專利名稱：一種柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
體內(nèi)植入式醫(yī)療裝置應(yīng)用越來越廣泛，例如心臟起搏器、除顫器、人工括約肌、植入式藥物泵等，能夠代替或提高器官的功能或者治療某種疾病。為植入式醫(yī)療裝置提供持久穩(wěn)定的供能是當(dāng)今世界一個(gè)研究熱點(diǎn)和難題。現(xiàn)有供能方式主要依靠鋰電池供電，其有效工作時(shí)間為通常不超過五年，更換電池需要外科手術(shù)，給患者帶來身體上的痛苦。而可充電的二次鋰電池需要外界電磁耦合、紅外線輻射等充電，給患者帶來很多不便。此外還有一些新型的供能方式，例如核電池、生物燃料電池、外界電磁耦合供能、溫差發(fā)電等。核電池工作壽命可以超過十年，但一般體積較大，而且對(duì)人體具有毒性和輻射危險(xiǎn)；生物燃料電池利用酶或者微生物作為催化劑，將葡萄糖等生物燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，但是供電壽命一般只有幾天；通過體外電磁感應(yīng)的方式供電在體外需要攜帶額外的裝置，將會(huì)增加患者行動(dòng)的負(fù)擔(dān)。溫差發(fā)電利用熱電半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)，可將熱能轉(zhuǎn)化為電能。由于溫差發(fā)電器件具有無移動(dòng)部件、無噪音、無污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于正常人體的體溫恒定且體內(nèi)與體表間具有較小的溫差，而溫差發(fā)電對(duì)溫差的下限沒有要求，因此，可以直接利用人體存在的溫差進(jìn)行發(fā)電?，F(xiàn)有的微型柔性溫差發(fā)電構(gòu)件通常是在塊體的微型熱電材料間采用柔性連接，這類溫差發(fā)電構(gòu)件的總體體積小型化程度和柔性都比較有限，不適合植入人體作為供能電源，因?yàn)槿梭w內(nèi)環(huán)境存在許多曲面而且人體活動(dòng)具有靈活性，就需要體內(nèi)植入式溫差發(fā)電構(gòu)件具有更小的尺寸和更好的柔性；還有一些研究者將熱電半導(dǎo)體材料漿液通過MEMS方法加工在柔性基底結(jié)構(gòu)上，由于室溫下碲化鉍材料的熱電優(yōu)值較高，因此，采用碲化鉍及其合金可以提高溫差發(fā)電裝置的發(fā)電`功率。但是，碲化鉍(BiTe)材料力學(xué)性能較差，該材料的結(jié)構(gòu)為-Te-B1-Te-Te-B1-Te-層狀結(jié)構(gòu)，在T1-Ti之間為范德瓦爾斯鍵，材料較脆，碲化鉍材料在受到壓力時(shí)Te-Te層易產(chǎn)生滑移，會(huì)導(dǎo)致斷裂變形，這樣直接加工在柔性基底上的碲化鉍及其合金材料容易斷裂，使溫差發(fā)電單元失效。因此，開發(fā)一種能夠減小沖擊，柔性較好的溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供能夠適應(yīng)曲面、工藝簡(jiǎn)單、熱電轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、可加工成多種溫差發(fā)電器的一種柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的基本原理是:根據(jù)塞貝克效應(yīng)，P型及N型薄膜熱電臂的溫度差會(huì)在兩端產(chǎn)生電壓差，由于單個(gè)熱電偶產(chǎn)生的電壓很低，因此，可采用“熱路并聯(lián)，電路串聯(lián)”的方式，將P型和N型薄膜熱電臂組成的熱電偶設(shè)計(jì)并布置形成單排或多排陣列型的熱電模塊從而提高輸出電壓值。[0009]室溫下碲化鉍材料的熱電優(yōu)值較高，采用碲化鉍及其合金可以提高溫差發(fā)電裝置的發(fā)電功率。但是，由于碲化鉍(BiTe)材料力學(xué)性能較差，該材料的結(jié)構(gòu)為-Te-B1-Te-Te-B1-Te-層狀結(jié)構(gòu)，在T1-Ti之間為范德瓦爾斯鍵，容易斷裂，所以碲化鉍材料在受到壓力時(shí)Te-Te層易產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致斷裂變形。使得直接加工在柔性基底上的碲化鉍材料容易斷裂引起溫差發(fā)電單元失效。所以，若在聚酰亞胺基底上附加一層絕緣硬質(zhì)薄膜，可以提高剛度、保持熱電材料的原有形狀結(jié)構(gòu)，從而避免熱電材料斷裂引起溫差發(fā)電單元失效。