具有镂空结构基底的穿戴式温差发电器及其制作方法与流程

本发明涉及温差发电器件及其制作方法，尤其是涉及一种具有镂空结构基底的穿戴式温差发电器及其制作方法。

背景技术：

当前穿戴式电子器件广泛用于人体体征的监测、人体活动数据的收集以及移动智能应用。现有的穿戴式电子器件主要采用锂电池供能，续航时间有限，限制了穿戴式电子器件的使用范围；同时，废旧锂电池易对环境造成污染。温差发电器基于塞贝克效应，可收集热能并转换为电能，而人体与周围环境存在持续的热量交换，因此，温差发电器可以利用人体与环境存在的温度差进行发电，为穿戴式电子器件持续供能。

传统的温差发电器外侧覆盖刚性绝缘陶瓷板，穿戴在人体时，陶瓷板与皮肤的间隙会增大热阻，降低温差发电器的输出性能。而柔性温差发电器可以贴合曲率半径不同的表面，并能减小人体运动或外部振动对温差发电器的冲击破坏，更适合穿戴式电子器件的供能应用场合。

目前，柔性温差发电器的主要制造工艺为物理或化学沉积工艺与丝网印刷烧结工艺。物理或化学沉积工艺加工的热电臂薄膜内阻大，输出功率较低，且微纳米加工设备昂贵、制造成本高且周期长，不利于大规模生产。丝网印刷烧结工艺的热电臂采用热电材料粉末与有机粘合剂的混合浆料加工，而有机粘合剂的加入使制作的热电臂性能低于热电材料直接成形加工的热电臂，因此输出性能低于传统刚性温差发电器。

技术实现要素：

基于上述背景技术中存在的问县，本发明的目的在于提供一种具有镂空结构基底的穿戴式温差发电器及其制作方法，可以提高温差发电器的柔性，降低了工艺操作难度和设备要求，同时提高了器件的输出性能。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种具有镂空结构基底的穿戴式温差发电器：

本发明从穿戴面向外，依次包括柔性印刷电路板、热电块体阵列和冷端铜导电片；热电块体阵列的热端面通过中温焊料与柔性印刷电路板的铜电极上面连接，热电块体阵列的冷端面通过低温焊料与冷端铜导电片的下面连接；热电块体阵列具有m行，m为偶数、且m≥2，每行含有四对及以上尺寸和个数均相同的p型和n型热电块体，热电块体阵列通过热端柔性印刷电路板的铜电极和冷端铜导电片组成串联或串并联结构。

所述柔性印刷电路板具有镂空结构，镂空结构的数量根据设计需要的热电阵列行数、热电块体个数与尺寸而定。

二、一种具有镂空结构基底的穿戴式温差发电器的制作方法，包括以下步骤：

1)根据穿戴场合与外部驱动器件的工作要求，确定温差发电器热电块体对数n和p、n型热电块体的尺寸，将成形好的p型和n型热电材料分别切割成n个p型和n型热电块体，且n≥8；

2)制作具有镂空结构的柔性印刷电路板和焊料涂覆网版，所述网版开孔位置与柔性印刷电路板的铜电极位置对应，采用丝网印刷工艺将中温焊料通过焊料涂覆网版刮涂在柔性印刷电路板上；

3)将涂覆有中温焊料的柔性印刷电路板固定在具有螺孔的底板上，底板加装定位螺柱和垫圈；制作热电块体定位板，所述定位板上开孔分别对应热电块体和定位螺柱位置，将热电块体定位板覆盖在柔性印刷电路板上；将n个n型热电块体和n个p型热电块体通过热电块体定位板交替放置在柔性印刷电路板上已涂覆焊料的位置；

