本實(shí)用新型涉及溫差發(fā)電器件，尤其是涉及一種具有鏤空結(jié)構(gòu)基底的穿戴式溫差發(fā)電器。

背景技術(shù)：

當(dāng)前穿戴式電子器件廣泛用于人體體征的監(jiān)測、人體活動(dòng)數(shù)據(jù)的收集以及移動(dòng)智能應(yīng)用?，F(xiàn)有的穿戴式電子器件主要采用鋰電池供能，續(xù)航時(shí)間有限，限制了穿戴式電子器件的使用范圍；同時(shí)，廢舊鋰電池易對環(huán)境造成污染。溫差發(fā)電器基于塞貝克效應(yīng)，可收集熱能并轉(zhuǎn)換為電能，而人體與周圍環(huán)境存在持續(xù)的熱量交換，因此，溫差發(fā)電器可以利用人體與環(huán)境存在的溫度差進(jìn)行發(fā)電，為穿戴式電子器件持續(xù)供能。

傳統(tǒng)的溫差發(fā)電器外側(cè)覆蓋剛性絕緣陶瓷板，穿戴在人體時(shí)，陶瓷板與皮膚的間隙會(huì)增大熱阻，降低溫差發(fā)電器的輸出性能。而柔性溫差發(fā)電器可以貼合曲率半徑不同的表面，并能減小人體運(yùn)動(dòng)或外部振動(dòng)對溫差發(fā)電器的沖擊破壞，更適合穿戴式電子器件的供能應(yīng)用場合。

目前，柔性溫差發(fā)電器的主要制造工藝為物理或化學(xué)沉積工藝與絲網(wǎng)印刷燒結(jié)工藝。物理或化學(xué)沉積工藝加工的熱電臂薄膜內(nèi)阻大，輸出功率較低，且微納米加工設(shè)備昂貴、制造成本高且周期長，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。絲網(wǎng)印刷燒結(jié)工藝的熱電臂采用熱電材料粉末與有機(jī)粘合劑的混合漿料加工，而有機(jī)粘合劑的加入使制作的熱電臂性能低于熱電材料直接成形加工的熱電臂，因此輸出性能低于傳統(tǒng)剛性溫差發(fā)電器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述背景技術(shù)中存在的問縣，本實(shí)用新型的目的在于提供一種具有鏤空結(jié)構(gòu)基底的穿戴式溫差發(fā)電器，可以提高溫差發(fā)電器的柔性，降低了工藝操作難度和設(shè)備要求，同時(shí)提高了器件的輸出性能。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下：

本實(shí)用新型從穿戴面向外，依次包括柔性印刷電路板、熱電塊體陣列和冷端銅導(dǎo)電片；熱電塊體陣列的熱端面通過中溫焊料與柔性印刷電路板的銅電極上面連接，熱電塊體陣列的冷端面通過低溫焊料與冷端銅導(dǎo)電片的下面連接；熱電塊體陣列具有m行，m為偶數(shù)、且m≥2，每行含有四對及以上尺寸和個(gè)數(shù)均相同的P型和N型熱電塊體，熱電塊體陣列通過熱端柔性印刷電路板的銅電極和冷端銅導(dǎo)電片組成串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

所述柔性印刷電路板具有鏤空結(jié)構(gòu)，鏤空結(jié)構(gòu)的數(shù)量根據(jù)設(shè)計(jì)需要的熱電陣列行數(shù)、熱電塊體個(gè)數(shù)與尺寸而定。

所述柔性印刷電路板材料為聚酰亞胺，N型熱電塊體材料為摻雜碲化鉍基熱電材料，P型熱電塊體材料為摻雜碲化鉍基熱電材料。

所述N型熱電塊體材料為摻雜碲化鉍基熱電材料為Bi₂Se_0.5Te_2.5。

所述P型熱電塊體材料為摻雜碲化鉍基熱電材料為Bi_0.5Sb_1.5Te₃。

本實(shí)用新型具有的有益效果是：

本實(shí)用新型具有鏤空結(jié)構(gòu)基底的柔性印刷電路板增加了穿戴式溫差發(fā)電器的柔性，可在多個(gè)方向變形；通過改變熱電塊體陣列的行數(shù)及每行內(nèi)的熱電塊體個(gè)數(shù)，可以滿足不同驅(qū)動(dòng)器件的應(yīng)用需求。在制作方法中，采用熱電塊體定位板避免了P型和N型熱電塊體在焊接過程中移動(dòng)，保證與導(dǎo)電電極的良好接觸。冷端銅導(dǎo)電片采用三維打印定位和聚酰亞胺膠帶固定，使熱電塊體與冷端銅導(dǎo)電片位置對應(yīng)準(zhǔn)確，接觸良好。拓寬了熱電器件的應(yīng)用場合，提高了穿戴式溫差發(fā)電器件的使用場合。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的柔性溫差發(fā)電器的示意圖。