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:本實(shí)用新型在聚酰亞胺基底上表面沉積一層等間距分布的多個(gè)絕緣硬質(zhì)薄膜，在每個(gè)絕緣硬質(zhì)薄膜上面的兩側(cè)分別有相互平行且長(zhǎng)度與厚度相等的一條P型薄膜熱電臂和一條N型薄膜熱電臂，每對(duì)P型薄膜熱電臂和N型薄膜熱電臂的一端用導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線，P型薄膜熱電臂的另一端與相鄰上一條的N型薄膜熱電臂的另一端用導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線連接，N型薄膜熱電臂的另一端與相鄰下一條的P型薄膜熱電臂的另一端用導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線連接，以相同連接方式依次構(gòu)成柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)。所述的絕緣硬質(zhì)薄膜的材料為氮化硅或類金剛石。所述的薄膜熱電臂的材料為摻雜的碲化鉍。本實(shí)用新型具有的有益效果是:采用聚酰亞胺基底和導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線使溫差發(fā)電單元結(jié)構(gòu)具有柔性，可在多個(gè)方向變形，當(dāng)溫差發(fā)電單元發(fā)生結(jié)構(gòu)變形時(shí)，絕緣硬質(zhì)薄膜可避免延展性差的碲化鉍熱電材料發(fā)生斷裂，避免溫差發(fā)電單元的失效 。該發(fā)明主要針對(duì)體內(nèi)植入式醫(yī)療微裝置的供能，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的左視圖。圖3是本實(shí)用新型卷曲封裝的柔性溫差發(fā)電裝置示意圖。圖4是本實(shí)用新型并聯(lián)后平面柔性溫差發(fā)電薄膜示意圖。圖5是圖4折疊后的柔性溫差發(fā)電薄膜示意圖。圖6是圖5封裝折疊后的柔性溫差發(fā)電裝置示意圖。圖中:1.聚酰亞胺基底，2.絕緣硬質(zhì)薄膜，3.P型薄膜熱電臂，4.N型薄膜熱電臂，
5.導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線，6.導(dǎo)熱絕緣聚合物封裝層。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型在聚酰亞胺基底I上表面通過PECVD方法沉積一層等間距分布的多個(gè)絕緣硬質(zhì)薄膜(圖1中為5個(gè))，在每個(gè)絕緣硬質(zhì)薄膜2上面的兩側(cè)分別有相互平行且長(zhǎng)度與厚度相等的一條P型薄膜熱電臂3和一條N型薄膜熱電臂4，每對(duì)P型薄膜熱電臂3和N型薄膜熱電臂4的一端用導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線5，P型薄膜熱電臂3的另一端與相鄰上一條的N型薄膜熱電臂4的另一端用導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線5連接，N型薄膜熱電臂3的另一端與相鄰下一條的P型薄膜熱電臂4的另一端用導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線5連接，以相同連接方式依次構(gòu)成柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線5可采用中溫固化導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線材料，通過絲網(wǎng)印刷加工，導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線5與熱電臂之間可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電、絕熱。所述的絕緣硬質(zhì)薄膜的材料為氮化硅或類金剛石。所述的薄膜熱電臂的材料為摻雜的碲化鉍及其合金，P型薄膜熱電臂3和N型薄膜熱電臂4交替排列，絕緣硬質(zhì)薄膜2與薄膜熱電臂之間可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱、絕緣。柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)，可以折彎成所需形狀，再通過封裝PVDF/A1N復(fù)合薄膜或環(huán)氧樹脂復(fù)合導(dǎo)熱薄膜等導(dǎo)熱絕緣的柔性材料，形成能量密度高的溫差發(fā)電裝置。