專利名稱：熱電轉換裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種熱電轉換裝置，且特別是有關于一種 可提供電能的熱電轉換裝置。
背景技術：
近年來，由于高科技電子產品不斷開發(fā)與持續(xù)朝向輕、薄、 短、小等方向發(fā)展，以致于對于電池的要求不斷提高，又現(xiàn)今 環(huán)保意識抬頭，亦須顧及電池使用后所帶來的環(huán)境污染問題， 致使傳統(tǒng)有鎘污染問題的鎳鎘電池逐漸被鎳氫電池所取代，但 鎳氫電池受限于體積、能量密度較低等問題，己無法滿足現(xiàn)今 高科技電子產品需求，而鋰離子電池因為具有高能量密度、高 工作電壓、低污染特性及充放電循環(huán)穩(wěn)定性佳等優(yōu)點，己成為 現(xiàn)今電池發(fā)展的主流。然而，即使以現(xiàn)今的鋰電池來看，仍有下列的缺點是不可 能克服的1、電池有一定的蓄電量，故使用時間會受蓄電量 的限制；2、電池需充電時，必須尋找一個具有電源的場所， 再直接連接至一充電器執(zhí)行充電，因此會受到條件限制；3、 電池或多或少會對環(huán)境造成污染。壓電材料是 一 個發(fā)展中的新興領域。對壓電材料而言有 兩種效應正壓電效應與逆壓電效應。某些材料在機械力作 用下產生變形之后，會引起材料表面帶電，而其表面電荷密 度與應力成正比，這稱為正壓電效應。反之，在某些材料上 施加電場，會使材料產生機械變形，而且其應變與電場強度 亦成正比，這稱為逆壓電效應。如果施加的是交變電場，壓 電材料將隨著交變電場的頻率作伸縮振動。施加的電場強度 越強，提動.的幅度越大。正壓電效應和逆壓電效應統(tǒng)稱為壓 電效應。運用壓電材料來替代電池的概念已有人提出，例如運用 高電荷壓電陶瓷和光纖合成制造技術的結合而得到 一 高電荷 壓電陶瓷光纖的自供電系統(tǒng)。壓電光纖的目的在于收集無用 的機械能來轉換成電能輸出，若系統(tǒng)中并無可用的機械能， 例如振動，此自供電系統(tǒng)將無法提供電能。實用新型內容因此本實用新型的目的是提供一種熱電轉換裝置，此裝 置利用了熱膨脹材料隨溫度變化而發(fā)生形變的特性，將熱能 通過壓電材料轉變?yōu)殡娔?。為達到上述目的，本實用新型的技術解決方案是 一種熱電轉換裝置，將熱膨脹材料與壓電材料結合，利 用熱膨脹材料熱脹冷縮的特性，使壓電材料能產生電能。更 進一步而言，本實用新型所提供的熱電轉換裝置，熱膨脹材 料在熱脹時可壓迫壓電材料而輸出電能，熱膨脹材料在冷縮時亦可壓迫壓電材料而輸出電能，而使壓電材料能源源不絕的輸出電能。本實用新型一較佳實施例所提供的執(zhí) "、、電轉換裝置是包括第一材料層、第二材料層、第三材料層、第 一 壓電層及第二壓電層，第一材料層為柱狀置于中心，第一壓電層圍繞并緊貼第一材料層的側壁設置；第二材料層圍繞并緊貼第一壓電層的側壁設置；第二壓電層圍繞并緊貼第二材料層的側壁設置；及第三材料層圍繞并緊貼第二壓電層的側壁設置，其中， 第二材料層對溫度的變化較第一材料層及第三材料層為敏感。換言之，形成第二材料層的材料的熱膨脹系數(shù)大于形成第一材料層及第三材料層的執(zhí) "、 膨脹系數(shù)。也就是在受熱時，第二材料層膨脹的形變大于第一材料層及第二材料層的膨脹形變;在遇冷時，第二材料層收縮的形變大于第材料層及筮二材料層的收縮形變。據此，當熱能施加于本實用新型所提供的執(zhí) "、、電轉換裝置時，因為第二材料層的膨脹形變大于第三材料層的膨脹形變， 因此，位于第二材料層與第三材料層間的第二壓電層在受到 機械力的擠壓作用下產生變形之后，會使得第二壓電層表面帶有電荷；當熱能自本實用新型所提供的熱電轉換裝置移除 時，因為第二材料層的收縮形變大于第一材料層的收縮形變， 因此，位于第二材料層與第 一 材料層間的第 一 壓電層在受到 機械力的擠壓作用下產生變形之后，會使得第一壓電層表面 帶有電荷。因此，不論熱電轉換裝置所處環(huán)境的溫度上升或下降，均能在第二壓電層或第一壓電層的表面形成電荷的累 積，將累積的電荷導出將能作為提供電能之用。第一壓電層 及第二壓電層所使用的壓電材料可以為相同的材料或不同的 材料。