圖2是本實(shí)用新型的制造工藝流程示意圖

圖3是具有鏤空結(jié)構(gòu)的柔性印刷電路板示意圖。

圖4是涂覆中溫焊料的柔性印刷電路板示意圖。

圖5是熱電塊體定位板示意圖。

圖6是柔性溫差發(fā)電器熱端部分裝配的爆炸示意圖。

圖7是本實(shí)用新型制造得到的柔性溫差發(fā)電器熱端部分的示意圖。

圖8是聚酰亞胺膠帶固定的冷端銅導(dǎo)電片示意圖

圖9是涂覆低溫焊料的冷端銅導(dǎo)電片示意圖。

圖10是柔性溫差發(fā)電器冷端裝配的爆炸示意圖。

圖中：1、柔性印刷電路板，2、鏤空結(jié)構(gòu)，3、熱電塊體陣列，4、冷端銅導(dǎo)電片，5、聚酰亞胺基底，6、銅電極，7、中溫焊料，8、熱電塊體定位板，9、底板，10、P型熱電塊體，11、N型熱電塊體，12、蓋板，13、聚酰亞胺膠帶，14、低溫焊料。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型從穿戴面向外，依次包括具有鏤空結(jié)構(gòu)2的柔性印刷電路板1、熱電塊體陣列3和冷端銅導(dǎo)電片4；熱電塊體陣列3的熱端面通過中溫焊料與柔性印刷電路板1的銅電極上層連接，熱電塊體陣列3的冷端面通過低溫焊料與冷端銅導(dǎo)電片4的下層連接；熱電塊體陣列3具有m行，m為偶數(shù)，且m≥2、每行含有四對及以上尺寸和個(gè)數(shù)均相同的P型和N型熱電塊體，熱電塊體陣列通過熱端柔性印刷電路板的銅電極和冷端銅導(dǎo)電片組成串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1中為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

所述柔性印刷電路板1具有鏤空結(jié)構(gòu)2，鏤空結(jié)構(gòu)2的數(shù)量根據(jù)設(shè)計(jì)需要的熱電陣列行數(shù)、熱電塊體個(gè)數(shù)與尺寸而定。

本實(shí)用新型提供的制作方法，具體地說，本實(shí)用新型主要包括柔性印刷電路板制作與焊料涂覆，熱電塊體的定位與焊接、冷端銅導(dǎo)電片定位與焊料涂覆，溫差發(fā)電器冷端裝配焊接幾大步驟。如圖2所示，為中溫焊料和低溫焊料的涂覆同時(shí)進(jìn)行的情形。

一、柔性印刷電路板制作與焊料涂覆

本實(shí)用新型P型和N型熱電塊體材料為摻雜碲化鉍基熱電材料，P型熱電塊體材料成分為Bi_0.5Sb_1.5Te₃，N型熱電塊體材料成分為Bi₂Se_0.5Te_2.5。熱電臂對數(shù)n選為24對。將區(qū)熔法成形的P型和N型的熱電材料通過線切割加工為方形熱電塊體，塊體底面為邊長1.15mm的正方形，高為1.2mm；熱電塊體與柔性印刷電路板1的銅電極和冷端銅導(dǎo)電片焊接的兩個(gè)端面均鍍鎳鍍錫。

如圖3所示，制作具有鏤空結(jié)構(gòu)的柔性印刷電路板1，聚酰亞胺基底5的厚度選擇25μm，銅電極6的厚度為17.5μm。制作0.12mm厚的焊料涂覆網(wǎng)版，焊料涂覆網(wǎng)版的開孔與柔性印刷電路板1的銅電極6位置對應(yīng)。無鉛的中溫焊料7選擇熔點(diǎn)為217℃的Sn_96.5Ag₃Cu_0.5。對無鉛的中溫焊料7充分?jǐn)嚢韬?，用金屬刮刀將焊料通過網(wǎng)版涂覆在柔性印刷電路板1上，如圖4所示。

