内的空隙，指的是相邻第二柔性电极21之间、相邻第三柔性电极22之间以及相邻第二柔性电极21和第三柔性电极22之间的空隙。图2中为了更好的观察到第一型热电腿31和第二型热电腿32，略去了部分在热电腿表面的柔性绝缘绝热介质。

柔性绝缘绝热介质采用具有柔性、透气、热导率低、生物友好性强的有机材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)，PDMS不但具有良好的电绝缘性，还具有低的导热率，能够有效降热流损耗，有助于构建柔性热电器件热端和冷端的温差，提高器件的发电能力，而且PDMS还可以与热电单元同时形变，对其起到保护作用。

绝缘层300分别附着于第一柔性电极11、第二柔性电极21、第三柔性电极22以及电连接件40的外表面上，绝缘层300用于对电极进行绝缘处理，一般选用高热导率绝缘胶，避免穿戴时漏电的同时，降低器件与热源的界面热阻，优化器件的输出功率。

上述柔性热电器件，包括了多个串联的发电单元100，每个发电单元100中包括多个热电腿对，避免了器件柔性化带来功率的损失。发电单元100以及电连接件40之外的区域，都填充有柔性绝缘介质，使得整个柔性热电器件具备较强的双面弯曲和拉伸的能力。

当热电器件受到外力作用时，电连接件40最先发生形变，在一些实施例中，电连接件40为异型结构，该异型结构包含至少一个拉伸弯折部41。下面举例进行说明。

例如，如图4所示，该图中具有两种异型的电连接件40，其中一种电连接件40只有一个拉伸弯折部41，使得电连接件40近似于弧形结构，另一种电连接件40的拉伸弯折部41的数目为两个，两个拉伸弯折部41对称且两端分别与两侧的发电单元100相连。

又例如，如图5-6所示，所述拉伸弯折部41的数目为至少两个，至少两个拉伸弯折部41依次相连于两个发电单元100之间，至少两个拉伸弯折部41的凸起侧依次交替朝向电连接件40的两侧，使得电连接件40呈波浪形。

上述电连接件40，特别是具有两个以上拉伸弯折部41的电连接件40，可以在热电器件在受到外力作用时最先发生变形，从而不损害热电器件内部连接，满足热电器件基本柔性的要求。

在一些实施例中，如图7所示，发电单元100内还包括刚性的保护套50，保护套50位于第一电极组10和第二电极组20之间，保护套50上设有贯穿保护套50的通孔51，通孔51的数目与保护套50对应发电单元100包含的第一型热电腿31和第二型热电腿32的总数匹配，所述第一型热电腿31和第二型热电腿32分别嵌设于对应的通孔51内，热电腿与该通孔51可采用过盈配合，在存在装配误差的情况下，也可以通过填充密封胶进一步增强两者的结合强度。

上述保护套50可以对整个发电单元100内的热电腿加以保护，避免应力集中，可防止在外力作用下热电腿断裂失效。

上述种柔性热电器件的制备方法，如图8所示，可以包括步骤：

步骤S1，制备第一型热电腿31和第二型热电腿32步骤。

该步骤中可以采用线切割方法切割热电材料，得到预设尺寸与数量的第一型热电腿31和第二型热电腿32。为了提高热电材料的焊接性能，可在热电腿用于与电极焊接的结合面，通过电镀工艺电镀上一层阻挡隔离层，再将加工完成的热电腿通过超声清洗清洁干净。

该步骤得到的第一型热电腿31和第二型热电腿32用于组成至少两个热电腿组，该热电腿组具有至少两个间隔的热电腿对，每个热电腿对包括一对尺寸相同的第一型热电腿31和第二型热电腿32。

步骤S2，制备第一柔性电极层与第二柔性电极层步骤。

该步骤中，得到的第一柔性电极层如图4所示，包括用于与热电腿组一一对应的第一电极组10，所述第一电极组10包括用于与热电腿对一一对应的第一柔性电极11，每个第一柔性电极11分别用于与对应热电腿对内的第一型热电腿31和第二型热电腿32的一端电连接。

得到的第二柔性电极层如图5所示，包括电连接件40和热电腿组一一对应的第二电极组20，所述第二电极组20包括用于与热电腿组内的第一型热电腿31一一对应的第二柔性电极21，以及用于与第二型热电腿32一一对应的第三柔性电极22，所述第二柔性电极21用于与对应第一型热电腿31的另一端电连接，所述第三柔性电极22用于与对应第二型热电腿32的另一端电连接，沿热电腿对的预设排列方向，上一热电腿对对应的第二柔性电极21与下一热电腿对对应的第三柔性电极22电连接。

对应的所述第一电极组10、热电腿组和第二电极组20用于组成发电单元100，沿发电单元100的预设排列方向，所述电连接件40的一端与上一热电腿对对应的第二柔性电极21相连，该电连接件40的另一端与下一热电腿对对应的第三柔性电极22相连。

该步骤中，可采用两种方式制备第一柔性电极层和第二柔性电极层。

第一种，选用厚度0.1mm的纯铜，即铜箔作为电极材料。利用激光加工技术对铜箔进行切割，得到第一电极组10、第二电极组20和电连接件40。

第二种，采用电镀工艺在两块聚酰亚胺基板上分别制备出第一电极组10、第二电极组20和电连接件40。

步骤S3，组装柔性热电器件步骤。

该步骤中，将第一型热电腿31与第二型热电腿32的一端分别焊接于对应第一柔性电极11上，将第一型热电腿31的另一端焊接于对应第二柔性电极21上，将第二型热电腿32的另一端焊接于第三柔性电极22上，完成柔性热电器件的组装。

