專利名稱：一種柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，尤其是一種柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，屬于熱電轉(zhuǎn)換的技術(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(dòng)了小型化電源的研究和發(fā)展。熱電發(fā)生器作為一種自給自足的能源，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(shí)際上的無限的有效壽命，這使其作為一種能源領(lǐng)域的高新技術(shù)成為國際研究的熱點(diǎn)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2)。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(shí)，其兩端可產(chǎn)生電勢差，如圖示I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)的一種熱電現(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(shí)，會(huì)伴隨產(chǎn)生電壓AU。并且開路電壓線性地正比于溫差
「IAUciK —-
'Δ7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)η對熱電偶串聯(lián)時(shí)，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
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。傳統(tǒng)熱電發(fā)生器，多采用熱電材料的長方體狀顆粒，然后按熱電堆的形式，將Ν/Ρ不同的顆粒黏貼到陶瓷導(dǎo)熱板上，其采用的顆?？梢赃_(dá)到lmm2*2mm或者更小的截面，更高的縱橫比。但其應(yīng)用范圍，受到陶瓷等材料特性以及配套的升壓電路PCB板的限制，無法應(yīng)用到管道等需要有一定彎曲的地方。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其工藝簡單方便，制造成本低，發(fā)電效率高，安全可靠，擴(kuò)張了熱電發(fā)生器的適用范圍。按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，所述柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括柔性熱電發(fā)生器及用于將所述柔性熱電發(fā)生器輸出的電能轉(zhuǎn)換輸出的柔性轉(zhuǎn)換電路；所述柔性熱電發(fā)生器包括第一柔性襯底及位于第一柔性襯底下方的第二柔性襯底，所述第一柔性襯底與第二柔性襯底間設(shè)置若干交替分布的N型熱電材料顆粒體及P型熱電材料顆粒體，所述N型熱電材料顆粒體通過第一柔性襯底上的第一導(dǎo)電連接層及第二柔性襯底上的第二導(dǎo)電連接層與P型熱電材料顆粒體串聯(lián)后電連接，以在第一柔性襯底與第二柔性襯底間形成包括若干熱電對的熱電材料體，所述熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體封裝在第一柔性襯底及第二柔性襯底間；所述柔性轉(zhuǎn)換電路位于第二柔性襯底上，柔性轉(zhuǎn)換電路位于第一柔性襯底的外側(cè)，且柔性轉(zhuǎn)換電路與熱電材料體電連接。所述第二柔性襯底上設(shè)有與熱電材料體電連接的第一連接電極及第二連接電極，所述第一連接電極及第二連接電極位于第一柔性襯底及柔性絕緣絕熱灌封材料體的外側(cè)；柔性轉(zhuǎn)換電路通過第一連接電極及第二連接電極與熱電材料體電連接。所述柔性轉(zhuǎn)換電路包括柔性電路連接層，所述柔性電路連接層與第二導(dǎo)電連接層為同一制造層。所述第一柔性襯底上設(shè)有若干貫通所述第一柔性襯底的通孔，所述通孔位于N型熱電材料顆粒體和/或P型熱電材料顆粒體的正上方。所述第二柔性襯底上設(shè)有若干貫通所述第二柔性襯底的通孔，所述通孔位于N型熱電材料顆粒體和/或P型熱電材料顆粒體的正下方。所述通孔內(nèi)填充有絕緣導(dǎo)熱灌封材料體。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)N型熱電材料顆粒體、P型熱電材料顆粒體形成熱電材料體后通過柔性絕緣絕熱灌封材料體封裝在第一柔性襯底與第二柔性襯底間，同時(shí)，在第二柔性襯底上設(shè)置柔性轉(zhuǎn)換電路，得到柔性轉(zhuǎn)換電路與柔性熱電發(fā)生器一體化的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，從而使得得到的熱電發(fā)生器通過第一柔性襯底、第二柔性襯底及柔性絕緣絕熱灌封材料體可產(chǎn)生一定的彎曲而不損壞，增加了其應(yīng)用范圍，N型熱電材料、P型熱電材料采用傳統(tǒng)的長方體結(jié)構(gòu)顆粒，具有較高的熱電效率，工藝步驟簡單，降低制造成本，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，安全可