一般而言，在本實用新型中所使用的壓電材料層的厚度為10微米至40微米。另外，由于本實用新型所提供的熱電轉換裝置可視為一 個電池，因此亦可將多數(shù)個熱電轉換裝置做串、并聯(lián)的連接， 以提供更多的電能的輸出。本實用新型的有益效果是，本實用新型熱電轉換裝置， 利用了熱膨脹材料隨溫度變化而發(fā)生形變的特性，將熱能自 壓電材料轉移之后而轉變?yōu)殡娔?。解決了已有電池使用上的 限制，并進一步擺脫公知必須運用系統(tǒng)中的振動來使壓電材 料產生電能的刻板印象。


圖1是繪示依照本實用新型一較佳實施例的一種熱電轉 換裝置的剖面示意圖；圖2A及圖2B是繪示本實施例于溫度變化時的作動示意圖；圖3是繪示運用本實用新型所提供的熱電轉換裝置以形 成一電池(組)的示意圖。主要組件符號說明100:熱電轉換裝置 102、 104、 106:材料層108、 110;壓電層112 、 114 、 118 、 120 :箭頭102c 、 102d 、 104a 、 104b 、 106a 、 106b 、 110a 、 110b :外緣104c 、 104d :內緣200 :電池(組) 202 :絕緣層具體實施方式
為了能使本實用新型的特征更為清楚，以下將揭露本實 用新型各種實施例，例如各種特征的實施方式，而所描述的 特定組件與安排僅為簡化本實用新型說明，然其并非用以限 定本實用新型。另外，本實用新型會于各種實施例中重復使 用參考標號與文字，重復的目的在于簡化與清楚說明，并非用以指定各種實施例及/或所述架構之間的關系。請參照圖1，圖1是繪示依照本實用新型一較佳實施例 的一種熱電轉換裝置的剖面示意圖。 一熱電轉換裝置100包 括第一材料層102、第二材料層104、第三材料層106、第一 壓電層108及第二壓電層110。第一材料層102為柱狀置于 中心，第一壓電層108圍繞并緊貼第一材料層102的側壁設 置；第二材料層104圍繞并緊貼第一壓電層108的側壁設置； 第二壓電層110圍繞并緊貼第二材料層104的側壁設置；及 第三材料層106圍繞并緊貼第二壓電層110的側壁設置，其 中，第二材料層104對溫度的變化較第一材料層102及第三 材料層106為敏感。換言之，形成第二材料層104的材料的熱膨脹系數(shù)大于 形成第一材料層102及第三材料層106的熱膨脹系數(shù)。也就 是在受熱時，第二材料層104膨脹的形變大于第一材料層104 及第三材料層106的膨脹形變；在遇冷時，第二材料層104 收縮的形變大于第一材料層102及第三材料層106的收縮形 變。在本實施例中，第一材料層102是為一實心的圓柱體， 其它材料層及壓電層是以與第一材料層102成同心圓的結構 模式緊密設置。但是，除材料層與壓電層間需緊密設置之外， 形狀非為必要的考慮，至于第一材料層102是否成實心柱體 亦非為必要。只是，熱電轉換裝置100可為不同形狀的柱體， 而第一材料層102亦可為空心柱體結構。在本實施例中，因 第二材料層104的材料的熱膨脹系數(shù)需最大， 一般而言金屬 是理想的選擇，若需要更高的熱膨脹系數(shù)時，汞金屬可以符 合需求。汞金屬可以灌注并封閉于具彈性的絕緣層所形成的 空間中，作為第二材料層104所使用的材料。另外，第一壓 電層108及第二壓電層UO的厚度為10微米至40微米，較 佳為20微米至30微米。