專利名稱：柔性微型熱電發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種熱電發(fā)生器，尤其是一種柔性微型熱電發(fā)生器，屬于熱電發(fā)生器的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于便攜式電子產(chǎn)品日益增長的微型化趨勢，推動了小型化電源的研究和發(fā)展。熱電發(fā)生器作為ー種自給自足的能源，它根據(jù)Seebeck效應(yīng)能將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能,在適合的溫度下能保持實際上的無限的有效壽命，這使其作為ー種能源領(lǐng)域的高新技術(shù)成為國際研究的熱點之一。熱電發(fā)生器一般由三部分組成熱源、熱沉和熱電堆。熱電堆是由一系列串聯(lián)的能 夠?qū)崮苻D(zhuǎn)換成電能的熱電對組成(圖示I. b)。熱電對由不同類型的N/P型熱電材料組成，當(dāng)其兩端，即熱源端和熱沉端，出現(xiàn)溫度梯度時，其兩端可產(chǎn)生電勢差，如圖示I. a中所示。熱電器件的主要工作原理是基于Seebeck效應(yīng)。Seebeck效應(yīng)是德國物理學(xué)家Seebeck發(fā)現(xiàn)的ー種熱電現(xiàn)象。當(dāng)在金屬導(dǎo)體或者半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上加上溫度差Λ T時，會伴隨產(chǎn)生電壓AU。并且開路電壓線性地正比于溫差
Δ 7GTt =—其中，as稱作Seebeck系數(shù)，也可稱為熱電功率。如果熱電偶的兩種構(gòu)成材料的Seebeck系數(shù)分別為a b，則熱電偶的Seebeck系數(shù)定義為a ab = a a+ab當(dāng)n對熱電偶串聯(lián)時，總的開路輸出電壓可表示為AUn:Δ Un=n · ( a ab · Δ T)根據(jù)Seebeck效應(yīng)而制作的熱電發(fā)生器,其效率可由熱電品質(zhì)因數(shù)Z來表征
「 ^ a■ σZ =———
K其中，σ是電導(dǎo)率，K是熱導(dǎo)率，品質(zhì)因數(shù)Z表示可用在熱電發(fā)生器中的熱電材料的熱和電屬性。L/A也是影響熱電器件產(chǎn)生電壓大小的關(guān)鍵參數(shù)，L和A分別是單個熱電導(dǎo)電體的長度和橫截面積，高的L/A比值對應(yīng)著高的熱電產(chǎn)生電壓。傳統(tǒng)的塊狀熱電材料制備的熱電器件，L/A 一般不超過20CHT1，但薄膜熱電材料制備的熱電單元可以達(dá)到lOOOcnT1甚至10000cm 1O對于熱電器件來說，高品質(zhì)因數(shù)Z的熱電材料是最佳選擇，但在一定的熱電器件中，人們更關(guān)心，在一定電壓下器件的輸出功率以及該器件的集成程度。對于很多高品質(zhì)因數(shù)的熱電材料來說，難于制備成薄膜，這也限制了它們在微型器件制備中的應(yīng)用。就薄膜熱電材料的制備而言，國內(nèi)外也有很多研究和報導(dǎo)。有報導(dǎo)稱制備的Bi-Te/Sb-Te超晶格熱電器件的品質(zhì)因數(shù)超過了 2. O，但這種材料需要以GaAs單晶做基底進(jìn)行生長，而且很難將幾百或者幾千對這樣的單元進(jìn)行集成并封裝。而現(xiàn)今比較有效的方式是采用濺射/蒸鍍沉積的方法，此方法可以適用于多種襯底，如陶瓷，硅片，柔性薄膜等。但此方法技術(shù)和成本都要求較高。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是 克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種柔性微型熱電發(fā)生器，其エ藝簡單方便，制造成本低，集成度高，發(fā)電效率高，安全可靠。按照本實用新型提供的技術(shù)方案，所述柔性微型熱電發(fā)生器，包括柔性襯底，所述柔性襯底上設(shè)置若干交替分布的N型熱電材料層及P型熱電材料層，所述N型熱電材料層通過導(dǎo)電連接層與P型熱電材料層串聯(lián)后電連接，以在柔性襯底上形成若干串接的熱電對。所述導(dǎo)電連接層包括導(dǎo)電連接體、N型熱電材料連接層或P型熱電材料連接層。所述柔性襯底上設(shè)有下絕緣絕熱層，所述串接的熱電對位于下絕緣絕熱層上，熱電對上覆蓋有上絕緣絕熱層。所述N型熱電材料層、P型熱電材料層及導(dǎo)電連接層均通過絲網(wǎng)印版印制于柔性襯底上。本實用新型的優(yōu)點通過柔性襯底，提高熱電發(fā)生器的集成度，N型熱電材料層、P型熱電材料層及導(dǎo)電連接層均采用絲網(wǎng)印刷工藝制備得到，エ藝步驟簡單，與現(xiàn)有エ藝技術(shù)相兼容，降低制造成本，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，提高發(fā)電效率，安全可靠。