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圖1為現(xiàn)有熱電發(fā)生器的原理示意圖。圖2為形成熱電對后的連接示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3中柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)彎曲時(shí)的狀態(tài)示意圖。圖5為本實(shí)用新型第一柔性襯底上形成第一導(dǎo)電連接層后的示意圖。圖6為本實(shí)用新型第二柔性襯底上形成第二導(dǎo)電連接層后的示意圖。圖7為圖3中形成柔性熱電發(fā)生器的剖視圖。圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為圖8中柔性熱電發(fā)生器的剖視圖。圖10為本實(shí)用新型實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖11為圖10中柔性熱電發(fā)生器的剖視圖。附圖標(biāo)記說明1-熱電對、10-第一柔性熱電發(fā)生器、20-第二柔性熱電發(fā)生器、30-第三柔性熱電發(fā)生器、100-第一柔性襯底、101-第二柔性襯底、102-第一連接電極、103-第二連接電極、104-柔性絕緣絕熱灌封材料體、105-柔性電路導(dǎo)電連接層、201-第一導(dǎo)電連接層、202-第二導(dǎo)電連接層、301-N型熱電材料顆粒體、302-P型熱電材料顆粒體、401-通孔及501-絕緣導(dǎo)熱灌封材料體。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1如圖3和圖7所示為柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例中柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括第一柔性發(fā)電發(fā)生器10及用于將第一柔性熱電發(fā)生器10輸出的電能轉(zhuǎn)換輸出的柔性轉(zhuǎn)換電路，其中所述第一柔性熱電發(fā)生器10包括第一柔性襯底100及位于第一柔性襯底100下方的第二柔性襯底101，所述第一柔性襯底100與第二柔性襯底101間設(shè)置若干交替分布的N型熱電材料顆粒體301及P型熱電材料顆粒體302，所述N型熱電材料顆粒體 301通過第一柔性襯底100上的第一導(dǎo)電連接層201及第二柔性襯底101上的第二導(dǎo)電連接層202與P型熱電材料顆粒體302串聯(lián)后電連接，以在第一柔性襯底100與第二柔性襯底101間形成包括若干熱電對I的熱電材料體,所述熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體104封裝在第一柔性襯底100及第二柔性襯底101間。所述柔性轉(zhuǎn)換電路位于第二柔性襯底101上，柔性轉(zhuǎn)換電路位于第一柔性襯底100的外側(cè)，且柔性轉(zhuǎn)換電路與熱電材料體電連接。具體地，所述第二柔性襯底101上設(shè)有與熱電材料體電連接的第一連接電極102及第二連接電極103，所述第一連接電極102及第二連接電極103位于第一柔性襯底100及柔性絕緣絕熱灌封材料體104的外側(cè)；柔性轉(zhuǎn)換電路通過第一連接電極102及第二連接電極103與熱電材料體電連接。所述柔性轉(zhuǎn)換電路包括柔性電路連接層105，所述柔性電路連接層105與第二導(dǎo)電連接層202為同一制造層。上述第一柔性襯底100及第二柔性襯底101的材料包括PI (Polyimide Film)膜。熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體104封裝在第一柔性襯底100與第二柔性襯底101間后，所形成的第一柔性熱電發(fā)生器具有一定彎曲角度的柔性，能夠用于需要彎曲的環(huán)境中，如廢氣管道、排氣管道等場合中，如圖4所示。柔性絕緣絕熱灌封材料體104采用現(xiàn)有常規(guī)的柔性絕緣絕熱灌封材料，為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知；同時(shí)，N型熱電材料顆粒體301及P型熱電材料顆粒體302的制備過程也為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知。