請參見圖2A及圖2B，圖2A及圖2B是繪示本實施例于 溫度變化時的作動示意圖。請參見圖2A，在圖2A的虛線是 表示原來各材料層及壓電層的位置。當熱能施加于熱電轉換 裝置100時，因為第一材料層102的膨脹形變較第二材料層 104的膨脹形變小，因此并不會對第一壓電層108產生影響。請再參見圖2A，在受熱之后，第二材料層104形變前的 外緣104a沿箭頭112的方向膨脹至形變后的外緣104b;第 三材料層IIO亦會向外膨脹，第三材料層106形變前的外緣106a沿箭頭114的方向膨脹至形變后的外緣106b。因為第二 材料層104的膨脹形變大于第三材料層106的膨脹形變，因 此，位于第二材料層104與第三材料層106間的第二壓電層 110在受到機械力的擠壓作用下亦產生形變，由圖2A中可以 看出，雖然第二壓電層110的外緣110a沿箭頭116的方向位 移到外緣110b的位置，但是第二壓電層110的厚度明顯在受 到第二材料層104與第三材料層106的擠壓后產生形變，這 會使得第二壓電層IIO表面帶有電荷。請參見圖2B，在圖2B的虛線是表示原來各材料層及壓 電層的位置。當熱能自熱電轉換裝置100移除時，因為第三 材料層106的膨脹形變較第二材料層104的膨脹形變小，因 此并不會對第二壓電層IIO產生影響。請再參見圖2B，在溫度下降的后，第二材料層104形變 前的內緣104c沿箭頭118的方向收縮至形變后的內緣104d; 第一材料層102亦會向內收縮，第一材料層102形變前的外 緣102c沿箭頭120的方向收縮至形變后的外緣102d。因為 第二材料層104的收縮形變大于第一材料層102的收縮形變， 因此，位于第二材料層104與第一材料層102間的第一 壓電 層108在受到機械力的擠壓作用下亦產生形變，由圖2B中 可以看出，雖然第一壓電層108雖然也向第一材料層102的 方向收縮，但是第一壓電層108的厚度明顯在受到第二材料 層104與第一材料層102的擠壓后產生形變，這會使得第一 壓電層108表面帶有電荷。因此，不論熱電轉換裝置所處環(huán) 境的溫度上升或下降，均能在第二壓電層110或第一壓電層 108的表面形成電荷的累積，將累積的電荷導出將能作為持第一壓電層及第二壓電層所使用的壓電材料以為相同的 材料或不同的材料。在本實用新型中可使用的壓電材料包括 壓電晶體管(單晶)、壓電陶瓷(多晶半導瓷)、壓電半導體 和高分子壓電材料等等。其中，壓電晶體管除天然和人工石英晶體外，尚可包括電氣石、羅德鹽、鈮酸鋰(LiNb03)、鉭 酸鋰(LiTa03)、鍺酸鋰(LiGe03)、鎵酸鋰(LiGa03)、鍺 酸鉍(Bi12Ge02Q)等材料；壓電陶瓷則是指以陶瓷類作為壓 電材料，如鈦酸鋇(BaTi03)、鈦酸鉛鋯(PZT)、鈮酸鹽系 壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)等等；壓電半導體則 包括硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化 鎘(CdS)、碲化鋅(ZnTe和砷化鎵(GaAs)等等；高分子 壓電材料則包括聚二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚 氯乙烯(PVC)等等。請參見圖3，圖3是繪示運用本實用新型所提供的熱電 轉換裝置以形成一電池(組)的示意圖。多數(shù)個熱電轉換裝 置100兩兩之間通過一絕緣層202隔離，并將之串聯(lián)或并聯(lián) 以組成一電池(組)200而能提供更多的電能輸出。根據本實用新型所提供的熱電轉換裝置及電池組，可以 通過溫度的變化，無論是溫度上升或是下降而源源不絕的提 供電能。