4)在裸露的n个n型热电块体和n个p型热电块体上端加装盖板并用螺栓旋紧，进行焊接；冷却后去除盖板、底板与热电块体定位板，得到温差发电器热端部分；

5)打磨抛光冷端铜导电片，采用三维打印的模具定位冷端铜导电片，并用聚酰亚胺胶带粘结固定；

6)采用步骤2)相同的丝网印刷工艺涂覆低温焊料；

其中步骤2)~4)和步骤5)~6)同时进行，或分开先后进行；

7)将冷端铜导电片涂覆低温焊料的一面对应热端部分的热电块体裸露的一面放置；加装盖板并用螺栓旋紧，进行焊接；

8)冷却后去除盖板与底板；采用乙醇溶液浸泡去除聚酰亚胺胶带，得到穿戴式温差发电器。

所述柔性印刷电路板基底材料为聚酰亚胺，n型热电块体材料为掺杂碲化铋基热电材料，p型热电块体材料为掺杂碲化铋基热电材料。

所述热电材料成形工艺为区熔、热压或放电等离子烧结，热电块体切割工艺为线切割。

所述温差发电器的焊料涂覆厚度为0.05~0.15mm。

所述温差发电器的焊接在真空加热炉中进行。

所述中温焊料为sn96.5ag3cu0.5，焊接温度为260℃，焊接时间为3分钟；低温焊料为sn48bi52，焊接温度为180℃，焊接时间为3分钟。

本发明具有的有益效果是：

本发明具有镂空结构基底的柔性印刷电路板增加了穿戴式温差发电器的柔性，可在多个方向变形；通过改变热电块体阵列的行数及每行内的热电块体个数，可以满足不同驱动器件的应用需求。在制作方法中，采用热电块体定位板避免了p型和n型热电块体在焊接过程中移动，保证与导电电极的良好接触。冷端铜导电片采用三维打印定位和聚酰亚胺胶带固定，使热电块体与冷端铜导电片位置对应准确，接触良好。拓宽了热电器件的应用场合，提高了穿戴式温差发电器件的使用场合。

附图说明

图1是本发明的柔性温差发电器的示意图。

图2是本发明的制造工艺流程示意图

图3是具有镂空结构的柔性印刷电路板示意图。

图4是涂覆中温焊料的柔性印刷电路板示意图。

图5是热电块体定位板示意图。

图6是柔性温差发电器热端部分装配的爆炸示意图。

图7是本发明制造得到的柔性温差发电器热端部分的示意图。

图8是聚酰亚胺胶带固定的冷端铜导电片示意图

图9是涂覆低温焊料的冷端铜导电片示意图。

图10是柔性温差发电器冷端装配的爆炸示意图。

图中：1、柔性印刷电路板，2、镂空结构，3、热电块体阵列，4、冷端铜导电片，5、聚酰亚胺基底，6、铜电极，7、中温焊料，8、热电块体定位板，9、底板，10、p型热电块体，11、n型热电块体，12、盖板，13、聚酰亚胺胶带，14、低温焊料。

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1所示，本发明从穿戴面向外，依次包括具有镂空结构2的柔性印刷电路板1、热电块体阵列3和冷端铜导电片4；热电块体阵列3的热端面通过中温焊料与柔性印刷电路板1的铜电极上层连接，热电块体阵列3的冷端面通过低温焊料与冷端铜导电片4的下层连接；热电块体阵列3具有m行，m为偶数，且m≥2、每行含有四对及以上尺寸和个数均相同的p型和n型热电块体，热电块体阵列通过热端柔性印刷电路板的铜电极和冷端铜导电片组成串联或串并联结构，如图1中为串联结构。

所述柔性印刷电路板1具有镂空结构2，镂空结构2的数量根据设计需要的热电阵列行数、热电块体个数与尺寸而定。

本发明提供的制作方法，具体地说，本发明主要包括柔性印刷电路板制作与焊料涂覆，热电块体的定位与焊接、冷端铜导电片定位与焊料涂覆，温差发电器冷端装配焊接几大步骤。如图2所示，为中温焊料和低温焊料的涂覆同时进行的情形。

