CN104037318A - 柔性温差发电微单元结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性温差发电微单元结构。在基底上开有多排和多偶数列的蜂窝型圆形腔，除了边缘两列圆形腔外，其它圆形腔底部开有一个微孔，向开有微孔的圆形腔内底部滴涂银基纳米粒子油墨，填充微孔并覆盖住圆形腔底部。每排圆形腔中均相间填充有P型热电臂和N型热电臂，每对P型热电臂和N型热电臂的顶端分别用上层铜导线相连，每排开有微孔的N型热电臂和P型热电臂为一组，开有微孔的圆形腔外底面分别用下层铜导线相连构成柔性温差发电微单元结构。本发明具有高度柔性，稳定性高，当温差发电单元受冲击时，包裹热电臂的基底可避免延展性差的碲化铋热电材料发生断裂、失效。它能针对体内植入式医疗微装置的供能，具有推广应用价值。

Description

柔性温差发电微单元结构

技术领域

本发明涉及一种温差发电装置，尤其涉及一种柔性温差发电微单元结构。

背景技术

体内植入式医疗装置应用越来越广泛，例如心脏起搏器、除颤器、药物泵等，能够代替或提高器官的功能或者治疗某种疾病。为植入式医疗装置提供持久稳定的供能是当今世界一个研究热点和难题。目前几种应用于植入式医疗装置的电源主要有：锂电池、生物燃料电池、核电池、无线能量传输等。微小型锂电池往往寿命短，病人还需长期更换电池，带来许多痛苦；核电池工作寿命可以超过十年，但一般体积较大，而且对人体具有毒性和辐射；生物燃料电池利用酶或者微生物作为催化剂，将葡萄糖等生物燃料的化学能转换成电能，但是供电寿命一般只有几天；无线能量传输则通过电磁波、电磁耦合、超声波、光波等无线传输方式对体内植入式电源进行充电或直接供电，采用该方法往往需要病人长期配戴外部附加机构，给病人的日常生活和活动带来不便。

温差发电利用热电半导体的塞贝克效应，可将热能转化为电能。由于温差发电器件具有无移动部件、无污染、结构简单、易于小型化等优点，同时，由于正常人体的体温恒定且体内与体表间具有较小的温差，而温差发电对温差的下限没有要求，因此，可以直接利用人体存在的温差进行发电。

现有的微型柔性温差发电构件通常是在基底上直接布置热电臂或者在块体的微型热电材料间采用柔性连接，因为人体内环境有许多曲面而且人体活动具有灵活性，热电臂经常会受到挤压拉伸等冲击，这类温差发电器稳定性不够，这样就需要温差发电构件具有更好的柔性；采用碲化铋及其合金可以提高温差发电装置的发电功率，但是，碲化铋（BiTe）材料力学性能较差，材料较脆，受压力或冲击时，直接加工在柔性基底上的碲化铋及其合金材料容易断裂，使温差发电单元失效。因此，开发一种能够减小冲击，稳定可靠、柔性较好的温差发电微单元结构是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性温差发电微单元结构，具有稳定可靠、热电转换效率高、适用曲面、可加工成多种形式的温差发电器等特点。

本发明采用的技术方案是：

在基底上开有多排和多偶数列的蜂窝型圆形腔，除了边缘两列圆形腔之外，其它圆形腔底部开有一个微孔，开有微孔的圆形腔内底部滴涂银基纳米粒子油墨填充所述的微孔，并覆盖住圆形腔底部；每排圆形腔中均相间填充有P型热电臂和N型热电臂，每对P型热电臂和N型热电臂的顶端分别用上层铜导线相连，上层铜导线铺设在上层柔性电路板下面，每排开有微孔的N型热电臂和P型热电臂为一组，开有微孔的圆形腔外底面分别用下层铜导线相连，然后，以相同连接方式依次构成柔性温差发电微单元结构。

所述P型热电臂和N型热电臂的材料均为掺杂的碲化铋。

所述基底和上层柔性电路板的材料均为聚酰亚胺。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用聚酰亚胺蜂窝型基底包裹热电臂并且下层铜导线成弯曲结构使得温差发电单元具有高度柔性，可在多个方向变形。当温差发电单元发生结构变形时，圆形聚酰亚胺空腔包裹热电臂可避免延展性差的碲化铋热电材料发生断裂，避免温差发电单元的失效。该发明主要针对体内植入式医疗微装置的供能，具有推广应用价值。