圖I為熱電發(fā)生器的原理示意圖。圖2為熱電對中的連接示意圖。圖3為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3的C-C向剖視圖。圖5為單個熱電對的示意圖。圖6為本實用新型導(dǎo)電連接層采用N型熱電材料連接層的示意圖。圖7為本實用新型導(dǎo)電連接成采用P型熱電材料連接層的示意圖。圖8為本實用新型設(shè)置上絕緣絕緣材料層的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明100-第一熱電發(fā)生器、101-第二熱電發(fā)生器、102-第三熱電發(fā)生器、110-柔性襯底、120-下絕緣絕熱層、130-導(dǎo)電連接層、131 -N型熱電材料層、132-P型熱電材料層、133-N型熱電材料連接層、134-P型熱電材料連接層及140-上絕緣絕熱層。
具體實施方式
下面結(jié)合具體附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)ー步說明。如圖3、圖4和圖5所示本實用新型包括柔性襯底110，所述柔性襯底110上設(shè)置若干交替分布的N型熱電材料層131及P型熱電材料層132，所述N型熱電材料層131通過導(dǎo)電連接層130與P型熱電材料層132串聯(lián)后電連接，以在柔性襯底110上形成若干串接的熱電對；通過多個熱電對串接后能夠得到較多的電能，N型熱電材料層131與相鄰的P型熱電材料層132通過導(dǎo)電連接層130電連接后能夠形成ー個熱電對。一般地，N型熱電材料層131與P型熱電材料層132在柔性襯底110上平行分布。如圖5所示圖中的L是指熱電對中N型熱電材料層131、P型熱電材料層132的長度，A為N型熱電材料層131、P型熱電材料層132的截面，根據(jù)背景技術(shù)的描述可知，L/A是影響熱電發(fā)生器產(chǎn)生電壓大小的關(guān)鍵參數(shù)，本實用新型實施例中可以根據(jù)需要設(shè)置L/A的比值，一般地可使L/A達(dá)到1000甚至更高。N型熱電材料層131、P型熱電材料層132中采用的熱電材料包括具有熱電特性的單質(zhì)或單質(zhì)的化合物。為了增強(qiáng)熱電材料與柔性襯底110間的粘附性，本實用新型實施例中在柔性襯底110上印制下絕緣絕熱層120,熱電對印制于下絕緣絕熱層120上。同時,為 了保護(hù)熱電材料，降低外界干擾，本實用新型實施例中還包括上絕緣絕熱層140，所述上絕緣絕熱層140覆蓋于熱電對上，如圖8所示。在柔性襯底110上的下絕緣絕熱層120、上絕緣絕熱層140可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。所述導(dǎo)電連接層130可以采用導(dǎo)電連接體、N型熱電材料連接層133或P型熱電材料連接層134。所述導(dǎo)電連接層130為導(dǎo)電連接體時，所述導(dǎo)電連接體的材料包括Ag、鎳、銅或金；導(dǎo)電連接層130采用導(dǎo)電連接體時，形成本實用新型實施例中的第一熱電發(fā)生器100，如圖3所示。所述導(dǎo)電連接層130為N型熱電材料連接層133時，所述N型熱電材料連接層133與N型熱電材料層131為同一制造層，導(dǎo)電連接層130采用N型熱電材料連接層133時，形成本實用新型實施例中的第二熱電發(fā)生器101，如圖6所示。所述導(dǎo)電連接層130為P型熱電材料連接層134時，所述P型熱電材料連接層134與P型熱電材料層132為同一制造層，導(dǎo)電連接層130采用P型熱電材料連接層134時，形成本實用新型實施例中的第三熱電發(fā)生器102，如圖7所示。上述結(jié)構(gòu)的熱電發(fā)生器可以通過下述エ藝步驟制備得到，具體包括a、提供所需柔性襯底110 ;所述柔性襯底110的材料包括PI (Polyimide Film)薄膜，PI薄膜柔性度高，耐溫性好，耐溫溫度可達(dá)到-270° (T500° C ;同時，也可以采用本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知的其他柔性襯底材料,此處不再--列舉詳述；b、在上述柔性襯底110通過絲網(wǎng)印刷印制若干N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導(dǎo)電連接層130，所述N型熱電材料層131通過導(dǎo)電連接層130與P型熱電材料層132串聯(lián)后電連接；為了能夠提高粘附性，在柔性襯底110上印制下絕緣絕熱層120，所述N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導(dǎo)電連接層130均印制在下絕緣絕熱層120上。在柔性襯底110或下絕緣絕熱層120上印制N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導(dǎo)電連接層130時，可以根據(jù)按照所需的順序進(jìn)行，只要能達(dá)到相應(yīng)串聯(lián)后電連接的目的即可?？梢酝ㄟ^預(yù)先設(shè)置訂制好的絲網(wǎng)印刷，所述導(dǎo)電連接層130為導(dǎo)電連接體時，所述導(dǎo)電連接體的材料包括Ag、鎳、銅或金；導(dǎo)電連接層130采用導(dǎo)電連接體時，形成本實用新型實施例中的第一熱電發(fā)生器100，如圖3所示。所述導(dǎo)電連接層130為N型熱電材料連接層133時，所述N型熱電材料連接層133與N型熱電材料層131為同一制造層，導(dǎo)電連接層130采用N型熱電材料連接層133時，形成本實用新型實施例中的第二熱電發(fā)生器101，如圖6所示。