一、柔性印刷电路板制作与焊料涂覆

本发明p型和n型热电块体材料为掺杂碲化铋基热电材料，p型热电块体材料成分为bi0.5sb1.5te3，n型热电块体材料成分为bi2se0.5te2.5。热电臂对数n选为24对。将区熔法成形的p型和n型的热电材料通过线切割加工为方形热电块体，块体底面为边长1.15mm的正方形，高为1.2mm；热电块体与柔性印刷电路板1的铜电极和冷端铜导电片焊接的两个端面均镀镍镀锡。

如图3所示，制作具有镂空结构的柔性印刷电路板1，聚酰亚胺基底5的厚度选择25μm，铜电极6的厚度为17.5μm。制作0.12mm厚的焊料涂覆网版，焊料涂覆网版的开孔与柔性印刷电路板1的铜电极6位置对应。无铅的中温焊料7选择熔点为217℃的sn96.5ag3cu0.5。对无铅的中温焊料7充分搅拌后，用金属刮刀将焊料通过网版涂覆在柔性印刷电路板1上，如图4所示。

二、热电块体的定位与温差发电器热端焊接

将涂覆有焊料的柔性印刷电路板1固定在具有螺孔的底板9上，加装定位螺柱和厚度为0.5mm的垫圈。制作热电块体定位板8，热电块体定位板8的开孔对应热电块体和定位螺柱位置，如图5所示。将热电块体定位板8通过定位螺柱覆盖在柔性印刷电路板1上，并将24个n型热电块体11和24个p型热电块体10通过热电块体定位板8交替放置在柔性印刷电路板1上。24对n型热电块体11和p型热电块体10放置完成后，在热电块体上端加装盖板12，盖板12对应螺柱位置开有圆孔，螺柱通过圆孔伸出，用螺帽将盖板12与底板9压紧。图6为柔性温差发电器热端焊接装配爆炸图。

将装配压紧后的结构放入加热炉中并抽真空，在260℃焊接3分钟。待真空炉冷却后，将装配夹紧的结构取出，拆下盖板12、底板9和热电块体定位板8，得到温差发电器热端部分，如图7所示。

三、冷端导电片定位与焊料涂覆

制作厚度为0.3mm的冷端铜导电片4，打磨抛光，去掉表面的油污与氧化层。采用三维打印加工冷端铜导电片模具，模具中开有与热电臂位置对应的定位槽，将冷端铜导电片放置在定位槽中，并用50μm厚的聚酰亚胺胶带13粘结固定，如图8所示。

制作0.12mm厚的焊料涂覆网版，网版的开孔与冷端铜导电片4的位置对应。无铅低温焊料14选择熔点为138℃的sn48bi52。对无铅的低温焊料14充分搅拌，用刮刀将焊料通过网版涂覆在冷端铜导电片4上，如图9所示。

四、温差发电器冷端焊接与装配

将涂覆有焊料的冷端铜导电片对应温差发电器热端部分的热电块体放置；在冷端铜导电片粘贴聚酰亚胺胶带13的一侧加装盖板，盖板对应螺柱位置开有圆孔，螺柱通过圆孔伸出，用螺帽将盖板与底板压紧。图10为柔性温差发电器冷端焊接装配爆炸图。

将装配压紧的结构放入加热炉中，抽真空，并在180℃焊接3分钟。冷却至常温后，拆下盖板12与底板9，将焊接好的部分在乙醇溶液中浸泡10分钟，揭下聚酰亚胺胶带13，得到柔性温差发电器。

本发明通过提出一种具有镂空结构基底的穿戴式温差发电器及其制作方法，通过采用具有镂空的柔性印刷电路板使温差发电器具有良好的柔性，并且在热端加工采用热电块体定位板对热电块体定位，冷端加工时对冷端铜导电片采用三维打印定位和聚酰亚胺胶带固定，均保证了热电块体与导电电极的良好接触。使得制造的柔性温差发电器输出性能更高，且可以通过增加热电块体对数提升温差发电器的输出功率，拓展了穿戴式器件的应用场合。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。