形成的熱電材料體中，第一導(dǎo)電連接層201與第二導(dǎo)電連接層202分別位于N型熱電材料顆粒體301及P型熱電材料顆粒體302的兩端，且第一導(dǎo)電連接層201與第二導(dǎo)電連接層202上的連接結(jié)構(gòu)交錯(cuò)分布。上述結(jié)構(gòu)的柔性熱電發(fā)生器可以通過下述工藝步驟制備，具體地包括a、提供所需的第一柔性襯底100及第二柔性襯底101 ；如上所述，第一柔性襯底100及第二柔性襯底101的材料選用PI膜，也可以選用其他的柔性材料；b、在第一柔性襯底100所需的表面上設(shè)置導(dǎo)電材料，選擇性地掩蔽和刻蝕所述導(dǎo)電材料，以在第一柔性襯底100上得到所需的第一導(dǎo)電連接層201 ；C、在第二柔性襯底101所需的表面上設(shè)置導(dǎo)電材料，選擇性地掩蔽和刻蝕所述導(dǎo)電材料，以在第二柔性襯底101上得到所需的第二導(dǎo)電連接層202及柔性電路導(dǎo)電連接層105 ；上述第一導(dǎo)電連接層201及第二導(dǎo)電連接層202的材料包括銅、鋁、銀等金屬材料，在第二柔性襯底101上形成第二導(dǎo)電連接層202的同時(shí)也形成了第一連接電極102及第二連接電極103，所述第一連接電極102及第二連接電極103與對應(yīng)的第二導(dǎo)電連接層201電連接，通過第一連接電極102及第二連接電極103能夠?qū)⒑罄m(xù)形成熱電材料體向外引出，即將熱電材料體輸出的電壓向外輸出。本實(shí)用新型實(shí)施例中，第二柔性襯底101的長度要大于第一柔性襯底100的長度,如圖5和圖6所不。為了能夠得到一體化的柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，本實(shí)用新型實(shí)施例中，將柔性電路也制備在第二柔性襯底101上，由于第二柔性襯底101的長度要大于第一柔性襯底100的長度，因此能夠方便將第一連接電極102及第二連接電極103與柔性電路導(dǎo)電連接層105制備在第二柔性襯底101上；柔性電路導(dǎo)電連接層105與第一連接電極102及第二連接電極103對應(yīng)電連接。通過在柔性電路導(dǎo)電連接層105上設(shè)置所需的電阻、電容、邏輯電路等所 需的電器元件，就能夠在第二柔性襯底101上形成所需的柔性電路；同時(shí)，形成的柔性電路能與第一連接電極102及第二連接電極103電連接。d、將所需的N型熱電材料顆粒體301及P型熱電材料顆粒體302對應(yīng)的兩端部分別焊接在第一柔性襯底100及第二柔性襯底101上，所述N型熱電材料顆粒體301通過第一柔性襯底100上的第一導(dǎo)電連接層201及第二柔性襯底101上的第二導(dǎo)電連接層202與P型熱電材料顆粒體302串聯(lián)后電連接，以在第一柔性襯底100與第二柔性襯底101間形成包括若干熱電對的熱電材料體；e、將上述第一柔性襯底100、第二柔性襯底101及焊接形成的熱電材料體進(jìn)行退火；所述退火溫度為140°C 160°C，一般地，進(jìn)行退火溫度為150°C。進(jìn)行退火后，使熱電材料體與第一柔性襯底100上的第一導(dǎo)電連接層201及第二柔性襯底101上的第二導(dǎo)電連接層202緊密連接。f、利用柔性灌封材料對上述退火后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行灌封，熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體104封裝在第一柔性襯底100與第二柔性襯底101間。利用柔性絕緣絕熱灌封材料體104封裝后，使得熱電材料體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定在第一柔性襯底100及第二柔性襯底101上。g、在上述柔性電路導(dǎo)電連接層105上焊接所需的電器元件，以形成所需的柔性電路。經(jīng)過步驟f的封裝后，能夠形成所需的第一柔性熱電發(fā)生器10 ;為了形成所需的柔性電路，只需要將相應(yīng)的電器元件焊接在柔性電路導(dǎo)電連接層105上相應(yīng)的位置即可。在制備柔性電路導(dǎo)電連接層105時(shí)，在第二柔性襯底101上設(shè)置了相應(yīng)電器元件的放置位置圖形；電器元件可以通過常規(guī)的錫焊等工藝焊接在柔性電路導(dǎo)電連接層105上，得到的柔性電路與第一柔性熱電發(fā)生器10為一體化，能夠同時(shí)進(jìn)行一定角度的彎曲，擴(kuò)展了柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的適用范圍。