二、熱電塊體的定位與溫差發(fā)電器熱端焊接

將涂覆有焊料的柔性印刷電路板1固定在具有螺孔的底板9上，加裝定位螺柱和厚度為0.5mm的墊圈。制作熱電塊體定位板8，熱電塊體定位板8的開孔對應(yīng)熱電塊體和定位螺柱位置，如圖5所示。將熱電塊體定位板8通過定位螺柱覆蓋在柔性印刷電路板1上，并將24個(gè)N型熱電塊體11和24個(gè)P型熱電塊體10通過熱電塊體定位板8交替放置在柔性印刷電路板1上。24對N型熱電塊體11和P型熱電塊體10放置完成后，在熱電塊體上端加裝蓋板12，蓋板12對應(yīng)螺柱位置開有圓孔，螺柱通過圓孔伸出，用螺帽將蓋板12與底板9壓緊。圖6為柔性溫差發(fā)電器熱端焊接裝配爆炸圖。

將裝配壓緊后的結(jié)構(gòu)放入加熱爐中并抽真空，在260℃焊接3分鐘。待真空爐冷卻后，將裝配夾緊的結(jié)構(gòu)取出，拆下蓋板12、底板9和熱電塊體定位板8，得到溫差發(fā)電器熱端部分，如圖7所示。

三、冷端導(dǎo)電片定位與焊料涂覆

制作厚度為0.3mm的冷端銅導(dǎo)電片4，打磨拋光，去掉表面的油污與氧化層。采用三維打印加工冷端銅導(dǎo)電片模具，模具中開有與熱電臂位置對應(yīng)的定位槽，將冷端銅導(dǎo)電片放置在定位槽中，并用50μm厚的聚酰亞胺膠帶13粘結(jié)固定，如圖8所示。

制作0.12mm厚的焊料涂覆網(wǎng)版，網(wǎng)版的開孔與冷端銅導(dǎo)電片4的位置對應(yīng)。無鉛低溫焊料14選擇熔點(diǎn)為138℃的Sn₄₈Bi₅₂。對無鉛的低溫焊料14充分?jǐn)嚢?，用刮刀將焊料通過網(wǎng)版涂覆在冷端銅導(dǎo)電片4上，如圖9所示。

四、溫差發(fā)電器冷端焊接與裝配

將涂覆有焊料的冷端銅導(dǎo)電片對應(yīng)溫差發(fā)電器熱端部分的熱電塊體放置；在冷端銅導(dǎo)電片粘貼聚酰亞胺膠帶13的一側(cè)加裝蓋板，蓋板對應(yīng)螺柱位置開有圓孔，螺柱通過圓孔伸出，用螺帽將蓋板與底板壓緊。圖10為柔性溫差發(fā)電器冷端焊接裝配爆炸圖。

將裝配壓緊的結(jié)構(gòu)放入加熱爐中，抽真空，并在180 ℃焊接3分鐘。冷卻至常溫后，拆下蓋板12與底板9，將焊接好的部分在乙醇溶液中浸泡10分鐘，揭下聚酰亞胺膠帶13，得到柔性溫差發(fā)電器。

本實(shí)用新型通過提出一種具有鏤空結(jié)構(gòu)基底的穿戴式溫差發(fā)電器及其制作方法，通過采用具有鏤空的柔性印刷電路板使溫差發(fā)電器具有良好的柔性，并且在熱端加工采用熱電塊體定位板對熱電塊體定位，冷端加工時(shí)對冷端銅導(dǎo)電片采用三維打印定位和聚酰亞胺膠帶固定，均保證了熱電塊體與導(dǎo)電電極的良好接觸。使得制造的柔性溫差發(fā)電器輸出性能更高，且可以通過增加熱電塊體對數(shù)提升溫差發(fā)電器的輸出功率，拓展了穿戴式器件的應(yīng)用場合。

最后說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型而并非限制本實(shí)用新型所描述的技術(shù)方案，因此，盡管本說明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對本實(shí)用新型已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本實(shí)用新型進(jìn)行修改或等同替換，而一切不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍中。