采用的封裝材料具有良好的生物相容性。P型薄膜熱電臂3和N型薄膜熱電臂4可通過絲網(wǎng)印刷、電化學(xué)沉積、磁控濺射等方式加工在絕緣硬質(zhì)薄膜2上。例如采用磁控濺射的方式加工，P型薄膜熱電臂3和N型薄膜熱電臂4分兩次加工，使用相應(yīng)的掩膜板。先利用光刻的方法加工用于濺射的掩膜板，掩膜板上要設(shè)計(jì)定位孔，保證濺射熱電臂的平行，P型和N型薄膜熱電臂交替排列，相互平行組成熱電偶，絕緣硬質(zhì)薄膜與薄膜熱電臂之間可以導(dǎo)熱絕緣。P型薄膜熱電臂3和N型薄膜熱電臂4長(zhǎng)度與絕緣硬質(zhì)薄膜2長(zhǎng)度與厚度相等。如圖1、圖3所示，將柔性 溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)經(jīng)過卷曲形成圓盤狀，采用PVDF/AlN復(fù)合薄膜或環(huán)氧樹脂復(fù)合導(dǎo)熱薄膜等導(dǎo)熱絕緣的柔性材料上下封裝，6為導(dǎo)熱絕緣聚合物封裝層，形成能量密度高的柔性溫差發(fā)電裝置，圖3中，柔性溫差發(fā)電裝置的上端為熱端，下端為冷端。多個(gè)柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)并聯(lián)加工，形成平面柔性溫差發(fā)電薄膜，如圖4所示；折疊后形成成波紋形狀柔性溫差發(fā)電薄膜結(jié)構(gòu)，如圖5所示；用PVDF/A1N復(fù)合薄膜或環(huán)氧樹脂復(fù)合導(dǎo)熱薄膜等導(dǎo)熱絕緣的柔性材料封裝，形成柔性溫差發(fā)電裝置，如圖6所示，6為導(dǎo)熱絕緣聚合物封裝層；圖6中柔性溫差發(fā)電裝置的上端為熱端，下端為冷端。柔性溫差發(fā)電裝置的材料和結(jié)構(gòu)都具有柔性，可以貼合曲面。
權(quán)利要求1.一種柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)，其特征在于:在聚酰亞胺基底(I)上表面沉積一層等間距分布的多個(gè)絕緣硬質(zhì)薄膜，在每個(gè)絕緣硬質(zhì)薄膜(2)上面的兩側(cè)分別有相互平行且長(zhǎng)度與厚度相等的一條P型薄膜熱電臂(3)和一條N型薄膜熱電臂(4)，每對(duì)P型薄膜熱電臂(3)和N型薄膜熱電臂(4)的一端用導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線(5)，P型薄膜熱電臂(3)的另一端與相鄰上一條的N型薄膜熱電臂(4)的另一端用 導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線(5)連接，N型薄膜熱電臂(3)的另一端與相鄰下一條的P型薄膜熱電臂(4)的另一端用導(dǎo)電銀膠導(dǎo)線(5)連接，以相同連接方式依次構(gòu)成柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的絕緣硬質(zhì)薄膜的材料為氮化硅或類金剛石。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的薄膜熱電臂的材料為摻雜的碲化鉍。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)。在聚酰亞胺基底上表面沉積一層等間距分布的多個(gè)絕緣硬質(zhì)薄膜，在每個(gè)絕緣硬質(zhì)薄膜上面的兩側(cè)分別有相互平行且長(zhǎng)度與厚度相等的P型薄膜熱電臂和N型薄膜熱電臂，每對(duì)P型薄膜熱電臂和N型薄膜熱電臂的一端用導(dǎo)線，P型薄膜熱電臂的另一端與相鄰上一條的N型薄膜熱電臂的另一端用導(dǎo)線連接，N型薄膜熱電臂的另一端與相鄰下一條的P型薄膜熱電臂的另一端用導(dǎo)線連接，依次構(gòu)成柔性溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型具有柔性，可在多個(gè)方向變形，當(dāng)溫差發(fā)電單元發(fā)生結(jié)構(gòu)變形時(shí)，絕緣硬質(zhì)薄膜可避免延展性差的碲化鉍熱電材料發(fā)生斷裂，避免失效。本實(shí)用新型主要針對(duì)體內(nèi)植入式醫(yī)療微裝置的供能，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H01L35/00GK203119810SQ20132012516
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者史堯光, 梅德慶, 姚喆赫, 陳子辰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)