實(shí)施例2如圖8所示為本實(shí)施例柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖9為本實(shí)施例中柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包含的第二柔性熱電發(fā)生器20的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)與外界的良好熱傳導(dǎo)，第二柔性熱電發(fā)生器20的第一柔性襯底100上設(shè)有貫通所述第一柔性襯底100上的通孔401，所述通孔401位于N型熱電材料顆粒體301或P型熱電材料顆粒體302的正上方，同時(shí)，通孔401也可以同時(shí)位于N型熱電材料顆粒體301和P型熱電材料顆粒體302的正上方。進(jìn)一步，所述第二柔性襯底101上也可以設(shè)有貫通第二柔性襯底101的通孔401，通孔401位于N型熱電材料顆粒體301或P型熱電材料顆粒體302的正上方，同時(shí)，通孔401也可以同時(shí)位于N型熱電材料顆粒體301和P型熱電材料顆粒體302的正上方。本實(shí)施例中，第一柔性襯底100及第二柔性襯底101上均設(shè)置了通孔401。為了得到本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，在實(shí)施例1中的制備工藝基礎(chǔ)上，還包括步驟h，選擇性地掩蔽和刻蝕第一柔性襯底100和/或第二柔性襯底101，以在第一柔性襯底100和/或第二柔性襯底101形成所需的通孔401，通孔401的位置設(shè)置如上所述。本實(shí)施例中其余的工藝步驟及條件與實(shí)施例1相同，此處不再贅述。 實(shí)施例3如圖10所示為本實(shí)施例柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖11為本實(shí)用新型實(shí)施例中柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中包含的第三柔性熱電發(fā)生器30的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例中，第三柔性熱電發(fā)生器30中在第一柔性襯底100及第二柔性襯底101上同時(shí)設(shè)置通孔401，所述第一柔性襯底100上的通孔401位于N型熱電材料顆粒體301和/或P型熱電材料顆粒體302的正上方；第二柔性襯底101上的通孔401位于N型熱電材料顆粒體301和/或P型熱電材料顆粒體302的正下方。然后在通孔401內(nèi)填充有柔性絕緣導(dǎo)熱灌封材料體501，通過柔性絕緣導(dǎo)熱灌封材料體501既達(dá)到了良好的導(dǎo)熱目的，同時(shí)也對內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到了保護(hù)作用。為了得到本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，在實(shí)施例2的制備工藝基礎(chǔ)上，通過在通孔401內(nèi)灌封絕緣導(dǎo)熱的灌封材料，以形成柔性絕緣導(dǎo)熱灌封材料體501。如圖3 圖11所示使用時(shí)，根據(jù)柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的使用場合，將第一柔性襯底100及第二柔性從很低101進(jìn)行所需角度的彎曲，以便將柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與連接結(jié)構(gòu)貼合，提高整個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的安裝及檢測精度，避免了現(xiàn)有柔性熱電發(fā)生器安裝后還需要通過非柔性電路部分與第一連接電極102及第二連接電極103的連接操作，安裝方便。工作時(shí)，柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)內(nèi)的柔性熱電發(fā)生器吸收熱量并轉(zhuǎn)換為電能，所述轉(zhuǎn)換的電能通過柔性電路再次處理轉(zhuǎn)換后輸出。本實(shí)用新型N型熱電材料顆粒體301、P型熱電材料顆粒體302形成熱電材料體后通過柔性絕緣絕熱灌封材料體104封裝在第一柔性襯底100與第二柔性襯底101間，同時(shí)，在第二柔性襯底101上設(shè)置柔性轉(zhuǎn)換電路，得到柔性轉(zhuǎn)換電路與柔性熱電發(fā)生器一體化的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，從而使得得到的熱電發(fā)生器通過第一柔性襯底100、第二柔性襯底101及柔性絕緣絕熱灌封材料體104可產(chǎn)生一定的彎曲而不損壞，增加了其應(yīng)用范圍，N型熱電材料、P型熱電材料采用傳統(tǒng)的長方體結(jié)構(gòu)顆粒，具有較高的熱電效率，工藝步驟簡單，降低制造成本，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，安全可靠。