所述導(dǎo)電連接層130為P型熱電材料連接層134時，所述P型熱電材料連接層134與P型熱電材料層132為同一制造層，導(dǎo)電連接層130采用P型熱電材料連接層134時，形成本實用新型實施例中的第三熱電發(fā)生器102，如圖7所示。N型熱電材料層131、P型熱電材料層132在印刷時需要熱電漿料，此處以Sb金屬單質(zhì)衆(zhòng)料的配置為例，其選用4wt. %こ基纖維素(ethyl-cellulose)與96wt. % α -松油醇(alpha-terpineol)混合調(diào)配成粘結(jié)劑,再將Sb粉末與粘結(jié)劑以80wt. %與20wt. %的重量百分濃度均勻混合調(diào)配成Sb漿料。熱電漿料可以通過外購獲得，根據(jù)需要制備相應(yīng)材料的熱電漿料，熱電漿料的獲得也為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，此處不再詳述。C、對上述N型熱電材料層131、P型熱電材料層132進(jìn)行熱退火。熱退火的條件要與熱電漿料和柔性襯底110的選擇相對應(yīng)，同樣以PI薄膜襯底和Sb漿料為例，熱退火在密閉的管式爐中，通入H27%與Ar 93%之混合氣，退火8小時并在氣體氛圍中冷卻；熱退火溫度與熱電漿料及柔性襯底110相匹配；通過熱退火エ藝能使得熱電漿料中的有機(jī)物蒸發(fā)掉，提高N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導(dǎo)電連接層130 間的電連接效果。還包括步驟d、在上述柔性襯底110上印制上絕緣絕熱層140,并對所述上絕緣絕熱層140進(jìn)行干燥；所述上絕緣絕熱層140覆蓋于所述N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導(dǎo)電連接層130上。如圖f圖8所示由于N型熱電材料層131、P型熱電材料層132在柔性襯底110上交替分布，當(dāng)通過導(dǎo)電連接層130串聯(lián)后電連接，N型熱電材料層131與相鄰的P型熱電材料層132間均能形成ー個熱電對；并能在柔性襯底110上形成若干串接的熱電對，以得到熱電堆。當(dāng)熱電對的兩端出現(xiàn)溫度梯度時，N型熱電材料層131與P型熱電材料層132的端部出現(xiàn)電勢差，從而熱電堆能夠輸出相應(yīng)的電能。本實用新型通過柔性襯底110，提高熱電發(fā)生器的集成度，N型熱電材料層131、P型熱電材料層132及導(dǎo)電連接層130均采用絲網(wǎng)印刷工藝制備得到，エ藝步驟簡單，與現(xiàn)有エ藝技術(shù)相兼容，降低制造成本，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，提高發(fā)電效率，安全可靠。
權(quán)利要求1.一種柔性微型熱電發(fā)生器，其特征是包括柔性襯底(110)，所述柔性襯底(110)上設(shè)置若干交替分布的N型熱電材料層(131)及P型熱電材料層(132 )，所述N型熱電材料層(131)通過導(dǎo)電連接層(130 )與P型熱電材料層(132 )串聯(lián)后電連接，以在柔性襯底(110)上形成若干串接的熱電對。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的柔性微型熱電發(fā)生器，其特征是所述導(dǎo)電連接層(130)包括導(dǎo)電連接體、N型熱電材料連接層(133)或P型熱電材料連接層(134)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的柔性微型熱電發(fā)生器，其特征是所述柔性襯底(110)上設(shè)有下絕緣絕熱層(120)，所述串接的熱電對位于下絕緣絕熱層(120)上，熱電對上覆蓋有上絕緣絕熱層(140)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的柔性微型熱電發(fā)生器，其特征是所述N型熱電材料層 (131)、P型熱電材料層(132)及導(dǎo)電連接層(130)均通過絲網(wǎng)印版印制于柔性襯底(110) 上。
專利摘要本實用新型涉及一種熱電發(fā)生器，尤其是一種柔性微型熱電發(fā)生器，屬于熱電發(fā)生器的技術(shù)領(lǐng)域。按照本實用新型提供的技術(shù)方案，所述柔性微型熱電發(fā)生器，包括柔性襯底，所述柔性襯底上設(shè)置若干交替分布的N型熱電材料層及P型熱電材料層，所述N型熱電材料層通過導(dǎo)電連接層與P型熱電材料層串聯(lián)后電連接，以在柔性襯底上形成若干串接的熱電對。本實用新型通過柔性襯底，提高熱電發(fā)生器的集成度，N型熱電材料層、P型熱電材料層及導(dǎo)電連接層均采用絲網(wǎng)印刷工藝制備得到，工藝步驟簡單，與現(xiàn)有工藝技術(shù)相兼容，降低制造成本，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，提高發(fā)電效率，安全可靠。
文檔編號H01L35/28GK202651208SQ20122028378
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者吳慶, 曹二林, 陳嵐 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心