具体的，包括：(1)制备柔性热电器件的组装模具。利用铣床加工工艺在上模具铣出与第一柔性电极层的形状对应的图案，在下模具铣出与第二柔性电极层的形状对应的图案，使得模具的镂空区域与柔性电极层设有电极的区域对应。

(2)第一次焊接。保持第二柔性电极层与下模具的图案对应，将第二柔性电极层内的第二柔性电极21和第三柔性电极22分别固定排列在下模具的下表面上。选用熔点为200℃-270℃的高温焊料作为第一次焊接使用的焊料，如Sn/Ag3.0/Cu0.5焊料。用刮刀将焊料均匀的刮涂在下模具的模面，也就是其上表面上。随后将第一型热电腿31和第二型热电腿32按规律排列在焊料上，并在热电腿上方施加一定的压力，最后利用回流焊工艺，完成第一次焊接。

(3)第二次焊接。保持第一柔性电极层与上模具的图案对应，将第一柔性电极11固定排列在上模具的上表面上。选用熔点为140-150℃的低温焊料作为第二次焊接使用的焊料，如Sn58/Sb42焊料。用刮刀将焊料均匀的刮涂在上模具的模面，也就是其下表面上。将上模板第一次焊接好的第一型热电腿31和第二型热电腿32扣合，并在回流焊炉内完成第二次焊接，最后，拆除上下模具。至此，完成柔性热电器件的组装。

若第一柔性电极层和第二柔性电极层是通过电镀工艺在在聚酰亚胺基板上制备的，还需要切除聚酰亚胺基板上除第一电极组10、第二电极组20和电连接件40以外的区域。

步骤S4，封装柔性热电器件步骤。

该步骤中，选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性绝缘绝热介质进行封装。具体的，按照一定比例配置聚二甲基硅氧烷(PDMS)和硬化剂。二者混合物经搅拌均匀，并将气泡在真空炉中抽走后，将两者混合物浇注进组装好的柔性热电器件上，干燥后即完成了柔性热器件的封装，至此，获得了柔性热电器件。

图9为图1中的柔性热电器件在20℃环境温度条件下，人体穿戴发电的电流-电压曲线以及输出功率曲线。实验表明该柔性热电器件在可穿戴设备和物联网领域上具有极大的应用潜力。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.一种柔性热电器件，其特征在于，包括：

至少两个按照设计图案排布的发电单元；

所述发电单元包括依次设置的第一电极组、热电腿组和第二电极组；

所述热电腿组具有至少两个间隔设置的热电腿对，每个热电腿对包括一第一型热电腿和一第二型热电腿，其中，第一型热电腿为P型热电腿或N型热电腿，第二型热电腿为与第一型热电腿类型不同的N型热电腿或P型热电腿；

所述第一电极组包括与热电腿对一一对应的第一柔性电极，每个热电腿对的第一型热电腿和第二型热电腿的一端分别与对应的第一柔性电极电连接；

所述第二电极组包括与热电腿对内的第一型热电腿一一对应的第二柔性电极以及与第二型热电腿一一对应的第三柔性电极，所述第一型热电腿的另一端与对应的第二柔性电极电连接，第二型热电腿的另一端与对应的第三柔性电极电连接；

沿热电腿对的排列方向，上一热电腿对对应的第二柔性电极与下一热电腿对对应的第三柔性电极电连接；

相邻发电单元之间设有电连接件，使得至少两个发电单元依次串联；

沿发电单元的排布方向，该电连接件的一端与上一热电腿对对应的第二柔性电极相连，该电连接件的另一端与下一热电腿对对应的第三柔性电极相连。

2.如权利要求1所述的柔性热电器件，其特征在于，所述发电单元还包括保护套，该保护套为刚性结构且位于第一电极组和第二电极组之间；

所述保护套上设有贯穿保护套的通孔，通孔的数目与保护套对应发电单元包含的第一型热电腿和第二型热电腿的总数匹配，所述第一型热电腿和第二型热电腿分别嵌设于对应的通孔内。

3.如权利要求1所述的柔性热电器件，其特征在于，所述电连接件为异型结构，该异型结构包含至少一个拉伸弯折部。

4.如权利要求3所述的柔性热电器件，其特征在于，所述拉伸弯折部的数目为至少两个，至少两个拉伸弯折部依次相连于两个发电单元之间，至少两个拉伸弯折部的凸起侧依次交替朝向电连接件的两侧。

5.如权利要求3所述的柔性热电器件，其特征在于，所述拉伸弯折部的数目为两个，两个拉伸弯折部对称且两端分别与两个发电单元相连。

6.如权利要求1所述的柔性热电器件，其特征在于，还包括柔性封装层，所述柔性封装层位于发电单元内，该柔性封装层内填充有柔性绝缘绝热介质，所述第一型热电腿和第二型热电腿分别包裹于柔性绝缘绝热介质内，且第一电极组内的空隙以及第二电极组内的空隙分别被所述柔性绝缘绝热介质所填充。

7.如权利要求6所述的柔性热电器件，其特征在于，还包括绝缘层，所述绝缘层分别附着于第一柔性电极、第二柔性电极、第三柔性电极以及电连接件的外表面上。

8.如权利要求6所述的柔性热电器件，其特征在于，采用聚二甲基硅氧烷作为柔性绝缘绝热介质。

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