由于一般環(huán)境中隨時隨地存在溫度的變化，雖然有 時候溫度變化很緩慢而細微(有時也有非常的劇烈)，即使是 在同一間屋子內，溫度變化也是持續(xù)存在的，因此溫度的升 高和降低交替并且持續(xù)的發(fā)生。而一般在電力裝置的系統(tǒng)中 亦不斷存在有溫度的變化。所以本實用新型所提供的熱電轉換裝置及電池組將可源源不絕的產生電能，而能解決已有電 池使用上的限制，并進 一 步擺脫公知必須運用系統(tǒng)中的振動 來使壓電材料產生電能的刻板印象。雖然本實用新型己以一較佳實施例揭露如上，然其并非 用以限定本實用新型，任何熟習此技藝者，在不脫離本實用 新型的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本實 用新型的保護范圍當以權利要求的保護范圍所界定者為準。
權利要求1. 一種熱電轉換裝置，其特征在于，該裝置至少包含一第一材料層，該第一材料層為柱狀；一第一壓電層圍繞并緊貼該第一材料層的側壁設置；一第二材料層圍繞并緊貼該第一壓電層的側壁設置；一第二壓電層圍繞并緊貼該第二材料層的側壁設置；以及一第三材料層圍繞并緊貼該第二壓電層的側壁設置，其中，形成該第二材料層的材料的熱膨脹系數(shù)大于形成該第一材料層及該第三材料層的熱膨脹系數(shù)。
2. 如權利要求1所述的熱電轉換裝置，其特征在于， 其中該第一壓電層的材料為單晶壓電晶體管、多晶半導瓷的 壓電陶瓷、壓電半導體或高分子壓電材料。
3. 如權利要求1所述的熱電轉換裝置，其特征在于， 其中該第二壓電層的材料為單晶壓電晶體管、多晶半導瓷的 壓電陶瓷、壓電半導體或高分子壓電材料。
4. 如權利要求2或3所述的熱電轉換裝置，其特征在 于，其中該單晶壓電晶體管是選自于由天然石英晶體、人工石英晶體、電氣石、羅德鹽、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鍺酸鋰、 鎵酸鋰、鍺酸鉍所組成的族群。
5. 如權利要求2或3所述的熱電轉換裝置，其特征在 于，其中該多晶半導瓷的壓電陶瓷是選自于由鈦酸鋇、鈦酸 鉛鋯、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷所組成的族群。
6. 如權利要求2或3所述的熱電轉換裝置，其特征在 于，其中該壓電半導體是選自于由硫化鋅、碲化鎘、氧化鋅、 硫化鎘、碲化鋅和砷化鎵所組成的族群。
7. 如權利要求2或3所述的熱電轉換裝置，其特征在 于，其中該高分子壓電材料是選自于由聚二氟乙烯、聚氟乙 烯、聚氯乙烯所組成的族群。
8. 如權利要求1所述的熱電轉換裝置，其特征在于， 其中該柱狀為圓柱體。
9. 如權利要求8所述的熱電轉換裝置，其特征在于， 其中該第一壓電層、該第二材料層、該第二壓電層及該第三 材料層與該圓柱體成同心圓排列。
10. 如權利要求1所述的熱電轉換裝置，其特征在于， 其中形成該第 一 材料層的材料與形成該第三材料層的材料相 同。
專利摘要本實用新型一種熱電轉換裝置，至少包含第一材料層，該第一材料層為柱狀；第一壓電層圍繞并緊貼第一材料層的側壁設置；第二材料層圍繞并緊貼第一壓電層的側壁設置；第二壓電層圍繞并緊貼第二材料層的側壁設置；第三材料層圍繞并緊貼第二壓電層的側壁設置，其中，形成第二材料層的材料的熱膨脹系數(shù)大于形成第一材料層及第三材料層的熱膨脹系數(shù)。串聯(lián)或并聯(lián)多數(shù)個熱電轉換裝置以形成電池組。
文檔編號H01L37/00GK201112419SQ200720070719
公開日2008年9月10日 申請日期2007年6月4日 優(yōu)先權日2007年6月4日
發(fā)明者朱軼凱 申請人:英華達(上海)科技有限公司