權(quán)利要求1.一種柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征是包括柔性熱電發(fā)生器及用于將所述柔性熱電發(fā)生器輸出的電能轉(zhuǎn)換輸出的柔性轉(zhuǎn)換電路；所述柔性熱電發(fā)生器包括第一柔性襯底(100) 及位于第一柔性襯底(100)下方的第二柔性襯底(101)，所述第一柔性襯底(100)與第二柔性襯底(101)間設(shè)置若干交替分布的N型熱電材料顆粒體(301)及P型熱電材料顆粒體 (302),所述N型熱電材料顆粒體(301)通過第一柔性襯底(100)上的第一導(dǎo)電連接層(201) 及第二柔性襯底(101)上的第二導(dǎo)電連接層(202)與P型熱電材料顆粒體(302)串聯(lián)后電連接，以在第一柔性襯底(100)與第二柔性襯底(101)間形成包括若干熱電對的熱電材料體，所述熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體(104)封裝在第一柔性襯底(100)及第二柔性襯底(101)間；所述柔性轉(zhuǎn)換電路位于第二柔性襯底(101)上，柔性轉(zhuǎn)換電路位于第一柔性襯底(100 )的外側(cè)，且柔性轉(zhuǎn)換電路與熱電材料體電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征是所述第二柔性襯底(101)上設(shè)有與熱電材料體電連接的第一連接電極(102)及第二連接電極(103)，所述第一連接電極 (102)及第二連接電極(103)位于第一柔性襯底(100)及柔性絕緣絕熱灌封材料體(104)的外側(cè)；柔性轉(zhuǎn)換電路通過第一連接電極(102 )及第二連接電極(103 )與熱電材料體電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征是所述柔性轉(zhuǎn)換電路包括柔性電路連接層(105)，所述柔性電路連接層(105)與第二導(dǎo)電連接層(202)為同一制造層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征是所述第一柔性襯底(100)上設(shè)有若干貫通所述第一柔性襯底(100 )的通孔(401)，所述通孔(401)位于N型熱電材料顆粒體(301)和/或P型熱電材料顆粒體(302)的正上方。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征是所述第二柔性襯底(101)上設(shè)有若干貫通所述第二柔性襯底(101)的通孔(401)，所述通孔(401)位于N型熱電材料顆粒體(301)和/或P型熱電材料顆粒體(302)的正下方。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征是所述通孔(401)內(nèi)填充有絕緣導(dǎo)熱灌封材料體(501)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種柔性熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其包括柔性熱電發(fā)生器及柔性轉(zhuǎn)換電路；柔性熱電發(fā)生器包括第一柔性襯底及第二柔性襯底，第一柔性襯底與第二柔性襯底間設(shè)置若干交替分布的N型熱電材料顆粒體及P型熱電材料顆粒體，N型熱電材料顆粒體通過第一柔性襯底上的第一導(dǎo)電連接層及第二柔性襯底上的第二導(dǎo)電連接層與P型熱電材料顆粒體串聯(lián)后電連接，以在第一柔性襯底與第二柔性襯底間形成熱電材料體，所述熱電材料體通過柔性絕緣絕熱灌封材料體封裝在第一柔性襯底及第二柔性襯底間；且柔性轉(zhuǎn)換電路與熱電材料體電連接。本實(shí)用新型工藝簡單方便，制造成本低，發(fā)電效率高，安全可靠，擴(kuò)張了熱電發(fā)生器的適用范圍。
文檔編號(hào)H01L35/02GK202855804SQ20122053246
公開日2013年4月3日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者吳慶, 曹二林, 王潤蘭, 陳嵐 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心