附图说明

图1是本发明结构正面等轴测视图。

图2是本发明结构背面等轴测视图。

图3是本发明结构背面正视图。

图4是图3的D-D剖视图。

图5是P型与N型热电臂分布示意图。

图6是上层柔性电路板示意图。

图7是下层柔性电路板背面正视图。

图8是图7的H-H剖视图。

图9是蜂窝型聚酰亚胺基底的模具图。

图10是溅射下层铜导线所需的掩模板图。

图11是往圆形空腔中喷墨打印热电材料示意图。

图中：1、基底，2、银基纳米粒子油墨，3、P型热电臂，4、N型热电臂，5、上层柔性电路板，6、上层铜导线，7、下层铜导线，8、聚酰亚胺基底模具的上模，9、聚酰亚胺基底模具的下膜，10、掩模板，11、针头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图9所示，本发明在聚酰亚胺基底模具的下膜9内浇注聚酰亚胺，用聚酰亚胺基底模具的上模8挤压，固化成蜂窝型圆形腔的基底1。如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，本发明在基底1上开有多排和多偶数列的蜂窝型圆形腔（图中开有四排四列圆形腔，只需如图2中间两列进行阵列即可增加列数），除了边缘两列圆形腔之外，其它圆形腔底部开有一个微孔，如图11所示，在开孔的圆形腔中开有微孔的圆形腔内底部滴涂银基纳米粒子油墨2填充所述的微孔并覆盖住圆形腔底部。如图5每排圆形腔中均相间填充有P型热电臂3和N型热电臂4，每对P型热电臂3和N型热电臂4的顶端分别用上层铜导线6相连，上层铜导线铺设在上层柔性电路板5下面（如图6所示），每排开有微孔的P型热电臂3和N型热电臂4为一组，开有微孔的圆形腔外底面分别用下层铜导线7相连，然后，以相同连接方式依次构成柔性温差发电微单元结构。

所述P型热电臂3和N型热电臂4的材料均为掺杂的碲化铋。

所述基底1和上层柔性电路板5的材料均为聚酰亚胺。

滴涂银基纳米粒子油墨2填充所述的微孔并覆盖住圆形腔底部，如图5在每个圆型腔中相间用滴涂法填充P型热电臂3和N型热电臂4，每排每对P型热电臂3和N型热电臂4的顶端用溅射的上层铜导线6相连，每对带微孔的P型热电臂3和N型热电臂4的背面，用如图10所示的掩模板溅射的下层铜导线7连接，银基纳米粒子油墨2与下层铜导线7导通，使被包裹的N型热电臂4的底端与相邻的P型热电臂3的底端导通，以相同连接方式依次构成柔性温差发电微单元结构，上层柔性电路板5的伸出端跟外电路连接，该单元结构贴合在人体上即可利用人体温差发电。

所述的热电臂的材料为掺杂的碲化铋及其合金，P型热电臂3和N型热电臂4交替排列，蜂窝型聚酰亚胺基底可以使装置充分柔性化。

柔性温差发电微单元结构，可以折弯成所需形状，再通过封装复合薄膜等导热绝缘的柔性材料，形成能量密度高的温差发电装置。

填充微孔和热电材料工艺是如图11所示的滴涂法：点胶机的针头11先将银基纳米粒子油墨滴入微孔中并覆盖圆形腔底部，再在每排圆形腔中相间滴入P型热电材料粉末与粘结剂和N型热电材料粉末与粘结剂，在室温下固化成型。上层柔性电路板的加工工艺：在上层柔性电路板基底上用丝网印刷方法铺上层铜导线6，下层铜导线可用如图10所示的掩膜板溅射得到：在基底背面涂正性光刻胶，用铜掩模板10曝光显影，用铜靶材溅射导线图案，去胶完成铜导线。每排P型热电臂和N型热电臂交替排列，相互平行组成热电偶。柔性温差发电装置的材料和结构都具有高度柔性，可以贴合曲面。

本发明的工作原理是：

由塞贝克效应，P型及N型热电臂的温度差会在两端产生电压差，由于单个热电偶产生的电压很低，因此，可采用“热路并联，电路串联”的方式，将P型和N型热电臂组成的热电偶设计并布置形成单排多对或多排阵列型的热电模块从而提高输出电压值。

实现在柔性聚酰亚胺基底圆形腔中填充热电臂，聚酰亚胺物理、化学性能稳定，与玻璃或硅基底比较，能使结构柔性且轻便、增加了鲁棒性，其灵活性可以适应不同曲面。

室温下碲化铋材料的热电优值较高，采用碲化铋及其合金可以提高温差发电装置的发电功率。但是，由于碲化铋（BiTe）材料力学性能较差，容易断裂。使得直接加工在柔性基底上的碲化铋材料容易断裂引起温差发电单元失效。所以，将碲化铋材料包裹在聚酰亚胺圆形腔里面，基底本身具有的柔性减少碲化铋材料上施加的压力和冲击，从而避免热电材料断裂引起温差发电单元失效。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种柔性温差发电微单元结构，其特征在于：在基底（1）上开有多排和多偶数列的蜂窝型圆形腔，除了边缘两列圆形腔之外，其它圆形腔底部开有一个微孔，开有微孔的圆形腔内滴涂银基纳米粒子油墨(2)填充所述的微孔，并覆盖圆形腔底部；每排圆形腔中均相间填充有P型热电臂（3）和N型热电臂（4），每对P型热电臂（3）和N型热电臂（4）的顶端分别用上层铜导线相连，上层铜导线铺设在上层柔性电路板（5）下面，每排开有微孔的P型热电臂（3）和N型热电臂（4）为一组，开有微孔的圆形腔外底面分别用下层铜导线相连，然后，以相同连接方式依次构成柔性温差发电微单元结构。

2.根据权利要求1所述的一种柔性温差发电微单元结构，其特征在于：所述P型热电臂（3）和N型热电臂（4）的材料均为掺杂的碲化铋。

3.根据权利要求1所述的一种柔性温差发电微单元结构，其特征在于：所述基底（1）和上层柔性电路板（5）的材料均为聚酰亚胺。